仪表的干扰来源及抗干扰措施

摘要：从仪表的基本原理并结合仪表现场使用的情况，分析干扰仪表正常工作的原因，并针对具体的问题提出具体的解决和预防措施。 关键词：串模干扰；共模干扰；屏蔽；接地；分布电容 仪表在工业生产的现场使用的条件常常是很复杂的。被测量的参数又往往被转换成微弱的低电平电压信号，并通过长距离传输至二次表或者计算机系统。因此除了有用的信号外，经常会出现一些与被测信号无关的电压或电流存在。这种无关的电压或电流信号我们称之为“干扰”（也叫噪声）。 干扰的来源有很多种，通常我们所说的干扰是电气的干扰，但是在广义上热噪声、温度效应、化学效应、振动等都可能给测量带来影响，产生干扰。在测量过程中，如果不能排除这些干扰的影响，仪表就不能够正常的工作。 根据仪表输入端干扰的作用方式，可分为串模干扰和共模干扰。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。 1干扰的产生 干扰来自于干扰源，它们在仪表内外都可能存在。在仪表外部，一些大功率的用电设备以及电力设备都可能成为干扰源，而在仪表内部的电源变压器、机电器、开关以及电源线等也均可能成为干扰源，干扰的引入方式主要如下： 1) 电磁感应，也就是磁耦合。信号源与仪表之间的连接导线、仪表内部的配线通过磁耦合在电路中形成干扰。像我们在工程中使用的大功率的变压器、交流电机、高压电网等的周围空间中都存在有很强的交变磁场，而仪表的闭合回路处在这种变化的磁场中将会产生感应电势。感应电势可用下式计算： 式中：e_n——感应电动势； B————磁通密度； A————闭合回路的面积； θ————磁力线与面积A的垂线的夹角。 这种磁感应电动势与有用信号串联，当信号源与仪表相距较远时，此情况较为突出。如图1.1(a)和1.1(b)所示： 图1.1 图中数据为实验数据。 为降低感应电动势，B、A或COSθ等项必须尽量减小。所以将导线远离这些强用电设备及动力网，调整走线方向以及减小导线回路面积都是必要的。仅由于把两根信号线以短的节距绞合，磁感应电动势就能降为原有的1/10~1/100。 2) 静电感应，也就是电的耦合。在相对的两物体中，如其一的电位发生变化，则由于物体间的电容使另一物体的电位也发生变化。干扰源是通过电容性的耦合在回路中形成干扰。它是两电场相互作用的结果。如图1.2中所示： 图中，导线1的电位会在导线2上感应出对地的电压e_c： 当把两根信号线与动力线平行敷设时，由于动力线到两信号线的距离不相等，分布电容也不相等。它在两根信号导线上能产生电位差，有时可达几十毫伏甚至更大。当把信号线扭绞时能使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。而在采用静电屏蔽后，能使感应电势减小到1/100~1/1000。 通过电磁感应、静电感应所形成的干扰大部分是50Hz的工频干扰电压。但是其他的高频发生器、带整流子的电机等设备，也会产生高频的干扰。由于雷云之间、雷云与大地间的放电，在配线上也能感应出异常电压。 3) 附加热电势和化学电势，主要是由于不同金属产生的热电势以及金属腐蚀等原因产生的化学电势，当它处于电回路时会成为干扰，这种干扰大多以直流的形式出现。在接线端子板或是干簧继电器等处容易产生热电势。 4) 振动。导线在磁场中运动时，会产生感应电动势。因此在振动的环境中把信号导线固定是很有必要的。 以上这4种干扰都是和信号串联，也就是以串模干扰的形式出现。 5) 不同地电位引入的干扰。在大地中，各个不同点之间往往存在电位差。尤其在大功率的用电设备附近，当这些设备的绝缘性能较差时，这一电位差更大。而在仪表的使用中往往又会有意或无意的是输入回路存在两个以上的接地点。这样就会把不同接地点的电位差引入仪表，这种地电位差有时能达1~10伏以上，它是同时出现在两根信号导线上。如图1.3所示： 通过静电耦合的方式，能在两输入端感应出对地的共同电压，以共模干扰的形式出现。 由于共模干扰它不和信号相叠加，它不直接对仪表产生影响。但它能通过测量系统形成到地的泄漏电流，这漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪表，产生干扰。 6) 除一些脉冲电压能够作用于模拟电路之外，还可以对数字电路产生干扰，这些脉冲电压的发生源是开关、电机、继电器这样一些感性负载和产生放电的机器等。 