對(duì)于儀器儀表抑制干擾的措施及應(yīng)用研究

范立云

[摘 ? ?要]在許多情況下，電表在汽車生產(chǎn)中的現(xiàn)場(chǎng)使用非常復(fù)雜，并且所測(cè)得的參數(shù)通常會(huì)轉(zhuǎn)換為微弱的低電平電壓信號(hào)，并長(zhǎng)距離發(fā)送到二次電表或計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因此，除了有用的信號(hào)外，通常還有與被測(cè)信號(hào)無關(guān)的電壓和電流。這種不相關(guān)的電壓或電流信號(hào)稱為“干擾”（也稱為噪聲）。干擾有很多原因，通常稱為干擾，但有電氣干擾，但從廣義上講，熱噪聲，溫度效應(yīng)，化學(xué)效應(yīng)，振動(dòng)等會(huì)影響測(cè)量并引起干擾。如果在這些測(cè)量過程中不能排除這些干擾的影響，則儀表將無法正常工作。根據(jù)設(shè)備輸入端子干擾的工作模式，可以分為串聯(lián)模式干擾和共模干擾。串行模式干擾是指疊加在測(cè)量信號(hào)上的干擾，而共模干擾是指設(shè)備輸入端子與地面之間施加的干擾。本文研究了汽車儀器儀表干擾的產(chǎn)生原因，指出了儀器儀表干擾的抑制，最后提出了儀器儀表抑制干擾的措施及應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]儀器儀表;抑制干擾;串模干擾;共模干擾

[中圖分類號(hào)]TM76 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2020）05–00–03

Research on the Measures and Application of Inhibiting Interference in Instrumentation

Fan Li-yun

[Abstract]In many cases， the field use of electric meters in automobile production is very complex， and the measured parameters are usually converted to weak low level voltage signals and sent to secondary meters or computer systems for long distances.Therefore， in addition to useful signals， there are usually voltages and currents independent of the measured signal.This uncorrelated voltage or current signal is called "interference "（also called noise）.There are many reasons for interference， usually called interference， but there are electrical interference， but in a broad sense， thermal noise， temperature effect， chemical effect， vibration and so on will affect the measurement and cause interference.If the effect of these disturbances can not be excluded during these measurements， the instrument will not work properly.According to the working mode of input terminal interference， it can be divided into series mode interference and common mode interference.Serial mode interference refers to the interference superimposed on the measurement signal， while common mode interference refers to the interference between the input terminal of the device and the ground.In this paper， the causes of automobile instrument interference are studied， the suppression of instrument interference is pointed out， and finally the measures and applications of instrument suppression interference are put forward.

[Keywords]instrumentation; suppression interference; serial mode interference; common mode interference

隨著信息技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，社會(huì)的許多領(lǐng)域在技術(shù)因素的影響下發(fā)生了很大的變化，其中設(shè)備也在技術(shù)因素的影響下向數(shù)字化和智能化發(fā)展。在儀表的使用領(lǐng)域中，儀表已經(jīng)建立并被廣泛使用。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)，在新興的現(xiàn)代化汽車企業(yè)和其他過程汽車設(shè)施中，儀器儀表消耗了總投資的15%以上。在企業(yè)中有效使用儀器儀表不僅可以促進(jìn)業(yè)務(wù)活動(dòng)。保證了公司安全高效的運(yùn)作，從而提高了產(chǎn)品質(zhì)量。這使公司在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中具有優(yōu)勢(shì)。合理使用儀器儀表可以積極促進(jìn)企業(yè)發(fā)展，但是自動(dòng)儀表系統(tǒng)的運(yùn)行受多種因素的影響，對(duì)自動(dòng)儀表系統(tǒng)的運(yùn)行影響很大。對(duì)于這些干擾因素，必須采取相應(yīng)的措施來保護(hù)儀器儀表，以有效地發(fā)揮儀器儀表的作用，從而促進(jìn)整體進(jìn)步和發(fā)展。

