儀器儀表的可靠性分析及抗干擾設(shè)計(jì)

李淵

摘 要：在工業(yè)生產(chǎn)過程中儀器儀表有著十分重要的作用價(jià)值，是對(duì)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行控制并體現(xiàn)其運(yùn)行過程最為關(guān)鍵的一項(xiàng)工具設(shè)備，儀器儀表的可靠性及抗干擾性能將會(huì)對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生直接性的影響。因此在設(shè)計(jì)階段便應(yīng)大力加強(qiáng)對(duì)儀器儀表的可靠性及抗干擾的設(shè)計(jì)力度，并以此來保障電氣系統(tǒng)的順利運(yùn)行。本文就針對(duì)儀器儀表的可靠性設(shè)計(jì)及抗干擾設(shè)計(jì)展開了具體的分析與探討，希望可以為有關(guān)的儀器儀表系統(tǒng)運(yùn)行管理提供一些有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：儀器儀表；可靠性；抗干擾

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.011

隨著當(dāng)前相關(guān)技術(shù)手段的不斷進(jìn)步與發(fā)展，儀器儀表系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中的應(yīng)用范圍日漸增大，相應(yīng)的技術(shù)水平也不斷提高，系統(tǒng)本身所具備的功能性也日漸強(qiáng)大。與此同時(shí)，儀器儀表的應(yīng)用條件卻愈發(fā)苛刻，怎樣能夠提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與促進(jìn)抗干擾性能的全面提升，現(xiàn)已成為儀器儀表設(shè)備的研究的一項(xiàng)關(guān)鍵性內(nèi)容，下文將就針對(duì)儀器的可靠性設(shè)計(jì)與抗干擾設(shè)計(jì)展開具體分析。

1 儀器儀表的可靠性分析

在開展儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)就儀器儀表運(yùn)行過程中的可靠性衡量系統(tǒng)展開全面性的分析，同時(shí)確定出相應(yīng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確保設(shè)備的穩(wěn)定性及質(zhì)量可靠性能夠得以有效增強(qiáng)，突出儀器儀表系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。在所開展的儀器儀表可靠性設(shè)計(jì)方面，有關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)以下幾項(xiàng)工作內(nèi)容的有效控制：

（1）相關(guān)人員在設(shè)計(jì)過程中，須確保儀器儀表系統(tǒng)內(nèi)部元器件具備良好的可靠性，促進(jìn)系統(tǒng)精確性的全面提升，對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容予以精簡處理，在確保能夠完全符合儀器儀表元器件應(yīng)用功能的基礎(chǔ)之上，加強(qiáng)對(duì)其運(yùn)行體系的合理優(yōu)化與改進(jìn)。精簡處理階段，技術(shù)人員應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對(duì)儀器儀表系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的高度關(guān)注，全面提升工作效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（2）設(shè)計(jì)人員還應(yīng)不斷提高對(duì)儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的水平，大量應(yīng)用以現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)技術(shù)與處理工藝，推動(dòng)儀器儀表設(shè)計(jì)達(dá)到更好的規(guī)范性與先進(jìn)性，促進(jìn)儀器儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量能夠得以顯著提高，并促使系統(tǒng)的可靠性得以更好的加強(qiáng)，保留一部分的系統(tǒng)控制功能。

2 儀器儀表的抗干擾設(shè)計(jì)

2.1 干擾源

干擾的產(chǎn)生與干擾源密切相關(guān)，在儀器儀表的內(nèi)部及外部均有發(fā)生的可能性。在儀器儀表外部，部分大功率的用電設(shè)備與電力設(shè)備均存在成為干擾源的可能，儀器儀表內(nèi)部電源繼電器、變壓器、開關(guān)等也可能是干擾源。

干擾引入方式具體可分成以下幾類：

（1）靜電感應(yīng)。在互相對(duì)應(yīng)的兩物體內(nèi)，若某一物體的電位出現(xiàn)了改變，則會(huì)因?yàn)槲矬w間的電容而導(dǎo)致另一物體電位也產(chǎn)生改變。干擾源是經(jīng)由電容性耦合于回路當(dāng)中所產(chǎn)生的干擾，其為兩電場(chǎng)的互相作用所產(chǎn)生出的結(jié)果。在干擾源所形成的干擾通過電壓形式發(fā)生時(shí)，干擾源和信號(hào)電路間便會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)耦合，此時(shí)干擾電壓線電容耦合于信號(hào)電路處也便就產(chǎn)生出了干擾源。

