如何消除儀表的干擾

儀表在工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)使用的條件常常是很復(fù)雜的。被測(cè)量的參數(shù)又往往被轉(zhuǎn)換成微弱的低電平電壓信號(hào)，并通過(guò)長(zhǎng)距離傳輸至二次表或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此除了有用的信號(hào)外，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些與被測(cè)信號(hào)無(wú)關(guān)的電壓或電流存在。這種無(wú)關(guān)的電壓或電流信號(hào)我們稱(chēng)之為“干擾”(也叫噪聲)。
　　
　　干擾的來(lái)源有很多種，通常我們所說(shuō)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(dòng)等都可能給測(cè)量帶來(lái)影響，產(chǎn)生干擾。在測(cè)量過(guò)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(cè)信號(hào)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(lái)自于干擾源，它們?cè)趦x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(kāi)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(hào)源與儀表之間的連接導(dǎo)線、儀表內(nèi)部的配線通過(guò)磁耦合在電路中形成干擾。像我們?cè)诠こ讨惺褂玫拇蠊β实淖儔浩?、交流電機(jī)、高壓電網(wǎng)等的周?chē)臻g中都存在有很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，而儀表的閉合回路處在這種變化的磁場(chǎng)中將會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)。感應(yīng)電勢(shì)可用下式計(jì)算：
　　
　　式中：en——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；
　　
　　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(dòng)勢(shì)與有用信號(hào)串聯(lián)，當(dāng)信號(hào)源與儀表相距較遠(yuǎn)時(shí)，此情況較為突出。所示：
　　
　　為降低感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，B、A或COSθ等項(xiàng)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(dòng)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(hào)線以短的節(jié)距絞合，磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(duì)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(guò)電容性的耦合在回路中形成干擾。它是兩電場(chǎng)相互作用的結(jié)果。
　　
　　當(dāng)把兩根信號(hào)線與動(dòng)力線平行敷設(shè)時(shí)，由于動(dòng)力線到兩信號(hào)線的距離不相等，分布電容也不相等。它在兩根信號(hào)導(dǎo)線上能產(chǎn)生電位差，有時(shí)可達(dá)幾十毫伏甚至更大。當(dāng)把信號(hào)線扭絞時(shí)能使電場(chǎng)在兩信號(hào)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(shì)減小到1/100~1/1000。
　　
　　通過(guò)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(huì)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(shì)和化學(xué)電勢(shì)，主要是由于不同金屬產(chǎn)生的熱電勢(shì)以及金屬腐蝕等原因產(chǎn)生的化學(xué)電勢(shì)，當(dāng)它處于電回路時(shí)會(huì)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(shì)。
　　
　　4)振動(dòng)。導(dǎo)線在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此在振動(dòng)的環(huán)境中把信號(hào)導(dǎo)線固定是很有必要的。
　　
　　以上這4種干擾都是和信號(hào)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(gè)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(shí)，這一電位差更大。而在儀表的使用中往往又會(huì)有意或無(wú)意的是輸入回路存在兩個(gè)以上的接地點(diǎn)。這樣就會(huì)把不同接地點(diǎn)的電位差引入儀表，這種地電位差有時(shí)能達(dá)1~10伏以上，它是同時(shí)出現(xiàn)在兩根信號(hào)導(dǎo)線上。
　　
　　通過(guò)靜電耦合的方式，能在兩輸入端感應(yīng)出對(duì)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(hào)相疊加，它不直接對(duì)儀表產(chǎn)生影響。但它能通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)形成到地的泄漏電流，這漏電流通過(guò)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(duì)數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，這些脈沖電壓的發(fā)生源是開(kāi)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(duì)不同的情況采取對(duì)應(yīng)的措施加以消除或避免。因?yàn)樗械母蓴_源都是通過(guò)一定的耦合通道而對(duì)儀表產(chǎn)生影響，因此我們可以通過(guò)切斷干擾的耦合通道來(lái)抑制干擾。
　　
　　通常采用的方式有信號(hào)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(huì)同時(shí)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(duì)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(duì)噪聲干擾的敏感性這三個(gè)方面采取措施。
　　
　　消除噪聲源是積極主動(dòng)的措施。比如插接件接觸**、虛焊等情況，對(duì)于這類(lèi)干擾源是可以消除的。從原則上講，對(duì)于噪聲源應(yīng)予以消除。但是，實(shí)際上很多的噪聲源是難以消除或不能消除的。例如有時(shí)候泵房中的儀表，泵運(yùn)行時(shí)電機(jī)的電磁干擾就是不能夠消除的。這時(shí)候就必須采取防護(hù)措施來(lái)抑制干擾。
　　
　　1)串模干擾的抑制
　　
　　串模干擾與被測(cè)信號(hào)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(hào)導(dǎo)線的扭絞。由于把信號(hào)導(dǎo)線扭絞在一起能使信號(hào)回路包圍的面積大為減少，而且是兩根信號(hào)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(chǎng)和電場(chǎng)通過(guò)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(chǎng)的干擾，可以把信號(hào)導(dǎo)線用金屬包起來(lái)。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(chǎng)”的耦合，抑制各種“場(chǎng)”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(duì)于變化速度很慢的直流信號(hào)，可以在儀表的輸入端加入濾波電路，以使混雜于信號(hào)的干擾衰減到小。但是在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)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(jì)過(guò)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(hào)多為低電平，因此，共模干擾也會(huì)使儀表信號(hào)產(chǎn)生畸變，帶來(lái)各種測(cè)量的錯(cuò)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(hào)源外殼為**起見(jiàn)都接大地，保持零電位。信號(hào)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(shí)上，信號(hào)源側(cè)對(duì)地不可能絕緣，因此，從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，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(cè)量?jī)x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(wú)法進(jìn)入。在實(shí)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(lái)應(yīng)用，往往能夠解決大部分的干擾問(wèn)題。如果將屏蔽層在信號(hào)側(cè)與儀表側(cè)均接地，則地電位差會(huì)通過(guò)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(huì)形成電位梯度，并通過(guò)屏蔽層與信號(hào)導(dǎo)線間的分布電容耦合到信號(hào)電路中去，因此屏蔽層也必須一點(diǎn)接地。并且，信號(hào)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(shí)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(gè)內(nèi)屏蔽罩，內(nèi)屏蔽罩與信號(hào)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(hào)導(dǎo)線的屏蔽層相連接，而信號(hào)線的屏蔽在信號(hào)源處一點(diǎn)接地，ASLI這樣使儀表的輸入保護(hù)屏蔽及信號(hào)屏蔽對(duì)信號(hào)源穩(wěn)定起來(lái)，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(jiàn)圖5。)即便這樣，其實(shí)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(hào)強(qiáng)度降低至相對(duì)與實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度來(lái)說(shuō)可忽略的程度。