КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Аппаратные способы
Способы уменьшение влияния шумов и помех
Шумы и помехи в измерительных системах являются препятствием для получения полезной информации о состоянии объекта. Поэтому первой задачей при организации измерений должно быть их устранение или сведение к некоторому приемлемому минимуму. Иными словами - задачей любых средств измерений является максимально возможное повышение отношения величины сигнала по отношению к уровню шума. Эта задача решатся как аппаратными, так и методическими способами.
Ø Отношение сигнал/шум – параметр, характеризующий превышение полезного сигнала на выходе измерительной системе по отношению к величине уровня шумов и помех
Аппаратные способы уменьшения влияния помехпрежде всего предполагают: · Защиту от воздействия внешней среды - использование защищенных конструкций измерительной аппаратуры (исполнение класса IP60 и выше), устройств термостатирования, виброизоляции, шумоподавления и т.п. · Грамотное использование и размещение измерительных средств - измерительные средства должны, по возможности, располагаться в отдалении от силовых электроустановок, коммутационной аппаратуры и линий электропередачи. Электронные устройства измерительной аппаратуры необходимо размещать в глухих металлических шкафах или щитах, желательно использовать помехозащищенные средства связи, гальваническую развязку измерительных цепей и источников электропитания, применять дистанционные методы контроля и измерений. Соединительные провода и кабели, используемые в измерительных системах, должны быть защищены от вибраций, сотрясений, перегибов. · Экранирование и заземление измерительной аппаратуры является одним из самых главных и эффективных способов борьбы с электромагнитными помехами. Грамотное устройство заземления и экранирования позволяет многократно снизить или даже полностью подавить уровень регулярных и импульсных электромагнитных помех.
Устройство правильной схемы экранирования и заземления является одной из первоочередных задачей при проектировании, монтаже и наладке измерительной аппаратуры. Часто ее решение позволяет снизить уровень помех до вполне приемлемого. Но если выбранная схема заземления неудовлетворительна, то и другие способы борьбы с помехами могут оказаться совершенно неэффективными. При выборе наилучшей схемы заземления и экранирования измерительной аппаратуры необходимо учитывать следующие соображения: · Заземление измерительных схем желательно выполнять в месте наименьшего уровня сигнала · Заземление устройств с высоким и низким уровнем сигнала необходимо выполнять раздельно. · Нельзя объединять системы защитного заземления электрооборудования и заземление измерительных средств. Максимум что можно допустить – наличие одной общей заземляющей точки. · В цифровых и микропроцессорных измерительных приборах аналоговые и цифровые цепи должны быть разнесены по возможности на большее расстояние и иметь только единственную общую точку заземления. · В заземляющих устройствах нужно использовать провода большого сечения · Нельзя допускать протекания токов по экранирующим проводам и элементам заземления · Нельзя допускать образования замкнутых контуров (петель) заземления.
Надо сказать, что поиск наилучшей схемы заземления и экранирования задача достаточно трудная и требует опыта, понимания работы оборудования и во многом является искусством, а не наукой. В каждом конкретном случае оптимальный вариант обычно ищется экспериментально, путем перебора самых различных вариантов, но с учетом перечисленных выше принципов..
Рассмотрим несколько типичных случаев устройства заземления измерительных устройств. 1.Внутрисхемное заземление. Пусть мы имеем измерительный преобразователь (рис.1.40), который включает блок питания, входной маломощный согласующий усилитель и выходной усилитель мощности сигнала. нагрузкой которого служит, например, самопишущий прибор. На вход измерительного преобразователя поступает сигнал с датчика, нагрузкой преобразователя служит, например, самопишущий прибор. 2.Межприборное заземление. Единственная точка заземления может быть реализована внутри одного прибора. Но если сигнал передается с одного прибора на другой, тем более на сколько-нибудь значительное расстояние (из одной комнаты в другую), то создание общей точки становится практически невозможным. Вместе с тем между концами линии (кабеля) связи может возникать весьма существенная разность потенциалов более 100 мВ (Рис.1.39). Эта разность потенциалов состоит из напряжения, наведенного из сети, высоких гармоник частоты сети, разных всплесков, радиочастотных сигналов и прочего мусора. Если информационный сигнал достаточно велик или представляет собой кодированную последовательность импульсов достаточно большой амплитуды, то этой разностью потенциалов можно и пренебречь. Однако, если сигнал небольшой, то необходимо принять меры для ее устранения. Единых рекомендаций в этом случае не существует, можно лишь отметить некоторые стандартные приемы. Одним из стандартных способов уменьшения влияния помех является использование дифференциальных схем подключения измерительного прибора (Рис.1.42а), в которых возможно существенное, или даже полное, подавление сигнала синфазной помехи,. выделяющийся на экране. При этом используют разъемы, электрически изолированные от корпуса прибора, а в цепь заземления экрана включают малое сопротивление и конденсатор.
