Методы подавления электрических шумов
Разве не было бы здорово, если бы все устройства сбора данных измеряли только интересующие сигналы? На самом деле датчики улавливают сигналы напряжения и тока независимо от источников, желаемых или нежелательных. Желаемый реальный сигнал часто скрыт шумами, что влияет на результат измерения.
Существует несколько типов шума, встречающихся в системах управления технологическими процессами. Мы рассмотрим радиочастотные помехи и искажение сигналов (алиасинг), а затем рассмотрим методы устранения обоих факторов.
Радиочастотные помехи
Поскольку современные датчики генерируют выходной сигнал либо по напряжению, либо по току, большинство источников шума являются электрическими. Радиочастотные помехи (РЧП) возникают, когда нежелательный сигнал накладывается на результат сбора данных. Каковы реальные источники шума? Практически все, через что проходят электроны, может генерировать шум. Потребительские товары, такие как микроволновые печи и зарядные устройства для сотовых телефонов, могут генерировать «гул» в сигнальной линии.
Обычно они относятся к узкому набору частот, поэтому их часто можно отфильтровать с помощью режекторного фильтра. То же самое касается двигателей, работающих с постоянной скоростью, флуоресцентных ламп и других подобных устройств. Еще одним раздражающим источником радиопомех являются импульсные функции. Идеализированная импульсная функция бесконечно быстра и, таким образом, представляет все частоты равномерно. В действительности это невозможно, за исключением короткой длительности импульса, когда практически на всех частотах присутствует шумовой сигнал.
Импульсные сигналы возникают везде, где есть искрение и дугообразование. Дугообразование возникает всякий раз, когда замыкается или размыкается контакт, например, при срабатывании механических реле или переключателей. Предположим, давление измеряется непрерывно. Механическое реле замыкается, чтобы включить резервный насос. Когда реле замыкается, на короткое время генерируется дуга, которая отображается в результатах сбора данных как случайный всплеск.
Низкая частота дискретизации (алиасинг)
Помимо радиочастотных помех, частота дискретизации также может приводить к появлению накладываемых ложных сигналов. Это не совсем шум, но все же приводит к проблемам. Выбор слишком низкой частоты дискретизации может привести к «алиасингу», когда сигнал искажается. Представьте себе высокочастотный сигнал, периодически семплируемый. Мало что известно об истинном сигнале между каждой выборкой, поэтому инженер (или программа) выполняет интерполяцию между точками выборки, чтобы воссоздать форму сигнала.
Как видно на данном рисунке, синяя линия представляет собой интерполированный сигнал. Ясно, что частота синей линии не совсем точно отражает реальный сигнал красного цвета. Это может быть проблемой с датчиками на эффекте Холла в расходомерах, анемометрах или тахометрах скорости двигателя. Магниты на валу проходят датчик, вызывая последовательность импульсов. Скорость вращения рассчитывается по частоте последовательности импульсов. Ротор может вращаться быстрее, чем представляют данные, если его выборка выполняется недостаточно быстро.
Методы подавления шума
Подавление радиочастотных помех: методы прокладки кабелей
РЧ-помехи являются основным источником технологического шума. Чтобы ограничить его, расположите все провода датчиков подальше от других электрических устройств. Перемещение проводов датчика может помочь, но часто это трудно сделать. Провода в жгутах удобны для монтажа и эксплуатации. Следующим шагом будет сделать провода максимально короткими, потому что более длинные провода означают формирование более длинной антенны. Более длинная антенна улавливает больше сигналов в большем диапазоне частот.
Если ни один из этих способов невозможен или не уменьшает шум сигнала, рассмотрите возможность использования коаксиального кабеля или витой пары. В коаксиальном кабеле сигнальная линия полностью окружена оплеткой коаксиального кабеля, что означает, что сигналы поглощаются оплеткой и заземляются. Измеренный сигнал проходит по сигнальному проводу от датчика. Витые пары не так хорошо снижают радиочастотные помехи, как коаксиальный кабель, но они, как правило, подавляют некоторые радиочастотные помехи.
Другой метод прокладки кабелей заключается в том, чтобы провести кабели или провода через ферритовую бусину или дроссель. Этот метод наиболее выгоден при высокочастотных сигналах. Ферритовые бусины распространены во многих потребительских товарах, таких как блоки питания для ноутбуков и компьютерная периферия.
Подавление радиочастотных помех: методы подключения проводов
Датчики могут быть подключены несколькими способами для уменьшения радиопомех. Двумя распространенными методами являются «несимметричный» и «дифференциальный» режимы подключения. При несимметричном соединении датчику требуется один провод, возможно, запитанный и заземленный в месте расположения датчика. Преимущество заключается в том, что для обнаружения таким образом требуется только один канал, а это означает, что 16-канальное устройство может записывать 16 сигналов. Однако в этой системе один провод действует как антенна. Также предполагается, что земля у датчика и система сбора данных одинаковы, что может быть неправдой, что способствует возрастанию шумового сигнала. Вместо этого можно использовать подключение в дифференциальном режиме.
В дифференциальном режиме для каждого датчика используются два канала. Вместо того, чтобы сравнивать сигнальный провод с землей, напряжения двух сигнальных проводов сравниваются вместе, так что сигнал для интерпретации представляет собой разницу между напряжениями сигнальных проводов. Преимущество состоит в том, что два провода можно соединить через коаксиальный кабель или витую пару, и часть радиопомех будет устранена. Теоретически любой сигнал, мешающий одному проводу, будет мешать другому, но в противоположном направлении, подавляя шум. Недостатком является то, что то же 16-канальное устройство будет записывать только восемь сигналов. Теорема Найквиста утверждает, что для ограничения ошибок наложения спектров частота дискретизации должна быть как минимум в два раза больше максимальной ожидаемой частоты сигнала. Это означает, что если ожидается сигнал частотой 100 Гц, частота дискретизации должна быть 200 Гц. Если необходимо воссоздать всю форму сигнала, подумайте о 10-кратной максимальной ожидаемой частоте сигнала.
© digitrode.ru