Часто для уменьшения влияния помех используют заземление и экранирование измерительных приборов. Под заземлением [Л. 30] как методом электрической защиты, измерительной схемы понимается электрическое соединение некоторых ее точек с объектами, окружающими схему и* имеющими определенный потенциал (в частном случае — потенциал земли).
При заземлении какой-либо точки измерительной схемы потенциал этой точки становится равным потенциалу точки заземления, а емкость, приведенная к точке заземления, уменьшается до «нуля. Кроме того, за счет заземления можно уменьшить влияние токов утечек через емкости связи Заземление улучшает работу измерительной схемы только при правильно выбранной точке заземления и может оказаться бесполезным или даже вредным при неправильно
Выбранной точке заземления. Чтобы выбранная точка заземления обеспечила существенное уменьшение влияния помех на измерительный прибор, необходимо, чтобы потенциал входных цепей прибора относительно земли был минимальным [Л. 30]; паразитные токи, обусловленные посторонними напряжениями, не (протекали по элементам, наиболее чувствительным к действию помех; емкости на землю не шунтировали элементов с высоким сопротивлением.
Найти точку заземления, удовлетворяющую всем условиям, в схемах измерения температуры, использующих термопары в качестве первичного датчика, практически невозможно. При измерении температуры на электропроводящих объектах образуются схемы с несколькими точками заземления.
Воздействие высоких температур на элементы измерительной цепи вызывает ухудшение электрического сопротивления изоляции и может привести к заземлению термоэлектродов в нескольких точках. Поскольку токи утечки имеют различное значение *fio длине термопары, то с появлением новых точек заземления или изменением сопротивления изоляции условия заземления меняются и эффективность заземления существенно падает.
Одним из методов повышения эффективности заземления является соединение металлического объекта, на котором установлена термопара, медной незаземленной шиной с измерительным прибором рис. 6 [Л. 2]. На объект У, который помещается в электри-и сопротивления 2 с нагревателем 5, устанавливаются Jti. Заземляющая шина 4 с шагом скрутки, равным шагу юпар, охватывает соединительные провода и присоеди-[бору 5 в точке В. Точка заземления прибора В явля->й схеме единственной точкой, соединенной с землей. .. , [агрева при ухудшении сопротивления изоляции могут
В^Й^ЙЙуть/Цругие точки заземления, например Ль В этом случае при праВиЛьйо выбранной точке Соединения А сопротивление цепи А—В будет много меньше сопротивления цепи А\—электрод термопары — входное сопротивление прибора и основная часть паразитного тока, обусловленного наличием разности потенциалов, будет протекать по сопротивлению цени Ах—А—В.
Следует отметить, что в качестве точки В в этом случае выбирают точку, имеющую минимальный потенциал относительно измерительного прибора 5.
Если объект, на котором установлены термопары, имеет большие размеры, то для различных частей объекта сопротивления утечек будут иметь разные величины (см. RyU RY2t..., Ryn на рис. 6) и заземление в одной точке - не приведет к существенному уменьшению уровня помех, действующих на входе измерительного прибора.
Таким образом, тщательно выполненное заземление, не имеющее точек разрыва, улучшает работу схемы лри соблюдении определенных условий, а при нарушении хотя бы одного из них может оказаться "беополезным, а в «некоторых случаях и вредным. Поэтому при использовании электронной аппаратуры, в которой в качестве первичного датчика применяются термопары, выбор точки заземления следует производить с большой осторожностью.
(Под экранированием в общем смысле подразумевают защиту от действия электрических и магнитных полей, осуществляемую при помощи экранов в виде перегородок и кожухов, которыми окружают соответствующие части измерительной схемы или влияющего объекта [J1. 30] При экранировании решают одну из задач: изолируют источник мешающего электромагнитного поля от окружающего пространства «ли изолируют элементы схемы от электромагнитного поля, имеющегося в производственном помещении. На практике используются два вида экранирования: электростатическое и магнитное, которое в свою очередь делится на ферромагнитное (маг-нито-статическое) и электромагнитное Датчики оптические : Оптический датчик ВБО-М18-76К-7123-С . На низких частотах в основном используют магнитные экраны, действие которых, как известно, основано или на использовании больших значений магнитной проницаемости материала экрана (ферромагнитное экранирование), или на размагничивающем действии вихревых токов, наводимых в материале экрана (электромагнитное экранирование).
Эффективность ферромагнитного экранирования, используемого для защиты от действия магнитных. полей низкой частоты, зависит от 'магнитной проницаемости материала экрана. Поэтому в качестве материала экрана выбирают материалы с высокой проницаемостью (магнито-мягкое железо, пермаллой, мкьпермаллой и т. д.).
.На рис. 7 приведены данные, показывающие эффективность экранирования на низких частотах. (Из них видно, что на частоте 50 гц неэффективно применение медных экранов и экранов, изготовленных из кремнистой стали. В [Л. 30] показано, что на низких ча-
Стотах более эффективно применение трехслойных экранов, например медь — сталь — медь. На рис. 8 показана зависимость эффективности экранирования трехслойным экраном на разных частотах от толщины стального слоя. Из кривых 1рис. 8 видно, что максимальная эффективность экрана на частоте 50 гц достигает примерно 15 дб* Такая эффективность возникает при условии, что толщина стального слоя составляет 0,6 от общей толщины экрана. С увеличением частоты повышается эффективность применения как многослойных, так и однослойных экранов.
