Помехозащищенность цифрового вольтметра

1.  Помехозащищенность ЦВ

Источники помех, эквивалентные схемы и коэффициенты подавления

В широком смысле под помехами понимают любые факторы, искажающие результаты измерения. Здесь будут рассматриваться помехи в более узком смысле: как паразитный сигнал, действующий на входе прибора в сумме с полезным измеряемым сигналом – напряжением постоянного тока.

     Источниками помех могут быть электромагнитные наводки, термо-ЭДС, токи утечки, протекающие по распределенным сопротивлениям изоляции, и другие явления. На рис.1 приведены соответствующие иллюстрации. На рис. 1,а показан источник ИН измеряемого напряжения постоянного тока U (полезный сигнал), соединенный с цифровым вольтметром ЦВ двухпроводной линией связи ЛС. Переменный магнитный поток Φ~ от каких-либо внешних источников пронизывает входной контур и индицирует в нем переменную ЭДС (помеха). В данном случае помеха имеет принципиальное отличие от полезного сигнала – напряжения постоянного тока U: она является сигналом переменного тока. На рис. 1,б показан другой случай, когда помеха принципиально неотличима от полезного сигнала. Во входном контуре всегда есть точки соединения проводников из разных материалов. Например, медные провода линии связи ЛС в точках А и В соединены с манганиновым входным делителем ВД цифрового вольтметра. В этих точках образуется ЭДС  и  (контактные разности потенциалов). Поскольку температура  в точке А может несколько отличаться от температуры  в точке В, во входном контуре образуется термо-ЭДС , которая представляет собой сигнал помехи постоянного тока, включенный последовательно с полезным сигналом U.                   

В обоих рассматриваемых случаях (рис. 1, а, б) сигнал помехи возникает непосредственно во входном контуре ЦВ. На рис. 2,а показан источник помех несколько иного рода. Цифровой вольтметр ЦВ измеряет напряжение постоянного тока U, создаваемое термопарой ТП, приваренной в точке D к нагревателю Н, по которому протекает переменный ток . Нижний конец Н и корпус ЦВ «заземлены» (общая точка). В данном случае ЦВ должен иметь так называемый симметричный вход (ни один из входных зажимов не соединен с корпусом). В этой схеме точка D находится под некоторым потенциалом относительно «земли», который равен переменному напряжению  на нижнем участке Н. На первый взгляд кажется, что это напряжение никакой помехи не создает, так как оно не передается во входной контур.

      На самом деле это не так. Распределенные сопротивления и емкости изоляции (показаны пунктиром) между корпусом  ЦВ и каждым из входных зажимов ЦВ (точки А и В) не могут быть одинаковыми. Поэтому токи утечки  и , созданные напряжением , не равны и следовательно, между точками А и В создается некоторая разность потенциалов. Эта разность потенциалов представляет собой паразитный сигнал переменного тока, действующий во входном контуре. Таким образом, напряжение  , хотя и не действует непосредственно во входном контуре, но частично «проникает» в него.

На рис. 2,б дан пример возникновения аналогичной помехи, но постоянного тока. По резисторам  и  протекает постоянный ток I. Измеряется напряжение U на нижнем участке  (полезный сигнал). Напряжение  на  является источником помехи: постоянные токи утечки  и  по распределенным сопротивлениям изоляции (пунктир), созданные напряжением , образуют некоторую разность потенциалов между точками А и В, т. е. паразитный сигнал постоянного тока, действующий во входном контуре.

Рассмотрены лишь некоторые примеры; общая картина помех весьма сложна. Чтобы дать практически приемлемые способы оценки влияния помех, обычно пользуются эквивалентными схемами, в которых  элементы с распределенными параметрами заменяют сосредоточенными, а всю совокупность источников помех приводят к двум ЭДС рис. 3: ЭДС помехи нормального вида  и ЭДС помехи общего вида.

Эти названия заимствованы из иностранной  литературы: Normal Mode, Common Mode; первую называют также последовательной или последовательно включенной помехой (Serier Mode), а вторую – синфазной помехой. В отечественной литературе употребляют названия: поперечная помеха – для , и продольная помеха – для , но они прочно не утвердились.

Помеха  непосредственно включена во входной контур, а во входной контур, а  приложена между корпусом цифрового вольтметра ЦВ и корпусом источника полезного сигнала ИН.

Прежде всего отметим, что существует ряд общих приемов, направленных на уменьшение самой . Сюда относятся: скручивание проводов линии связи и магнитное экранирование для уменьшения потокосцепления с входным контуром; различные меры по уменьшению термо-ЭДС во входном контуре (выравнивание температуры, применение проводников с малой контактной разностью потенциалов) и т.п. Эти приемы рассматриваться не будут.

Далее рассматриваются такие схемные и конструктивные способы, которые при заданных значениях и  уменьшают их влияние на результат измерения. Обе ЭДС,  и  могут быть постоянными, синусоидальными, периодическими произвольной формы, и иметь случайный характер. Последний вариант не рассматривается. Мы будем рассматривать помехи постоянного тока и синусоидальные, имея в виду, что периодический сигнал произвольной может быть представлен в виде суммы гармоник. Среди синусоидальных помех различных частот наибольшую роль играют помехи сетевой частоты.

Представим  в виде двух составляющих:  - ЭДС постоянного тока и  - синусоидальный ЭДС (действующее значение). Составляющая  неотличима от полезного сигнала – напряжение постоянного тока U. Различные схемные способы направлены на защиту от . Будем называть их способами защиты от помехи нормального вида. Однако какие бы ни применялись способы, некоторое влияние  на результат измерения остается.

Степень защищенности ЦВ от  характеризуют коэффициентом подавления синусоидальной помехи нормального вида, который выражают в децибелах:

                                       ,                   (1)

где - амплитуда синусоидальной ЭДС помехи нормального вида;  - изменение показаний ЦВ, вызванное этой помехой.

При краткой характеристике защищенности ЦВ от  дается значение  только на одной частоте, соответствующей доминирующей помехе (обычно на частоте сети). При более полной характеристике дается частотная зависимость (f).

Электродвижущая сила общего вида  влияет на показание ЦВ лишь постольку, поскольку некоторая ее доля  проникает во входной контур (рис 4). Способы, направленные на уменьшение отношения / тоже представим способами защиты от помех общего вида.

Электродвижущие силы  и  тоже представим в виде составляющих – соответственно , , , . Степень защищенности ЦВ от помех общего вида характеризуют двумя коэффициентами подавления помех общего вида (в децибелах)

                                     ,                                                              (2)

                                        .                    (3)

Электродвижущая сила  перешедшая входной контур, неотличима от полезного сигнала – напряжения постоянного тока U – и вызывает изменение показаний ЦВ на некоторую величину  . Поэтому вместо (2) можно записать

                                                            (4)