Häiriökysymykset. Häiriöt mittauksissa. Teknillinen korkeakoulu Mittaustekniikan laboratorio. Esa Häkkinen Kim Fallström Atte Haapalinna Petri Kärhä

Transkriptio

1 Teknillinen korkeakoulu Mittaustekniikan laboratorio Espoo 999 Häiriökysymykset Häiriöt mittauksissa Esa Häkkinen Kim Fallström tte Haapalinna Petri Kärhä Kytkin a) b) Kulutuslaite S Maa lmastolliset ylijännitteet S Maa Lähikentät i k m E lähi maa H lähi E k H k Maa 3 kv pf Mittauskohde Mittauslaite Staattinen varaus purkautuu h r > l p adio ja TV v Kaukokenttä Z = E k H 377 Ω k i Verkkojännite +tyristorihäiriöt +muiden laitteiden aiheuttamat häiriöt Eriste Teknillinen korkeakoulu Sähkö- ja tietoliikennetekniikan osasto Mittaustekniikan laboratorio

2 Esipuhe Sähköiset häiriöt ja niiden vaikutus mittausjärjestelmiin ovat keskeisiä tekijöitä mittausjärjestelmiä suunniteltaessa. Sähköisten häiriökysymysten tuntemus ja elektronisten laitteiden sähkömagneettisten yhteensopivuusvaatimusten hallinta (EM) ovat nykyaikaisessa elektroniikkasuunnittelussa välttämättömiä taitoja. Tämä kirja esittelee elektronisissa mittauksissa esiintulevia häiriöitä ja niiden torjuntaa. Kirjan perustana on käytetty Esa Häkkisen laatimaa osuutta kirjasta Mittaustekniikka - Elektroniset mittaukset (Olli umala, Kalevi Kalliomäki ja Pekka Wallin) vuodelta 98. Tämän kirjan ovat alunperin toimittaneet Kim Fallström ja tte Haapalinna. 4. korjatun painoksen on toimittanut Petri Kärhä. Kirjan ensimmäisessä kappaleessa käsitellään erilaisia häiriötyyppejä ja luokittelua. Toisessa kappaleessa häiriöitä käsitellään niiden kytkeytymistavan mukaisesti jaoteltuna. Kolmannessa kappaleessa esitellään häiriöitä aiheuttavien kenttien havaitsemiseen ja mittaamiseen liittyviä menetelmiä. Kirjan neljännessä ja viimeisessä kappaleessa käsitellään erilaisia tapoja torjua sähköisiä häiriöitä mittausjärjestelmissä. Toinen, kolmas ja neljäs painos ovat identtisiä ensimmäisen, vuoden 996 painoksen kanssa, lukuunottamatta havaittujen virheiden korjaamista. Espoo tte Haapalinna (.,. ja 3. painos) Espoo Petri Kärhä (4. painos) - -

3 Sisällysluettelo. HÄÖLÄHTEET Luonnollinen häiriö - keinotekoinen häiriö Hyötysignaali - häiriösignaali Laajakaistainen häiriö - kapeakaistainen häiriö lmastolliset purkaukset Sähkömagneettinen pulssi (EMP) Staattisen varauksen purkaus Muita häiriölähteitä HÄÖDEN KYTKEYTYMNEN Kapasitiivinen kytkeytyminen Magneettinen kytkeytyminen Johtumalla kytkeytyminen....4 Yhteisen impedanssin kautta kytkeytyminen....5 Sähkömagneettinen kytkeytyminen....6 Häiriöjännite- ja virtatyypit HÄÖKENTTEN VOMKKKSEN MTTMNEN Sähkökentän voimakkuuden mittaus Magneettikentän voimakkuuden mittaus Sähkömagneettisen kentän kentänvoimakkuuden mittaus (kaukokenttä) Johtuvien häiriöiden mittaus Mittauslaitteiden ilmaisimet ja kaistanleveys HÄÖDEN TOJNT... Liitteet 4. Häiriölähteen selvittäminen Kapasitiivisesti kytkeytyvien häiriöiden torjunta nduktiivisesti kytkeytyvien häiriöiden torjunta Kaukokenttien kytkeytymisen torjunta Maadoittaminen Mittauspiirin epäsymmetrisyyden vaikutukset Kelluva mittausjärjestelmä Sähköstaattisen suojan (GD) käyttö mittausjärjestelmässä Sähkömagneettinen suojaus Häiriöiden vaikutuksesta mittaustarkkuuteen a b Keskinäisinduktanssien laskukaavoja Keskinäiskapasitanssien laskukaavoja Häiriöanalyysin yhteenveto - 3 -

4 . Häiriölähteet lkuperän, ominaisuuksien, etenemistavan ja kytkeytymistavan perusteella sähköiset häiriöt voidaan jakaa monella tavalla. Seuraavassa tarkastellaan joitakin jakotapoja.. Luonnollinen häiriö - keinotekoinen häiriö Sekä ihminen että luonto synnyttävät sähköisiä häiriöitä. Taajamissa ja teollisuusalueilla sähkölaitteiden aiheuttamat häiriöt ovat yleensä luonnon aiheuttamaa perushäiriötasoa voimakkaampia. Eri tavoin eteneviä ja vaikuttavia sähköisten häiriöiden lähteitä on esitetty kuvassa. Häiriölähteet Luonnolliset Keinotekoiset Sähkövoima Työkalut, koneet Maapallo varuus Tietoliikenne Sytytysjärjestelmät Teollisuus, kuluttajat ilmastolliset hiukkaspilvet aurinko kosmiset radiotähdet yleisradio radiolinkit navigaatio tutkat radioliikenne digitaalilaitteet kehittäminen käyttö siirto jakelu sähkötyökalut toimistokoneet teollisuuden koneet kuljettimet moottorit kulkuneuvot työkalut juottimet, kuumentimet ultraäänipuhdistimet sairaalalaitteet prosessiohjaus, tietokoneet valaisimet Kuva. Sähköisten häiriöiden lähteitä.. Hyötysignaali - häiriösignaali Hyötysignaali on laitteen toiminnan kannalta välttämätön, tai se voi olla laitteen toiminnan tarkoitus. Esimerkiksi radiolähettimen säteilytehon voi kuuntelija mieltää hyötysignaaliksi, mutta elektroniikkalaitteen suunnittelija joutuu pitämään sitä pelkkänä häiriönä. Näitä häiriöitä voisi kutsua myös ihmisen tietoisesti aiheuttamiksi. Laitteiden varsinainen tarkoitus on siis säteillä ympäristöön sähkömagneettista energiaa tietyillä taajuuksilla. Tällaisia häiriölähteitä ovat lähinnä tietoliikennejärjestelmien lähettimet ja eräät palvelevat laitteet, kuten matkapuhelimet, radiopuhelimet, henkilöhakulaitteet ja elektroniset avaimet. Muovisaumaimen suurtaajuuskentän energian tarkoitus on sulattaa muovia. Kuitenkin kyseinen kenttä saattaa vaarantaa jopa käyttäjänsä terveyden. Laitteen tarkoituksena ei ole säteillä ympäristöön energiaa. Tällä tavalla tahattomasti syntyneiden häiriölähteiden joukkoon voidaan lukea kuvan keinotekoisista häiriölähteistä sähkövoima, työkoneet, sytytysjärjestelmät sekä teollisuus ja kuluttajien laitteet. Häiriöiden voimakkuus ja taajuus on lähinnä satunnaisesti jakautunut

