細(xì)數(shù)儀表系統(tǒng)的幾大抗干擾技術(shù)

　　自動(dòng)化水平在不斷提高，許多的冶金工控企業(yè)都是在大量使用儀表檢測(cè)來(lái)檢查自動(dòng)化水平，進(jìn)行下一步的指導(dǎo)。在這個(gè)過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，其中區(qū)主要的就是干擾問(wèn)題，那我們又該如何解決這個(gè)問(wèn)題，下面就來(lái)介紹幾種常見(jiàn)的方法。

習(xí)慣上我們把對(duì)電測(cè)系統(tǒng)或儀器的測(cè)量結(jié)果起影響作用的各種外部或內(nèi)部的無(wú)用信號(hào)稱為干擾。干擾造成的虛假信號(hào)，不僅對(duì)設(shè)備本身造成損壞，甚至還會(huì)使整個(gè)控制系統(tǒng)因邏輯混亂造成控制失靈，形成生產(chǎn)事故，甚至停產(chǎn)。

　　1 干擾的類型

　　按噪聲干擾模式不同，分為共模干擾和差模干擾。共模干擾和差模干擾是一種比較常用的分類方法。

　　1.1共模干擾

　　共模干擾是信號(hào)對(duì)地的電位差，主要由電網(wǎng)串入、地電位差及空間電磁輻射在信號(hào)線上感應(yīng)的共態(tài)（同方向）電壓迭加所形成。共模電壓有時(shí)較大，特別是采用隔離性能差的配電器供電室，變送器輸出信號(hào)的共模電壓普遍較高，有的可高達(dá)130V以上。共模電壓通過(guò)不對(duì)稱電路可轉(zhuǎn)換成差模電壓，直接影響測(cè)控信號(hào)，造成元器件損壞（這就是一些系統(tǒng)I/O器件損壞率較高的主要原因），這種共模干擾可為直流、亦可為交流。

　　1.2差模干擾

　　差模干擾是指作用于信號(hào)兩極間的干擾電壓，又叫串模干擾，主要由空間電磁場(chǎng)在信號(hào)間耦合感應(yīng)及由不平衡電路轉(zhuǎn)換共模干擾所形成的電壓，這種干擾直接疊加在信號(hào)上，直接影響測(cè)量與控制精度。 差模干擾在兩根信號(hào)線之間傳輸，屬于對(duì)稱性干擾①。

　　2 干擾的產(chǎn)生

　　在儀表系統(tǒng)中， 最常用的信號(hào)制是4 ～ 20mA DC 或1～5 V DC。被測(cè)量量先被轉(zhuǎn)換成毫安或毫伏信號(hào)，由于二次儀表距離現(xiàn)場(chǎng)較遠(yuǎn)，因此，傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)處的，除了有用的信號(hào)外，經(jīng)常還有一些與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的電壓或電流存在，這就是干擾。

　　干擾形成有3個(gè)環(huán)節(jié)： （1）干擾源；（2）對(duì)干擾敏感的接收電路； （3）干擾的傳輸途徑。切斷任何一個(gè)環(huán)節(jié)就會(huì)消除干擾。干擾的主要引入方式有以下幾種。

　　2.1 電磁耦合

　　當(dāng)傳感器信號(hào)線直接處于強(qiáng)磁場(chǎng)下，或通過(guò)大電流的電網(wǎng)附近時(shí)，由于信號(hào)線通過(guò)信號(hào)源組成一閉合回路，因此在該回路中將產(chǎn)生感應(yīng)電流（圖1），此感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EM與磁場(chǎng)變換頻率及信號(hào)線回路面積成正比，而隨電網(wǎng)的距離增加而減小，其關(guān)系式為：

　　2.2 靜電耦合

　　相對(duì)兩物體中，如果其中之一的電位發(fā)生變化，則因物體間電容使另一個(gè)物體的電位也發(fā)生變化，若信號(hào)線離電網(wǎng)很近，通過(guò)該電容就會(huì)形成靜電感應(yīng)耦合，使信號(hào)線中產(chǎn)生干擾電壓。在信號(hào)線與電網(wǎng)平行時(shí)，其感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的數(shù)值為

