Замер контура заземления: Измерение сопротивления заземляющего устройства

Измерение сопротивления заземления классическими трёх- и четырёхпроводным методами

Когда идёт речь о вопросах безопасности людей предпочтительнее использовать методики измерений, хорошо зарекомендовавшие себя на протяжении десятилетий. Применительно к заземлению таким методом является измерение сопротивления с помощью комбинации амперметра и вольтметра (рекомендуемый ГОСТ Р 50571.16-2007). Иногда такой метод называют «трёхпроводным» (или «трёхзажимным»). Существует и более точная его модификация, именуемая «четырёхпроводным» («четырёхзажимным») методом. Как правило, оба метода могут быть реализованы в одном измерительном приборе.

При проведении измерений данным методом заземление отключается от электроустановки. На расстоянии не менее 20 м от исследуемого заземления в землю вкапывается потенциальный штырь. На расстоянии не менее 40 м от исследуемого заземления вкапывают токовый штырь. Штыри и заземление должны быть расположены на одной линии. Конкретные рекомендации по расстояниям между заземлением и штырями могут отличаться в зависимости от типа заземления и модели применяемой измерительной аппаратуры. Как правило, такие рекомендации указываются в инструкции к измерительной установке.

На контур, образованный исследуемым заземлением, токовым штырем и амперметром, через трансформатор передается переменный ток. В современных приборах это обычно не синусоида с частотой 50 Гц, а меандр с частотой порядка 100 — 200 Гц. Тем самым проверяется работоспособность заземления на гармониках высшего порядка и удается частично сократить влияние помех. При помощи вольтметра измеряется напряжение между заземлением и потенциальным штырем. Далее на основе закона Ома вычисляется сопротивление заземления по формуле:

R = U/I,
где U – напряжение между заземлением и потенциальным штырем, а I – сила тока в контуре, образованном заземлением, токовым штырем, трансформатором и амперметром.

Общая проблема классических методов измерения сопротивления заземления – влияние блуждающих токов в почве.

Метод амперметра-вольтметра на практике имеет две разновидности: трёхпроводный и четырёхпроводный методы, о которых и пойдет далее речь.

Трёхпроводный метод

Обозначим клеммы для измерения напряжения как П1 и П2, а клеммы для измерения тока — как T1 и T2. В реально существующих измерительных приборах эти клеммы могут иметь иные обозначения.

При трёхпроводном методе клеммы П1 и T1 соединяются перемычкой и подключаются одним проводом к исследуемому заземлению. Клемма П2 соединяется проводом с потенциальным штырем, а клемма П1 — с токовым штырем.

Преимуществом трёхпроводного метода является меньшее количество проводов. Недостатком — сильное влияние сопротивления провода, идущего к заземлению, на результаты измерения. Поэтому, обычно, трёхпроводный метод применяется для измерения сопротивления заземления, значение которого заведомо выше 5 Ом.

Четырёхпроводный метод

Когда к точности измерений предъявляются более высокие требования, используется четырёхпроводный метод. При нем к исследуемому заземлению идут раздельные провода от клемм П1 и T1, которые соединяются только непосредственно на клеммах заземления.

Через провод, который идет к T1, течет ток. Образующаяся при этом разность напряжений на концах провода вносит погрешность в измерения, характерные для трёхпроводного метода. Но при четырёхпроводном методе точка измерения напряжения (на клеммах заземления) соединена с измерительным прибором отдельным проводом. По этому проводу течет пренебрежимо малый ток (не более единиц миллиампер), так что его сопротивление практически не вносит погрешности в измерения.

Повышение точности измерений

Классический способ измерения сопротивления заземления чувствителен к неравномерности свойств почвы в разных местах. Поэтому для повышения точности измерения рекомендуется несколько раз поменять расположение потенциального штыря с шагом, примерно равным 10% от его номинального расстояния до заземления.

Выбор измерителя сопротивления заземления

До сих пор в литературе для классического метода измерения сопротивления рекомендуются приборы еще советской разработки. Но они уже не соответствуют современным реалиям, ведь электрооборудования в наших домах с тех пор стало намного больше. Появились новые устройства (например, базовые станции мобильной связи), предъявляющие особые требования к заземлению. Поэтому есть смысл обратиться к продукции ведущих мировых брендов. Но и здесь не все так просто — цены зачастую «кусаются», да и могут быть расхождения в отечественных и зарубежных нормах.

Оптимальным вариантом представляется измерительная аппаратура, выпущенная в Китае на основе самых современных технологий, но по спецификациям и под локальным брендом российской компании.

Другие способы измерений

Более простым в использовании, но при этом менее точным является двухпроводный метод измерения сопротивления заземления. Он позволяет быстро получить оценку сопротивления, что бывает ценным, например, при проведении ремонтных работ. Об этом методе рассказывается в отдельной статье (ссылка).

Дальнейшим развитием классического метода измерения стал так называемый компенсационный метод. Он позволяет чисто аналоговыми способами отстроиться от помех, вызванных блуждающими токами. Недостатком данного метода является сложность настройки прибора и более высокие требования к квалификации оператора, поэтому большой популярности он не завоевал.

Также существует семейство безэлектродных методов измерения, позволяющих не отключать заземление от электроустановки. Они основаны на использовании токовых клещей. Метод, основанный на применении двух клещей также относится к рекомендованным ГОСТ Р 50571.16-2007. Недостатком такого метода является то, что он может напрямую применяться только в системах ТТ и системах TN с ячеистым заземлением. Для обычных систем TN потребуется кратковременная установка перемычки между нейтралью и заземлением, что потенциально представляет угрозу электробезопасности, так что питание во всем здании, где установлено заземление, придется на время измерений отключить.

Выводы

И в цифровую эпоху классический метод вольтметра-амперметра является основным для измерения сопротивления заземлений. Накоплен большой опыт его применения, поэтому его можно считать надежным. Цифровые технологии позволяют мгновенно вычислить значение сопротивления и сразу увидеть результат на дисплее измерительного прибора. Кроме этого, с помощью современных технологий удается в значительной степени подавлять помехи при измерениях. Благодаря этому точность измерений может быть доведена до 1 — 2%, что позволяет классическим методам успешно конкурировать с методами, основанными на использовании токовых клещей, погрешность у которых заметно выше.

Использование мультиметра для проверки заземления

Электрические приборы используют в квартирах, коттеджах и дачных домиках. Процесс их эксплуатации предполагает создание определенных условий для прохождения тока. В целях защиты человека от поражения электричеством в домах и квартирах устанавливают заземление. Оно нужно для того, чтобы уровнять потенциалы корпуса электрического прибора и земли. Далее речь пойдёт о том, как проверяют заземление мультиметром и омметром.

Зачем проверять заземление

Проводить данную процедуру нужно для того, чтобы предотвратить поражение жильцов дома электрическим током. Используют для проверки заземления стационарное или мобильное оборудование. Оценив результаты измерений, можно сделать вывод о том, как функционирует изоляция и соответствует ли электрическая сеть установленным нормативам. Провести процедуру можно самостоятельно либо пригласить специалиста из электросети.

Не стоит думать, что, если установкой розеток и другого электрооборудования в вашей квартире занимались специалисты, заземление работает правильно и измерять ничего не нужно. Часто контур соединяют неверно, что приводит к его быстрому износу. Поэтому опытные мастера рекомендуют с определенной периодичностью проверять состояние грунта с находящимися в нём электродами, проводник, заземляющую шину и металлосвязи. В жилых домах эту процедуру рекомендуют проводить один раз в три года, а в промышленных зданиях работники должны её проводить каждый год.

Как проверяют грунт и металлосвязи?

Оценка состояния металлосвязей начинается с визуального осмотра. Мастера бьют по контактам молоточком с изолированной ручкой. Если всё в порядке, то вы услышите небольшое дребезжание проводника. Специалисты должны убедиться в том, что сопротивление всех металлических соединений соответствует установленным стандартам. Для этого применяют мультиметр или омметр. Прибор не должен выдавать больше 0,05 Ома. Данное требование должны соблюдать застройщики многоэтажных и частных домов. Оценкой состояния грунта занимаются в конце весны или летом. В это время меньше всего осадков. Удельное сопротивление земли измерить могут работники электросети с помощью специальной аппаратуры. Если полученные результаты сильно отличаются от принятых норм, заземление выводят на другой участок грунта.

Как оценить состояние заземляющего контура в квартире?

Для измерения сопротивления заземления применяют тестер либо конструкцию из контрольной лампы. Также вам понадобится отвёртка и изолированный провод с двумя щупами. Если у вас под рукой есть мультиметр, необходимо выполнить следующие действия:

Проверить напряжение в розетке. Просто подключите к ней настольную лампу или телевизор. Если прибор заработал, то всё в порядке.
Отключите электроэнергию в квартире. Для этого следует воспользоваться УЗО или автоматом (если у вас старый дом).

Аккуратно снимите крышку розетку. Найдите провод, соединенный с контактом заземления. Если в вашем доме электросеть работает по принципу заземления, то провод будет уходить в стену. Если же провод подключён к одной из клемм, то в доме применяется принцип зануления либо заземляющего контура нет вообще.

Если схема заземления была обнаружена, переключите тестер в режим проверки напряжения.

Необходимо измерить напряжение между фазой и нулём, а затем между фазой и землёй.

В идеале цифры напряжения между фазой и землёй должны быть больше величины напряжения между фазой и нулём. Бить тревогу нужно, если при втором измерении тестер показал ноль. Это значит, что заземление в квартире или доме не работает. Не все пользуются мультиметром в повседневной жизни, поэтому смысла покупать его не видят. В таких ситуациях для проверки заземления можно собрать контрольную лампу. Для этого вы должны найти патрон, провода, концевики и лампу. Точно измерить таким способом величину напряжения не получится, но зато вы узнаете, работает ли у вас заземление.

Предварительно нужно определить с помощью индикаторной отвёртки, где в розетке фаза, а где ноль. При соприкосновении с фазой лампочка в инструменте загорится, а при взаимодействии с нулём ничего не произойдёт. После того, как вы определите расположение контактов, совершите следующие действия:

Притроньтесь одним концом провода к фазе, а вторым к нулю. Лампочка должна загореться.

После этого переместите конец провода от нуля к усику заземления. Лампочка должна гореть ярко. Если она мигает либо свет тусклый, то контур работает плохо. Если тока нет совсем, то «земля» не работает.

При такой проверке в новых домах могут срабатывать УЗО. Это тоже свидетельствует о том, что заземление работает плохо.

Как измерить заземление в частном доме?

Техника измерения заземления в домах несколько отличается от проведения этой процедуры в квартире. Первым вашим шагом будет проверка целостности всех металлосвязей и грунта. Как это сделать, описано выше в статье. Чтобы измерить заземление, вам нужно будет приобрести тестер, индикатор, отвёртку и изолированный провод. Одну из розеток необходимо отсоединить от напряжения через автоматический выключатель или УЗО.

