Störsignale und Gegenmaßnahmen
1 Überblick
Störspannungen und Störströme können innerhalb eines Messsystems entstehen oder von außen in das System übertragen werden. Der allgemeine Mechanismus ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Aufgrund ihrer großen Reichweite sind insbesondere Verbindungskabel und Kabelanlagen häufig Störquellen ausgesetzt oder werden gestört.
Kopplungsmechanismen beschreiben die Art und Weise, in der Störgrößen von einer Störquelle auf eine Störsenke übertragen werden. Das folgende Diagramm veranschaulicht die möglichen Kopplungsmechanismen.
Grundsätzlich wird zwischen leitungsgebundenen und nicht leitungsgebundenen Kopplungsmechanismen unterschieden. Während leitungsgebundene Störungen innerhalb gemeinsam genutzter Stromkreise auftreten, kommt es auch zwischen galvanisch getrennten Systemen zu einer feldgebundenen Störung.
2 Konduktive Kopplung
2.1 Galvanische Kopplung
Galvanische Kopplung tritt in Stromkreisen mit gemeinsamen Spannungsquellen und gemeinsamen Leiterbahnen oder gemeinsamen Drähten auf.
3 Nicht leitungsgebundene Kopplung
3.1 Induktive Kopplung
Abbildung 4 zeigt, wie induktive Interferenzen entstehen: Wenn die Messleitung von einem zeitlich veränderlichen magnetischen Fluss durchflossen wird, der z.B. von einer benachbarten Hochspannungsleitung stammen kann, wird in der Messleitung eine Spannung induziert, die dann in Reihe mit der gemessenen Spannung Vm erscheint. Aufgrund der induzierten Spannung fließen Ströme durch die Messleitung. Diese fließen auch durch die Eingangsimpedanz eines Messverstärkers und verzerren die tatsächlich gemessene Spannung durch eine überlagerte Störspannung. Solche induktiven Störungen können durch Verdrillen der Messleitung stark reduziert werden. Die induzierten Spannungen heben sich abschnittsweise gegenseitig auf. Natürlich sollte der Abstand zwischen Hochspannungskabeln und Messkabeln immer so groß wie möglich gehalten werden. In der Regel sollte das Messkabel mindestens 1 m von Hochspannungskabeln entfernt sein. Ebenso sollten die Hin- und Rückleiter auf der Hochspannungsseite zusammengeführt werden, um störende magnetische Streufelder von vornherein so gering wie möglich zu halten. Wenn die Abstände nicht ausreichen und nicht weiter vergrößert werden können, können Messkabel oder Messwandler magnetisch abgeschirmt werden, indem man sie mit hochpermeablen Blechen umhüllt. Hochfrequente Magnetfelder können bereits durch nichtmagnetische Leitermaterialien wie Aluminium abgeschirmt werden.
Induktive Kopplung zwischen einer Hochspannungsleitung und einer Messleitung.
In verdrillten Kabeln heben sich die durch das störende Magnetfeld induzierten Spannungen abschnittsweise auf.
Die folgenden Beziehungen sind im Prinzip wirksam.
- Die induzierte Spannung im Messkreis wird größer, wenn die Änderungsrate des aktuellen ist schneller.
- Die induzierte Spannung im Messkreis wird größer, wenn die Kopplungsinduktivität zwischen dem Leiter und dem betroffenen Messkreis höher ist.
3.2 Kapazitive Kopplung
Die Störgröße der kapazitiven Kopplung ist die elektrische Spannung.
Eine kapazitive Kopplung findet zwischen zwei benachbarten Leitern mit unterschiedlichen Potentialen statt, z.B. zwischen Hochspannungs- und Signalleitern. Im weitesten Sinne stellen die Leiter die Platten eines Kondensators dar.
Das elektrische Feld bewirkt, dass über diese parasitären Kopplungskapazitäten Ladungen von einem Schaltkreis zum anderen übertragen werden. Die Kopplungskapazität ist direkt proportional zur Länge der parallelen Hochspannungs- und Signalleitungen. Sie nimmt ab, je größer der Abstand zwischen den Leitern ist.
Die Größe der gekoppelten Fehlerspannung im System von v₂ ist größer
- je größer die Rate der Veränderung der Spannung
- und desto größer ist die Kopplungskapazität zwischen den Leitern 1 und 2 .