Эффективным дополнением дифференциальной схемы является использование экранированной витой пары, один из проводов которой соединен с экраном на обоих его концах (Рис.1.42б). В \том случае сигнал по экрану не идет, а ток синфазной помехи накоротко замыкается. В некоторых случаях, как, например, при использовании емкостных датчиков в очень высоким внутренним сопротивлением, используют линию связи с внешним дополнительным экраном, который защищает экранирующий (Рис. 1.43) Методические способы подавления шумов и помех осуществляются аппаратными (в аналоговых и цифровых приборах) и программными средствами (в микропроцессорных приборах). Наиболее эффективным является сочетание средств аналоговой и цифровой обработки
Рис. 1.44 Синусоидальный сигнал датчика на входе измерительного прибора и после обработки.
Основными методическими способами снижения уровня помех являются: Дифференциальные измерительные схемы с опорным или эквивалентным источником вспомогательного сигнала позволяют ослабить величину синфазной помехи на 40-80 дБ. Некоторые примеры применения дифференциальных схем мы рассмотрели выше. Метод синхронизации измерений с регулярной помехой используется как самостоятельный, так и как дополнение к дифференциальным методам. Суть его состоит в том, что измерения какой-либо медленно меняющейся (частота сигнала много меньше частоты помехи) или периодической величины (если ее частота много больше частоты помехи) производятся периодически, причем период измерений равен периоду регулярной помехи, а момент начала измерений строго синхронизирован с определенной фазой сигнала помехи. Смысл этого метода заключается в том, что вклад сигнала помехи при всех измерениях будет одинаков и его легко можно учесть, используя, например, дифференциальные схемы.
Сглаживание и усреднение сигнала на основе различных алгоритмов, в том числе регрессионных, позволяет существенно снизить влияние шумов за счет использования случайной природы шумовых сигналов. Частотная фильтрация эффективное средство подавления высокочастотных или низкочастотных (по отношению к частоте полезного сигнала) помех.. Регулярные и импульсные помехи в промышленных условиях как правило имеют достаточно ограниченный, постоянный и хорошо воспроизводимый спектр частот. Если этот спектр известен, то соответствующий фильтр может резко снизить уровень помехи на входе измерительного прибора. Одновременно частотный фильтр снижает мощность шума. Эффективным дополнением к методам частотной фильтрации является использование модуляции полезного сигнала с частотой, существенно отличающейся от возможных частоты помехи и ее гармоник. Корреляционные и статистические методы позволяют выделять полезный сигнал на фоне шумов, интенсивность которых превосходит его на несколько порядков. Одним из самых распространенных методов корреляционной обработки сигнала и выделения слабого сигнала на фоне шума является метод синхронного детектирования. Суть этого метода сводится к следующему (рис.1.45, 1.46) Пусть имеется медленно изменяющийся во времени и очень слабый сигнал U(t), который несет информацию о состоянии объекта (информационный сигнал). Введем в измерительную систему дополнительный сигнал – опорный сигнал V, величина которого поддерживается строго постоянной, V=const. Введем также устройство – модулятор, с помощью которого информационный и опорный сигналы модулируются со строго одинаковой частотой и фазой Для простоты будем полагать, что модуляция синусоидальная. Тогда на выходе модулятора опорный и информационный сигналы будут равны:
где Uвх , Vвх - соответственно информационный и опорный сигналы на входе усилителя; Um, Vm – полный размах колебаний модулированных информационного и опорного сигналов; w - угловая частота модуляции. Модулированные опорный и информационный сигналы поступают входы соответствующих усилителей и далее на вход умножающего устройства. На выходе этого устройства получаем сигнал, пропорциональный произведению опорного и информационного сигнала:
Далее сигнал поступает на вход фильтра высоких частот, полоса пропускания которого выбирается много меньше удвоенной частоты модуляции. Этот фильтр отсекает переменную составляющую сигнала с частотой равной 2w и выходной сигнала синхронного детектора представляет постоянный (медленно меняющийся) сигнал, величина которого равна:
где K – масштабирующий коэффициент. Из формулы следует, что на выходе синхронного детектора мы имеем увеличение амплитуды информационного сигнала, пропорциональное амплитуде опорного. При измерении слабых сигналов с целью повышения отношения сигнал/шум в электронных схемах часто применяют синхронный детектор с электронной коммутацией (рис. 1.47), в котором модуляция сигнала осуществляется периодическим подключением входного дифференциального усилителя попеременно к источнику сигнала и заземленному проводу.
Все перечисленные выше методы подавления шумов и помех могут быть реализованы как с помощью аналоговой электроники, так и методами цифровой обработки сигналов. Наилучшие результаты достигаются тогда, когда предварительная обработка производится аналоговой электроникой (прежде всего - дифференциальные усилители и RC–фильтры нижних и верхних частот), а дальнейшая обработка осуществляется с помощью программных средств, заложенных в микропроцессорную или компьютерную измерительную систему. На рис. показан такой пример выделения информационного сигнала.
Дата добавления: 2015-03-31; Просмотров: 2587; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |