Способ подавления помех в кабельных цепях, кабель и способ его изготовления

Изобретение относится к технике кабельных цепей и решает задачу повышения их помехоустойчивости к внешним электромагнитным помехам. Техническим результатом изобретения является значительное уменьшение доли электромагнитных помех в сигнале, передаваемом по кабельным цепям. Способ подавления помех в кабельных цепях заключается в том, что одни концы двух жил непосредственно или через резисторы электрически соединяют, сигналы с других концов которых суммируют, а фигуру, образованную одной парой жил, включающую в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично размещают в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично. Цепи объединенных жил балансируют, например, по их сопротивлению. Кабель состоит из двух пар жил, каждая пара жил непосредственно или опосредованно запараллелена, а фигура, образованная одной парой жил и включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично размещена в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично. Способ изготовления кабеля включает изолирование жил и закрепление их в пространстве друг относительно друга, при этом каждую пару четырех жил непосредственно или опосредованно запараллеливают, а в пространстве располагают таким образом, чтобы фигура, образованная одной парой жил, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично, размещена в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично. 3 н. и 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к кабелям связи и может быть использовано для передачи электрических сигналов с ослаблением влияния внешних электромагнитных помех.

Широко известен для передачи электрических сигналов кабель, состоящий из двух токопроводящих жил. С одной стороны к кабелю подключают источник сигнала, с другой - приемник сигнала. Сигнал от источника сигнала по жилам кабеля передается в приемник сигнала. Однако в реальных условиях сигнал передается по кабелю с искажениями из-за неизбежного наличия внешних электромагнитных возмущений (зачастую недопустимо значительных). Механизм возникающих в кабеле помех, как известно, заключается в следующем: внешний возмущающий электромагнитный поток пронизывает замкнутый контур, образованный жилами кабеля и подсоединенными к нему устройствами, и вырабатывает в нем э.д.с. помехи, которая складывается с полезным сигналом, искажая передаваемый по кабелю сигнал. Чем больше площадь указанного контура, тем большие искажения претерпевает полезный сигнал. Особая неприятность возникает при передаче сигналов малого уровня (милливольты и микровольты). Например, кабель, составленный из двух обычных отдельных проводов в 30 метров со свободным их положением друг относительно друга, при размещении в непосредственной близости от силового провода с протекающим по нему электрическим током в 6А и 50 Гц может создать помеху величиной до 300-400 мВ.

Наиболее близкими по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемым изобретениям являются следующие технические решения.

Известен способ подавления помех в кабельных цепях, при котором с целью уменьшения помехи за счет уменьшения площади контура наведения помехи, электрические жилы располагают на минимально возможном расстоянии друг от друга [Серьезнов А.Н. и Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. М., Энергия, 1968 (Библиотека по автоматике. Вып.22), стр.14, абзац последний].

Известен соответственно приведенному способу кабель, у которого электрические жилы расположены параллельно друг другу на минимально возможном расстоянии, которое, естественно, ограничено толщиной изоляции [Серьезнов А.Н. и Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. М., Энергия, 1968 (Библиотека по автоматике. Вып. 22), стр.14, абзац последний].

Известен способ изготовления кабеля, включающий изолирование жил и закрепление их в пространстве друг относительно друга [Серьезнов А.Н. и Цапенко М.П. Методы уменьшения влияния помех в термометрических цепях. М., Энергия, 1968 (Библиотека по автоматике. Вып.22), стр.13, абзац 3].

В таком кабеле (например, типа КПЛМ-0,35 или КУПВ-0,35) при упомянутых условиях возможно уменьшение помехи до величины порядка 12-14 мВ.

Однако такие погрешности недопустимы при передаче по кабелю малых сигналов.

Задачей настоящего изобретения является повышение помехоустойчивости кабеля.

Техническим результатом изобретения является значительное (например, в 100 и более раз) уменьшение доли электромагнитных помех в сигнале, передаваемом по кабелю.

