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 | |||
| |||
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha | |||
| |||
Időszükséglet: 1.5 óra | |||
Kulcsfogalmak: | |||
| |||
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; | |||
| |||
| |||
Egy eszköz villamosaszimmetriája azt jelenti, hogy két ki- vagy bemeneti kapcsa és egy referenciapont között mérhető impedanciák különbözőek. (Ha az említett impedanciák egyenlők, villamosszimmetriáról 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: | |||
(1) | |||
A gyakorlatban fennálló nagyságrendi viszonyokat (r,RH igen kicsi, Rbe igen nagy) figyelembe véve azt kapjuk, hogy | |||
Uef UAF | |||
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! | |||
| |||
| |||
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). | |||
| |||
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 | |||
=. | |||
Igazak az alábbi nagyságrendi becslések: | |||
Z11 Z22 | |||
A kapacitív impedanciákat Z-vel, a Z2-Z1 különbséget (aszimmetria-impedancia) ?Z-vel jelölve azt kapjuk, hogy | |||
, (2) | |||
vagyis | |||
. | |||
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 (Z) 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. | |||
| |||
A példának megfelelő esetben kb. 60...80dB CMR érhető el, ami azt jelenti, hogy 1V UAF-ből 1...0,1mV Uef keletkezik. | |||
| |||
| |||
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. | |||
| |||
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: | |||
, | |||
de | |||
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 | |||
, | |||
azaz | |||
, | |||
vagy | |||
. | |||
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: | |||
| |||
Nos, akkor pontosan ezek ellenkezőjét kell tenni a hatásos árnyékolás kialakítására! | |||
| |||
| |||
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?
![]() | |||||||||||||||||
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?
![]() | |||||||||||||||||
5. Jelölje meg a helyes megállapításokat!
![]() |