KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A folyamat

2.3. lecke: CMR-számítási példák - zavarelhárítási tanulságok

| Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója példákat lásson a CMR számítására, melyek eredményei alapján
beláthatja a két pontban földelt, aszimmetrikus mérőrendszer használhatatlanságát; beláthatja az egy pontban földelt, aszimmetrikus mérőrendszer korlátozott használhatóságát; beláthatja az egy pontban földelt, szimmetrikus jelvevőjű, védőárnyékolt mérőrendszer kiváló használhatóságát; beláthatja az akár két pontban is földelhető, teljesen szimmetrikus (csak sajnos megvalósíthatatlan) mérőrendszer abszolút és tökéletes használhatóságát; fontos általános tanulságokat vonhat le a mérőrendszerek kialakítására vonatkozólag.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
definiálni tudja a villamos aszimmetriát és szimmetriát; ki tudja számítani a két pontban földelt, aszimmetrikus mérőrendszer CMR-jét; ki tudja számítani az egy pontban földelt, aszimmetrikus mérőrendszer CMR-jét; ki tudja számítani az egy pontban földelt, szimmetrikus jelvevőjű, védőárnyékolt mérőrendszer CMR-jét; fel tudja sorolni a földeléssel és a védőárnyékolással kapcsolatos alapvető elveket.
Időszükséglet: 1.5 óra
Kulcsfogalmak:
villamos aszimmetria, villamos szimmetria, rendszerföld, felhasználói föld, védőárnyékolás.
Az alábbiakban néhány példát mutatunk a CMR számítására. A példák egyrészt tanulságosak, mert a zavarelhárítással kapcsolatban fontos, általános következtetések vonhatók le belőlük, másrészt útmutatásul szolgálnak a gyakorlatban felmerülő, konkrét esetek áramköri elemzéséhez.
A leckerész áttanulmányozása után írja fel, hogyan lehet kiszámítani a két pontban, illetve egy pontban földelt, aszimmetrikus mérőrendszer CMR-jét;
Aszimmetrikus földelt jelforrás és aszimmetrikus földelt jelvevő kapcsolata (1. ábra)
Két pontban földelt aszimmetrikus mérőrendszer
1. ábra
Egy eszköz villamos aszimmetriája azt jelenti, hogy két ki- vagy bemeneti kapcsa és egy referenciapont között mérhető impedanciák különbözőek. (Ha az említett impedanciák egyenlők, villamos szimmetriáról beszélünk.) Az ábrán RH a jelgenerátor belső ellenállása (a jeladó kimeneti impedanciája), r a vezetékek ellenállása Rbe pedig a jelvevő bemeneti impedanciája. Ezek nem feltétlenül rezisztív jellegűek, ha nem azok, akkor természetesen frekvenciafüggők. RF jelöli a műszerszoba földjét (rendszerföld), FF pedig a folyamat közelében használatos földpontot (felhasználói, vagy technológiai föld). A két földpont között tekintélyes távolság lehet, így nem meglepő, ha potenciáljuk nem azonos. A két földpotenciál közötti különbség azonos fázisú zavarjelként (UAF) hat. Értéke több volt, sőt, több tíz volt is lehet, és nem is állandó, hanem függ a környezeti viszonyoktól (páratartalom, vegyi hatások, stb.) Az ábra alapján, a feszültségosztó képletet alkalmazva, Uef-re az alábbi összefüggést kapjuk:
U e f = U A F R b e R b e +r+ R H (1)
A gyakorlatban fennálló nagyságrendi viszonyokat (r,RH igen kicsi, Rbe igen nagy) figyelembe véve azt kapjuk, hogy
Uef ≈ UAF vagyis CMR=0 (!)
Ez drámai eredmény. Ha a hasznos jel millivolt nagyságrendű (ami nem ritka), a földpotenciál-különbség pedig volt nagyságrendű (ami még óvatos becslés), akkor felmerül a kérdés, hogy a jelvevő tulajdonképpen mit is mér.
Levonható általános tanulság: aszimmetrikus mérőrendszert TILOS két pontban leföldelni!
Akkor ne földeljük le két pontban a rendszert, szüntessük meg a jelvevőt a rendszerföldhöz kötő galvanikus kapcsolatot! Így jutunk az egy pontban földelt aszimmetrikus mérőrendszerhez (2. ábra).
