妨害信号とその対策
1 概要
干渉電圧と干渉電流は、測定システム内で発生することもあれば、外部から測定システム内に伝達されることもある。一般的なメカニズムを下図に示す。
コネクティングケーブルやケーブルシステムは、その広範な範囲ゆえに、しばしば干渉源にさらされたり、干渉にさらされたりします。
カップリングメカニズムは、妨害変数が妨害源から妨害シンクに伝達される方法を説明する。以下の図は、可能なカップリングメカニズムを示している。
伝導型と非伝導型のカップリングメカニズムは基本的に区別される。伝導妨害は共有回路内で発生するが、電界結合妨害は電気的に絶縁されたシステム間でも発生する。
2 導電性カップリング
2.1 ガルバニックカップリング
ガルバニック結合は、共通の電圧源と共通の導体トレースまたは共通のワイヤーを持つ回路で発生する。
3 非導電性カップリング
3.1 誘導結合
図4は、誘導妨害がどのように発生するかを示している：測定線に時間的に変化する磁束が流れると、測定線に電圧が誘起され、測定電圧Vmと直列に現れます。誘導電圧により、電流が測定線に流れます。これらはまた、測定アンプの入力インピーダンスを介して流れ、重畳された干渉電圧によって実際の測定電圧を歪ませます。このような誘導妨害は、測定線をひねることで大幅に減らすことができます。誘導電圧は部分的に打ち消し合う。もちろん、高電圧ケーブルと測定ケーブルの間の距離は、常に可能な限り大きく保つ必要があります。原則として、測定ケーブルは高電圧ケーブルから少なくとも1m離すべきである。同様に、破壊的な磁気の迷走磁界をできるだけ小さくするために、順方向導体とリターン導体は最初から高圧側で結合しておく必要があります。距離が不十分で、これ以上伸ばせない場合は、測定ケーブルや測定トランスデューサーを高透磁率の金属シートで包んで磁気シールドすることができる。高周波磁界は、アルミニウムなどの非磁性導体材料ですでにシールドすることができる。
高電圧ラインと測定ライン間の誘導結合。
ツイスト・ケーブルでは、干渉磁界によって誘起される電圧は部分的に打ち消し合う。
以下の関係は原則として有効とする。
- の変化率が大きければ、測定回路の誘導電圧は大きくなる。 現在の の方が速い。
- 導体と影響を受ける測定回路との間の結合インダクタンスが高ければ、測定回路の誘導電圧は大きくなる。
3.2 容量結合
容量性カップリングの干渉変数は電圧である。
容量結合は、高電圧導体や信号導体など、電位の異なる隣り合う2つの導体間で発生する。広義には、導体はコンデンサのプレートに相当する。
電界により、電荷はこれらの寄生カップリング容量を介してある回路から別の回路へ移動する。カップリングキャパシタンスは、並列の高電圧ラインと信号ラインの長さに正比例する。導体間の距離が長くなるにつれて減少する。
v₂の系統における連成故障電圧の大きさは、以下の通りである。
- 変化率が大きいほど 電圧
- 導体1と導体2の間の結合容量が大きいほど .
次の図6は、ケーブルの浮遊容量を介して容量性干渉が形成される様子を示しています。干渉電流は測定電圧源の内部抵抗を通って流れ、電圧降下を引き起こします。 .従って、測定電圧源の内部抵抗が低く、高電圧線と測定線の間の距離が可能な限り大きければ（通常は少なくとも1m）、容量性干渉を低く抑えることができます。測定電圧源がフローティング（または中心点が接地されたアース対称）である場合、測定線とアースの対称性、すなわち等しい漏れ抵抗をねじります と を2つの測定導体とアースの間に配置することで、両方の導体が同じ干渉電圧をアースに伝えるようにすることができます（図6-B）。干渉は両方の導体に「コモンモード電圧」として現れ、測定信号は導体間の「差動電圧」として現れます。差動増幅器を使用すると、ほとんど測定信号のみがピックアップされ、干渉信号は抑制されます。図6-Cに示すように、測定線と、可能かつ必要な限り、測定電圧源と測定増幅器も接地シールドを設けるとさらに効果的である。この場合、容量誘起干渉電流は、測定導体に到達することなく、シールドを介して流れ落ちます。シールド材は高導電性であればよく、強磁性は必要ありません。
A.電力線と測定線間の容量結合
B.測定信号源がフローティングの場合、ツイストとアース対称（𝑹 𝑬 𝑹 𝑬）を使用して、差動干渉電圧が発生しないようにすることができます。
C.接地されたシールドは、干渉を測定ケーブルから遠ざける。
考えられる対策をここにまとめておく。
- 2本の導体間の距離を最大にする
- 地上構造物へのケーブルの緊密な設置
- シールドケーブル、静電シールドの挿入（アース接続）
- 高感度回路と干渉回路の分離
3.2.1 干渉問題を回避するためのダニセンス対策
3.2.1.1 DQ、DS、DL、DM、DL シリーズ：
電流トランスデューサのハウジングはアルミニウム製で、不要な高周波干渉から保護されています。電流トランスデューサがDanisense DSUBケーブルでDaniSenseシステムインターフェースユニット（DSSIU）に接続されている場合、ハウジングとケーブルシールドは電源ネットワークのアースに電気的に接続されます。
DSSIUから測定装置までの実験用ケーブルがツイストされており、大きなループになっていないことを確認してください。
3.2.1.2 DTシリーズ：
