Заземление датчиков температуры

D = 8 мм,

M = 20 × 1,5 мм**,

S = 22 мм

D = 10 мм,

M =
20 × 1,5 мм**,

M = 27 × 2 мм**,

S = 32 мм

S = 27 мм

M = 22 × 1,5 мм**,

M = 22 × 2 мм**,

S = 27 мм,

R = 9,5 мм

S = 32 мм,

R = 12 мм

D = 6 мм,

D = 3; 4; 4,5 мм,

S =
22 мм

* Длина монтажной части L выбирается при заказе.

** По специальному заказу возможно изготовление датчика с трубной
резьбой.

Рекомендации по монтажу канальных датчиков температуры ДТС3015 (монтаж в стенку воздуховода, среда

Не рекомендуется устанавливать датчики в местах смешения потоков воздуха: на выходе рекуператоров, заслонок рециркуляции и т.п.

Рекомендации по монтажу накладных датчиков температуры ДТС3225 (монтаж на трубопровод с помощью хомутов; чувствительный элемент не погружается в теплоноситель, измеряет температуру трубопровода)

Для подготовки поверхности (места установки датчика) используйте напильник – поверхность трубопровода должна быть гладкая и чистая.

Рекомендации по монтажу врезных (погружных) в трубопровод датчиков температуры

Для свободного извлечения датчика из гильзы необходимо обеспечить достаточное расстояние (х) между датчиком и любым препятствием.

Рекомендуется погружать датчик в среду на всю длину монтажной (погружаемой) части.

Датчик температуры подачи теплоносителя необходимо устанавливать непосредственно на выходе теплообменника.

Примечание: изображения датчиков носят условный характер; защитную арматуру для монтажа датчиков в трубопровод (защитная гильза, бобышка) необходимо подбирать, исходя из конкретной модели датчика и диаметра трубопровода.

Общие рекомендации для датчиков температуры теплоносителя в трубопроводе

Для предотвращения попадания воды в корпус датчика обеспечьте при монтаже датчика петлю для стекания капель. Всегда оставляйте кабель с запасом для удобного демонтажа (извлечения) датчика без отключения проводов.

При смешении воды разной температуры сохраняйте рекомендуемое расстояние между местом установки датчика температуры на трубопровод и точкой смешения.

d – диаметр трубопровода

L – расстояние от точки смешения до датчика:

Рекомендации по монтажу датчиков для измерения температуры окружающего воздуха ДТС3005 (крепление на стену снаружи или внутри здания, среда

Устанавливайте датчик ДТС3005 правильно:

На рисунках обозначены места, где нельзя устанавливать датчики температуры окружающего воздуха! Установка датчиков в обозначенных местах приведет к искажению измеренной температуры (уличного либо комнатного воздуха).

На предприятиях, где используются датчики температуры, встречаются различные варианты креплений датчиков. В этой статье мы рассмотрим основные варианты креплений датчиков и сопутствующую арматуру для них – бобышки, штуцеры и гильзы.
Варианты креплений датчиков температуры

1. Рассмотрим канальное крепление подробнее, потому что именно здесь используется арматура для монтажа

Одним из основных вариантов присоединения датчиков температуры является резьбовое. Для резьбового соединения должно быть предусмотрено посадочное отверстие с внутренней резьбой. Данным закладным устройством является бобышка, которая приваривается к трубе или ёмкости.

Бобышки бывают трёх видов:

Длину бобышки нужно выбирать в зависимости от длины погружения датчика температуры. В свою очередь длина применяемого термопреобразователя зависит от диаметра трубы, в которую он монтируется. Важно также учитывать удобство монтажа на объекте. В любом случае с расчетом длины погружения вам поможет межгосударственный стандарт ГОСТ 8.586.5-2005.

Датчики с неподвижным несъёмным штуцером

Поскольку у данных моделей штуцер неподвижный, и он просто вкручивается в бобышку, для монтажа используются прямая или угловая бобышки.
Пример маркировки бобышек ОВЕН:

Датчики с подвижным несъёмным штуцером

В данном варианте датчик оснащен резьбовым штуцером подвижного типа, который свободно передвигается от упорной шайбы до коммутационной головки. В этом случае для крепления используем прямую бобышку с внутренним упором.
Прямая бобышка с внутренним упором, соприкасаясь с упорной шайбой датчика, не даёт ему «провалиться». Затем в бобышку вкручивается подвижный штуцер до упора, чтоб датчик не «гулял».

