16.4. Види заземлень

Одним з шляхів|колій,доріг| ослаблення|ослабіння| шкідливого впливу кіл|цепів| заземлення на системи автоматизації є|з'являється,являється| роздільне виконання заземлень для пристроїв|устроїв|, що мають різну чутливість до перешкод або є|з'являються,являються| джерелами перешкод різної потужності. Роздільне виконання заземлювальних провідників дозволяє виконати їх з'єднання|сполучення,сполуку| із|із| захисною землею|грунтом| в одній точці. При цьому заземлювальні провідники різних систем земель|грунтів| є променями зірки, центром якої є|з'являється,являється| контакт до шини захисного заземлення будівлі. Завдяки такій топології перешкоди «брудної» землі|грунту| не протікають по провідниках «чистої» землі|грунту|. Таким чином, незважаючи на те що системи заземлення розділені і мають різні назви, зрештою всі вони з'єднані із|із| Землею|грунтом| через систему захисного заземлення. Виняток становить тільки|лише| «плаваюча» земля|грунт|.

Силове заземлення. У системах автоматики можуть використовуватися електромагнітні реле, мікропотужні серводвигуни|, електромагнітні клапани і інші пристрої|устрої|, струм|тік| споживання|вжитку| яких істотно|суттєвий| перевищує струм|тік| споживання|вжитку| модулів введення-виведення і контроллерів. Кола|цепи| живлення|харчування| таких пристроїв|устроїв| виконують окремою парою витих проводів (для зменшення випромінюваних перешкод), один з яких з'єднується з|із| шиною захисного заземлення. Загальний|спільний| дріт системи (зазвичай|звично| провід, підключено до негативного|заперечного| виводу джерела живлення|харчування|) є|з'являється,являється| силовою землею|грунтом|.

Аналогова і цифрова земля|грунт|. Системи промислової автоматики є|з'являються,являються| аналого-цифровими. Тому одним з джерел похибок аналогової частини|частки| є|з'являється,являється| перешкода, що створюється цифровою частиною|часткою| системи. Для виключення|винятку| проходження перешкод через кола|цепи| заземлення цифрову і аналогову землю|грунт| виконують у вигляді незв'язаних провідників, з'єднаних разом тільки|лише| в одній загальній|спільній| точці. Для цього модулі введення-виведення і промислові контроллери мають окремі виводи|висновки,виведення| аналогової землі|грунту| (AGND|) і цифровий (DGND|).

«Плаваюча» земля|грунт|. «Плаваюча» земля|грунт| утворюється у разі, коли загальний|спільний| дріт невеликої частини|частки| системи електрично не з'єднується з|із| шиною захисного заземлення (тобто із|із| землею|грунтом|). Типовими прикладами|зразками| таких систем є|з'являються,являються| батарейні вимірювальні прилади, системи автоматики автомобіля, літака або космічного корабля. «Плаваюча» земля|грунт| може бути отримана|одержувати| і за допомогою DC-DC| або AC-DC-перетворювачів|, якщо вивід вторинного|повторного| джерела живлення|харчування| в них не заземлений. Таке рішення|розв'язання,вирішення,розв'язування| дозволяє повністю|цілком| виключити кондуктивні| наведення через загальний|спільний| провід заземлення. Крім того, допустима напруга|напруження| синфазного сигналу може сягати 300 В і більш; практично 100%-вим| стає придушення синфазного сигналу, знижується вплив ємнісних|місткість| перешкод. Проте|однак| на високих частотах струми|токи| через ємність|місткість| на землю|грунт| істотно|суттєвий| знижують останні два достоїнства.

Якщо «плаваюча» земля|грунт| отримана|одержувати| за допомогою пристроїв|устроїв| гальванічної розв'язки на оптронах і DC-DC| перетворювачах, то необхідно прийняти особливі заходи для запобігання накопиченню заряду в ємності|місткості| між землею|грунтом| і «плаваючою» землею|грунтом|, яке може привести до пробою оптрону.

Приклад|зразок| утворення «плаваючої» землі|грунту| показано на рис. 16.3. Вивід AGND| модуля введення сигналів термопар не з'єднано із|із| землею|грунтом|. Аналогова частина|частка| модуля має еквівалентну ємність|місткість| на землю|грунт|, яка включає ємність|місткість| вхідних кіл|цепів| на землю|грунт|, ємність|місткість| провідників друкованої плати на землю|грунт|, прохідну ємність|місткість| DC-DC-пертворювача| і оптронів гальванічної розв'язки.

