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智能数显仪表的抗干扰措施在工业生产中的应用
2014/3/6 14:00:57
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这些与被测信号无关的电压或电流以多种形式耦合加载到检测、控制、显示设备，使信号采集失准、记录显示失真、被测参数有用信号质量下降、自动控制不能及时进行，甚至操作失控，直接影响正常生产、产品质量和经济效益的提高。这些干扰（扰动）大多很难改变，但设法加以有效抑制却十分必要。
一、数字式显示仪表的原理及组成概况
数字显示仪表一般是由模数转换、非线性补偿及标度变换三大部分组成。它是以电信号为输入量，直接用数字显示被测量。实现数字显示的关键是通过A/D转换装置把连续变化的模拟量变换成断续的数字量。在生产中要求显示仪表反映的显示值是被测参数的函数，并且要求能自动地补偿其它干扰因素，这些函数关系有些是线性的，但多数是非线性的。为了将被测参数能以绝对值的形式显示出来，对于显示仪表，需要将被测参数进行一些必要的运算、处理及非线性补偿，同时补偿其它参数对被测参数的影响。在A/D转换中，采用一定的计量单位使连续变化的模拟量整量化，得到近似的断续的数字量。
计量单位越小整量化的误差也就越小，A/D转换装置的频率响应、前置放大的稳定性等也越高，数字量就越接近于连续量本身的值。这一过程是通过双积分型、电压频率转换型、脉冲宽度调制型及逐次比较电压反馈编码型等A/D转换器来实现的。非线性补偿或标度变换是对检测来的信号进行必要的运算，使数字式显示仪表能以被测参数的直接数字表达出来。模拟式非线性补偿通过改变运算放大器的放大倍数来补偿不同范围的输入电压，而数字式非线性补偿则是先把被测参数的模拟量经过A/D转换成数字量后再进入非线性补偿环节，具有精度高、通用性强的优点，随着电子数字计算机的发展，标度变换及非线性补偿任务由计算机来完成。
二、显示仪表应用中的抗干扰措施
（一）干扰的产生
生产中，被测参数往往被转换成微弱的低电平电压信号，并通过长距离（有时长达数百米甚至更远）传输到显示仪表，由于显示仪表应用环境的复杂性（周围存在大量强交变磁场、电场、振动、热噪声、强辐射、温度效应、动力电源等），使得电气干扰也加到显示仪表的输入端，加上仪表内部的电源变压器、继电器、开关以及电源线等干扰源，给测量带来影响。当有较大扰动出现时（检测信号的干扰主要有强磁场和电场：当干扰源为低电压大电流时，则干扰源主要是磁场;当干扰源为高电压小电流时，则干扰源附近主要是电场），常通过下面一些方式（如串模干扰、共模干扰等）叠加到信号线上，进入仪表。
1.电磁感应（指磁的耦合）。在大功率变压器、交流电机、强电流电网等的周围空间都存在很强的交变磁场，而控制系统（检测、变送、转换、调节、计算、执行、辅助、显示等单元）线路形成的闭合回路处在这种变化的磁场中将被感应出电势，使信号源与仪器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。这种电磁感应电势与有用信号相串联，当信号源与显示仪表相距较远时，干扰较为突出。此外，高频率发生器、带整流子的电机等设备，也会产生高频率的干扰。
2.静电感应（指电的耦合）。静电感应是两电场相互作用的结果。在相对的两根导线中，如其一的电位发生变化，则由于导线间的电容变化使得另一导线的电位也发生变化，干扰源以电容性的耦合在回路中形成干扰。
3.附加热电势和化学电势。由于不同金属产生的热电势以及金属腐蚀等产生的化学电势，在电路回路中形成直流电气干扰。
4.振动。在强振动的环境中，导线由于在磁场中处于运动状态而产生感应电势，此干扰与信号相串联，以串模干扰形式进入仪器仪表。
5.不同地电位引入的干扰。在大功率的用电设备附近，当设备的绝缘性能较差时，不同地电位的电位差的引入形成干扰，而在仪表的使用中往往会有意无意地使输入端存在两个以上的连接点，这样就会把不同接地点的电位差以共模干扰形式引入到仪器仪表，这种干扰是同时出现在两信号线上的。
6.信号源是不平衡电桥。当桥路电源接地时，除桥路对角线的不平衡电压（即信号电压）外，两信号线对地都有一个公共的共模干扰电压。虽然共模干扰不和信号叠加，不直接对仪表产生影响，但它能通过测量系统形成到地的漏电电流，通过电阻的耦合就能直接作用于仪表（或放大器），产生干扰。
7.一些脉冲状的干扰电压除能作用于模拟电路外，有时也能直接进入数字电路中给予干扰，这些干扰电压的发生源是开关、电机、继电器那样的感性负载和产生放电的机器等。
（二）干扰的抑制
干扰问题的形成是因为有干扰源的存在，并通过一定的耦合渠道对仪器仪表产生影响。为减少这些影响，在设计仪表时就应考虑对干扰的抑制问题，尽量提高其抗干扰的能力。在实际应用中，要找出并结合绞扭、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离等方法，切断耦合通道以抑制干扰。同时，要求显示仪表具有耐高温、低温、高压、腐蚀、高粘度等性能和较好的动态特性，以减少被测参数的测量误差。
