Учебное пособие по интерфейсам систем промышленной автоматизации, страница 5

Из выражения (1.8) видно, что при Rд=0 емкостная помеха полностью отсутствует. В действительности сигнальный проводник имеет некоторое активноеи индуктивное сопротивление, падение напряжения помехи на котором не позволяет полностью устранить емкостную наводку с помощью источника сигнала снизким внутренним сопротивлением.C1eдUпр~RпрecRдC29.Рис. 1.9. Путь прохождения емкостной помехи от источника ecЕмкостные связи должны быть сведены до минимума. Во-первых, ониуменьшаются с увеличением расстояния между проводниками. Во-вторых, дляснижения емкостной связи может быть использован защитный электростатический экран.

Экран должен быть заземлён, чтобы его потенциал равнялся нулю. Заземление выполняется в одной точке, лучше всего со стороны источника сигнала.Незаземлённый экран под воздействием внешних возмущений станет одной изпластин конденсатора, что вновь приведёт к появлению емкостной связи. Нельзясоединять экран с землёй источника и приёмника одновременно, поскольку приэтом через экран течет ток, обусловленный неравенством потенциалов этих земель (до нескольких ампер в цеховых условиях). Ток, протекающий по экрану,является источником индуктивных наводок на соседних проводах и проводахвнутри экрана. В общем случае рекомендуется использовать популярную схемугибридного заземления (рис.

1.10). В данной схеме ёмкость Cз позволяет ослабитьвысокочастотную составляющую помехи.eдRпрСз10.Рис. 1.10. Пример правильного заземления экрана при передаче сигналаот удалённого источника с высоким сопротивлением22Индуктивная (магнитная) связьЕсли рядом с сигнальным проводом проходит силовой провод, по которомупротекает переменный ток Iс (рис. 1.11), то из-за эффекта электромагнитной индукции в сигнальном проводе будет наводиться напряжение помехи ∆U:ωM ( Rд + Rпр )⋅ Ic .∆U =(1.9)22 2( Rд + Rпр ) + ω LЗдесь M – величина взаимоиндукции между проводами; L – индуктивностьсигнального провода; ω = 2πf , f – частота тока помехи.IcMeд~∆UecRпрRд11.Рис.

1.11. Путь прохождения индуктивной помехи от источника ec.Величина взаимоиндукции пропорциональна площади контура, который пересекается магнитным полем, созданным током Iс. На рис. 1.11 этот контур образован сигнальными проводами. Для уменьшения взаимоиндукции площадь данного контура должна быть минимальной, т.е. сигнальные провода должны бытьпроложены максимально близко друг к другу. Эффективную площадь контураможно уменьшить, если расположить его в плоскости перпендикулярной плоскости контура с током, наводящим помехи. Площадь контура можно уменьшить,используя витые провода. Более того, при скрутке «изменяется знак» потокосцепления на каждом витке, так что результирующее потокосцепление становится незначительным.

Собственно поэтому и применяется кабель на основе витой пары.Из формулы (1.5) следует, что индуктивная наводка увеличивается с ростомчастоты и отсутствует на постоянном токе. Напряжение помехи на рис. 1.11включено последовательно с источником сигнала, то есть вносит аддитивную погрешность в результат измерения. При бесконечно большом сопротивлении Rпрнапряжение на входе приёмника имеет вид:U np = e1 + ωMI c(1.10)и не зависит от сопротивления источника сигнала.Проводник, по которому передаётся измерительная информация, долженбыть расположен как можно дальше от источников помех. В частности, чувствительные электронные приборы не должны размещаться вблизи трансформаторов23и индукторов. Кабели должны располагаться таким образом, чтобы возможныеполя помех распространялись вдоль них. Необходимо следовать двум простымправилам: во-первых, низковольтные сигнальные кабели и высоковольтные силовые кабели не должны прокладываться вблизи друг друга в одних и тех же каналах и, во-вторых, сигнальные и силовые кабели должны пересекаться, если этонеизбежно, только под прямым углом.Магнитное поле можно ослабить экранированием.

Медный или алюминиевый экран имеет очень высокую проводимость, и, благодаря возбуждению магнитным полем вихревых токов в экране, магнитный поток ослабляется. Экранможно выполнить из материала с высокой магнитной проницаемостью, напримериз железа. Магнитный экран часто бывает довольно объёмным, поскольку длядемпфирования магнитного потока требуется достаточная толщина стенок. Поэтому экранирование используется в основном для аппаратуры, генерирующейсильные магнитные поля.Выбор носителя сигнала: напряжение или токВыбор носителя сигнала для передачи измерительных данных от датчика ккомпьютеру зависит от нескольких факторов.