Рис 16.3. Приклад|зразок| «плаваючої» землі|грунту| AGND|

Величина цієї ємності|місткості| може складати близько 100 пФ| і більш. Оскільки повітря і інші діелектрики, з|із| якими контактує ємність|місткість|, мають не нескінченний|безконечний| електричний опір, то ємність|місткість| може поволі|повільно|, протягом хвилин|мінут| або годин, заряджатися струмом|током| витоку (рис 3.16) до потенціалу електризованих тіл, високовольтних джерел живлення|харчування| або потенціалу, пов'язаного з атмосферною електрикою. Потенціал на «плаваючій» землі|грунті| може перевищити напругу|напруження| пробою ізоляції оптронів і вивести систему з|із| ладу|строю,буд|.

Як запобіжні заходи при використанні «плаваючої» землі|грунту| можна рекомендувати з'єднання|сполучення,сполуку| «плаваючої» частини|частки| із|із| землею|грунтом| через опір величиною від десятків кОм до одиниць МОм. Іншим способом є|з'являється,являється| застосування|вживання| батарейного живлення|харчування| одночасно з передачею інформації через оптичний кабель.

«Плаваюча» земля|грунт| частіше використовується в техніці вимірювань|вимірів| малих сигналів і рідше — в промисловій автоматизації.

ЛЕКЦІЯ 17. ВИМІРЮВАЛЬНІ КАНАЛИ.

17.1. Точність, що вирішує здатність і поріг чутливості

17.2. Похибка методу вимірювань.

17.3. Похибка програмного забезпечення

17.4. Достовірність вимірювань.

17.1. Точність, що вирішує здатність і поріг чутливості

Вимірювальні канали є найбільш складною частиною систем автоматизації і вимагають глибоких знань для отримання достовірних результатів вимірювань. Якість отриманих даних залежить не тільки від погрішності засобів вимірювань, вчасно виконаної перевірки або калібрування, але, більшою мірою, від коректності методики вимірювань, правильності виконання системи заземлення, екранування і кабельної розводки. Вимірювальні канали систем автоматизації, на відміну від вимірювальних приладів, створюються в «польових умовах», що є причиною появи помилок, наявність яких не завжди вдається виявити. Безліч проблем виникає при виконанні статистичної обробки результатів вимірювань, при необхідності досягти межі роздільної здатності системи, при виконанні непрямих, сумісних і багатократних вимірювань.

Для отримання достовірних результатів потрібні знання в області метрології, математичної статистики, теорії випадкових процесів, теорії інформації і електроніки. Це самостійні об'ємні області знань, які є темою безлічі підручників і монографій. Тому нижче розглядаються тільки найбільш важливі питання вимірювань в промисловій автоматизації, які часто розуміються неправильно або неоднозначно.

При виборі модулів введення-виводу аналогових сигналів за критерієм точності, роздільної здатності і чутливості необхідно розуміти відмінність цих термінів. Типова помилка полягає в тому, що «якщо модуль введення має похибку ±0,05%, то розрядність його АЦП більш ніж 12 біт плюс знак (±1/2¹²=±1/2048=±0,05) є надмірною». Доведемо, що це не так.

Точність (похибка) характеризує ступінь відмінності результату вимірювання від точного значення, пов'язаного з еталоном одиниці фізичної величини. Роздільна ж здатність показує, яке мінімальне відхилення вимірюваної величини може бути зареєстроване вимірювальним приладом. Наприклад, якщо модуль введення в діапазоні вимірювань -10...±10В має похибку ±0,05%, то його поріг чутливості рівний ±5мВ. Проте завдяки наявності 16-розрядного АЦП цей модуль може розрізнити два вхідні сигнали, що відрізняються на 20/216=0,3мВ, тобто його роздільна здатність в ±5/0,3=±16 раз вище за поріг чутливості. Відзначимо, що це справедливо за умови, якщо рівень власних шумів модуля введення нижче величини молодшого значущого розряду (МЗР), тобто похибка є чисто систематичною. При великій випадковій погрішності можна вжити заходів для її зменшення, наприклад за допомогою усереднювання результатів багатократних вимірювань.

