Заземление, экранирование и защита в измерительных системах

В статье обсуждаются методы заземления, экранирования и защиты в измерительных системах, которые позволяют исключить паразитные наводки и снизить погрешность измерений. Статья представляет собой перевод.

Неэффективное экранирование и некачественное заземление часто являются причинами низкой точности измерений, особенно в системах с высоким импедансом. Проблемы с экранированием и заземлением зачастую вызывают ошибки измерений. Во многих случаях ошибки измерений могут возникать из-за токов от внешних полей, которые наводятся на измерительные выводы оборудования.

В статье рассматривается, каким образом паразитные контуры по земле и плохое электростатическое экранирование могут вызывать ошибки или генерирование токов помех в измерительных выводах или тестируемом устройстве. Обсуждаются методы обнаружения токов ошибок и способы предотвращения потери целостности измерений. Вначале познакомимся с базовыми сведениями об электростатике, чтобы более точно понимать источники возможных проблем.

БАЗОВЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОСТАТИКЕ
Заряды или заряженные частицы являются точечными источниками электрического (электростатического) поля. Силовые линии поля всегда начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных. Между частицами, заряды которых противоположны по знаку, наблюдается притягивающая сила, а если заряды идентичны, то — отталкивающая. Электрическое поле накапливает энергию: величина накопленной энергии пропорциональна суммарному числу силовых линий поля (или общему заряду). Ток ошибки, который наводится на проводники измерительной системы, прямо пропорционален напряженности поля. При данном напряжении емкость описывает взаимосвязь между зарядом и напряжением на двух проводящих телах. Энергия, накопленная полем, равна половине емкости, умноженной на квадрат напряжения: E (в Джоулях) = %CV2.

Напряжения генерируют поле с высоким импедансом. Токи (магнитные поля) генерируют поле с низким импедансом. Импеданс поля всегда соответствует отношению электрического поля к магнитному для любой электромагнитной волны. Защитные экраны работают на основе как отражения, так и поглощения энергии поля. Если выходной импеданс электромагнитной волны ортогонален импедансу волны, то будет преобладать отражение. Если их импедансы близки, то возможно только поглощение.

ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ
Заряды, не связанные с измерительной цепью, могут вызывать проблемы при измерениях. Если заряд зафиксирован в пространстве около неэкра-нированного измерительного стенда, то электрическое поле от заряда будет излучаться на измерительные выводы и прерываться на зеркальном заряде (комплиментарном заряде противоположной полярности). Вызванный электрическим полем постоянный ток утечки может втекать в измерительные выводы.

Если заряд или проводник с распределением заряда перемещается в пространстве по отношению к измерительной цепи, то переменный ток (I = V-dC/dt, где C — емкость между зарядом или проводником и измерительной цепью) будет втекать в измерительные выводы. Внешние проводники с напряжением, отличным от напряжения в измерительной цепи, ведут себя точно так же, как и точечные заряды. Когда напряжение на внешнем проводнике изменяется, ток, равный I = C -dv/dt, будет втекать в измерительные выводы. В обоих случаях, т.е. случаях точечных зарядов и разных напряжений, будут наводиться помехи и токи ошибки на измерительную цепь. Любая силовая линия электрического поля, заканчивающаяся на измерительных выводах, имеет емкость, в результате чего ток может наводиться на схему.

Электрические поля доминируют в среде взаимодействия помех, за исключением случаев, когда используются высокие токи, или когда измерительные приборы или стенды работают вблизи трансформатора или источника магнитного поля. В идеальной ситуации все линии электрического поля от внешних источников должны попадать на экран или защиту, а не на измерительные выводы. Кроме того, все силовые линии электрического поля от измерительных приборов должны попадать либо на экран, либо на защиту, а не на внешние проводники или заряды. Когда внешние силовые линии электрического поля попадают либо на экран, либо на защиту, измерительная цепь не будет подвергаться воздействию внешних источников помех.

РАДИОЧАСТОТНАЯ СВЯЗЬ
Заземление, экранирование и защита в измерительных системахРадиочастотная энергия распространена повсеместно. Любые проводники достаточной длины, в т.ч. кабели, соединяющие измерительный прибор с устройствами, могут выступать в роли радиоантенны. Хотя радиочастотный спектр находится вне полосы пропускания измерительного прибора, электромагнитное излучение генерирует токи, которые могут перемещаться по такой антенне (в данном случае, по измерительным выводам). Когда эти токи вступают во взаимодействие с усилителями внутри прибора, они могут быть преобразованы в выпрямленное напряжение, что вызывает появление постоянного смещения. По этой причине необходимо экранировать оба вывода измерительного прибора — положительный (HI) и отрицательный (LO), чтобы обеспечить протекание этих токов в экране, а не в измерительных выводах. В качестве защиты от этого источника помех обычно используется защитный экран (вне защитного кожуха измерительного прибора). Однако для того, чтобы обеспечить полное экранирование на этих частотах, защитный экран не должен иметь каких-либо вырезов (отверстий или щелей), размеры которых превышают Л/2, где Л — длина волны излучения помех.