Перед проведением манипуляций с розеткой следует ещё раз проверить напряжение. Оно должно быть нулевым. Как только вы в этом убедитесь, можно раскручивать корпус розетки. Вы должны убедиться в том, что контакт заземления идёт к соответствующему проводу в стене. Если это так, то можете собрать розетку назад и измерить заземление проводника мультиметром. Если контакт заземления, идущий от розетки, не соединён с проводом, необходимо это исправить, а затем продолжить процедуру. В третьем случае вы можете увидеть, что перемычка розетки переводится на сопротивление. Это означает, что у вас применяется в доме зануление и нужно модернизировать сеть.

В первых двух случаях всё хорошо. Остаётся только собрать розетку, убедиться, что отсутствует ток на металлическом контакте. После этого можно измерить заземление. С помощью индикатора нужно найти фазу. Туда следует поместить свободный конец кабеля, а другой на заземляющий контакт. Если индикатор заработал, то заземляющий контур работает правильно.

Как понять, что заземляющий контур не работает?

Не обязательно измерять напряжение мультиметром, чтобы выявить проблемы в работе заземляющего контура. Возникновение шума в колонках, разряды тока от стиральной машинки говорят о том, что электричество в землю не уходит. Если у вас дома установлены старые обогревательные батареи, то возле них будет скапливаться пыль в большом количестве.

Если у вас не получилось самостоятельно измерить напряжение заземляющего контура, то пригласите электрика. При небольших перепадах проблемы с работой этого электрического соединения незаметны, но, если возникнет серьёзное замыкание, человек, контактирующий с техникой, может погибнуть, т.к. ток попадёт в него.

Измерение сопротивления заземления, замер контура заземления проверка

Система электроснабжения – сложная и тщательно рассчитанная совокупность элементов, построенная в соответствии с правилами, требованиями, нормами специальных документов компетентных органов. В этой системе должно быть предусмотрено все, включая обеспечение безопасности людей. Для того, чтобы система исправно функционировала, имела достаточно длительный срок службы, позволяла работать оборудованию на полную мощность нужно проводить своевременные электроизмерения, позволяющие выявить неисправности, слабые места, устранить обнаруженные дефекты, рассмотреть возможности подключения современного оборудования и электроустановок, гарантировать безопасность жизнедеятельности людей.

Одним из важных элементов, обеспечивающих безопасное пользование электроприборами и электрооборудованием, является защитное заземление. Под заземлением подразумевается преднамеренное соединение любой точки электрической сети, электрооборудования или установки с устройством, обеспечивающим заземление.

Существуют разные системы обеспечивающие заземление, чаще всего, для создания контура заземления используют стальные уголки или стальные прутки (оцинкованные и неоцинкованные). Для обеспечения эффективного заземления их нужно вбить (вкопать) в землю, на расстояние, примерно 2-3 метра. Такие системы контура заземления имеют как преимущества (доступность, относительно легкая и простая установка), так и недостатки (металл подвергается коррозии, сопротивление заземления зависит напрямую от окружающих и погодных условий, применяемые материалы оказывают зависимость на механические и электрические параметры заземления, такое заземление нужно устанавливать в нескольких точках).

На сегодняшний день существуют современные модульные системы глубинного заземления, не зависящие от вышеперечисленных факторов. Данные системы удобны для монтажа, требуют минимальных эксплуатационных затрат, надежно защищены от коррозии, имеют длительный срок службы, порядка 30 лет.

Любая система организации контура заземления должна выполнять защитную функцию, которая основывается на определенных принципах. Принципы заключаются в следующем: выполнение уменьшения до безопасных показателей разностей потенциалов между проводящим предметом, для которого организовано заземление, и другим проводящим предметом (предметами), которые имеют естественное заземление и отводка тока утечки, при осуществлении контакта заземляющего проводящего объекта и фазного провода. Если система спроектирована правильно, то возникновение тока утечки обязательно провоцирует срабатывание УЗО (устройства защитного отключения), из чего можно сделать вывод, что заземление будет наиболее эффективным только при работе в комплексе с применением устройств защитного отключения.

Устройство заземления состоит из заземлителя и заземляющего проводника, выполняющего роль соединителя заземляемой части и заземлителя. Качественные показатели заземления определяются значениями сопротивления заземления, его можно снизить, увеличив площадь заземлителя. Электросопротивление заземляющего устройства определено требованиями ПУЭ.

Измерение сопротивления заземления должен производиться в четко установленные сроки и его основной целью должно быть определение правильных показаний и обеспечение безопасности и сохранности здоровья и жизни окружающих людей.

Компания «Электрик-Мастер» окажет Вам услуги по проведению электроизмерений, среди которых – и замер заземления. Все измерительные работы проводятся профессиональными специалистами нашей компании, с применением современного оборудования и новейших технологий. Наши сотрудники имеют достаточный опыт работы в проведении электроизмерений, владеют современными требованиями, нормами, ознакомлены с условиями, новейшими системами для организации контура заземления и прочими тонкостями измерительных действий.

Мы гарантируем высокое качество проводимых работ, предоставляем нужную техническую документацию, заботимся о Вашей безопасности. У нас Вы можете заказать полный комплекс работ по проведению обслуживания сетей электроснабжения, включая и составление проекта заземления, расчет заземления, изготовление контура для организации заземления, проведение монтажа заземления, замер заземления. Мы выполняем электроизмерения уже на протяжении нескольких лет, о нашей работе оставлены только положительные отзывы заказчиков.

Сначала, как и при проведении многих видов электроизмерительных работ, производится визуальный тщательный осмотр всего контура заземления, особое внимание уделяется качеству присоединения частей устройства-заземлителя к соответствующей системе электроснабжения. Для определения надежности соединений, их целостности, прочности болтовых соединений выполняют простукивания молотком мест сварки. Все выявленные недостатки и проблемы записываются на специально отведенные страницы паспорта. Затем проводятся необходимые электроизмерения, которые также фиксируются.

Для создания искусственной цепи движения тока через устройство-заземлитель, нужно вбить или вкопать в землю вспомогательный заземлитель (в его роли может выступить токовый электрод), выполнить его присоединение с помощью провода к измерительному прибору. После этого в грунт устанавливается зонд (расстояние от заземлителя должно составлять не меньше 20 метров). Вспомогательный заземлитель также присоединяется к прибору, которым будут выполняться измерения, с помощью провода. Теперь можно проводить замер сопротивления заземляющих устройств.

Для измерения величины сопротивления заземления можно использовать различные измерительные приборы, занесенные в Госреестр России или других стран ближнего зарубежья (например, омметром М416, ЭКО-200, MRU-100 АНЧ-3, КТИ-10, ЭКЗ-01, ИС-10 и другие).

Для получения наиболее точных данных при проведении электроизмерений следует учитывать следующий фактор: для работ по выполнению замера заземляющих устройств необходима сухая погода, при которой удельное сопротивление грунта наиболее высокое.

При возникновении необходимости в проведении такого вида электроизмерений, как замер сопротивления заземляющих устройств воспользуйтесь нашими предлагаемыми услугами. Мы организованно выполним необходимые замеры, установим качество заземления и защитим Вашу жизнь от вредного воздействия электрического тока при непреднамеренном контакте с ним.

Замер сопротивления контура заземления, сопротивления изоляции – «Гармония». Стоимость 1000 руб.

Безопасная и надежная эксплуатация электрооборудования зависит от многих параметров. Ключевое значение здесь играют такие характеристики, как сопротивление заземляющего контура и изоляции проводов. Чтобы предотвратить несчастные случаи и аварийные ситуации на производстве, необходимо обеспечить периодический контроль этих характеристик.

АНО ДПО УСЦ «Гармония» осуществляет измерение сопротивления изоляции проводов, кабелей и контура заземления силами собственной аккредитованной электротехнической лаборатории, укомплектованной квалифицированными специалистами и оснащенной передовым измерительным оборудованием.

Измерение сопротивления заземления

Заземляющий контур выполняет функцию защиты персонала от поражения электрическим током в случае появления напряжения на нетоковедущих частях электрооборудования, например, на корпусе. В случае прикосновения человека к находящимся под напряжением нетоковедущим частям оборудования ток уходит в землю не через его тело, а через контур заземления. Это достигается за счет того, что контур обладает значительно меньшим электрическим сопротивлением. Таким образом, ключевым показателем является значение сопротивления. При его увеличении заземляющий контур перестает эффективно выполнять свои функции, что может приводить к поражению людей электротоком. Поэтому Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭЭП) предписывают регулярно проводить замеры заземления.

В соответствии с требованиями ПТЭЭП, замеры сопротивления заземления выполняются в засушливую погоду или в период сильного промерзания грунта. Это связано с тем, что в таких условиях сопротивление грунта имеет максимальное значение, что позволяет обеспечить оптимальную точность измерений. Сопротивление заземляющего устройства должно измеряться не реже чем один раз в 6 лет или при наличии любых подозрений в его работоспособности. Максимальные значения сопротивлений приводятся в ПТЭЭП. Переходное сопротивление металлосвязи (контакты соединения заземляемого оборудования с землей) должно измеряться ежегодно. Максимальное значение этого сопротивления не должно превышать 0,05 Ом.

Измерение сопротивление изоляции проводов и кабелей.

Важным видом услуг электролаборатории является измерение сопротивления изоляции. Данный вид работ предусматривает контроль степени изношенности изоляции электропроводки и дает возможность предотвратить короткое замыкание, которое может приводить к возникновению пожара и выходу из строя электрооборудования.

В соответствии с требованиями ПТЭЭП руководитель предприятия обязан обеспечить проведение измерений сопротивления изоляции проводов не реже чем один раз в 3 года. Выполнять замеры должны специальные сертифицированные организации, которые имеют в своем распоряжении необходимое лабораторное оборудование и квалифицированных специалистов.

Наши услуги

Учебно-сертификационный центр «Гармония» располагает собственной аккредитованной электротехнической лабораторией. Благодаря этому мы сможем оперативно выполнить замер сопротивления контура заземления или измерить сопротивление изоляции проводов и кабелей. Измерительные работы выполняются квалифицированными специалистами с применением современного оборудования. Стоимость выполнения работ приятно удивит наших клиентов!

По результатам измерений заказчику представляется типовой технический отчет, а также протоколы испытаний. На основании измерений выдаются рекомендации по устранению нарушений заземляющего контура, а также относительно дальнейшего использования электропроводки или необходимости ее замены.

Полезно знать:

Охрана труда в офисе и на предприятии в значительной степени зависит от того, насколько высоким является уровень знан >>>

Правила по охране труда представляют собой комплекс нормативных актов, требования которых должны обязательно исполнят >>>

Измерение сопротивления контура заземления: методы, приборы, недостатки

В основе безопасности использования электроэнергии лежит не только и не столько соблюдение всех норм при монтаже электроустановки, но и следование требованиям по ее эксплуатации, заложенным в нормативных документах. Заземляющий контур жилых домов и зданий требует периодического выполнения контрольных измерений и выявления неисправности. Расскажем в статье, как происходит измерение сопротивления заземления, какими способами.

