KURZUS: Számítógépes folyamatirányítás

MODUL: A folyamat

2.4. lecke: A zavarjelek eredete és a zajcsökkentés módszerei

| Cél: A lecke célja, hogy a tananyag felhasználója
megismerje a leggyakoribb ipari zavarforrásokat és az általuk keltett zajokat; megismerje a zajcsökkentés általánosan alkalmazható módszereit.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
fel tudja sorolni a tipikus zavarforrásokat; jellemezni tudja az általuk keltett zajokat; fel tudja sorolni és röviden ismertetni tudja a zajcsökkentés általános módszereit.
Időszükséglet: 1 óra
Kulcsfogalmak:
galvanikus leválasztás, analóg szűrés, digitális szűrés.
1. Eredet
A következőkben a teljesség igénye nélkül áttekintjük a villamos mérőrendszerekben megjelenő zavarok tipikus okait; azokat a jelenségeket, amelyek a leggyakrabban felelősek a zavarok kialakulásáért.
A leckerész áttanulmányozása után, sorolja fel a tipikus zavarforrásokat és jellemezze az általuk keltett zajokat;
A) Csatlakozási potenciál: Különböző fémek érintkezésekor parazita helyi galvánelemek alakulnak ki, melyek primer egyenfeszültségű ellenfázisú zavarjeleket generálnak.
B) Termikus potenciál: Különböző fémek érintkezésekor (pl. forrasztási pontokon) az érintkező fémek eltérő hőmérséklete esetén termofeszültség keletkezik (parazita hőelem), mely szintén primer egyenfeszültségű ellenfázisú zavarjel.
C) Átmeneti ellenállás: Bizonytalan érintkezés esetén az érintkező felületek között ellenállás-ingadozás lép fel, amely feszültséggenerátoros táplálás esetén időben változó primer soros zajt okoz. Különösen veszélyes ez a jelenség digitális jelek továbbításakor, mert parazita impulzusokat kelthet, illetve a logikai szintek eltolódását eredményezheti. Hasonlóan kritikus a földelési pontokon, valamint az árnyékolás csatlakozásainál kialakuló érintkezési bizonytalanság. Ilyenkor az áramkör hol leföldelődik, hol nem, illetve az árnyékoló hatás váltakozva érvényesül, vagy nem.
D) Átvezetés: Hibás vagy megkopott szigetelőrétegek nemkívánatos fémes érintkezéseket okozhatnak, vagy csökkenthetik az azonos fázisú bemeneti impedanciákat (földlevezető impedanciák) és így ronthatják a CMR értékét.
E) Elektromágneses indukció: Villamos teljesítményvezetékek, vagy erősáramú gépek közelében hálózati-frekvenciás, váltakozó mágneses tér jön létre. Ez a mérőrendszerben - mint vezető hurokban - váltakozó feszültségű ellenfázisú zajfeszültséget indukál.
F) Elektrosztatikus kölcsönhatás: Egymáshoz közeli vezetékek között szórt kapacitások révén jelentős elektrosztatikus csatolás léphet fel. Az érintett vezetékek áramköri helyzetétől függően ez a hatás megnyilvánulhat mind ellenfázisú, mind azonos fázisú zavar formájában. E jelenség különösen nagyfrekvenciás jelek továbbításakor (modulációs jelátvitel) jelentős.
G) Be-, illetve kikapcsolási jelenségek: Nagy teljesítményű villamos gépek indításakor, vagy leállításakor nagy áram-, illetve feszültségváltozások jönnek létre. Ezek impulzusszerűen változó elektromágneses teret gerjesztenek, amely csatolások révén zavarokat kelt a mérőkörben. E zavarok tipikusan rövid ideig tartó, nagyfrekvenciás spektrális komponenseket tartalmazó un. tranziens zavarok, melyek akár ellen-, akár azonos-fázisúak lehetnek.
H) Tápfeszültség-változás (tápforrásból eredő zavarok): A mérőrendszer jeladói és jelvevői általában elektronikus eszközök (erősítők), melyek működése tápfeszültséget igényel. Ha a tápegységre valamilyen zavar hat, az a tápfeszültség megváltozását eredményezheti, ez pedig befolyásolja a jeladó kimeneti feszültségét (a hasznos jelet). Ez a torzító hatás a jelre közvetlenül szuperponálódó ellenfázisú zavarként jelentkezik.
I) Földpotenciál-különbség, földáramkörök: A földpotenciál-különbségről korábban már szóltunk és azt is említettük, hogy két pont földelése esetén földáramkör alakul ki. A földáramkörökben gyakran igen nagy áramok folynak, mert a bennük foglalt jelvezetékek ellenállása kicsi. A nagy földáramok a mérőrendszer vezetékeit elégethetik. Azt is láttuk, hogy a mérőrendszerekben a földpotenciál-különbség eredendően azonos fázisú zavarjelként jelentkezik, de a két pontban földelt áramkörökben teljes egészében ellenfázisú zavarrá alakul, pontosabban akként fejti ki hatását.
2. A zajcsökkentés módszerei
A leckerész áttanulmányozása után sorolja fel és röviden ismertesse a zajcsökkentés általános módszereit
A bemutatott példák és a korábban mondottak alapján a zajcsökkentés lehetőségeit és módjait az alábbiakban rendszerezve tekintjük át.
A) A zajforrás megszüntetése: Lehetőleg teljes körűen fel kell tárni a mérőrendszerekre ható zavarokat és azok forrásait, és a konkrét helyzet elemzése után meg kell tenni a zavarok természetének, jellegének megfelelő, lehetséges intézkedéseket. A zavarforrások egyébként csak igen ritka esetben küszöbölhetők ki, hiszen azok gyakran a folyamat szerves és nélkülözhetetlen részei; a zavarok keletkezése pedig legtöbbször a technológiai folyamat bár nemkívánatos, ám szükségszerű velejárója, mellékhatása. (A Világegyetemet nem lehet kikapcsolni a zajmentes jelátvitel érdekében.)
B) Egyetlen pont földelése: A földelés nem más, mint egy - a rendszer összes jelfeldolgozó készüléke számára közös - viszonyítási alap, egy bázispotenciál rögzítése. Minden mérőkört csak egy pontban szabad, de egy pontban le is kell földelni. Az összes mérőkör számára egyetlen, közös földpontot kell kialakítani, ahová a földelő vezetékek sugarasan (és nem sínezve!) futnak be.
C) Védőárnyékolás: A védőárnyékolás az elektrosztatikus kölcsönhatások kiküszöbölése, és a mérőrendszer - legtöbbször kapacitív jellegű - parazita leföldelődésének hatástalanítása. A védőárnyékolást a jeladótól a jelvevőig folytonosra kell kialakítani, és a közös földpontban le kell földelni.
D) Szimmetrikus mérőkör kialakítása: A mérőrendszereket lehetőleg szimmetrikus jeladóból és jelvevőből kell kialakítani és biztosítani kell a vezetékágak szimmetriáját is. Tudomásul kell azonban venni, hogy ez sokszor nem (ideálisan pedig soha sem) lehetséges. A szimmetrizálási törekvések legfőbb akadályai az egyes jelátalakítók, jeladók. Sok olyan jelátalakító van, amely - az átalakítási folyamat fizikai természetéből adódóan - eredendően és megváltoztathatatlanul aszimmetrikus generátorként szolgáltatja a hasznos jelet. Ilyenkor nincs mit tenni, legfeljebb csak az, hogy gondos kialakítással kerüljük a járulékos és nem szükségszerű aszimmetriák beépítését az áramkörbe.
E) Galvanikus leválasztás: Ha egy mérőkört bármilyen oknál fogva szükséges két pontban leföldelni, akkor gondoskodni kell arról, hogy mégse alakulhasson ki földáramkör. Ez úgy érhető el, hogy a jeladó és a jelvevő közti fémes kapcsolatot a jelátvivő csatorna egy adott pontján megszakítjuk és az információt más fizikai hordozóhoz kapcsoljuk. Ezt az eljárást galvanikus leválasztásnak nevezik. Sokféle galvanikus leválasztási mód létezik, az alábbiakban három jellegzetes és gyakori változatot mutatunk be.
Repülőkondenzátoros leválasztás (1. ábra):
Repülőkondenzátoros leválasztás
1. ábra
Ennél az eljárásnál a kondenzátor memória-tulajdonságát használjuk ki. A működés első fázisában a kondenzátor a jeladó kis kimeneti ellenállásán keresztül T1=RHC időállandóval igen gyorsan feltöltődik az UH feszültségre. A jeladó+kondenzátor áramkör csak egy pontban (FF) van földelve. A második fázisban a kondenzátor átkapcsolódik a jelvevőre és annak nagy Rbe bemeneti ellenállásán keresztül T2=RbeC időállandóval igen lassan sül ki (vagyis tartja a jelet). A kondenzátor+jelvevő áramkör szintén csak egy pontban (RF) van földelve. Az adó és a vevő között így egyik fázisban sem alakul ki zárt földáramkör. Ez a megoldás főként viszonylag lassan változó analóg jelek átvitelére használatos és járulékos funkcióként még a folyamatos jel mintavételezését is elvégzi (lásd később).
Transzformátoros leválasztás (2. ábra):
Transzformátoros leválasztás
2. ábra
Váltakozó feszültségű jelek átvitelére a transzformátor közvetlenül használható leválasztó eszköz. Egyenfeszültségű jelek átvitelénél modulációs eljárást kell alkalmazni (lásd: 2. ábra).
Optikai leválasztás (3. ábra):
Optikai leválasztás
3. ábra
Az optikai leválasztás egy közös tokban elhelyezett fotodiódából és fototranzisztorból álló un. optocsatolóval valósítható meg. Kétállapotú jelek átvitelére használatos. Ha UH logikai "magas" szintű, a dióda világít, a fototranzisztor vezet, így az A ponton logikai "alacsony" szint lesz. Ha UH "alacsony" szintű, a dióda nem világít, a tranzisztor lezár és az A ponton logikai "magas" szint jelenik meg.
F) Szűrés: A szűrés a mérőkörbe már bekerült zavarok utólagos, a jel feldolgozását megelőző eltávolítása. Említettük, hogy a szűrhetőség feltétele a hasznos jel és a zavar spektrális elkülönülése. A szűrés megvalósítható fizikai elemekből felépített, megfelelő átviteli karakterisztikájú áramkörökkel, vagy algoritmikus úton, digitalizált jelmintákon végzett számítási műveletekkel. Az előbbi esetben analóg, az utóbbiban digitális szűrésről beszélünk. A digitális szűrés gyakran egy-egy analóg szűrő differenciálegyenletének numerikus megoldása, vagy másképp fogalmazva: az analóg szűrő működésének digitális szimulációja. Ennél azonban lényegesen több is, mert algoritmikus úton olyan szűrési eljárások is megvalósíthatók, melyeknek analóg megfelelője fizikai realizálhatósági korlátok miatt nem készíthető el. A két módszer nem csak alternatívát kínál, hanem bizonyos mértékig ki is egészíti egymást. Közép- és nagyfrekvenciás jelek általában jól szűrhetők analóg eszközökkel (pl. elfogadható méretű kondenzátorok használhatók), ugyanakkor a digitális szűrésnél a szükséges mintavételi gyakorisággal kapcsolatos nehézségek adódhatnak (lásd később). A kis frekvenciákon megvalósítandó aluláteresztő jellegű szűrés (amely a folyamatirányításban felmerülő leggyakoribb szűrési feladat) analóg módon csak nagyon körülményesen valósítható meg (pl. hatalmas kondenzátorok szükségesek). Itt a terep igazán a digitális szűrési eljárásoké.
A számítógépes folyamatirányító rendszerekben leggyakrabban alkalmazott analóg szűrők a nagyfrekvenciás zavarok (feszültségtüskék) leválasztására kiválóan alkalmas, egyszerű, egy- vagy két-időállandós, aluláteresztő RC alapkapcsolások (4. ábra). Ezeknél bonyolultabb analóg szűrők rendszerint nem is szükségesek.
Aluláteresztő RC-szűrők
4. ábra
Megemlítjük még, hogy a jel integrálása, pontosabban: integrál-középértékének előállítása is szűrést jelent és ezt gyakran ki is használják. Ennek egy tipikus alkalmazásáról később lesz szó (integráló A/D).
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. Sorolja fel a leggyakoribb villamos zavarforrásokat és jellemezze az általuk keltett zavarjeleket!
2. Válassza ki a helyes állításokat!
| A csatlakozási potenciálkülönbség primer ellenfázisú zavarjelként hat.
| A termikus potenciálkülönbség azonos fázisú zavar.
| A bizonytalan érintkezésből fakadó átmeneti-ellenállás változás főként földelési pontokban, valamint digitális jeleket átvivő vezetékekben jelent veszélyt.
| Nagy teljesítményű erősáramú berendezések be- és kikapcsolásakor egyenfeszültségű, vagy kisfrekvenciás zavarjelek keletkeznek.
| A hibás szigetelőrétegek átvezetése növeli a földlevezető impedanciákat.
| Villamos teljesítményvezetékek közelében az induktív csatolás következtében a mérőrendszerben (hurokban) hálózati frekvenciás ellenfázisú zavarjel keletkezik.
| Az elektronikus jeladók tápfeszültségének ingadozása a kimeneti hasznos jelre szuperponálódó ellenfázisú zajként jelentkezik.
| Egymáshoz közel haladó árnyékolatlan jelvezetékek szórt kapacitásokkal modellezhető elektrosztatikus kölcsönhatása főként a kis frekvenciájú jelek átvitelében fejt ki zavaró hatást.
| Minthogy a földpont definíció szerint zérus potenciálú pont, földpotenciál különbségről beszélni értelmetlen.
Azt is indokolja meg, hogy a nem helyes állítások miért nem helyesek!
3. Sorolja fel a zajcsökkentés leggyakoribb (és egyben leghatékonyabb) módszereit és mondja el azok hatásmechanizmusát!
4. Válassza ki a helyes állításokat!
| A zajforrás megszüntetése a leghatékonyabb zajcsökkentő módszer.
| Szimmetrikus mérőrendszer kialakítása csak elhatározás, körültekintő tervezés és gondos kivitelezés kérdése.
| A mérőrendszer összes mérőkörét egyetlen közös pontban kell leföldelni.
| A galvanikus leválasztás a földáramkörök kialakulásának megakadályozását jelenti.
| A repülőkondenzátoros leválasztást impulzusjelek átvitelében alkalmazzák.
| A transzformátoros leválasztás közvetlenül alkalmazható egyenfeszültségű (lassan változó) analóg jelek átvitelében.
| Az optikai leválasztás csak digitális jelek átvitelében alkalmazható.
| A digitális szűrés a szűrés algoritmikus realizációja, ahol a jel szűrt értéke számítások eredményeként jön létre a nyers (szűretlen) értékből.
| A szűrés analóg és digitális módja minden esetben egyformán jól használható.
| Algoritmikusan csak olyan szűrő valósítható meg, amelynek van analóg megfelelője.
| A számítógépes folyamatirányításban az analóg szűrés jobban használható, mint a digitális.
| A digitális szűrés a kisfrekvenciás jelek világában felmerülő aluláteresztő hatás megvalósításának optimális eszköze.
Azt is indokolja meg, hogy a nem helyes állítások miért nem helyesek!