1.串模干扰的抑制方法（串模干扰是在仪器仪表的输入端叠加到被检测信号上的干扰电压）
串模干扰可能产生在信号源，也很可能是从引线上感应或接收而来。由于串模干扰与被测信号所处地位相同，所以一旦产生了串模干扰之后，它的有害作用往往不大容易消除，所以应该首先防止它的产生。
（1）信号线的绞扭：对于电磁感应来说，尽量将导线远离强电设备及动力网，调整走线方向及减小导线回路面积都是必要的，仅调整走线方向及两信号线以短的节距绞合，干扰电压就能降为原有的1/10~1/100;对于静电感应来说，当把两信号线采用双绞合的形式绞扭且使两根信号线到干扰源的距离大致相等时（常把导线绞成为直径20倍的节距），就能使信号回路所包围的面积大为减小，使电场通过在两信号线上的感应耦合进入回路的串模干扰电位差大为减少。
（2）屏蔽：为了进一步防止电场的干扰，可把信号线用金属网（或金属皮）包起来，再在外面包上一层绝缘物或信号线直接采用屏蔽电缆，屏蔽层接地。因非磁性屏蔽层对50赫兹的磁场无效果，必要时可把信号线穿入铁管中，使信号导线得到磁屏蔽。而在静电屏蔽后，能使感应电势减小到原有的1/100~1/1000。
（3）滤波：对变化速度很慢的直流信号，在仪器仪表输入端加入滤波电路，以使混杂于有效信号的干扰衰减到最小。常在输入级前加二至三级R-C滤波电路，而以采用内阻较低的双T型滤波器效果更好。
（4）对消：双积分型和脉冲调宽型等数字仪表，对输入信号的平均值而不是瞬时值进行A/D转换，能把一些串模干扰平均掉。
（5）尽量使信号线与电源线分开敷设。合理布线，在允许的条件下将导线的电流流向作反方向处理，以减弱相互产生的磁场的干扰;不允许把信号线与动力线平行敷设在一起，亦不应由同一穿线孔洞进入仪器仪表内。低电平信号线应以尽量短的不绞扭线接至信号端子的相邻位置上，以减少感应干扰的面积，绝对禁止电源线、信号线用同一根电缆。高电平和低电平线也不要用同一接线插件。在不得已时，把高电平和低电平线分开放在接插件旁边，中间隔以地线端子和备用端子。
2.共模干扰的抑制（共模干扰是加在仪器仪表任一输入端与大地之间的干扰）
（1）正确接地。接地的意义可以理解为得到一个等电位点或面，它是电路或系统的基准电位，但不一定为大地电位。为了安全起见，仪器仪表和信号源外壳都接大地，保持零电位。但当接地的方式处理不好，将形成地回路把干扰引入仪器仪表。为提高仪器仪表抗干扰能力，通常在低电平测量仪表中都把放大器与仪器仪表外壳（大地）绝缘（即把放大器“浮地”），以切断共模干扰电压的泄漏途径，使干扰无法进入。
在低电平测试中，信号线只应有一点接地且信号线的屏蔽层也须有一点接地，无论信号线和仪器仪表等均需加以屏蔽，把接地和屏蔽正确地结合起来使用，往往能解决大部分的干扰问题。当有一个不接地信号源与一个接地放大器相连时，信号线屏蔽层应接至放大器的公共端。当有一个接地信号源与一个不接地放大器相连时，即使信号源端接的不是大地，信号线屏蔽层也应接至信号源的公共端，使之保持零电位，可有效切断电位的泄漏电流，提高测量信号的抗干扰能力，这是测量系统中常用的方法。
（2）仪表采用双层屏蔽浮地保护技术：为提高仪器仪表抗共模干扰能力，在放大器输入部分浮地的同时，仪器仪表采用双层屏蔽浮地保护。除利用表壳作一层屏蔽外，在仪器仪表内再用一个内屏蔽罩将放大器输入部分屏蔽起来。在两屏蔽层之间、在放大器输入部分和内屏蔽层之间都不作电气上的连接。
内屏蔽层不要与仪器仪表外壳相接，而应单独引出一根线作为保护屏蔽端与信号线的屏蔽层相连接，从而使保护屏蔽延伸到信号线全长，而信号线的屏蔽在信号源处一点接地，这样使仪器仪表的输入保护屏蔽及信号屏蔽对信号源稳定起来，处于等电位状态。所以，屏蔽能用来降低耦合到导线上的共模电压。
（3）应用平衡电路：一个系统的稳定程度取决于信号源、信号引线、负载的平衡以及其它杂散分布参数的平衡。为提高仪器仪表抗共模干扰能力，采用平衡措施使两线路上所转换的电压相等，以此来降低耦合到负载上的该部分共模电压。
（4）电源引入干扰的抑制：在仪器仪表内部主要的干扰来自小功率变压器产生的漏电流。为防止泄漏电流干扰，可将变压器初级绕组放在屏蔽层之内，并将屏蔽层接地，此时变压器初级绕组上的相电压通过对屏蔽层的分布电容，使漏电电流直接流入地，而不再流入放大器、测量电路和信号源中产生干扰。
为防止电源变压器引入干扰，采用三层屏蔽结构即电源变压器初级屏蔽层直接与表壳接地，供电装置的次级绕组与所有屏蔽层相接，放大器电源的次级绕组屏蔽层与放大器地处于等电位状态。由电源引起的脉冲状干扰，对数字电路有较大影响，应在电源线路上加装高频滤波器，滤波器应装在输入和输出引线都经过穿心电容进行滤波的铁制屏蔽盒内。