數(shù)顯溫控儀表應(yīng)用中的抗干擾措施
2011-03-18化工顯示儀表與各種傳感器、變送器配套后，可用來顯示不同的參數(shù)。但是，顯示儀表在石油和化工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用中或試驗現(xiàn)場使用時的條件常常是很復(fù)雜的，周圍存在大量強交變磁場、電場、振動、熱噪聲、強輻射、溫度效應(yīng)、動力電源等，都有可能影響檢測數(shù)據(jù)的正確采集和生產(chǎn)過程的自動控制而成為干擾源。
這些與被測信號無關(guān)的電壓或電流以多種形式耦合加載到檢測、控制、顯示設(shè)備，使信號采集失準(zhǔn)、記錄顯示失真、被測參數(shù)有用信號質(zhì)量下降、自動控制不能及時進行，甚至操作失控，直接影響正常生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益的提高。這些干擾(擾動)大多很難改變，但設(shè)法加以有效抑制卻十分必要。
一、數(shù)字式顯示儀表的原理及組成概況
數(shù)字顯示儀表一般是由模數(shù)轉(zhuǎn)換、非線性補償及標(biāo)度變換三大部分組成。它是以電信號為輸入量，直接用數(shù)字顯示被測量。實現(xiàn)數(shù)字顯示的關(guān)鍵是通過A/D轉(zhuǎn)換裝置把連續(xù)變化的模擬量變換成斷續(xù)的數(shù)字量。在生產(chǎn)中要求顯示儀表反映的顯示值是被測參數(shù)的函數(shù)，并且要求能自動地補償其它干擾因素，這些函數(shù)關(guān)系有些是線性的，但多數(shù)是非線性的。為了將被測參數(shù)能以絕對值的形式顯示出來，對于顯示儀表，需要將被測參數(shù)進行一些必要的運算、處理及非線性補償，同時補償其它參數(shù)對被測參數(shù)的影響。在A/D轉(zhuǎn)換中，采用一定的計量單位使連續(xù)變化的模擬量整量化，得到近似的斷續(xù)的數(shù)字量。
計量單位越小整量化的誤差也就越小，A/D轉(zhuǎn)換裝置的頻率響應(yīng)、前置放大的穩(wěn)定性等也越高，數(shù)字量就越接近于連續(xù)量本身的值。這一過程是通過雙積分型、電壓頻率轉(zhuǎn)換型、脈沖寬度調(diào)制型及逐次比較電壓反饋編碼型等A/D轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)的。非線性補償或標(biāo)度變換是對檢測來的信號進行必要的運算，使數(shù)字式顯示儀表能以被測參數(shù)的直接數(shù)字表達出來。模擬式非線性補償通過改變運算放大器的放大倍數(shù)來補償不同范圍的輸入電壓，而數(shù)字式非線性補償則是先把被測參數(shù)的模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再進入非線性補償環(huán)節(jié)，具有精度高、通用性強的優(yōu)點，隨著電子數(shù)字計算機的發(fā)展，標(biāo)度變換及非線性補償任務(wù)由計算機來完成。
二、顯示儀表應(yīng)用中的抗干擾措施
(一)干擾的產(chǎn)生
生產(chǎn)中，被測參數(shù)往往被轉(zhuǎn)換成微弱的低電平電壓信號，并通過長距離(有時長達數(shù)百米甚至更遠(yuǎn))傳輸?shù)斤@示儀表，由于顯示儀表應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性(周圍存在大量強交變磁場、電場、振動、熱噪聲、強輻射、溫度效應(yīng)、動力電源等)，使得電氣干擾也加到顯示儀表的輸入端，加上儀表內(nèi)部的電源變壓器、繼電器、開關(guān)以及電源線等干擾源，給測量帶來影響。當(dāng)有較大擾動出現(xiàn)時(檢測信號的干擾主要有強磁場和電場：當(dāng)干擾源為低電壓大電流時，則干擾源主要是磁場;當(dāng)干擾源為高電壓小電流時，則干擾源附近主要是電場)，常通過下面一些方式(如串模干擾、共模干擾等)疊加到信號線上，進入儀表。
