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【摘要】 本文主要介绍了自动测控系统常见干扰的来源,分析了测控仪表在现场使用中产生干扰的原因,并针对具体问题提出了抑制和预防干扰的措施。
【关键词】 自动监控仪表;抗干扰技术;应用
中图分类号：TN973.3 文献标识码：A 文章编号：
前言
目前自动监控仪表电路的设计和研制过程中由于经常采用集成电路或大规模集成电路, 其功能电路设计相对简化, 因此不少设计人员忽视硬件技术、尤其是忽视硬件设计中抗干扰技术问题, 结果组装后的仪表受干扰影响经常发生误动作, 设备无法正常工作。
干扰信号的抑制问题之所以困难, 首先是因为干扰信号往往经过电路中没有的通路传入到信号里来; 其次是干扰的作用直接受环境条件变化的影响, 虽然是相同的设备, 相同的电路, 但在使用条件的不同而其受干扰情况也不同。我们必须准确地把握干扰的原因, 采取正确的措施, 才能保证自动监控仪表的正常工作。
总之, 抗干扰技术是现在自动监控仪表仪器电子电路设计中非常重要的一门技术, 应引起电子线路设计人员的足够重视。
一、干扰信号的产生与传播
任何一种干扰都有其发生源, 并通过某种回路传入到电子电路成为干扰信号, 或者成为常态干扰, 或者成为共态干扰。
(一) 信号本身可能成为干扰信号。正常信号串入其他通路就成为干扰信号, 大功率信号其干扰作用也更大. 如各种家用电器电源引线的干扰信号。
(二) 各种电感性负载。电感负载在开关的开启和关断时刻产生急变的电流和大电压, 产生很强的干扰信号。
(三) 各种共振电路。由于共振产生大电流和大电压, 也成为干扰源。特别要注意的是电路上没有串联共振影响。各种导线本身都具有一定的L 、C 、R , 容易引起串联共振。
(四) 各种共同阻抗。如果两个以上电路具有共同阻抗. 则在该阻抗上的电压变化就成为干扰源。这里也注意电路中没有的共同阻抗, 如导线阻抗成为共同阻抗而引起的干扰。
(五) 反射干扰。不同阻抗引线引起信号的反射, 共反射信号就成为干扰信号。干扰信号传入的通路干扰信号传入的通路有如下几种:
1、通过各种输入输出引线串入干扰信号。
2、通过各种阻抗串入干扰信号。
3、通过各种寄生电容串入于扰信号。
4、通过各种互感串入干扰信号。
5、通过空间的电磁波干扰信号。
二．常见的干扰来源
仪表测控系统的干扰源主要是电力网络和电气设备的暂态过程引入的干扰、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信號引线、接地等引起的系统外引线干扰。这些干扰总体上分为两大类:外部干扰和内部干扰,概括起来有以下几种方式:
（一）电磁感应干扰
也就是磁耦合。信号源与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。如大功率的变压器、交流电机、高压电网等周围空间中都存在很强的交变磁场,而仪表的闭合回路处在这种变化的磁场中将会产生感应电势。这种感应电动势与有用信号串联,当信号源与仪表较远时,此情况就较为突出。将导线远离强用电设备及动力网,调整走线方向以及减小导线回路面积可以有效地减小电磁感应干扰。
（二）静电感应干扰
也就是电耦合。在相对的两物体中,如其一的电位发生变化,则由于物体间的电容会使另一物体的电位也发生变化。干扰源是通过电容性的耦合在回路中形成干扰。它是两电场相互作用的结果。当把两根信号线与动力线平行敷设时,由于动力线到两根信号线的距离不相等,分布电容也不相等,它便在两根信号导线上产生电位差,产生的干扰信号有时可达几十毫伏甚至更大。把信号线扭绞在一起敷设,可使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。采用静电屏蔽的方法可使因干扰产生的感应电势减小1 /100～1 /1000。
（三）附加热电势和化学电势干扰
主要是由于不同的金属产生的热电势以及金属腐蚀等原因产生的化学电势。当它处于电回路时会形成干扰,这种干扰大多以直流的形式出现,在接线端子板或干簧继电器等处容易产生热电势。
