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深度解读数显仪表干扰源及抗干扰措施|干货

来源:未知   发布时间:2021-07-16  点击量:

本文专业介绍数显仪表原理和组成,深入分析数显仪表干扰源的产生,并从仪表内部及外部解读抑制电磁干扰所采取的各种措施,为仪表抗干扰设计及仪表工程的抗干扰应用提供参考。

数显仪表可与各种传感器、变送器配套,它可用来显示、控制各种不同的被测参数。但是,在各行业生产过程中得以广泛使用的数显仪表往往处在复杂的现场环境中,现场周围存在着大量强交变电 磁场、强射频辐射、动力电源等,它都可能直接影响到检测数据的正常采集和生产过程自动控制而形成干扰源。这些与被测信号无关的电流、电压、尖脉冲等 信号以各种不同方式耦合、传导到数显仪表上,使得数显仪表设备出现数据采集失真、自动控制无法及时操作,甚至控制失控而直接影响正常生产、产品质量和企业经济效益的提高。由于现场使用环境的特定性,这些干扰源大多无法改变,设法加以有效抑制却是非常必要的。本文将就数显仪表在现场出现的几种典型的干扰源以及所采取的抗干扰措施进行探讨。

1、数显仪表原理及组成
目前大量使用的数显仪表以智能型产品居多,一般以单片机为核心,配上测量信号转换电路、A/D转换电路、D/A转换电路、通讯接口电路、控制电路这几大部分组成。它主要是以接收电信号为输入量,通过信号转换和放大电路,将测量信号转换成与A/D转换器的输入信号相匹配的信号,通过A/D转换器将连续变化的模拟量转换为断续的数字量送入单片机进行数据处理;通常A/D转换器采用双积分型、电压/频率转换型、脉宽调制型、逐次比较电压反馈编码型等A/D转换器来实现的。在A/D转换过程中,A/D的分辨力越高,得到的数字量就越接近于连续模拟量,其转换误差就越小。

随着微电子技术的飞速发展,单片机的功能得以较大提升,由于被测参数多为非线性函数关系(有些参数的函数关系是线性的),标度变换、非线性补偿、自动补偿干扰信号等任务由仪表内的单片机来负责完成,同时将相关调试参数、控制设定参数等相关参数储存在e2prom存储器内。在完成非线性补偿任务后将其测量数据通过LED数码显示窗进行显示,同时通过继电器触点输出方式输岀报警控制信号;通过D/A转换器转换为标准线性信号输岀同时也可通过单片机内的通讯接口电路将测量数据以数字信号方式送至上位计算机进行监控。

2、干扰源的产生
在实际使用工况中,被测量参数往往是微弱的电信号,通过导线从测点现场长距离引至控制室的仪表盘上,由于各种不同场合存在着大量的干扰信号(像强交变电磁场、电场、强射频辐射、动力电源等),使得电气干扰信号从数显仪表的信号输入端、电源输入端上,给仪表测量带来影响。

①电磁感应
在大容量变压器、大容量交流电机、强电流电网、高频感应加热设备、变频器等周围空间都存在强交变磁场,当控制系统线路形成的闭环回路处在这种交变磁场中将被感应出电势,使被测信号与数显仪表之间连接的导线、仪表内部连接的配线通过磁耦合在回路中产生干扰。这种电磁感应电势(距离越近,干扰越严重)与被测参数信号相叠加后进入数显仪表,造成仪表显示值无法真正反映被测参数值而影响产品的质量。

②静电感应
静电感应是两电场相互作用的结果,在相对两根导线中,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发生变化,干扰源以电容性的耦合在回路中形成干扰。

③群脉冲传导干扰
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,这些干扰源来自开关、电机、继电器那样的感性负载和产生放电的设备等。

④不等地电位引入的干扰
在大功率的用电设备附近,当设备的绝缘性能较差时,不同电位的电位差的引入而形成干扰,在数显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数显仪表内。这种干扰是同时出现在两信号线上。

3、数显仪表干扰的抑制
干扰问题的形成主要是因为有干扰源的存在,并通过一定的耦合渠道对数显仪表产生影响。为减少这些影响,在数显仪表设计过程就应考虑对干扰的抑制问题,尽量提高数显仪表的抗干扰能力。在实际应用中,要找出其干扰源并结合施工过程导线的绞扭、屏蔽、接地、平衡、滤波、隔离的方法。切断耦合通道以抑制干扰,减少被测参数的测量误差。

