ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 87-90
ЭЛЕКТРОНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.317
ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ ОБЩЕГО ВИДА В ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ КАНАЛАХ
© 2015 г. Су Цзюнь, О. Кочан*
Институт компьютерных наук Хубэйского технологического университета Китай, 430068, Ухань, ул. Нангу, 1 E-mail: sjhosix@gmail.com
*НИИ интеллектуальных компьютерных систем Тернопольского национального экономического университета
Украина, 46020, Тернополь, Майдан Пэрэмогы, 3 E-mail: orestvk@gmail.com Поступила в редакцию 24.03.2014 г.
Для подавления в измерительных каналах помех общего вида (вызванных разностью потенциалов сенсора и измерительного канала) предложено решение, суть которого состоит в том, что аналоговую часть измерительной системы питают от аккумулятора или конденсатора, который периодически подзаряжают от сетевого источника питания, замыкая контакты соответствующего реле. При этом коммутатор на время подзарядки отключает сенсоры от входов аналоговой части измерительной системы. Устройство управления работает так, чтобы обеспечить раздельное включение коммутатора и реле подзарядки.
DOI: 10.7868/S0032816215010097
ВВЕДЕНИЕ
В цепях измерительных каналов часто возникают помехи, искажающие результат измерений. Особенно сильно их влияние на каналы измерения, в которых используются сенсоры малой чувствительности. Например, термопары (чувствительность 10—70 мкВ/°С) — часто применяемые сенсоры температуры — работают при высокой температуре (когда сопротивление изоляции понижено) и в интенсивных электромагнитных полях нагревателей электропечей. Известные методы защиты от помех требуют значительных затрат, поэтому их упрощение является важной научно-технической задачей.
При измерении температуры термопарами (рис. 1) возникают следующие помехи [1—3]:
— нормального вида (параллельные) е, вызванные (наведенные) электромагнитным полем Ф (рис. 1), формируемым током нагревателя (и иных потребителей);
— общего вида (последовательные), обусловленные ограниченным сопротивлением изоляции Яиз (по данным [4], для шамота, часто используемого в электропечах, Яиз < 3—10 кОм при 1000°С) и разностью потенциалов сенсора и измерительного канала (по данным [4], помехи общего вида частотой 50 Гц в закалочных печах СУОЛ для термопар типа хромель-алюмель достигают 190 В).
При сопротивлении измерительной цепи 20 Ом (типичное сопротивление термопары и соедини-
тельных проводов) падение напряжения на нем будет равно 380 мВ. Термо-э.д.с. термопар типа хромель-алюмель при 1000°С равна ~40 мВ. Отсюда ясно, что необходимо существенно уменьшить влияние помехи общего вида на результат измерения температуры.
ИЗВЕСТНЫЕ МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ПОМЕХ ОБЩЕГО ВИДА
В измерительных каналах цифровых приборов и систем чаще всего используют гальваническую развязку [2—6]: аналоговую (измерительную) часть измерительного канала не заземляют (безопасность обеспечивают за счет конструкции, не позволяющей пользователю попасть под высокое напряжение), а цифровую часть (обработка данных и выдача результатов измерений) заземляют.
Рис. 1. Схема возникновения помех общего и нормального вида. ТП — термоэлектрический преобразователь; АЦП — аналого-цифровой преобразователь.
220 В 50 Гц
^из
с=н
ТП
Измерительная часть
и
БПИЧ
Км АЦП УУ 1 1 И 1 БО 1
1----^
1 t ♦
АН
Кл
С
СБП
220 В 50 Гц
Рис. 2. Структурная схема устройства для измерения температуры. ТП — термоэлектрический преобразователь; Км — коммутатор; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; УУ - устройство управления; И - интерфейс обмена данными; БО - блок обработки результатов аналого-цифрового преобразования; БПИЧ - блок питания измерительной части; СБП - сетевой блок питания; АН - анализатор напряжения; Кл - ключ.
Для передачи информации между аналоговой и цифровой частями используют импульсные трансформаторы [6], но чаще всего — оптроны (как правило, используются оптопары светодиод-фотоди-од или светодиод-фототранзистор [2-5]).
Однако при этом необходимо обеспечить гальваническую развязку цепи питания. Для обычных силовых трансформаторов проходная емкость между обмотками достигает 400-700 пФ [4]. Для ее снижения либо используют экранирование и разделение обмоток силового трансформатора [3, 4] (что существенно усложняет его конструкцию), либо аналоговую часть питают через высокочастотный преобразователь [2, 5] (что увеличивает уровень импульсных помех и требует дополнительных экранов). Таким образом, хотя метод гальванической развязки дает хорошие результаты, его использование требует значительных затрат на реализацию.
Проще в реализации устройство, описанное в [5, с. 2151, рис. 80.9], где используется периодический заряд конденсатора, подключение которого к датчику осуществляется с помощью одной пары ключей, а к входу АЦП - с помощью другой пары. Таким образом, конденсатор переключается между сенсором и входом АЦП, а обе пары ключей никогда не замкнуты одновременно, чем достигается гальваническая развязка.