МАГНИТНАЯ СВЯЗЬ
Магнитная связь не имеет отношения к токам, протекающим в измерительных выводах, а связана, скорее, с генерированием напряжения в соответствии с законом индукции Фарадея. Магнитное поле, в отличие от электрического, является полем с низким импедансом. Проводники, которые подходят для применения в качестве экранов, обеспечивают согласование импеданса (в отличие от электрического поля с высоким импедансом) с магнитным полем. В результате они не отражают энергию от измерительных проводников внутри экрана. Чтобы экранировать магнитное поле, нужно выполнить одно из двух условий: либо силовые линии магнитного потока должны проходить через магнитный материал (для случая постоянного тока и низких частот с применением защитных экранов из ц-металла), либо толщина экрана должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить ослабление поля за счет поглощения энергии. Правила выбора оптимальной толщины экрана описаны в литературе, в частности, в справочнике Рона Шмита (Ron Schmitt) «Electromagnetics explained: а handbook for Wireless/RF, EMC, and high-speed Electronics».

ЭКРАНИРОВАНИЕ
Целью экранирования является снижение или исключение наводки токов помех на измерительную цепь. Эти токи могут возникать из точечных источников заряда, генерирующих электрические поля и распределение напряжения. Известно, что люди переносят статические заряды. Потенциалы силовых линий переменного тока внутри и вокруг лабораторного или производственного оборудования могут создавать переменные электрические поля, которые, в свою очередь, генерируют токи помех. Когда тестируемые устройства заземлены вне пределов измерительного прибора, то причиной возникновения еще одного электрического поля, генерирующего ток в измерительных выводах, является другой потенциал земли (отличный от потенциала земли измерительного прибора). Емкость изоляции в силовом трансформаторе измерительного прибора также является частью цепи, поддерживающей ток ошибки. Такие явления как грозы и другие изменения окружающей природной среды могут вызвать изменения электростатического поля. Излучение от источников радиочастотных помех также может генерировать токи в тестовых выводах. Из-за этого в усилителях измерительной аппаратуры появляются смещения напряжения, вызванные выпрямленными токами, которые были наведены электромагнитным излучением. Даже в хорошую погоду сама земля имеет поле по отношению к верхним слоям атмосферы на уровне 100 В/м.

Электростатическое поле препятствует воздействию внешних электрических полей (полей с высоким импедансом) на измерительную цепь за счет создания эквипотенциальной поверхности, перехватывающей это электрическое поле и тем самым отклоняющей его от расположенных внутри измерительных выводов. Чтобы предохранить взаимную наводку экрана и внутренних схем, заземление экрана нужно подключать к отрицательному выводу LO внутри измерительного прибора. Такая схема заземления гарантирует, что внутренние узлы измерительной цепи видят только потенциал LO измерительного прибора. Электростатический экран заземлен в общей точке схемы. Обратите внимание, что выводы HI и LO экранированы, а защитный кожух вокруг тестируемого устройства обеспечивает полную электростатическую экранировку. Чтобы обеспечивать высокую эффективность, экран должен закрывать весь измерительный узел. Конструкция измерительного прибора изначально должна включать такой экран, и нужно предусмотреть возможность его расширения вне прибора. Хотя этот экран полезен для любых измерений, он особенно необходим для высокоомных измерений (т.е. для любых измерений с импедансом более 100 кОм). Результирующее напряжение помех выражается через формулу: V = I-R, где Ii — наведенный ток, а R — импеданс измерения. Такой экран не препятствует перемещению переменных или постоянных токов между измерительными схемами и экраном. Общий экран лишь обеспечивает защиту от внешних электростатических помех.

