GDS: 80mm H-probe til måling af støj fra elektriske kabler

Til mit teknologiske deep-dive om PLC teknologi havde jeg brug for at måle på den støj som PLC (og elendige LED pærer) introducer på elkabler.

Hvis jeg bare tilsluttede elkablet til indgangen på min spectrum analyzer ville al den magiske røg slippe ud i ét stort brag – og den magiske røg i en spectrum analyzer er af den særdeles pebrede slags!

Skal man måle niveauerne på en kalibreret og reproducerbar måde, er den korrekte metode at benytte et LISN. LISN står for Line Impedance Stabilisation Network, og er grundlæggende et lavpas filter som dels sikrer en kontrolleret/kendt impedans og dels muliggør tilslutningen af måleudstyr.

Kilde: Wikipedia

Omend jeg ville elske at have et sådan apparat i instrumentparken, så er det trods alt begrænset hvor ofte jeg har nytte af det, og det er ikke just gratis. Kigger man på ovenstående konceptdiagram så ser det jo ret simpelt ud selv at lave et LISN, men i realiteten er det ikke så simpelt. spolen er ikke bare en tilfældig spole fra skuffen.

Her kan I se indersiden af et kommercielt LISN.

Kilde: EEVBLOG, Dave Jones

Jeg vælger en mere simpel og ikke mindst mere sikker metode til at måle støjen på elkabler: En H-probe.

For det første så betyder det, at der ikke er nogen direkte forbindelse mellem min (dyre og højt elskede) spectrum analyzer og de 230V på elkablerne, og for det andet så er jeg egentlig ligeglad med de absolutte niveauer. Til mit formål hvor det mere er spørgsmål af typen:

  • “er der støj og ved hvilke frekvenser?”
  • “larmer dims A mere end dims B?”

vil en H-probe være fuldt ud tilstrækkelig og sluttelig er en H-probe særdeles let og ikke mindst billig at lave.

Først lidt teori!

Betragter vi et kabel hvor igennem der flyder en strøm, I_s(t), kan man i tidsdomænet udtrykke spændingen over et segment af kablet, U_{segment} som en funktion af kablets induktans per længdeenhed U_{segment} = L \cdot \frac{d_i}{d_t}.

\frac{d_i}{d_t} er et matematisk udtryk for “strømmens ændring over tid“.


Hvis vi laver et firkantet loop og holder den ene side tæt op ad og parallelt med kablet vil en spænding U_p  blive induceret i loopet, som afhænger af den induktive kobling, M mellem kablet og vores primitive probe. Denne spænding kan udtrykkes som U_p = M \cdot \frac{d_i}{d_t}.

M er per definition altid mindre end L og derfor følger det, at U_p altid vil have den samme grundlæggende signalform som U_{segment}, men amplituden vil være lavere.

Vores primitive probe vil kunne vise en relativ nøjagtig repræsentation af den strøm der løber gennem kablet ved frekvenser op til omkring 1 GHz. Kræves højere frekvenser skal spolens induktans være lavere, og dermed skal H-probens dimensioner reduceres. Prisen vil være en reduktion i følsomhed ved lavere frekvenser.

Design og konstruktion

Nok snak – lad os bygge dimsen!

I sin helt simple form er der blot tale om et stykke bukket enkeltleder ledning hvor enderne er loddet til henholdsvis centertappen og skærmen på en BNC connektor. Problemet med den løsning er, at proben derved vil kunne opsamle RF støj, og dermed vil det målte signal afvige fra støjsignalet på det kabel man ønsker at måle.

Vi skal altså bruge skærmet kabel til vores probe, MEN her rammer vi en faldgrube! Magnetfeltet vi ønsker at måle vil koble til skærmen også og de resulterende strømme i skærmen vil modvirke spændingen i centerlederen. Derfor skal skærmen i loopet være afbrudt. Bruddet skal placeres præcis i midten af den del som holdes op mod kablet.

Hvilket kabel skal man bruge?

Kablet skal have en karakteristisk impedans som matcher det instrument som det skal tilsluttes. Typisk 50 Ohm.

Det bedste vil være hvis du kan finde stift (rigid) coax kabel. Så kan du blot bukke kablet i den ønskede form, og så sikrer du at inderlederen kan komme tættest muligt på det kabel som du vil måle på. Signalet falder med kvadratet på afstanden, så hver en millimeter tæller!

Derfor er det også en fordel at vælge tyndt coax kanel, som f.eks. RG316. Jeg valgte dog at følge HDEHIS-princippet, og endte derfor med at bruge et RG58 kabel.

Fordelen er at kablet allerede er bestykket med en BNC konnektor som passer på et oscilloscop og med en adaptor også på min spectrum analyzer. Der er dog et par ulemper: Mit RG58 kabel er ikke rigidt og dermed kan det ikke af egen kraft fastholde en kvadratisk form. Dernæst er kablet relativt tykt, og dermed koster det en smule følsomhed i forhold til RG316.

Jeg har designet og 3d printet en ramme til kablet, som både fastholder kablet i den ønskede form og laver et håndtag så man kan bruge proben lidt lettere. I kan finde filerne her:  https://www.thingiverse.com/thing:2971386

De to halvdele er samlet med epoxylim og det færdige resultat kan I se her:

 

 

 

 

 

 

 

 

Og her et lille eksempel på proben i brug. Spectrum analyzeren viser den støj der er på elkablet når et par PLA enheder er forbundet og der flyder trafik.

 

It's only fair to share...Share on Facebook
Facebook
Tweet about this on Twitter
Twitter
Share on LinkedIn
Linkedin
Email this to someone
email

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.