1 ?儀器儀表干擾的產(chǎn)生原因

1.1 ?電磁感應(yīng)

信號(hào)源和設(shè)備之間的連接線以及設(shè)備內(nèi)部的布線會(huì)通過磁耦合對(duì)電路造成干擾。在我們實(shí)際使用的大功率變壓器，AC電動(dòng)機(jī)和高壓傳輸網(wǎng)絡(luò)等周圍空間中，存在一個(gè)很強(qiáng)的交變磁場(chǎng)，并且儀表的閉環(huán)會(huì)引導(dǎo)這種變化的磁場(chǎng)。

感應(yīng)電勢(shì)可以通過公式en=jωBAcosθ計(jì)算，在等式中，en是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，B是磁通密度，A是閉環(huán)的面積，θ是磁場(chǎng)線與面積A的垂直線之間的角度。這種類型的磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與有用信號(hào)串聯(lián)連接，當(dāng)信號(hào)源遠(yuǎn)離設(shè)備時(shí)，這一點(diǎn)更加明顯。

因此，有必要將電線從這些強(qiáng)大的電氣設(shè)備和電力網(wǎng)絡(luò)中移開，調(diào)整電線的方向，并減小電線回路的面積。

1.2 ?靜電感應(yīng)

對(duì)于兩個(gè)相對(duì)的物體，當(dāng)一個(gè)電位改變時(shí)，物體之間的電容也會(huì)改變另一物體的電位。干擾源通過電容耦合在環(huán)路內(nèi)形成干擾，這是兩個(gè)相互作用的結(jié)果。

當(dāng)平行于電源線鋪設(shè)兩條信號(hào)線時(shí)，由于電源線與兩條信號(hào)線之間的距離不相等，因此分配電容不相等。在兩條信號(hào)線之間可能會(huì)出現(xiàn)電位差，該電位差可能高達(dá)數(shù)十毫伏或更高。通過扭曲信號(hào)線，可以顯著減小由于電場(chǎng)引起的兩條信號(hào)線之間的電勢(shì)差。使用靜電屏蔽后，感應(yīng)電勢(shì)可以降低到1/100～1/1000。

1.3 ?附加熱電勢(shì)與化學(xué)電勢(shì)

這主要是由于各種金屬產(chǎn)生的熱電勢(shì)以及金屬腐蝕引起的化學(xué)勢(shì)，當(dāng)在電路中時(shí)，金屬腐蝕會(huì)引起干擾，其中大部分以直流的形式表現(xiàn)出來，在接線盒和簧片繼電器中容易產(chǎn)生熱電勢(shì)。

1.4 ?振動(dòng)

當(dāng)導(dǎo)線在磁場(chǎng)中移動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。因此，有必要將信號(hào)線固定在振動(dòng)環(huán)境中。

上面所有四種類型的干擾均與信號(hào)串聯(lián)，也就是說，它以串行模式干擾的形式表現(xiàn)出來。

1.5 ?不同的電位引入的干擾

在地球上，不同點(diǎn)之間通常存在潛在差異。特別是在大功率電氣設(shè)備附近，如果這些設(shè)備的絕緣性能低下，則電位差會(huì)很大。在使用設(shè)備時(shí)，輸入電路中通常有意或無意地有兩個(gè)或多個(gè)接地點(diǎn)。以此方式，將不同接地點(diǎn)處的電位差引入設(shè)備中，并且該接地電位差可以達(dá)到1～10V或更高。

靜電耦合在兩個(gè)輸入端子上感應(yīng)出對(duì)應(yīng)于接地的公共電壓，該公共電壓以共模干擾的形式出現(xiàn)。共模干擾不會(huì)與信號(hào)重疊，也不會(huì)直接影響儀表。但是，通過測(cè)量系統(tǒng)可能會(huì)發(fā)生對(duì)地泄漏電流，該泄漏電流會(huì)通過電阻耦合直接作用于設(shè)備并造成干擾。

