如何消除儀表的干擾

儀表在工業生產的現場使用的條件常常是很復雜的。被測量的參數又往往被轉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系統。因此除了有用的信號外，經常會出現一些與被測信號無關的電壓或電流存在。這種無關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、化學效應、振動等都可能給測量帶來影響，產生干擾。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干擾的產生
　　
　　干擾來自于干擾源，它們在儀表內外都可能存在。在儀表外部，一些大功率的用電設備以及電力設備都可能成為干擾源，而在儀表內部的電源變壓器、機電器、開關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，也就是磁耦合。信號源與儀表之間的連接導線、儀表內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、高壓電網等的周圍空間中都存在有很強的交變磁場，而儀表的閉合回路處在這種變化的磁場中將會產生感應電勢。感應電勢可用下式計算：
　　
　　式中：en——感應電動勢；
　　
　　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。
　　
　　這種磁感應電動勢與有用信號串聯，當信號源與儀表相距較遠時，此情況較為突出。所示：
　　
　　為降低感應電動勢，B、A或COSθ等項必須盡量減小。所以將導線遠離這些強用電設備及動力網，調整走線方向以及減小導線回路面積都是必要的。僅由于把兩根信號線以短的節距絞合，磁感應電動勢就能降為原有的1/10~1/100。
　　
　　2)靜電感應，也就是電的耦合。在相對的兩物體中，如其一的電位發生變化，則由于物體間的電容使另一物體的電位也發生變化。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果。
　　
　　當把兩根信號線與動力線平行敷設時，由于動力線到兩信號線的距離不相等，分布電容也不相等。它在兩根信號導線上能產生電位差，有時可達幾十毫伏甚至更大。當把信號線扭絞時能使電場在兩信號線上產生的電位差大為減小。而在采用靜電屏蔽后，能使感應電勢減小到1/100~1/1000。
　　
　　通過電磁感應、靜電感應所形成的干擾大部分是50Hz的工頻干擾電壓。但是其他的高頻發生器、帶整流子的電機等設備，也會產生高頻的干擾。由于雷云之間、雷云與大地間的放電，在配線上也能感應出異常電壓。
　　
　　3)附加熱電勢和化學電勢，主要是由于不同金屬產生的熱電勢以及金屬腐蝕等原因產生的化學電勢，當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。在接線端子板或是干簧繼電器等處容易產生熱電勢。
　　
　　4)振動。導線在磁場中運動時，會產生感應電動勢。因此在振動的環境中把信號導線固定是很有必要的。
　　
　　以上這4種干擾都是和信號串聯，也就是以串模干擾的形式出現。
　　
　　5)不同地電位引入的干擾。在大地中，各個不同點之間往往存在電位差。尤其在大功率的用電設備附近，當這些設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。這樣就會把不同接地點的電位差引入儀表，這種地電位差有時能達1~10伏以上，它是同時出現在兩根信號導線上。
　　
　　通過靜電耦合的方式，能在兩輸入端感應出對地的共同電壓，以共模干擾的形式出現。
　　
　　由于共模干擾它不和信號相疊加，它不直接對儀表產生影響。但它能通過測量系統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，還可以對數字電路產生干擾，這些脈沖電壓的發生源是開關、電機、繼電器這樣一些感性負載和產生放電的機器等。
　　
　　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，泵運行時電機的電磁干擾就是不能夠消除的。這時候就必須采取防護措施來抑制干擾。
　　
　　1)串模干擾的抑制
　　
　　串模干擾與被測信號所處的地位相同，因此一旦產生串模干擾，就不容易消除。所以應當首先防止它的產生。防止串模干擾的措施一般有以下這些：
　　
　　信號導線的扭絞。由于把信號導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耦合進入回路的串模干擾大為減小。
　　
　　屏蔽。為了防止電場的干擾，可以把信號導線用金屬包起來。通常的做法是在導線外包一層金屬網(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計中，這種方法一般很少用，通常，這一點在儀表的電路設計過程中就已經考慮了。
　　
　　2)共模干擾的抑制
　　
　　由于儀表系統信號多為低電平，因此，共模干擾也會使儀表信號產生畸變，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也需要穩定接地。但是如果接地方式不恰當，將形成地回路導入干擾。就是這種情況，兩點接地，由于存在地電位差，因此產生共模干擾。因此，通常，儀表回路采用在系統處單點接地。但是事實上，信號源側對地不可能絕緣，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，使干擾無法進入。在實際應用中，艾思荔建議大家通常將屏蔽和接地結合起來應用，往往能夠解決大部分的干擾問題。如果將屏蔽層在信號側與儀表側均接地，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接地。并且，信號導線屏蔽層接地應與系統接地同側。
　　
　　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。也就是在在儀表的外殼內部再套一個內屏蔽罩，內屏蔽罩與信號輸入端已經外殼之間均不做電氣連接，內屏蔽層引出一條導線與信號導線的屏蔽層相連接，而信號線的屏蔽在信號源處一點接地，ASLI這樣使儀表的輸入保護屏蔽及信號屏蔽對信號源穩定起來，處于等電位狀態。可以大大的提高儀表抗干擾的能力(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度降低至相對與實際信號強度來說可忽略的程度。