5 .3 Laajakaistainen häiriö - kapeakaistainen häiriö Eräs tapa luokitella häiriösignaaleja perustuu niiden luonteeseen taajuusalueessa. Laajakaistaiset häiriöt jaetaan kolmeen alaryhmään:. impulssiluonteiset, satunnaisesti toistuvat häiriöt (kytkimet),. kohinaluonteiset häiriöt (keinotekoinen kohina), ja 3. jaksolliset impulssit tai kohinapulssit (tyristorisäädin). Häiriöspektri on tyypillisesti laskeva laajakaistaisten häiriöiden tapauksessa. Häiriöamplitudi on pienillä taajuuksilla verrannollinen / f:ään tai / f :een, suurimmilla taajuuksilla lasku on jyrkempi. Käytännössä tämä merkitsee sitä, että valtaosa häiriön energiasta on MHz taajuuden alapuolella. Kapeakaistaisen häiriön energian pääosa on keskittynyt tarkasteltavaan taajuusalueeseen verrattuna kapealle kaistalle. Tähän ryhmään kuuluvat tiettyä taajuutta (kantoaalto) säteilevät laitteet, esimerkiksi radiolähettimet ja suurtaajuuskuumentimet. Kentänvoimakkuudeltaan yhtä suurista kapeakaistaisista häiriöistä suurempitaajuiset kentät häiritsevät käytännön instrumentointia yleensä vähemmän..4 lmastolliset purkaukset Salamaniskun yhteydessä syntyvät voimakkaat sähkö- ja magneettikentät saattavat indusoida jännitteitä johdinsilmukoihin ja aiheuttaa jännite-eroja eri johtimien välille. Todennäköisyys, että suojaamattomaan m :n silmukkaan salamaniskusta indusoituvan smv:n huippuarvo pohjoismaissa ylittää 5 V, on pieni, alle kerran 5 vuodessa..5 Sähkömagneettinen pulssi (EMP) EMP-häiriöllä tarkoitetaan ydinräjähdyksen yhteydessä syntyvää sähkömagneettista säteilyä. Pulssin ominaisuudet vaihtelevat riippuen mm. räjähdyskorkeudesta ja pommin koosta. Suurin sähkökentän voimakkuus voi olla 5 5 kv/m ja suurin magneettikentän voimakkuus 8 k/m. Vastaavat nousuajat ovat ns..6 Staattisen varauksen purkaus Kuivissa olosuhteissa laitteisiin ja ihmiseen voi varautua kv jännite (ihmisen kapasitanssi on 5 pf). Jos tämä varaus purkautuu suojaamattomaan elektroniseen laitteeseen, esimerkiksi tietokonepäätteeseen, saattaa seurauksena olla virhetoimintoja. Varsinkin kokolattiamatoilla varustettuihin tiloihin hankittavien laitteiden, kuten dataverkkopäätteiden ja modeemien, on oltava suojattuja..7 Muita häiriölähteitä Jos signaalin kulkutiellä on kahta eri metallia, syntyy helposti galvaaninen pari, jonka jännite saattaa häiritä mittausta. Parin syntyyn tarvitaan anodimateriaali, elektrolyytti (kosteus riittää) ja katodimateriaali. Lisäongelmana on galvaaninen korroosio, joka kuluttaa vähitellen anodimateriaalin loppuun

6 Edellisestä eroava korroosioilmiö syntyy, kun tasavirta kulkee kahden elektrolyytissä olevan metallin (voivat olla samoja) välillä. Korroosionopeus riippuu virran voimakkuudesta ja elektrolyytin johtavuudesta. Esimerkiksi vesijohtoveden mittausta kuumakalvoanturilla mitattaessa anturi tuhoutuu elektrolyysin vaikutuksesta melko nopeasti, ellei anturia suojaava kvartsikerros ole tarpeeksi paksu. Täriseviin mittajohtoihin voi indusoitua ympäristön hajamagneettikentistä häiriöjännitteitä, termoparin syntyminen vaikeuttaa pienjännitemittauksia, ja kaapeleiden taivuttaminen aiheuttaa varauksen syntymisen kaapelin eristeaineessa (triboelektrinen ilmiö). Tämä puolestaan aiheuttaa häiriöjännitteen. Siksi esimerkiksi varausvahvistimien otoissa käytetään vähäkohinaisia erikoiskaapeleita

7 . Häiriöiden kytkeytyminen Häiriöt syntyvät usein elektronisen laitteen tai järjestelmän ympäristössä. Tästä syystä laitteen valmistaja ei aina osaa ottaa huomioon ympäristöoloja. Jo pelkältä geometrialtaan häiriöasetelma voi olla hyvin mutkikas - laitteiden etäisyydet voivat muuttua, johtimissa kulkevat tehot eivät ole vakioita, jne. Häiriöiden kytkeytymistavat ovat kuitenkin tunnettuja. Niistä tärkeimmät ovat:. sähkömagneettisen kentän kytkeytyminen (etenevät kentät) esimerkiksi radiotaajuuksilla,. kapasitiivinen kytkeytyminen (sähkökenttä) suuri-impedanssisiin piireihin, 3. induktiivinen kytkeytyminen (magneettikenttä) johdinsilmukoihin, ja 4. johtumalla kytkeytyminen maajohtimissa ja piirien yhteisissä impedansseissa. Sähkömagneettisten aaltojen eteneminen ja piireihin kytkeytyminen voidaan ratkaista Maxwellin yhtälöistä. Nämä yhtälöt ovat ajan ja paikan funktioita. Yksinkertaisimmallekin ongelmalle ratkaisu on tavallisesti hyvin monimutkainen. Siksi häiriöanalyysissä käytetäänkin usein menetelmiä, joissa kytkentöjen välisen keskinäiskapasitanssin ja keskinäisinduktanssin avulla voidaan selvittää riittävän tarkasti häiriön siirtyminen piiristä toiseen (kuvat ja 3). Mittojen on tällöin oltava piireissä pieniä tarkasteltavaan aallonpituuteen λ verrattuna. Näinhän usein onkin, sillä aallonpituus esimerkiksi khz:n taajuudella on 3 km ja 3 MHz:n taajuudella vielä m. Vasta kun mitat alkavat olla aallonpituuden luokkaa, on otettava huomioon, etteivät virta ja jännite enää jakaudu tasaisesti piirijohtimissa (vrt. esim. dipoliantenni). Tällöin piirijohtimien säteilyvastus on suuri, ja ne toimivat tehokkaina lähetystai vastaanottoantenneina. Sähkökenttä E m mpedanssi Z maahan Z Fysikaalinen esitys Vastaava kytkentä Kuva. Kun sähkökenttä välittää häiriön piiristä toiseen, voidaan kytkentä esittää keskinäiskapasitanssin avulla. Vaikkakin ratkaisu eräisiin erikoistapauksiin keskinäiskapasitanssille ja -induktanssille löytyy, on käytännön tilanteissa tyydyttävä likimääräistyksiin. Tästä huolimatta ratkaisusta näkee, miten paljon johdinten pituus, suunta jne. vaikuttavat kytkeytymiseen. Liitteessä on eräitä esimerkkejä keskinäissuureiden laskemiseksi, ja liitteessä on yhteenveto häiriöanalyysissä huomioon otettavista asioista

8 Johdin Virta Johdin Lm = w j L m Magneettikenttä H Fysikaalinen esitys Vastaava kytkentä Kuva 3. Kun magneettikenttä välittää häiriön piiristä toiseen, voidaan kytkentä esittää keskinäisinduktanssin avulla.. Kapasitiivinen kytkeytyminen Kytkin a) b) Kulutuslaite S Maa lmastolliset ylijännitteet S Maa Lähikentät i k m E lähi maa H lähi E k H k Maa 3 kv pf Mittauskohde Mittauslaite Staattinen varaus purkautuu h r > l p adio ja TV v Kaukokenttä Z = E k H 377 Ω k i Verkkojännite +tyristorihäiriöt +muiden laitteiden aiheuttamat häiriöt Eriste Kuva 4. Sähköisten häiriöiden kytkeytyminen mittauspiiriin. Kytkimen ollessa asennossa a) dominoi lähikentän osalta kapasitiivinen kytkeytyminen. sennossa b) vaihejohtimen virta lisääntyy äskeiseen verrattuna ja kytkeytymistä tapahtuu myös induktiivisesti. Kuvassa 4 tarkastellaan sähköisten häiriöiden kytkeytymistä mittauspiiriin. Lähikentän häiriöiden osalta dominoi kapasitiivinen virta i k, ellei kulutuslaite ota virtaa. Mittauspiirin ottoon syntyy häiriöjännite h = s, () ν + s jω m edellyttäen että s << i. (Kuormituksen välttämiseksi ottoimpedanssi i on käytännössä huomattavasti suurempi kuin mittauskohteen sisäinen resistanssi s ). Jännite v voi olla pelkkä verkkojännite (3 V, 5 Hz). sein on kuitenkin otettava huomioon myös verkkojohtimen siirtämät muuntaajuiset jännitteet. Kun häiriöitä siirtävän kapasitanssin reaktanssi häiriön taajuudella on huomattavasti suurempi kuin s, yksinkertaistuu lauseke muotoon - 8 -