Активная защита выполняет все те же функции, что и общий экран, а, кроме того, устраняет попадание токов с защиты на измерительные цепи. Обратите внимание, что выводы HI и LO либо экранированы, либо защищены, а защитный кожух вокруг тестируемого устройства обеспечивает полную электростатическую экранировку. Защита представляет собой общий экран, соединенный с напряжением измерительной цепи через буфер (а не подключенный к отрицательному выводу измерительного прибора), в результате чего устраняется электрическое поле между защитой и измерительной цепью. Устройства защиты используются в схемах, предназначенных для измерения очень малых токов и обязательны для измерения токов менее 1 нА. При измерении токов величиной 1 нА и менее нужно в первую очередь обеспечить защиту измерительного узла. Приборы, используемые для измерения таких малых токов, имеют внутреннюю защиту. Необязательно кроме защиты иметь еще и экран вокруг измерительного узла, но остальная часть измерительной схемы должна быть экранирована. Конфигурация электрометра позволяет общему экрану работать также в качестве защиты, за счет того, что на измерительном узле обеспечен потенциал земли (см. рис. 3). Отсюда понятно, что основополагающая разница между экраном и защитой заключается в том, что экран препятствует воздействию внешних полей на измерительную цепь, в то время как защита предохраняет измерительную цепь от постоянных токов утечки, окружая ее напряжением, идентичным напряжению на измерительном узле как внутри, так и снаружи прибора. Обработка металла занимает центральное место во многих производствах, при этом механообработка стоит совсем не дорого.

ЗАЩИТНОЕ ЗАЗЕМЛЕНИЕ
Защитный экран охватывает электростатический экран, защищая пользователя измерительного прибора от воздействия опасно высоких напряжений на тестируемом устройстве или измерительных выводах. Защитный экран должен быть подключен к заземлению на приборе и иметь величину предельно допустимого тока, превышающую величину выходного тока блока питания и измерения (SMU) и любого тока, вытекающего из отрицательного вывода LO. Если коснуться измерительного вывода, электростатического экрана или активной защиты, расположенной внутри защитного экрана, когда он установлен в рабочем положении, то соединение с землей обеспечит на нем низкий потенциал. Защитный экран гарантирует также защиту от сети переменного тока внутри измерительного прибора. В этом случае в роли защитного экрана выступает корпус прибора, который также подключен к земле. Защитная система заземления сопровождает систему питания, чтобы можно было реализовать такое соединение. Защитное заземление измерительной аппаратуры выполнено на входе питания, что всегда обеспечивает безопасность при касании металлического корпуса прибора. Даже если сетевое напряжение отсоединится и придет в соприкосновение с корпусом внутри прибора, защитное заземление сохранит на корпусе прибора низкий потенциал и обеспечит безопасность человека при касании.

Заземление, экранирование и защита в измерительных системах

Экран с защитным заземлением никогда не следует использовать как электростатический экран. Даже правильно спроектированный измерительный прибор генерирует токи, которые перемещаются по защитному заземлению в сетевом шнуре. Ток от Y-конденсаторов источника питания и высокочастотные токи от импульсного источника питания могут генерировать напряжение помехи на корпусе измерительного прибора относительно внешнего защитного заземления, т.к. ток протекает через индуктивность сетевого шнура питания. Результирующее напряжение помехи возникает как синфазное напряжение между защитным заземлением и корпусом прибора. Это напряжение доставляет неприятности, поскольку общий провод измерительного стенда не полностью изолирован от корпуса прибора (заземленного). Каждый прибор генерирует некоторый постоянный и переменный ток утечки через изолирующий барьер питающего провода прибора и конечную емкость между общим проводом прибора и его защитным заземлением. Эта емкость способствует протеканию переменного тока. Эти токи не должны протекать через какую-либо часть измерительной цепи (см. рис. 4). Они создают падения напряжения в измерительных выводах, а также напряжения на других сопротивлениях измерительной цепи. Поскольку приборы могут работать с напряжениями в сотни вольт, а заземление экрана должно быть соединено с общим проводом измерительного прибора, измерительные выводы и электростатический экран всегда должны рассматриваться как представляющие опасность для человека.

ЗАЗЕМЛЕНИЕ ЭКРАНА
Следует ли соединять с защитным заземлением экран измерительного прибора (который соединен с отрицательным выводом прибора)? Да, но только в том случае, когда данное приложение не использует отрицательного вывода (LO) измерительного прибора для подачи напряжения, и это должно быть сделано таким образом, чтобы не позволить токам втекать в измерительные выводы. С точки зрения измерительной аппаратуры, единственным вариантом, когда нужно подключать вывод LO к защитному заземлению, является сохранение синфазного режима на измерительных выводах прибора. Учитывая, что во многих измерительных приборах отрицательный вывод (LO) остается плавающим, можно включить высокоомный резистор (~100 кОм) между защитным заземлением и отрицательным измерительным выводом (LO).

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
TRIAL NEWS