如何消除儀表的干擾

儀表在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場使用的條件常常是很復(fù)雜的。被測量的參數(shù)又往往被轉(zhuǎn)換成微弱的低電平電壓信號，并通過長距離傳輸至二次表或者計算機(jī)系統(tǒng)。因此除了有用的信號外，經(jīng)常會出現(xiàn)一些與被測信號無關(guān)的電壓或電流存在。這種無關(guān)的電壓或電流信號我們稱之為“干擾”(也叫噪聲)。
　　
　　干擾的來源有很多種，通常我們所說的干擾是電氣的干擾，但是在廣義上熱噪聲、溫度效應(yīng)、化學(xué)效應(yīng)、振動等都可能給測量帶來影響，產(chǎn)生干擾。在測量過程中，如果不能排除這些干擾的影響，儀表就不能夠正常的工作。
　　
　　根據(jù)儀表輸入端干擾的作用方式，可分為串模干擾和共模干擾。串模干擾是指疊加在被測信號上的干擾；共模干擾是加在儀表任一輸入端與地之間的干擾。
　　
　　1干擾的產(chǎn)生
　　
　　干擾來自于干擾源，它們在儀表內(nèi)外都可能存在。在儀表外部，一些大功率的用電設(shè)備以及電力設(shè)備都可能成為干擾源，而在儀表內(nèi)部的電源變壓器、機(jī)電器、開關(guān)以及電源線等也均可能成為干擾源，干擾的引入方式主要如下：
　　
　　1)電磁感應(yīng)，也就是磁耦合。信號源與儀表之間的連接導(dǎo)線、儀表內(nèi)部的配線通過磁耦合在電路中形成干擾。像我們在工程中使用的大功率的變壓器、交流電機(jī)、高壓電網(wǎng)等的周圍空間中都存在有很強(qiáng)的交變磁場，而儀表的閉合回路處在這種變化的磁場中將會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。感應(yīng)電勢可用下式計算：
　　
　　式中：en——感應(yīng)電動勢；
　　
　　B——磁通密度；
　　
　　A——閉合回路的面積；
　　
　　θ——磁力線與面積A的垂線的夾角。
　　
　　這種磁感應(yīng)電動勢與有用信號串聯(lián)，當(dāng)信號源與儀表相距較遠(yuǎn)時，此情況較為突出。所示：
　　
　　為降低感應(yīng)電動勢，B、A或COSθ等項必須盡量減小。所以將導(dǎo)線遠(yuǎn)離這些強(qiáng)用電設(shè)備及動力網(wǎng)，調(diào)整走線方向以及減小導(dǎo)線回路面積都是必要的。僅由于把兩根信號線以短的節(jié)距絞合，磁感應(yīng)電動勢就能降為原有的1/10~1/100。
　　
　　2)靜電感應(yīng)，也就是電的耦合。在相對的兩物體中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于物體間的電容使另一物體的電位也發(fā)生變化。干擾源是通過電容性的耦合在回路中形成干擾。它是兩電場相互作用的結(jié)果。
　　
　　當(dāng)把兩根信號線與動力線平行敷設(shè)時，由于動力線到兩信號線的距離不相等，分布電容也不相等。它在兩根信號導(dǎo)線上能產(chǎn)生電位差，有時可達(dá)幾十毫伏甚至更大。當(dāng)把信號線扭絞時能使電場在兩信號線上產(chǎn)生的電位差大為減小。而在采用靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢減小到1/100~1/1000。
　　
　　通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)所形成的干擾大部分是50Hz的工頻干擾電壓。但是其他的高頻發(fā)生器、帶整流子的電機(jī)等設(shè)備，也會產(chǎn)生高頻的干擾。由于雷云之間、雷云與大地間的放電，在配線上也能感應(yīng)出異常電壓。
　　
　　3)附加熱電勢和化學(xué)電勢，主要是由于不同金屬產(chǎn)生的熱電勢以及金屬腐蝕等原因產(chǎn)生的化學(xué)電勢，當(dāng)它處于電回路時會成為干擾，這種干擾大多以直流的形式出現(xiàn)。在接線端子板或是干簧繼電器等處容易產(chǎn)生熱電勢。
　　
　　4)振動。導(dǎo)線在磁場中運(yùn)動時，會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。因此在振動的環(huán)境中把信號導(dǎo)線固定是很有必要的。
　　
　　以上這4種干擾都是和信號串聯(lián)，也就是以串模干擾的形式出現(xiàn)。
　　
　　5)不同地電位引入的干擾。在大地中，各個不同點(diǎn)之間往往存在電位差。尤其在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)這些設(shè)備的絕緣性能較差時，這一電位差更大。而在儀表的使用中往往又會有意或無意的是輸入回路存在兩個以上的接地點(diǎn)。這樣就會把不同接地點(diǎn)的電位差引入儀表，這種地電位差有時能達(dá)1~10伏以上，它是同時出現(xiàn)在兩根信號導(dǎo)線上。
　　
