Классификация источников помех

Все помехи делятся на две группы:

• естественные источники;

• искусственные источники.

Естественные источники: разряды атмосферного электричества, заряды статического электричества между телами, получившими заряды разной по­лярности. Все другие естественные источники для системы автоматики не существенны.

Искусственные источники: все процессы при нормальных рабочих и аварийных режимах работы приборов, машин, электроэнергетических уста­новок, устройств информационной техники, находящихся вблизи средств ав­томатизации.

Внутрь прибора указанные помехи попадают совместно с полезными сигналами, либо с напряжением питания по проводам через параметры U и I, либо через поле. В дополнение к этим помехам, вызванным внешними ис­точниками, могут возникнуть и внутренние помехи, распространяющиеся по проводам или в виде поля внутри системы.

Внутренние источники помех в системе:

• напряжение питания с частотой 50 Гц;

• высокочастотные и низкочастотные тактовые сигналы;

• коммутационные процессы;

• магнитные поля ходовых механизмов;

• изменения потенциала питания устройств электроники и др.

Каждое место спайки, скрутки или резьбового соединения двух раз­личных материалов представляет собой термоэлемент, термонапряжение ко­торого изменяется в пределах 40 мкВ при изменении температуры на 1 °С.

Внешние источники помех

К внешним источникам помех относятся:

• грозовой разряд;

• разряды статического электричества;

• технические электромагнитные процессы;

• ядерный взрыв.

Грозовой разряд

Одновременно на земном шаре происходит около 2000 гроз и 100 раз­рядов молний в секунду. Атмосферные возмущения, вызываемые грозовой деятельностью, создают помехи радиосвязи и обостряют проблемы ЭМС. В среднем в Европе число грозовых дней в году составляет от 15 до 35, а число ударов молнии, приходящихся на один квадратный километр площади, за год равно от 1 до 5, причем первая цифра относится к северным районам, а вто­рая-к южным.

1. Образование грозовых облаков. Грозовые разряды - молнии вызы­ваются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапли­ваются в облаках. Механизм накопления и распределения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых обла­ках восходящих потоков воздуха. В настоящее время существует много тео­рий, которые, исходя из наличия восходящих потоков воздуха, по-разному в деталях освещают электризацию облаков, но такой теории, которая удовле­творительно объясняла бы это явление, наблюдаемое в природе, пока нет. Одно из распространенных предположений о причине образования электрических зарядов в облаках исходит из того, что этот физический про­цесс происходит в постоянном электрическом поле Земли, которое обнару­жил еще М.В. Ломоносов при проводимых им опытах.

Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность элек­трического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м (поле «ясной погоды»). Она обусловлена зарядами земли и мало зависит от времени года и суток и почти одинакова для любой точки земной поверхно­сти. Воздух, окружающий Землю, имеет свободные заряды, которые движут-

ся по направлению электрического поля Земли. Каждый кубический санти­метр воздуха вблизи земной поверхности содержит около 600 пар положи­тельно и отрицательно заряженных частиц. С удалением от земной поверх­ности плотность заряженных частиц в воздухе растет. У земли проводимость воздуха мала, но на расстоянии 80 км от земной поверхности она увеличива­ется в 3 млрд раз и достигает проводимости пресной воды.

Таким образом, Землю с окружающей атмосферой по электрическим свойствам можно представить как шаровой конденсатор колоссальных разме­ров, обкладками которого являются Земля и проводящий слой воздуха, нахо­дящийся на расстоянии 80 км от поверхности Земли. Изолирующей прослой­кой между этими обкладками служит малопроводящий электричество слой воздуха толщиной 80 км. Между обкладками такого конденсатора напряжение составляет около 200 кВ, а ток, проходящий под воздействием этого напряже­ния, равняется 1,4 кА. Мощность конденсатора составляет около 300 МВт. В электрическом поле этого конденсатора в интервале от 1 до 8 км от поверхно­сти Земли образуются грозовые облака и совершаются грозовые явления.