在了解了各种不同的干扰源之后，我们就可以针对不同的情况采取对应的措施加以消除或避免。因为所有的干扰源都是通过一定的耦合通道而对仪表产生影响，因此我们可以通过切断干扰的耦合通道来抑制干扰。 通常采用的方式有信号导线的扭绞、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等各种方法，一般我们会同时采取多种措施。 2 干扰的抑制 常用的抗干扰措施比较多，要想抑制干扰，必须对干扰作全面地分析了解，要在消除或抑制噪声源、破坏干扰途径和削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三个方面采取措施。 消除噪声源是积极主动的措施。比如插接件接触不良、虚焊等情况，对于这类干扰源是可以消除的。从原则上讲，对于噪声源应予以消除。但是，实际上很多的噪声源是难以消除或不能消除的。例如有时候泵房中的仪表，泵运行时电机的电磁干扰就是不能够消除的。这时候就必须采取防护措施来抑制干扰。 1) 串模干扰的抑制 串模干扰与被测信号所处的地位相同，因此一旦产生串模干扰，就不容易消除。所以应当首先防止它的产生。防止串模干扰的措施一般有以下这些： * 信号导线的扭绞。由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且是两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进入回路的串模干扰大为减小。 * 屏蔽。为了防止电场的干扰，可以把信号导线用金属包起来。通常的做法是在导线外包一层金属网（或者铁磁材料），外套绝缘层。屏蔽的目的就是隔断“场”的耦合，抑制各种“场”的干扰。屏蔽层需要接地，才能够防止干扰。如图2.1我们可以清楚地看到屏蔽层接地和不接地的两种情况，我们可以分析一下这两种情况： 图中导线1为干扰源，导线2为信号导线，导线2对地电阻可认为是无限大，并在导线外包裹屏蔽层。 如图2.1中所示，屏蔽层不接地，因为干扰源与屏蔽层之间存在分布电容，在导线2的屏蔽层上就会感应出电压: 由于导线2与屏蔽层之间存在有电容C2s,在C2s上无电流存在，所以导线2感应的电压e_c=e_s。 如果把屏蔽层接地，如图所示，e_s=0，导线2上感应电压也减小到接近于0。因此在实际使用中，屏蔽层必须接地。否则对减小感应电压没有效果。不过，如果屏蔽层是非铁磁性材料，那么对于工频的磁场干扰没有屏蔽效果。可以通过将信号线穿入铁管中，使导线得到磁屏蔽。 * 滤波。对于变化速度很慢的直流信号，可以在仪表的输入端加入滤波电路，以使混杂于信号的干扰衰减到最小。但是在实际的工程设计中，这种方法一般很少用，通常，这一点在仪表的电路设计过程中就已经考虑了。 以上的几种方法是主要是针对与不可避免的干扰场形成后的被动抑制措施，但是在实际过程中，我们应当尽量避免干扰场的形成。譬如注意将信号导线远离动力线；合理布线，减少杂散磁场的产生；对变压器等电器元件加以磁屏蔽等等，采取主动隔离的措施。 2) 共模干扰的抑制 由于仪表系统信号多为低电平，因此，共模干扰也会使仪表信号产生畸变，带来各种测量的错误。防止共模干扰通常采取的措施如下： * 接地。通常仪表和信号源外壳为安全起见都接大地，保持零电位。信号源电路以及仪表系统也需要稳定接地。但是如果接地方式不恰当，将形成地回路导入干扰。如图1.3中就是这种情况，两点接地，由于存在地电位差，因此产生共模干扰。因此，通常，仪表回路采用在系统处单点接地。但是事实上，信号源侧对地不可能绝缘，因此，从这个意义上来说，不可能彻底的消除地电位差引进的干扰。所以为了提高仪表的抗干扰能力，通常在低电平测量仪表中都把二次仪表“浮地”，也就是将二次仪表与地绝缘。以切断共模干扰电压的泄漏途径，使干扰无法进入。在实际应用中，我们通常将屏蔽和接地结合起来应用，往往能够解决大部分的干扰问题。如果将屏蔽层在信号侧与仪表侧均接地，则地电位差会通过屏蔽层形成回路，由于地电阻通常比屏蔽层的电阻小的多，所以在屏蔽层上就会形成电位梯度，并通过屏蔽层与信号导线间的分布电容耦合到信号电路中去，因此屏蔽层也必须一点接地。并且，信号导线屏蔽层接地应与系统接地同侧。 事实上，由于二次仪表的外壳为了安全，是需要接地的。而仪表的输入端与外壳之间一定存在分布电容和漏阻抗，因此，浮地不可能把泄漏途径完全切断，因此，必要的时候，通常采用的是双层屏蔽浮地保护。也就是在在仪表的外