Поріг чутливості, який визначається погрішністю вимірювань, може бути значно більше, ніж роздільна здатність, оскільки при визначенні погрішності враховують:

• нелінійність вимірювального приладу у всьому діапазоні вимірювань;

• динаміку процесу старіння приладу;

• технологічну нерівномірність метрологічних параметрів від приладу до приладу;

• не тільки систематичну, але і випадкову некорельовану компоненту погрішності, яка може бути зменшена до рівня МЗР шляхом багатократних вимірювань з подальшим усереднюванням результатів.

Роздільна здатність не залежить від перерахованих вище чинників, і це пояснює її відмінність від порогу чутливості і погрішності.

Приведемо декілька прикладів, коли вимоги до погрішності на декілька порядків можуть відрізнятися від вимог до роздільної здатності.

Приклад 1. Припустимо, є релейний регулятор, який відповідно до алгоритму своєї роботи повинен визначити знак різниці між температурою в печі і значенням установки. Якщо для вимірювання температури використовується термопара з датчиком температури холодного спаю, з погрішністю вимірювань 2°С, то для вимірювання температури в діапазоні 0...100°С достатньо 50 рівнів квантування, що може бути забезпечено 6-розрядним АЦП. Якщо ж використовувати 16-розрядний АЦП, то роздільна здатність по температурі складе 100/216=0,0015°С. У разі застосування 6-розрядного АЦП коливання температури в процесі регулювання не можуть бути менше 2°С, тоді як при використанні 16-розрядного АЦП амплітуда коливань наближається до 0,0015°С. Такий регулятор використовується, коли важлива стабільність в часі, а не точність відповідності установці. Наприклад, стабільність (а не точність) важлива для термостатів, які використовуються при калібруванні термодатчиків методом звірення із даними еталонного приладу. Нагадаємо, що альтернативним варіантом є калібрування за допомогою калібратора (задатчика), який повинен мати високу точність (і одночасно стабільність) задання температури.

Приклад 2. У елеваторах для зберігання рослинної сировини спостерігається ефект самообігрівання, зв'язаний, в основному, з діяльністю мікроорганізмів. Для забезпечення якості зерна абсолютне значення температури достатньо знати з погрішністю в декілька градусів, але факт її зростання бажано фіксувати з роздільною здатністю 0,1...0,01°С. Висока роздільна здатність дозволяє попередити розвиток самообігрівання на ранній стадії і розташувати датчики температури на великій відстані один від одного.

Приклад 3. Якщо потрібно виявити момент часу початку хімічної реакції за ознакою початку зростання температури, то необхідний прилад з високою роздільною здатністю, але необов'язково високою точністю.

Приклад 4. Нехай потрібно оцінити параметри коливального процесу (декремент загасання коливань, період коливань, коефіцієнт нелінійних спотворень, тривалість перехідного процесу, величину перешкоди на тлі корисного сигналу) — у всіх перерахованих випадках знаходиться співвідношення ординат або абсцис функції в різних її точках, тобто пропорції між окремими частинами графіка, які не залежать від самого значення функції. Тому такі вимірювання можуть бути виконані приладом, що має низьку точність, але високу роздільну здатність. Додатковою вимогою в даному прикладі є достатня лінійність вимірювального каналу в даному діапазоні.

Для поліпшення роздільної здатності при низькій точності використовується «електронна лупа» (аналогічний термін у фотоапаратах називається «zoom»). У основі принципу роботи електронної лупи лежить властивість будь-яких нелінійностей f(х) наближатися до лінійних залежностей:

при малих, що забезпечує відсутність нелінійних спотворень форми досліджуваного сигналу. Робота електронної лупи полягає в тому, що з досліджуваного сигналу віднімається деякий постійний рівень f(x0) а різниця посилюється за допомогою аналогового підсилювача або квантується АЦП з високою розрядністю. При цьому величина постійного рівня може бути задана з низькою точністю, оскільки метою є вимірювання співвідношень окремих ділянок сигналу між собою, а не відносно одиниці фізичної величини.

Точність, що вирішує здатність і поріг чутливості в загальному випадку вище у АЦП з великим числом двійкових розрядів, хоча прямого зв'язку тут немає. АЦП з високою розрядністю може мати великий рівень шумів, високу нестабільність джерела опорної напруги і пов'язану з ними низьку точність.