Снижение помех на сигнальных линиях датчиков: экранирование и заземление

Статья подготовлена в информационных целях. Упоминание тех или иных товаров (услуг) не означает, что они представлены в нашем каталоге. Пожалуйста, уточняйте актуальный ассортимент у менеджеров.

Любая сигнальная линия — это антенна. Она принимает паразитные электромагнитные поля, излучаемые силовыми кабелями, частотными преобразователями, сварочным оборудованием, пускателями, тиристорными регуляторами и даже соседними радиопередатчиками. Добавим сюда кондуктивные помехи, проникающие по общим цепям питания и заземления, — и получаем среду, где сигнал с термопары или токовой петли 4–20 мА рискует утонуть в шуме.

Наиболее уязвимы высокоимпедансные цепи: входы термопар, тензодатчиков, пьезодатчиков. Токовая петля устойчивее, но и на ней наводка в десятки милливольт способна исказить показания. Помехи делятся на два основных типа: синфазные — наведённые одновременно на оба сигнальных провода относительно земли, и дифференциальные — наведённые между самими проводами. Хорошая витая пара частично подавляет дифференциальную помеху, но полностью бессильна против синфазной. Здесь и вступает в игру экран.

Что даёт экранирование

Экран — это проводящая оболочка, которая перехватывает внешнее электрическое поле и отводит наведённый ток на землю, не пропуская его к сигнальным жилам. В электростатике экран работает как клетка Фарадея. В электродинамике высокочастотное магнитное поле экран ослабляет благодаря вихревым токам, наведённым в самом экране (скин-эффект). Чем выше частота помехи, тем тоньше может быть экран. На промышленных частотах 50 Гц и гармониках частотных преобразователей (до десятков килогерц) эффективнее работают толстые экраны из медной оплётки или комбинация фольга плюс оплётка.

Наиболее распространённые конструкции экранов сигнальных кабелей:

• Оплётка из лужёной меди — хорошая механическая защита, высокая эффективность на частотах до нескольких мегагерц.
• Фольга (ламинированная алюминиевая лента) — отличная защита от высокочастотных помех, но меньшая механическая прочность; обязательно наличие дренажного провода.
• Комбинированный экран (фольга и оплётка) — максимальная эффективность в широком спектре помех.

Главный вопрос: заземлять экран с одной или с двух сторон

Это — камень преткновения, породивший больше дискуссий, чем любой другой аспект монтажа. Ответ не универсален и зависит от частотного спектра помех и топологии заземления объекта.

Если экран заземлён с одной стороны (обычно со стороны приёмника сигнала — щита автоматики), он идеально защищает от электростатических наводок. При этом по экрану не течёт продольный ток, потому что цепь разомкнута. Недостаток: на высоких частотах (свыше сотен килогерц) незаземлённый конец экрана может переизлучать помеху, то есть сам становиться источником наводок.

Если экран заземлён с двух сторон, он превращается в замкнутый контур. При разности потенциалов между точками заземления по экрану течёт ток — та самая «земляная петля». Этот ток создаёт падение напряжения на сопротивлении экрана и может навести помеху на сигнальные жилы. Проблема усугубляется, если рядом проложен силовой кабель с большими токами — магнитное поле наводит в контуре экран–земля значительные напряжения.

Практическое правило для большинства объектов:

• Для низкочастотных сигналов (до порядка 100 кГц), включая токовые петли 4–20 мА, термопары, дискретные сигналы, экран заземляют в одной точке, обычно на стороне приёмного прибора.
• Для высокочастотных цепей (цифровые шины Profibus, RS-485, Ethernet промышленного исполнения, сигналы энкодеров) экран заземляют с двух сторон, но при обязательном выполнении надёжной системы уравнивания потенциалов, сводящей разность потенциалов между точками заземления к минимуму.
• Для искробезопасных цепей требования диктует ГОСТ IEC 60079-14: экран заземляется только с одной стороны и только в безопасной зоне, либо применяется специальная схема с гальванической развязкой.

Разделка экрана: недооценённый фактор

Плохая разделка сводит на нет весь эффект экранирования. Типичные ошибки:

• Экран скручен в жгут и заизолирован синей изолентой — переходное сопротивление составляет десятки миллиом, а то и омы, и экран перестаёт быть экраном.
• Дренажный провод обрезан, вместо него используется фольга — контакт нестабильный.
• Экран заземлён через длинный проводник (более 50 мм) — на высоких частотах индуктивность этого отрезка делает заземление неэффективным.

Правильная разделка предполагает использование кабельных вводов с контактом под экран: металлический ввод со специальной пружиной или конусным зажимом охватывает экран на 360 градусов, обеспечивая сопротивление контакта не более единиц миллиом. Внутри шкафа дренажный провод или экран заводят непосредственно на шину заземления кратчайшим путём.

Прокладка и расстояние

Прокладка сигнальных кабелей в общих лотках с силовыми — одна из самых частых причин помех. Требования просты и категоричны:

• Расстояние между силовым и сигнальным кабелем при параллельной прокладке должно составлять не менее 200–300 мм на длинах до 10 метров и не менее 500 мм при больших длинах.
• Если пересечение неизбежно, оно выполняется под прямым углом.
• В одном лотке сигнальные и силовые кабели разделяют металлической перегородкой с заземлением.
• Неэкранированные сигнальные кабели внутри шкафа должны быть удалены от силовых цепей и контакторов на максимальное расстояние.

Дополнительная защита: ферритовые кольца

Для подавления высокочастотных синфазных помех применяют ферритовые кольца (фильтры), надеваемые на весь кабель или на его отдельные жилы. Особенно эффективны на частотах выше 1 МГц, характерных для импульсных преобразователей. Кольцо надевают как можно ближе к вводу в прибор. Важно: материал феррита должен соответствовать частотному диапазону помехи; марганцево-цинковые ферриты работают на низких частотах, никель-цинковые — на высоких.

Нормативная база

Проектирование и монтаж ведутся с учётом:

• ПУЭ (главы 1.7, 2.3);
• ГОСТ Р 51317 (серия стандартов по электромагнитной совместимости);
• ГОСТ Р МЭК 61000-5-2;
• ГОСТ IEC 60079-14 (для искробезопасных цепей);
• технической документации изготовителей датчиков и контроллеров.

Проверка после монтажа

После прокладки и подключения сигнальных цепей обязательно:

1. Измерить сопротивление изоляции между жилами и между жилами и экраном (допустимое — не менее 1 МОм).
2. Измерить сопротивление между экраном и землёй в точке заземления (должно быть не более 0,1 Ом).
3. Проконтролировать отсутствие контакта экрана с землёй в незаземлённом конце (для одноточечной схемы).
4. Провести испытания под нагрузкой, анализируя стабильность сигналов в различных режимах работы оборудования.

---

Статья носит исключительно информационный характер и не является руководством к действию, технической или производственной инструкцией. За консультациями по вопросам обращайтесь к сертифицированным специалистам.