ハウジングはプラスチックとアルミニウム製。変換器ヘッドは銅箔に包まれており、この銅箔はDSUB接続を介してDSUBケーブルのケーブルシールドにも接続されている。ケーブルシールドはDSSIUを介してネットワークアースに接続されています。
3.2.1.3 DRシリーズ：
トランスデューサー・ヘッドは銅箔に包まれており、ケーブル・シールドに接続されている。ケーブルシールドは電子制御ボックス内の供給ネットワークのアースに接続されている。
アルミ筐体を直接アースすることも有効な場合がありますが、この場合はアースループに注意する必要があります。18ページのマニュアルをご参照ください。
3.3 放射線
今日、スイッチング電源のような非線形負荷は、電力網に高調波ひずみを引き起こすだけでなく、しばしば電磁放射の原因ともなっている。例えば、磁界は巻線部品によって、電界は高パルス電圧の導体によって発生します。これらの浮遊磁界は電流変換器に影響を与える可能性があります。これらの振動を記録するためにオシロスコープを使用することができます。 この迷走放射を可視化するために、従来のプローブを使用することができる。プローブの先端は接地アダプターに接続されている。
この放射線は、例えば電流変換器の内孔を通過することができるため、二次信号で認識することができる。
約3.33MHzの発振が上の画像で確認できる。電流変換器の出力にはローパスフィルターがないため、一般的にこれらの信号は減衰しません。オシロスコープを使用する場合は、高周波の干渉を最小限に抑えるため、入力信号をフィルタリングできるオシロスコープを使用することをお勧めします。
別の例を図10に示す。DS50UB-10Vに電源が接続されておらず、筐体も発掘されていない状態で、BNC接続により約44MHzの発振を検出することができます。この発振は、ピーク・トゥ・ピークの一次電流約20mAに相当する。測定は標準的な家庭用オフィスの机の上で行った。
この干渉は、電流トランスの指定帯域幅である500kHzの範囲外である。一桁MHz帯のローパスフィルターを使用すれば、この干渉を大幅に低減できる可能性がある。
3.3.1 干渉に対する追加シールド
金属シールドが良好な減衰特性を示すのは、電磁放射の周波数が高い場合だけであることに注意する必要がある。次の図は、直径20mm、肉厚0.5mmの円筒の減衰特性を、異なる材料で示したものです。
低周波では、材料の高い透磁率が強く推奨される。以下の表は、異なるフィールドタイプによるシールド材の特性の概要を示しています。
すべての磁場がアルミニウムハウジングや銅箔で遮蔽できるわけではない。望ましくない磁界は、電流変換器の一次導体のケーブル入口でも発生し、電流変換器のそれぞれの鉄心に磁束を誘導する可能性があります。このような理由から、一部の測定セットアップでは、電流変換器はさらに接地された金属ボックスに収納されています。電流測定の至近距離で特定された干渉源は、適切なシールドフォイルを使用してシールドすることもできる。現在では、電気的および磁気的に導電性のフォイルが入手可能であり、広範囲の潜在的な干渉信号を遮蔽することができる。 2
4 騒音
特に小信号を測定する場合、オーミック抵抗やトランジスタなどの電子部品を含むすべての回路で電子ノイズが発生することが明らかになる。
最も重要な2つのタイプは、サーマルノイズとショットノイズである。
4.1 熱雑音
金属導体や抵抗器には多数の自由電子が含まれている。熱運動は、自由電荷キャリアと原子の衝突を引き起こし、その結果、常にエネルギーが交換される。これは導体の抵抗特性も説明する。開回路では電流が流れないため、導体内の電子のランダムな動きが導体に沿って電圧変動を引き起こし、それが端子でのノイズ電圧につながる。
熱雑音または抵抗雑音は、ジョンソン雑音またはナイキスト雑音とも呼ばれ、温度と抵抗値に比例する。比例定数はボルツマン定数kであり、1ケルビンあたりの平均熱エネルギーが電荷キャリアにどれだけ供給されるかを示している。熱雑音は周波数に依存しないが、帯域幅が広がると増加する。ノイズは多くの場合、パワースペクトル密度PSD（power spectral density）または単位W/Hzのノイズパワーで表される。すべての計算には実効値を使用する必要があります。
4.2 ショットノイズ
電気的なショットノイズは、電流が電位障壁を乗り越えなければならないときに常に発生する。ショット・ノイズが発生するのは、電流の流れ全体が個々の電荷キャリア（電子または正孔）の動きで構成され、各電荷キャリアが個別にこのバリアを通過するためである。これは一様に起こるのではなく、確率的なプロセスである。全体として、電流の流れにおけるある種のゆらぎは、巨視的なレベルでも観察することができる。
ショットノイズの大きさは流れる電流の大きさに依存し、温度には直接依存しない。この点が熱雑音と異なる。
ダニセンスでは、すでに低ノイズ部品として特性化されている部品を使用しています。測定装置を選択する際には、S/N比が目的の測定結果を得るのに十分高いことを確認してください。
また、測定装置の入力チャンネルの帯域幅を制限することも意味がある。
備考
1 Hans Albrecht Worlfsperger：Elektromagnetische Schirmung：Theorie und Praxisbeispiele (VDI-Buch) Gebundene Ausgabe - 25.2008年4月