9 = π f. () h s m v Jos kuvan 4 tapauksessa verkkojohdin ja häiriintyvä johdin kulkevat esimerkiksi metrin matkan rinnakkain, on keskinäiskapasitanssi helposti pf. Jos vaihejännite on 3 V ja taajuus 5 Hz, sekä s = kω, saadaan kaavasta häiriöjännitteeksi vahvistimen ottoon h = 7 mv. Tyristorilaitteiden vaihejännitteeseen aiheuttamat piikit (nousuaika pieni: µs) pääsevät mittauspiiriin huomattavasti helpommin kuin 5 Hz häiriöt, koska m ja s muodostavat ylipäästösuodattimen.. Magneettinen kytkeytyminen Jos tarkasteltavassa tapauksessa (kuva 4) häiritsevässä johtimessa kulkee virtaa, syntyy johtimen ympärille magneettikenttä H =, (3) πr missä = häiritsevässä johtimessa kulkeva (summa)virta (esim. parijohtimessa meno- ja paluuvirran erotus), ja r = etäisyys. Kun muuttuva magneettikenttä lävistää mittauspiirin silmukan, indusoituu silmukkaan sähkömotorinen voima d u = B d dt, (4) missä vuontiheys B ja pinta-alkio d ovat vektoreita. Tämän sähkömotorisen voiman silmukkaan aiheuttama jännite kytkeytyy sarjaan mitattavan jännitteen kanssa. Jos silmukka pysyy paikallaan, ja jos vuontiheys on vakio sekä vuo kohtisuorassa silmukan pintaa vastaan, saadaan dφ u dh = = µ = µ dt dt πr d dt, (5) missä u = virran indusoiman magneettikentän aiheuttama sähkömotorinen voima, φ = magneettivuo, = tehollinen pinta-ala, d / dt = häiritsevän virran muutosnopeus (jos virta vaihtelee ajan funktiona sinimuotoisesti, niin d / dt = ω = π f ), f = häiriövirran taajuus, ω = π f, ja µ = permeabiliteetti tyhjiössä µ = 4π -7 Vs/m. Edellä tarkasteltiin kytkeytymistä keskitetyn komponentin, keskinäisinduktanssin, kautta. Tällöin häiriöjännitteen itseisarvo voidaan lausua muodossa - 9 -

10 u L L d h = ω m = m. (6) dt.3 Johtumalla kytkeytyminen Kun johdin kulkee häiriöisessä ympäristössä, siihen kytkeytyy häiriöitä sekä sähkö- ja magneettikentistä että galvaanisesti. Johdin vie nämä häiriöt paikasta toiseen, ellei asianmukaista suodatusta ole käytetty, esim. verkkojohtimia myöten..4 Yhteisen impedanssin kautta kytkeytyminen Esimerkkinä tarkastellaan kuvaa 5. Laitteet ovat nollattuja. Nollajohtimessa virta jakautuu pisteessä P kulkeutuen osittain signaalijohdon vaippaa pitkin ja osittain sille varsinaisesti tarkoitettua -johdinta pitkin. Tällaista tilannetta ei olisi syntynyt, jos mittaustilanteessa olisi ollut verkkosähkön syöttöä varten 3- tai 5-johdinjärjestelmä. Kyseisissä järjestelmissä on erillinen suojajohdin, johon laitteiden metallikotelot kytkeytyvät. Koska suojajohdin on virraton (ehjien laitteiden ollessa siihen kytkettynä), ei erojännitettä laitekoteloiden välille synny. S Signaalijohto S L Nollajohdin Vaihejohdin P Z Z Kuva 5. Yhteisen impedanssin kautta kytkeytyminen (resistiivisesti). Laitteita yhdistävän kaapelin vaippaa pitkin kulkeva verkkovirta aiheuttaa häiriöjännitteen (vaipan vastus + liittimen ylimenovastus). Epäsymmetristä kaapelia (koaksiaalikaapelia) käytettäessä vaipassa kulkeva häiriövirta aiheuttaa suoraan signaalijännitteeseen summautuvan häiriöjännitteen Zk l, missä Z k on käytetyn kaapelin kytkentäimpedanssi ja l sen pituus. Kytkentäimpedanssi määritellään sähköisesti lyhyelle (l << λ / 4) koaksiaalijohdolle kuvan 6 mukaisesti. Tasavirralla kytkentäimpedanssi on sama kuin kaapelin resistanssi/pituus [vertaa kuvan 6 merkintää = Z k ( f = )]. - -

11 Z h l h lg Z k = Z (f=) k... m Ω / m Z = k l h MHz lg f Homogeeninen vaippa Punottu vaippa Kuva 6. Kytkentäimpedanssin Z k määritelmä ja taajuusriippuvuus. Z k on vaippaan syntyneen häiriöjännitteen ja sen aiheuttaneen virran h suhde pituusyksikköä kohti. on kytkentäimpedanssi tasavirralla. Kuvan 7 oikeanpuoleisessa osassa on esitetty eräiden laitteiden sähköverkkoon syöttämiä häiriöjännitteitä. Kentänvoimakkuus [ db yli µv / m ] kaistaleveys khz tmosfäärinen kohina yöllä Mittauskaistaleveys = khz (mediaaniarvo) hmisen aiheuttama kohina kaupungeissa (mediaaniarvo) esikaupungeissa (mediaaniarvo) tmosfäärinen kohina päivällä (mediaaniarvo) Kosminen kohina Häiriytynyt aurinko auhallinen aurinko Vastaanottimen kohina db a 6 b 4 Häiriöjännite [ µ V ] 6 a 3 5 b khz 3 MHz 3 MHz 3 MHz 3 GHz 3 GHz khz MHz MHz 3 Taajuus Taajuus Kuva 7. Säteilemällä ja johtumalla leviävien sähköisten häiriöiden voimakkuuksia. Oikeanpuoleisessa kuvassa on esitetty eräiden laitteiden liittimien väliltä mitattuja häiriöjännitteiden spektrejä: ) sähkökoneen pyörimisnopeuden tyristorisäätäjä a) kommutaattorikone ilman suodatuskondensaattoreita b) kommutaattorikone, suodatuskondensaattorit kytketty 3) pesukone (kytkinten aiheuttamia häiriöitä) 4) purkauslamppu 5) silitysrauta (kytkinten aiheuttamia häiriöitä) 6) Erään suosituksen mukainen suurin sallittu arvo..5 Sähkömagneettinen kytkeytyminen Säteilemällä etenevät häiriöt voivat saapua jopa maapallon toiselta puolelta (lyhyet aallot monihyppyinä ionosfäärin ja maan pinnan välillä). Kuvassa 7 on esitetty häiriökenttien voimakkuuksia. Siirrettäessä mittausviestejä radiolaitteilla on syytä huomata, että jo VHF- ja HF-taajuuksilla lähete etenee lähes suoraviivaisesti, eivätkä häiriöt voi saavuttaa laitteita - -

12 kovin kaukaa (5 km). adiotaajuiset häiriöt haittaavat esimerkiksi kentänvoimakkuusmittauksia. Paikallislähettimet voivat myös häiritä suoraan mittauskytkentöjä. adiopuhelimien käyttö yhteydenpidossa prosessiteollisuuden säätimiä viritettäessä sekoittaa huonosti suojatun elektroniikan toiminnan. Mittajohtimiin tai antenniin kytkeytyvä jännite on kentän sähköisen komponentin osalta h = E h, (7) teh ja magneettisen komponentin osalta H E h =µ ω =µ ω Z, (8) missä h teh = antennin tehollinen korkeus, = kehäantennin tai mittauspiirin tehollinen pinta-ala, E = kentänvoimakkuus (sähköinen komponentti), H = kentänvoimakkuus (magneettinen komponentti), ja Z = vapaan tilan aaltoimpedanssi 377 Ω (kts. kuva 9)..6 Häiriöjännite- ja virtatyypit Edellä kuvattujen kytkeytymismekanismien välityksellä häiriö voi kytkeytyä kaapelointiin joko poikittaisena (signaalijohtimien väliin) tai pitkittäisenä jännitteenä, esim. maapotentiaalieron vaikutuksesta (kuva 8). Häiriövirtoja kutsutaan vastaavasti joko epäsymmetrisiksi tai symmetrisiksi. Erojännitevahvistimen yhteydessä käytetään termejä epäsymmetrinen häiriöjännite ja symmetrinen häiriöjännite. Poikittainen häiriöjännite Mittauslaite Signaalin maa Pitkittäinen häiriöjännite Laitteen maa Kuva 8. Kaapelointiin kytkeytyneet häiriöjännitetyypit. - -

