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如何解决仪表干扰
点击次数:364 发布时间:2017/9/20

一、仪表被干扰的主要因素
干扰源在仪表内、外部都有可能存在。在仪表外部,大功率用电设备、大功率变压器、电力网都可能成为干扰源。而在仪表内部,电源变压器、线圈、继电器、开关以及电源线等都可能成为干扰源。
1、主要干扰源
(1)静电感应
静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容,使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去,因此又称电容性耦合。
(2)电磁感应
当两个电路之间有互感存在时,一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路,这一现象称为电磁感应。例如变压器及线圈的漏磁、通电平行导线等。
(3)漏电流感应
由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良,特别是传感器的应用环境湿度较大,绝缘体的绝缘电阻下降,导致漏电电流增加就会引起干扰。尤其当漏电流流入测量电路的输入级时,其影响就特别严重。
(4)射频干扰
主要是大型动力设备的启动、操作停止的干扰和高次谐波干扰。如可控硅整流系统的干扰等。
(5)其他干扰
现场安全生产监控系统除了易受以上干扰外,由于系统工作环境差,还容易受到机械干扰、热干扰及化学干扰等。
2、干扰的种类
(1)常模干扰
常模干扰是指干扰信号的侵入在往返2 条线上是一致的。常模干扰来源一般是周围较强的交变磁场,使仪器受周围交变磁场影响而产生交流电动势形成干扰,这种干扰较难除掉。
(2)共模干扰
共模干扰是指干扰信号在2条线上各流过一部分,以地为公共回路,而信号电流只在往返2个线路中流过。共模干扰的来源一般是设备对地漏电、地电位差、线路本身具有对地干扰等。由于线路的不平衡状态,共模干扰会转换成常模干扰,就较难除掉了。
(3)长时干扰
长时干扰是指长期存在的干扰,此类干扰的特点是干扰电压长期存在且变化不大,用检测仪表很容易测出,如电源线或邻近动力线的电磁干扰都是连续的交流50Hz的工频干扰。
(4)意外的瞬时干扰
意外瞬时干扰主要在电气设备操作时发生,如合闸或分闸等,有时也在伴随雷电发生或无线电设备工作瞬间产生。
干扰可粗略地分为3个方面:
(a)局部产生(即不需要的热电偶);
(b)子系统内部的耦合(即地线的路径问题)
(c)外部产生(电源频率的干扰)。
3、干扰现象
在应用中,常会遇到以下几种主要干扰现象:
(1)发指令时,电机无规则地转动;
(2)信号等于零时,数字显示表数值乱跳;
(3)传感器工作时,其输出值与实际参数所对应的信号值不吻合,且误差值是随机的、无规律的;
(4)当被参数稳定的情况下,传感器输出的数值与被测参数所对应的信号数值的差值为一稳定或呈周期性变化的值;
(5)与交流伺服系统共用同一电源的设备示器等不正常。
(6)其他干扰现象
在一些测温场合,当将热电偶电机直接焊接与通电加热的金属件上,由于金属件在平行于电流方向的各点存在电位差,这时引入的干扰电压也是很大的。在高温状态下,耐火材料的绝缘电阻急剧下降,热电偶和磁保护管、磁珠的绝颜性能也会下降,则电炉电源电压通过耐火砖、热电偶套管、磁珠等泄漏到热电偶丝上,在热电偶电极之间产生干扰电压。
大地中各个不同点之间往往存在电位差,尤其在大功率用电设备附近,当这些设备的绝缘性能下降时,电位差更大。而现场仪表在使用中,有时不注意会使回路存在两个以上的接地点,就会把不同接地点的电位差引入到显示仪表中而形成共模干扰。
当仪表的桥路电源接地时,除桥路输出不平衡电压以外,信号线对地还有一公共电压,该公共电压不是所要测量的信号电压,而是共模干扰的一种表现。
信号源于显示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。在大功率变压器、交流电机、电力线的周围空间都存在很强的交流磁场,而闭合回路处在这种变化的磁场中将感应出电势。这种感应电势与有用信号相串联,当传感器与显示仪表距离较远时,这种串模干扰尤为突出。
干扰源通过电容的耦合在回路总形成干扰,它是两电场相互作用的结果。通过静电耦合的方式,能在两输入端感应出对地的共同电压,以共模干扰的形式出现,由于共模干扰不和信号叠加,它不直接对仪表产生影响。但它能通过测量系统形成到地的泄漏电流,该泄漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪表而产生干扰。
电磁感应、静电感应所形成的干扰大多是工频干扰电压,但变频器、带整流子的电机等会产生谐波干扰。由于雷电的作用在电力线上也会感应出干扰电
压。
4、仪表输出外界干扰因素
我们在调试仪器仪表的时候,有时会碰到这种情况:仪器仪表出厂的时候明明好好的,一到现场就没有信号输出,或者产生无序的信号。通过以上概述,我们了解仪器仪表的干扰来源主要有两种途径:一是由电路感应产生干扰;二是由外围设备以及通信线路的感应引入干扰。我们得仔细分析外界干扰的来源,信号传输线路以及敏感程度,做好接地处理和仪器仪表信号线屏蔽措施,有可能的话远离干扰源。我们检查发现安装和接线都是没有问题的,到底这又是什么情况呢?出现这种情况,你可能需要查看下仪器仪表附近有没有感应干扰了。
影响仪器仪表输出的外界感应干扰主要有以下几种:
(1)电磁感应干扰
当两个电路之间有互感存在时,一个电路中电流的变化就会通过磁场耦合到另一个电路,这一现象称为电磁感应。这种情况在仪器仪表使用的时候经常遇到,尤为注意。
(2)射频干扰干扰