（四）振动干扰
导线在磁场中运动时会产生感应电动势从而产生干扰信号。在振动的环境中将信号导线固定可减小振动干扰。
以上的四种干扰都是与有用信号串联,即以串模干扰的形式出现。
（五）不同地电位引入的干扰
在大地中,各个不同接地点之间往往存在着电位差。尤其在大功率用电设备附近,当这些设备的绝缘性能较差时,这一电位差就更大。而在仪表的使用中,往往在输入回路中存在两个以上的接地点,这样就把不同接地点的电位差引入仪表。这种地电位差有时能达到1～10V以上,它是同时出现在两根信号导线上,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相叠加,它不直接对仪表产生影响。但它能通过测量系统形成对地的泄漏电流,泄漏电流通过电阻的耦合直接作用于仪表,产生干扰。
（六）脉冲电压干扰
由开关、继电器及电机等感性负载产生的脉冲电压不仅能作用于模拟电路,而且会对数字电路产生干扰。
三、干扰的抑制方法
对于不同类型的干扰信号,应对其进行全面的分析了解,采取不同的措施来消除或减小干扰信号。总的来说,要在消除或抑制噪声源、阻截干扰传递途径、削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三方面采取措施。具体方法就是通过采取隔离、屏蔽、抑制、接地保护、软件技术等手段来完成,下面对这几种技术作介绍。
（一）隔离
隔离包含两个方面:一方面是可靠绝缘,即保证导线之间不会产生漏电流,所以要求导线绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定;另一方面是合理配线,即要求信号线尽量避开干扰源,如当动力线和信号线平行敷设时,两者必须保持一定的间距;两者交叉时要尽可能垂直;导线穿管敷设时,电源线和信号线应在不同导线管内;不同强度等级信号的信号线不宜穿在同一导线管内;在采用金属汇线槽敷设时,信号的导线(或电缆)与电力线需用金属隔板隔开;同一多芯电缆内不宜有不同强度等级的信号线等。
（二）屏蔽和抑制
屏蔽和抑制是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路及信号线包围起来,主要用于抑制电流性噪声耦合,起到一定的磁屏蔽作用。另外用双绞线代替两根平行线是抑制磁场干扰的一种行之有效的方法。
（三）接地保护
通过接地可以有效地抑制干扰且能保证人员和设备的安全。接地通常分为保护接地、工作接地。保护接地是将电气设备、用电仪表正常情况下不带电的金属部分与接地体之间做良好的金属连接,若仪表盘意外带电时,接地短路电流大多通过接地电阻;工作接地能保证仪表精确、可靠地正常工作,它包括信号回路接地和屏蔽接地。
（四）软件抗干扰技术
隔离、屏蔽、接地均为硬件抗干扰技术,对于有些复杂的环境所带来的干扰,硬件抗干扰措施是无能为力的。如工控机死机了或者控制出错了。这将给生产带来可怕后果,因此使用软件抗干扰措施来避免和减轻这些意外事故犹为重要。通常使用的软件抗干扰技术有:实时控制软件运行过程中的自监视法、实时控制系统的互监视法和重要数据备份法。
四、结束语
大量实践说明,抗干扰性能是各种电子测量装置的一个很重要的问题,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键,正确掌握仪表测量及控制系统的抗干扰技术和在现场的应用技巧,有效地排除和抑制各种干扰,可以大大提高企业生产装备的运转效率。因此,抗干扰技术在仪表测控系统的设计、制造、安装和日常维修中都应给予足够的重视。
【参考文献】
[1] 黄元三等徽型机控制系统中克服干扰的一些实用措施, 延边大学学报.2007 年1 期。
[2] 黄万基.徐奇雄.数字系统可靠性与嗓声.电子技术应用, 2011 年6期。
[ 3] 郝晋忠. 自动监控仪表抗干扰技术的应用分析 [ J] . 山西电子, 2004( 1) : 43- 44.
[ 4] 闫利军, 马晓光. 自动监控仪表抗干扰技术 [ J] . 山西电子,2004( 2) : 47- 49.