Die folgende Abbildung 6 veranschaulicht die Entstehung von kapazitiven Störungen durch Kabelstreukapazitäten. Der Störstrom fließt durch den Innenwiderstand der Messspannungsquelle und verursacht einen Spannungsabfall, der dann in Reihe mit der Messspannung wirksam wird . Kapazitive Störungen können daher gering gehalten werden, wenn der Innenwiderstand der Messspannungsquelle niedrig ist und der Abstand zwischen Hochspannungs- und Messleitung möglichst groß ist (in der Regel mindestens 1 m). Ist die Messspannungsquelle erdfrei (oder erdsymmetrisch mit geerdetem Mittelpunkt), verdrehen sich die Messleitung und die Erdsymmetrie, d.h. gleiche Ableitwiderstände und zwischen den beiden Messleitern und der Erde können Sie sicherstellen, dass beide Leiter dieselbe Störspannung zur Erde führen (Abbildung 6-B). Die Störung erscheint dann als 'Gleichtaktspannung' auf beiden Leitern, während das Messsignal als 'Differenzspannung' zwischen den Leitern erscheint. Wenn dann ein Differenzverstärker verwendet wird, wird fast nur das Messsignal aufgenommen und das Störsignal unterdrückt. Noch effektiver ist es, wie in Abbildung 6-C gezeigt, die Messleitung und, soweit möglich und nötig, auch die Messspannungsquelle und den Messverstärker mit einer geerdeten Abschirmung zu versehen. In diesem Fall fließen kapazitiv induzierte Störströme über die Abschirmung ab, ohne die Messleitungen überhaupt zu erreichen. Das Abschirmmaterial muss nur gut leitfähig sein; ferromagnetische Eigenschaften sind nicht erforderlich.
A. Kapazitive Kopplung zwischen einer Stromleitung und einer Messleitung
B. Wenn die Messsignalquelle erdfrei ist, kann durch Verdrehen und Erdsymmetrie (𝑹𝑬𝟏 = 𝑹𝑬𝟐 ) sichergestellt werden, dass keine differentielle Störspannung auftritt.
C. Eine geerdete Abschirmung hält Störungen vom Messkabel fern.
Die möglichen Gegenmaßnahmen sind hier zusammengefasst.
- Maximierung des Abstands zwischen den beiden Leitern
- Enge Verlegung des Kabels an der Bodenstruktur
- Abgeschirmtes Kabel, Einlegen von statischen Schirmen (Erdungsanschluss)
- Trennen Sie empfindliche und störende Schaltkreise voneinander
3.2.1 Danisense Maßnahmen zur Vermeidung von Interferenzproblemen
3.2.1.1 DQ, DS, DL, DM, DL Serie:
Das Gehäuse des Stromwandlers ist aus Aluminium gefertigt und bietet somit Schutz vor unerwünschten höherfrequenten Störungen. Wenn der Stromwandler über ein Danisense DSUB-Kabel an eine DaniSense System Interface Unit (DSSIU) angeschlossen ist, sind das Gehäuse und die Kabelabschirmung elektrisch mit der Erde des Versorgungsnetzes verbunden.
Bitte stellen Sie sicher, dass die Laborkabel vom DSSIU zum Messgerät verdrillt sind und keine große Schleife bilden.
3.2.1.2 DT-Serie:
Das Gehäuse ist aus Kunststoff und Aluminium gefertigt. Der Wandlerkopf ist mit einer Kupferfolie umhüllt, die über den DSUB-Anschluss auch mit der Kabelabschirmung des DSUB-Kabels verbunden ist. Die Kabelabschirmung ist über die DSSIU mit der Netzwerkerde verbunden.
3.2.1.3 DR-Serie:
Der Schallkopf ist mit einer Kupferfolie umhüllt, die mit der Kabelabschirmung verbunden ist. Die Kabelabschirmung ist mit der Erde des Versorgungsnetzes in der Elektroniksteuerungsbox verbunden.
Manchmal kann auch eine direkte Erdung des Aluminiumgehäuses helfen, aber hier müssen Sie mit Erdschleifen vorsichtig sein. Weitere Hilfe finden Sie im Handbuch auf Seite 18.
3.3 Strahlung
Heutzutage verursachen nichtlineare Lasten wie Schaltnetzteile nicht nur harmonische Verzerrungen im Stromnetz, sondern sind oft auch für elektromagnetische Strahlung verantwortlich. So werden beispielsweise magnetische Streufelder von Wicklungskomponenten und elektrische Streufelder von Leitern mit hohen Impulsspannungen erzeugt. Diese Felder können in den Stromwandler einkoppeln. Oszilloskope können zur Aufzeichnung dieser Schwingungen verwendet werden. Um diese Streustrahlung sichtbar zu machen, kann eine herkömmliche Sonde verwendet werden. Die Sondenspitze ist mit dem Erdungsadapter verbunden.
Diese Strahlung kann z.B. das innere Loch des Stromwandlers durchdringen und ist daher im Sekundärsignal zu erkennen.
In der obigen Abbildung ist eine Oszillation bei ca. 3,33 MHz zu sehen. Die Stromwandler haben keinen Tiefpassfilter am Ausgang, so dass diese Signale im Allgemeinen nicht abgeschwächt werden. Für Oszilloskopanwendungen wird empfohlen, Oszilloskope zu verwenden, die das Eingangssignal filtern können, so dass hochfrequente Störungen minimiert werden.