По характеру происхождения грозы разделяются на тепловые и фрон­тальные. В результате нагрева солнцем земной поверхности разогреваются нижние слои воздуха. Теплые массы воздуха расширяются и стремятся под­няться вверх. На высоте 2 км и более они попадают в область отрицательных температур. Влага, уносимая этими потоками воздуха, конденсируется и об­разует грозовые облака, которые состоят из мельчайших водяных электриче­ски заряженных капель. Такие облака образуются в жаркое летнее время, преимущественно во второй половине дня, и занимают сравнительно не­большие пространства.

Фронтальные грозы образуются в тех случаях, когда два потока возду­ха с разной температурой движутся навстречу друг другу и соприкасаются своими фронтовыми частями. При этом поток воздуха, имеющий более низ­кую температуру, стремится опуститься вниз и занимает пространство в не­посредственной близости от поверхности земли, а теплые массы воздуха уст­ремляются вверх и образуют завихрения. Достигнув высоты с более низкими температурами, унесенная с поверхности земли влага конденсируется и обра­зует грозовые облака.

Фронтальные грозы охватывают широкие площади земной поверхно­сти и движутся со скоростью от 5 - 6 до 100 - 150 км/ч и более. Такие грозы могут возникать в любое время суток. Сконденсированная влага на высотах с более низкими температурами образует капли разных размеров. Находясь в электрическом поле «конденсатора», капли поляризуются: нижние части их имеют положительный заряд, а верхние - отрицательный. Мелкие капли воc-

ходящими потоками воздуха уносятся вверх, а крупные, более тяжелые капли падают вниз. При движении вверх поляризованные капли верхней отрица­тельно заряженной частью встречают на своем пути отрицательные и положи­тельные свободные заряды; первые из них отталкиваются, как имеющие одно­именный заряд, а вторые - притягиваются, и капли постепенно становятся по­ложительно заряженными. Те капли, которые движутся вниз, наоборот, при­тягивают отрицательные заряды и становятся отрицательно заряженными.

Таким образом, происходит разделение зарядов в облаке: в верхний слоях его скапливаются положительные заряды, а в нижних - отрицательные. Так как облако является изолятором, то заряды на некоторое время остаются на своих местах и не нейтрализуются. Электрическое поле облака, как более сильное, при наложении на поле «ясной погоды» изменяет направление по­следнего в районе своего расположения.

Заряды в облаке распределяются неравномерно: в некоторых точках их плотность достигает большого значения, в других, наоборот, она незначи­тельна. Там, где создалось скопление зарядов и образовалось электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению (25 - 30 кВ/см в за­висимости от высоты облака), создаются условия для развития молнии. Раз­ряд молнии в основных чертах подобен длинной искре, возникающей в воз­духе между проводящими электродами.

2. Ионизация воздуха. Воздух, как и другие вещества, состбит из ато­мов, объединенных в молекулы. Каждый атом представляет собой положи­тельно заряженное ядро (протоны), вокруг которого вращаются на некоторых «разрешенных» орбитах электроны, имеющие отрицательный заряд, количе­ственно равный положительному заряду ядра. Отрыв электронов от атомов или молекул называется ионизацией. В результате ионизации появляются две частицы: ядро с оставшимися электронами, представляющее собой положи­тельно заряженный ион, и отделившийся отрицательно заряженный электрон.

Для осуществления акта ионизации требуется затрата определенного количества энергии, которая называется энергией ионизации. Если к воздуш­ному промежутку, образованному двумя проводящими электродами, прило­жить напряжение, то имеющиеся в этом промежутке свободные ионы и элек­троны под воздействием напряженности поля начнут двигаться в направле­нии поля. Масса электрона на 4- 5 порядков меньше массы ядра. Поэтому свободный электрон, движущийся в электрическом поле воздушного проме­жутка, имеет большую скорость, чем ядро. При столкновении с молекулами воздуха электрон способен отрывать от них новые электроны, т.е. произво­дить ионизацию. Такой процесс ионизации при столкновении электрона с атомами или молекулами называется ударной ионизацией. Но не при всяком

столкновении движущийся электрон отрывает другой электрон от молекулы. Столкновение может вызвать переход электрона молекулы на более удален­ную от ядра неустойчивую орбиту. При этом удаленный электрон получает дополнительную энергию от движущегося электрона. Этот процесс называ­ется возбуждением молекулы. Возбужденная молекула «живет» в течение примерно 10 ^-10 с, после чего происходит обратный переход электрона на ус­тойчивую орбиту. При возвращении электрона на устойчивую орбиту возбу­жденная молекула излучает ранее полученную энергию в виде фотона, кото­рый при определенных условиях способен вызвать ионизацию или возбуж­дение других молекул. Этот процесс носит название фотоионизации. Фото­ионизацию могут вызвать фотоны, излучаемые молекулами, участвующими в газовом разряде, космические лучи, излучение радиоактивного распада и световые волны в ультрафиолетовой части спектра.