Датчики с гладкой монтажной частью

В данном случае для монтажа датчика в бобышку используется подвижный съемный штуцер ОВЕН ШП, который можно закрепить в любом месте монтажной части датчика.
Подвижный штуцер состоит из двух частей, которые соединяются между собой резьбой, а между ними есть фторопластовое уплотнение. При соединении двух частей уплотнение сжимается, и штуцер фиксируется на датчике в нужном месте. Далее эту конструкцию монтируем в бобышку.

Пример маркировки штуцера подвижного ОВЕН:

— диаметр монтажной части датчика:
если монтажная часть датчика имеет диаметр 8 мм, то подвижный штуцер выбираем диаметром 8,5 мм, чтобы в него спокойно прошла монтажная часть нашего датчика в 8 мм (см. пример).

— материал стали, из которой он выполнен:
материал штуцера может отличаться от материала монтажной части датчика по максимально допустимой температуре и выносливости по отношению к измеряемой среде. В штуцерах компании ОВЕН в качестве уплотнения используется Фторопласт-4 ГОСТ10007-80 – до +260 °С. На более высокие температуры можно использовать штуцеры с цельным корпусом.

Дополнительная защита для датчиков температуры –
защитные гильзы

Еще один вид арматуры – гильзы защитные ОВЕН ГЗ. Применяются для защиты датчиков температуры, работающих в измеряемой среде с повышенным давлением, и служат для безопасного извлечения или замены датчика без нарушения герметизации системы и прерывания технологического процесса. В тех случаях, если среда агрессивна по отношению к материалу самого датчика, используются гильзы из специальных сплавов, которые нейтральны к измеряемой среде.
Защитные гильзы бывают двух видов:

Крепление резьбовых гильз производится в бобышки типа Б.П.1 или Б.У.1. При монтаже датчиков в резьбовые гильзы нужно учитывать их присоединительные резьбы.

Крепление фланцевых гильз осуществляется на ответном фланце. При монтаже датчиков в фланцевые гильзы учитываем присоединительной резьбы и диаметр монтажной части датчика.

Варианты заполнения пустот между датчиком и гильзой: жидкое масло и термопаста

Добиться идеального контакта «металл в металл» между датчиком и гильзой невозможно, внутри всегда будет образовываться воздушная прослойка. Но воздух – плохой проводник тепла, поэтому прослойку обычно заполняют трансформаторным маслом или термопастой – для увеличения теплопроводности и снижения показателя тепловой инерции.

Если датчик монтируется в стенку емкости, то обычно сначала вваривают угловую бобышку и в нее закручивают гильзу и датчик под углом 45 градусов к стенке емкости. При данном монтаже гильзу заполняют жидким маслом или термопастой. Если же датчик с гильзой монтируется в дно ёмкости, то для заполнения гильзы используют только термопасту, так как жидкое масло может вытечь.

2. Крепление накладных датчиков температуры

Такой способ установки привлекателен тем, что при создании специального посадочного места не надо напрямую контактировать и вмешиваться в среду измерения процесса.
Накладной датчик необходимо устанавливать на неизолированном участке трубы. Для обеспечения максимальной площади соприкосновения с чувствительным элементом датчика рекомендуется тщательно зачистить контактную поверхность трубы. Для улучшения теплопроводности при монтаже датчика на трубу рекомендуем использовать термопасту. При этом чувствительный элемент датчика должен плотно прилегать к поверхности трубы. Фиксируется накладной датчик обычно хомутом.

накладной датчик измеряет температуру теплоносителя косвенно, и быстрота реакции датчика зависит от толщины трубы, теплопроводности материала и правильности установки датчика. Данный метод измерения нельзя использовать для коммерческого учёта, где требуется высокая точность данных и которой можно добиться только непосредственным контактом со средой.

Правила монтирования датчиков температуры

Многие спрашивают: «А есть ли официальная документация и ГОСТы, где прописано, как нужно производить установку датчиков температуры и как рассчитать нужную длину погружения?» Да, такой документ есть – это межгосударственный стандарт ГОСТ 8.586.5-2005. Монтирование средств измерения температуры описано в пункте 6.3.

Хотите проверить свои знания?

Датчики температуры являются важными элементами многих измерительных устройств. С помощью них измеряют температуру окружающей среды и различных тел. Данные приборы широко применяются в качестве измерителей температуры не только на производствах и в промышленности, но и в быту, и в сельском хозяйстве, то есть там, где людям в силу рода деятельности необходимо измерять температуру. И всегда имеет место вопрос, а как правильно осуществить подключение такого датчика, чтобы его функционирование было точным и не было бы сбоев?