Принцип работы заземляющего устройства

В обычных условиях контур заземления, соединенный посредством РЕ-проводника с системой выравнивания потенциалов и с корпусом каждого находящегося в здании электроприбора, бездействует: кроме незначительных по величине фоновых, токи по нему не идут.

При нарушении изоляции электропроводки и аварийной ситуации на поверхности корпуса поврежденного электроприбора образуется опасное напряжение, которое по контуру заземления переходит на потенциал земли. Благодаря этому величина напряжения, попавшего на непроводящие элементы, снижается до абсолютно неопасного значения, не способного нанести травму соприкасающегося с корпусом поврежденного прибора через землю человеку.

При нарушении контура заземления либо РЕ-проводника пути для отвода напряжения нет, и ток будет протекать сквозь тело человека, находящегося между землей и потенциалами неисправного бытового электроприбора.  Читайте также статью: → «Монтаж контура заземления в доме».

Почему заземляющее устройство становится неисправным?

При находящемся в работоспособном состоянии контуре ток по РЕ-проводнику переходит на токопроводящие электроды, находящиеся в контакте с почвой, а по ним постепенно переходит на потенциал земли. Весь поток делится на несколько составных частей.

При продолжительном пребывании в агрессивной среде грунта металлические поверхности тоководов окисляются, на них образуется окисная пленка. По мере развития коррозионных процессов прохождение тока ухудшается, электрическое сопротивление конструкции повышается. Возникающая на металлических элементах ржавчина, как правило, носит общий характер, хотя, местами можно увидеть ярко выраженные следы глубокой коррозии. Этот факт объясняется тем, что находящиеся в почве постоянно химически активные растворы щелочей, солей и кислот распределены неравномерно.

Частицы разрушенного коррозией металла отходят от тела проводника, ухудшая либо вовсе прекращая местный электрический контакт. Таких точек со временем возникает все больше, на фоне постепенно увеличивающегося сопротивления контура заземляющее устройство постепенно снижает проводимость и неспособно отвести в почву опасный потенциал. Своевременное выполнение замеров сопротивления заземления позволяет определить момент наступления критического состояния контура.

Максимально допустимое сопротивление заземления

Для каждого типа заземлителя сопротивление нормируется согласно ПУЭ (р — сопротивление грунта).

Приборы для измерения сопротивления

Для выполнения замеров сейчас используются преимущественно современные цифровые приборы, пришедшие на смену устаревшим аналоговым устройствам. Сама технология выполнения измерений намного упростилась, улучшилась точность.Так как замеры необходимо выполнять 1 раз в шестилетний период, для выполнения измерений сопротивления заземления частных домов из-за дороговизны приборов экономически выгодно пригласить специалистов, имеющих все необходимое оборудование.

Для выполнения замеров чаще всего применяются следующие специальные виды приборов:

• МС-08;
• М-416 на полупроводниках и питанием от батареи;
• Тестер СА-6415, оснащенный токовыми клещами.

Методика определения состояния ЗУ основывается на законе Ома для участка цепи. Для проверки через проверяемый элемент пропускается электроток от прошедшего калибровку источника напряжения, проводятся высокоточные замеры проходящего тока и определяется значение сопротивления. Читайте также статью: → «Расчет заземляющих устройств».

Способ амперметра и вольтметра

По причине того, что контур постоянно всем свои объемом работает в грунте, именно его необходимо оценивать при выполнении измерений. С этой целью в почву на расстоянии не менее 20 м от подлежащего контролю заземляющей системы погружаются основной электрод и дополнительный, на которые подается переменный ток.

По устроенной источником ЭДС, проводами и заглубленными в почву электродами цепи течет электрический ток, сила которого определяется при помощи амперметра. На поверхность заземляющего контура, очищенного во избежание малейшей погрешности, и контакты основного заземляющего электрода устанавливается вольтметр, замеряющий снижение напряжения на линии промеж контуром заземления и основным стержнем. При делении величин напряжения на силу тока определяется общее сопротивление исследуемой части цепи.

Если к точности измерений не предъявляется высоких требований, то можно ограничиться и этой величиной. При необходимости получения точных результатов, вычисленное значение следует откорректировать, вычтя из него сопротивление проводов и учтя воздействие диэлектрических свойств грунта на характер токов растекания в почве.

• Основными преимуществами такого метода являются простота и несложность выполнения замеров для частных домов.
• Недостаток — не обеспечивается требуемая точность измерений.

Трехпроводной способ измерения сопротивления

При выполнении работ по этому методу исходя из требований безопасности требуется отключение автоматического выключателя в вводном щитке питания либо снятия с заземлителя РЕ-проводника.

• Проводник подключается замеряющему прибору и струбцине. На определенном удалении в землю забиваются стержни заземлителя, на которые навешиваются катушки с проводниками, концы которых подключаются.
• Контакты проводов устанавливаются в разъемы измерительного устройства, проверяется работоспособность схемы к производству замеров и определяется напряжение помехи между электродами-штырями, значение которого должно быть менее 24В.
• При большем напряжении следует изменить точки установки электродов и перепроверить эту величину. Снимаются показания с экрана устройства.

Совет #1. В целях контроля правильности выполнения работы следует провести несколько измерений, переставляя потенциальный стержень на различные расстояния. Отличие полученных значений друг от друга допускается до 5%.

Метод пробного электрода

Измерения необходимо производить до установки ЗУ. Порядок выполнения работ следующий:

• перед проверкой в почву забивается немного возвышающийся над ней пробный стержень-заземлитель идентичный по длине будущему постоянному устройству;
• определяется сопротивления тестером;
• выполняется расчет удельного сопротивления грунта с учетом геометрических размеров пробного штыря.

Такой метод применим только при установке несложных заземляющих устройств, к примеру, при заземлении индивидуального дома. Читайте также статью: → «Для чего выполняется заземление крыши дома».

Четырехэлектродная схема измерения

Такая схема измерения, иначе называющаяся способом вертикального электрозондирования (ВЭЗ), дает достаточную точность результатов, так как при ней учитываются свойства всех слоев грунта — от глубинных до поверхностных. К внешним стержням (№1 и №2) подключается ЭДС, а на штырях, находящихся внутри (№3 и №4), определяется разность потенциалов.

Компенсационный способ выполнения замеров

При выполнении замеров таким способом потребуются промышленные высокоточные приборы. Пара стержней-электродов заглубляется в землю на единой линии так, чтобы охватить заземляющий контур. Основным средством измерения является зонд, подключающийся к стержням №1 и №2 на максимальном приближении к шине (2) заземляющего контура.

Через погруженные в почву дополнительные штыри, грунт, проводники и первичную обмотку трансформатора подается электродвижущая сила. На вторичной обмотке возникает ток (I₁). Реохордом (б) напряжения устанавливаются так, чтобы U₁=U₂, достигающееся обнулением показаний вольтметра, подключенного к реохорду посредством трансформатора.

Совет #2. Значение сопротивления заземления определяется установкой показаний вольтметра на ноль и кручением ручки реостата исходя из положения стрелки реохорда.

Применение калиброванного резистора

Через охлаждаемый резистор на заземляющее устройство электричество подается непосредственно с фазы питания. По известному значению сопротивления и определенному напряжению выявляется сила проходящего через заземлительное устройство тока. Измерения производятся при отсоединении РЕ-проводника от заземлителя, на который через калиброванное сопротивление 46 Ом подается фазное напряжение.

Преимущество данного метода, особенно эффективного в стесненных условиях города, заключается в следующем:

• нет нужды в заглублении тяжелых электродов;
• не требуется наличие многих метров проводов;
• все измерения выполняются на малой площади земли.

Использование токовых клещей

При работе с клещами нет необходимости в отключении цепи заземления. В цепь подается напряжение и по ней начинает протекать ток. Определив его силу клещами, становятся известны все значения, требующиеся для выполнения расчета сопротивления.

Что влияет на сопротивление заземления?

Сопротивление ЗУ находится в прямой зависимости от удельного сопротивления грунта, которое в разных условиях может иметь различные значения. Оно зависит от:

• состава грунта;
• температуры;
• времени года.

Сопротивление почвы значительно меняется при повышении влажности.  Потому, перед монтажом заземления и выполнением замеров крайне важно четко определить тип, геологический состав почв, находящихся на участке.

Ошибки при выполнении замеров

Наиболее часто встречающимися ошибками являются:

• выбор для выполнения замеров на электроустановках точек не с максимальным воздействием коррозии, а в случайном порядке;
• пренебрежение проверки заземления нейтралей при сильной коррозии;
• размещение основного и дополнительного электродов слишком близко от заземляющего устройства при замерах методом амперметра и вольтметра.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос №1. Какие участки следует выбирать для контроля ВЛ?

Для выполнения замеров рекомендуется выбирать участки с наиболее агрессивными грунтами. При этом контролю подлежат не менее 2% опор.

Вопрос №2. Можно ли вместо высокоточных приборов использовать другие средства измерения?

В принципе, замеры можно произвести и мультиметром, но его применение чревато получением данных со слишком большой погрешностью.

Вопрос №3. Когда лучше всего проводить измерения?

Выполнять замеры лучше всего в разгар лета либо в середине зимы при благоприятной погоде и максимальном сопротивлении почвы.

Вопрос №4. Какова периодичность выполнения замеров?

Проверка производится сразу же после сдачи дома в эксплуатации. Согласно нормативам, периодичность замеров сопротивления должно проводиться каждые 6 лет, но для себя лучше выполнять их каждый год.

Вопрос №5. При выполнении нескольких замеров какой результат принимать окончательным?

Реальное значение сопротивления необходимо принимать по самому худшему результату.

Оцените качество статьи:

Страница не найдена | MIT

• Образование
• Исследование
• Инновации
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Выпускников
• О MIT
• Подробнее ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Выпускников
  • О MIT

Предложения или отзывы?

Общие сведения о контурах заземления – Рекомендации по применению

Контуры заземления могут быть серьезной помехой в системах сбора данных HVAC, поскольку их трудно обнаружить. В большинстве случаев они не причиняют вреда, но могут вызвать непредсказуемые проблемы спустя годы после установки!

Что такое контур заземления?

Контур заземления образуется, когда существует более одного токопроводящего пути между клеммами «заземления» двух или более единиц оборудования. Проводящая петля образует большую рамочную антенну, которая легко улавливает токи помех. Чем больше петля, тем больше помех; если вы используете стальной каркас здания в качестве земли, петля может быть такой же большой, как и все здание.Сопротивление в проводах заземления превращает токи помех в колебания напряжения в системе заземления. Земля больше не стабильна; поэтому сигналы, которые вы пытаетесь измерить и которые относятся к этой земле, также нестабильны и неточны.