Наиболее существенное соображение, которое следует принимать во внимание, – сигнал должен быть по возможности малочувствителен к электрическим возмущениям.Передача сигнала напряжениемКаждый проводник обладает определённым погонным сопротивлением. Есливходной импеданс последнего элемента в цепи – устройства обработки сигнала –не бесконечность, то по кабелю будет протекать ток и в результате произойдётпадение напряжения, что приведёт к искажению измеряемого сигнала.

Вдобавоксопротивление проводов будет изменяться в зависимости от температуры окружающей среды.Поскольку измеряемый сигнал изменяется во времени, то необходимо учитывать искажения, которые могут быть внесены в передаваемый сигнал из-за динамических характеристик сигнальных проводов. Любая пара проводов представляет собой распределённую ёмкость, поэтому эквивалентная схема замещенияэлектрической цепи передачи сигнала выглядит следующим образом (рис.

1.12, а).Изменение напряжения U, измеряемое приёмником сигнала равно падению напряжения на распределённой ёмкости проводов Спр:1.(1.11)U ( p) = I ( p) ⋅pC пр24Ток I(p) в цепи определяется по закону Ома как ЭДС датчика отнесённый к полному сопротивлению проводов,e ( p)eд ( p )I ( p) = д=,(1.12)1Z общ ( p )Rпр +pС прследовательно, подставив (1.12) в (1.11) для U(p) можем записать1.U ( p ) = eд ( p ) ⋅Rпр C пр p + 1(1.13)Rпрeд(t)eдCпрU(t)Uа)12.б)Рис. 1.12.

Эквивалентная схема замещения электрической цепи передачи сигнала (а) ипереходный процесс в цепи (б)Выражение (1.13) описывает динамику апериодического звена первого порядка, которое является фильтром низких частот (рис. 1.12, б). Т.е. искажения,вносимые в передаваемый сигнал линией связи, будут тем больше, чем выше частота его изменения.Требование, чтобы устройства обработки имели высокий входной импеданс,приводит к тому, что они очень чувствительны к помехам, поскольку даже незначительное изменение тока в измерительной цепи приводит заметному изменениюпадения напряжения на входном сопротивлении приёмника.

Следовательно, напряжение не слишком пригодно для передачи данных в случаях, когда могут бытьзаметные помехи.Главная причина популярности напряжения для передачи сигналов – это, содной стороны, присущая этому методу простота, а с другой – широкая доступность устройств для усиления, фильтрации и других видов обработки. Например,если необходимо, чтобы один и тот же сигнал поступил на вход нескольких схем,достаточно соединить эти схемы параллельно (с учётом входного импеданса). Несмотря на это, напряжение не очень часто используется в промышленных системах, поскольку сигналы в них должны передаваться на большие расстояния ивлияние источников помех может стать значительным.Наиболее важные уровни сигналов напряжения стандартизированные Международной Электротехнической Комиссией (МЭК, International Electrotechnical25Commission – IEC) в стандарте МЭК 381: +1 … +5 В; 0 … +5 В; 0 … +10 В;–10 … +10 В [1].Передача сигнала токомДля передачи сигнала на значительные расстояния лучше использовать ненапряжение, а ток, потому что он остаётся постоянным по длине кабеля, а напряжение падает из-за сопротивления кабеля.

На конце кабеля токовый сигнал можнопреобразовать в напряжение с помощью высокоточного шунтирующего резистора.При передаче токовых сигналов выходное напряжение датчика преобразуется операционным усилителем в ток. Приёмник в идеале должен иметь нулевойвходной импеданс. В действительности, импеданс определяется шунтом и обычноимеет порядок нескольких сотен Ом. Для тока 20 мА при сопротивлении шунта250 Ом падение напряжения будет составлять 5 Вольт. Если источник сигнала,т.е. преобразователь напряжения в ток, имеет высокий выходной импеданс, тогдалюбая помеха при передаче приведёт к небольшому, обычно допустимому падению напряжения на шунте.Токовые сигналы, как правило, используются на низких частотах до 10 Гц.При постоянном токе и идеальной изоляции сопротивление кабеля не влияет насигнал, т.е.