В первом варианте поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе подавления помех в кабельных цепях одни концы двух жил непосредственно или опосредовано электрически соединяют, сигналы с других концов которых суммируют, а третью жилу частично или полностью располагают в пространстве между двумя первыми, преимущественно симметрично; цепи объединенных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

В кабеле, состоящем из двух жил, введена третья жила, частично или полностью расположенная в пространстве между двумя другими жилами, непосредственно или опосредованно запараллеленными; в цепь запараллеленных жил введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений.

В способе изготовления кабеля, включающем изолирование жил и закрепление их в пространстве друг относительно друга непосредственно или опосредовано запараллеливают две жилы, а третью жилу располагают частично или полностью в пространстве между ними, преимущественно симметрично; цепи запараллеленных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

Во втором варианте поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе подавления помех в кабельных цепях одни концы каждой пары четырех жил непосредственно или опосредовано электрически соединяют, сигналы с других концов каждой пары жил суммируют, а фигуру, образованную одной парой жил, включающую в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично размещают в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично; цепи объединенных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

В кабеле, состоящем из двух жил, введены еще две жилы, каждая пара жил непосредственно или опосредовано запараллелена, а фигура, образованная одной парой жил, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично, размещена в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично; в цепь запараллеленных жил введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений.

В способе изготовления кабеля, включающем изолирование жил и закрепление их в пространстве друг относительно друга, каждую пару четырех жил непосредственно или опосредованно запараллеливают, а в пространстве располагают таким образом, чтобы фигура, образованная одной парой жил, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично, размещена в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично; цепи запараллеленных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

На Фиг.1 показана конструкция предлагаемого (трехжильного) кабеля первого варианта со схемой его включения в электрическую цепь.

Фиг.2 поясняет сущность формирования положительного эффекта в первом варианте.

На Фиг.3 показана конструкция предлагаемого (четырехжильного) кабеля второго варианта со схемой его включения в электрическую цепь.

Фиг.4 поясняет сущность формирования положительного эффекта во втором варианте.

На Фиг.5 показан вариант включения устройства симметрирования сопротивлений жил.

Первый вариант изобретения рассмотрим на примере кабеля, показанного на Фиг.1. Кабель состоит из трех параллельных жил, находящихся в одной плоскости, причем между двумя запараллеленными жилами «а» расположена третья (одиночная) жила «b». На входном и выходном концах кабеля жилы «а» электрически объединены, образуя два входных и два выходных вывода кабеля. Входной конец кабеля используется для подключения источника сигнала, выходной конец - для подключения приемника сигнала. Электромагнитное возмущающее поле воздействует на кабель извне. Для симметрирования жил в паре можно использовать устройство симметрирования, выполненное, например, на базе потенциометра Rsim (Фиг.5).

Изобретение работает следующим образом. Рассмотрим Фиг.2, где для наглядности формирования положительного эффекта показаны (в поперечном сечении кабеля) три последовательных характерных взаимных расположения жил с объединенными жилами «а». Жирными точками показано поперечное сечение жил, тонкими линиями электрическое соединение, а пунктирными окружностями подразумеваемая их изоляция.

Первое расположение жил кабеля (Фиг.2а) имеет между запараллеленными и третьей жилой некоторый просвет, образующий для внешнего возмущающего электромагнитного поля соответствующую пронизываемую площадь S≠O, что, естественно, вызывает в кабельной цепи соответствующую э.д.с. помехи последовательно с передаваемым по кабелю сигналом. Второе расположение жил (Фиг.2b) соответствует смыканию одиночной жилы (при передвижении его вправо) с внешней плоскостью пространства между запараллеленными жилами, что сводит к нулю пронизываемую площадь S=0, и, естественно, к нулю и соответствующую э.д.с. помехи. Заметим, что в обычном (двухжильном кабеле) это сделать невозможно из-за неизбежного наличия изоляции на жилах. Это положение в рассматриваемом техническом решении является граничным, т.е. положением, где уже имеется полный устойчивый положительный эффект кабеля. При дальнейшем передвижении вправо одиночной жилы до центрального положения в кабеле (Фиг.2с) создается так называемое гарантированное отсутствие пронизываемой площади (S - нет), т.е. и гарантированное отсутствие э.д.с. помехи от воздействия внешнего возмущающего электромагнитного поля.