Наземная мифология

Универсальная концепция, которой преподают в технических школах и инженерных колледжах, заключается в том, что «земля» всегда имеет нулевое напряжение, может бесконечно поглощать электрический ток и мгновенно безвредно рассеивать ток. Однако идеальная почва – это лабораторная абстракция, которой не существует в реальном мире.

Настоящее заземление – это проводник, поэтому между всеми точками заземления существует определенное сопротивление электрическому току. Это сопротивление может изменяться в зависимости от влажности, температуры, подключенного оборудования и многих других переменных. Сопротивление всегда может позволить электрическому напряжению существовать на нем. Сильные токи, проходящие через землю, вызовут падение напряжения в заземляющих проводниках, и потребуется время, чтобы рассеяться.

Факультет сельскохозяйственной инженерии Мичиганского государственного университета измерил сопротивление заземления на входах в электрические сети и обнаружил, что на территории здания может изменяться напряжение до 2 вольт. Фактически, Национальный электротехнический кодекс (NEC) допускает изменение заземления на 2,5% от напряжения параллельной цепи или на 3 вольта RMS для цепи 120 В переменного тока (см. «Ссылки» ниже для получения дополнительной информации об исследовании штата Мичиган и NEC. код).

Понимание того, что идеального заземления не существует в реальном мире, является первым шагом к устранению помех контура заземления, когда они возникают.Если вы помните, что каждое заземление в здании находится под разным и произвольным «нулевым» потенциалом, то вы можете разработать надлежащие системы заземления.

Если основания настолько ошибочны, зачем вообще заземление?

Заземление необходимо по двум причинам: безопасность и безопасность.

Статья 250 NEC устанавливает, что изолированные вторичные обмотки понижающих распределительных трансформаторов должны быть заземлены на входе в здание. Земля представляет собой медный стержень, вбитый в землю минимум на 8 футов.NEC требует, чтобы стальной каркас, водопроводные трубы и другие крупные металлические предметы были соединены с землей входа в здание. Если изоляция провода выходит из строя или провод случайно отсоединяется и соприкасается с металлическим предметом, большие токи короткого замыкания текут от распределительного трансформатора на землю. Эти чрезмерные токи размыкают предохранители и автоматические выключатели, предотвращая нахождение оборудования под более высоким потенциалом, чем у ближайшей раковины или строительной конструкции. Если заземление в распределительном щитке по какой-либо причине отключается, то заземление входа питания здания на трансформаторе обеспечивает протекание чрезмерного тока короткого замыкания, размыкая предохранители и автоматические выключатели.Защита здания от огня и находящихся в нем людей от поражения электрическим током является основной функцией системы заземления распределения электроэнергии.

Вторая проблема безопасности – поддерживать оборудование в пределах нормального рабочего диапазона напряжения. Большинство современных прямых цифровых контроллеров (DDC) будут работать правильно без заземления где-либо. Единственная загвоздка в том, что незаземленное оборудование может накапливать большие статические заряды из-за утечки изоляции. Первый человек, который подходит и касается оборудования, испытывает ужасный шок. Если статический заряд становится достаточно высоким, он разряжается до ближайшего проводника с более низким потенциалом. Мгновенные токи разряда могут достигать нескольких тысяч ампер и разрушать электронные компоненты системы. Заземление системы позволяет зарядам рассеиваться без повреждений.

Помехи сигналам от контуров заземления

Контуры заземления позволяют электрическим и магнитным помехам создавать источники напряжения шума. Эти источники напряжения добавляют к измеряемому сигналу и неотличимы от правильного сигнала.Контроллер, не зная, что он считывает неправильное значение, выполняет неправильное управляющее действие. Это может создать неудобные условия для пассажиров. Он также может приводить в движение механическое оборудование, вызывая преждевременный износ оборудования.

Помехи сигналам от магнитной индукции

Основными источниками этих шумов являются магнитная индукция и дисбаланс грунта.

Любая петля из проводящего материала образует однооборотный трансформатор, если присутствует магнитное поле, и магнитные поля возможны везде, где используется напряжение переменного тока. Магнитные поля создаются переменным напряжением, текущим по проводу, двигателями или люминесцентными лампами. В цепях очень низкого уровня оборванные провода, движущиеся в магнитном поле земли, могут даже вызвать проблемы. Магнитное поле заставляет ток течь в петле из проводящего материала, а сопротивление петли создает напряжение из этого тока.

Чем сильнее магнитные поля или чем выше частота магнитных полей, тем сильнее протекает ток. Закон Ома гласит, что ток, умноженный на сопротивление, равен напряжению.Таким образом, чем больше ток, тем больше источник шума напряжения.

На левом рисунке ниже показан контур заземления под действием магнитного поля. Магнитное поле заставляет электрический ток течь в контуре заземления. Сопротивление контура преобразует ток в источник напряжения между входом заземления контроллера и клеммой заземления датчика, как показано на правом рисунке ниже.

Помехи сигналам из-за дисбаланса грунта

Электрические нагрузки могут варьироваться в зависимости от здания, создавая различные токи в системе заземления. Если в системе заземления протекает большой ток, и датчик помещен в цепь с заземлением, которая также имеет контур заземления, то к сигналу добавляется разница напряжений между двумя точками заземления.
На рисунке внизу слева показан источник тока повреждения, подающий ток в систему заземления. Если, как в исследовании штата Мичиган, напряжение в системе заземления составляет два вольта, то к сигналу датчика добавляется напряжение повреждения в два вольта, как показано на рисунке ниже справа.

Закрытие

Контуры заземления могут сделать лучшую систему управления неэффективной. Если вы считаете, что контуры заземления могут вызывать проблемы с вашей системой HVAC / R, позвоните своему представителю BAPI или загрузите Примечание по применению BAPI: Избегайте контуров заземления с нашего веб-сайта по адресу www.bapihvac.com

Ссылки

ANSI / NFPA 70, Национальный электротехнический кодекс 2002 – Национальная ассоциация противопожарной защиты
Стратегии строительства для минимизации паразитного напряжения на молочных фермах, Университет штата Мичиган
Генри Отт, Методы снижения шума в электронных системах, 2-е издание, Wiley and Sons, Нью-Йорк, Нью-Йорк , 1988

Michigan State Univ.

Департамент сельскохозяйственной инженерии Университета штата Мичиган измерил сопротивление заземления на входах в электрические сети и обнаружил:
«Если заземляющий стержень сервисной панели вбить на 8 футов во влажную землю, которая не является настоящим песком, сопротивление между заземляющим стержнем и землей может быть всего 20 Ом. Предположим, что когда в здании используется питание, одна десятая ампер тока нейтрали течет на землю через заземляющий стержень. Основной электрический закон, называемый законом Ома, гласит, что ток, умноженный на сопротивление, равен напряжению.Умножение тока заземляющего стержня (0,1 ампера) на сопротивление заземляющего стержня (20 Ом) дает 2 вольта. Если один щуп вольтметра касается заземляющего стержня, а другой щуп вольтметра вдавливается в землю так далеко от заземляющего стержня, насколько дотянутся провода, измеритель будет показывать примерно 2 вольта ».

Код NEC

Национальный электротехнический кодекс (NEC) также не помогает решить эту проблему. Статья 250 NEC требует, чтобы параллельные цепи заземлялись до ближайшего местного заземления в здании, где бы в здании ни находились панели ответвлений.Цифры в статье 250 показывают заземление на строительную сталь. Как указано в статье штата Мичиган, «территория» здания может варьироваться в зависимости от их измерений на величину до 2 вольт. Статья 647.4 (D) NEC (статья 647 называется «Чувствительное электронное оборудование») позволяет заземлению изменяться на 2,5% от напряжения параллельной цепи или на 3 вольта RMS для цепи 120 В переменного тока.

Версия этой заметки по применению в формате pdf для печати

Избегание контуров заземления при измерениях электронных устройств

В замкнутой цепи должен быть предусмотрен обратный путь для тока, протекающего обратно к источнику питания; этот возврат часто называют электрическим заземлением.В идеале эти заземляющие соединения не должны иметь сопротивления или паразитной емкости, и можно предположить, что все опорные заземления имеют одинаковый потенциал. Однако все провода имеют небольшое сопротивление, а также паразитную емкость.

Оценка лабораторных измерений с использованием нескольких приборов (и нескольких источников питания) усугубляет эту проблему. Когда два или более устройства подключены к общей земле разными путями, возникает контур заземления; разность напряжений генерирует ток в виде наведенного шума.Этот шум контура заземления может появляться или исчезать без очевидной причины, что может сделать диагностику шума чрезвычайно сложной задачей.

При поиске неисправностей в цепи лучше избегать одновременного изменения нескольких переменных. Следующие советы помогут вам применить более методичный подход.

3 совета по предотвращению замыкания на землю

Создав единую точку заземления, обычно на месте измерения, вы в первую очередь можете избежать потенциальных контуров заземления.Хотя это не всегда может быть практично для реализации, учитывая физическое расположение электрических компонентов, это хороший руководящий принцип, который поможет вам избежать большинства проблем.

Мне известна ситуация, когда был создан контур заземления, потому что корпус ИУ находился в криогенном сосуде Дьюара, который покоился на бетонном полу, на котором покоился металлический стол, на котором находился прибор с заземленным корпусом.Это не «цепь», как в учебнике, но она функционировала как единое целое. Настоящая проблема диагностики неприятных контуров заземления часто заключается в вашей способности творчески мыслить, чтобы найти контур.

Сопротивляясь побуждению отключить все заземляющие соединения, вы можете избежать увеличения шума из-за эффекта антенны.Заземление корпуса на приборах также обеспечивает безопасное заземление в случае внутренней неисправности, предотвращая попадание в корпус опасного напряжения. При изменении схемы заземления в системе всегда соблюдайте меры безопасности.

Загрузите нашу бесплатную статью, чтобы узнать о других ошибках, которых следует избегать при измерении электронных устройств:

Что такое ошибка контура заземления при измерении напряжения …

Истинный потенциал земли существует только на бумаге или в моделировании.В реальном мире не существует такого понятия, как истинное заземление, которое при испытаниях и измерениях приводит к ошибкам контура заземления. Контуры заземления создают проблемы при измерении сигналов низкого уровня, таких как измерения термопар. При измерении напряжений в цепях, в которых цифровой мультиметр и тестируемое устройство привязаны к общему заземлению, образуется контур заземления . Как показано на рисунке, любая разница напряжений между двумя опорными точками заземления (Vground) вызывает прохождение тока через измерительный провод гетеродина.Это вызывает ошибку напряжения (VL), которая приводит к неточности измерения цифрового мультиметра.