Egy pontban földelt aszimmetrikus mérőrendszer
2. ábra
Az ábrán r1 és r2 a két vezeték - nem feltétlenül azonos - ellenállása, C11 és C22 pedig a vezetékek és a rendszerföld közötti kapacitív csatolás kifejezői, a vezetékek mentén elosztott szórt kapacitások koncentrált-paraméterű helyettesítői. A jelvevő és a rendszerföld galvanikus kapcsolatának megszüntetésével ugyanis nem szüntettük meg az egyéb, tipikusan kapacitív jellegű parazita leföldelődést. Ezen kívül még átvezetés is lehetséges a nem tökéletesen szigetelt vezetékek és a föld között, különösen kémiailag agresszív környezetben.
Megtörtént eset: egy hallgatóleányka ártatlan angyalarccal megkérdezte, miért nem veszik ki a generátorokból a belső ellenállást, ha az annyi gondot okoz?
Nos, az előbb említett parazita elemeket sem lehet kivenni, mert be sem tették őket. Ezek az elemek egy hatás kifejezői, és a hatás nem szüntethető meg. A hatás nem azért lép fel, mert betettünk valamit; hanem: azért mert a hatás érvényesül, úgy kell gondolni, hogy ott van valami, ami azt kifejezi.
A 2. ábra átrajzolásával egy számításra alkalmas áramköri modellt kapunk (3. ábra).
Áramköri modell
3. ábra
A pusztán nagyságrendi tájékozódást elősegítő, egyszerűbb számítás érdekében feltételezzük, hogy a jelvevő bemeneti impedanciája végtelen nagy, továbbá, minthogy nem kívánjuk vizsgálni a CMR frekvenciafüggését, Z11 és Z22 kifejezésében a frekvenciát egy közelebbről meg nem határozott, alkalmas állandónak tekintjük. A 3. ábra alapján:
Uef=U1-U2,
azaz
U e f = U A F ( Z 11 Z 1 + Z 11 − Z 22 Z 2 + Z 22 )=
= U A F Z 11 Z 2 − Z 22 Z 1 ( Z 1 + Z 11 )( Z 2 + Z 22 ) .
Igazak az alábbi nagyságrendi becslések:
Z11 ≈ Z22 valamint Z1,Z2 << Z11, Z22
A kapacitív impedanciákat Z-vel, a Z2-Z1 különbséget (aszimmetria-impedancia) ?Z-vel jelölve azt kapjuk, hogy
U e f ≈ U A F Δ Z Z , (2)
vagyis
C M R=20 lg⁡| Z Δ Z | .
Az előző esethez képest a CMR radikális javulása tapasztalható (most már elfogadható érték is lehet). Két módon is növelhető: a föld-levezető impedanciák (Z) növelésével, illetve az aszimmetria impedancia ( ΔZ) csökkentésével. Az előbbi jól szigetelt, kapacitásszegény vezeték alkalmazásával, az utóbbi az áramkör minél szimmetrikusabb kialakításával érhető el. Látható, hogy a CMR végtelen nagy lenne, ha nem lennének parazita impedanciák (vagyis ideális szakadás lenne a vezetékek és a föld között), vagy ha a mérőkör teljesen szimmetrikus lenne. Talán mondanunk sem kell, hogy mindkét lehetőség csak az ideák világában létezik. Eleve aszimmetrikus rendszerben legalább arra kell törekedni, hogy újabb aszimmetriát ne vigyünk be, tehát például egy egyszerű feszültségosztót a 4. ábra szerint kell kialakítani.
Helytelen és helyes kialakítás
4. ábra
A példának megfelelő esetben kb. 60...80dB CMR érhető el, ami azt jelenti, hogy 1V UAF-ből 1...0,1mV Uef keletkezik.
További CMR növekedés érhető el, ha szimmetrikus, földfüggetlen jelvevőt és védőárnyékolást alkalmazunk. A védőárnyékolás hatása abban áll, hogy a mérőrendszer árnyékolt részéből kizárja a külső villamos tér befolyását. Az árnyékolt mérőrendszer vázlatát az 5. ábra, az átrajzolt hálózati modellt pedig a 6. ábra mutatja be.
Aszimmetrikus, védőárnyékolt mérőrendszer
5. ábra
Az 5. ábra új elemei: rá a jó vezetőből készült külső védőárnyékoló fólia ellenállása, Cv a belső védőárnyékolás és a földelt fém ház közti szórt kapacitás. A C11 és a C22 nem új elemek, de ezek most nem a vezetékek és a rendszerföld, hanem a vezetékek és a védőárnyékolás közti szórt kapacitások Értékük az előzőnél nagyobb lehet (ami nem kedvező), mert itt az elektródák közelebb vannak egymáshoz. A GU (guard) jelöli a külső és a belső védőárnyékolás csatlakozási pontját.