Второй вариант изобретения рассмотрим на примере кабеля, показанного на Фиг.3. Кабель состоит из четырех параллельных жил («а» и «b»), расположенных в поперечном сечении по вершинам условного геометрического квадрата. Все жилы разделены на две пары. Жилы в парах расположены по диагоналям этого квадрата. Для каждой пары используется своя из двух диагоналей. Обе плоскости расположения жил пар взаимно пересекаются. На входном и выходном концах кабеля жилы пар электрически объединены, образуя два входных и два выходных вывода. Жилы для каждой пары оказываются электрически запараллелены. Входной конец кабеля используется для подключения источника сигнала, выходной конец - для подключения приемника сигнала. Электромагнитное возмущающее поле воздействует на кабель извне. Для симметрирования жил в паре можно использовать устройство симметрирования, выполненное, например, на базе потенциометра Rsim (Фиг.5).

Изобретение работает следующим образом. Рассмотрим Фиг.4, где для наглядности формирования положительного эффекта показаны (в поперечном сечении кабеля) три последовательных характерных взаимных расположения обеих пар с запараллеленными жилами. Как и в первом варианте, жирными точками показано поперечное сечение жил, тонкими линиями электрические соединения, а пунктирными окружностями подразумеваемая их изоляция. Первое расположение жил (Фиг.4а) имеет между парами некоторый просвет, образующий для внешнего возмущающего электромагнитного поля соответствующую пронизываемую площадь S≠0, что, естественно, вызывает в кабеле соответствующую э.д.с. помехи последовательно с передаваемым по жилам сигналом. Второе расположение жил (Фиг.4b) соответствует смыканию горизонтальной пары (при передвижении ее вправо) с внешней плоскостью фигуры, образованной второй (вертикальной) однородной парой, что сводит к нулю пронизываемую площадь S=0, и, естественно, к нулю и соответствующую э.д.с. помехи. Это положение в рассматриваемом техническом решении является граничным, т.е. положением, где уже имеется полный устойчивый положительный эффект подавления помех. При дальнейшем передвижении вправо горизонтальной пары до центрального положения в кабеле (Фиг.4с) создается гарантированное отсутствие пронизываемой площади (S - нет), т.е. и гарантированное отсутствие э.д.с. помехи от воздействия внешнего возмущающего электромагнитного поля.

В конечных положениях обоих вариантов изобретения (Фиг.2с и Фиг.4с) в принципе не важно, с какой стороны и под каким углом воздействует возмущающее электромагнитное поле, поскольку отсутствует пронизываемая площадь кабеля для внешней помехи. Кроме того, здесь расположение жил в пространстве может быть произвольным (не обязательно симметричным), лишь бы пронизываемая площадь отсутствовала. Не важен и размер контуров, образованных жилами, не обязательна и непосредственная близость жил друг к другу. Все это чрезвычайно важно при реальной эксплуатации кабеля, т.к. условия использования постоянно меняются (в том числе наличие деформаций и вибраций), что изменяет геометрию расположения жил и может ухудшить эффект подавления помех при известных технических решениях. Здесь же имеется гарантированный пространственный запас для изменения расположения жил.

При этом сигнальные токи, протекающие по кабелю, в свою очередь практически не создают своего электромагнитного поля во внешнее пространство.

Возможно совместное использование традиционных методов, таких как скручивание жил и, кроме этого, их экранирование, что к уже полученному рассмотренному положительному эффекту технического решения дает дополнительный известный положительный эффект.

Кроме того, следует заметить, что погонная емкость экранированного кабеля значительно больше обычного, что существенно ограничивает быстродействие передачи сигналов по кабелю. Здесь же (без экрана) возможна реализация большего быстродействия устройств, его использующих.