При рассмотрении контуров заземления только с точки зрения постоянного тока, пока Ri имеет большое значение (имеется в виду воздух между двумя потенциалами), ошибка будет довольно незначительной при измерении мВ и выше. Цифровые мультиметры Keysight True вольт , такие как 34460/61/65 / 70A, имеют Ri 10 Гом при влажности 80%. Влажность 80% является высоким показателем для лабораторных условий, поэтому в большинстве настроек фактическое Ri намного превышает 10 Гом. Ошибка, вызванная контурами заземления постоянного тока, может быть уменьшена еще больше, если путь заземления сигналов низкого уровня будет как можно короче.

Более крупным источником шума и ошибок от контуров заземления является компонент переменного тока. Импеданс цифрового мультиметра относительно земли ниже при использовании переменного тока из-за емкостной составляющей Ci, параллельной Ri. Емкостная составляющая возникает из-за обмоток трансформатора внутри цифрового мультиметра. Ссылаясь на расчет Z в нижней части рисунка, по мере увеличения частоты изоляция цифрового мультиметра по оси Z по отношению к земле начинает уменьшаться. Теперь в большинстве низкочастотных настроек шум контура заземления исходит от линии питания, поэтому он составляет 60 или 50 Гц. Влияние шума контура заземления линии питания переменного тока можно уменьшить, установив время интегрирования измерения цифрового мультиметра на 1 или более циклов линии питания (для 60 Гц это 16,67 мс). Если ваша среда тестирования состоит из высокочастотных сигналов, высокоскоростных цифровых сигналов или компонентов с шумом, таких как реле или двигатель, лучше всего проводить любые чувствительные измерения напряжения на отдельном потенциале земли, если это возможно.

Чтобы перейти на страницу Википедии о контуре заземления, щелкните здесь

Рекомендации по заземлению – Промежуточные аналоговые концепции

Измерение заземленных источников
заземленный источник сигнала лучше всего измеряется с помощью дифференциальной или без ссылочного измерительной системы.На рисунке 7 показана ловушка при использовании системы измерения с привязкой к земле для измерения заземленного источника сигнала. В этом случае измеренное напряжение V _m представляет собой сумму напряжения сигнала V _s и разности потенциалов ΔV _g , которая существует между землей источника сигнала и землей измерительной системы. Эта разность потенциалов обычно не соответствует уровню постоянного тока; таким образом, результатом является зашумленная система измерения, часто выявляющая в показаниях компоненты частоты сети (60 Гц).Как упоминалось ранее, между двумя заземляющими соединениями может существовать разница до 200 мВ. Эта разница заставляет ток, называемый током контура заземления, течь в межсоединении, что может сильно повлиять на измерения, вызывая ошибки смещения, особенно при измерении сигналов низкого уровня от датчиков.

Система с заземлением является приемлемым решением, если уровни напряжения сигнала высоки, а соединительная проводка между источником и измерительным устройством имеет низкий импеданс.В этом случае измерение напряжения сигнала ухудшается из-за контуров заземления, но такое ухудшение может быть допустимым. Перед подключением заземленного источника сигнала к заземленной измерительной системе необходимо тщательно соблюдать полярность, поскольку источник сигнала может быть замкнут на землю, что может привести к повреждению источника сигнала.

Измерение «плавающих» (без ссылок) источников
«Плавающие» источники сигналов можно измерять как с помощью дифференциальных, так и несимметричных измерительных систем.Однако в случае дифференциальной измерительной системы следует позаботиться о том, чтобы уровень синфазного напряжения сигнала относительно земли измерительной системы оставался в синфазном входном диапазоне измерительного устройства. Различные явления – например, входные токи смещения инструментального усилителя – могут вывести уровень напряжения плавающего источника за пределы допустимого диапазона входного каскада устройства сбора данных. Чтобы привязать этот уровень напряжения к некоторому эталону, используются резисторы.Эти резисторы, называемые резисторами смещения, обеспечивают путь постоянного тока от входов инструментального усилителя к земле инструментального усилителя. Эти резисторы должны быть достаточно большого номинала, чтобы позволить источнику плавать относительно эталона измерения (AIGND в ранее описанной системе измерения) и не нагружать источник сигнала, но достаточно малым, чтобы поддерживать напряжение в диапазоне входного сигнала. этап устройства. Обычно значения от 10 кОм до 100 кОм хорошо работают с источниками с низким импедансом, такими как термопары и выходы модулей преобразования сигналов.Эти резисторы смещения подключаются между каждым выводом и землей измерительной системы. Отказ от использования этих резисторов может привести к ошибочным или насыщенным (положительным или отрицательным полным) показаниям.

Если входной сигнал связан по постоянному току, только один резистор, подключенный от (-) отрицательного входа к заземлению измерительной системы, необходим для удовлетворения требований пути тока смещения, но это приводит к несбалансированной системе, если полное сопротивление источника источник сигнала относительно высок.Сбалансированные системы желательны с точки зрения помехоустойчивости. Следовательно, следует использовать два резистора равного номинала – один для входа высокого (+) сигнала, а другой для входа низкого уровня (-) на землю – следует использовать, если полное сопротивление источника сигнала высокое. Одного резистора смещения достаточно для источников с низким импедансом, связанных по постоянному току, таких как термопары. Симметричные схемы обсуждаются далее в этой статье. Если входной сигнал связан по переменному току, требуются два резистора смещения, чтобы удовлетворить требованиям к цепи тока смещения инструментального усилителя.

Если должен использоваться режим несимметричного входа, система ввода GRSE (рисунок 8a) может использоваться для источника плавающего сигнала. В этом случае контур заземления не создается. Система ввода NRSE (рисунок 12b) также может быть использована и предпочтительна с точки зрения шумоподавления. Для плавающих источников требуется резистор смещения между входом AISENSE и землей измерительной системы (AIGND) в конфигурации входа NRSE.

Таблица 1 ниже содержит сводку рекомендуемых конфигураций.

Таблица 1 Подключения аналогового входа

Контуры заземления и неизолированные места общего пользования

Любой установщик оборудования для управления промышленными процессами скажет вам, что контуры заземления являются одной из самых неприятных ошибок подключения сигналов, которые необходимо диагностировать и исправить. Шаги, необходимые для их устранения, часто приравниваются к чему-то столь же загадочному, как магические заклинания. Аналогичным образом рассматриваются проблемы, связанные с совместным использованием неизолированных общин.Проблемы с совместным возвратом сигнала часто даже путают с контурами заземления. Контуры заземления и общие общие могут вызвать непредсказуемые сигналы и сделать ваш текущий контур непригодным для использования.

Лучший и наиболее практичный способ исправить эти проблемы с сигналом – это в первую очередь предотвратить их возникновение, спланировав правильное подключение устройства и следуя конкретным передовым методам. Однако, если вы подозреваете, что у вас проблемы с сигналом, связанные с контурами заземления или общими общими узлами в существующей сети, нет необходимости вытаскивать книгу и волшебную палочку “Контуры заземления и неизолированного общего пользования”, есть некоторые предсказуемые симптомы, которые вы можете ищите, чтобы диагностировать проблему.

Прежде всего, вам необходимо знать определение контуров заземления и общих общих линий. Контур заземления – это поток тока от одной сигнальной земли к другой из-за разницы напряжений между двумя заземлениями. Это может произойти, если два устройства в сети заземлены в разных местах, и в одном из этих мест сигнальная земля испытывает более высокий потенциал напряжения. Любой инженер-электрик скажет вам, что любой перепад напряжения приведет к протеканию тока.Именно этот ток вызывает симптомы замыкания на землю.

Общий неизолированный общий провод может стать проблематичным при неправильном подключении. Устройства с несколькими входами и выходами, особенно те, через которые проходит более одного контура, печально известны трудностями, связанными с общим доступом. Их обычно называют «контурами заземления» из-за схожести их симптомов, но они не являются настоящими контурами заземления, поскольку они не вызваны проблемами заземления. Проблемы такого рода возникают, когда узлы создаются, намеренно или нет, до достижения всех применимых устройств в цепи, требующих чистого, предсказуемого сигнала. Это приведет к смешанному потоку тока и усреднению сигнала, что приведет к появлению непригодного для использования сигнала процесса.

На рисунке 1 выше показан источник питания 24 В постоянного тока, обеспечивающий напряжение в токовой петле. Этот контур подключается параллельно к двум парам датчик уровня / локальный дисплей, предположительно, на разных резервуарах в совершенно разных местах промышленного объекта. Два датчика используют подаваемое на них напряжение для генерации сигнала процесса 4-20 мА, который затем проходит по проводу, соединяющему их с локальным дисплеем, на котором отображается переменная процесса.Схема замыкается путем возврата к источнику питания.

Все это звучит как типичная функциональная токовая петля, пока вы не заметите, что оба входа питания локальных дисплеев заземлены в их отдельных местах. Заземление 2, поскольку среда, в которой он расположен, испытывает больше шума и имеет худшие соединения для его заземляющих шин, чем другое место, имеет более высокий потенциал напряжения, чем земля 1. Это приводит к протеканию тока, обозначенному выше IGND.Этот ток проходит по тем же проводам, которые должны передавать на дисплеи только технологический сигнал 4-20 мА, в результате чего два тока смешиваются, и технологический сигнал становится непредсказуемым и, следовательно, непригодным для использования.

В примере, показанном на Рисунке 1, это было устройство в контуре 4–20 мА, которое вводило ток заземления в контур. Однако возможно, что причиной может быть устройство, не расположенное на шлейфе. Подумайте, подключено ли какое-либо устройство в контуре через неизолированный RS-485 или через вход / выход питания к устройству, имеющему потенциал земли с более высоким напряжением.Как правило, лучше избегать многоточечного заземления устройств в токовой петле. Потенциалы заземления часто не равны из-за различных электрических шумов, сопротивления пути заземления и плохой начальной установки шины питания.

Контур заземления также может возникать в системе с одноточечным заземлением. Рассмотрим систему, в которой не используются изолированные провода витой пары, например, показанная на рисунке 2. Могут быть внесены любые электрические помехи, воспринимаемые заземляющим проводом, такие как паразитные магнитные поля или помехи от источника питания переменного тока 50/60 Гц. на токовый контур и приведет к непредсказуемому сигналу.Этот тип контура заземления чаще всего возникает из-за неправильного подключения и отсутствия экранированной витой пары.

На рисунке 3 показана правильно подключенная токовая петля, а на рисунке 4 – неправильно подключенная токовая петля. На рисунке 3 потенциал напряжения, подаваемый источником питания, вызывает прохождение тока к каждому из трех параллельных передатчиков. Этот ток используется для создания токового сигнала 4-20 мА, который отправляется на локальные дисплеи, которые показывают переменную процесса.

На рисунке 4 устройства были подключены бессистемно, потому что в последовательной электрической цепи порядок устройств обычно не имеет значения. Однако на общем общем устройстве с несколькими входами был создан узел, соединяющий текущие сигналы. Это приводит к смешиванию и усреднению токов технологического сигнала, в результате чего на всех дисплеях отображается одно и то же значение. На этих изображениях проблема такого типа кажется тривиальной.