　　通過靜電耦合的方式，能在兩輸入端感應(yīng)出對地的共同電壓，以共模干擾的形式出現(xiàn)。
　　
　　由于共模干擾它不和信號相疊加，它不直接對儀表產(chǎn)生影響。但它能通過測量系統(tǒng)形成到地的泄漏電流，這漏電流通過電阻的耦合就能直接作用于儀表，產(chǎn)生干擾。
　　
　　6)除一些脈沖電壓能夠作用于模擬電路之外，還可以對數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，這些脈沖電壓的發(fā)生源是開關(guān)、電機(jī)、繼電器這樣一些感性負(fù)載和產(chǎn)生放電的機(jī)器等。
　　
　　在了解了各種不同的干擾源之后，我們就可以針對不同的情況采取對應(yīng)的措施加以消除或避免。因為所有的干擾源都是通過一定的耦合通道而對儀表產(chǎn)生影響，因此我們可以通過切斷干擾的耦合通道來抑制干擾。
　　
　　通常采用的方式有信號導(dǎo)線的扭絞、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離等各種方法，一般我們會同時采取多種措施。
　　
　　2干擾的抑制
　　
　　常用的抗干擾措施比較多，要想抑制干擾，必須對干擾作**地分析了解，要在消除或抑制噪聲源、破壞干擾途徑和削弱接收電路對噪聲干擾的敏感性這三個方面采取措施。
　　
　　消除噪聲源是積極主動的措施。比如插接件接觸**、虛焊等情況，對于這類干擾源是可以消除的。從原則上講，對于噪聲源應(yīng)予以消除。但是，實際上很多的噪聲源是難以消除或不能消除的。例如有時候泵房中的儀表，泵運(yùn)行時電機(jī)的電磁干擾就是不能夠消除的。這時候就必須采取防護(hù)措施來抑制干擾。
　　
　　1)串模干擾的抑制
　　
　　串模干擾與被測信號所處的地位相同，因此一旦產(chǎn)生串模干擾，就不容易消除。所以應(yīng)當(dāng)首先防止它的產(chǎn)生。防止串模干擾的措施一般有以下這些：
　　
　　信號導(dǎo)線的扭絞。由于把信號導(dǎo)線扭絞在一起能使信號回路包圍的面積大為減少，而且是兩根信號導(dǎo)線到干擾源的距離能大致相等，分布電容也能大致相同，所以能使由磁場和電場通過感應(yīng)耦合進(jìn)入回路的串模干擾大為減小。
　　
　　屏蔽。為了防止電場的干擾，可以把信號導(dǎo)線用金屬包起來。通常的做法是在導(dǎo)線外包一層金屬網(wǎng)(或者鐵磁材料)，外套絕緣層。屏蔽的目的就是隔斷“場”的耦合，抑制各種“場”的干擾。屏蔽層需要接地，才能夠防止干擾。如圖4我們可以清楚地看到屏蔽層接地和不接地的兩種情況，我們可以分析一下這兩種情況：
　　
　　濾波。對于變化速度很慢的直流信號，可以在儀表的輸入端加入濾波電路，以使混雜于信號的干擾衰減到小。但是在實際的工程設(shè)計中，這種方法一般很少用，通常，這一點(diǎn)在儀表的電路設(shè)計過程中就已經(jīng)考慮了。
　　
　　2)共模干擾的抑制
　　
　　由于儀表系統(tǒng)信號多為低電平，因此，共模干擾也會使儀表信號產(chǎn)生畸變，帶來各種測量的錯誤。防止共模干擾通常采取的措施如下：
　　
　　接地。通常儀表和信號源外殼為**起見都接大地，保持零電位。信號源電路以及儀表系統(tǒng)也需要穩(wěn)定接地。但是如果接地方式不恰當(dāng)，將形成地回路導(dǎo)入干擾。就是這種情況，兩點(diǎn)接地，由于存在地電位差，因此產(chǎn)生共模干擾。因此，通常，儀表回路采用在系統(tǒng)處單點(diǎn)接地。但是事實上，信號源側(cè)對地不可能絕緣，因此，從這個意義上來說，不可能徹底的消除地電位差引進(jìn)的干擾。所以為了提高儀表的抗干擾能力，通常在低電平測量儀表中都把二次儀表“浮地”，也就是將二次儀表與地絕緣。以切斷共模干擾電壓的泄漏途徑，使干擾無法進(jìn)入。在實際應(yīng)用中，艾思荔建議大家通常將屏蔽和接地結(jié)合起來應(yīng)用，往往能夠解決大部分的干擾問題。如果將屏蔽層在信號側(cè)與儀表側(cè)均接地，則地電位差會通過屏蔽層形成回路，由于地電阻通常比屏蔽層的電阻小的多，所以在屏蔽層上就會形成電位梯度，并通過屏蔽層與信號導(dǎo)線間的分布電容耦合到信號電路中去，因此屏蔽層也必須一點(diǎn)接地。并且，信號導(dǎo)線屏蔽層接地應(yīng)與系統(tǒng)接地同側(cè)。
　　
　　儀表的輸入端與外殼之間一定存在分布電容和漏阻抗，因此，浮地不可能把泄漏途徑完全切斷，因此，必要的時候，通常采用的是雙層屏蔽浮地保護(hù)。也就是在在儀表的外殼內(nèi)部再套一個內(nèi)屏蔽罩，內(nèi)屏蔽罩與信號輸入端已經(jīng)外殼之間均不做電氣連接，內(nèi)屏蔽層引出一條導(dǎo)線與信號導(dǎo)線的屏蔽層相連接，而信號線的屏蔽在信號源處一點(diǎn)接地，ASLI這樣使儀表的輸入保護(hù)屏蔽及信號屏蔽對信號源穩(wěn)定起來，處于等電位狀態(tài)?？梢源蟠蟮奶岣邇x表抗干擾的能力(具體可參見圖5。)即便這樣，其實也是存在一定的泄漏電流的，但是，抑制干擾的措施就是為了讓干擾信號強(qiáng)度降低至相對與實際信號強(qiáng)度來說可忽略的程度。