　　式（1）和式（2）是干擾源對(duì)單根信號(hào)線所產(chǎn)生的干擾電壓，當(dāng)信號(hào)線是由兩根平行導(dǎo)線組成時(shí)，干擾電壓則為兩根線上的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差。畢業(yè)論文，接地。因此采用絞線或屏蔽導(dǎo)線可以減少電磁耦合與靜電耦合，從而減少干擾的影響②。

　　2.3 電阻耦合

　　在測(cè)量系統(tǒng)中，當(dāng)存在一個(gè)以上的接地點(diǎn)時(shí)，由于大地回路的電位差所產(chǎn)生的地回路，信號(hào)源與供電電源之間的絕緣電阻所造成的漏電及記錄系統(tǒng)對(duì)地漏電所引起的對(duì)地干擾等均屬于電阻耦合，這種干擾電壓屬于共模干擾電壓。

　　2. 4 其他

　　一些企業(yè)大量使用的繼電器、接觸器等產(chǎn)生的一些脈沖電壓，除了能夠作用于模擬電路外，還可以對(duì)數(shù)字電路產(chǎn)生干擾，這些開(kāi)關(guān)感性元件產(chǎn)生的瞬變電壓有時(shí)高達(dá)4kV ，頻率可達(dá)200 MHz。在了解了各種不同的干擾源之后，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。

　　3 干擾的抑制

　　抑制干擾的方法，一般有三種：①削弱或消除干擾源。②減弱由于干擾源到信號(hào)回路的耦合，也就是切斷的傳播途徑。③提高裝置和系統(tǒng)的抗干擾能力。三種措施比較起來(lái)，消除干擾源是最有效、最徹底的方法。但在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中有不少干擾源是不可能消除的，因此還得結(jié)合實(shí)際情況選擇最適合的方法。

　　3. 1 屏蔽技術(shù)

　　屏蔽技術(shù)是利用金屬材料對(duì)電磁波具有較好的吸收和反射能力來(lái)進(jìn)行抗干擾的。屏蔽一般分為3種：靜電屏蔽、磁屏蔽和電磁屏蔽。根據(jù)導(dǎo)線之間電耦合、磁耦合及電磁耦合產(chǎn)生相互干擾的機(jī)理，在儀器布線方面應(yīng)做到：強(qiáng)電的纜線必須單獨(dú)走橋架，絕對(duì)不能和信號(hào)線挨在一起；努力使強(qiáng)電線纜與弱電信號(hào)線正交；不能避開(kāi)的平行走線，應(yīng)保持強(qiáng)電纜線與弱信號(hào)線的距離。使用連接線方面應(yīng)做到：針對(duì)電場(chǎng)耦合引起的干擾，采用無(wú)網(wǎng)孔的鋁箔屏蔽電纜且使兩端引線外露部分盡量短、同軸電纜單端接地；此外在干擾源周圍加上屏蔽體且將屏蔽體一點(diǎn)接地，可把電場(chǎng)形成的干擾源屏蔽掉，使之對(duì)鄰近導(dǎo)線或回路不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場(chǎng)對(duì)弱電信號(hào)回路可能造成的干擾③。

　　3. 2 接地抗干擾技術(shù)

