Störningar i elektriska mätsystem - TFE

Störningar i elektriska
mätsystem
Mätteknik
[email protected]
[email protected]
1
Signal-brusförhållande
• SNR eller S/N (signal-to-noise ratio)
• Signal-brusförhållande
𝑆𝑁𝑅𝑑𝐵 = 10 log10
𝑃𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙
𝐴𝑠𝑖𝑔𝑛𝑎𝑙
= 20 log10
𝑃𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒
𝐴𝑛𝑜𝑖𝑠𝑒
𝑃 är medeleffekt
𝐴 är amplitud (rms)
2
Introduktion
• Mätsignalen överlagrad med oönskade komponenter
• Brus och störningar
• Åtgärder för att förbättra mätsignalens SNR
1.
2.
3.
Eliminera störkällan
Hindra störsignalens väg in i mätsystemet
Signal- och databehandling (filter, matematiska metoder: medelvärdesbilda,
frekvensanalys, autokorrelation, korskorrelation, digitala filter)  förbättrar
SNR
• Mätsystemet och dess elektromagnetiska (EM) kompatibilitet (EMC)
•
•
•
•
EMC: systemets förmåga att fungera i EM-omgivning
Immunitetskrav: måste tåla en lägsta EM-strålningsnivå
Emissionskrav: får inte stråla/störa andra apparater
Målet för mätsystem: störningsimmunt
3
Störningar i mätsystem uppstår då...
1. ...det finns en störkälla
2. ...mätsystemet är mottagligt för störningsfrekvensen
3. ...det finns en koppling mellan störkällan och mätsystemet
•  tre sätt att skydda mätsystemet
• Eliminera störkällan (önskvärt men ofta omöjligt!)
• Göra mätsystemet oemottagligt för störningen (i begränsad omfattning)
• Bryta kopplingen
4
Störningar kan kopplas...
• Kapacitivt
• Induktivt
• Via gemensamma resistanser
• Via elektromagnetisk strålning
• Via jordslingor
• internt genererade störningar
• Uppkomst och bekämpning
The four types of coupling path involved in
electromagnetic interference (EMI) (From
Wikipedia)
5
Kapacitiv störningskoppling: två ledare
• Kapacitans mellan två ledare
Två ledare
Elektrisk ledare
med diameter 𝑑
1
Exempel:
𝐷 = 10 𝑐𝑚
𝑑 = 1 𝑚𝑚
ger
𝐶12 = 5 𝑝𝐹/𝑚
𝐷
2
Kapacitans 𝐶12 =
𝜋𝜀0
ln
2𝐷
𝑑
𝐹 Τ𝑚
Koaxialkabel (centrumledare omgiven av ett metallhölje)
Metallcylinder med radien 𝑅
Elektrisk ledare
med radien 𝑟
Kapacitans 𝐶𝑐𝑦𝑙 =
2𝜋𝜀0 𝜀𝑟
𝑅
ln 𝑟
𝐹 Τ𝑚
𝜀0 dielektricitetskonstanten i vakuum = 8.85 × 10−12 𝐹/𝑚
𝜀𝑟 relativa dielektricitetskonstanten för materialet mellan ledare och cylinder
Exempel:
BNC-kabel, RG-58
𝑅 = 0.1"
𝑟 = 0.016 "
𝜀𝑟 = 3.3
ger
𝐶𝑐𝑦𝑙 = 100 𝑝𝐹/𝑚
tum
6
Kapacitiv störningskoppling: överhörning
• Vad händer med två kapacitivt kopplade ledare?  Överhörning!
1. ledare med 𝑈1 = 𝑈0 cos 𝜔𝑡
2. ledare med impedans Z till jord
 𝐶12 uppstår  𝑈1 orsakar en störspänning 𝑈𝑠𝑡ö𝑟
ledare
1
ekvivalenskrets
2
𝐶12
𝐶12
𝑍
𝑈1 ~
𝑈1 ~
𝑍
𝑈𝑠𝑡ö𝑟
𝑈𝑠𝑡ö𝑟
𝑈𝑠𝑡ö𝑟
𝑍
=
𝑈
𝑍 + 𝑍𝐶12 1
7
Kapacitiv störningskoppling: Bekämpning
• Bekämpning av kapacitivt kopplade störningar
• En metallskärm (”kopparstrumpan” runt ledaren i en koaxialkabel).