исправить: просто удалите дополнительный переход из цепи. Однако, когда сложная сеть оборудования сталкивается с той же проблемой, решение не всегда бывает таким интуитивным.

Подобные проблемы чаще всего возникают из-за использования неизолированных устройств с несколькими входами, таких как недорогие ПЛК.Поскольку устройство имеет несколько физических токовых входов, установщик может предположить, что каждый вход изолирован. Однако, если эти входы соединены внутри, токовые сигналы сливаются, что приводит к усреднению тока перед продолжением через цепь. Эта проблема также может быть вызвана неправильной разводкой трехпроводных устройств или сложных многоконтурных сетей.

Из-за природы проблем с подключением сигналов и уникальных переменных, присутствующих на промышленных объектах, симптомы, вызванные этими проблемами, также будут уникальными.Тем не менее, есть некоторые общие признаки, на которые можно обратить внимание, если вы подозреваете, что испытываете одну из этих проблем с существующей сетью.

Непредсказуемые колебания сигнала – верный признак того, что что-то мешает работе вашего токового контура. Вероятно, это результат электрических помех или замыкания на землю.

Сигнал может также испытывать сложение или вычитание на некоторое значение от одной точки цикла к другой.Это сложение или вычитание может даже вывести сигнал за пределы диапазона устройств, предназначенных для измерения сигнала.

Проблемы с общими, неизолированными общими объектами обычно усредняют сигнал процесса, вызывая регистрацию одной и той же переменной значения на устройствах, которые должны получать разные переменные процесса.

Наиболее серьезным (и, к счастью, редким) признаком этих проблем является физическое повреждение устройств в сети.Если, например, разница напряжений между двумя заземлениями окажется значительной, это может привести к перегрузке чувствительной сигнальной электроники таких устройств, как сигнальные входы и выходы. Повреждение электроники более высокого уровня, такой как блоки питания и реле, чрезвычайно редки из-за их способности выдерживать очень высокие потенциалы напряжения.

Как упоминалось ранее, лучший способ отремонтировать контуры заземления – это вообще избегать их. Проблемы с многоточечным заземлением можно решить, используя только одноточечное заземление.Любые два места заземления будут иметь разные потенциалы напряжения, хотя серьезность этой разницы зависит от среды, в которой они расположены. По возможности используйте плавающие (незаземленные) устройства. Если возникает ситуация, когда несколько устройств в сети должны быть заземлены (по соображениям безопасности и т. Д.), Убедитесь, что заземление выполнено по всей системе, по возможности, по экранированному кабелю через кабелепровод.

Все провода в системе должны быть экранированной витой парой, в которой используются оба провода.По возможности и в рамках бюджета все сигналы должны быть изолированы с помощью устройств с изолированными входами и выходами. Наконец, всегда помните о неизолированных многоконтурных устройствах и проявляйте особую осторожность при планировании проводки. Следуя этим нескольким передовым методам установки всякий раз, когда вы устанавливаете оборудование для управления технологическим процессом, вы избавитесь от головной боли, пытаясь диагностировать и устранять эти проблемы в будущем.

Контуры заземления и неизолированные общие контуры могут доставлять неудобства как установщикам оборудования управления производственными процессами, так и обслуживающему персоналу, но их можно легко избежать с помощью надлежащих методов планирования и установки.Контуры заземления создают проблемы для систем, когда несколько устройств заземлены в разных местах, которые имеют разные потенциалы напряжения, или при неправильном подключении заземленных устройств возникает шум, создаваемый их заземлением. Неизолированные общие ресурсы общего пользования могут стать проблемой, когда текущие пути пересекаются и становятся непредсказуемыми. Эти две проблемы подключения сигналов могут привести к непредсказуемым, неправильным, выходящим за пределы диапазона или усредненным сигналам процесса и, в редких случаях, к повреждению устройств. Всего этого можно избежать, не используя магические заклинания, а следуя передовым стандартным методам установки, которые могут уменьшить или потенциально устранить текущее затруднение.

Если у вас есть идея для будущей темы, которая будет представлена ​​в «Текущем затруднительном положении», свяжитесь с Precision Digital по телефону [адрес электронной почты защищен]

Загрузите это приложение заметка в формате PDF.

Снижение шума и изоляция

ГЛАВА 10: Снижение шума и изоляция
Обратите внимание: в онлайн-отрывках цифры были опущены.

КОНТРОЛЬ ШУМА
Контроль шума в измерительных системах жизненно важен, потому что он может стать серьезной проблемой даже для лучших приборов и оборудования для сбора данных.Большинство лабораторий и промышленных предприятий содержат многочисленные источники электрического шума, в том числе линии электропередач переменного тока, тяжелое оборудование, радио- и телестанции, а также различное электронное оборудование. Радиостанции генерируют высокочастотный шум, а компьютеры и другое электронное оборудование генерируют шум во всех частотных диапазонах. Создание полностью бесшумной среды только для проведения тестов и измерений редко бывает практическим решением. К счастью, простые устройства и методы, такие как использование надлежащих методов заземления, экранированных и скрученных проводов, методов усреднения сигналов, фильтров и дифференциальных усилителей входного напряжения, могут контролировать шум в большинстве измерений.Некоторые методы предотвращают попадание шума в систему, в то время как другие удаляют посторонние шумы из сигнала.

КОНФЛИКТ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
В нетехническом словаре термин «земля» определяется как место, соприкасающееся с землей, общий возврат в электрической цепи и произвольная точка нулевого потенциала напряжения. Заземление или соединение некоторой части электрической цепи с землей обеспечивает безопасность персонала и обычно улучшает работу цепи. К сожалению, безопасная среда и надежная система заземления часто не возникают одновременно.Это требует планирования, основанного на систематическом понимании того, как электричество ведет себя в различных типах цепей. Например, высокая избыточность – одна из ключевых особенностей, которая делает большинство электрических распределительных систем во всем мире безопасными и правильно работающими.

Заземление в целях безопасности
Изолированные вторичные обмотки понижающих силовых распределительных трансформаторов обычно заземляются рядом с трансформатором и внутри первой коммутационной панели на проводном пути к возможной нагрузке (см. Рисунок 10.01). Земля – ​​это точка внутри панели, соединенная с ближайшим заземляющим стержнем. Как правило, к одной и той же точке подключается большая или значимая конструкция (каркас здания) или металлическая система (водопровод). Это сводит к минимуму разницу в напряжении, которая может возникнуть между водопроводной трубой и устройством, например, с трехжильным заземленным шнуром. Электрическая неисправность, такая как контакт незаземленного проводника с металлическим предметом, предназначена для размыкания предохранителя или размыкания прерывателя, а не для того, чтобы оставить электрически запитанный прибор под более высоким потенциалом, чем ближайшая водопроводная труба или кран для раковины.Если заземление на панели отключается по какой-либо причине, резервное заземление рядом с трансформатором обеспечит путь для токов короткого замыкания для размыкания предохранителей или размыкания выключателей. Предотвращение поражения электрическим током и электрических пожаров является наивысшим приоритетом для цепей заземления, но избыточность, встроенная во многие системы электрического заземления, иногда ограничивает определенные виды соединений для ввода в системы сбора данных.

Заземление для надежных приборов
Несколько внутренних общих шин в приборе управления данными скомпонованы так, чтобы регулировать токи и соединять все пути в одной общей точке.Такой подход гарантирует, что ток, протекающий по любому пути, не вызовет падение напряжения в обратном пути для другой цепи и не проявится как (ошибочный) входной сигнал (см. Рисунок 10.02). Обычно эта общая точка подключается через низкое сопротивление к заземлению на шнуре питания переменного тока прибора. Это соединение предотвращает плавание внутренней системы при потенциале переменного тока между землей и входным потенциалом переменного тока.

КОНТУРЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ
Измерительные приборы, которые содержат заземление, как описано выше, обычно создают контур заземления.Контур заземления может стать серьезной проблемой, даже если напряжение заземления в измеряемой точке равно напряжению заземления, поступающему в прибор через сетевой шнур. Напряжение, возникающее между двумя заземлениями, может быть переменным или постоянным напряжением любого значения и частоты, и по мере увеличения напряжения и частоты влияние контура заземления становится более проблематичным.

Опасные и разрушительные контуры заземления
Переходный ток может генерировать значительное напряжение на заземленных проводниках.Во время электрического повреждения, когда, например, находящийся под напряжением проводник контактирует с защитным заземлением, часть напряжения питания может оказаться на защитном заземлении, прежде чем предохранитель или автоматический выключатель, питающий повреждение, сработает и снимет напряжение. Это происходит за несколько миллисекунд и обычно не представляет угрозы для безопасности. Но проблема может быть гораздо более серьезной, если молния ударяет по конструкции защитного заземления и через систему заземления проходят тысячи ампер. Потенциальные различия даже на доли Ом могут легко превысить 1000 В переменного тока и повредить оборудование и поставить под угрозу жизнь.

Признаки контуров заземления
Иногда ошибку измерения ошибочно связывают с проблемой контура заземления, особенно если заземление не задействовано строго. Это явление относится к двум типам ситуаций; общий поток тока в цепи, который производит непреднамеренные напряжения, и непреднамеренные цепи, которые мешают правильной работе предполагаемых цепей.

Как создаются контуры заземления
Проблема контура заземления может быть проиллюстрирована на следующем примере.Встроенный датчик с внутренней обработкой сигнала содержит три провода; положительный провод источника питания, провод вывода сигнала и отрицательный провод, который служит как возврат мощности, так и общий сигнал (см. рисунок 10.03). Внутренняя схема датчика потребляет около 30 мА, а выходной сигнал находится в диапазоне от 0 до 5 В постоянного тока.

Датчик стимулируется, и цифровой вольтметр считывает правильное выходное значение 2,50 В постоянного тока на испытательном стенде. Но когда три провода удлинены на 500 футов с помощью провода 20 AWG (10.4 Вт / 1000 футов при 20 ° C) общий подводящий провод, по которому проходит ток источника питания 30 мА, падает примерно на 150 мВ. Это падение напряжения на сопротивлении выводов увеличивает выходное напряжение датчика и подает 2,65 В постоянного тока на цифровой вольтметр. Погрешность составляет около 6,6% и, что еще хуже, она сильно варьируется в зависимости от температуры провода. Конкретное приложение определяет, можно ли допустить ошибку.

Когда ток, потребляемый цепью датчика, не является значением установившегося состояния, то есть он состоит из уровня окружающей среды в сочетании с динамической составляющей, внесенная ошибка будет изменяться во времени.Это может быть относительно высокая частота, которая действует как шум в измеряемом выходе, или она может быть идеально синхронизирована с обнаруживаемым физическим явлением. Затем он влияет на величину изменяющегося во времени выходного сигнала. Оба типа ошибок часто возникают в системах сбора данных.