При экранировании термоэлектрических цепей следует учитывать [Л. 30], что эффективность электростатического экранирования определяется качеством электрического контакта экрана с заземляющей шиной. Изменение частоты внешних электромагнитных полей - практически не оказывает влияния на эффективность электростатического экранирования. Величина удельной проводимости ма
Териала экрана. мало влияет на эффективность электростатического экранирования. Эффективность электромагнитного экранирования не зависит от качества электрического соединения экрана и шины заземления, так как это 'не изменяет величины наведенных в экране токов. Она целиком зависит от частоты изменения внешнего электромагнитного поля С увеличением частоты толщина экрана может быть уменьшена.
Применение экранов, имеющих длинные щели, уменьшает эффективность электромагнитного экранирования.
Изготовление экранов, удовлетворяющих всем требованиям в области низких частот, является весьма сложной задачей.
Ниже. рассматриваются некоторые практические случаи повышения эффективности экранирования.
На рис. 9 показаны три схемы экранирования термопары. Ферромагнитный экран 1 (рис. а) не имеет электрического контакта с термопарой Тп, присоединенной к входу измерительного прибора
2. За счет паразитных емкостей Ci и Сг на входе прибора действует напряжение помехи ?/п, обусловленное разностью потенциалов точек заземления А и В. Величина напряжения Un может быть найдена без учета влияния косвенных и паразитных связей из выражения
Где Ci и Сг — паразитные емкости;
U а в — напряжения, обусловленные разностями потенциалов точек заземления;
ZBx — входное сопротивление измерительного прибора.
Для уменьшения уровня напряжения помех «а рис 9,6 показана схема, в которую введен промежуточный экран 5, по длине равный глубине погружения термопары. За счет промежуточного экрана величина паразитных емкостей может быть существенно снижена. Кроме того, при заземлении электрода термопары на экран 3 можно отвести часть токов утечек на землю в точке А.
На схеме рис. 9,в для уменьшения влияния внешних магнитных полей соединительные линии термопары заключены в экран 4. Входные цепи прибора также заэкранированы. Экран 4 электрически соединен с промежуточным экраном 3 и экраном 5 входных цепей прибора. Такой способ экранирования позволяет отвести паразитные токи по 'сопротивлению экрана на землю в точке В'. Особенностью схемы является также то, что входные цепи прибора располагаются в «плавающем» (незаземленном внутри прибора) экране. Точка заземления общего экрана В' в зависимости от производственных условий может быть выбрана в любом месте схемы или устройства.
Схема рис. 9,в является наилучшей с точки зрения защиты экранированием от помех, однако практическая реализация, особенно при большой длине соединительных линий термопары, встречает ряд трудностей: заземление экрана в одной точке В', обеспечение «плавающего» выхода термопары, «плавающего» входа поибора и т. д.
Экранирование термопар и соединительных линий является эффективным в том случае, если экран заземлен в одной точке, в противном случае ввиду разности потенциалов точек заземления вместо уменьшения может произойти увеличение уровня помех на входе измерительного прибора.
Выбор точки заземления для экранированных термопар имеет большое значение. - Из анализа работы схемы рис. 10 видно, что при установке термопары на электропроводящий объект наиболее рационально экран термопары соединить с объектом. В этом случае точка В' схемы соединяется с точкой заземления прибора В и точкой А (см. схему рис. 10). Следовательно, все экраны находятся под общим потенциалом (/, и при правильном выборе точки заземления можно добиться уравновешивания схемы относительно naipa-зитных емкостей и значительно снизить влияние помех.
При установке экранированной термопары на неэлектропрово-дящем объекте лучше всего экран заземлять в точке заземления прибора. В - некоторых случаях на экран подается постороннее напряжение, близкое по величине напряжению помех, этим удается
Дополнительно снизить уровень помех на входе измерительного прибора.
При выборе вида экранирования следует учитывать, что сплошной экран более эффективен, чем оплетка, поскольку оплетка не защищает от действия магнитных полей, а лишь уменьшает емкостную связь.
Примером экранирования оплеткой при измерении температуры неэлектропроводящей среды может служить защита термопар от воздействия внешнего электромагнитного поля [Л. 35]. Измерение температуры среды в условиях переменного электромагнитного поля частотой 300—600 кгц вызывает неизбежный индукционный нагрев спая термопары. При этом необходимо не только уменьшить влияние внешнего поля, но и сохранить малую постоянную времени термопары. Установка спая термопары в зоне с наименьшей напряженностью поля не всегда возможна. Сплошное экранирование термопары приводит к увеличению ее инерционности. На рис. 11 показан один из способов экранирования спая термопары. Экран 1 представляет собой бескаркасную миоговитковую катушку из тонкой проволоки, например, с диаметром витка 10 мм и числом витков 10, в середине которой помещается спай термопары 2. Термоэлектроды 3 защищены металлической оплеткой 4, которая соединена с «землей» измерительного прибора.
Положительные (результаты этого способа можно показать на результатах экспериментов по нагреву термопары в воде, движущейся со скоростью 0,05 м/сек. Температура воды 12° С.
Спай термопары помещен в точку с максимальной напряженностью электромагнитного поля. В левой части рис. 12 приведена диаграмма Изменения температуры, которая показывает процесс нагрева неэкранированного спая термопары от электромагнитного поля. В момент включения установки высокой частоты (точка А) начинается «агрев спая термопары. В момент выключения (точка В) идет процесс охлаждения.
Из правой половины _рисун-ка видно, что в случае защиты термопары экраном, выполненным по схеме рис. 11, нагрев спая отсутствует (точка А).
При правильном выборе материала и изготовлении экрана можно снизить влияние наведенных помех на 10 дб.
К недостаткам экранирования измерительных цепей следует отнести громоздкость экранов и их относительно малую эффективность, поэтому в ряде случаев применяют другие средства защиты измерительных цепей от помех.