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仪表系统的几大抗干扰技术分析 [复制链接]

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发表于 2017-12-11 14:28:42 |显示全部楼层
关键词: 仪器 , 仪表 , 干扰

随着电子工业领域的不断发展,自动化仪表系统在流程性工业领域的重要性日渐突出。仪表系统工作的稳定性、可靠性问题直接影响企业的安全平稳生产、产品质量,甚至影响企业的效益。事实上,仪表系统的工作环境非常复杂,周边存在着各种干扰源,使得仪表系统的仪表准确度降低,甚至不能正常、可靠工作。因此,为了能让仪表系统安全、稳定、可靠地工作,就要重视仪表系统的工作环境的干扰问题分析。

自动化水平在不断提高,许多的冶金工控企业都是在大量使用仪表检测来检查自动化水平,进行下一步的指导。在这个过程中,常常会出现问题,其中区主要的就是干扰问题,那我们又该如何解决这个问题,下面就来介绍几种常见的方法。

习惯上我们把对电测系统或仪器的测量结果起影响作用的各种外部或内部的无用信号称为干扰。干扰造成的虚假信号,不仅对设备本身造成损坏,甚至还会使整个控制系统因逻辑混乱造成控制失灵,形成生产事故,甚至停产。

1 干扰的类型

按噪声干扰模式不同,分为共模干扰和差模干扰。共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。

1.1 共模干扰

共模干扰是信号对地的电位差,主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的配电器供电室,变送器输出信号的共模电压普遍较高,有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压,直接影响测控信号,造成元器件损坏(这就是一些系统I/O器件损坏率较高的主要原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。

1.2 差模干扰

差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压,又叫串模干扰,主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的电压,这种干扰直接叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。 差模干扰在两根信号线之间传输,属于对称性干扰①。

2 干扰的产生

在仪表系统中, 最常用的信号制是4 ~ 20mA DC 或1~5 V DC。被测量量先被转换成毫安或毫伏信号,由于二次仪表距离现场较远,因此,传输到控制系统处的,除了有用的信号外,经常还有一些与测量信号无关的电压或电流存在,这就是干扰。

干扰形成有3个环节: (1)干扰源;(2)对干扰敏感的接收电路; (3)干扰的传输途径。切断任何一个环节就会消除干扰。干扰的主要引入方式有以下几种。

2.1 电磁耦合

传感器信号线直接处于强磁场下,或通过大电流的电网附近时,由于信号线通过信号源组成一闭合回路,因此在该回路中将产生感应电流(图1),此感应电动势EM与磁场变换频率及信号线回路面积成正比,而随电网的距离增加而减小,其关系式为:




2.2 静电耦合

相对两物体中,如果其中之一的电位发生变化,则因物体间电容使另一个物体的电位也发生变化,若信号线离电网很近,通过该电容就会形成静电感应耦合,使信号线中产生干扰电压。在信号线与电网平行时,其感应电动势的数值为


式(1)和式(2)是干扰源对单根信号线所产生的干扰电压,当信号线是由两根平行导线组成时,干扰电压则为两根线上的感应电动势之差。毕业论文,接地。因此采用绞线或屏蔽导线可以减少电磁耦合与静电耦合,从而减少干扰的影响②。

2.3 电阻耦合

在测量系统中,当存在一个以上的接地点时,由于大地回路的电位差所产生的地回路,信号源与供电电源之间的绝缘电阻所造成的漏电及记录系统对地漏电所引起的对地干扰等均属于电阻耦合,这种干扰电压属于共模干扰电压。

2.4 其他

一些企业大量使用的继电器、接触器等产生的一些脉冲电压,除了能够作用于模拟电路外,还可以对数字电路产生干扰,这些开关感性元件产生的瞬变电压有时高达4kV ,频率可达200 MHz。在了解了各种不同的干扰源之后,就可以针对不同的情况采取对应的措施加以消除或避免。

3 干扰的抑制

抑制干扰的方法,一般有三种:①削弱或消除干扰源。②减弱由于干扰源到信号回路的耦合,也就是切断的传播途径。③提高装置和系统的抗干扰能力。三种措施比较起来,消除干扰源是最有效、最彻底的方法。但在工业现场中有不少干扰源是不可能消除的,因此还得结合实际情况选择最适合的方法。

3.1 屏蔽技术

屏蔽技术是利用金属材料对电磁波具有较好的吸收和反射能力来进行抗干扰的。屏蔽一般分为3种:静电屏蔽、磁屏蔽和电磁屏蔽。根据导线之间电耦合、磁耦合及电磁耦合产生相互干扰的机理,在仪器布线方面应做到:强电的缆线必须单独走桥架,绝对不能和信号线挨在一起;努力使强电线缆与弱电信号线正交;不能避开的平行走线,应保持强电缆线与弱信号线的距离。使用连接线方面应做到:针对电场耦合引起的干扰,采用无网孔的铝箔屏蔽电缆且使两端引线外露部分尽量短、同轴电缆单端接地;此外在干扰源周围加上屏蔽体且将屏蔽体一点接地,可把电场形成的干扰源屏蔽掉,使之对邻近导线或回路不产生干扰且可抑制磁场对弱电信号回路可能造成的干扰③。