13 3. Häiriökenttien voimakkuuksien mittaaminen Kaukokenttäalueella häiriöitä säteilevän antennin eri osista tulevien aaltojen vaihe-ero on π / 4. allonpituuteen nähden suurella antennilla kaukokenttäalue alkaa etäisyydellä D / λ antennista, ja puoliaaltodipolilla vastaava etäisyys on 3 λ / 6, missä D on antennin suurin mitta ja λ on aallonpituus. Termiä kentänvoimakkuus käytetään vain kaukokentän voimakkuuden mittausten yhteydessä. Mitattava suure voi olla kentän sähköinen tai magneettinen komponentti, ja se voidaan ilmaista yksiköissä V/m tai /m. Kentänvoimakkuuden sijasta käytetään usein tehotiheyttä, jonka yksikkö on W/m. Lähikentän voimakkuuden mittauksissa käytetään termejä sähkökentän voimakkuus ja magneettikentän voimakkuus riippuen siitä, mitä mitataan. Tällä alueella tulos on summa säteilykentästä, induktiokentästä ja kvasistaattisesta kentästä (/r, /r ja /r 3 -kentät, missä r on etäisyys säteilyn lähteestä). Yleisesti ei ole mielekästä määrittää kenttään vaiheen aika- ja paikkariippuvuuksia eri komponenteille. Myös kentän energia on epämääräinen tällä alueella. Kaukokentässä sähköisen ja magneettisen komponentin voimakkuuksien suhde eli aaltoimpedanssi on π ΩH. Lähikentän impedanssi riippuu säteilijästä ja mittauspisteen etäisyydestä säteilijään. Kuvassa 9 on hahmoteltu aaltoimpedanssin muutoksia eri etäisyyksillä lähteestä. Kaukokentässä E / H 377 Ω kummallekin kuvan lähteelle. Lähikentässä tilanne on erilainen. Suuri-impedanssinen sauva-antenni synnyttää lähelle antennia kentän, jonka aaltoimpedanssi on myös suuri (E / H > 377 Ω). Pieni-impedanssisen dipolin lähikentässä taas on päinvastoin (E / H < 377 Ω). 3. Sähkökentän voimakkuuden mittaus Mittaus tehdään sähköisesti lyhyen sauva-antennin (l < λ / 8) ja selektiivisen jännitemittarin avulla (kaistanleveys B). Sauva-antennin impedanssi on suuri, ja se täytyy sovittaa jännitemittarin ottoon. Periaatteessa mittauskytkentä on kuvan mukainen. Jos sauva kuvassa on tasapaksu, on ilmeistä, että sen potentiaaliksi maata vasten tulee sauvan keskipisteen kohdalla vallitseva potentiaali eli mv. Sauva-antennin tyhjäkäyntijännite on siis = E l, (9) missä E = sähkökentän voimakkuus ja l / = antennin tehollinen korkeus

14 altoimpedanssi [Ω] k 3 k k 3 Sähkökenttä eli suuriimpedanssinen kenttä E H H E θ φ φ θ 3 k / r k / r k / r 3 k / r 4 3 Lähikenttä Sekä E θ että H φ k / r Z = 377 Ω Kaukokenttä 3 Magneettikenttä eli pieniimpedanssinen kenttä,,,3,4,5,7 3 Etäisyys lähteestä yksikköinä r = λ / π Pieni virta vastaa suurta impedanssia Suuri virta vastaa pientä impedanssia Monopoli Suuri E E q Lähikenttä Pieni E Kaukokenttä E q Silmukka H f H f Pieni H Suuri H V Lähikenttä Kaukokenttä V (a) Suuri-impedanssinen sähkökentän lähde ja aaltorintama (b) Pieni-impedanssinen magneettikentän lähde ja aaltorintama Kuva 9. altoimpedanssin Z = E / H likimääräinen riippuvuus lähteen etäisyydestä ja lähteestä. Kun sauva on paljon aallonpituutta lyhyempi, määräytyy sen impedanssi kapasitanssin perustella. Standardin mukainen sauva-antenni on metrin mittainen (ML-standardissa 4 tuumaa), ja sen kapasitanssi on noin pf. Suuren kuormitusvastuksen käyttö ei aiheuta mainittavaa kohinaa taajuusalueen yläpäässä, koska kohinavirta oikosulkeutuu antennin kapasitanssin kautta. Sovitusvastuksen resistanssi voi olla esim. MΩ, jolloin 5 Hz taajuudella vaimennus on noin 3 db ja yliohjautumisvaara vähäinen. Jännitemittarin lukemassa on otettava vaimennus huomioon

15 Käytännön mittauksissa antennin maataso ei välttämättä ole yksiselitteinen. Esimerkiksi, jos mittarin ottaa käteen, niin se näyttää eri arvoa kuin pöydällä ollessaan. Jälkimmäisessä tapauksessa mittarin oma kotelo toimii maatasona. ML-standardissa käytetään taajuusalueella 4 khz 5 MHz maatasona neliön muotoista (6 x 6 cm) peltilevyä välittömästi antennin alapuolella. Tämä parantaa mittausten vertailukelpoisuutta. E = 4 mv / m l = m 4 mv 3 mv mv mv mv = E mv V d B -3 V E l f a 5 Hz,6 khz 3 MHz Taajuus = pf V Kuva. Sähkökentän voimakkuuden mittauksen periaate, antennin sovituspiiri ja järjestelmän taajuusvaste. Sovitusvastus määrää halutun alarajataajuuden f a. 3. Magneettikentän voimakkuuden mittaus Mittaus tehdään pienen kehäantennin ja selektiivisen (kaistanleveys B) jännitemittarin avulla (kuva ). Jos kenttää voidaan pitää homogeenisena antennin alueella, saadaan induktiolain mukaan kehäantennin tyhjäkäyntijännitteeksi u = µ NdH /dt, kun kentän suunta on kohtisuorassa antennin tasoa vastaan. Jos magneettikentän voimakkuuden aikariippuvuus on sinimuotoinen, tyhjäkäyntijännite on u= ω Hµ N, () missä N on kehäantennin kierrosluku. L V ωh-mittaus >> ω L H V V L = Silmukan induktanssi = ω Hµ N, jos >> ωl V = µ N(/L)H, jos << ωl V V H-mittaus << ω L f = π L f res Taajuus Kuva. Suojatun kehäantennin periaate, sijaiskytkentä ja taajuusvaste. Pienen kehän (ML-standardissa kehän halkaisija ø = 3,3 cm) avulla voidaan tutkia häiriökentän yksityiskohtia. Suurempi kehä olisi huomattavasti herkempi, mutta sen käyttäminen on hankalaa. Kehän ympärille tarvitaan staattinen suoja (metalliputki) sähkökentän aiheuttamien häiriöiden vaimentamiseksi. Jos kehä on viritetty ulkoisella kondensaattorilla resonanssiin, on antennijännite kerrottava hyvyysluvulla Q. Hyvyysluku on sitä suurempi, mitä pienemmät ovat antennipiirin häviöt resonanssitaajuudella. Kehäantennin laajakaistaisuutta rajoittavat silmukan sisäinen sekä silmukan ja staattisen suojan välinen kapasitanssi, jonka kanssa - 5 -