Кроме того, ионизация молекул воздуха может наступить при высоких температурах. С повышением температуры усиливается хаотическое (тепло­вое) движение молекул и свободных электронов. В этом случае в результате столкновения молекул с электронами может иметь место ионизация, которая получила название термоионизации.

Процесс, обратный ионизации, когда заряды частиц взаимно компен­сируются, называется рекомбинацией (нейтрализация зарядов частиц). При рекомбинации излучаются фотоны.

3. Лавины электронов. Образование стримеров. Если в воздушном промежутке между плоскими электродами напряженность электрического поля достигает критического значения, при котором возможна эффективная ударная ионизация, то движущийся электрон ионизирует молекулу, что при­водит к образованию положительного иона и двух электронов. Эти электро­ны, разгоняясь в электрическом поле, ионизируют каждый по молекуле. В результате образуется три положительных иона и четыре электрона. Про­должаясь, процесс ионизации приводит к образованию лавины электронов и ионов. Образовавшиеся положительные ионы перемещаются к отрицатель­ному электроду, а электроны - к положительному. Так как подвижность электронов много больше подвижности ионов, то ионы при рассмотрении этого процесса можно считать неподвижными.

После того как электроны перемещаются на анод, оставшийся объем­ный положительный заряд вблизи анода сильно искажает электрическое поле и повышает напряженность. За счет излучения фотонов в области сильного поля у анода возникает ионизация воздуха и образуются вторичные электро­ны, которые дают начало новым вторичным лавинам. Возникшие вторичные лавины направляются к области лавин, проникают внутрь положительного

объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный прово­дящей плазмой. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых элек­тронных лавин, развивающихся по направлению к головке стримера. Элек­троны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую ста­дию, которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и зна­чительным повышением проводимости плазменного канала. Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однола-винной форме с переходом в (примерную.

По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеодно­родные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером та­кого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.

Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентиро­вочно не более чем в 2 - 3 раза, такое поле считается слабонеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами ша­рового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеодно-родным полем называется поле, в котором напряженность изменяется вдоль силовых линий на несколько порядков.

В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные про­цессы не охватывают всего промежутка, конденсируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности. Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Толь­ко дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникно­вению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.

4. Лидерная стадия заряда. В воздушных промежутках длиной в не­сколько метров или десятков метров проводимость образовавшихся стриме­ров для развития разряда оказывается недостаточной и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой, так называемой лидерной форме. Тер­мически ионизированная часть канала стримера называется лидером. Плот­ность заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем у стримера. Поэтому потенциал головки возрастает и создаются условия для лучшего продвижения стримера и преобразования этого стримера в лидер.

5. Развитие грозового разряда. Разряд молнии аналогичен в основных чертах разряду в длинных промежутках.

Условия для развития молнии создаются в том месте облака, где обра­зовались скопления зарядов и электрическое поле с напряженностью, равной критическому значению. В этом месте начинается процесс ударной иониза­ции, создаются лавины электронов, под воздействием фотоионизации и тер­моионизации образуются стримеры, которые преобразуются в лидеры.

