1.8.4. Способы уменьшение влияния шумов и помех

Шумы и помехи в измерительных системах являются препятствием для получения полезной информации о состоянии объекта. Поэтому первой задачей при организации измерений должно быть их устранение или сведение к некото­рому приемлемому минимуму. Иными словами - задачей любых средств изме­рений является максимально возможное повышение отношения величины сиг­нала по отношению к уровню шума. Эта задача решатся как аппаратными, так и методическими способами.

• Отношение сигнал/шум – параметр, характеризующий превышение по­лезного сигнала на выходе измерительной системе по отношению к величине уровня шумов и помех

Аппаратные способы

Аппаратные способы уменьшения влияния помех прежде всего предпола­гают:

• Защиту от воздействия внешней среды - использование защищенных конст­рукций измерительной аппаратуры (исполнение класса IP60 и выше), устройств термостатирования, виброизоляции, шумоподавления и т.п.

• Грамотное использование и размещение измерительных средств - измери­тельные средства должны, по возможности, располагаться в отдалении от силовых электроустановок, коммутационной аппаратуры и линий электро­передачи. Электронные устройства измерительной аппаратуры необходимо размещать в глухих металлических шкафах или щитах, желательно исполь­зовать помехозащищенные средства связи, гальваническую развязку изме­рительных цепей и источников электропитания, применять дистанционные методы контроля и измерений. Соединительные провода и кабели, исполь­зуемые в измерительных системах, должны быть защищены от вибраций, сотрясений, перегибов.

• Экранирование и заземление измерительной аппаратуры является одним из самых главных и эффективных способов борьбы с электромагнитными помехами. Грамотное устройство заземления и экранирования позволяет многократно снизить или даже полностью подавить уровень регулярных и импульсных электромагнитных помех.

Устройство правильной схемы экранирования и заземления является од­ной из первоочередных задачей при проектировании, монтаже и наладке изме­рительной аппаратуры. Часто ее решение позволяет снизить уровень помех до вполне приемлемого. Но если выбранная схема заземления неудовлетвори­тельна, то и другие способы борьбы с помехами могут оказаться совершенно неэффективными.

При выборе наилучшей схемы заземления и экранирования измеритель­ной аппаратуры необходимо учитывать следующие соображения:

• Заземление измерительных схем желательно выполнять в месте наимень­шего уровня сигнала

• Заземление устройств с высоким и низким уровнем сигнала необходимо вы­полнять раздельно.

• Нельзя объединять системы защитного заземления электрооборудования и за­земление измерительных средств. Максимум что можно допустить – на­личие одной общей заземляющей точки.

• В цифровых и микропроцессорных измерительных приборах аналоговые и цифровые цепи должны быть разнесены по возможности на большее рас­стояние и иметь только единственную общую точку заземления.

• В заземляющих устройствах нужно использовать провода большого сече­ния

• Нельзя допускать протекания токов по экранирующим проводам и элемен­там заземления

• Нельзя допускать образования замкнутых контуров (петель) заземления.

Надо сказать, что поиск наилучшей схемы заземления и экранирования за­дача достаточно трудная и требует опыта, понимания работы оборудования и во многом является искусством, а не наукой. В каждом конкретном случае опти­мальный вариант обычно ищется экспериментально, путем перебора самых раз­личных вариантов, но с учетом перечисленных выше принципов..

Рассмотрим несколько типичных случаев устройства заземления измери­тельных устройств.

1.Внутрисхемное заземление. Пусть мы имеем измерительный преобразо­ватель (рис.1.40), который включает блок питания, входной маломощный согла­сующий усилитель и выходной усилитель мощности сигнала. нагрузкой ко­торого служит, например, самопишущий прибор. На вход измерительного преобразователя поступает сигнал с датчика, нагрузкой преобразователя служит, например, самопишущий прибор.

2.Межприборное заземление. Единственная точка заземления может быть реализована внутри одного прибора. Но если сигнал передается с одного при­бора на другой, тем более на сколько-нибудь значительное расстояние (из одной комнаты в другую), то создание общей точки становится практически невозможным. Вместе с тем между концами линии (ка­беля) связи может возникать весьма существенная разность потенциалов более 100 мВ (Рис.1.39). Эта разность потенциалов состоит из напряжения, наведенного из сети, высоких гармоник частоты сети, разных всплесков, радиочастотных сигналов и прочего мусора. Если информационный сигнал достаточно велик или представляет собой кодированную последовательность импульсов доста­точно большой амплитуды, то этой разностью потенциалов можно и пренеб­речь. Однако, если сигнал небольшой, то необходимо принять меры для ее уст­ранения.

Единых рекомендаций в этом случае не существует, можно лишь отме­тить некоторые стандартные приемы.

Если мы имеем дело с источником слабого сигнала, для передачи кото­рого нужен экранированный кабель, то при заземлении экрана на обоих его кон­цах на входе измерительного прибора появится разность напряжений заземле­ния. Поэтому лучше заземлять только приборный разъем, а сам источник сиг­нала оставить в «плавающем» положении (Рис. 1.41 )

Одним из стандартных способов уменьшения влияния помех является использование дифференциальных схем подключения измерительного прибора ( Рис.1.42а), в которых возможно существенное, или даже полное, подавление сиг­нала синфазной помехи,. выделяющийся на экране. При этом используют разъ­емы, электрически изолированные от корпуса прибора, а в цепь заземления эк­рана включают малое сопротивление и конденсатор.