Áramköri modell
6. ábra
Az áramkör teljes egészében magába foglalja a 3. ábra áramkörét, ami azt jelenti, hogy Uef ugyanúgy számítható, mint ott. Ám most az Uef nem a teljes UAF-ből, hanem annak csak egy drasztikusan leosztott hányadából, UAF'-ből jön létre. Az UAF szempontjából Zá és Zv egy - lényegében terheletlen - feszültségosztót képvisel (Z<<Z11,Z22 ). Tehát (2) szerint:
U e f = U ′ A F Δ Z Z ,
de
U ′ a f ≈ U A F Z á Z á + Z v ≈ U A F Z á Z v
hiszen Zá a jól vezető árnyékolás kis ellenállása, Zv pedig a belső árnyékolás és a külső ház közti szórt kapacitásból származó igen nagy impedancia. Így
U e f = U A F Z á Z v ⋅ Δ Z Z ,
azaz
C M R=20 lg⁡| Z v Z á ⋅ Z Δ Z | ,
vagy
C M R=20 lg⁡| Z v Z á |+20 lg⁡| Z Δ Z | .
A második tag az előző példában kiszámított CMR érték. Az első tag az árnyékolás hatásaként létrejött nyereség, amely rossz esetben is legalább 40...60dB. Így ennél a megoldásnál összességében kb. 120...140dB CMR érhető el, ami már nagyon jónak mondható.
Az áramköri modellből (6. ábra) azonnal látható, hogy a védőárnyékolást hogyan lehet tönkretenni, hatástalanítani:
A GU pont leföldelése. (Ez Zv rövidrezárását jelenti, így UAF'=UAF.) A külső és a belső védőárnyékolás össze nem kötése. (Ekkor Zá helyett szakadás lesz, így UAF'=UAF.) A külső árnyékoló fólia megsértése. (Zá helyett szakadás lesz, így UAF'=UAF.) Az árnyékolás le nem földelése FF-nél. (Zá helyett szakadás lesz, így UAF'=UAF.)
Nos, akkor pontosan ezek ellenkezőjét kell tenni a hatásos árnyékolás kialakítására!
Végül felrajzoljuk az ideális, tejesen szimmetrikus mérőrendszer áramköri modelljét (7. ábra):
Teljesen szimmetrikus mérőrendszer
7. ábra
Itt az átviendő hasznos jel a szimmetrikus generátor két forrásfeszültségének különbsége: UH=UH1-UH2, a jelvevő két (1 és 2) bemenete között pedig ezzel arányos feszültség jelenik meg. Könnyen belátható, hogy Uef akkor is nulla, ha a mérőrendszer RF-nél is és FF-nél is le van földelve. Így itt a CMR két-pont földelés esetén is végtelen nagy.
Lépjen ki a tananyagból! Gondolja át a lecke tartalmát, rekonstruálja a szerkezetét! Vegyen elő egy lapot és írja le a lecke vázlatát! Ne sajnálja az erre fordított időt! Ha gondosan megcsinálja, már majdnem tudja is az anyagot.

| Önellenőrző kérdések
1. Saját szavaival mondja el, mit értünk egy villamos jeladó, illetve jelvevő esetében aszimmetria és szimmetria alatt!
2. Reprodukálja (ne mechanikusan, hanem az áramköri elrendezés felidézésével és az áramkörszámítás módszereinek alkalmazásával) a leckében megismert négy mérőkör CMR-számítására alkalmas képlet levezetését!
3. Minthogy a mérőkör impedanciái frekvenciafüggők, a CMR is az. Mit mondhatunk a CMR frekvenciafüggéséről a 2 ábra áramkörére vonatkozólag?
| A CMR ebben az esetben nem frekvenciafüggő.
| A frekvencia növekedésével a CMR nő, tehát javul a helyzet.
| A frekvencia növekedésével a CMR csökken, tehát romlik a helyzet.
| Bizonyos frekvenciatartományban nő, másutt csökken a CMR.
4. A 2. ábra áramkörében a jelforrás belső ellenállása 10 ohm, mindkét jelvezeték ellenállása 2 ohm. A föld-levezető impedanciák értéke 100 Kohm. Mennyi a mérőrendszer CMRje?
| 100
| 90
| 80
| 75
| 60
5. Jelölje meg a helyes megállapításokat!
| A védőárnyékolás a kapacitív csatolás csökkentésének hatékony eszköze.
| A védőárnyékolást nem szabad leföldelni.
| A védőárnyékolást két pontban kell földelni.
| Az aszimmetrikus mérőrendszer két pontban is földelhető, ha védőárnyékolt.
| A teljesen szimmetrikus mérőrendszer két pontban is földelhető.
| A védőárnyékolást a GU-pontban kell leföldelni.
| Az aszimmetria-impedancia növelésével a CMR is növelhető.
| A föld-levezető impedanciák növekedésével a CMR növekszik.