主要是大型动力设备的启动、操作停止时产生的干扰以及高次谐波干扰。
(3)静电感应干扰
静电感应是由于两条支电路或元件之间存在着寄生电容,使一条支路上的电荷通过寄生电容传送到另一条支路上去,有时候也被称为电容性耦合。
(4)漏电流感应干扰
由于电子线路内部的元件支架、接线柱、印刷电路板、电容内部介质或外壳等绝缘不良,特别是传感器的应用环境湿度增大,导致绝缘体的绝缘电阻下降,这时漏电电流会增加,由此引发干扰。尤其当漏电流流入到测量电路的输入级时,其影响就特别严重。
(5)其他干扰
主要指的是系统工作环境差,还容易受到机械干扰、热干扰和化学干扰等等。
干扰进入定位控制系统的渠道主要有两类:信号传输通道干扰,干扰通过与系统相联的信号输入通道、输出通道进入;供电系统干扰。
信号传输通道是控制系统或驱动器接收反馈信号和发出控制信号的途径,因为脉冲波在传输线上会出现延时、畸变、衰减与通道干扰,所以在传输过程中,长线的干扰是主要因素。任何电源及输电线路都存在内阻,正是这些内阻才引起了电源的噪声干扰,如果没有内阻,无论何种噪声都会被电源短路吸收,线路中也不会建立起任何干扰电压;此外,交流伺服系统驱动器本身也是较强的干扰源,它可以通过电源对其他设备进行干扰。
5、系统产生干扰的原因
在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构,它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号,又有几十伏,甚至数千伏、数百安培的大信号;既有低频直流信号,也有高频脉冲信号等等,构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰,造成系统不稳定甚至误操作。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外,还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差,因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。因此,要保证系统稳定和可靠的运行,“接地环路”问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。
影响PLC控制系统的干扰源于一般影响工业控制设备的干扰源一样,大都产生在电流或电压剧烈变化的部位,这些电荷剧烈移动的部位就是噪声源,即干扰源。 
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声的干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中:按噪声产生的原因不同,分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等;按噪声的波形、性质不同,分为持续噪声、偶发噪声等;按声音干扰模式不同,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。共模干扰是信号对地面的电位差,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)电压送加所形成。共模电压有时较大,特别是采用隔离性能差的电器供电室,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 模件损坏率较高的原因),这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指用于信号两极间得干扰电压,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,这种让直接叠加在信号上,直接影响测量与控制精度。
二、仪表抗干扰措施
1、从供电设计本身解决干扰问题
对传感器、仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰,产生尖峰干扰的用电设备有:电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯,甚至电烙铁等。尖峰干扰可用硬件、软件结合的办法来抑制。
(1)用硬件线路抑制尖峰干扰的影响
常用办法主要有三种:
①在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器,将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上,从而减弱其破坏性;
②在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器,利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲;
③在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻,利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压,从而削弱干扰的影响。
(2)利用软件方法抑制尖峰干扰
对于周期性干扰,可以采用编程进行时间滤波,也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样,从而有效地消除干扰。
(3)采用硬、软件结合的看门狗(Watchdog)技术抑制尖峰脉冲的影响
