Störningar i elektriska mätsystem

Relevanta dokument
Störningar i elektriska mätsystem

Mätteknik för F 2017 Störningar

Mätteknik för F 2018 Störningar

Tentamen i El- och vågrörelselära,

4. Elektromagnetisk svängningskrets

Sensorer, effektorer och fysik. Grundläggande fysikaliska begrepp som är viktiga inom mättekniken

Tentamen ellära 92FY21 och 27

Prov (b) Hur stor är kraften som verkar på en elektron mellan plattorna? [1/0/0]

Vi börjar med en vanlig ledare av koppar.

Induktans Induktans Induktans Induktans

Det är elektromagnetiskt kraft som är av intresse här.

STÖRNINGAR. Laboration E15 ELEKTRO. UMEÅ UNIVERSITET Tillämpad fysik och elektronik Sverker Johansson Johan Pålsson Rev 1.0.

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Chalmers Tekniska Högskola Tillämpad Fysik Igor Zoric

Introduktion till fordonselektronik ET054G. Föreläsning 3

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen oktober 2006

Tentamen i El- och vågrörelselära,

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum: Examinator/Tfn: Hans Åkerstedt/ Skrivtid:

Vecka 4 INDUKTION OCH INDUKTANS (HRW 30-31) EM-OSCILLATIONER OCH VÄXELSTRÖMSKRETSAR

Du behöver inte räkna ut några siffervärden, svara med storheter som V 0 etc.

Lösningar till BI

Strålningsfält och fotoner. Kapitel 23: Faradays lag

Laborationshandledning, EEM007. Störningar 2015 INSTITUTIONEN FÖR BIOMEDICINSK TEKNIK, LTH

Tentamen Elektronik för F (ETE022)

1 Grundläggande Ellära

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (2:a omtentan), fredag 30 augusti 2013, kl 9:00-14:00

93FY51/ STN1 Elektromagnetism Tenta : svar och anvisningar

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 2

EMC-problem vid motorinstallationer? Några enkla regler. Komponenter för automation. Nordela V04.10

2.7 Virvelströmmar. Om ledaren är i rörelse kommer den att bromsas in, eftersom det inducerade magnetfältet och det yttre fältet är motsatt riktade.

Mätning av biopotentialer

Skolan för teknik och hälsa. Tentamen. Torsdag 9 juni, FL-5Y, Flemingsberg

Vågrörelselära och optik

INLEDNING... 2 MÅLSÄTTNING, EXPRIMENTPLATS OCH MÄTUTRUSTNING...

Magnetiska fält. Magnetiska fält. Magnetiska fält. Magnetiska fält. Två strömförande ledningar kraftpåverkar varandra!

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

Tentamen i : Vågor,plasmor och antenner. Totala antalet uppgifter: 6 Datum:

3 Laboration 3. Störningar

Svar och Lösningar. 1 Grundläggande Ellära. 1.1 Elektriska begrepp. 1.2 Kretslagar Svar: e) Slinga. f) Maska

Bra tabell i ert formelblad

Tenta svar. E(r) = E(r)ˆr. Vi tillämpar Gauss sats på de tre områdena och väljer integrationsytan S till en sfär med radie r:

Institutionen för elektrisk mätteknik

Tentamen i El- och vågrörelselära,

ETEF15 Krets- och mätteknik, fk Fältteori och EMC föreläsning 3

3.4 RLC kretsen Impedans, Z

Elektromagnetism. Kapitel , 18.4 (fram till ex 18.8)

EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 4

Impedans och impedansmätning

Skriftlig tentamen i Elektromagnetisk fältteori för π3 (ETEF01) och F3 (EITF85)

4. Allmänt Elektromagnetiska vågor

1( ), 2( ), 3( ), 4( ), 5( ), 6( ), 7( ), 8( ), 9( )

Ledningsförmåga och permabilitet hos armeringsjärn


Internet består till största delen av kabelanslutna datakommunikationsutrustningar

Sensorer och elektronik. Grundläggande ellära

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 2

ETE115 Ellära och elektronik, tentamen april 2006

Tentamen Modellering och simulering inom fältteori, 21 oktober, 2006

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 17 juni 2014, kl 9:00-14:00

EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 2

10. Kretsar med långsamt varierande ström

Räkneuppgifter på avsnittet Fält Tommy Andersson

Laboration 2 Instrumentförstärkare och töjningsgivare

Hur elektromagnetiska vågor uppstår. Elektromagnetiska vågor (Kap. 32) Det elektromagnetiska spektrumet

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk - ETEF15

Antennförstärkare för UHF-bandet

Tentamen i Elektronik, ESS010, del 2 den 16 dec 2008 klockan 8:00 13:00.