Как устранить контуры заземления
Надежный метод поиска неисправностей анализирует текущий ток и прогнозирует его результаты. Провода от предполагаемой точки измерения должны пропускать только ток, связанный с требованиями смещения аналогового входного канала (см. Рисунок 10.04). Эти токи обычно измеряются в микроамперах. При более низких уровнях напряжения их можно существенно изменить, если они будут вынуждены использовать вместе очень длинные провода, несущие только мА. Подробная электрическая схема и принципиальная электрическая схема могут дать представление и понимание, чтобы помочь предотвратить этот тип проблемы до того, как будут установлены сотни футов провода.

Часто несколько проводов, проложенных между двумя точками, не могут использоваться совместно. Когда общий провод используется совместно, ток в одном канале влияет на показания напряжения в другом канале.В предыдущем численном примере четвертый провод, подключенный к нижнему концу дифференциального измерительного канала, обеспечивает выходное напряжение, которое можно точно измерить с высокой степенью уверенности. Этот подход наиболее эффективен, когда система поддерживает три провода, и они используют общий источник питания. Дифференциальные входные соединения, используемые с общим аналоговым сигналом, который относится к обратной клемме источника питания, устраняют влияние контуров заземления, присущих этой схеме с несколькими датчиками.

ПЕРЕСЕЧЕНИЕ В СИСТЕМАХ СБОРА ДАННЫХ
Другой тип ошибки заземления – это перекрестные помехи между каналами. Это может быть определено как взаимодействие между показаниями двух или более каналов, которое может быть статическим или динамическим. Когда используется несколько каналов и существуют контуры заземления, упрощенные ошибки, описанные ранее, скорее всего, будут усугубляться вкладом от других каналов. Перекрестные помехи могут быть очевидными, а могут и не быть.

Статические перекрестные помехи
Рассмотрим группу статических каналов с постоянными напряжениями, которые при индивидуальном измерении дают точные показания.Однако, когда каждый канал подключен к входу системы сбора данных и показания изменяются, это изменение указывает на то, что перекрестные помехи генерируются установившимся контуром заземления. Аналогичным образом, когда показание канала изменяется при подключении другого канала, возникают перекрестные помехи, и проблема заключается в контуре заземления.

Динамические перекрестные помехи
Динамические перекрестные помехи – это название ситуации, когда известный динамический сигнал на конкретном канале появляется в физически не связанном канале.Установившиеся токи, потребляемые преобразователями, описанными в предыдущем примере, идеализированы для простоты. Эти токи обычно меняются в зависимости от измеряемых физических величин вместе с ошибками.

Последовательное считывание сигналов самых разных величин вызывает последовательные перекрестные помехи в системах сбора мультиплексированных данных. Емкостная или индуктивная связь между каналами создает перекрестные помехи в системах с неправильно или небрежно одетыми проводами. Однако, как правило, они не относятся к контурам заземления и встречаются реже.

ЭКРАНИРОВАННАЯ ПРОВОДКА
Преимущества
Металлические экраны, расположенные вокруг оборудования и измерительных проводов, эффективно предотвращают проникновение и выход шума из системы. Например, незакрепленные или оголенные провода становятся антеннами для приема радиочастотного сигнала и могут образовывать петли, излучающие шум.

Чтобы подчеркнуть необходимость контроля шума, на рисунке 10.05 показано несимметричное измерение напряжения на закороченном канале. К системе сбора данных было подключено около 6 футов провода, не скрученного и не экранированного.На рисунке 10.06 показан шум в несимметричном закороченном канале с использованием экранированного кабеля с очевидным улучшением.

Лучшие схемы подключения КИП состоят из тщательно сгруппированных линий, скрученных попарно, иногда покрытых вторым экраном и проложенных через специальный кабелепровод или кабельный канал. Экранированная витая пара довольно часто используется в канале для подключения сигнала от источника к входному разъему. Экраны минимизируют емкостную связь, а скрученные провода минимизируют индуктивную связь.

Близость к другим проводам, особенно к силовым проводам с высоким напряжением и током, может привести к возникновению шума в проводниках сигналов низкого уровня. Емкостная связь может существовать между любыми двумя металлическими частями в непосредственной близости, включая два проводника в полностью отдельных цепях. Точно так же трансформаторная муфта с воздушным сердечником может возникать между двумя замкнутыми контурами проводки в полностью отдельных цепях.

Правильная установка и использование экранов
Обычно экран заканчивается только на одном конце, если он не доходит до экрана в другом участке той же разводки каналов.Экран может заканчиваться либо на конце преобразователя, либо на конце входного канала, но не на обоих концах. Когда датчик или преобразователь находится в экранированном металлическом корпусе, который также подключен к заземлению, экран может быть подключен со стороны датчика и оставаться открытым на клеммах входного канала. Когда датчик хорошо изолирован, экран может плавать и подключаться к общей аналоговой клемме входных клемм системы сбора данных. Иногда многожильные кабели, состоящие из пучка проводов и общего экрана, подходят для группы сигналов высокого уровня, постоянного или низкочастотного сигнала, но не рекомендуются для общего случая сбора данных. Компрометация хорошо спланированной системы проводки с использованием некачественного провода, общих проводников или экранов и параллельных нескрученных проводов приведет к неоптимальным результатам.

ИЗОЛЯЦИЯ И ПЛАВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ СБОРА ДАННЫХ
Изоляция
Изоляция определяется как отделение одного сигнала от другого для предотвращения непреднамеренного взаимодействия между ними. Все системы сбора мультиплексированных данных содержат определенную степень межканальной изоляции; Релейные системы имеют гальваническую развязку, а твердотельные – нет.Гальваническая развязка – это отсутствие какого-либо пути постоянного тока. Большинство методов изоляции исключают все пути постоянного тока мощностью менее 100 МВт. Три основных преимущества гальванической развязки – это защита цепи, снижение шума и подавление высокого синфазного напряжения, особенно тех, которые создаются контурами заземления.

Компьютерное оборудование для сбора данных делает возможным выполнение множества многоканальных измерений, ранее недоступных для многих приложений с экономической точки зрения. Это было достигнуто за счет принятия пользователем двух основных компромиссов: мультиплексирования и неизолированных входов.Мультиплексирование является успешным, когда частота дискретизации достаточно высока, а полное сопротивление источника достаточно низкое. Отсутствие изоляции накладывает совершенно другие ограничения на типы входных сигналов, которые могут быть подключены.

Защита цепи
Изоляция отделяет источник сигнала от измерительной схемы, которая может быть повреждена сигналом. Напряжение выше 10 В может исказить данные или повредить компоненты, используемые в системе. Следовательно, входные сигналы высокого напряжения или сигналы, содержащие выбросы высокого напряжения, должны быть изолированы.Защита также работает в противоположном направлении, чтобы защитить чувствительный формирователь сигнала от сбоя устройства в другом месте системы.

Компьютерное оборудование для сбора данных чаще всего подключается к главному компьютеру, который заземлен. Аналоговые входы сменных карт и наиболее экономичных внешних систем не изолированы электрически от земли или друг от друга. Многие приложения совместимы с этой ситуацией, но некоторые приложения сталкиваются с проблемой высокого синфазного напряжения.

Отклонение высокого синфазного напряжения
Синфазное входное напряжение определяется как напряжение, приложенное между общей клеммой и двумя входными клеммами при условии, что два входных напряжения идентичны. Другими словами, две входные клеммы могут быть соединены вместе и синфазное напряжение приложено между закороченными входами и общей клеммой, как показано на рисунке 10.07. При практических испытаниях и измерениях синфазное напряжение может превышать номинальное значение на входе инструментального усилителя, которое обычно составляет менее 10 В.Для безопасных и точных измерений синфазные напряжения выше 10 В должны быть изолированы от инструментального усилителя, позволяя измеренному сигналу проходить. В обычных типах развязывающих усилителей для передачи сигнала используются магнитные, оптические или емкостные средства.

Магнитная изоляция
В специальных инструментальных усилителях используются трансформаторы, которые с помощью магнитного поля соединяют аналоговые сигналы переменного тока от входной части к выходной части, эффективно поддерживая высокие синфазные напряжения.Трансформаторная связь также позволяет им подавать изолированное питание на входной каскад без использования отдельного преобразователя постоянного / постоянного тока. Конкретный инструментальный усилитель содержит входной операционный усилитель с CMRR около 130 дБ при коэффициенте усиления 100 и изоляцией синфазного напряжения 2000 В. Подобные инструментальные усилители доступны для питания изолированных мостов, компенсации холодного спая, линеаризации и других специальных требований к формированию сигналов (см. Рисунок 10.08).

Оптическая изоляция
Оптическая изоляция в настоящее время является наиболее часто используемым методом для связи цифровых сигналов. Измеренный сигнал входного напряжения преобразуется в ток, который активирует светоизлучающий диод в оптическом соединителе. Светочувствительный транзистор, расположенный рядом с диодом, но на противоположной стороне барьера напряжения, преобразует световой сигнал обратно в ток, с которым может справиться инструментальный усилитель. Барьер напряжения обычно обеспечивает изоляцию на несколько тысяч вольт между входом и выходом.

Оптические устройства также обычно используются для изоляции выхода АЦП, который обычно представляет собой последовательную цепочку импульсов данных, проходящих через один оптический соединитель (см. Рисунок 10.09). Последовательная строка часто преобразуется из нескольких параллельных сигналов (например, от 8 до 24 выходных портов), чтобы минимизировать количество оптических устройств, необходимых в системе. Цепи преобразования из параллельного в последовательный менее дороги, чем от 8 до 24 оптических устройств (по одному на каждый бит вывода параллельного АЦП). В этих случаях источник питания для АЦП и связанных входных цепей также изолирован, обычно с помощью трансформатора.

Емкостная изоляция
Конденсатор – это пассивное устройство, которое передает переменное напряжение с одного каскада на другой, блокируя при этом компонент постоянного тока.По этому определению это простой, но недорогой изолятор. Измеряемый сигнал, который необходимо изолировать, модулируется и передается через конденсатор на приемную сторону. На приемной стороне сигнал переменного тока демодулируется для восстановления исходного сигнала. Этот метод часто применяется к недорогим изолирующим усилителям, в которых разделительный конденсатор состоит из общего слоя между двумя изолированными секциями подложки ИС. Изоляция сигнала с использованием этих специализированных ИС рассчитана на напряжение 1500 В. Основными преимуществами этого подхода являются простота, низкая стоимость и полоса пропускания до 50 кГц.На рисунке 10.10 показан преобразователь постоянного / постоянного тока, часто используемый в качестве модулятора / демодулятора в развязывающем усилителе.