16 silmukan induktanssi muodostaa resonanssipiirin. ML-standardin mukaisessa antennissa kierrosluku on 36 ja pinta-ala 39 cm. ntennin määritelty taajuusalue on 3 Hz 3 khz ja sisäinen resonanssitaajuus noin,7 MHz. Suurempia taajuuksia mitattaessa on käytettävä pienempiä kierroslukuja, jos laajakaistaisuus halutaan säilyttää. Magneettikentän ollessa vakio kehän ( >> ωl) antama jännite on verrannollinen taajuuteen (kuva ). Vastaavasti myös mittauspiiriin indusoituva häiriöjännite on verrannollinen taajuuteen, joten mittaamalla ωh:n arvo voidaan selvittää tietyn kokoiseen piiriin syntyvä häiriöjännite. Magneettikentän voimakkuuden mittari onkin joskus kalibroitu suoraan suureelle ωh, eli mitataan itse asiassa induktiojännitettä. rvoa ωh = /(m s) pidetään häiriörajana yleisesti tunnetuille herkille mittauksille. Jos halutaan mitata suoraan magneettikentän voimakkuutta, antennia voidaan kuormittaa vastuksella ( << ωl) (kuva ). Tällöin päästään eroon antennijännitteen taajuusriippuvuudesta, mutta herkkyys heikkenee...s.p.. (omité nternational Special des Perturbations adioélectriques) määrittelee kehäantennin rakenteen 3 MHz:n asti. Taajuusalueella,5 3 MHz on määritelmän mukaisen antennin oltava rakenteeltaan balansoitu. 3.3 Sähkömagneettisen kentän kentänvoimakkuuden mittaus (kaukokenttä) Edellä on tarkasteltu häiriölähteen lähikentän voimakkuuden mittauksia. Tällöin suhde E / H = Z ei ollut välttämättä helposti mitattavissa, ja se riippui voimakkaasti etäisyydestä häiriölähteeseen. Kaukokentässä E / H = Z (tyhjiön aaltoimpedanssi) ja riittää, että mitataan joko sähköinen tai magneettinen komponentti, koska toinen voidaan aina laskea toisesta. Samoin voidaan laskea energiatiheys (Poyntingin vektori) S = e(e H ) = E / Z = H Z. Kaukokentän voimakkuuden mittaukset (kentänvoimakkuus tai tehotiheys) ovat helpoimmin toteutettavissa avoimissa tiloissa, kuten ulkona. Suljetuissa tiloissa kaukokentän olosuhteiden (E / H 377 Ω) syntyminen on pienillä taajuuksilla (f < 3 MHz eli λ > m) lähes mahdotonta. Joko ollaan liian lähellä varsinaista häiriölähdettä, tai sähkömagneettinen energia siirtyy kohteeseen väliaineen kautta. Tämä väliaine voi olla esim. betoniraudoitettu seinä, jonka lähellä mittauskohde sijaitsee. Seinässä sähkömagneettisen kentän sähköinen ja magneettinen komponentti vaimenevat eri tavoin. Kaukokenttäolosuhteet saavutetaan vasta, kun etäisyys on suurempi kuin D / λ, missä D on säteilevän kappaleen suurin mitta ja λ on aallonpituus. Kuvassa on esitetty eräitä häiriömittauksiin käytettäviä antenneja. ntenneille määritellään antennikerroin, jonka avulla mittauslaitteen lukema muutetaan kentänvoimakkuudeksi, tai antennin tehollinen pituus, joka on antennin napajännite jaettuna mitattavan kentän kentänvoimakkuudella. Käytännön mittauksissa on varmistuttava siitä, että mitattava signaali tulee todella antennista. Huono kaapeli voi nimittäin olla itsekin tehokas antenni

17 Silmukka-antennit Hz... MHz Elektrostaattinen antenni Hz... 5 khz Sauva-antennit 4 khz... 3 MHz Kaksoiskartioantenni... MHz Puoliaaltodipoli 5 MHz... GHz Kartioantennit 3 MHz... GHz Logaritminen kartiospiraali,... GHz ipa-aaltoputkitorvi,... 4 GHz Paraboloidit... 4 GHz Logperiodinen antenni MHz... GHz Kuva. Häiriömittauksiin käytettäviä antenneja. 3.4 Johtuvien häiriöiden mittaus Normalisointiverkkoa (keinoverkkoa) tarvitaan, kun halutaan mitata, millaisia häiriöitä jokin laite syöttää sähköverkkoon päin. Se normalisoi testattavan laitteen näkemän verkkoimpedanssin häiriöjännitemittauksia varten ja estää verkossa esiintyvien häiriöiden pääsyn mittauslaitteeseen. Mittaustulokset saadaan vertailukelpoisiksi, koska sähköverkon impedanssin vaihtelut eri mittauspaikoilla eivät vaikuta tuloksiin...s.p.. määrittelee normalisointiverkot taajuusalueelle khz 3 MHz. Kuvassa 3 on yksi tällainen. Muita häiriöjännitteiden ja häiriövirtojen mittauksiin sopivia apuvälineitä on esitetty kuvassa 4. Häiriönmittauspihti on itse asiassa virtamuuntaja, jolla mitataan laitteen kaapeliin tai verkkojohtoon syöttämä pitkittäinen häiriövirta. Lisäksi siinä on ferriittirenkaista rakennettu erotuspiiri, joka vaimentaa muualta kuin laitteesta tulevia häiriöitä. Pihdillä mitataan laitetta lähinnä oleva häiriömaksimi, josta korjaustermillä lasketaan laitteen säteilemä häiriöteho. Kokemusten perusteella nimittäin yli 3 MHz:n taajuuksilla häiritsevä energia siirtyy pääasiassa säteilemällä, ja pahimmat säteilylähteet ovat verkkojohdot ja kaapeloinnit. Maa 5 µ 5 µ,5 µ, µ 8 µ 5 5, µ 5 µ 8 µ P 5 µ,5 µ, = Verkkojohtimet P = Testattava laite 5 Z = 5 Ω 5 Mittauslaite mpedanssi [Ω] 5 4 3,, Taajuus [MHz] Kuva 3. Normalisointiverkko ja laitteen näkemä impedanssi. Virtamuuntajalla voidaan mitata sekä pitkittäisiä että poikittaisia häiriövirtoja (kuva 5). Vaikka kytkeytyminen olisikin pitkittäistä, saadaan poikittaisvirta mittaamalla 3 = poikittainen virta

18 Sähköverkko Verkkomittauspäät Hz... MHz Mittarille Virtamuuntajat Hz... GHz Mittarille Mittarille Häiriönmittauspihti MHz Kuva 4. Johtuvien häiriöiden mittauksissa käytettäviä apuvälineitä. Häiriön luonteen ja syyn selvittämisessä voidaan käyttää oskilloskooppia tai spektrianalysaattoria liitettynä häiriöitä mittaavan jännitemittarin antoon. Myös erilaisten ilmaisimien käyttö helpottaa häiriöiden luokittelua ja mittaamista. Jos =, häiriövirta on pitkittäinen. Jos taas 3 =, häiriövirta on poikittainen. 3 Kuva 5. Häiriön kytkeytymistavan päätteleminen virtamuuntajamittauksella. Mitattaessa esim. eri maadoitusten välisiä häiriöjännitteitä, on paristokäyttöisyys ja/tai differentiaalinen otto (esim. muuntajan avulla) välttämättömyys. Soveltuuko esimerkiksi verkkokäyttöinen differentiaalisella otolla varustettu oskilloskooppi näihin mittauksiin, riippuu sen kyvystä vaimentaa pitkittäistä jännitettä. Erityisesti tietoliikennetekniikassa tarvitaan korkealaatuisia symmetrointimuuntajia mitattaessa oskilloskoopilla tai spektrianalysaattorilla häiriöitä symmetrisistä virtapiireistä. Symmetrointimuuntaja liittää mittauslaitteen epäsymmetrisen oton (impedanssi esim. 75 Ω maata vasten) symmetriseen mittauspiiriin (impedanssi esim. 3 Ω) siten, että symmetria säilyy ja impedanssisovitus syntyy. On luonnollista, että kuvattujen apuvälineiden käyttäminen muuttaa häiriövirtojen ja -jännitteiden suuruutta. Tästä ei kuitenkaan ole haittaa, koska yleensä kyse ei ole tarkkuusmittauksista. 3.5 Mittauslaitteiden ilmaisimet ja kaistanleveys Edellä on esitetty häiriökenttien voimakkuuksien, häiriöjännitteiden ja virtojen mittauksia. Kaikissa mittauksissa tarvitaan useimmiten jännitettä mittaava mittauslaite. Kuvassa 6 on esitetty tällaisen laitteen ilmaisimen perusominaisuudet sekä käyttöalue erilaisia jännitemuotoja mitattaessa. Jatkuvan aallon taajuuspektrissä on vain yhtä taajuutta, joten kaistanleveysriippuvuutta ei ole edellyttäen, että lähetteen taajuus ja kaistanpäästösuotimen keskitaajuus ovat samat. Valkoinen kohina (Gaussin jakautuma) ja transienttihäiriö ovat luonteeltaan laajakaistaisia. Edellisessä tapauksessa taajuusspektrin tehosisältö (W/Hz) ja jälkimmäisessä tapauksessa amplitudisisältö (esim. V/Hz) ovat taajuudesta riippumatta vakioita. lmaisimelle saadaan siis valkoista kohinaa mitattaessa kaistanleveyteen verrannollinen teho ja ideaalisia impulsseja - 8 -