Skärmen i sig har ingen skyddande effekt. Måste jordas!
• Behöver en ”bra” ledning till jord, dvs 𝑍𝑠𝑘ä𝑟𝑚 ≈ 0  störspänningen
från ledare 1 kortsluts till jord
•  Kopplingen bruten
1
ekvivalenskrets
2
𝐶12
𝐶12
𝑈1
~
𝑍
𝑍𝑠𝑘ä𝑟𝑚
𝑈1 ~
𝐶𝑐𝑦𝑙
𝑍𝑠𝑘ä𝑟𝑚
𝑍
8
Koaxialkabel RG-58, BNC
9
Induktiv störningskoppling: ömsesidig induktans
• Serieinduktans i ledare
• Alla ledare kan kretsekvivalent representeras av en en serieinduktans (𝐿)
• Koaxialkabel har en serieinduktans på 0.25 𝜇𝐻/𝑚
• Transformator: primärspole (induktans 𝐿1 ) och sekundärspole (𝐿2 )
 ömsesidig induktans 𝑀 = 𝑘 𝐿1 𝐿2 där kopplingsfaktorn (𝑘)
bestäms av geometri och medium. 𝑘 är mått på hur mycket av
magnetiska flödet kopplas från 𝐿1 til 𝐿2 .
𝑀
𝐿1
𝐿2
10
Induktiv störningskoppling: överhörning
störledare
1
𝑖1
2
signalledare
• Två ledare bredvid varandra bildar en transformator med
ömsesidig induktans  Överhörning!
• En spänning (emk) 𝑈𝑖𝑛𝑑 induceras i sekundärspolen
(signalledaren) och den är proportionell mot derivatan av
strömmen i primärspolen (störledaren)
𝐿1
𝑀1
𝐿2
𝑈𝑖𝑛𝑑
𝑈𝑖𝑛𝑑
𝑑𝑖1
= 𝑀1
𝑑𝑡
𝑖1
Om
𝑖1 = 𝑖෡1 sin 𝜔𝑡 𝑈𝑖𝑛𝑑 = 𝑀1 𝜔𝑖෡1 cos 𝜔𝑡
11
Induktiv störningskoppling: i mätsystem
• Induktiv koppling i ett mätsystem
• Ledare representeras av sin kretsekvivalenta serieinduktans
• Störspänning (𝑈𝑖𝑛𝑑 ) induceras av störledare och adderas till 𝑈𝑖𝑛
ekvivalenskrets
𝑖1
givare
𝑈𝑔𝑖𝑣
störledare
𝑖𝑖𝑛𝑑,1
𝑀1
+
-
𝑈𝑖𝑛𝑑
𝑖1
Störledaren inducerar en ström
(𝑖𝑖𝑛𝑑,1 ) i motsatt riktning i mätkretsen.
(Det är inte den totala strömmen utan
bara den som induceras av 𝑖1 .)
𝑈𝑖𝑛
𝑖𝑖𝑛𝑑,1
𝑈𝑔𝑖𝑣
störspänning
𝑈𝑖𝑛 = 𝑈𝑔𝑖𝑣 + 𝑈𝑖𝑛𝑑
12
Induktiv störningskoppling: bekämpning 1
• Bekämpning av induktivt kopplade störningar. Hur?
• Minska 𝑖෡1 , 𝜔 , 𝑀1 (öka avståndet mellan ledarna)  störspänningen
minskar. Men allt detta kan vara praktiskt svårt!
• Placera en skärmledare mellan störledaren och mätslingan!