1.電磁感應(yīng)(指磁的耦合)。在大功率變壓器、交流電機、強電流電網(wǎng)等的周圍空間都存在很強的交變磁場，而控制系統(tǒng)(檢測、變送、轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)、計算、執(zhí)行、輔助、顯示等單元)線路形成的閉合回路處在這種變化的磁場中將被感應(yīng)出電勢，使信號源與儀器儀表之間的連接導(dǎo)線、儀表內(nèi)部的配線通過磁耦合在電路中形成干擾。這種電磁感應(yīng)電勢與有用信號相串聯(lián)，當(dāng)信號源與顯示儀表相距較遠(yuǎn)時，干擾較為突出。此外，高頻率發(fā)生器、帶整流子的電機等設(shè)備，也會產(chǎn)生高頻率的干擾。
2.靜電感應(yīng)(指電的耦合)。靜電感應(yīng)是兩電場相互作用的結(jié)果。在相對的兩根導(dǎo)線中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于導(dǎo)線間的電容變化使得另一導(dǎo)線的電位也發(fā)生變化，干擾源以電容性的耦合在回路中形成干擾。
3.附加熱電勢和化學(xué)電勢。由于不同金屬產(chǎn)生的熱電勢以及金屬腐蝕等產(chǎn)生的化學(xué)電勢，在電路回路中形成直流電氣干擾。
4.振動。在強振動的環(huán)境中，導(dǎo)線由于在磁場中處于運動狀態(tài)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此干擾與信號相串聯(lián)，以串模干擾形式進入儀器儀表。
5.不同地電位引入的干擾。在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)設(shè)備的絕緣性能較差時，不同地電位的電位差的引入形成干擾，而在儀表的使用中往往會有意無意地使輸入端存在兩個以上的連接點，這樣就會把不同接地點的電位差以共模干擾形式引入到儀器儀表，這種干擾是同時出現(xiàn)在兩信號線上的。
6.信號源是不平衡電橋。當(dāng)橋路電源接地時，除橋路對角線的不平衡電壓(即信號電壓)外，兩信號線對地都有一個公共的共模干擾電壓。雖然共模干擾不和信號疊加，不直接對儀表產(chǎn)生影響，但它能通過測量系統(tǒng)形成到地的漏電電流，通過電阻的耦合就能直接作用于儀表(或放大器)，產(chǎn)生干擾。
7.一些脈沖狀的干擾電壓除能作用于模擬電路外，有時也能直接進入數(shù)字電路中給予干擾，這些干擾電壓的發(fā)生源是開關(guān)、電機、繼電器那樣的感性負(fù)載和產(chǎn)生放電的機器等。
(二)干擾的抑制
干擾問題的形成是因為有干擾源的存在，并通過一定的耦合渠道對儀器儀表產(chǎn)生影響。為減少這些影響，在設(shè)計儀表時就應(yīng)考慮對干擾的抑制問題，盡量提高其抗干擾的能力。在實際應(yīng)用中，要找出并結(jié)合絞扭、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離等方法，切斷耦合通道以抑制干擾。同時，要求顯示儀表具有耐高溫、低溫、高壓、腐蝕、高粘度等性能和較好的動態(tài)特性，以減少被測參數(shù)的測量誤差。
1.串模干擾的抑制方法(串模干擾是在儀器儀表的輸入端疊加到被檢測信號上的干擾電壓)
串模干擾可能產(chǎn)生在信號源，也很可能是從引線上感應(yīng)或接收而來。由于串模干擾與被測信號所處地位相同，所以一旦產(chǎn)生了串模干擾之后，它的有害作用往往不大容易消除，所以應(yīng)該首先防止它的產(chǎn)生。
(1)信號線的絞扭：對于電磁感應(yīng)來說，盡量將導(dǎo)線遠(yuǎn)離強電設(shè)備及動力網(wǎng)，調(diào)整走線方向及減小導(dǎo)線回路面積都是必要的，僅調(diào)整走線方向及兩信號線以短的節(jié)距絞合，干擾電壓就能降為原有的1/10~1/100;對于靜電感應(yīng)來說，當(dāng)把兩信號線采用雙絞合的形式絞扭且使兩根信號線到干擾源的距離大致相等時(常把導(dǎo)線絞成為直徑20倍的節(jié)距)，就能使信號回路所包圍的面積大為減小，使電場通過在兩信號線上的感應(yīng)耦合進入回路的串模干擾電位差大為減少。
(2)屏蔽：為了進一步防止電場的干擾，可把信號線用金屬網(wǎng)(或金屬皮)包起來，再在外面包上一層絕緣物或信號線直接采用屏蔽電纜，屏蔽層接地。因非磁性屏蔽層對50赫茲的磁場無效果，必要時可把信號線穿入鐵管中，使信號導(dǎo)線得到磁屏蔽。而在靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢減小到原有的1/100~1 /1000。