Для подключения датчика температуры не требуется сложных работ, главное здесь — следовать точно инструкции, тогда и результат будет успешным, а самое сложное, что потребуется для монтажа — это обычный паяльник.

Типичный датчик представляет собой, как готовое устройство, шнур длиной более 2 метров, на конце которого закреплен непосредственно измерительный прибор, он отличается от шнура цветом, обычно — черный. Подключают устройство к аналого-цифровому преобразователю, который переводит аналоговый сигнал (ток или напряжение) от датчика в цифровой.

Один из выводов датчика заземляется, а второй подключается непосредственно к регистру АЦП сопротивлением 3-4 Ом. АЦП затем может быть подключен к модулю сбора информации, который посредством USB-интерфейса может быть подключен к компьютеру, где с помощью специальной программы можно производить те или иные действия, опираясь на полученные данные.

Программы позволяют оперировать с полученной информацией и выполнять множество связанных с измерением температуры задач. Многие современные системы сбора информации оснащены специально дисплеями для возможности мониторинга осуществленных измерений.

Несмотря на кажущуюся простоту, датчики температуры имеют разные схемы подключения, поскольку часто необходимо учитывать погрешности, связанные с сопротивлением проводов.

Рассмотрим конкретный пример. Прибор PT100 имеет сопротивление 100 Ом при температуре на датчике 0 градусов Цельсия. Если его подключить по классической двухпроводной схеме, используя медный провод сечением 0,12 кв.мм, причем соединительный кабель будет иметь длину 3 метра, то два повода сами будут иметь сопротивление приблизительно 0,5 Ом, а это даст погрешность, ибо суммарное сопротивление при 0 градусов будет уже 100,5 Ом, а такое сопротивление должно быть у датчика при температуре 101,2 градуса.

Мы видим, что при подключении по двухпроводной схеме могут возникнуть проблемы, связанные с погрешностью из-за сопротивления соединительных проводов, однако этих проблем можно избежать. Для этого в некоторых приборах возможна корректировка, например на 1,2 градуса. Но такая корректировка не скомпенсирует полностью сопротивление проводов, ибо провода сами под действием температуры изменяют свое сопротивление.

Допустим, часть проводов расположена совсем неподалеку от нагреваемой камеры, вместе с датчиком, а другая часть — далеко от нее, и меняет свою температуру и сопротивление под действием окружающих факторов в помещении. В таком случае сопротивление проводников 0,5 Ом в процессе нагрева до каждых 250 градусов будет становиться в 2 раза больше, и это необходимо учесть.

Чтобы избежать погрешности, используют подключение по трехпроводной схеме, чтобы прибор измерил общий показатель сопротивления вместе с сопротивлением обоих проводов, хотя можно учесть сопротивление одного провода, просто умножив его потом на 2. После этого из суммы вычитается сопротивление проводов, и остается показание самого датчика. При таком решении получается довольно высокая точность даже если сопротивление проводов могла бы повлиять значительно.

Однако даже трехпроводная схема не может скорректировать погрешность связанную с разной степенью сопротивления проводников в силу неоднородности материала, разного сечения по длине и т. д. Конечно, если длина проводника мала, то и погрешность будет мизерной, и даже при двухпроводной схеме отклонения в показаниях температуры будут не значительными. Но если проводники достаточно длинные, то влияние их очень существенно. Тогда нужно применять уже четырехпроводное подключение, когда прибор измеряет сопротивление исключительно датчика без учета сопротивления проводов.

Так, двухпроводная схема применима в случаях когда:

Для более точных, прецизионных измерений, где погрешность не должна превышать 0,1 градус, применяют четырехпроводную схему.

Для проверки прибора можно использовать обычный тестер. Диапазоном для датчиков, которые обладают сопротивлением 100 Ом при 0 градусов, как раз подойдет от 0 до 200 Ом, этот диапазон есть на любом мультиметре.

Проверку породят при комнатной температуре, при этом определяют, какие из проводов прибора соединены накоротко, а какие соединены непосредственно с датчиком, затем измеряют, показывает ли прибор сопротивление, которое должно быть по паспорту при определенной температуре. В завершении нужно убедиться, что нет замыкания на корпус термопреобразователя, это измерение делается в мегаомном диапазоне. Для полного соблюдения техники безопасности не касайтесь руками проводов и корпуса.

