仪器的保护是指对仪器(表、源等)进行独立的屏蔽,并将此屏蔽引出作为仪器的保护端。其目的有两个:一是电场屏蔽,即屏蔽外电场对屏蔽区域的作用。二是提高抑制共模干扰电压的能力。
(一)有源保护技术
有源保护技术是为了在保护端已保护连接的情况下,提高保护端与信号地端(G)并联的负载阻抗,从而减小保护端及其连线对信号地端的影响。要达到这个目的,一方面要保证保护端和信号低端(Lo)的等电位,另一方面,还有给保护连线提供相应的电流。
一般用保护放大器的方法来实现上述目的。使保护放大器的增益为1,来保证保护端和信号地(G)端的等电位,另一方面,放大器的输入端具有很高的输入阻抗,从而给信号低端(Lo)带来的负载效应很小。保护线上的电流由放大器的输出端来提供。
(二)输入(信号)屏蔽技术
合理选择输入信号连接线对测量结果有很大的影响。一般测量仪器的信号接入端(Hi,Lo) 分离的连接线可能耦合空间的电磁场而使信号输入端串入干扰信号,造成测量误差。图1是采用同轴屏蔽线实现输入信号屏蔽。信号高端和信号低端分别用同抽屏蔽线,屏蔽层作为保护连线,同时也作为电场屏蔽保护输入信号不受外界电场的干扰。另外这种连接方法还能抑制外界磁场耦合,是目前大多数电测量仪器常采用的方法。
双线屏蔽电缆也是常采用的输入信号保护措施。双线屏蔽电缆由两条绞合导线作为信号输入线,内屏蔽层作为保护端连接线,外层屏蔽层作为电磁场的屏蔽层。绞合导线对空间磁场有良好的抑制能力,屏蔽层提供对电场的屏蔽作用,并和保护端连接。
电缆的类型对屏蔽效果有很大的影响,双线屏蔽电缆一般采用铜芯,用金属箔作为屏蔽层(并带有连接线)。一般在低频和直流测量中,选择屏蔽双线式输入信号电缆,对干扰电场和干扰磁场有很好的抑制作用。
(三)带有保护端的仪器相互连接方法
精密校准器和诸如数字电压表等,一般都带有保护端,有的还带有接地端。为了更有效地抑制共模信号,校准系统中的仪器应按特定原则进行连接,对不同电量有不同的连接方法。
1.电压测量
图2所示校准器(简称源)的信号高端(Hi)、信号低端(Lo)、保护端和数字电压表(简称表)的对应端相连。信号低端(Lo)、保护端与地在校准器一测相连,不要在表的一侧把保护端和地连在一起。类似的连接按以下原则进行:
1)进行低幅度、高频电流测量时,由于漏阻抗的影响容易产生比较大的误差,因此使用有源保护技术。
2)如需要尽可能地把电容(引线的分布电容)减到最小,则使用两根单独的同输线更合法。这时,内导体用作信号线。而屏蔽层用来连接表的保护端、源的保护器和源的Lo输出端。
3)在不需要连接保护端时,在源端将信号低端、保护端和地相连;在表端仅将保护端和信号低端相连。
4)对任何仪器,都必须将仪器的保护端和信号低端连接。
2.电阻测量
对于准确度较低的欧姆表可以采用二线制的连接方式,不需要保护端的连接。对于精密 电阻测量,一般要涉及四线连接方式,有四个测量输入端和一个保护端。把这种类型的欧姆 表连到校准器时需使用四线连接方式,连接方法如图3所示。使用两条屏蔽双线电缆,一条用于电流,一条用于电压。保护端在电缆的两端连到两条电缆的屏蔽层上,但Lo端、保护端、接地端只在校准器一侧连在一起,即只在源的一侧接地。若欧姆表还带有欧姆保护端,则此欧姆保护端应连到包围电流Hi端引线的屏蔽层上。
(四)保护的频率限制
使用仪器保护端主要是为了消除共模干扰信号的影响。因为保护端对仪器的保护是建立在电磁屏蔽的基础上,所以在直流和低频情况下,这种保护方法的效果较明显,当信号频率增加时,这种保护措施的效果会越来越差,甚至会使仪器测量准确度恶化。所以在高频时,有些仪器会自动切断保护端,这时,保护只起到接地屏蔽的作用。一般在100kHz以上时,保护会不起作用, 屏蔽线连接方法而应当遵循高频测量规范。