Молния может иметь длину от нескольких сотен метров до нескольких километров (в среднем 5 км). Лидерная форма развития молнии позволяет ей перекрывать такие расстояния. Глазу человека молния представляется в виде сплошной непрерывной линии: узкой яркой полосы или нескольких полос белого, светло-голубого или ярко-розового цвета. В действительности разряд молнии состоит из нескольких отдельных импульсов. Каждый импульс имеет две стадии: начальную, которая называется лидерной, и главный разряд. Если импульсы развернуть во времени, то видно, что разряд лидерной стадии пер­вого импульса развивается ступенями. Средняя линия ступени составляет

примерно 50 м, а пауза между отдельными ступенями - 30 - 90 мкс. Средняя

скорость продвижения лидера составляет 10⁷ -10⁸ см/с. Задержки в развитии

ступенчатого лидера объясняются по-разному. Согласно одной гипотезе, за­держка происходит из-за того, что для развития лидера должно происходить движение электронов вниз по каналу ведущего стримера, чтобы обеспечить возникновение необходимого градиента потенциала, а на это требуется неко­торое время. Это время и является паузой между отдельными ступенями. Второй и последующие импульсы имеют стреловидную форму лидерной стадии, а не ступенчатую. Так как она развивается по ионизированному ка­налу, то необходимость в ступенчатом лидере отпадает. При достижении земли лидером первого импульса образуется хорошо проводящий ионизиро­ванный канал. Заряд с конца лидера быстро стекает в землю. Этот момент является началом второй стадии грозового разряда, который называется главным (обратным) разрядом. Главный разряд распространяется в виде сплошной светящейся линии от земли к облаку (линейная молния). Как толь­ко главный разряд достигает облака, свечение канала ослабевает. Фаза слабо­го свечения называется послесвечением. Повторных импульсов в одном раз­ряде молнии может быть до 20 и более, продолжительность одного разряда молнии достигает 1,33 с. Примерно в 40 % случаев разряд молнии имеет многократный характер, в среднем с тремя- четырьмя импульсами в одном разряде. Происхождение повторных импульсов объясняется постепенным притоком зарядов в облаке к каналу молнии.

объемного заряда и образуют узкий нитевидный канал, заполненный прово­дящей плазмой. Такой канал получил название стримера. Так как канал стримера проводящий, то он как бы удлиняет анод. Напряженность поля на головке стримера возрастает, что способствует образованию новых элек­тронных лавин, развивающихся по направлению к головке стримера. Элек­троны новой лавины, смешиваясь с положительными ионами вблизи головки стримера, снова образуют плазму, и канал стримера удлиняется. После того как стример перекроет весь промежуток, разряд переходит в искровую ста­дию, которая характеризуется интенсивной термической ионизацией и зна­чительным повышением проводимости плазменного канала. Так развивается разряд в малых промежутках с однородным электрическим полем в однола-винной форме с переходом в (примерную.

По форме электрические поля делятся на однородные, слабонеодно­родные и резконеоднородные. Однородным полем называется такое поле, в котором вдоль силовых линий напряженность поля постоянна. Примером та­кого поля может служить поле в средней части плоского конденсатора.

Если напряженность поля вдоль силовых линий изменяется ориентиро­вочно не более чем в 2 - 3 раза, такое поле считается слабонеоднородным. Примером слабонеоднородного поля является поле между двумя шарами ша­рового разрядника или поле между жилой и оболочкой кабеля. Резконеодно-родным полем называется поле, в котором напряженность изменяется вдоль силовых линий на несколько порядков.

В промежутках с резконеоднородным полем, где ионизационные про­цессы не охватывают всего промежутка, конденсируясь в узкой зоне вблизи одного или обоих электродов, разряд не переходит в искровую стадию при достижении у электродов критического значения напряженности. Разряд в такой форме получил название коронного разряда или просто короны. Толь­ко дальнейшее повышение напряжения на промежутке приводит к возникно­вению стримеров и переходу в стадию искрового разряда. В промежутках длиной в десятки сантиметров искровой разряд в воздухе происходит при средних напряженностях поля порядка 10 кВ/см.

4. Лидерная стадия заряда. В воздушных промежутках длиной в не­сколько метров или десятков метров проводимость образовавшихся стриме­ров для развития разряда оказывается недостаточной и по следу одного из стримеров возникает разряд в новой, так называемой лидерной форме. Тер­мически ионизированная часть канала стримера называется лидером. Плот­ность заряженных частиц в канале лидера значительно выше, чем у стримера. Поэтому потенциал головки возрастает и создаются условия для лучшего продвижения стримера и преобразования этого стримера в лидер.