Если в процессе проверки тестер покажет бесконечно большое сопротивление, это знак того, что в корпусе датчика случайно оказались жир или вода. Такое устройство некоторое время поработает, но показания его будут плавающими.

Важно помнить, что все работы по подключению и проверке датчика должны выполняться в резиновых перчатках. Нельзя разбирать устройство, а если что-то повреждено, например на кабелях питания отсутствует в каких-то местах изоляция, то такое оборудование устанавливать нельзя. Датчик при монтаже может вызывать помехи для других устройств, работающих поблизости, поэтому их следует предварительно отключить.

Если у вас возникают сложности, то доверьте работы профессионалам. Вообще, по инструкции все можно осуществить самостоятельно, но в некоторых случаях лучше не рисковать. По окончании монтажа убедитесь, что устройство прочно закреплено в нужном месте, это очень важно. Помните о том, что датчик крайне чувствителен к влажности. Не проводите монтажные работы во время грозы.

Проводите профилактические проверки время от времени, чтобы убедиться в том, насколько качественно работает датчик. Его качество в принципе должно быть высоким, не экономьте при покупке датчика, качественный прибор не может стоить очень дешево, это не тот случай, когда следует пытаться экономить.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Все помехи, воздействующие на кабели, датчики, исполнительные механизмы, контроллеры и металлические шкафы автоматики, в большинстве случаев протекают и по заземляющим проводникам, создавая паразитное электромагнитное поле вокруг них и падение напряжения помехи на проводниках. Источниками и причинами помех могут быть молния, статическое электричество, электромагнитное излучение, «шумящее» оборудование, сеть питания 220 В с частотой 50 Гц, переключаемые сетевые нагрузки, трибоэлектричество, гальванические пары, термоэлектрический эффект, электролитические процессы, движение проводника в магнитном поле и др.

Государственные центры стандартизации и сертификации во всех странах мира не разрешают производство оборудования, являющегося источником помех недопустимо высокого уровня. Однако уровень помех невозможно сделать равным нулю. Кроме того, на практике встречается достаточно много источников помех, связанных с неисправностями или применением несертифицированного оборудования.

В России допустимый уровень помех и устойчивость оборудования к их воздействию нормируются ГОСТ Р 51318.14.1, ГОСТ Р 51318.14.2, ГОСТ Р 51317.3.2, ГОСТ Р 51317.3.3, ГОСТ Р 51317.4.2, ГОСТ 51317.4.4, ГОСТ Р 51317.4.11, ГОСТ Р 51522, ГОСТ Р 50648.

При конструировании электронной аппаратуры для снижения уровня помех используют микромощную элементную базу с минимально достаточным быстродействием, а также практикуют уменьшение длины проводников и экранирование.

Характеристики помех

Помехи, лежащие в полосе пропускания аналоговых схем, имеют частоты до десятков килогерц. На цифровые цепи воздействуют помехи в полосе до сотен мегагерц. Помехи гигагерцевого диапазона непосредственного влияния на системы автоматизации не оказывают, однако после детектирования в нелинейных элементах они порождают низкочастотные помехи, лежащие в границах воспринимаемого спектра.

В сигнальных цепях и цепях заземления систем автоматизации содержится весь спектр возможных помех. Однако влияние оказывают только помехи, частоты которых лежат в полосе пропускания систем автоматизации. Среднеквадратическое значение напряжения (или тока) помехи Епомехи определяется шириной её спектра:

где e2 (ƒ) – спектральная плотность мощности помехи, В2/Гц; ƒн и ƒв – нижняя и верхняя границы спектра помехи. В частном случае, когда e2 (ƒ) слабо зависит от частоты, приведённое соотношение упрощается:

Таким образом, для уменьшения влияния помех на системы автоматизации нужно сужать ширину полосы пропускания (ƒв – ƒн) аналоговых модулей ввода и вывода. Например, если постоянная времени датчика τ составляет 0,3 с, что приблизительно соответствует полосе пропускания сигнала ƒ0,7 = 0,5 Гц (ƒ0,7 = 1/2 π·τ), то ограничение полосы пропускания модуля ввода величиной 0,5 Гц позволит уменьшить уровень помехи и тем самым повысить точность измерений, снизить требования к заземлению, экранированию и монтажу системы. Однако фильтр вносит динамическую погрешность в результаты измерения, зависящую от частоты (спектра) входного сигнала. В качестве примера на рис. 8 приведена зависимость погрешности измерений модулей RealLab! серии NL от частоты: при частоте входного сигнала 0,5 Гц (как в рассматриваемом примере) погрешность, вносимая фильтром, составляет –0,05%.