• Störledare (1) inducerar en ström i skärmledaren och en ström i mätslingan (båda i motsatt
riktning)
• Skärmledaren (2) inducerar en ström i mätslingan (i motsatt riktning)
• Totala inducerade strömmen (och spänningen) i mätslingan reduceras!
1
2
givare
𝑖1
störledare
𝑖2
𝑈𝑔𝑖𝑣
skärmledare
+
-
𝑀12
ekvivalenskrets
𝑀2
𝑈𝑖𝑛𝑑,2
𝑖2
𝑖𝑖𝑛𝑑,2
𝑀1
𝑖1
𝑈𝑖𝑛
𝑈𝑖𝑛𝑑,1
𝑖𝑖𝑛𝑑,1
𝑈𝑔𝑖𝑣
13
Induktiv störningskoppling: bekämpning 2
• Den totala inducerade störspänningen kan släckas ut helt!
• Låt skärmledaren omsluta signalledaren (mätslingan) = koaxialkabel
• Induktivt och kapacitivt kopplade störningar bekämpas på samma
sätt
• Men här måste skärmkabeln jordas i båda ändarna  sluten slinga
så att en ström kan gå i den. Nackdel! Problem med jordströmmar
kan uppstå!
𝑖1
1
2
störledare
𝑖2
skärmledare
+
-
givare
𝑈𝑔𝑖𝑣
jorda i båda ändarna!
14
Koppling via gemensamma impedanser
• I mätsystem: flera signaler i en mångledarkabel med gemensam återledare
• Störningar kopplas via gemensamma impedanser (gemensam återledare)
givare
givare
𝑈1
𝑈2
ekvivalenskrets
Skärmad parledare
Skärmen = återledare
𝑖1
𝑍1
𝑈1 ~
𝑍𝑗𝑜𝑟𝑑
𝑍2
Potentialvandring (KVL) i övre slingan
𝑈1 − 𝑈𝑖𝑛,1 − 𝑍𝑗𝑜𝑟𝑑 𝑖1 + 𝑖2 = 0
𝑖1 + 𝑖2
𝑍1 𝑈𝑖𝑛,1
𝑈2 ~

Potentialfall över icke-ideal ledare är förväntat!
𝑖2
𝑍2 𝑈𝑖𝑛,2
𝑈𝑖𝑛,1 = 𝑈1 − 𝑍𝑗𝑜𝑟𝑑 𝑖1 − 𝑍𝑗𝑜𝑟𝑑 𝑖2
Störning från givare 2.
Överhörning via
gemensam impedans
15
Koppling via gemensamma impedanser: Bekämpning
• Använd separata återledare för varje signalledare
• Kan använda samma skärm för att skydda mot andra störningar
• I kretskort: använd jordplan (med impedans = 0) som återledare
16
Strålningskoppling
• Elektromagnetiska (EM) vågor (radiovågor)
•
•
•
•
•
•
Ljusets hastighet (i luft)
Vinkelräta (E,B,riktning)
E-fält och B-fält detekteras med antenner
radio-, TV-kanaler, mobiltelefoni
Elektroniska apparater
Växelströmsförande strömslingor  EM-strålning
B-fält (magnetfält)
E-fält
(elektriska fältet)
riktning
• Elektriska och magnetiska dipolantenner (mätsystemet bildar ”antenner”):
 Störspänning pga E- och B-fält
𝑈𝑒 = 𝐸𝑃𝑎𝑟𝑎𝑙𝑒𝑙𝑙 𝐿
𝑈𝑏 = 𝐴
𝑑𝐵𝑉𝑖𝑛𝑘𝑒𝑙𝑟ä𝑡
𝑑𝑡
Komposant parallell med ”antenn”ledare
Komposant vinkelrät mot ”antenn”slingans yta
Störspänningar som överlagras givarsignalen
17
Strålningskoppling: Bekämpning
• E-fält
• Inkapsla signalledaren (eller hela mätsystemet) i ett metallhölje  E-fält styrkan = 0
V/m
• Koaxialkabel OK!