（2）電磁感應(yīng)。儀器儀表和信號(hào)源的連接導(dǎo)線、儀器儀表內(nèi)部配線經(jīng)由磁耦合從而在電路內(nèi)部產(chǎn)生干擾。工程項(xiàng)目中經(jīng)常應(yīng)用到的大功率變壓器、高壓電網(wǎng)、交流電機(jī)等均存在有十分強(qiáng)烈的交變磁場(chǎng)，儀器儀表本身的閉合回路也正是基于此種類型的交變磁場(chǎng)，儀器儀表閉合回路所產(chǎn)生的干擾正是處于此類變化性的磁場(chǎng)內(nèi)所產(chǎn)生出的感應(yīng)電勢(shì)。

（3）振動(dòng)。導(dǎo)線在磁場(chǎng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)之時(shí)，會(huì)形成一定的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因而處于振動(dòng)環(huán)境當(dāng)中將信號(hào)導(dǎo)線能夠維持良好的穩(wěn)定性十分必要。

（4）脈沖電壓干擾。這一種類型的干擾主要是作用在模擬電路外部，脈沖電壓的發(fā)生源大都是處在電機(jī)、開關(guān)、繼電器等感性負(fù)荷與出現(xiàn)放電的機(jī)器部位。

2.2 抗干擾設(shè)計(jì)

抗干擾方法多種多樣。若想實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾影響的有效抑制，應(yīng)當(dāng)針對(duì)干擾情況采取全面的分析評(píng)價(jià)，需在消除亦或是抑制噪聲源、破壞干擾途徑以及減弱接收電路對(duì)噪音的干擾敏感性等三方面來具體操作。

（1）共模干擾抑制。鑒于儀器儀表系統(tǒng)信號(hào)大都是低電平，因此，共模干擾會(huì)導(dǎo)致儀器儀表的信號(hào)發(fā)生畸變現(xiàn)象，并將由此產(chǎn)生出大量的錯(cuò)誤現(xiàn)象。可采取以下措施避免共模干擾現(xiàn)象的發(fā)生。

為確保儀器儀表與信號(hào)源外殼的安全性，通常均需對(duì)其采取接地處理，確保其能夠始終維持在零電位的狀態(tài)下。信號(hào)源電路、儀器儀表系統(tǒng)需保證接地的穩(wěn)定性，一旦所采取的接地方式不恰當(dāng)，便會(huì)導(dǎo)致地回路導(dǎo)入干擾的出現(xiàn)。較為常見的一種情況便是兩點(diǎn)接地導(dǎo)致地電位差的出現(xiàn)并造成共模干擾的發(fā)生。因而，儀器儀表回路大都是選用的在系統(tǒng)位置進(jìn)行單點(diǎn)接地的方式。就這一層面而言，要想將地電位差所產(chǎn)生的干擾完全消除是不切實(shí)際的。因此，為了促進(jìn)儀器儀表抗干擾能力的增強(qiáng)，一般在低電平測(cè)量儀器儀表內(nèi)，將二次儀器儀表和地進(jìn)行絕緣處理，從而使得共模干擾電壓泄露途徑被隔斷，促使干擾無法進(jìn)入到系統(tǒng)當(dāng)中。在具體應(yīng)用過程當(dāng)中，大都是把屏蔽與接地聯(lián)合起來加以運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)絕大多數(shù)干擾情況的有效處理。若能夠使屏蔽層在信號(hào)側(cè)和儀器儀表側(cè)均進(jìn)行接地處理，那么地電位差便會(huì)經(jīng)由屏蔽層而產(chǎn)生回路。眾所周知，地電阻阻值小于屏蔽層電阻，因此在屏蔽層中便會(huì)出現(xiàn)電位梯度，經(jīng)由屏蔽層與信號(hào)導(dǎo)線間的分布電容耦合于信號(hào)電路內(nèi)，屏蔽層應(yīng)進(jìn)行單點(diǎn)接地，同時(shí)信號(hào)導(dǎo)線屏蔽層的接地同樣也應(yīng)當(dāng)能夠和系統(tǒng)接地處于同一側(cè)的位置。