Эффективным дополнением дифференциальной схемы является исполь­зование экранированной витой пары, один из проводов которой соединен с эк­раном на обоих его концах (Рис.1.42б). В \том случае сигнал по экрану не идет, а ток синфазной помехи накоротко замыкается.

В некоторых случаях, как, например, при использовании емкостных дат­чиков в очень высоким внутренним сопротивлением, используют линию связи с внешним дополнительным экраном, который защищает экранирующий (Рис. 1.43 )

М етодические способы подавления шумов и помех осуществляются ап­паратными (в аналоговых и цифровых приборах) и программными средствами (в микропроцессорных приборах). Наиболее эффективным является сочетание средств аналоговой и цифровой обработки

Рис. 1.44 Синусоидальный сигнал датчика на входе измерительного прибора и после обработки.

Основными методическими способами снижения уровня помех яв­ляются:

Дифференциальные измерительные схемы с опорным или эквивалентным источником вспомогательного сигнала позволяют ослабить величину синфаз­ной помехи на 40-80 дБ. Некоторые примеры применения дифференциальных схем мы рассмотрели выше.

Метод синхронизации измерений с регулярной помехой используется как самостоятельный, так и как дополнение к дифференциальным методам. Суть его состоит в том, что измерения какой-либо медленно меняющейся (частота сигнала много меньше частоты помехи) или периодической величины (если ее частота много больше частоты помехи) производятся периодически, причем пе­риод измерений равен периоду регулярной помехи, а момент начала измерений строго синхронизирован с определенной фазой сигнала помехи. Смысл этого метода заключается в том, что вклад сигнала помехи при всех измерениях будет одинаков и его легко можно учесть, используя, например, дифференциальные схемы.

Сглаживание и усреднение сигнала на основе различных алгоритмов, в том числе регрессионных, позволяет существенно снизить влияние шумов за счет использования случайной природы шумовых сигналов.

Частотная фильтрация эффективное средство подавления высокочастот­ных или низкочастотных ( по отношению к частоте полезного сигнала) помех.. Регулярные и импульсные помехи в промышленных условиях как правило имеют достаточно ограниченный, постоянный и хорошо воспроизводимый спектр частот. Если этот спектр известен, то соответствующий фильтр может резко снизить уровень помехи на входе измерительного прибора. Одновре­менно частотный фильтр снижает мощность шума. Эффективным дополнением к методам частотной фильтрации является использование модуляции полезного сигнала с частотой, существенно отличающейся от возможных частоты помехи и ее гармоник.

Корреляционные и статистические методы позволяют выделять полезный сигнал на фоне шумов, интенсивность которых превосходит его на несколько порядков.

О дним из самых распространенных методов корреляционной обработки сигнала и выделения слабого сигнала на фоне шума является метод синхронного детектирования. Суть этого метода сводится к следующему (рис.1.45, 1.46)

Пусть имеется медленно изменяющийся во времени и очень слабый сиг­нал U(t), который несет информацию о состоянии объекта (информационный сигнал). Введем в измерительную систему дополнительный сигнал – опорный сигнал V, величина которого поддерживается строго постоянной, V=const . Вве­дем также устройство – модулятор, с помощью которого информационный и опорный сигналы модулируются со строго одинаковой частотой и фазой Для простоты будем полагать, что модуляция синусоидальная. Тогда на выходе мо­дулятора опорный и информационный сигналы будут равны:

где U_вх , V_вх - соответственно информационный и опорный сигналы на входе усилителя;

U_m, V_m – полный размах колебаний модулированных информационного и опорного сигналов;  - угловая частота модуляции.

Модулированные опорный и информационный сигналы поступают входы соответствующих усили­телей и далее на вход умножающего устройства. На выходе этого устройства получаем сигнал, пропор­циональный произведению опорного и информаци­онного сигнала:

Далее сигнал поступает на вход фильтра высоких частот, полоса пропус­кания которого выбирается много меньше удвоенной частоты модуляции. Этот фильтр отсекает переменную составляющую сигнала с частотой равной 2 и выходной сигнала синхронного детектора представляет постоянный (медленно меняющийся) сигнал, величина которого равна:

где K – масштабирующий коэффициент.

Из формулы следует, что на выходе синхронного детектора мы имеем увеличение амплитуды информационного сигнала, пропорциональное ампли­туде опорного.

При измерении слабых сигналов с целью повышения отношения сиг­нал/шум в электронных схемах часто применяют синхронный детектор с элек­тронной коммутацией (рис. 1.47), в котором модуляция сигнала осуществляется пе­риодическим подключением входного дифференциального усилителя попере­менно к источнику сигнала и заземленному проводу.

Все перечисленные выше методы подавления шумов и помех могут быть реализованы как с помощью аналоговой электроники, так и методами цифровой обработки сигналов. Наилучшие результаты достигаются тогда, когда предвари­тельная обработка производится аналоговой электроникой (прежде всего - диф­ференциальные усилители и RC–фильтры нижних и верхних частот), а даль­нейшая обработка осуществляется с помощью программных средств, заложен­ных в микропроцессорную или компьютерную измерительную систему. На рис. показан такой пример выделения информационного сигнала.