(3)濾波：對變化速度很慢的直流信號，在儀器儀表輸入端加入濾波電路，以使混雜于有效信號的干擾衰減到最小。常在輸入級前加二至三級R-C濾波電路，而以采用內(nèi)阻較低的雙T型濾波器效果更好。
(4)對消：雙積分型和脈沖調(diào)寬型等數(shù)字儀表，對輸入信號的平均值而不是瞬時值進行A/D轉(zhuǎn)換，能把一些串模干擾平均掉。
(5)盡量使信號線與電源線分開敷設(shè)。合理布線，在允許的條件下將導(dǎo)線的電流流向作反方向處理，以減弱相互產(chǎn)生的磁場的干擾;不允許把信號線與動力線平行敷設(shè)在一起，亦不應(yīng)由同一穿線孔洞進入儀器儀表內(nèi)。低電平信號線應(yīng)以盡量短的不絞扭線接至信號端子的相鄰位置上，以減少感應(yīng)干擾的面積，絕對禁止電源線、信號線用同一根電纜。高電平和低電平線也不要用同一接線插件。在不得已時，把高電平和低電平線分開放在接插件旁邊，中間隔以地線端子和備用端子。
2.共模干擾的抑制(共模干擾是加在儀器儀表任一輸入端與大地之間的干擾)
(1)正確接地。接地的意義可以理解為得到一個等電位點或面，它是電路或系統(tǒng)的基準(zhǔn)電位，但不一定為大地電位。為了安全起見，儀器儀表和信號源外殼都接大地，保持零電位。但當(dāng)接地的方式處理不好，將形成地回路把干擾引入儀器儀表。為提高儀器儀表抗干擾能力，通常在低電平測量儀表中都把放大器與儀器儀表外殼(大地)絕緣(即把放大器“浮地”)，以切斷共模干擾電壓的泄漏途徑，使干擾無法進入。
在低電平測試中，信號線只應(yīng)有一點接地且信號線的屏蔽層也須有一點接地，無論信號線和儀器儀表等均需加以屏蔽，把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，往往能解決大部分的干擾問題。當(dāng)有一個不接地信號源與一個接地放大器相連時，信號線屏蔽層應(yīng)接至放大器的公共端。當(dāng)有一個接地信號源與一個不接地放大器相連時，即使信號源端接的不是大地，信號線屏蔽層也應(yīng)接至信號源的公共端，使之保持零電位，可有效切斷電位的泄漏電流，提高測量信號的抗干擾能力，這是測量系統(tǒng)中常用的方法。
(2)儀表采用雙層屏蔽浮地保護技術(shù)：為提高儀器儀表抗共模干擾能力，在放大器輸入部分浮地的同時，儀器儀表采用雙層屏蔽浮地保護。除利用表殼作一層屏蔽外，在儀器儀表內(nèi)再用一個內(nèi)屏蔽罩將放大器輸入部分屏蔽起來。在兩屏蔽層之間、在放大器輸入部分和內(nèi)屏蔽層之間都不作電氣上的連接。
內(nèi)屏蔽層不要與儀器儀表外殼相接，而應(yīng)單獨引出一根線作為保護屏蔽端與信號線的屏蔽層相連接，從而使保護屏蔽延伸到信號線全長，而信號線的屏蔽在信號源處一點接地，這樣使儀器儀表的輸入保護屏蔽及信號屏蔽對信號源穩(wěn)定起來，處于等電位狀態(tài)。所以，屏蔽能用來降低耦合到導(dǎo)線上的共模電壓。
(3)應(yīng)用平衡電路：一個系統(tǒng)的穩(wěn)定程度取決于信號源、信號引線、負(fù)載的平衡以及其它雜散分布參數(shù)的平衡。為提高儀器儀表抗共模干擾能力，采用平衡措施使兩線路上所轉(zhuǎn)換的電壓相等，以此來降低耦合到負(fù)載上的該部分共模電壓。
(4)電源引入干擾的抑制：在儀器儀表內(nèi)部主要的干擾來自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器初級繞組放在屏蔽層之內(nèi)，并將屏蔽層接地，此時變壓器初級繞組上的相電壓通過對屏蔽層的分布電容，使漏電電流直接流入地，而不再流入放大器、測量電路和信號源中產(chǎn)生干擾。
為防止電源變壓器引入干擾，采用三層屏蔽結(jié)構(gòu)即電源變壓器初級屏蔽層直接與表殼接地，供電裝置的次級繞組與所有屏蔽層相接，放大器電源的次級繞組屏蔽層與放大器地處于等電位狀態(tài)。由電源引起的脈沖狀干擾，對數(shù)字電路有較大影響，應(yīng)在電源線路上加裝高頻濾波器，濾波器應(yīng)裝在輸入和輸出引線都經(jīng)過穿心電容進行濾波的鐵制屏蔽盒內(nèi)。