Наиболее мощной в системах автоматизации является помеха с частотой питающей сети 50 Гц. Поэтому для её подавления используют узкополосные фильтры, настроенные точно (с помощью кварца) на частоту 50 Гц. На рис. 9 в качестве примера приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) цифрового фильтра, использованного в аналоговых модулях NL: фильтр настроен таким образом, что он ослабляет на 120 дБ (на 6 порядков) помеху с частотой 50 Гц.

Следует отметить, что динамическая погрешность свойственна всем известным методам ослабления помехи нормального вида, хотя она часто не указывается в характеристиках аналоговых модулей, что может вводить пользователя в заблуждение.

При ещё большей инерционности датчиков или контролируемой системы (например, когда датчик стоит в печи, время выхода на режим которой составляет несколько часов) можно более существенно снизить требования к уровню помех, введя процедуру многократных измерений и дополнительную цифровую фильтрацию в управляющем контроллере или компьютере. В общем случае, чем больше время измерения, тем точнее можно выделить сигнал на фоне шума.

Следует отметить, что наличие фильтра не всегда спасает от влияния помех. Например, если высокочастотная помеха, перед тем как попасть на вход модуля ввода, детектируется или выпрямляется на нелинейных элементах, то из сигнала помехи выделяется постоянная или низкочастотная составляющая, которая уже не может быть ослаблена фильтром модуля ввода. В качестве нелинейных элементов могут выступать, например, контакты разнородных металлов, защитные диоды, стабилитроны, варисторы.

Помехи из сети электроснабжения

Питающая сеть 220/380 В с частотой 50 Гц и подключённые к ней блоки питания являются источниками следующих помех:

Наибольшее влияние на системы промышленной автоматики оказывают первые три вида помех. Для уменьшения кратковременных выбросов напряжения используют специальные защитные диоды и варисторы. Инфранизкочастотный шум и искажения синусоиды отфильтровываются стабилизатором и сглаживающим фильтром сетевого источника питания и не проходят сквозь паразитные ёмкости сетевого трансформатора.

Причинами и источниками сетевых помех могут быть разряды молнии при попадании в линию электропередачи, включение или выключение электроприборов, тиристорные регуляторы мощности, реле, электромагнитные клапаны, электродвигатели, электросварочное оборудование и др.

Путь проникновения сетевой помехи показан на рис. 12. Силовой или развязывающий трансформатор включён в сеть 220 В (50 Гц). Сеть представлена эквивалентным источником напряжения сети Е~220В и эквивалентным источником помех Епомехи, описанными ранее. Нулевой провод источника сетевого напряжения заземлён на главном щите у ввода в здание. Если выход источника питания тоже заземлён, что часто необходимо для целей электробезопасности, то возникает путь протекания тока помехи, показанный на рис. 12, включающий сопротивление земли между двумя заземлителями RЗемли. Основным звеном в этой цепи является паразитная ёмкость между обмотками силового трансформатора Спар1, для уменьшения влияния которой часто используют заземлённый электростатический экран (рис. 13). Ток помехи протекает по общему проводу источника питания и заземлителю (рис. 12), создавая на их сопротивлении падение напряжения помехи, о котором речь пойдёт в следующих разделах (на рис. 12 эти участки цепи выделены жирной линией). Ток помехи фактически может замыкаться не на подстанции, а через внутреннее сопротивление других электроприборов, подключённых к электрической сети, а также через ёмкость кабеля.

Наиболее значительной помехой, проникающей в шину заземления из сети 220 В (50 Гц), являются ёмкостные токи, протекающие через ёмкость между обмоткой двигателя и его корпусом, токи между сетевой обмоткой трансформатора и сердечником, токи через конденсаторы сетевых фильтров.

Путь тока помехи через ёмкость между первичной обмоткой трансформатора и его заземлённым сердечником Спар3 показан на рис. 12. Этот ток также протекает через общий провод источника питания и заземлитель. Наличие ёмкости приводит к тому, что незаземлённые электроприборы «бьют током». При отсутствии заземления потенциал металлического корпуса приборов, подключённых к сети 220 В, составляет от нескольких десятков до 220 В в зависимости от сопротивления утечки на землю. Поэтому корпуса приборов, включённых в сеть 220 В, должны быть заземлены.