Ein weiteres Beispiel ist in Abbildung 10 dargestellt. Bei einem DS50UB-10V ohne angeschlossene Stromversorgung und ungeerdetem Gehäuse kann über den BNC-Anschluss eine Schwingung von ca. 44 MHz festgestellt werden. Diese Schwingung entspricht einem Primärstrom von ca. 20 mA Spitze zu Spitze. Die Messung wurde auf einem Standard-Heimbüro-Schreibtisch durchgeführt.
Die Störung liegt außerhalb der spezifizierten Bandbreite des Stromwandlers von 500 kHz. Ein Tiefpassfilter im einstelligen MHz-Bereich könnte diese Störung deutlich reduzieren.
3.3.1 Zusätzliche Abschirmung gegen Störungen
Es ist zu beachten, dass metallische Abschirmungen nur bei höheren Frequenzen elektromagnetischer Strahlung gute Dämpfungseigenschaften aufweisen. Die folgende Abbildung zeigt die Dämpfungseigenschaften eines Zylinders mit einem Durchmesser von 20 mm und einer Wandstärke von 0,5 mm mit verschiedenen Materialien.
Bei niedrigen Frequenzen ist eine hohe Permeabilität des Materials sehr empfehlenswert. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über die Eigenschaften von Abschirmungsmaterialien in Abhängigkeit von verschiedenen Feldtypen.
Nicht alle Felder können durch ein Aluminiumgehäuse oder eine Kupferfolie abgeschirmt werden. Unerwünschte Felder können auch in der Kabeleinführung für den Primärleiter des Stromwandlers auftreten und so einen magnetischen Fluss in den jeweiligen Eisenkern des Stromwandlers induzieren. Aus diesen Gründen werden die Stromwandler in einigen Messaufbauten in einer zusätzlichen geerdeten Metallbox untergebracht. Identifizierte Störquellen im Nahbereich der Strommessungen können auch durch geeignete Abschirmfolien abgeschirmt werden. Es gibt inzwischen elektrisch und magnetisch leitfähige Folien, die eine Vielzahl von potenziellen Störsignalen abschirmen können. 2
4 Lärm
Vor allem bei der Messung kleiner Signale wird deutlich, dass elektronisches Rauschen in allen Schaltungen auftritt, die ohmsche Widerstände oder elektronische Komponenten wie Transistoren enthalten.
Die beiden wichtigsten Arten sind das thermische und das Schussgeräusch.
4.1 Thermisches Rauschen
Ein metallischer Leiter oder Widerstand enthält eine Anzahl von freien Elektronen. Die thermische Bewegung verursacht Kollisionen zwischen den freien Ladungsträgern und den Atomen, was zu einem ständigen Energieaustausch führt. Dies erklärt auch die Widerstandseigenschaften des Leiters. Da in einem offenen Stromkreis kein Strom fließt, verursacht die zufällige Bewegung der Elektronen im Leiter Spannungsschwankungen entlang des Leiters, was zu einer Rauschspannung an seinen Anschlüssen führt.
Das thermische oder Widerstandsrauschen, auch Johnson-Rauschen oder Nyquist-Rauschen genannt, ist proportional zur Temperatur und zum Widerstandswert. Die Proportionalitätskonstante ist die Boltzmann-Konstante k. Sie gibt an, wie viel durchschnittliche Wärmeenergie pro Kelvin einem Ladungsträger zugeführt wird. Das thermische Rauschen ist unabhängig von der Frequenz, nimmt aber mit zunehmender Bandbreite zu. Das Rauschen wird oft durch die Leistungsspektraldichte PSD(Power Spectral Density) oder Rauschleistung in der Einheit W / Hz beschrieben. Die effektiven Werte müssen für alle Berechnungen verwendet werden.
4.2 Schussgeräusche
Elektrisches Schrotrauschen tritt immer dann auf, wenn ein elektrischer Strom eine Potentialbarriere überwinden muss. Schrotrauschen entsteht, weil sich der gesamte Stromfluss aus der Bewegung einzelner Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) zusammensetzt und jeder Ladungsträger diese Barriere einzeln durchquert. Dies geschieht nicht gleichmäßig, sondern ist ein stochastischer Prozess. Insgesamt können bestimmte Fluktuationen des Stromflusses auch auf makroskopischer Ebene beobachtet werden
Das Ausmaß des Schrotrauschens hängt von der Stärke des fließenden Stroms ab und zeigt keine direkte Abhängigkeit von der Temperatur. Dies unterscheidet es vom thermischen Rauschen.
Danisense verwendet Komponenten, die bereits als rauscharme Komponenten charakterisiert sind. Achten Sie bei der Auswahl der Messgeräte darauf, dass das Signal-Rausch-Verhältnis hoch genug ist, um die gewünschten Messergebnisse zu erzielen.
Es kann auch sinnvoll sein, die Bandbreite der Eingangskanäle des Messgerätes zu begrenzen.
Anmerkungen
1 Hans Albrecht Worlfsperger: Elektromagnetische Schirmung: Theorie und Praxisbeispiele (VDI-Buch) Gebundene Ausgabe - 25. April 2008