Elektroakustik Något lite om analogier

AC-kretsar. Växelströmsteori. Lund University / Faculty / Department / Unit / Document / Date

EDI615 Tekniska gränssnitt Fältteori och EMC föreläsning 3

Elektroteknikens grunder Laboration 1

Införa begreppen ström, strömtäthet och resistans Ohms lag Tillämpningar på enkla kretsar Energi och effekt i kretsar

Elektriska och magnetiska fält Elektromagnetiska vågor

Figur 1 Konstant ström genom givaren R t.

Rep. Kap. 27 som behandlade kraften på en laddningar från ett B-fält.

Laboration 4: Tidsplan, frekvensplan och impedanser. Lunds universitet / Fakultet / Institution / Enhet / Dokument / Datum

5 OP-förstärkare och filter

Växelström K O M P E N D I U M 2 ELEKTRO

2. Reflektion. Z= oo. λ / 4

Tentamensskrivning i Ellära: FK4005e Fredag, 11 juni 2010, kl 9:00-15:00 Uppgifter och Svar

Utredande uppgifter: I: Beskriv de fyra arbetsmoderna för en npn-transistor. II: Vad är orsaken till strömförstärkningen i normal mod?

Svar och anvisningar

Strömtänger för AC ström

Tentamen i Krets- och mätteknik, fk, ETEF15. Exempeltentamen

PHYS-A5130 Elektromagnetism period III våren Vecka 2

Övningsuppgifter/repetition inom elektromagnetism + ljus (OBS: ej fullständig)

Växelspänning och effekt. S=P+jQ. Industriell Elektroteknik och Automation

FK Elektromagnetism, Fysikum, Stockholms universitet Tentamensskrivning (1:a omtentan), tisdag 16 juni 2015, kl 9:00-14:00

Tentamen i ELEKTROMAGNETISM I, för W2 och ES2 (1FA514)

Mätteknik Lab Störningar. Biomedicinsk teknik LTH

Elektriska och elektroniska fordonskomponenter. Föreläsning 4 & 5

Motorprincipen. William Sandqvist

Föreläsning 8. Ohms lag (Kap. 7.1) 7.1 i Griffiths

IE1206 Inbyggd Elektronik

I: Beskriv strömmarna i en npn-transistor i normal mod i de neutrala delarna av transistorn.

Transkript:

Störningar i elektriska mätsystem Mätteknik ulrik.soderstrom@umu.se ulrik.soderstrom@tfe.umu.se 1

Signal-brusförhållande SNR eller S/N (signal-to-noise ratio) Signal-brusförhållande SNR db = 10 log 10 P signal P noise = 20 log 10 A signal A noise P är medeleffekt A är amplitud (rms) 2

Introduktion Mätsignalen överlagrad med oönskade komponenter Brus och störningar Åtgärder för att förbättra mätsignalens SNR 1. Eliminera störkällan 2. Hindra störsignalens väg in i mätsystemet 3. Signal- och databehandling (filter, matematiska metoder: medelvärdesbilda, frekvensanalys, autokorrelation, korskorrelation, digitala filter) förbättrar SNR Mätsystemet och dess elektromagnetiska (EM) kompatibilitet (EMC) EMC: systemets förmåga att fungera i EM-omgivning Immunitetskrav: måste tåla en lägsta EM-strålningsnivå Emissionskrav: får inte stråla/störa andra apparater Målet för mätsystem: störningsimmunt 3

Störningar i mätsystem uppstår då... 1....det finns en störkälla 2....mätsystemet är mottagligt för störningsfrekvensen 3....det finns en koppling mellan störkällan och mätsystemet tre sätt att skydda mätsystemet Eliminera störkällan (önskvärt men ofta omöjligt!) Göra mätsystemet oemottagligt för störningen (i begränsad omfattning) Bryta kopplingen 4

Störningar kan kopplas... Kapacitivt Induktivt Via gemensamma resistanser Via elektromagnetisk strålning Via jordslingor internt genererade störningar Uppkomst och bekämpning The four types of coupling path involved in electromagnetic interference (EMI) (From Wikipedia) 5

Kapacitiv störningskoppling: två ledare Kapacitans mellan två ledare Två ledare Elektrisk ledare med diameter d 1 2 Kapacitans C 12 = πε 0 ln 2D d D Τ F m Exempel: D = 10 cm d = 1 mm ger C 12 = 5 pf/m Koaxialkabel (centrumledare omgiven av ett metallhölje) Elektrisk ledare med radien r Metallcylinder med radien R Kapacitans C cyl = 2πε 0ε r ln R r Τ F m ε 0 dielektricitetskonstanten i vakuum = 8.85 10 12 F/m ε r relativa dielektricitetskonstanten för materialet mellan ledare och cylinder Exempel: BNC-kabel, RG-58 R = 0.1" r = 0.016 " ε r = 3.3 ger C cyl = 100 pf/m tum 6