【关键词】 自动监控仪表;抗干扰技术;应用
中图分类号：TN973.3 文献标识码：A 文章编号：
前言
目前自动监控仪表电路的设计和研制过程中由于经常采用集成电路或大规模集成电路, 其功能电路设计相对简化, 因此不少设计人员忽视硬件技术、尤其是忽视硬件设计中抗干扰技术问题, 结果组装后的仪表受干扰影响经常发生误动作, 设备无法正常工作。
干扰信号的抑制问题之所以困难, 首先是因为干扰信号往往经过电路中没有的通路传入到信号里来; 其次是干扰的作用直接受环境条件变化的影响, 虽然是相同的设备, 相同的电路, 但在使用条件的不同而其受干扰情况也不同。我们必须准确地把握干扰的原因, 采取正确的措施, 才能保证自动监控仪表的正常工作。
总之, 抗干扰技术是现在自动监控仪表仪器电子电路设计中非常重要的一门技术, 应引起电子线路设计人员的足够重视。
一、干扰信号的产生与传播
任何一种干扰都有其发生源, 并通过某种回路传入到电子电路成为干扰信号, 或者成为常态干扰, 或者成为共态干扰。
(一) 信号本身可能成为干扰信号。正常信号串入其他通路就成为干扰信号, 大功率信号其干扰作用也更大. 如各种家用电器电源引线的干扰信号。
(二) 各种电感性负载。电感负载在开关的开启和关断时刻产生急变的电流和大电压, 产生很强的干扰信号。
(三) 各种共振电路。由于共振产生大电流和大电压, 也成为干扰源。特别要注意的是电路上没有串联共振影响。各种导线本身都具有一定的L 、C 、R , 容易引起串联共振。
(四) 各种共同阻抗。如果两个以上电路具有共同阻抗. 则在该阻抗上的电压变化就成为干扰源。这里也注意电路中没有的共同阻抗, 如导线阻抗成为共同阻抗而引起的干扰。
(五) 反射干扰。不同阻抗引线引起信号的反射, 共反射信号就成为干扰信号。干扰信号传入的通路干扰信号传入的通路有如下几种:
1、通过各种输入输出引线串入干扰信号。
2、通过各种阻抗串入干扰信号。
3、通过各种寄生电容串入于扰信号。
4、通过各种互感串入干扰信号。
5、通过空间的电磁波干扰信号。
二．常见的干扰来源
仪表测控系统的干扰源主要是电力网络和电气设备的暂态过程引入的干扰、雷电等引起空间的辐射干扰和系统电源线、信號引线、接地等引起的系统外引线干扰。这些干扰总体上分为两大类:外部干扰和内部干扰,概括起来有以下几种方式:
（一）电磁感应干扰
也就是磁耦合。信号源与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。如大功率的变压器、交流电机、高压电网等周围空间中都存在很强的交变磁场,而仪表的闭合回路处在这种变化的磁场中将会产生感应电势。这种感应电动势与有用信号串联,当信号源与仪表较远时,此情况就较为突出。将导线远离强用电设备及动力网,调整走线方向以及减小导线回路面积可以有效地减小电磁感应干扰。
（二）静电感应干扰
也就是电耦合。在相对的两物体中,如其一的电位发生变化,则由于物体间的电容会使另一物体的电位也发生变化。干扰源是通过电容性的耦合在回路中形成干扰。它是两电场相互作用的结果。当把两根信号线与动力线平行敷设时,由于动力线到两根信号线的距离不相等,分布电容也不相等,它便在两根信号导线上产生电位差,产生的干扰信号有时可达几十毫伏甚至更大。把信号线扭绞在一起敷设,可使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。采用静电屏蔽的方法可使因干扰产生的感应电势减小1 /100～1 /1000。
（三）附加热电势和化学电势干扰
主要是由于不同的金属产生的热电势以及金属腐蚀等原因产生的化学电势。当它处于电回路时会形成干扰,这种干扰大多以直流的形式出现,在接线端子板或干簧继电器等处容易产生热电势。
（四）振动干扰
