Конструктивные способы улучшения точности работы АИУ

Конструктивные способы улучшения точности работы АИУ можно отнести к классическим способам повышения точности, широко применяемым в измерительной технике. Наибольший эффект эти способы дают при уменьшении погрешностей, появляющихся от действия внешних и внутренних помех и наводок.

Для борьбы с помехами применяют экранирование, заземление, изоляцию, разнесение и ориентацию, выбор полного входа импеданса. Рассмотрим наиболее применяемые способы.

Экранирование.Между источниками помех и их приемником имеется связь через электрическое, магнитное и электромагнитное поля. Поэтому можно говорить и об экранировании этих полей.

Экранирование проводов. Такое экранирование осуществляется гибким экраном-чулком. Для хорошего экранирования электрического поля необходимо минимизировать длину провода, выходящего за пределы экрана и обеспечить его хорошее заземление. Заземление экрана в одной точке дает хороший эффект для провода, длина которого не превышает 1/20 длины волны поля помехи. Для более длинных проводов может потребоваться заземление экрана в нескольких точках. Напряжение помехи, наведенное полем на проводник, можно оценить из соотношения:

, (3.113)

где W – частота сигнала источника помех;

R – сопротивление приемника;

U – напряжение источника помех (шума);

С – емкость между источником помех и неэкранированной частью проводника.

Лучший способ защиты от магнитных полей – уменьшение площади контура, на которое действует поле. Теория и практика показывает, что помещение проводника в экран и заземление экрана с одной стороны не влияют на напряжение, наводимое на этот проводник магнитным полем. При заземлении обоих концов цепи всегда возможна ограниченная защита от действия магнитного поля. Причем такое заземление экранного провода не защищает от магнитных полей на частотах ниже частоты среза экрана. Так как эта частота равна единицам КГц, то экран практически не защищает схему от действия низкочастотных магнитных полей. Предотвратить излучение магнитного поля проводником можно, если его экранировать и заземлить экран на обоих концах.

Для получения максимальной защиты на низких частотах экран не должен служить одним из сигнальных проводников и один конец цепи следует изолировать от земли. Для этого могут применяться специальные триоксиальные кабели, имеющие два изолированных друг от друга экрана. Внешний экран заземляется. На частотах свыше 1 мГц коаксиальный и триоксиальный кабели дают одинаковый эффект экранирования, что объясняется появлением скин-эффекта.

Экранирование элементов и узлов.В этом случае экран представляет собой металлическую перегородку, разделяющую конструкцию АИУ на области. Это можно использовать для предотвращения распространения электромагнитных полей в окружающее пространство, если источник поля помещают в экран или для защиты элемента от внешнего поля.

Эффективность экранирования можно определить как создаваемое экраном падение напряженности поля:

(3.114)

где – напряженность падающей волны; – напряженность прошедшей волны на выходе из экрана. Для плоского экрана:

, (3.115)

где К_погл, К_отр – потери на поглощение и отражение; К_м.отр – корректирующий коэффициент.

Для экрана из тонкого листа имеем:

, (3.116)

где t – толщина экрана, мм; f – частота поля, Гц; М – магнитная проницаемость материала экрана; σ_отн=σ/σ_меди (σ – удельная электрическая проводимость, мСм/м)

, (3.117)

, (3.118)

где r – расстояние от источника помех до экрана.

Для электрического поля чем меньше сопротивление экрана, тем больше потери на отражение. Сопротивление будет минимальным при изготовлении экрана из материала с высокой проводимостью и малой магнитной проницаемостью. Отражение электрических полей происходит от поверхности экрана, и даже очень тонкий экран обеспечивает хорошее экранирование.

Основные потери для магнитных полей низкой частоты – это потери на поглощение. Для такого экрана используют магнитный материал с высокой магнитной проницаемостью и достаточной толщиной. Для уменьшения влияния на проницаемость напряженности магнитного поля применяют многослойный экран, делая первый экран из материала с высоким уровнем насыщения, а второй – из материала с высокой магнитной проницаемостью. Проникновение помех через разрывы в экране зависят от заданных факторов:

а) максимального линейного размера отверстия

б) волнового сопротивления

в) частоты сигнала источника.

Практика показывает, что большое число маленьких отверстий создает меньшую потерю эффективности экранирования, чем одно большое с той же площадью. Величина щели в экране должна быть меньше 1/100 длины волны экранируемого поля.

Заземление.Это один из основных путей уменьшения нежелательных шумов и наводок. Проектирование элементов схемы с хорошим заземлением преследует две цели: минимизировать напряжение шумов, возникающих при прохождении токов от двух или более схем через общее сопротивление земли и исключить образование контуров заземления, чувствительных к магнитным полям и разностям потенциалов земли.

В общем смысле «земля» может быть определена как некоторая точка или поверхность, напряжение которой остается постоянным независимо от того, какой ток вытекает или втекает в нее. Потенциал этой точки служит для уровнем отсчета напряжения. Такая земля называется сигнальной. Существует также защитное заземление, которое необходимо для обеспечения безопасности работы. Схема на рисунке 3.16 а, б называется системой с общей землей, а схема риснке 3.17 – системой с раздельными землями.

При конструировании следует иметь в виду, что все проводники имеют конечный импеданс, состоящий из сопротивления и индуктивности, а все разнесенные в пространстве точки заземления редко имеют одинаковый потенциал. Силовая земля практически не годится в качестве сигнальной.

б)

а)

Рис. 3.16. Система с общей землей

Рис. 3.17. Система с раздельной землей

Однако для безопасности работы с прибором требуется присоединение сигнальной земли к силовой хотя бы в одной точке.

С точки зрения минимизации шумов схемы наиболее нежелательной является система с общей шиной земли (рисунок 3.16). Для снижения шумов заземления на низких частотах применяют систему заземления в нескольких точках.