19 mitattaessa jännitepulssi, jonka korkeus on verrannollinen kaistanleveyteen. Jotta transienttimittauksissa mittalaitteen näyttämän B-riippuvuus pätisi, on transientin nousuajan oltava riittävästi kaistanleveyden B käänteisarvoa pienempi. Jatkuva aalto -, x keskiarvo = tehollisarvo - ei B-riippuvuutta - dimensio V/m tai V Valkoinen kohina - B - riippuvuus - tarvitaan tehollisarvoilmaisin - dimensio V/m V tai Hz Hz Transienttihäiriö t r = nousuaika B - B-riippuvuus t < r B - tarvitaan huippuarvoilmaisin - dimensio V/m Hz tai V Hz ( Näennäishuippuarvoilmaisimen näyttämässä on lisäksi riippuvuus häiriön toistotaajuudesta; nousuaikavakio/laskuaikavakio on esim. ms/6 ms ) Kuva 6. Erilaisten ilmaisimien perusominaisuudet ja käyttöalueet. Kuvan 6 avulla voi mittauksiin nojautuen päätellä, minkä tyyppinen häiriölähde on kyseessä. Esimerkiksi mitattaessa sähkökentän voimakkuutta näyttäköön mittari keskiarvoilmaisinta (kalibroitu sinimuotoisen jännitteen tehollisarvolle) käytettäessä arvoa V/m. Kun ilmaisimeksi kytketään huippuarvoilmaisin, tilanteen muuten säilyessä, tulisi mittarin näyttää arvoa,4 V/m, edellyttäen, että kenttä on sinimuotoinen. Jos kuitenkin mittari näyttää tästä poikkeavaa tulosta, on kyseessä joko kohinasta tai nopeasta muutosilmiöstä johtuva häiriö. Se voi olla esim. tyristoripiikeistä johtuva, kun lisättäessä kaistanleveys -kertaiseksi, saadaan myös -kertainen lukema. Siis lukema/kaistanleveys säilyy vakiona (edellyttäen, että t r < / B)

20 4. Häiriöiden torjunta Laitteiden ja järjestelmien sähkömagneettisella yhteensopivuudella (EM = Electromagnetic ompatibility) tarkoitetaan niiden kykyä toimia aiotussa ympäristössä liikaa toisiaan häiritsemättä. Häiriöiden tarpeellinen vaimentaminen on teknistaloudellinen kysymys, ja se kannattaa tehdä tuotteen kehityskaaren alussa, sillä jälkeenpäin suoritettavat vaimennustoimet aiheuttavat kohtuuttomia kustannuksia (kuva 7). Häiriön vaimennuskeinojen vaihtoehtojen määrä ja vaimennuskustannukset Suunnitteluvaihe Testausvaihe Tuotantovaihe Teknisten vaihtoehtojen määrä Kustannukset Kuva 7. Kun tuotteen kehitys edistyy, vähenee mahdollisten häiriövaimennuskeinojen lukumäärä ja jäljelle jäävät vain kalliit keinot. Seuraavassa tarkastellaan menetelmiä, joilla jo laitteen tai järjestelmän suunnittelu- ja asennusvaiheessa voidaan torjua häiriöitä. 4. Häiriölähteen selvittäminen Mittaamalla voidaan joskus etukäteen todeta, onko laitteelle tai järjestelmälle tarkoitettu ympäristö häiritsevä. Tämä on mahdollista, jos tunnetaan häiriönsieto-ominaisuudet. Häiriytyvyysrajoja ei kuitenkaan moni valmistaja vielä ilmoita, joten on tyydyttävä käytännön kokeiluihin. Ensisijaisesti pyritään eliminoimaan häiriön syy. Häiriölähteen sijainti voidaan selvittää mittaamalla edellä esitetyin keinoin. Häiriölähde voidaan varustaa suodattimilla (kuva 8). Kuvan kommutaattorikoneessa virran siirtyminen kommutaattoriliuskalta toiselle aiheuttaa piirissä virranvoimakkuuden nopeita muutoksia, joiden seurauksena on kipinöintiä hiiliharjan ja liuskojen tuloreunalla, jättöreunalla tai molemmilla. Kipinöinti tai jopa valokaari voi johtua virrantiheyden epätasaisen jakautumisen lisäksi myös koneen tärinästä, harjavoimasta, harjalaadusta tai kommutaattorin epäkeskeisyydestä. Kommutaattorikoneen aiheuttama häiriö ei ole tahdistunut sitä syöttävään verkkojännitteeseen, kun taas tyristorikäyttöjen aiheuttama häiriö on yleensä siihen tahdistunut. Tätä voi käyttää hyväksi häiriön syyn selvittämisessä. ika - -

21 E Y E Y L L Y Y E E Y = Epäsymmetrisen häiriöjännitteen suodatus = Symmetrisen häiriöjännitteen suodatus Kuva 8. Suojaeristetyn ja suojamaadoitetun kommutaattorikoneen aiheuttamia verkkohäiriöitä vaimentavien suodattimien rakenteita. nduktanssia sisältävän kuorman virran katkaisu aiheuttaa häiriöjännitepiikin. Erityisesti verkkovirran katkaisu saa aikaan verkkojännitteeseen summautuneen jännitepiikin virran katkaisupaikan lähellä. Torjuntakeinoja ovat esim. suodattaminen tai jännitepiikin rajoittaminen jännitteestä riippuvalla vastuksella. Eräissä tapauksissa häiriölähde voidaan kuljettaa kauemmas. Äärimmäisen vaikeissa olosuhteissa lähde voidaan sijoittaa häiriösuojattuun koteloon tai huoneeseen. 4. Kapasitiivisesti kytkeytyvien häiriöiden torjunta Häiriötä torjutaan vähentämällä häiritsevän ja häiriytyvän johtimen välistä kapasitanssia. Tähän päästään esim.:. metallikoteloinnilla,. johtimien etäisyyttä ja suuntaa muuttamalla, 3. käyttämällä verkkomuuntajissa ja signaalimuuntajissa staattista suojaa, ja 4. sijoittamalla johtimet lähelle maatasoa. 5. Myös kytkentöjen impedanssitason pitäminen pienenä auttaa. Kuvassa 9 on kolme esimerkkiä suojauksesta. S Staattinen suoja Kuva 9. Kapasitiivisen kytkennän estäminen suojatulla kaapelilla ja koteloinnilla sekä muuntajan staattisella suojalla. - -

22 4.3 nduktiivisesti kytkeytyvien häiriöiden torjunta nduktiivisesti kytkeytyvää häiriötä pienennetään vähentämällä häiritsevän ja häiriytyvän johtimen välistä keskinäisinduktanssia. Tämä saadaan aikaan esim. muuttamalla johtimien etäisyyttä, välttämällä yhdensuuntaisia johdotuksia tai asentamalla signaalijohdot ja niihin liittyvät maadoitusjohdot vierekkäin. Paras tapa pinta-alan pienentämiseksi on käyttää kierrettyjä johdinpareja. Signaalijohtojen vaipat maadoitetaan maasilmukoiden välttämiseksi vain toisesta päästään. Lisäksi voidaan käyttää hyvin suojattuja kaapeleita ja voimaasennuksissa täydellistä suojajohdinjärjestelmää, jolloin nollajohdin on täysin eristetty. Kaikki suojamaadoitukset tehdään erilliseen suojajohtimeen, joka maadoitetaan ainoastaan pääkeskuksessa. Myös tiivis metallinen laitekotelo vaimentaa induktiivista kytkeytymistä. Jos kuvan tapauksessa kaapelin vaippaa ei maadoiteta pisteessä, synnyttää signaalivirta kaapelin ympärille magneettikentän. Jos vaippa kuitenkin maadoitetaan kuten kuvassa, vähenee kaapelin ulkopuolelle syntyvän magneettikentän voimakkuus. S G S L M S S B B = - G S Fysikaalinen esitys Vastaava kytkentä Kuva. Virran jakautuminen vaipan ja maatason kesken. Kirjoittamalla solmupisteyhtälöt voidaan ratkaista vaipan virta jω j f S = = jω + S / LS j f + fc. () M = L S Tästä nähdään, että rajataajuutta fc = S / π LS suuremmilla taajuuksilla ( f c = khz eräälle 5 Ω:n yksivaippaiselle kaapelille) virta palaa mieluummin kaapelin vaippaa kuin maatasoa pitkin (keskinäisinduktanssin M vaikutus). Vaippavirran aiheuttama magneettikenttä siis kumoaa keskijohtimen aiheuttamaa magneettikenttää. Sama tapahtuu vielä täydellisemmin silloin, kun kuorma on kaapelin vaipan ja keskijohtimen välillä, eikä pistett maadoiteta. Kuvan avulla tutkitaan, miten eri mittauskytkennät vaimentavat induktiivista kytkeytymistä. Kummastakin päästä maadoitetut kytkennät ovat selvästi huonompia kuin vain toisesta päästä maadoitetut kytkennät (syntyneen maasilmukan vuoksi). - -