При использовании DC/DC- и AC/DC-преобразователей к источнику помехи Епомехи добавляется ёмкостная и индуктивная наводка от собственного генератора преобразователя. Поэтому в общем случае уровень помех на общем проводе у DC/DC- и AC/DC-преобразователей выше, чем в источниках с обычным силовым трансформатором, хотя проходная ёмкость Спар1 в преобразователях может быть уменьшена до единиц пикофарад по сравнению с сотнями пикофарад для обычного силового трансформатора.

Для уменьшения проникновения помехи в источниках питания используют раздельное экранирование первичной и вторичной обмоток трансформатора, а также разделение сигнальной и корпусной земли (рис. 13). На рисунке сплошной жирной линией нарисован металлический корпус прибора, кружочки обозначают клеммные соединители. Методы соединения различных земель между собой будут описаны далее (см. раздел «Методы заземления»).

Молния и атмосферное электричество

Молнии могут образовываться также при пылевых бурях, метелях, извержениях вулканов. Частота поражения молнией зданий высотой 20 м и размерами в плане 100×100 м составляет 1 раз в 5 лет, а для зданий с размерами порядка 10×10 м – 1 попадание за 50 лет (РД 34.21.122-87). Количество прямых ударов молнии в Останкинскую телебашню высотой 540 м составляет 30 ударов в год.

Для защиты от прямого удара молнии используют молниеотводы, которые состоят из штыря (молниеприёмника), находящегося над зданием, заземлителя и соединяющего их проводника. Система молниеотвода образует низкоимпедансный путь для прохождения тока молнии на землю, минуя структуры здания. Молниеотвод должен находиться как можно дальше от здания, чтобы ослабить эффект взаимной индукции, и в то же время достаточно близко, чтобы защитить здание от прямого попадания молнии. Для зданий с большой площадью крыши молниеотводы устанавливают на крыше и соединяют между собой и с заземлителем стальными полосами. Заземлитель молниеотвода выполняют отдельно от защитного заземления здания, но электрически соединяют с ним с целью выравнивания потенциалов и устранения возможных искрений (РД 34.21.122-87).

Ток молнии, проходя по земле, создаёт в ней падение напряжения, которое может вывести из строя драйверы интерфейсов, если они не имеют гальванической развязки и расположены в разных зданиях (с разными заземлителями).

В линиях электропередачи разряд молнии принимается на экранирующий провод, который отводит молнию в землю через заземлитель. Экранирующий провод протягивают над фазовыми проводами, однако на фазовых проводах наводится импульс эдс вследствие явления электромагнитной индукции. Этот импульс проходит на трансформаторную подстанцию, где ослабляется искровыми разрядниками. Остаточный импульс проходит в потребительскую линию (рис. 10 a) и через силовой трансформатор — в цепи заземления систем автоматизации (рис. 12).

Высокая напряжённость поля, вызванная атмосферным электричеством, может наводить заряды в «плавающих» цепях с высоким сопротивлением изоляции относительно земли величиной в несколько тысяч вольт и приводить к пробою оптронов в модулях гальванической развязки. Для защиты от атмосферного электричества гальванически изолированные цепи, не имеющие низкоомного пути на землю, должны быть помещены в заземлённый электростатический экран. В частности, атмосферное электричество является одной из причин, по которым промышленные сети прокладывают экранированной витой парой. Экран кабеля нужно заземлять только в одной точке (см. подраздел «Заземление экранов сигнальных кабелей»).

Следует отметить, что молниеотводы, служащие для защиты от прямого удара молнии, не могут существенно уменьшить напряжённость электрического поля атмосферных зарядов и никак не защищают аппаратуру от мощного электромагнитного импульса во время грозы.

Статическое электричество

Статическое электричество возникает на диэлектрических материалах. Величина заряда зависит от скорости движения трущихся тел, их материала и величины поверхности соприкосновения. Примерами трущихся тел могут быть:

Вторым способом борьбы со статическим электричеством является установка в помещении увлажнителя воздуха для получения влажности выше 50%.

Для уменьшения зарядов на теле человека используют заземление запястья работников, электропроводные полы, электропроводную одежду, увлажнение воздуха.

Результатом возникновения статических электрических зарядов может быть пробой входных каскадов измерительных систем, появление линий на ЭЛТ-мониторах, переход триггеров в другое состояние, поток ошибок в цифровых системах, пробой изоляции гальванически изолированных цепей с большим сопротивлением на землю, воспламенение взрывоопасной смеси.