①数显仪表的抗干扰措施
根据国家相关标准,数显仪表产品应满足下表1、表2中各项性能指标。
表1  GB/T 13639-2008工业过程测量和控制系统用模拟输入数字式指示仪
GB/T 13639-2008
a、信号输入端
在信号输入方面,由于被测参数提供的电信号均为微弱信号,传导、辐射等干扰信号常耦合在信号传输导线上,在输入电路部分应设有n型LC和双T型RC滤波电路,各级采用不同时间常数的滤波电路,以得到宽频滤波之效果。

b、电源输入端
电源输入:由于传导、辐射等干扰信号常耦合在电源供电导线上,所以在电源电路部分设置压敏电阻或快速钳位二极管、低通LC滤波器和杂讯滤波器,以有效切断干扰信号的进入。
表2  电磁兼容试验和测量技术
电磁兼容试验和测量技术
注1:对接地端口的试验没有单独规定,因为它们包含在相应的基础标准中:专用的保护接地端口作为交流电源端口进行试验;功能性接地作为I/O端口进行试验。
注2:在进行试验时,设备不应该出现危险和不安全保密性的后果。按上表要求,仪表生产厂家在进行产品设计时应分5个方面来加以考虑。

c、信号输出端
信号输出:为防止继电器动作而产生的反电势,在继电器线圈两端并接一二极管和RC吸收电路,同时设置光电隔离电路;模拟变送信号输出和通讯接口电路均采用光电隔离电路以防止干扰信号的串入。

d、仪表内部电路以及PCB板设计
在设计数显仪表电路时,除设置上述措施外,在元器件选择方面应选择抗干扰性能优的元器件(特别是单片机芯片),在E2PROM的电源端增设一稳压管、RC电路,以确保调校参数、控制参数不受干扰;在PCB板设计方面,应尽量减少过孔、电源、信号线分区分布、数字地和模拟地分开独立分布后在输入端点汇合;避免走直拐角,应走45°角或弧线;在PCB板四周设置网状屏蔽并直接接地;在信号线间增加飞线并独立接地以消除线间的耦合等措施,以确保辐射、传导干扰不经PCB板耦合而影响仪表的正常工作。

e、仪表软件设计
在软件设计方面,在对输入信号进行数据采集过程中,对其进行数字滤波、中值滤波、加权滤波、工频整形采样等措施,以消除干扰信号带来的测量数值误差;使用定时中断来监视程序运行;在非程序区设置拦截措施;调校参数、控制参数等重要参数采用双备份、定时查询措施;对未用的接口应予以设置并定时刷新等抗干扰措施。

②现场安装、施工的抗干扰措施
a、串模干扰的抑制措施
根据串模干扰是在数显仪表的输入端叠加到被测信号上的干扰信号之特点,串模干扰的产生可能在信号源上,也有可能是从引线上感应或吸收而来的,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,因此应该首先防止它的产生。

◆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,干扰电压就能降低为原来的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(常把导向绞成为直径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。

◆屏蔽
为了进一步防止电场的干扰,信号线应直接采用屏蔽电缆,当数显仪表内部模拟放大器接地时,应让靠近检测仪表的屏蔽线一端接地;当仪表内部模拟放大器不接地时,屏蔽层应在靠近显示仪表一侧接地(该接地装置应有良好的接地效果,且接地电阻应小于1Ω),因非磁性屏蔽层对50Hz的磁场无效果,必要时可把信号线穿入铁管中(铁管应有接地处理),使信号得以磁屏蔽,而在静电屏蔽后,能使感应电势减小到原来(未采取措施前)的1/100~1/1000。

◆信号线与电源线在沿电缆桥架敷设过程中,应尽量使信号线与电源线分开敷设,在条件不许可情况下,应采用隔板将电源线与信号线分隔开敷设,同时应整齐梳理敷设,切忌绞合敷设布线;在条件允许情况下将导线的电流流向做反方向处理,以减弱相互产生的磁场干扰。不允许把信号线与动力线平行敷设在一起。

◆仪表供电电源的取出应避免与大容量用电设备、变频器同用一配电柜,选择设备负荷变化小、启停次数不频繁的供电电网上。

b、共模干扰的抑制措施
根据共模干扰是在仪器仪表端子与大地之间产生之特点,共模干扰的产生是指信号线上公有的干扰信号,一般是由于被测信号的接地端与控制系统的接地端存在一定的电位差所制,这种干扰在两条信号线上的周期、幅值基本相等,采用上面的方法无法消除或抑制。

数显仪表共模干扰的抑制方法
◆正确的接地方式
接地的意义就是为了得到一个等电位的点或面,它是电路或系统的一个基准电位点或面,但不一定是大地的电位。但当接地的方式处理不好或此地不干净的情况下,将形成地回路把干扰信号引入仪器仪表。

为了提高数显仪表抗干扰能力,通常数显仪表中的数字地和模拟地与仪表外壳(大地)绝缘(即把仪表内部的地做"浮地”处理),以切断共模干扰电压的漏电途径,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只须有一点接地,且接地端在靠近仪表一侧效果较好,无论信号线和电源线等均需加以屏蔽,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。当有一个接地电位,可有效切断电位的泄漏电流,提高测量信号的抗干扰能力,这是测量系统常用的方法。

◆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,采用平衡措施可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。

◆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,可将变压器的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3层屏蔽结构即电源变压器初级屏蔽层直接与仪表外壳接地,供电装置的次级绕组与所有的屏蔽层相接,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,应在电源电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。

无论是为了抑制串模干扰还是抑制共模干扰,均应注意做到:输入线路应尽量短;在配线方面应尽量避免和强动力线接近;注意信号间的阻抗匹配。总之干扰的分布参数是很复杂的,因此在抗干扰时,应当采用适当的措施,既要考虑效果,又要考虑价格因素,还要因现场情况而定。采用的措施只要能解决问题就可以。
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