3.2 接地抗干扰技术

各种仪器设备都需要接地,所谓接地就是将某点与一个等电位点或等电位面用低电阻导线连接起来,构成一个基准电位。接地的目的在于消除公共地线阻抗所产生的共阻抗耦合干扰,并避免受磁场和电位差的影响,防止形成地电流环路与其它电路产生磁耦合干扰。但是值得注意的是地线也是引入干扰的重要通道。在一个较大的测控系统中,往往包括各种测试仪器,其中既有高频信号,又有低频信号;既有强电电路,又有弱电电路;既有开关动作的设备,又有极为敏感的弱电信号装置。因此不同类型的信号电路应有不同的地线,如信号地线、信号源地线、负载地线。对于同一类信号电路中,一般有一个共同的接地系统,但有时也要根据信号电路的不同采取不同的接地形式,如串联单点接地、并联单点接地及多点接地。毕业论文,接地。

①串联单点接地

公共地线并非理想的纯导线,具有一定的电阻,这一点容易被人们忽视。即使是导线的电阻很小,也会在电路间形成干扰。各电路接地电压都受到其它电路电流的影响。采用这种接地方式时,弱信号电路放在最近处接地。但从抑制电阻耦合角度看,这种接地方式最不可取。

②并联单点接地

这种方式可以避免电阻耦合干扰,因为各电路的接地电位只与自身电流有关,不受其它电路电流影响。这种接地方式最适用于低频。

③多点接地

对于高频电路,应采用多点接地方式。地线系统一般是与机壳相连接的扁粗金属导体或机壳本身,也常用导电条连成网或是一块金属网板作为地线。为了降低电路的地电位,每个电路的地线应尽可能缩短,以降低接地线阻抗。多点接地系统的优点是电路构成比单点接地简单,而且由于接地线短,接地线上可能出现的高频驻波现象显著减小。但要注意的一点是由于多点接地后,设备内部会增加许多地线回路,它们对低电平信号的电路会引起干扰,带来不良影响。毕业论文,接地。综合起来考虑,通常接地方式可以这样选择:频率低于lMHz 时可采用一点接地方式,高于10MHz时应采用多点接地。在1~10MHz 之间,如采用一点接地,其地线长度不得超过波长的120,否则应采用多点接地。

3.3 滤波法

滤波法是抑制差模干扰的重要手段之一。所谓的滤波法就是用电容和电感线圈或电容和电阻组成滤波器接在测量线路的输入端,以抑制干扰信号进入二次仪表或PLC、DCS等控制系统,使干扰信号衰减。这种方法对变化速度很慢的直流信号特别有效。一般使用的多为模拟滤波器,它能衰减脉冲噪声、尖峰噪声、谐波与其他杂波信号。对于共模噪声,滤波器在电源线(信号线) 和地线间构成通路,把噪声电流引入大地;对于串模噪声,滤波器在线间构成通路,使噪声电流在线间形成短路,从而消除干扰。

在实际的工程设计中,这种硬件滤波的方法一般很少用,在设计仪表电路时,交流线与直流线、输入线与输出线最好都分开走线。开关量与模拟量的I/ O线最好也分开敷设,传送模拟信号的线应采用屏蔽线。对于易遭受雷击的仪表,比如高处的仪表、空旷地带的仪表,室内部分应配置浪涌保护器。工程上较为常见的是软件滤波,即在PLC 或DCS中编写相应的程序,对输入的模拟信号进行预处理。常用的软件滤波方法有:

(1)平均值滤波,即把N 次采样的值取平均值作为滤波器的输出,也可以根据需要增加新鲜采样的值的比重,形成加权平均值滤波。

(2)中值滤波,即把N 次连续采样值进行排序,取其中位值作为滤波器的输出,这种方法对缓变过程的脉冲干扰滤波效果良好。毕业论文,接地。

(3)限幅滤波,这种方法是根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值Δ,将本次采样和上次采样的差值小于等于Δ的信号认为是有效信号,大于Δ的信号作为噪声处理。

3.4 采用双绞线

采用双绞线可使干扰电压大为减少,这是因为双绞线使同方向的电流互相抵消。图2中画出了平行线双绞线磁感应情况。

图2不同导线的电磁感应 a)平行线 b)双绞线

由图可知,平行线回路中磁感应电流方向一致;而双绞线回路磁感应电流方向相反,相互抵消。为了减少干扰,由式(1)和式(2)均可看出应尽量减少信号线的敷设长度。

传感器的输出线及它与测量系统之间的连接线最好不要用同轴电缆,而用双芯电缆线。

3.5 隔离

隔离技术是抑制干扰的有效的手段之一。为防止高电压、大电流、大功率等强电或长输电线上产生的各种干扰信号进入仪器仪表内部,影响正常工作,可使信息传输的路径在电气上隔离,亦即隔离前后两部分线路之间无电气上的连接,在电气上是互相独立的两个系统,各自有独立的电源和参考电位,互相间毫不相关,靠非电方式来传送信息。对于模拟量输入信号,则许多场合下采用调制-解调式隔离放大器运算放大器等,模拟量输出信号隔离则可采用直流电压隔离法及变换隔离法等,对于数字信号,可以采用光电隔离的办法。

较之模拟信号,数字信号的抗干扰能力此强,但也有采用模数变换隔离的方法,即在现场就地进行模数转换,利用模数转换器将易受干扰的模拟信号转换为数字信号进行传输,在接收端再采用光电隔离,以增强其在信号传输过程中的抗干扰能力。

上述方法的作用是叠加的。通常,会同时采取其中的一种或几种方法来提高信号测量的抗干扰能力。

4 结语

仪表是冶金自动化系统中的一个重要组成部分,大量采用低电压的模拟量作为传输信号, 在工作环境较恶劣现场,存在着各种各样的干扰源,极易干扰测量信号的传输。在仪器仪表设计和使用时,必须对工作环境作全面的分析,确定干扰性质,采取相应的抗干扰措施。


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