從本質(zhì)上來說，二次儀器儀表外部保護(hù)主要是考慮到安全需求所進(jìn)行的接地處理。但儀器儀表的輸入一端以及外殼間必定會(huì)存在分布電容及漏阻抗，但浮地?zé)o法將泄露途徑全部切斷。因此，在必要時(shí)一般是采取雙層屏蔽浮地保護(hù)形式，即為在儀器儀表外殼內(nèi)再重新套入一個(gè)內(nèi)部屏蔽罩體。這一內(nèi)部屏蔽罩體和信號(hào)輸入一側(cè)甚至是外殼間均采取電氣連接的方式，由內(nèi)屏蔽層引出導(dǎo)線來和信號(hào)導(dǎo)線的屏蔽層互相連接起來，信號(hào)線則可被屏蔽于信號(hào)源進(jìn)行單點(diǎn)接地處理。由此便可利用儀器儀表的輸入保護(hù)屏蔽和信號(hào)屏蔽來促使信號(hào)源保持良好的穩(wěn)定性，使之長期保持在等電位的運(yùn)行狀態(tài)下，能夠極大的促進(jìn)儀器儀表抗干擾性能的全面提升。endprint

（2）串模干擾抑制。串模干擾和被測(cè)信號(hào)處于平等地位程度，出現(xiàn)串模干擾后很難做到徹底消除，因此應(yīng)將關(guān)注的重點(diǎn)放到對(duì)串模干擾的有效抑制上。避免串模干擾的措施方法主要包括有：

1）濾波。針對(duì)變化速率較為遲緩的直流信號(hào)可在儀器儀表輸入端新增濾波電路，以確保所混雜于其中的干擾信號(hào)能夠降至最低。但在具體的工程設(shè)計(jì)階段，此類方法應(yīng)用的相對(duì)較少。

2）屏蔽。為避免電場(chǎng)干擾的產(chǎn)生，可將信號(hào)導(dǎo)線采用金屬進(jìn)行包裹。一般是在導(dǎo)線外部包裹一層金屬網(wǎng)。采取屏蔽處理主要是為了將“場(chǎng)”的耦合切斷，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類“場(chǎng)”干擾的有效抑制。屏蔽層必須予以接地，避免干擾現(xiàn)象的發(fā)生。

3）信號(hào)導(dǎo)線扭絞。因?yàn)閷⑿盘?hào)導(dǎo)線扭絞起來可促使信號(hào)回路的包圍面積大幅度降低，并且可確保兩根信號(hào)導(dǎo)線至干擾源的距離大致接近，分布電容亦可基本一致，使通過磁場(chǎng)和電場(chǎng)的感應(yīng)耦合進(jìn)到回路內(nèi)的串模干擾大幅度降低。

上述幾類方法所重點(diǎn)針對(duì)的是無法規(guī)避的干擾場(chǎng)，出現(xiàn)后的被動(dòng)抑制的干預(yù)措施，然而在實(shí)際的應(yīng)用過程中，應(yīng)注意盡可能防止干擾場(chǎng)的產(chǎn)生。例如將信號(hào)導(dǎo)線與動(dòng)力線盡可能保持一定的距離；科學(xué)布設(shè)線路，降低雜散磁場(chǎng)的出現(xiàn)可能性；針對(duì)變壓器等有關(guān)電器元件實(shí)施一定的屏蔽處理。

3 結(jié)束語

總而言之，儀器儀表所應(yīng)用的環(huán)境不同，所面臨著的干擾源也會(huì)有所差異。一般在工業(yè)生產(chǎn)中，測(cè)量系統(tǒng)除過系統(tǒng)本身所受到的干擾影響外，還應(yīng)當(dāng)對(duì)電氣設(shè)備放電干擾與設(shè)備接通及斷開所導(dǎo)致的電壓，亦或是電流急變所產(chǎn)生干擾予以重點(diǎn)關(guān)注。在針對(duì)儀器儀表系統(tǒng)在開展設(shè)計(jì)與測(cè)試工作時(shí)，不僅要依據(jù)儀器儀表本身特點(diǎn)開展設(shè)計(jì)，同時(shí)還應(yīng)結(jié)合其所應(yīng)用的環(huán)境來具體分析，使得在具體條件下所產(chǎn)生出的干擾因素能夠被及時(shí)找出，并做出更加針對(duì)性的抗干擾設(shè)計(jì)，以加強(qiáng)對(duì)儀器儀表系統(tǒng)可靠性及抗干擾性能的全面提升。

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