Теоретически в идеальных условиях оба варианта изобретения по эффекту подавления помех должны быть идентичны, поскольку в обоих случаях отсутствует площадь контура наведения. Однако в реальных условиях для жил малого диаметра (0,5; 0,3; 0,2 мм) в первом варианте (трехжильный кабель) имеются некоторые сложности для гарантированного обеспечения наилучшей теоретической геометрии взаимного расположения жил. Во втором же варианте (четырехжильный кабель) в любых случаях возможно обеспечение отсутствия площади контура наведения помехи, т.к. нет ограничений по расстоянию между жилами.

Практически (в ранее рассмотренных условиях) предлагаемые технические решения позволяют уменьшить наводимую помеху до величины 0,11-0,13 мВ, т.е. более чем в 100 раз, что соответствует погрешности 0,22-1,3% и для многих задач использования является весьма большим достижением. Кроме того, полученный кабель допускает совместное использование измерительных и силовых сигналов в одном кабеле, что существенно упрощает построение совместных кабельных связей.

С другой стороны, кроме того, возмущающее электромагнитное поле вызывает некоторый дополнительный циклический паразитный ток в контуре, образованном запараллеленными жилами (Фиг.5), и при наличии некоторой несимметрии сопротивлений этих жил (r1≠r2) остается, хотя и значительно (в 100 раз) уменьшенная, доля помехи, проявляющаяся в виде дополнительной разности потенциалов (ϕаа-ϕа) между входными и выходными концами кабеля. Для получения еще большего эффекта подавления помех следует симметрировать (балансировать) эти сопротивления в запараллеленных жилах, например введением устройства симметрирования, которое (в простейшем случае) может быть выполнено в виде соответствующей добавки сопротивления в соответствующую жилу кабеля. Наилучший эффект дает выполнение устройства симметрирования в виде потенциометра, включенного в разрыв этих жил на выходном конце кабеля с выводом от движка потенциометра (Фиг.5), что позволяет регулированием свести остаток наведенной помехи к нулю, причем практически с любой степенью приближения. Сопротивление потенциометра следует брать равным максимально возможному дисбалансу сопротивлений жил, чтобы разрешающая способность регулировки потенциометром была максимальной.

Экспериментальные исследования выполненных таким образом кабелей подтверждают возможность сведения остаточной помехи до величин, меньших 1 мкВ, что соответствует подавлению помехи более чем в 10000 раз.

Суммирование сигналов на приемной стороне может быть осуществлено (как показано на Фиг.1 и Фиг.3) непосредственным соединением этих жил (суммирование токов) или опосредовано: через дополнительные проводники, через суммирующие резисторы или любым известным электронным сумматором. Непосредственное же соединение предпочтительней, поскольку оно более надежно и проще, да и эффект подавления помех здесь может быть получен более высокий в силу большей возможной симметрии суммирования. Кроме того, получающиеся таким образом короткозамкнутые цепи (витки) уменьшают величину внешнего электромагнитного поля.

Третья жила в первом варианте изобретения должна хотя бы коснуться пространства, находящегося между двумя другими запараллеленными жилами, или пересечь его, а лучше всего расположить ее полностью в этом пространстве, причем симметрично, что даст возможность во время эксплуатации некоторому допустимому отклонению третьей жилы из-за неточностей ее установки и временного дрейфа ее положения в пространстве от наилучшего положения.

Во втором варианте изобретения должна хотя бы коснуться пространства, находящегося между какими-либо запараллеленными жилами, или пересечь его, фигура, образованная другими запараллеленными жилами, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, а лучше всего расположить эту фигуру с пересечением симметрично, по тем же соображением, что и в первом варианте.

Для более существенного подавления помех следует балансировать цепи запараллеленных жил по их сопротивлению. При этом необходимо помнить, что и емкостной дисбаланс этих цепей тоже сказывается на величине подавления, хотя и в меньшей степени, и для получения очень больших степеней подавления помех следует балансировать запараллеленные жилы и по емкостной составляющей. Теоретически и индуктивный дисбаланс также нужно учитывать, хотя практически его влияние ничтожно.

При изготовлении кабеля нужно обеспечить соответствующую изоляцию жил и жесткость требуемой конструкции взаимного расположения жил, что можно обеспечить, используя любые известные способы и средства.