除了可能作用于模擬電路的某些脈沖電壓外，它們還會(huì)干擾數(shù)字電路。了解不同的干擾源后，可以采取措施消除或避免不同的情況，通過阻塞干擾耦合通道可以抑制干擾，因?yàn)樗懈蓴_源都會(huì)通過特定的干擾通道影響設(shè)備。

2 ?儀器儀表干擾的抑制

為了抑制儀器儀表干擾，需要對(duì)干擾進(jìn)行全面的分析和理解。需要采取三種對(duì)策：消除或抑制噪聲源，破壞干擾通道以及降低接收電路對(duì)噪聲干擾的敏感性，消除噪聲源是一種預(yù)防措施，通常應(yīng)去除噪聲源。但實(shí)際上，很難或不可能消除許多噪聲源，此時(shí)需要采取保護(hù)措施來抑制干擾。

2.1 ?串模干擾的抑制

串模模式干擾與測(cè)量信號(hào)共存，并且在發(fā)生串行模式干擾時(shí)無法輕易消除。因此，應(yīng)首先預(yù)防，防止串行模式干擾的措施通常包括以下幾個(gè)方面。

2.1.1 ?信號(hào)線扭曲

將信號(hào)線捻在一起會(huì)大大減小信號(hào)環(huán)路所包圍的面積，兩條信號(hào)線與干擾源之間的距離大約相等，并且分布電容大約相同，因此受到磁場(chǎng)的影響。耦合到環(huán)路的串聯(lián)模式干擾會(huì)大大降低電場(chǎng)。

2.1.2 ?防護(hù)

信號(hào)線可以用金屬覆蓋以防止電場(chǎng)干擾，通常的方法是用絕緣層在導(dǎo)線上包裹一層金屬網(wǎng)（或鐵磁體）。屏蔽的目的是分離“場(chǎng)”耦合并抑制各種“場(chǎng)”干擾，屏蔽層應(yīng)接地以防止干擾。

因此，在實(shí)際使用中，屏蔽層必須接地。否則，它不會(huì)影響感應(yīng)電壓的。

2.1.3 ?過濾

對(duì)于緩慢變化的直流信號(hào)，可以將濾波電路添加到儀器的輸入，以最大程度地減少與信號(hào)混合的干擾。但實(shí)際上，這種方法很少使用。通常在設(shè)備電路設(shè)計(jì)過程中要考慮到這一點(diǎn)。

以上方法主要用于抑制不可避免的干擾的形成，但是在實(shí)際過程中應(yīng)盡量避免干擾場(chǎng)的形成。

2.2 ?共模干擾的抑制

由于大多數(shù)儀器系統(tǒng)信號(hào)為低電平，因此共模干擾也會(huì)使儀器信號(hào)失真并導(dǎo)致各種測(cè)量誤差。防止共模干擾的通常步驟是：通常出于安全原因，設(shè)備和信號(hào)源外殼已接地，以將電勢(shì)保持為零。信號(hào)源電路和儀器系統(tǒng)也必須穩(wěn)定接地。實(shí)際上，信號(hào)源側(cè)不能與地隔離，因此從這種意義上講，不可能完全消除由地電位差引起的干擾。因此，為了提高設(shè)備的抗干擾能力。通常在低級(jí)別儀器上，輔助儀器是“浮動(dòng)的”，即輔助儀器與地面隔離。由于共模干擾電壓的泄漏路徑被阻塞，因此不會(huì)發(fā)生干擾。如果屏蔽層在信號(hào)側(cè)和設(shè)備側(cè)都接地，則接地電位差會(huì)形成穿過屏蔽的回路。由于接地電阻通常遠(yuǎn)小于屏蔽層的電阻，因此在屏蔽層中會(huì)形成一個(gè)電位梯度，該電位梯度會(huì)穿過屏蔽層。該層和信號(hào)線之間的分布電容耦合到信號(hào)電路，因此屏蔽層必須在一點(diǎn)處接地。另外，信號(hào)線屏蔽層的接地應(yīng)靠近系統(tǒng)接地點(diǎn)。