　　各種儀器設(shè)備都需要接地，所謂接地就是將某點(diǎn)與一個(gè)等電位點(diǎn)或等電位面用低電阻導(dǎo)線連接起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)基準(zhǔn)電位。接地的目的在于消除公共地線阻抗所產(chǎn)生的共阻抗耦合干擾，并避免受磁場(chǎng)和電位差的影響，防止形成地電流環(huán)路與其它電路產(chǎn)生磁耦合干擾。但是值得注意的是地線也是引入干擾的重要通道。在一個(gè)較大的測(cè)控系統(tǒng)中，往往包括各種測(cè)試儀器，其中既有高頻信號(hào)，又有低頻信號(hào)；既有強(qiáng)電電路，又有弱電電路；既有開(kāi)關(guān)動(dòng)作的設(shè)備，又有極為敏感的弱電信號(hào)裝置。因此不同類型的信號(hào)電路應(yīng)有不同的地線，如信號(hào)地線、信號(hào)源地線、負(fù)載地線。對(duì)于同一類信號(hào)電路中，一般有一個(gè)共同的接地系統(tǒng)，但有時(shí)也要根據(jù)信號(hào)電路的不同采取不同的接地形式，如串聯(lián)單點(diǎn)接地、并聯(lián)單點(diǎn)接地及多點(diǎn)接地。畢業(yè)論文，接地。

　?、?串聯(lián)單點(diǎn)接地

　　公共地線并非理想的純導(dǎo)線，具有一定的電阻，這一點(diǎn)容易被人們忽視。即使是導(dǎo)線的電阻很小，也會(huì)在電路間形成干擾。各電路接地電壓都受到其它電路電流的影響。采用這種接地方式時(shí)，弱信號(hào)電路放在最近處接地。但從抑制電阻耦合角度看，這種接地方式最不可取。

　　② 并聯(lián)單點(diǎn)接地

　　這種方式可以避免電阻耦合干擾，因?yàn)楦麟娐返慕拥仉娢恢慌c自身電流有關(guān)，不受其它電路電流影響。這種接地方式最適用于低頻。

　　③ 多點(diǎn)接地

　　對(duì)于高頻電路，應(yīng)采用多點(diǎn)接地方式。地線系統(tǒng)一般是與機(jī)殼相連接的扁粗金屬導(dǎo)體或機(jī)殼本身，也常用導(dǎo)電條連成網(wǎng)或是一塊金屬網(wǎng)板作為地線。為了降低電路的地電位，每個(gè)電路的地線應(yīng)盡可能縮短，以降低接地線阻抗。多點(diǎn)接地系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是電路構(gòu)成比單點(diǎn)接地簡(jiǎn)單，而且由于接地線短，接地線上可能出現(xiàn)的高頻駐波現(xiàn)象顯著減小。但要注意的一點(diǎn)是由于多點(diǎn)接地后，設(shè)備內(nèi)部會(huì)增加許多地線回路，它們對(duì)低電平信號(hào)的電路會(huì)引起干擾，帶來(lái)不良影響。畢業(yè)論文，接地。綜合起來(lái)考慮，通常接地方式可以這樣選擇：頻率低于lMHz 時(shí)可采用一點(diǎn)接地方式，高于10MHz時(shí)應(yīng)采用多點(diǎn)接地。在1~10MHz 之間，如采用一點(diǎn)接地，其地線長(zhǎng)度不得超過(guò)波長(zhǎng)的120，否則應(yīng)采用多點(diǎn)接地。

　　3. 3　濾波法

　　濾波法是抑制差模干擾的重要手段之一。所謂的濾波法就是用電容和電感線圈或電容和電阻組成濾波器接在測(cè)量線路的輸入端，以抑制干擾信號(hào)進(jìn)入二次儀表或PLC、DCS等控制系統(tǒng)，使干擾信號(hào)衰減。這種方法對(duì)變化速度很慢的直流信號(hào)特別有效。一般使用的多為模擬濾波器，它能衰減脈沖噪聲、尖峰噪聲、諧波與其他雜波信號(hào)。對(duì)于共模噪聲，濾波器在電源線（信號(hào)線） 和地線間構(gòu)成通路，把噪聲電流引入大地;對(duì)于串模噪聲，濾波器在線間構(gòu)成通路，使噪聲電流在線間形成短路，從而消除干擾。