На основе вышеизложенного сущность заявляемых технических решений заключается в следующем.

В первом варианте способ подавления помех в кабельных цепях заключается в том, что одни концы двух жил непосредственно или опосредовано электрически соединяют, сигналы с других концов которых суммируют, а третью жилу частично или полностью располагают в пространстве между двумя первыми, преимущественно симметрично; цепи объединенных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

Кабель, состоящий из двух жил, содержит третью жилу, частично или полностью расположенную в пространстве между двумя другими жилами, непосредственно или опосредовано запараллеленными; в цепь запараллеленных жил введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений.

Способ изготовления кабеля, включающий изолирование жил и закрепление их в пространстве друг относительно друга, заключается в том что непосредственно или опосредовано запараллеливают две жилы, а третью жилу располагают частично или полностью в пространстве между ними, преимущественно симметрично; цепи запараллеленных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

Во втором варианте способ подавления помех в кабельных цепях заключается в том, что одни концы каждой пары четырех жил непосредственно или опосредовано электрически соединяют, сигналы с других концов каждой пары жил суммируют, а фигуру, образованную одной парой жил, включающую в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично, размещают в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично; цепи объединенных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

Кабель, состоящий из двух жил, содержит еще две жилы, каждая пара жил непосредственно или опосредовано запараллелена, а фигура, образованная одной парой жил, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично, размещена в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично; в цепь запараллеленных жил введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений.

Способ изготовления кабеля, включающий изолирование жил и закрепление их в пространстве друг относительно друга заключается в том, что каждую пару четырех жил непосредственно или опосредовано запараллеливают, а в пространстве располагают таким образом, чтобы фигура, образованная одной парой жил, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично, размещена в пространстве между другой парой жил, преимущественно симметрично; цепи запараллеленных жил балансируют, например, по их сопротивлению.

По данному предложению в институте выполнены соответствующие теоретические и экспериментальные исследования, которые подтверждают возможность получения заявленного технического результата.

Изобретение особо ценно при передаче быстроменяющихся сигналов, когда нет возможности использовать обычную фильтрацию или экранирование кабеля, а также при мощных импульсных помехах, например от тиристорных устройств нагрева объектов исследования, причем с возможностью размещения в кабеле и силовых цепей.

Реализация предложения в ИИС для прочностных исследований авиационных конструкций позволит существенно повысить достоверность результатов испытаний без использования экранированных кабелей, а следовательно, надежность рекомендаций, выдаваемых промышленности, по совершенствованию конструкций летательных аппаратов.

1. Способ подавления помех в кабельных цепях, основанный на их экранировании, отличающийся тем, что одни концы каждой пары четырех жил непосредственно или через резисторы электрически соединяют, сигналы с других концов каждой пары жил суммируют, а в пространстве жилы располагают таким образом, чтобы фигура, образованная одной парой жил и включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично, была размещена в пространстве между другой парой жил преимущественно симметрично.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что цепи объединенных жил симметрируют, например, по их сопротивлению.

3. Кабель, содержащий две жилы, отличающийся тем, что в него введены еще две жилы, каждая пара жил на одних концах непосредственно или через резисторы запараллелена, а на других концах электрически соединена посредством суммирующих элементов, жилы расположены так, что фигура, образованная одной парой жил, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично размещена в пространстве между другой парой жил преимущественно симметрично.

4. Кабель по п.3, отличающийся тем, что в цепь запараллеленных жил введено устройство симметрирования, например, их сопротивлений.

5. Способ изготовления кабеля, включающий изолирование жил и закрепление их в пространстве относительно друг друга, отличающийся тем, что каждую пару четырех жил непосредственно или через резисторы запараллеливают, а в пространстве жилы располагают таким образом, чтобы фигура, образованная одной парой жил, включающая в себя сами жилы и пространство между ними, хотя бы частично была размещена в пространстве между другой парой жил преимущественно симметрично.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что цепи запараллеленных жил симметрируют, например, по их сопротивлению.