• Metallisk låda/plastlåda inklädd med med metallfolie eller målad med ledande
metallfärg
• Korta ledningar
• B-fält (svårare!)
• Skärm av my-metall (hög magnetisk permeabilitet). Dyrt!
• Bättre: Minska slingarean genom att tvinna mätkablar (Tvinnad parkabel (TP-kabel) )
• slingarean blir ≈ 0  varannan ögla får motriktad störspänning och därmed släcks ut. Fältet som
slingan själv emitterar släcks också ut
18
Jordning: jordström
• Skärmen jordad i båda ändarna  Principfel om den används som
återledare
• Två jordpunkter har aldrig exakt samma potential 
potentialskillnaden ger upphov till en jordström!
𝑈𝑖𝑛
𝑈𝑔𝑖𝑣
+
givare
𝑈𝑗𝑜𝑟𝑑 ~10 𝑚𝑉
Potentialvandring ger
𝑈𝑖𝑛 = 𝑈𝑔𝑖𝑣 + 𝑈𝑗𝑜𝑟𝑑
Jordström i ”kretsen” som utgörs av
skärmen och jordplanet
19
Jordning: bekämpning av jordströmmar
• Om 𝑈𝑔𝑖𝑣 stort  jordströmmar inget problem!
• Om 𝑈𝑔𝑖𝑣 är liten
Om skärmen används som ledare (koaxialkabel)  jorda i en ände.
På mottagarsidan, använd differentialförstärkare
𝑈𝑔𝑖𝑣
𝑈𝑖𝑛
Fördel: Inga jordströmmar
givare
Nackdel: inget skydd mot induktiv
störningskoppling
För att slippa både jordströmmen och induktiva störningar
 använd en skärmad parkabel. Skärmen används endast som
skärm och kan jordas i båda ändarna.
Kräver ”differential ended” signal
20
Jordning: Skydd mot jordströmmar och induktiv koppling
• ”differential ended” signal: jordoberoende (spänningen mellan två punkter)
𝑈𝑖𝑛
𝑈𝑔𝑖𝑣
givare
Skärmad parkabel.
Skärmen används endast som skärm
och kan jordas i båda ändarna.
Ex. Aktiva givare (ingen drivspänning), termoelement, fotodiod, piezokristall
• ”single ended” signal: jordrelaterad (spänningen mellan en punkt och jord) 
gör om till ”differential ended”
𝑈𝑔𝑖𝑣
givare
-1
Ex. Passiva givare, givare med inbyggd förstärkning
Jordoberoende signal.
Skärmad mot induktiva &
kapacitiva störningar.
Förstärkt med en faktor 2.
Notera:
Finns flera sätt att
åstadkomma detta
21
Jordning i samma punkt
• Om avståndet är kort mellan jordpunkter  dra
jordanslutningarna till samma fysiska punkt
• Praktiskt svårt!
• Alla ledningar korta och tjocka = låg resistans (spänningsfall < 1 mV)
• Jordledarens resistans << skärmens resistans
22
Allmänt: Jordning i samma punkt
• Om man använder samma jordpunkt ska man jorda parallellt
och inte seriellt
Enhet 1
Enhet 2
Parallell jordning
Enhet 3
Seriell jordning
Fungerar vid ”låga” frekvenser  jordledningen mindre än 1/20 av våglängden 𝑣/𝑓
I högfrekventa system används flerpunktsjordning (Korta ledningar är prioritet).
23
CM- och NM-störningar
• Signalen vi vill mäta är normal mod
• Störningar kan förekomma både som normal mod och
common mod
• NM ligger i serie med mätsignalen
• CM ger en offset (undertrycks med instrumentförstärkare)
• Exempel: Strålningskopplade störningar är både NM och CM
Den inducerade spänningen är proportionell mot arean hos signalslingan
(ger en NM-störning) respektive jordslingan (ger en CM-störning).
Signalslingans area minskas med tvinnad parkabelreducera NMstörningar
Instrumentförstärkare reducerar CM-störningar (alt. minska jordslingans
area)
24