导线在磁场中运动时会产生感应电动势从而产生干扰信号。在振动的环境中将信号导线固定可减小振动干扰。
以上的四种干扰都是与有用信号串联,即以串模干扰的形式出现。
（五）不同地电位引入的干扰
在大地中,各个不同接地点之间往往存在着电位差。尤其在大功率用电设备附近,当这些设备的绝缘性能较差时,这一电位差就更大。而在仪表的使用中,往往在输入回路中存在两个以上的接地点,这样就把不同接地点的电位差引入仪表。这种地电位差有时能达到1～10V以上,它是同时出现在两根信号导线上,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相叠加,它不直接对仪表产生影响。但它能通过测量系统形成对地的泄漏电流,泄漏电流通过电阻的耦合直接作用于仪表,产生干扰。
（六）脉冲电压干扰
由开关、继电器及电机等感性负载产生的脉冲电压不仅能作用于模拟电路,而且会对数字电路产生干扰。
三、干扰的抑制方法
对于不同类型的干扰信号,应对其进行全面的分析了解,采取不同的措施来消除或减小干扰信号。总的来说,要在消除或抑制噪声源、阻截干扰传递途径、削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三方面采取措施。具体方法就是通过采取隔离、屏蔽、抑制、接地保护、软件技术等手段来完成,下面对这几种技术作介绍。
（一）隔离
隔离包含两个方面:一方面是可靠绝缘,即保证导线之间不会产生漏电流,所以要求导线绝缘材料的耐压等级、绝缘电阻必须符合规定;另一方面是合理配线,即要求信号线尽量避开干扰源,如当动力线和信号线平行敷设时,两者必须保持一定的间距;两者交叉时要尽可能垂直;导线穿管敷设时,电源线和信号线应在不同导线管内;不同强度等级信号的信号线不宜穿在同一导线管内;在采用金属汇线槽敷设时,信号的导线(或电缆)与电力线需用金属隔板隔开;同一多芯电缆内不宜有不同强度等级的信号线等。
（二）屏蔽和抑制
屏蔽和抑制是用金属导体把被屏蔽的元件、组合件、电路及信号线包围起来,主要用于抑制电流性噪声耦合,起到一定的磁屏蔽作用。另外用双绞线代替两根平行线是抑制磁场干扰的一种行之有效的方法。
（三）接地保护
通过接地可以有效地抑制干扰且能保证人员和设备的安全。接地通常分为保护接地、工作接地。保护接地是将电气设备、用电仪表正常情况下不带电的金属部分与接地体之间做良好的金属连接,若仪表盘意外带电时,接地短路电流大多通过接地电阻;工作接地能保证仪表精确、可靠地正常工作,它包括信号回路接地和屏蔽接地。
（四）软件抗干扰技术
隔离、屏蔽、接地均为硬件抗干扰技术,对于有些复杂的环境所带来的干扰,硬件抗干扰措施是无能为力的。如工控机死机了或者控制出错了。这将给生产带来可怕后果,因此使用软件抗干扰措施来避免和减轻这些意外事故犹为重要。通常使用的软件抗干扰技术有:实时控制软件运行过程中的自监视法、实时控制系统的互监视法和重要数据备份法。
四、结束语
大量实践说明,抗干扰性能是各种电子测量装置的一个很重要的问题,系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键,正确掌握仪表测量及控制系统的抗干扰技术和在现场的应用技巧,有效地排除和抑制各种干扰,可以大大提高企业生产装备的运转效率。因此,抗干扰技术在仪表测控系统的设计、制造、安装和日常维修中都应给予足够的重视。
【参考文献】
[1] 黄元三等徽型机控制系统中克服干扰的一些实用措施, 延边大学学报.2007 年1 期。
[2] 黄万基.徐奇雄.数字系统可靠性与嗓声.电子技术应用, 2011 年6期。
[ 3] 郝晋忠. 自动监控仪表抗干扰技术的应用分析 [ J] . 山西电子, 2004( 1) : 43- 44.
[ 4] 闫利军, 马晓光. 自动监控仪表抗干扰技术 [ J] . 山西电子,2004( 2) : 47- 49.