23 a) db (referenssi) Kierretty pari 8 kierrosta metrille d) -49 db g) -64 db b) - db e) -57 db h) -7dB Kierretty pari 55 kierrosta metrille c) -5 db * Suositellaan suurille taajuuksille f)* -64 db i) -79 db Kuva. Muutamien mittauskytkentöjen kyky vaimentaa induktiivista kytkeytymistä. Taajuus on khz ja piirien etäisyys maatasosta on tuuma. 4.4 Kaukokenttien kytkeytymisen torjunta Kaukokentässä (E / H Z ) on kiinnitettävä huomiota sekä sähköisen että magneettisen komponentin kytkeytymiseen. Varsinkin suurissa järjestelmissä, joissa mitat ovat aallonpituuden luokkaa, toimivat johtimet ja johdinsilmukat hyvinä vastaanottoantenneina. Kytkeytymistä signaalijohtimiin voidaan vaimentaa hyvillä kaapeleilla ja huomioimalla suuntavaikutus. Vaativissa tapauksissa kannattaa käyttää kaksivaippaista kaapelia siten, että ulkovaippa toimii häiriövirran tienä ja sisävaippa signaalin paluutienä. Maasilmukoiden syntyä on vaikea välttää (kuva ). S Kuva. Maasilmukka syntyy suurilla taajuuksilla helposti hajakapasitanssin kautta. Tämän vuoksi maadoitetaankin kaapeli suurilla taajuuksilla molemmista päistä, ja jos kaapeli on pitkä, voi maadoitus olla tarpeen λ / välein vaipan pitämiseksi maan potentiaalissa. Suurilla taajuuksilla (f > MHz) häiriövirta ahtautuu vaipan ulkopintaan, ja häiriön kytkeytyminen vähenee. Kytkeytyvän poikittaisen jännitteen suuruus saadaan selville kytkentäimpedanssin Z k avulla (kuva 6)

24 Tavallisesti häiriötaajuus on suurempi kuin signaalitaajuus ja maapotentiaalierosta aiheutuva häiriöjännite voidaan suodattaa pois vastuksista, induktansseista ja kapasitansseista kootuilla suodattimilla (L-suotimet). Vaikeissa tapauksissa koko järjestelmä voidaan sulkea häiriösuojattuun huoneeseen. 4.5 Maadoittaminen Maadoituksella saadaan laite turvalliseksi käyttäjälleen. Lisäksi maadoituksella pyritään estämään häiriöjännitteiden synty eri yksiköiden välille. Hyvän maajohtimen määritelmässä pituuden ja leveyden suhde ei saisi ylittää lukuarvoa 5. Tämä takaisi maajohtimelle niin pienen induktanssin ja resistanssin, että maadoituksia voisi tehdä lähes mielivaltaisesti, eikä liian suuria potentiaalieroja pääsisi syntymään. Käytännön syistä käytetään kuitenkin seuraavia menetelmiä: Yksipistemaadoitus, monipistemaadoitus, ketjumaadoitus ja eristetty maadoitus (kuva 3) Yksipistemaadoitus Monipistemaadoitus Ketjumaadoitus LED Ferriittirengas Erotusm uuntaja Optinen kytkin Pitkittäinen kuristin Kuva 3. Järjestelmien perusmaadoitukset. Puumaisessa yksipistemaadoituksessa vältetään magneettisia häiriöitä kerääviä silmukoita. Vaikeutena on säilyttää maataso pieni-impedanssisena varsinkin suurissa järjestelmissä. Menetelmä sopii alle MHz:n taajuuksille ja sitä voidaan soveltaa vielä taajuuksille MHz, kun pisimmän maakaapelin pituus on alle λ /. Monipistemaadoituksessa käytetään tasapotentiaalipintaa (metallilevy tai -verkko), johon eri yksiköt maadoitetaan. Yli MHz:n taajuuksilla menetelmä on yksipistemaadoitusta parempi. Etuja ovat pieni maaimpedanssi eri yksiköille ja tästä johtuva turvallisuus. Yksiköiden potentiaalit maata vasten saadaan siis jäämään verkkotaajuudella (5 Hz) pieneksi. Haittana voi mainita maasilmukoiden syntymismahdollisuuden. Ketjumaadoitusta tulisi välttää. Maadoitusjärjestelmän aiheuttamia symmetrisiä jännitehäiriöitä (pitkittäisiä häiriöitä) voidaan pienentää symmetroinnilla ja vahvistimilla, joilla on riittävä M sekä galvaaanisella erotuksella. Prosessiteollisuudessa käytetään virtaviestiä (kuva 4). Systeemi vaimentaa hyvin maapotentiaalieroja ja siirtotiehen jännitteinä kytkeytyviä häiriöitä

25 Käyttöjännite Lähetin S... V Vastaanottimet 5 Ω 5 Ω m Kuva 4. Virtaviestin käyttäminen signaalin siirtoon. Kuvassa 4 virransiirto on analoginen. Vaihtoehto tälle on sarjamuotoisen koodatun digitaalisen signaalin siirto. Suurissa järjestelmissä ei yleensä tulla toimeen yhdellä maatasolla, vaan eri osissa tulee olla omat maatasonsa viesteille, tehon syötölle, rungolle ja häiriösuojille. Nämä maatasot kytketään lyhintä tietä järjestelmän maapisteeseen. Yhdessä ne muodostavat järjestelmän maatason (kuva 5). Staattisten suojien maapiste Järjestelmän maapiste Logiikan maapiste unkojen maapiste Kuva 5. Suuren järjestelmän eri maatasot maapisteineen. 4.6 Mittauspiirin epäsymmetrisyyden vaikutukset Jos häiritsevä signaali kytkeytyy sarjaan hyötysignaalin kanssa, sitä voi vaimentaa suodattamalla. Edellisestä poikkeavia häiriöitä ovat signaalin siirtojärjestelmässä kummallekin johtimelle yhteiset häiriöt (kuva 6)

26 e e ½ e e y a y ½ e a Balansoimaton vahvistin e y = Erojännite (tässä signaali) = Yhteisjännite (häiritsevä jännite) Kuva 6. Erojännitevahvistimen jännitteet. Kuvan 6 kummallekin vahvistimelle pätee Balansoitu vahvistin ua = e ue + y uy, () missä e on epäsymmetrisen jännitteen vahvistus ja y on symmetrisen jännitteen vahvistus. e y ua =, kun uy = u e. (3) ua =, kun ue = uy Nähdään, että myös symmetrinen jännite vahvistuu, vaikkakin vahvistimella on kyky vaimentaa sitä. Mittauspiirille määritellään symmetrisen jännitteen vaimennussuhde ero e M = =, (4) yhteis y joka on symmetrisyyden mitta (M = ommon Mode ejection atio). Mitä suurempi M on, sitä paremmin vahvistin vahvistaa vain hyödyllistä erojännitettä. Jos useita ( n) piirejä kytketään peräkkäin, saadaan pahimmassa tapauksessa = (5) M M M n Jos häiritsevä erojännite on u y, aiheuttaa tämä signaalin kanssa sarjaan häiriön, jonka suuruus on ueh = y uy. (6) Jos symmetrinen jännite on esimerkiksi V ja jos e = ja M = db eli 5, saadaan u eh = µv. Symmetrisen jännitteen vaimennus M on siis 8 db eli 4 (M = / y = ommon Mode ejection)

