4.4. Особенности измерения импульсных помех в сети питания

При измерениях импульсных помех в сети питания, производимых с помощью приборов, специально не предназначенных для этой цели, необходимо дополнительно предпринимать ряд конкретных мер.

Кратко рассмотрим эти меры.

Способ включения в сеть

Измерительные приборы обычно получают питание от той же сети, в которой необходимо производить измерения. При непродуманном включении сигнальных и питающих проводов появляются специфические источники погрешностей измерения. На рис. 4.19, а, б приведены схема включения измерительного прибора и соответствующая ей схема замещения.

В эквивалентной схеме учтены полные сопротивления сигнальных и питающих фазного и обратного (нулевого) проводов, участков сети корпуса (шасси) прибора и паразитных емкостей питающих проводов на корпус

Падения напряжения на фазном и обратном сигнальных проводах обусловливают основную погрешность измерения напряжения При большом входном сопротивлении падением на прямом сигнальном проводе можно пренебречь, поскольку ток через и течет один и тот же, а Падение напряжения на сопротивлении корпуса распределяется в межкаскадных сигнальных

Рис. 4.19. Включение измерительного прибора в сеть (а), схема замещения (б)

цепях усилителей и обусловливает дополнительную погрешность.

Этот эффект особенно выражен в широкополосных приборах, снабженных усилителями бегущей волны.

Рассмотрим, от чего зависит падение напряжения на сопротивлениях Полагая ток через весьма малым, получаем

Итак, для уменьшения погрешностей необходимо уменьшить сопротивления и увеличить

Для этого сигнальные и питающие провода необходимо максимально укоротить и включить в сеть возможно ближе друг к другу. В фазный провод питания желательно включить дроссель. Лучших результатов можно добиться, поместив измерительный прибор в экранирующую камеру, в которой ввод питающих проводов осуществляется через сетевой Г-образный -фильтр нижних частот с индуктивностями со стороны сети. Сигнальный кабель при этом должен быть расположен внутри медной оплетки, являющейся продолжением камеры. Конец медной оплетки следует подключить к нулевому проводу сети в точке б (рис. 4.19).

Экранирующая камера, кроме того, защищает измерительный прибор от влияния электрического поля, которое при коммутационных процессах в сети питания может обусловить дополнительные погрешности измерения.

Индикация минимальной длительности помехи

Импульсные цифровые вольтметры правильно измеряют амплитуду импульса только в том случае, если длительность последнего превышает некоторую минимально допустимую величину равную примерно удвоенной величине постоянной времени заряда накопительной емкости прибора. В противном случае прибор показывает заниженное значение амплитуды.

Пусть на вход прибора поступают прямоугольные импульсы с амплитудой U и длительностью .

Напряжение, до которого зарядится накопительный конденсатор,

Предположим, что распределение описывается монотонной функцией тогда распределение при постоянном значении U равно [61]:

где — функция, обратная функции

Так как

то

Таким образом,

В общем случае U — это случайная величина, имеющая некоторую функцию распределения При этом, чтобы найти совокупную функцию распределения необходимо для каждого значения найти функцию умножить ее на частоту появления U, т. е. на и просуммировать сомножители:

Из полученного выражения следует, что т. е. имеется погрешность измерения.

Рассмотрим простейший частный случай, когда и U распределены равномерно на участках Отгтта; . В качестве верхнего предела для интеграла следует взять , а нижнего - так как значения напряжений невозможны и интегрирование по ним не имеет смысла.

Таким образом,

Рис. 4.20. Искажение функции распределения при измерении цифровым вольтметром

Рис. 4.21. Индикаторная приставка к цифровому вольтмет-РУ

В относительных единицах

Функция построена на рис. 4.20 как без учета погрешности (кривая 1), так и с учетом погрешности, когда (кривая 2) и (кривая 3). Из рисунка видно, что для малых значений функция завышена, а для больших — занижена. Погрешность тем больше, чем меньше у.

Для исключения указанной погрешности можно применять приставку к вольтметру (рис. 4.21), содержащую селектор минимальной длительности СД с пороговым значением и триггер Т с индикацией И. Когда приходит импульс с длительностью селектор срабатывает и включается индикатор. Показания вольтметра ЦВ в этом случае не учитываются.

Фотографирование

Когда измерения одиночных импульсных помех в сети производятся с помощью осциллографа, не имеющего запоминающей трубки, то процесс приходится фотографировать, так как время послесвечения трубок высокочастотных осциллографов чаще всего недостаточно для визуальных измерений.

Фотографирование редко повторяющихся импульсных процессов возможно только с экрана осциллографа, имеющего однократный режим запуска развертки.

Удовлетворительные снимки можно получить с помощью зеркальной камеры «Зенит», снабженной объективом

«Юпитер-3». Светочувствительность фотопленки должна быть не менее 1500 единиц. Хорошие результаты дает рентгенофлюорографическая пленка типа

Затвор камеры в ожидании запуска развертки осциллографа может быть открыт неопределенно долго. Поэтому во избежание засвечивания пленки от источника подсвета экрана осциллографа и ждущего луча необходимо выключить подсвет, уменьшить яркость луча и закрыть маской из черной светонепроницаемой бумаги точку пересечения луча с экраном.

