Помехи в БТС

НА РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ

ВЛИЯНИЕ ПОМЕХ И УСЛОВИЙ ЭКСПЕРИМЕНТА

Лекция 4

Помехами называют физические процессы, обычно однородные с входными или промежуточными сигналами, и вызывающие появление погрешности. К помехам не следует причислять всевозможные искажения полезного сигнала нелинейными преобразованиями и другими подобного рода факторами.

Помехи классифицируют по источникам их возникновения, по среде распространения, энергетическому спектру, по характеру воздействия на измерительный сигнал, по вероятностным характеристикам и другим признакам.

Обычно для СИ помехи делят на внутренние и внешние (по источникам их возникновения).

Внутренние источники шумов возникают в измерительных устройствах от температуры, гальванического взаимодействия в местах соединений участков цепи, от теплового шума в источниках полезных сигналов. Тепловые шумы возникают из-за теплового движения заряженных частиц в элементах электрических цепей и дробового эффекта в электронных приборах. На низких частотах во многих, совершенно различных элементах электронных приборов, начиная примерно с 1 кГц, проявляется фликкерный шум.

Внешние источники шумов бывают искусственного и естественного происхождения. К искусственным источникам помех (так называемых индустриальных помех) относятся двигатели, переключатели, генераторы сигналов различной формы и т.д. Естественными источниками помех являются молнии, всплески солнечной энергии и т.д.

Для БТС (Рисунок 1) целесообразно разделить помехи на:

· Внешние по отношению к БТС

· Внутренние помехи БТС, включающие

v Помехи БО

v Помехи ТС

v Помехи согласования БО и ТС

Рисунок 1. Источники помех в БТС

Проникновение помех в измерительное устройство может проходить по двум путям. Первый путь – по проводам, проходящим к измерительному устройству через «зашумленное» пространство. Помеха наводится на проводах и по ним поступает на элементы и узлы прибора. Второй путь проникновения – через общий элемент, связывающий элементы измерительного устройства, например, через цепи питания. Помехи проникают также в виде излучения электрических и магнитных полей, возникающего по различным причинам на элементах и проводах измерительного устройства (например, при протекании по ним электрических зарядов), а также в виде излучения внешних источников.

Электрические и магнитные поля различных источников помех вследствие наличия индуктивных, емкостных и резистивных связей создают на различных участках и цепях измерительного устройства паразитные разности потенциалов и токи, накладывающиеся на полезные сигналы.

По энергетическому спектру помехи делятся на флюктуационные, импульсные и периодические (сосредоточенные). Флюктуационные помехи представляют хаотический, беспорядочный, непрерывный без существенных изменений во времени процесс в виде последовательности нерегулярных всплесков, параметры которых имеют случайный характер. Такой вид помехи часто называют шумовой помехой или шумом. Спектр шумовой помехи широк и может заполнить всю полосу пропускания измерительного устройства. Примерами флюктуационных помех являются шумы датчиков, внутренние шумы усилительных элементов, шумы линий связи c датчиком и шумы входных устройств измерительных преобразователей.

Считается, что флюктуационные помехи распределены по нормальному закону с нулевым средним и плотностью распределения:

,

где s² – дисперсия; x – текущее значение помехи.

Шумы оказывают существенное влияние только на цепи передачи сигналов низкого уровня.

Импульсивные помехи проявляются либо в виде отдельных импульсов, либо в виде регулярной или хаотической последовательности импульсов, форма и параметры которых имеют случайный характер. В цепях измерительных устройств импульсные помехи по форме совпадает с флюктуационными помехами. Это объясняется тем, что из-за ограниченности полосы пропускания цепей форма импульсных помех искажается.

Причинами появления импульсных помех являются резкие изменения тока и напряжения в промышленных и энергетических установках, транспортных средствах, а также природные электрические явления. Распределение импульсных помех симметричное с произвольной плотностью распределения.

Периодические помехи – это помехи, вызванные периодическими низкочастотными или высокочастотными полями. Если основная часть мощности периодических помех сосредоточена на отдельных участках диапазона частот, меньших полосы пропускания измерительного устройства, (например, на частоте напряжения промышленной сети или кратной этой частоте), то такие помехи называют сосредоточенными. Источниками такого рода помех являются линии электропередач, силовые электроустановки и др.

В зависимости от характера воздействия на измерительный сигнал помехи разделяют на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные (налагающиеся) внешние помехи характеризуются тем, что их действия накладывается на измерительный сигнал и соответственно на результат измерения. Возникающая при этом погрешность не зависит от значения измеряемой физической величины. Примерами аддитивных помех могут служить наложение на измерительный сигнал напряжения, наведенного переменным магнитным полем, и смещение нуля прибора.

Мультипликативными, или деформирующими, помехами называют помехи, влияющие на функцию преобразования измерительного устройства. Соответственно характеру воздействия помехи на измерительный сигнал разделяют аддитивную и мультипликативную составляющие погрешности измерения.

В связи с тем, что мультипликативные погрешности не возникают при проникновении помех во внутренние проводные линии связи, используемые в большинстве измерительных устройств, поддаются коррекции, а их воздействие можно свести к воздействию эквивалентной аддитивной помехи, обычно ограничиваются анализом влияния помехи на основные характеристики полезного сигнала при их аддитивном взаимодействии.

Рассмотрим три случая такого взаимодействия [6]. Первый случай – взаимодействуют квазидетерминированные сигнал x(t) и помеха x_п(t). Суммарный сигнал x_å =x(t)+x_п(t). Если сигнал и помеха импульсивные, то спектр суммарного сигнала

X_å(jw)=X(jw)+ X_п(jw),

где Х(jw), X_п(jw) – спектры x (t) и x_п(t).

Энергия суммарного сигнала

где Exx_п – энергия взаимодействия сигнала и помехи.

Для ортогональных (Exx_п =0) сигнала и помехи корреляционная функция

.

Второй случай – взаимодействуют квазидетерминированный сигнал и случайная помеха.

Суммарный сигнал x_S(t)= x(t)+ x_п(t) может рассматриваться как нестационарный сигнал, у которого математическое ожидание изменяется во времени. Сигнал и помеха в этом случае взаимозависимы, а корреляционная функция суммарного сигнала

R_S(t)=R_x(t)+Rх_п(t).

Если сигнал периодический, то R_x(t) является периодической функцией,

а Rх_п(¥)=0. Это может быть использовано для выделения периодического полезного сигнала из суммарного.

Третий случай – сигнал и помеха являются случайными, суммарный сигнал

x_S(t)=x(t)+ x_п(t).

Плотность вероятности f_S(x) сигнала х_S(t) будет равна свертке распределений f(x) и f(x_п). Корреляционная функция суммарного сигнала

R_S(t)=R_xх(t)+Rх_пх_п(t)+Rхх_п(t)+Rх_пх(t).

Если x(t) и x_п(t) некоррелированы, то Rхх_п (t)=0 и Rх_пх (t)=0. Тогда R_S (t)=Rхх(t)+Rх_пх_п(t).

Энергетический спектр суммарного сигнала

Если x(t) и x _п(t) некоррелированы, то

Wxx_п(w)=Wx_пx(w)=0 и W_S(w)=Wxx(w)+Wx_пx_п(w).

Дата добавления: 2014-01-05