软件:在定时器定时到之前,CPU访问一次定时器,让定时器重新开始计时,正常程序运行,该定时器不会产生溢出脉冲,Watchdog也就不会起作用。一旦尖峰干扰出现了“飞程序”,则CPU就不会在定时到之前访问定时器。因而定时信号就会出现,从而引起系统复位中断,保证智能仪器回到正常程序上来。
(4)实行电源分组供电,例如:将执行电机的驱动电源与控制电源分开,以防止设备间的干扰。
(5)采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰。该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。
(6)采用离变压器
考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合,而是靠初、次级寄生电容耦合的,因此隔离变压器的初、次级之间均用屏蔽层隔离,减少其分布电容,以提高抵抗共模干扰能力。
(7)采用高抗干扰性能的电源,如利用频谱均衡法设计的高抗干扰电源。这种电源抵抗随机干扰非常有效,它能把高尖峰的扰动电压脉冲转换成低电压峰值(电压峰值小于TTL 电平)的电压,但干扰脉冲的能量不变,从而可以提高传感器、仪器仪表的抗干扰能力。
2、显示仪表抗干扰的措施
串模干扰可能产生在信号源上,也可能是信号线上感应或接受的,由于它与测量信号是叠加的,所以较难消除,因此应该防止它的产生。可采取以下措施。信号传输导线使用绞线,能使信号回路所包围的面积大为减少,能两根信号线到干扰源的距离大致相等,分布电容也大致相同,所以能使进入显示仪表的串模干扰大大减小。
为了防止电场的干扰,可把信号线穿入铁管中,或者使用屏蔽线,并对屏蔽层采取一点接地。对于直流信号,可在显示仪表输入端加滤波电路,把杂散信号干扰衰减至最小。信号线要远离动力线,不能把信号线与动力线平行敷设在一起,信号线与电源线不要由同一孔进入仪表内,信号线应尽量短的绞线接至信号端子的相邻位置上。
显示仪表和变送器的外壳都应接地,以保持零电位;为提高仪表的抗干扰能力,可把仪表的放大器“浮地”,即将放大器与仪表外壳绝缘,以切断共模干扰电压的泄漏途径。要求高时,还可采取双屏蔽、浮地技术,进一步提高仪表的抗共模干扰能力。
3、热电偶抗干扰措施
随着工业的自动化的发展,现在的传感器在工业中的应用是非常的多了。而我们经常使用到的热电偶就是属于传感器的一种,热电偶是根据热电效应测量温度的传感器,是常用的测温元件之一。但是我们在使用热电偶进行测量的时候有时会遇到一些干扰的情况。
(1)隔离法
隔离法就是将热电偶悬空安装,使热电偶不与炉壁的耐火砖接触,热电偶与支架之间也采用绝缘物进行隔离。这种方法可以很好地预防高温漏电干扰。
(2)屏蔽法
屏蔽法就是将热电偶的补偿导线,穿在铁管或其他金属屏蔽物内进行屏蔽。这样可以防止电磁干扰和高压电场的干扰。使用此种方法时应该将铁管和屏蔽物进行良好接地,并且将补偿导线绞起来。
(3)接地法
这种方法是将测量回路进行接地处理,把干扰引入大地从而保证仪表的测量准确性。这种方法有两种地形式:第一是热电偶参考端接地,第二种是热电偶测量端接地。
采用参考端接地法时,是将热电偶(或补偿导线)输出端的一端,通过一个足够大的电容接地(条件许可时电容越大越好)。测量端接地法是将热电偶测量端接地,就是从热电偶的测量端引出一根金属丝接地。这种方法对高温漏电干扰有很好的预防效果。选用金属丝时应该选用耐高温且对热电偶电极无害的金属丝。
我们在使用热电偶的时候,应该做好预防干扰的准备。这样才能使我们的热电偶的测量更为精确,从而让我们的工作更加的便捷有效。
4、信号抗干扰措施
来自信号线引入的干扰: 
与控制系统连接的各类信号传输线,除了传输有效的各类信号之外,总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径:一是通过变送器或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰,这往往被忽略;二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰,即信号线上的外部感应干扰,这是很严重的。由信号引入干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低,严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统,还将导致信号间互相干扰,引起共地系统总线回流,造成逻辑数据变化、误动和死机。 控制系统因信号引入干扰造成I/O损坏数相当严重,由此引起系统故障的情况也很多。 
此外,屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路,在变化磁场的作用下,屏蔽层内有会出现感应电流,通过屏蔽层与芯线之间的耦合,干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱,所产生的地环流可能在地线上产生不等电位分布,影响内逻辑电路和模拟电路的正常工作。模拟地电位的分布将导致测量精度下降,引起对信号测控的严重失真和误动作。 
理想状态下是选用隔离性能较好的设备、选用优良的电源、动力线和信号线走线要更加合理等等,但是需要不同设备厂商共同协商完成,很难做到,而且成本较高。 
利用模拟信号隔离器,其主要起抗干扰作用。因为它有特强的抗干扰能力所以在自动化控制系统中应用非常广泛。尤其对于复杂的工业现场,控制程序越来越复杂,所以对工业标准远传模拟量信号通过信号隔离器使输出模拟信号与系统完全隔离,的确是当今自动化控制系统中抗干扰的有效措施之一。 

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