Для защиты систем автоматизации от сбоев, вызванных статическим электричеством, используют электростатические экраны, соединённые с экранным заземлением, а также преобразователи интерфейсов с защитой от статического электричества (например, преобразователь интерфейсов NL-232C имеет защиту от статических зарядов с потенциалом до ±8 кВ по стандарту IEC 1000-4-2).

Кондуктивные наводки

Кондуктивная наводка – это помеха, которая передаётся из соседних электрических цепей не через электромагнитное поле, а путём переноса электрического тока по общим для обеих цепей проводникам, в основном через общие участки цепей заземления или питания. Обычно источником кондуктивных помех являются генераторы, цепи с большим током, цифровая часть аналого-цифровой схемы, реле, DC/DC- и AC/DC-преобразователи, шаговые двигатели с импульсным питанием, мощные печи с ШИМ-управлением, а также помехи из сети питания, протекающие по общему участку заземления, и помехи с частотой преобразования источника бесперебойного питания (UPS).

Наиболее типичной причиной появления кондуктивных помех в системах промышленной автоматизации является неправильно выполненное заземление.

Рассмотрим пример (рис. 15). Ток питания цифровой части модуля ввода Iпом проходит по общему участку провода, который имеет сопротивление Rобщ и создаёт на нём падение напряжения помехи Vпом. При неправильном соединении аналогового входа модуля ввода с источником сигнала (на рис. 15 а показано зачёркнутой линией) ко входу модуля прикладывается сумма напряжения измеряемого сигнала и напряжения помехи Ес + Vпом. При более правильном соединении входа «–» модуля с источником сигнала (на рис. 15 а показано штриховой линией) на вход модуля действует синфазная помеха Vпом, которая при недостаточном коэффициенте подавления синфазного сигнала может вносить погрешность в результат измерения. Для устранения обоих источников погрешности соединение аналоговой и цифровой земли необходимо выполнять в одной общей точке (рис. 15 б). При этом падение напряжения помехи на заземляющем проводнике никак не сказывается на аналоговой части модуля.

Электромагнитные наводки

Электромагнитные наводки появляются вследствие явления электромагнитной индукции: в проводящем контуре, находящемся в электромагнитном поле, возникает эдс индукции, если контур разомкнут, или индукционный ток, если контур замкнут. Источниками электромагнитного поля помехи могут быть радиомодем, радиотелефон, радиоретранслятор, радиостанция, сотовый передатчик на крыше здания, двигатель с искрящимися щётками, электросварочный аппарат, трамвай, люминесцентные лампы, тиристорный регулятор, компьютер, телевизионные и радиостанции, сотовые телефоны, цифровая часть измерительной системы, реле регулятора, космическое коротковолновое излучение, удар молнии и др.

Источником электромагнитной помехи может быть также и цифровая (дискретная) подсистема системы автоматизации, например, компьютер, реле, тиристоры, мощные выходы дискретных модулей. Сильными источниками электромагнитных помех являются и оптоволоконные передатчики, поскольку они потребляют большой ток и работают на высоких частотах. Излучаются помехи с помощью случайных проводников, образующих дипольную или рамочную антенну. Дипольная антенна является источником преимущественно электрического поля в её окрестности, рамочная – источником магнитного поля. Вдали от таких источников доминирующего поля нет, есть поперечная электромагнитная волна. Реальные системы образуют множество излучающих антенн, состоящих из проводников, кабелей и различных металлических поверхностей.

Наводятся электромагнитные помехи на всех проводящих предметах, которые в рассматриваемом случае играют роль антенн. Мощность наведённой помехи зависит от площади контура, охваченного проводником, или от длины провода. Помеха, наведённая в такой антенне, кондуктивным путём может передаваться в сигнальные цепи или цепи заземления, вызывая поток ошибок в цифровых схемах или погрешность передачи сигнала в аналоговых.

Верификация заземления

Для обнаружения проблем заземления
используют осциллографы с «плавающим» (батарейным) питанием и самописцы.

Идеальным прибором для исследования
помех мог бы быть миниатюрный цифровой осциллограф с малой ёмкостью на землю и
на руки оператора, с батарейным питанием и передающий сигнал в компьютер через
оптический кабель, имеющий потенциальный, токовый и электрометрический
входы.