На рисунке 10.11 показан типичный многоканальный программируемый развязывающий усилитель в системе сбора данных, в которой используются все три типа изоляции: трансформаторы, оптические устройства и конденсаторы. Трансформаторный преобразователь постоянного / постоянного тока подает питание на изолированную сторону. Устройство с емкостной связью изолирует аналоговый сигнал, в то время как два оптических соединителя передают цифровые управляющие сигналы на плавающую схему.

Основные ошибки приложения
Опасности при измерениях могут легко возникнуть, если неизолированный аналоговый вход системы сбора данных ошибочно подключен к устройству, работающему при высоком синфазном напряжении по отношению к заземлению. Ошибка, которая часто предшествует этой проблеме, заключается в определении диапазона напряжения полезного сигнала с помощью портативного цифрового или аналогового мультиметра и пренебрежении отношением сигнала к заземлению.Если он соединен пунктирными линиями, как показано на рисунке 10. 12, моторный привод может быть поврежден сразу после подачи питания. Это связано с тем, что схема управления во многих приводах двигателей переменного и постоянного тока обязательно рассчитана на высокое напряжение по отношению к заземлению. Когда ток двигателя измеряется с помощью шунта или резистора с низким сопротивлением, общая шина управления обычно имеет высокий синфазный потенциал по отношению к земле.

В некоторых приводах используются бесконтактные датчики тока, трансформаторы и оптические соединители для гальванической развязки цепей управления.Однако, если специально не известно, что привод имеет изолированный аналоговый интерфейс, предполагайте, что это не так.

Изолирующие трансформаторы
Не все устройства с питанием от сети переменного тока содержат внутренние изолирующие трансформаторы, которые понижают напряжение до более низких рабочих уровней, необходимых для электронных схем, и одновременно защищают пользователей от внешних замыканий на землю. Общая шина источника питания в бестрансформаторных устройствах часто подключается к одной стороне сетевого шнура переменного тока. Если система не защищена от переворота разъема сетевого шнура в розетке, общая линия устройства (и, следовательно, корпус) может быть повышена до уровня напряжения, который выше, чем общий вывод других устройств поблизости или других подключенных инструментов. к системе сбора данных.Замыкание на землю, возникающее в результате такого расположения, приводит к замыканию линии питания и может представлять опасность для операторов и разрушать оборудование.

Изолирующий трансформатор позволяет пользователю безопасно подключить входной канал системы сбора данных, заземленный через главный компьютер, к низковольтному сигналу в устройстве с переменным током. Предпочтительный изолирующий трансформатор для такого использования имеет заземленный электростатический экран между первичной и вторичной обмотками для минимизации емкостной связи и потенциалов относительно земли. Этот подход работает только тогда, когда нейтраль переменного тока в электрической системе заземлена. Изолирующие трансформаторы не могут прервать путь для защитного заземления, проходящего через заземляющий контакт стандартного 3-проводного шнура.

Портативный компьютер, работающий от внутренней батареи и не подключенный к другим периферийным устройствам, заземленным (например, к принтерам), может быть плавающим хостом, надежно подключенным к системе сбора данных. Но лучший общий подход – изолировать источник входного сигнала.

Изолирующий трансформатор обычно не обеспечивает всю изоляцию, предназначенную для системы сбора данных, потому что общий цифровой выход в большинстве компьютеров обеспечивает путь с низким импедансом к заземлению как часть схемы защиты от электростатического разряда (ESD). Но некоторые устройства сбора данных, которые связываются с главным компьютером через последовательные каналы передачи данных, такие как RS232 и RS485, используют изоляторы связи, специально разработанные для этого протокола. Для сравнения, большинство интерфейсов Ethernet изолированы трансформатором и имеют сети защиты от электростатических разрядов с обеих сторон изоляционного барьера, привязанного к шасси, плюс заземление через главный компьютер.

Аналоговые изоляторы
Идеальным решением для измерения высоких синфазных сигналов является аналоговый изолятор. Изолятор надежно измеряет аналоговые входные сигналы низкого уровня, содержащие до 1500 В синфазного сигнала, через магнитные, оптические или емкостные устройства. Усилители обеспечивают изоляцию как между каналами, так и между каналами. Напротив, большинство твердотельных мультиплексоров не имеют межканальной развязки за пределами стандартного диапазона сигнала ± 10 В.

Наиболее распространенные аналоговые изоляторы представляют собой съемные модули.Эти 3-портовые устройства требуют источника питания постоянного тока и обеспечивают рабочее напряжение для схем преобразования сигнала и модуляции на входной стороне. Они также обеспечивают напряжение для схем демодуляции и восстановления сигнала на выходной стороне. Большинство устройств также обеспечивают встроенную фильтрацию нижних частот и масштабирование до выходных уровней от 0 до 5 В. Широкий спектр доступных опций в этих модулях может упростить выполнение многих сложных требований к измерениям и по-прежнему предоставлять данные для всей выбранной системы сбора данных, поскольку все производители сбора данных имеют продукты, которые поддерживают эти модули.

Изолирующие модули относительно дороги и вряд ли будут использоваться в недорогих системах сбора данных. Недорогие системы обычно не содержат аналоговых изоляторов, но для многих приложений требуются изоляторы, по крайней мере, в нескольких каналах. С точки зрения системы, лучшее место для адресации канала высокого синфазного сигнала – это источник для безопасности и целостности сигнала.

Беспроводные методы
Не все системы сбора данных могут подключаться к датчикам на испытуемом образце с помощью проводов. Им требуется форма радиосвязи, называемая телеметрией. Радиопередатчики и датчики расположены на тестируемом устройстве, а приемники – в системе сбора данных. Например, вращающийся элемент большого двигателя или генератора можно контролировать удаленно и безопасно. Система может контролировать температуру, вибрацию, отклонение и скорость в об / мин без использования контактных колец, которые использовались в прошлом.

Относительно новый протокол, называемый Bluetooth, все чаще используется для дистанционного измерения и управления.Это беспроводная система ближнего действия, которая позволяет устройствам распознавать, подключаться и передавать данные между собой. Устройства оснащены специальными микросхемами Bluetooth и обеспечивают передачу на небольшом расстоянии, обычно до 10 м. Они могут передавать данные со скоростью 720 кбит / с в диапазоне частот от 2,40 до 2,48 ГГц. Другая система – это беспроводная система на базе 802.11 Ethernet. Он часто обеспечивает физическую и электрическую изоляцию в заводских цехах, а также для высоковольтных линий электропередач и тестовых площадок для сноса. Он работает в том же частотном диапазоне, что и Bluetooth, и может обрабатывать более высокие скорости передачи данных от 1 до 11 Мбит / с.

СНИЖЕНИЕ ШУМА
Усреднение сигнала
Некоторые методы подавления шума предотвращают проникновение шума в систему изначально, а другие удаляют посторонние шумы из сигнала. Другой метод усредняет несколько образцов сигнала с помощью программного обеспечения. В зависимости от природы шума и конкретного метода усреднения, шум можно уменьшить на квадратный корень из числа усредненных отсчетов (RMS). Но для получения приемлемого измерения может потребоваться большое количество образцов.На рисунке 10.13 показано напряжение на закороченном канале при усреднении только 16 выборок данных.

Хотя усреднение является эффективным методом, у него есть несколько недостатков. Шум, присутствующий в последовательности измерений, уменьшается как квадратный корень из числа измерений. Следовательно, в приведенном выше примере для уменьшения среднеквадратичного шума до одного счета путем усреднения потребуется 3500 выборок. Таким образом, усреднение подходит только для низкоскоростных приложений и устраняет только случайный шум.Это не обязательно устраняет многие другие типы раздражающего системного шума, такие как периодический шум от импульсных источников питания.

Аналоговая фильтрация
Фильтр – это элемент аналоговой схемы, который выборочно ослабляет конкретную полосу частот входящего сигнала. Цепи фильтров могут быть пассивными или активными. В зависимости от того, является ли фильтр низкочастотным или высокочастотным, он определяет частоты, которые ослабляются выше или ниже частоты среза. Например, когда частота сигнала увеличивается за пределами точки отсечки однополюсного фильтра нижних частот, его затухание увеличивается медленно.Затухание многополюсного фильтра также медленно увеличивается. Многополюсные фильтры обеспечивают большее затухание за пределами частоты среза, но они могут вносить фазовые сдвиги, которые могут повлиять на некоторые приложения. Частота, при которой сигнал падает на 3 дБ, определяется уравнением, показанным на рисунке 10. 14.

Пассивные фильтры по сравнению с активными
Пассивный фильтр – это схема или устройство, полностью состоящее из неусилительных компонентов, обычно катушек индуктивности и конденсаторов, которые пропускают одну полосу частот, подавляя другие.Активный фильтр, с другой стороны, представляет собой схему или устройство, состоящее из усилительных компонентов, таких как операционные усилители, и подходящих элементов настройки, обычно резисторов и конденсаторов, которые пропускают одну полосу частот, отклоняя другие. На рисунке 10.15 сравнивается амплитуда однополюсного фильтра нижних частот с трехполюсным фильтром. Оба типа настроены на частоту среза 1 кГц. Трехполюсный фильтр имеет гораздо большее затухание для частот, превышающих порог среза. Улучшение качества сигнала, обеспечиваемое фильтрацией нижних частот, показано на рисунке 10.16, на котором сигнал, содержащий широкополосный шум, проходит через трехполюсный фильтр с частотой среза 1 кГц. Отклонение от среднего сигнала отображается в вольтах. Максимальное отклонение составляет 6 единиц, а среднеквадратичное значение шума – 2,1 единиц.

Трехполюсный фильтр, показанный в примере, имеет активный вход с изменяемыми конфигурациями. Активный трехполюсный фильтр может быть фильтром Баттерворта, Бесселя или Чебышева с частотами излома до 50 Гц. Свойства фильтра зависят от номиналов резисторов и конденсаторов, которые пользователь может изменить.В фильтрах также используются переключаемые конденсаторы. Этот тип требует тактового сигнала для установки частоты среза. Основное преимущество этого фильтра – простота программирования частоты среза.

Измерение дифференциального напряжения
Дифференциальные входные усилители чаще всего используются в системах сбора данных, поскольку они обеспечивают высокий коэффициент усиления алгебраической разницы между двумя входными сигналами или напряжениями, но низкий коэффициент усиления для напряжений, общих для обоих входов. Измерение дифференциального напряжения – еще один способ снижения шума в аналоговых входных сигналах. Этот метод эффективен, потому что часто большая часть шума на входном проводе высокого напряжения близко приближается к шуму на проводе низкого уровня. Это называется синфазным шумом. Измерение разницы напряжений между двумя выводами устраняет этот синфазный шум.

Улучшение, полученное при измерении дифференциального напряжения, показано на рисунке 10.17. Он показывает тот же сигнал, что и на рис. 10.05, но с использованием дифференциального входа, а не несимметричного входа.

Загрузите бесплатную копию в формате PDF.