Входной фильтр верхних частот

Для измерений параметров импульсных возмущений в сети питания переменного тока требуется фильтр верхних частот, подавляющий напряжение промышленной частоты на входе прибора. Требования к фильтру противоречивы, так как для достижения большого коэффициента подавления промышленной частоты требуется по возможности меньшее значение постоянных времени звеньев фильтра, а для обеспечения широкой полосы пропускаемых частот требуется по возможности большее значение постоянных времени. Однозвенные фильтры, как правило, не могут обеспечить корректное измерение импульсных возмущений в сети. Многозвенные фильтры дают более удовлетворительные результаты, но расчет их частотными методами довольно сложен, если учитывать шунтирующее воздействие последующих звеньев на предыдущие.

Ниже приведен простой способ расчета многозвенных фильтров. Для определения значений параметров компонент фильтра, обеспечивающих заданное значение подавления напряжения промышленной частоты, применен частотный метод (так как на низкой частоте шунтирования практически нет), а для определения значений параметров, обеспечивающих необходимую полосу пропускания, используется реакция фильтра на прямоугольный импульс заданной максимальной длительности.

Такой подход оправдан потому, что кратковременные возмущения напряжения в сети представляют собой импульсные процессы (длительность процессов обычно не превышает .

Расчет выполнен для двух вариантов фильтров, условно названных соответственно однородным и прогрессирующим. В первом параметры компонентов всех звеньев одинаковы, во втором значения сопротивлений убывают, а значения емкостей растут по геометрической прогрессии (с показателем k) с ростом номера t звена фильтра (рис. 4.22). Первый вариант обеспечивает большее входное сопротивление фильтра. Второй позволяет уменьшить необходимое число звеньев фильтра.

Рис. 4.22. Схема входного фильтра верхних частот

Под сопротивлением первого звена следует понимать параллельное соединение входного сопротивления измерительного прибора и шунтирующего сопротивления

Амплитуда напряжения фона промышленной частоты на выходе фильтра должна быть по крайней мере в раз меньше минимальной амплитуды сигнала, подлежащего измерению:

где

Как правило, выполняются условия где — напряжение и угловая частота тока в сети питания соответственно; — постоянная времени звена.

Поэтому

где п — число звеньев.

Для однородного фильтра таким образом,

Для прогрессирующего фильтра т. е. также справедливо соотношение (4.4) (-показатель геометрической прогрессии).

Из (4.4) с учетом (4.3) получаем выражение для постоянной времени звена фильтра, исходя из допустимого напряжения фона:

Далее, когда на вход фильтра поступает прямоугольный импульс с амплитудой длительностью , необходимо, чтобы спад его вершины при прохождении через фильтр был ограничен величиной

где

Но если спад мал, то можно записать

где U — ток через конденсатор.

Для однородного фильтра из (4.7) имеем

С учетом (4.6) получаем выражение для постоянной времени звена однородного фильтра, исходя из допустимого спада вершины импульса:

Из (4.7) для прогрессирующего фильтра с большим значением показателя k имеем

С учетом (4.6) и исходя из допустимого спада вершины, выражение для постоянной времени прогрессирующего фильтра имеет вид

Необходимо также, чтобы для составляющих с весьма высокими частотами не происходило заметного деления напряжения из-за входной емкости измерителя. Для этого желательно, чтобы емкость фильтра была по крайней мере на порядок больше Это требование приводит к соотношениям:

для однородного фильтра

для прогрессирующего фильтра

При расчете сопротивления шунтирующего резистора первого звена фильтра необходимо учитывать входное сопротивление измерительного прибора. Это приводит к соотношению

Для расчета фильтра необходимы следующие исходные данные: подлежащие измерению минимальная амплитуда и максимальная

Рис. 4.23. Вспомогательные графики для расчета однородного фильтра

длительность ттах импульсных возмущений в сети, входное сопротивление и емкость С в измерительного прибора. Ниже приводятся примеры расчетов однородного и прогрессирующего фильтров.

Однородный фильтр

Определим число звеньев и постоянную времени . Для различных строятся графики по выражениям (4.8) и (4.5).

На рис. 4.23 построение выполнено для практически важного случая:

На график наносятся заданные величины и находится такая пара зависимостей с одинаковым параметром , для которой выполняется условие

Значение параметра и будет искомым количеством звеньев. Постоянная времени выбирается, исходя из неравенства

Определим параметры звена. Если выполняется неравенство

то сопротивления резисторов звеньев выбираются равными Емкости конденсаторов звеньев рассчитываются по формуле

Если неравенство (4.13) не выполняется, то емкости выбираются, исходя из неравенства

Рис. 4.24. Вспомогательные графики для расчета прогрессирующего фильтра

Рис. 4.25. Структурная схема одноканального анализатора:

ВД — входной делитель; АС — амплитудный селектор; ГТЧ — генератор тактовой частоты; ВС — временной селектор; — счетчики

Сопротивления резисторов в этом случае равны:

Сопротивление определяется согласно (4.10).

Прогрессирующий фильтр

Определим число звеньев и постоянную времени т. Для различных строятся графики функций (4.9) и (4.5). На рис. 4.24 построение выполнено для того же случая, что и на рис. 4.23.

Величины находятся точно так же, как в случае однородного фильтра, исходя из выполнения неравенств (4.11, 4.12).

Определим параметры звена.

Если выполняется неравенство

то сопротивления резисторов выбираются равными

Емкости конденсаторов рассчитываются по (4.14). Если неравенство (4.16) не выполняется, то емкости рассчитываются по формуле

В этом случае сопротивления рассчитываются по (4.10) и (4.15).

В соотношениях (4.17) и (4.18) коэффициент k — это показатель геометрической прогрессии.

Рекомендуется выбирать значение .