Kapacitiv störningskoppling: överhörning Vad händer med två kapacitivt kopplade ledare? Överhörning! 1. ledare med U 1 = U 0 cos ωt 2. ledare med impedans Z till jord C 12 uppstår U 1 orsakar en störspänning U stör ledare 1 2 ekvivalenskrets C 12 C 12 U 1 ~ Z U stör U 1 ~ Z U stör U stör = Z Z + Z C12 U 1 7

Kapacitiv störningskoppling: Bekämpning Bekämpning av kapacitivt kopplade störningar En metallskärm ( kopparstrumpan runt ledaren i en koaxialkabel). Skärmen i sig har ingen skyddande effekt. Måste jordas! Behöver en bra ledning till jord, dvs Z skärm 0 störspänningen från ledare 1 kortsluts till jord Kopplingen bruten 1 2 ekvivalenskrets C 12 C 12 C cyl U 1 ~ Z Z U 1 ~ Z skärm Z skärm 8

Koaxialkabel RG-58, BNC 9

Induktiv störningskoppling: ömsesidig induktans Serieinduktans i ledare Alla ledare kan kretsekvivalent representeras av en en serieinduktans (L) Koaxialkabel har en serieinduktans på 0.25 μh/m Transformator: primärspole (induktans L 1 ) och sekundärspole (L 2 ) ömsesidig induktans M = k L 1 L 2 där kopplingsfaktorn (k) bestäms av geometri och medium. k är mått på hur mycket av magnetiska flödet kopplas från L 1 til L 2. M L 1 L 2 10

störledare signalledare Induktiv störningskoppling: överhörning Två ledare bredvid varandra bildar en transformator med ömsesidig induktans Överhörning! En spänning (emk) U ind induceras i sekundärspolen (signalledaren) och den är proportionell mot derivatan av strömmen i primärspolen (störledaren) 1 2 L 1 M 1 L 2 U ind U ind = M 1 di 1 dt i 1 i 1 Om i 1 = i 1 sin ωt U ind = M 1 ωi 1 cos ωt 11

Induktiv störningskoppling: i mätsystem Induktiv koppling i ett mätsystem Ledare representeras av sin kretsekvivalenta serieinduktans Störspänning (U ind ) induceras av störledare och adderas till U in ekvivalenskrets i 1 störledare M 1 givare U giv i ind,1 + - U ind U in Störledaren inducerar en ström (i ind,1 ) i motsatt riktning i mätkretsen. (Det är inte den totala strömmen utan bara den som induceras av i 1.) i 1 i ind,1 U giv störspänning U in = U giv + U ind 12

Induktiv störningskoppling: bekämpning 1 Bekämpning av induktivt kopplade störningar. Hur? Minska i 1, ω, M 1 (öka avståndet mellan ledarna) störspänningen minskar. Men allt detta kan vara praktiskt svårt! Placera en skärmledare mellan störledaren och mätslingan! Störledare (1) inducerar en ström i skärmledaren och en ström i mätslingan (båda i motsatt riktning) Skärmledaren (2) inducerar en ström i mätslingan (i motsatt riktning) Totala inducerade strömmen (och spänningen) i mätslingan reduceras! ekvivalenskrets 1 2 givare i 1 U giv i 2 + - störledare skärmledare M 12 M 2 U ind,2 i 2 M 1 i ind,2 U ind,1 U in i 1 i ind,1 U giv 13

Induktiv störningskoppling: bekämpning 2 Den totala inducerade störspänningen kan släckas ut helt! Låt skärmledaren omsluta signalledaren (mätslingan) = koaxialkabel Induktivt och kapacitivt kopplade störningar bekämpas på samma sätt Men här måste skärmkabeln jordas i båda ändarna sluten slinga så att en ström kan gå i den. Nackdel! Problem med jordströmmar kan uppstå! givare U giv 1 2 i 1 i 2 störledare skärmledare + - jorda i båda ändarna! 14

Koppling via gemensamma impedanser I mätsystem: flera signaler i en mångledarkabel med gemensam återledare Störningar kopplas via gemensamma impedanser (gemensam återledare) Skärmad parledare Skärmen = återledare givare U 1 Z 1 U 1 ~ ekvivalenskrets i 1 i 1 + i 2 Z 1 U in,1 givare U 2 Z 2 U 2 ~ Z jord i 2 Z 2 U in,2 Potentialvandring (KVL) i övre slingan U 1 U in,1 Z jord i 1 + i 2 = 0 U in,1 = U 1 Z jord i 1 Z jord i 2 Potentialfall över icke-ideal ledare är förväntat! Störning från givare 2. Överhörning via gemensam impedans 15