　　在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，這種硬件濾波的方法一般很少用，在設(shè)計(jì)儀表電路時(shí)，交流線與直流線、輸入線與輸出線最好都分開(kāi)走線。開(kāi)關(guān)量與模擬量的I/ O線最好也分開(kāi)敷設(shè)，傳送模擬信號(hào)的線應(yīng)采用屏蔽線。對(duì)于易遭受雷擊的儀表，比如高處的儀表、空曠地帶的儀表，室內(nèi)部分應(yīng)配置浪涌保護(hù)器。工程上較為常見(jiàn)的是軟件濾波，即在PLC 或DCS中編寫相應(yīng)的程序，對(duì)輸入的模擬信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。常用的軟件濾波方法有：

　?。?） 平均值濾波，即把N 次采樣的值取平均值作為濾波器的輸出，也可以根據(jù)需要增加新鮮采樣的值的比重，形成加權(quán)平均值濾波。

　　（2） 中值濾波，即把N 次連續(xù)采樣值進(jìn)行排序，取其中位值作為濾波器的輸出，這種方法對(duì)緩變過(guò)程的脈沖干擾濾波效果良好。畢業(yè)論文，接地。

　?。?） 限幅濾波，這種方法是根據(jù)采樣周期和真實(shí)信號(hào)的正常變化率確定相鄰兩次采樣的最大可能差值Δ，將本次采樣和上次采樣的差值小于等于Δ的信號(hào)認(rèn)為是有效信號(hào)，大于Δ的信號(hào)作為噪聲處理。

　　3.4 采用雙絞線

　　采用雙絞線可使干擾電壓大為減少，這是因?yàn)殡p絞線使同方向的電流互相抵消。圖2中畫出了平行線雙絞線磁感應(yīng)情況。

　　圖2不同導(dǎo)線的電磁感應(yīng) a）平行線 b）雙絞線

　　由圖可知，平行線回路中磁感應(yīng)電流方向一致；而雙絞線回路磁感應(yīng)電流方向相反，相互抵消。為了減少干擾，由式（1）和式（2）均可看出應(yīng)盡量減少信號(hào)線的敷設(shè)長(zhǎng)度。

　　傳感器的輸出線及它與測(cè)量系統(tǒng)之間的連接線最好不要用同軸電纜，而用雙芯電纜線。

　　3.5 隔離

　　隔離技術(shù)是抑制干擾的有效的手段之一。為防止高電壓、大電流、大功率等強(qiáng)電或長(zhǎng)輸電線上產(chǎn)生的各種干擾信號(hào)進(jìn)入儀器儀表內(nèi)部，影響正常工作，可使信息傳輸?shù)穆窂皆?a href="http://ttokpm.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣上隔離，亦即隔離前后兩部分線路之間無(wú)電氣上的連接，在電氣上是互相獨(dú)立的兩個(gè)系統(tǒng)，各自有獨(dú)立的電源和參考電位，互相間毫不相關(guān)，靠非電方式來(lái)傳送信息。對(duì)于模擬量輸入信號(hào)，則許多場(chǎng)合下采用調(diào)制-解調(diào)式隔離放大器、運(yùn)算放大器等，模擬量輸出信號(hào)隔離則可采用直流電壓隔離法及變換隔離法等，對(duì)于數(shù)字信號(hào)，可以采用光電隔離的辦法。

　　較之模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)的抗干擾能力此強(qiáng)，但也有采用模數(shù)變換隔離的方法，即在現(xiàn)場(chǎng)就地進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器將易受干擾的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸，在接收端再采用光電隔離，以增強(qiáng)其在信號(hào)傳輸過(guò)程中的抗干擾能力。

　　上述方法的作用是疊加的。通常，會(huì)同時(shí)采取其中的一種或幾種方法來(lái)提高信號(hào)測(cè)量的抗干擾能力。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　儀表是冶金自動(dòng)化系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成部分，大量采用低電壓的模擬量作為傳輸信號(hào)， 在工作環(huán)境較惡劣現(xiàn)場(chǎng)，存在著各種各樣的干擾源，極易干擾測(cè)量信號(hào)的傳輸。在儀器儀表設(shè)計(jì)和使用時(shí)，必須對(duì)工作環(huán)境作全面的分析，確定干擾性質(zhì)，采取相應(yīng)的抗干擾措施。