Однако устройство, описанное в [5], мало распространено из-за очевидных недостатков. Согласно [3, 4], уровень помех общего вида в электропечах (сотни вольт) требует использования для переключения конденсатора электромагнитных реле, частота переключения которых не превышает 100 Гц. В силу этого необходимо использовать неэлектролитические конденсаторы большой емкости (электролитические имеют большие паразитные э.д.с. и абсорбцию (диэлектрическое поглощение)). Поэтому габариты измерительной
части будут большими, а надежность низка из-за реле, переключаемых с высокой частотой. Однако основным недостатком устройства [5] является значительное влияние помех нормального вида на результат измерений. Поскольку переключаемый конденсатор является устройством выборки-запоминания (конденсатор запоминает мгновенные значения выходного напряжения сенсора), все методы подавления помех нормального вида (интегрирование, усреднение) будут неэффективными.
Целью данной статьи является разработка простого узла гальванической развязки питания измерительной части, имеющего большое сопротивление изоляции и малую проходную емкость, т.е. обеспечивающего высокую степень подавления помех общего и нормального вида.
ПРЕДЛАГАЕМЫЙ МЕТОД ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ ОБЩЕГО ВИДА
Предлагаемое решение состоит в том, что вместо использования переключающего конденсатора измерительную часть комплектуют источником автономного питания (аккумулятором или конденсатором достаточной емкости), обеспечивающим ее работу на протяжении хотя бы одного полного измерения. При этом ключ между сенсором и конденсатором исполняет роль коммутатора, подключающего сенсоры к входу измерительной части, а ключ между конденсатором и входом измерительной части служит для подзарядки источника автономного питания от заземленного блока питания. Устройство управления исключает возможность одновременного включения коммутатора и ключа для подзарядки источника автономного питания. В этом случае не может возникнуть ситуация, когда сенсор подключен к
ПОДАВЛЕНИЕ ПОМЕХ ОБЩЕГО ВИДА
89
заземленной части схемы, т.е., обеспечивается гальваническая развязка.
На рис. 2 представлена структурная схема такого канала измерения температуры термоэлектрическим преобразователем ТП. В состав схемы входят также коммутатор Км, аналого-цифровой преобразователь АЦП, устройство управления УУ, интерфейс И обмена данными (с гальванической развязкой, например, на оптронах) и блок обработки результатов аналого-цифрового преобразования БО. Кроме того, имеются блок питания измерительной части БПИЧ и сетевой блок питания СБП, анализатор напряжения АН на входе БПИЧ, ключ Кл и двухконтактное реле. На рис. 2 представлены также сопротивление изоляции Яиз ТП относительно нагревателя и конденсатор С (или аккумулятор) на входе БПИЧ.
Во время работы АН анализирует напряжение на входе БПИЧ и при критически низком его значении, при котором стабилизаторы БПИЧ могут выйти из режима стабилизации, прерывает работу УУ. Устройство управления в свою очередь прерывает процесс измерения (игнорирует результат поточного преобразования АЦП как неопределенный), отключает все реле Км и посредством Кл включает реле подзарядки конденсатора С (или аккумулятора). По окончании подзарядки (ее время формирует УУ) устройство управления посредством Кл размыкает реле и отключает С от СБП, после чего инициирует повторное опрашивание канала, результат преобразования по которому был проигнорирован. Целесообразно выбрать времена заряда-разряда С так, чтобы критически низкие значения напряжения на входе БПИЧ появлялись после окончания очередного аналого-цифрового преобразования.
РЕАЛИЗАЦИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО УСТРОЙСТВА
Коммутатор Км целесообразно выполнить на базе герконовых реле, снабженных добавочным термовыравнивателем [8] для снижения погрешности коммутации из-за паразитных термо-э.д.с. до значений <1 мкВ (как показано в [3], применение бесконтактных ключей из-за значительного уровня помехи общего вида невозможно). В качестве АЦП и УУ целесообразно использовать микроконвертор ADuC-834 фирмы Analog Devices [8] (или аналогичный), содержащий 24-разрядный сигма-дельта АЦП, обеспечивающий в диапазонах <80 мВ уровень шумов <1 мкВ. В этом случае УУ является 8-битным микроконтроллером серии MCS-51, способным взять на себя управление аналоговой частью и предварительную обработку результатов аналого-цифрового преобразования. Для БО можно использовать микроконтроллер серии MCS-51, обеспечивающий в основном связь с пользователями измерительных данных.
Блок питания измерительной части следует выполнить на интегральных стабилизаторах с малым током собственного потребления, а АН — на отдельном компараторе, хотя его можно заменить добавочным каналом Км (но тогда информация о критически низком напряжении на входе БПИЧ будет поступать на УУ только при опросе этого канала). В качестве СБП можно использовать стандартный традиционный или импульсный блок питания, использующий неэкранирован-ный трансформатор и имеющий значительную проходную емкость.
Процесс подзарядки С периодически повторяется, и питание измерительной части не прекращается.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.