Часть 2

Гальваническая развязка цепей является радикальным решением большинства проблем, связанных с заземлением, и её применение фактически стало стандартом в системах промышленной автоматизации.

Для осуществления гальванической развязки (изоляции) необходимо выполнить подачу энергии и передачу сигнала в изолированную часть цепи. Подача энергии выполняется посредством развязывающего трансформатора (в DC/DC- или AC/DC-преобразователях) или с помощью автономных источников питания (гальванических батарей и аккумуляторов). Передача сигнала осуществляется через оптроны и трансформаторы, элементы с магнитной связью, конденсаторы или оптоволокно.

Основная идея гальванической развязки заключается в том, что в электрической цепи полностью устраняется путь, по которому возможна передача кондуктивной помехи.

Гальваническая изоляция позволяет решить следующие проблемы:

Для применения гальванической развязки система автоматизации делится на автономные изолированные подсистемы, между которыми отсутствуют проводники (гальванические связи). Каждая подсистема имеет свою локальную землю. Подсистемы заземляют только для обеспечения электробезопасности и локальной защиты от помех.

Основным недостатком цепей с гальванической развязкой является повышенный уровень помех от DC/DC-преобразователя, который, однако, для низкочастотных схем можно сделать достаточно малым с помощью цифровой и аналоговой фильтрации (см. раздел «Характеристики помех»). На высоких частотах ёмкость подсистемы на землю и ёмкость между обмотками трансформатора являются факторами, ограничивающими достоинства гальванически изолированных систем. Ёмкость на землю можно уменьшить, применяя оптический кабель и уменьшая геометрические размеры гальванически изолированной подсистемы.

Распространённой ошибкой при применении гальванически развязанных цепей является неверная трактовка понятия «напряжение изоляции». В частности, если напряжение изоляции модуля ввода составляет 3 кВ, это не означает, что его входы могут находиться под таким высоким напряжением в рабочих условиях. Рассмотрим методы описания характеристик изоляции. В зарубежной литературе для этого используют три стандарта: UL 1577, VDE 0884 и IEC 61010-01, но в описаниях устройств гальванической развязки не всегда даются на них ссылки. Поэтому понятие «напряжение изоляции» трактуется в отечественных описаниях зарубежных приборов неоднозначно. Главное различие состоит в том, что в одних случаях речь идёт о напряжении, которое может быть приложено к изоляции неограниченно долго (рабочее напряжение изоляции), а в других случаях речь идёт об испытательном напряжении (напряжение изоляции), которое прикладывается к образцу в течение времени от 1 минуты до нескольких микросекунд. Испытательное напряжение может в 10 раз превышать рабочее и предназначено для ускоренных испытаний в процессе производства, поскольку определяемое этим напряжением воздействие на изоляцию зависит также от длительности тестового импульса.

Табл. 1 показывает связь между рабочим и испытательным (тестовым) напряжением изоляции по стандарту IEC 61010-01. Как видно из таблицы, такие понятия, как рабочее напряжение, постоянное, среднеквадратическое или пиковое значение тестового напряжения могут отличаться очень сильно.

Электрическая прочность изоляции отечественных средств автоматизации испытывается по ГОСТ 51350 или ГОСТ Р МЭК 60950-2002, то есть синусоидальным напряжением с частотой 50 Гц в течение 1 минуты при напряжении, указываемом в руководстве по эксплуатации как напряжение изоляции. Например, при испытательном напряжении изоляции 2300 В рабочее напряжение изоляции составляет всего 300 В (табл. 1).

Литература

15. Low level measurements. — 5th edition.
Ohio : Keithley ; 2004.

16. Барнс Д.
Электронное конструирование: методы борьбы с помехами. — М. : Мир, 1990. — 239
с.

17. Ke H., Lee W.-J., Chen M.-S., Liu J.-P.,
Yang J. S. Grounding techniques and
induced surge voltage on the control signal cables // IEEE Transactions on
Industry Applications. 1998. Vol. 34. No. 4. P. 663- 668.

18. Caruso M. Analog grounding
considerations : Application Note AN-103. — Honeywell.

20. Денисенко
В.В. Выбор аппаратных средств автоматизации опасных промышленных объектов //
Современные технологии автоматизации. 2005. № 4. С. 86-94.

21. Гарманов
А. Принципы обеспечения электросовместимости измерительных приборов //
Современные технологии автоматизации. 2003. № 4. С. 64-72 ; 2004. № 1. С. 62-68.