Koppling via gemensamma impedanser: Bekämpning Använd separata återledare för varje signalledare Kan använda samma skärm för att skydda mot andra störningar I kretskort: använd jordplan (med impedans = 0) som återledare 16

Strålningskoppling Elektromagnetiska (EM) vågor (radiovågor) Ljusets hastighet (i luft) Vinkelräta (E,B,riktning) E-fält och B-fält detekteras med antenner radio-, TV-kanaler, mobiltelefoni Elektroniska apparater Växelströmsförande strömslingor EM-strålning E-fält (elektriska fältet) B-fält (magnetfält) riktning Elektriska och magnetiska dipolantenner (mätsystemet bildar antenner ): Störspänning pga E- och B-fält U e = E Paralell L U b = A db Vinkelrät dt Komposant parallell med antenn ledare Komposant vinkelrät mot antenn slingans yta Störspänningar som överlagras givarsignalen 17

Strålningskoppling: Bekämpning E-fält Inkapsla signalledaren (eller hela mätsystemet) i ett metallhölje E-fält styrkan = 0 V/m Koaxialkabel OK! Metallisk låda/plastlåda inklädd med med metallfolie eller målad med ledande metallfärg Korta ledningar B-fält (svårare!) Skärm av my-metall (hög magnetisk permeabilitet). Dyrt! Bättre: Minska slingarean genom att tvinna mätkablar (Tvinnad parkabel (TP-kabel) ) slingarean blir 0 varannan ögla får motriktad störspänning och därmed släcks ut. Fältet som slingan själv emitterar släcks också ut 18

Jordning: jordström Skärmen jordad i båda ändarna Principfel om den används som återledare Två jordpunkter har aldrig exakt samma potential potentialskillnaden ger upphov till en jordström! givare U giv U in + U jord ~10 mv Potentialvandring ger U in = U giv + U jord Jordström i kretsen som utgörs av skärmen och jordplanet 19

Jordning: bekämpning av jordströmmar Om U giv stort jordströmmar inget problem! Om U giv är liten Om skärmen används som ledare (koaxialkabel) jorda i en ände. På mottagarsidan, använd differentialförstärkare givare U giv U in Fördel: Inga jordströmmar Nackdel: inget skydd mot induktiv störningskoppling För att slippa både jordströmmen och induktiva störningar använd en skärmad parkabel. Skärmen används endast som skärm och kan jordas i båda ändarna. Kräver differential ended signal 20

Jordning: Skydd mot jordströmmar och induktiv koppling differential ended signal: jordoberoende (spänningen mellan två punkter) U giv U Skärmad parkabel. in Skärmen används endast som skärm givare och kan jordas i båda ändarna. Ex. Aktiva givare (ingen drivspänning), termoelement, fotodiod, piezokristall single ended signal: jordrelaterad (spänningen mellan en punkt och jord) gör om till differential ended givare U giv -1 Ex. Passiva givare, givare med inbyggd förstärkning Jordoberoende signal. Skärmad mot induktiva & kapacitiva störningar. Förstärkt med en faktor 2. Notera: Finns flera sätt att åstadkomma detta 21

Jordning i samma punkt Om avståndet är kort mellan jordpunkter dra jordanslutningarna till samma fysiska punkt Praktiskt svårt! Alla ledningar korta och tjocka = låg resistans (spänningsfall < 1 mv) Jordledarens resistans << skärmens resistans 22

Allmänt: Jordning i samma punkt Om man använder samma jordpunkt ska man jorda parallellt och inte seriellt Enhet 1 Enhet 2 Enhet 3 Parallell jordning Seriell jordning Fungerar vid låga frekvenser jordledningen mindre än 1/20 av våglängden v/f I högfrekventa system används flerpunktsjordning (Korta ledningar är prioritet). 23

CM- och NM-störningar Signalen vi vill mäta är normal mod Störningar kan förekomma både som normal mod och common mod NM ligger i serie med mätsignalen CM ger en offset (undertrycks med instrumentförstärkare) Exempel: Strålningskopplade störningar är både NM och CM Den inducerade spänningen är proportionell mot arean hos signalslingan (ger en NM-störning) respektive jordslingan (ger en CM-störning). Signalslingans area minskas med tvinnad parkabel reducera NMstörningar Instrumentförstärkare reducerar CM-störningar (alt. minska jordslingans area) 24