Индуктивные и емкостные связи

Если рядом с сигнальным проводом проложен некоторый провод, по которому протекает ток помехи I_п (рис. 16.34), то вследствие эффекта э-м индукции на сигнальном проводе будет наводиться напряжение помехи V_M.

Рис. 16.34. Пути прохождения емкостной и индуктивной помехи от источника е_П

В случае синусоидальной формы тока амплитуда напряжения помехи, наводимого на сигнальном проводе, составит:

(16.5)

где М - взаимная индуктивность между проводами, L - индуктивность сигнального провода; I_п - амплитуда тока помехи; ω = 2пf, f - частота тока помехи.

Взаимная индуктивность пропорциональна площади витка, который пересекается магнитным полем помехи. В данном случае это контур, по которому протекает ток, вызванный э.д.с. помехи. На рис.16.34 этот контур образован сигнальным проводом, входным сопротивлением приемника, проводом земли и выходным сопротивлением источника сигнала. Для уменьшения взаимной индуктивности площадь данного контура должна быть минимальной, т.е. сигнальный провод должен быть проложен максимально близко к земляному (а еще лучше - свит с ним). Эффективную площадь витка можно уменьшить, если расположить его в плоскости, перпендикулярной плоскости контура с током помехи.

Из (16.5) следует, что индуктивная наводка увеличивается с ростом частоты и отсутствует на постоянном токе. Напряжение помехи на рис.17.34 включено последовательно с источником сигнала, т.е. вносит аддитивную погрешность в результат измерения. При бесконечно большом сопротивлении R_i напряжение на входе приемника составит:

V_вх = е + ω M I_П (16.6)

и не зависит от сопротивления источника сигнала.

Емкостная наводка через паразитную емкость между проводниками С_с, наоборот, полностью определяется внутренним сопротивлением источника сигнала R_i, поскольку оно входит в делитель напряжения помехи, состоящий из сопротивления R_вх, включенного параллельно R_i, и емкости С_с (рис.16.34):

(16.7)

Видно, что при R_i = 0 емкостная помеха полностью отсутствует. В действительности сигнальный проводник имеет некоторое индуктивное и резистивное сопротивление, падение напряжения помехи на котором не позволяет полностью устранить емкостную наводку с помощью источника с низким внутренним сопротивлением. Особенно важно учитывать индуктивность сигнального провода в случае высокочастотных помех.

Порядок сопротивлений типовых источников сигнала приведен в табл.16.4.

Типовые источники сигналов и их сопротивления

Таблица 16.4.

Источник сигнала	Полное сопротивление
Термопара Терморезистор Резистивный датчик сопротивления Полупроводниковый датчик давления Тензодатчик Стеклянный рН электрод Потенциометрический датчик перемещения Операционный усилитель с обратной связью	<20 Ом >1 КОм 50...100 Ом >1 Ком <1 Ком > 109 Ом от 500 Ом до 100 кОм 10-4 Ом

Датчики, имеющие большое внутреннее сопротивление или малое напряжение сигнала, нужно использовать совместно с усилителем, расположенным в непосредственной близости к датчику, а приемнику следует передавать уже усиленный сигнал.

Для устранения индуктивной наводки носителем сигнала должен быть ток, а не напряжение, т.е. источником сигнала должен быть идеальный источник тока (рис. 16.35). Ток источника тока не зависит от характера нагрузки (по определению), в том числе от величины наведенной э.д.с.

Рис.16.35. Канал передачи сигнала с помощью тока менее чувствителен к индуктивным наводкам

Таким образом, для снижения емкостной наводки сигнал нужно передавать с помощью идеального источника напряжения, а для снижения индуктивной наводки - с помощью идеального источника тока.

Выбор носителя информации (ток или напряжение) в конкретном случае зависит от того, какая помеха преобладает: индуктивная или емкостная. Как правило, емкостные наводки преобладают над индуктивными, если источник помехи имеет большое напряжение. Индуктивные же помехи создаются током, поэтому они велики в случае, когда источником помехи является мощное оборудование, потребляющее большой ток. Экранирование низкочастотной индуктивной наводки технически гораздо сложнее, чем емкостной, поскольку магнитный экран изготавливается из толстого листа ферромагнитного материала.

Преимущества передачи сигнала в форме тока и в форме напряжения совмещаются в промежуточном случае, когда информации передается путем передачи максимальной мощности, т.е. когда сопротивление приемника равно сопротивлению источника сигнала R_вх = R_i . При этом достигается максимум мощности, передаваемой от источника к приемнику. Отношение мощностей помехи и сигнала определяет величину погрешности, вносимой помехами в канал передачи информации. Поэтому в общем случае для получения качественной передачи можно просто увеличивать мощность сигнала е²/ (R_вх + R_i ) для чего достаточно уменьшить сопротивление приемника R_вх . Однако сигнал большой мощности порождает помехи для других устройств, поэтому данный пусть в ПА не используется.

Контрольные вопросы

1. Общая характеристика помех в автоматике.

2. Технические характеристики помех.

3. Основные источники внешних помех.

4. Помехи из сети электроснабжения

5. Помехи от молний и атмосферного электричества.

6. Помехи статического электричества.

7. Электромагнитные помехи .

8. Виды и характеристики защит от внешних помех.

9. Защита от помех электропитания 50 Гц.

10. Защита от молний технических средств ПА.

11. Защита от молний промышленных информационных сетей.

12. Стандарты и методы испытаний по ЭМС.

13. Источники внутренних помех в проводных каналах передачи сигналов.

14. Источники и приемники сигналов в автоматике.

15. Прием сигнала заземленного источника

16. Прием сигнала незаземленных источников .

17. Дифференциальные каналы передачи сигнала

18. Помеховые модели средств ввода-вывода систем автоматизации...

19. Паразитные кондуктивные связи.

20. Индуктивные и емкостные связи.