27 Kuvassa 7 on tarkasteltu vahvistimen liittämistä hieman epäsymmetriseen anturiin. S nturin maa 3 yht Vahvistimen maa + - ja ja 3 anturi-impedansseja hajakapasitansseja mahdollisesti tarvittava häiriönsuotokondensaattori = kω = pf =,5 kω = 5 pf Kuva 7. Erojännitevahvistimen liittäminen anturiin. M:n laskemiseksi tarkastellaan piiriä erikseen symmetrisen ja epäsymmetrisen jännitteen kannalta. Oletetaan yksinkertaisuuden vuoksi, että 3 =, = ja vahvistimen oma M = (kuva 8). yht ero a yhteis yht = - ero = a ero Kuva 8. Ottopiirin M:n laskeminen aloitetaan laskemalla sekä symmetrisen että epäsymmetrisen jännitteen vahvistus. Lopputuloksena saadaan M log + ω T ω T T, (7) missä T =, T =, ja T = ( T + T )/ Kuvassa 9 on hahmoteltu M taajuuden funktiona

28 M [db] db Käyttöalue M Epäsymm. jännitteen alipäästövaimennus = 3 = 3 = 3 Taajuus f [Hz] + + Kuva 9. Kuvan 7 mittauspiirin passiivisen osan M taajuuden funktiona. Koska epäsymmetrisen jännitteen alipäästövaimennus ei vaikuta käyttöalueella, saadaan useimpiin tapauksiin sopiva lauseke M, t = T T = aikavakioero. (8) ω t M riippuu siis ottopiirin aikavakioerosta käyttötaajuusalueella. Poikittainen kondensaattori 3 soveltuu käyttötaajuusalueen ulkopuolella esiintyvien häiriöiden vaimentamiseen. 4.7 Kelluva mittausjärjestelmä Paitsi erojännitevahvistimilla, myös kelluvilla mittalaitteilla voidaan pienentää yhteisjännitteestä aiheutuvia häiriöitä. Kelluvassa mittausjärjestelmässä ei ole tasavirtayhteyttä laitteen rungon/mittauslaitteen maan ja mittausjärjestelmän välillä (kuva 3). Jos jännitemittari ei kelluisi, kytkeytyisi low-napa laitteen runkoon ja lähes koko yhteisjännite vaikuttaisi L :n yli ja siis summautuisi mitattavaan signaaliin. Jännitemittarin kelluttaminen vähentää häiriöitä edellyttäen, että X = /ω on suuri verrattuna anturi-impedanssiin L. 4.8 Sähköstaattisen suojan (GD) käyttö mittausjärjestelmässä Sähköstaattinen suoja, eli johtavasta materiaalista valmistettu suoja (GD), ympäröi mittajohtoja ja mittausvahvistinta (kuva 3). Symmetrisen häiriöjännitteen aiheuttama virta kulkee nyt S :n kautta staattiseen suojaan ja siitä suojan ja rungon välisen hajakapasitanssin 3h kautta maahan. Koska vaippavirta tässä mittausjärjestelmässä saadaan pysymään pienenä, seuraa suojan potentiaali likimain low-navan potentiaalia. Tästä syystä on virta L :n ja h :n kautta erittäin pieni. Suojaus voidaan tehdä niin tehokkaaksi, että mittauselektroniikan ja rungon välinen hajakapasitanssi h on vain muutamia pikofaradeja, joten myös L :n ja h :n kautta kulkeva virta jää pieneksi. Kuvien 3 ja 3 mittausjärjestelmien M on likimain M log, (9) ω L - 8 -

29 kun X >> L X >> L X 3 >> S Maadoitettu signaalilähde nturi unko nturin maa () L kω (<, Ω) Kuva 3. Kelluva mittausjärjestelmä. Maadoitettu signaalilähde nturi unko nturin maa () H H L kω Y (<, Ω) Y Suojavaippa Suojavaippa S (< Ω) Potentiaalieroa (-) vastaava symmetrinen jännite (< Ω) Y ( =... V) rms High Low Potentiaalieroa (-) vastaava symmetrinen jännite ( =... V) Kuva 3. Johteella suojattu ja kelluva mittausjärjestelmä. S Y rms High Low Kelluva digitaalinen jännitemittari ( nf) unko nturin maa () Kelluva ja sähköstaattisesti suojattu digitaalinen jännitemittari Mittauselektroniikka h 3 h unko nturin maa () Kuvassa 3 M 5 db ja kuvassa 3 M db ( = 3pF). h Näyttö ja ulostulo Käytettäessä digitaalisia jännitemittareita tulee usein ratkaistavaksi kuvassa 3 esitetty kysymys, eli mihin GD-napa kytketään? - 9 -

30 Yhteys muualle S High Low L L? Guard Z Lähteen maa Ground Z Kuva 3. Mihin pitää GD-napa kytkeä, jotta toteutuisi sääntö: kummankaan signaalijohtimen läpi ei saa kulkea häiriövirtaa? (Paras paikka on S :n ja :n risteys). 4.9 Sähkömagneettinen suojaus Metallikoteloilla ja metallihuoneilla voidaan vaikeuttaa sähkömagneettisten aaltojen pääsyä rakenteen sisälle tai pois rakenteesta. Saavutettava vaimennus on esitetty kuvassa 33. Suojausvaimennus määritellään rakenteen ulkopuolisen ja sisäpuolisen kentän voimakkuuksien suhteena. Pienillä taajuuksilla hyvin johtava kuori tarjoaa tehokkaan oikosulun sähkökentille, ja sähköinen vaimennus se on suuri. Magneettinen vaimennus sm määrää suojan hyvyyden alataajuuksilla. Suurilla taajuuksilla (aallonpituus rakenteen mittojen luokkaa tai suurempi) syntyy sisäpuoliseen kenttään resonansseja. Vaimennuksien laskemiseksi käytetään usein Maxwellin yhtälöistä johdettua ohutseinäisen pallokuoren suojausvaimennuksen arvoa. Kaava pätee homogeeniselle magneettikentälle kvasistationäärisessä tapauksessa (häiriön aallonpituus >> suojakuoren sisäsäde r >> kuoren paksuus d). = kd + sm K + log cosh kd 3 K sinh, () missä d = suojakuoren paksuus, k = jωµσ = ( + j)/ σ = pyörrevakio, ω = kulmataajuus, µ = µ r µ = kuorimetallin permeabiliteetti, σ = kuorimetallin johtavuus, δ = / πµσ f = tunkeutumissyvyys, K = (µ / µ) k r, ja r = pallon sisäsäde tai suorakulmaisen särmiön (a,b,c) tapauksessa ekvivalenttinen säde (3/)(abc) / (ab + ac + bc)

31 4 se sm [db] ( ) sm se sm sm f [MHz] Kuva 33. Kuparilevystä (, mm) valmistetun pallon (säde m) suojausvaimennus, kun epähomogeenisuudet (saumat) rajoittavat magneettisen suojausvaimennuksen sm. Sähköinen suojausvaimennus se on pienillä taajuuksilla suuri. Suojausvaimennus riippuu siis häiriökentän taajuudesta, käytetyn materiaalin johtavuudesta ja permeabiliteetista sekä suojan koosta ja kuoren paksuudesta. Kuvassa 34 on vertailtu pienen ja suuren suojan laskettuja vaimennuksia. [db] 8 sm d = mm r = cm [db] 8 sm d =,5 mm r = 5 m 6 4 Fe u 6 4 u Fe k k k M f [Hz] k k k M f [Hz] Kuva 34. Pienen ja suuren pallokuoren suojavaimennuksen vertailua. Materiaaleina on kupari (u) ja rauta (Fe, µ r = ). Pallon sisäsäde on r ja suojakuoren paksuus d. Ohuessa materiaalissa ja suuressa suojassa magneettivuo ei pääse vaikuttamaan pienillä taajuuksilla ja tällöin vaimentava tekijä on heijastus levyn pinnasta. Kuparin hyvä johtavuus - 3 -