Помехи, возникающие из-за плохого заземления

Если объект измерения и измерительный преобразователь заземлены в различных точках (например, при использовании двух различных силовых розеток), то заземленные концы объединяются между собой по земляной шине, сопротивление которой, примерно 0,1 Ом/м.

В земляной шине имеются паразитные блуждающие токи, вызываемые другим оборудованием. Это токи создают на сопротивлении шины R _зем дополнительное напряжение, которое оказывается включенным последовательно с измеряемым напряжением объекта и, таким образом, создаются аддитивные погрешности.

Существует два основных способа позволяющие избежать влияния этих токов:

1) единственность точки заземления для измеряемого объекта и измерительной системы (см. рис.);

2) заземление с симметричным входом относительно земли. В этом случае вход измерительной системы называют плавающим или дифференциальным. Это общепринятый способ, который применяется при измерении очень малых сигналов (см. рис.). В последнем случае паразитный ток в земляной шине создает дополнительное напряжение одинакового знака или изменяющегося с одной фазой относительно обоих проводников СИ. Дифференциальное включение объекта измерения изменяет знак напряжения на одном из двух входов СИ. В результате паразитные напряжения поступают на СИ в противофазе и, таким образом, подавляют друг друга.

Нечувствительность системы к потенциалам, которые являются общими для обоих клейм со знаками “+” и “-” называют ослаблением синфазного сигнала, а способность системы реагировать на разность потенциалов объекта между входами “+” и “–” характеризуют чувствительностью по отношению к дифференциальному сигналу.

Причины мультипликативных погрешностей СИ

К причинам возникновения аддитивных погрешностей СИ можно отнести:

- наличие факторов влияния со стороны окружающей среды;

- “старение” и нестабильность параметров ИП.

- нелинейность функции преобразования, связанная с конструкцией прибора.

- токи утечки, обусловленные конечной проводимостью сопротивления изоляции.

Первая причина была рассмотрена выше. Здесь рассмотрим остальные причины.

“Старение” и нестабильность параметров СИ

“Старение ” элементов прибора сводиться к изменению их химических свойств и структуры, которые обусловлены химическими реакциями, протекающими под действием окружающей среды, наличием электрического тока; структурными изменениями, связанными с релаксацией напряжений и диффузией неоднородностей, возникших при изготовлении элементов.

Пример 1. Заготовки для деталей, выполняемых с высокой точностью и стабильностью параметров, выдерживают несколько лет. Также используются и методы искусственного “старения” элементов, например, выдержка деталей при повышенной температуре и влажности.

Пример 2. Если груз подвесить на пружине, то с течением времени длина пружины будет, хотя и медленно, увеличиваться. Это явление называют упругим последействием.

Точно так же, если пружину растянуть на некоторую фиксированную длину и закрепить, то сила упругости, действующая на крепление, будет со временем уменьшаться. Это явление называют релаксацией.

Нелинейность функции преобразования

При рассмотрении причин нелинейности функции преобразования СИ необходимо различать геометрическую и физическую нелинейности элементов приборов или прибора в целом.

Геометрическая нелинейность

Пример 1. Зависимость периода колебаний математического маятника от амплитуды колебаний по формуле – типичное проявление геометрической нелинейности, которая приводит к нелинейности дифференциального уравнения колебаний маятника. Эта нелинейность обусловлена зависимостью момента силы тяжести, действующей на маятник, от угла отклонения массы от положения равновесия.

Пример 2. Тело, прижимается к горизонтальной плоскости пружиной. Найдем зависимость проекции F _x(x) силы упругости от перемещения х.

Пусть трение отсутствует и пружина - линейная, т.е. , где D l – деформация пружины.

Считаем, что при x =0, F _упр= F ₀, т.е. в положении равновесия пружина натянута. Тогда , причем .

Следовательно, . Учитывая, , выражая cos a через , получим .

Рассмотрим несколько частных случаев (приближений):

Первый случай. Пусть тогда, пренебрегая , получим

Второй случай (учет слагаемых ). Воспользуемся формулой , при . Тогда .

Третий случай: начальное натяжение пружины отсутствует, т.е. F ₀=0. Тогда из предыдущей формулы найдем .

Из полученных формул видно, что результат существенно зависит от используемого приближения, т.е. математической модели. При этом, несмотря на то, что пружина была выбрана линейной, т.е. , зависимость силы от перемещения может быть существенно нелинейной.

Физическая нелинейность

Пример 1. Прибор для измерения малых перемещений (дилатометр).

Здесь перемещение одной пластины конденсатора относительно другой можно измерять, измеряя емкость конденсатора.

Зависимость емкости от расстояния между пластинами дается известной формулой , где S - площадь одной пластины, х – расстояние между пластинами, откуда .

Зависимость С от х имеет явно нелинейный характер. Эта нелинейность ни как не связана с геометрией устройства, но обусловлена физикой происходящих здесь явлений.

Емкость можно измерять непосредственно, но можно ее измерять, настраивая контур на резонансную частоту . Подставляя сюда формулу для С, найдем зависимость между w_рез и расстоянием х: , где – коэффициент преобразования СИ.

Можно видеть, что зависимость между х и С и между х и w_рез – совершенно разные, хотя и остаются нелинейными.

Вывод: выбором выходной величины СИ мы можем управлять видом функции преобразования.

Пример 2. Полупроводниковый диод. Его можно рассматривать как СИ, в котором входной величиной является напряжение, а выходной - ток.

Зависимость тока от напряжения имеет характерный нелинейный вид. Эта нелинейность также обусловлена физикой процессов, протекающих в диоде. Очевидно, что причины мультипликативных погрешностей не исчерпываются приведенным списком. Например, сюда же можно отнести зависимость электрического сопротивления и механической упругости элементов от температуры, влияние радиационного облучения, влажности и т.п.

Токи утечки

Вследствие несовершенства изоляции между двумя проводниками с разными потенциалами между ними будет течь ток, который обычно нежелателен. Его величина зависит от сопротивления изоляции и сопротивления окружающей среды, которая, в свою очередь, зависит от влажности, температуры, наличия поверхностных пленок, пыли и т.д.

Влияние токов утечки проявляется наиболее заметно в цепях с большим сопротивлением.

Токи утечки вызывают мультипликативную погрешность, так как они эквивалентны шунтированию основной нагрузки.

Пример. Сопротивление между двумя точками на печатной плате, расположенными на расстоянии 1 см друг от друга спустя некоторое время после ее изготовления не превосходит 10⁸ Ом.

При измерении напряжения U ₀ у объекта, имеющего выходное сопротивление R ₀, с помощью средства измерения СИ, имеющего входное сопротивление R _i, вследствие несовершенства изоляции кабеля и наличии разности потенциалов между его проводниками, возникают токи утечки.

. Эти токи можно устранить методами пассивной и активной защиты.