3 ?儀器儀表抑制干擾的措施及應(yīng)用

3.1 ?浮空與接地

儀器儀表防干擾措施的第一級(jí)出現(xiàn)在浮動(dòng)和接地中，顧名思義，所謂的浮空是指未連接到儀器或未接地的應(yīng)用于儀器的輸入信號(hào)放大器的公共線，測(cè)量的重要部分是輸入信號(hào)放大器具有兩層絕緣屏蔽。使用浮動(dòng)測(cè)量后，信號(hào)放大器的兩個(gè)輸入端子會(huì)識(shí)別出機(jī)器和地面均未連接，因此屏蔽層與地面之間沒有任何關(guān)聯(lián)。通過采用這種方法，阻塞了受系統(tǒng)電勢(shì)差影響的信道，減少了干擾的影響。其次，從接地措施的概念角度進(jìn)行理解是一種切斷干擾電流路徑以減少干擾因素影響的措施。接地比防浮措施更有效，值得注意的是，采取防浮措施以彌補(bǔ)使用防浮措施的缺點(diǎn)后，絕對(duì)不可能實(shí)現(xiàn)浮起。

3.2 ?濾波與電磁屏蔽和隔離

測(cè)量干擾預(yù)防措施的第二個(gè)方面在于過濾措施的合理應(yīng)用，過濾措施也是減少干擾因素影響的有效措施。要將此度量應(yīng)用于度量，請(qǐng)從度量的概念開始。濾波措施基于信號(hào)和噪聲的頻率分布范圍，并將響應(yīng)通道的濾波器連接到信號(hào)傳輸通道，以盡可能多地消除生成的噪聲并將其完全再現(xiàn)。在生活用水中儀器波動(dòng)的方法通常是過濾器冷凝器方法，但是根據(jù)實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)沒有明顯的影響。原因是逆變器的電源電路具有較大的頻率干擾。導(dǎo)入合成器DCS中的UPS可以完全消除使用中干擾因素的影響，為設(shè)備和儀表供電，以達(dá)到消除干擾的目的。通過此示例，可以看到濾波措施的應(yīng)用，但通常，在交流電源線的中間插入了一個(gè)抗干擾濾波器，以防止交流電源的噪聲從電源進(jìn)入電氣測(cè)量?jī)x器供應(yīng)線。通過采用這種形式，在某種程度上減小了干擾因素的影響。

3.3 ?提高工作人員工作能力，堅(jiān)持具體問題具體分析原則

從以下方面也可以看出防止設(shè)備與儀表之間干擾的措施。首先，員工的參與離不開任何業(yè)務(wù)的發(fā)展。因此，一方面，針對(duì)設(shè)備和儀表的抗干擾措施的實(shí)施正在進(jìn)行外部招聘。需要努力為工作聘請(qǐng)高素質(zhì)的人才。在人事管理方面，將全面加強(qiáng)對(duì)相關(guān)員工的培訓(xùn)和學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高全體員工防止干擾儀器的能力，并邀請(qǐng)部級(jí)名人參加。其次，設(shè)備和儀表容易受到外部因素的影響，因此在采取抗干擾措施之前，必須遵守特定問題的特定分析原則，以促進(jìn)整體發(fā)展。

4 ?結(jié)語

儀器儀表在汽車領(lǐng)域都占有重要地位，并且從多個(gè)角度出發(fā)并采取合理的步驟來確保儀器儀表的正確使用是整體的進(jìn)步。即使這樣，實(shí)際上仍然存在一些泄漏電流，但是抑制干擾的措施是將干擾信號(hào)的強(qiáng)度降低到相對(duì)于實(shí)際信號(hào)強(qiáng)度可以忽略的水平。另外，常用的抗干擾措施包括通過防止干擾回路的形成來抑制干擾的絕緣。這些方法的好處是附加的，通常使用一種或多種方法來提高信號(hào)測(cè)量的抗干擾能力。當(dāng)然，隨著理論和工程實(shí)踐的發(fā)展，抗干擾措施很多。

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