儀表
在工(gong)業生産的現場(chang)使用的條件常(cháng)常是很複雜的(de)。被測量的參數(shu)又往往被轉換(huan)成微弱的低電(diàn)平電壓信号,并(bìng)通過長距離傳(chuán)輸至二次表或(huò)者計算機系統(tong)。因此除了有用(yòng)的信号外,經常(cháng)會出現一些與(yu)被測信号無關(guān)的電壓或電流(liu)存在。這種無關(guan)的電壓或電流(liu)信号我們稱之(zhī)爲“幹擾”(也叫噪(zao)聲)。
幹擾的來源(yuán)有很多種,通常(chang)我們所說的幹(gàn)擾是電氣的幹(gàn)💜擾,但是在廣義(yì)上熱噪聲、溫度(dù)效應、化學效應(yīng)、振動等都可能(néng)給測量🌍帶來影(yǐng)響,産生幹擾。在(zài)測量過程中,如(rú)果不能排除這(zhè)些幹擾的影響(xiang),儀表就🌏不能夠(gòu)正常的工作。
根(gen)據儀表輸入端(duan)幹擾的作用方(fāng)式,可分爲串模(mó)幹擾和共🏃🏻♂️模幹(gàn)✨擾。串模幹擾是(shì)指疊加在被測(cè)信号上🚶的幹擾(rao);共模幹擾是加(jia)在🤩儀表任一輸(shu)入端與地之♉間(jian)的幹擾。
1 幹擾的(de)産生
幹擾來自(zì)于幹擾源,它們(men)在儀表内外都(dōu)可能存在。在儀(yi)表外📞部,一些大(dà)功率的用電設(she)備以及電力設(shè)備都可能成爲(wèi)幹擾源,而在儀(yi)表内部的電源(yuan)變壓器、機電器(qi)、開關以及電源(yuán)線等也均可🔞能(neng)成爲幹擾源,幹(gàn)擾的引入方式(shi)主要如下:
1)電磁(ci)感應,也就是磁(ci)耦合。信号源與(yǔ)儀表之間的連(lián)接導❄️線、儀表内(nei)部的配線通過(guò)磁耦合在電路(lu)中形成幹擾。像(xiàng)我們💋在工程中(zhōng)使用的大功率(lǜ)的變壓器、交流(liu)電機、高壓電網(wang)等的周圍空間(jiān)中都存在有很(hěn)強的交變磁場(chǎng),而儀表的閉合(he)回路處在這種(zhǒng)變化的磁場中(zhōng)将會産生感應(yīng)電勢。感應電勢(shì)可用下式計算(suàn):式中:en——感應電動(dòng)勢;B——磁通密度;A——閉(bi)合回路的面積(ji);θ——磁力線與面積(ji)A的垂線的夾角(jiao)。
這種磁感應電(diàn)動勢與有用信(xìn)号串聯,當信号(hào)源與儀表相距(ju)較遠時,此情況(kuang)較爲突出。将導(dao)線遠離這些強(qiang)用電設備及動(dòng)力網😘,調整走線(xiàn)方向以及減小(xiǎo)導線回路面積(ji)都是必要的。僅(jǐn)由于把兩根信(xìn)号線以短的節(jie)距絞合,磁感應(ying)電動勢就能降(jiàng)爲原有的😘1/10~1/100。
2)靜電(dian)感應,也就是電(dian)的耦合。在相對(duì)的兩物體中,如(rú)其一的電位發(fa)生變化,則由于(yu)物體間的電容(rong)使另💞一物體的(de)電位也發生變(biàn)化。幹擾源是通(tong)過電容性的耦(ǒu)合在回路中形(xíng)成幹擾。它是兩(liǎng)電場相互作用(yòng)的結果. 通過電(dian)磁感應、靜電感(gan)🏃♂️應所形成的幹(gàn)擾大部分是50Hz的(de)工🔞頻幹擾電壓(ya)。但是其他的高(gāo)頻發生器、帶整(zheng)流子的電✏️機等(deng)設備,也會🥵産生(shēng)高頻的幹擾。由(you)于雷雲之間、雷(lei)雲🔱與大地♍間的(de)放電,在配線上(shàng)也能感應出異(yi)常電壓。
3)附加熱(rè)電勢和化學電(dian)勢,主要是由于(yu)不同金屬産生(sheng)的熱電勢以及(ji)金屬腐蝕等原(yuán)因産生的化學(xué)電勢,當🥰它處💰于(yu)電回路時會成(chéng)爲幹擾,這種幹(gan)擾大多以直流(liú)的形式🥵出現。在(zai)💞接線端子闆或(huo)是幹簧繼電⛹🏻♀️器(qì)等處容易産生(sheng)熱電勢。
4) 振動。導(dao)線在磁場中運(yùn)動時,會産生感(gan)應電動勢。因🐕此(cǐ)在振動的環境(jìng)中把信号導線(xian)固定是很有必(bi)要的。 以上這4種(zhǒng)幹擾都是和信(xìn)号串聯,也就是(shì)以串模幹擾的(de)❌形式出現。
5)不同(tóng)地電位引入的(de)幹擾。在大地中(zhong),各個不同點之(zhi)間往💰往存在電(diàn)位差。尤其在大(da)功率的用電設(shè)備附近,當這些(xiē)設備的絕緣性(xìng)能較差時,這一(yī)電位差更大。而(er)在儀表的使用(yong)中往往又會有(you)意或無意的是(shi)輸入回路存在(zài)兩個以上的接(jie)地點。這樣就會(huì)把不同接地點(diǎn)的🛀電位差引入(ru)儀表,這種地電(dian)位差有時🤩能達(da)1~10伏以上,它是同(tóng)時出現在兩根(gen)信号導線. 通過(guo)靜電耦合的方(fāng)式,能在兩✨輸入(rù)端感應出對地(di)的共同電壓,以(yǐ)共模幹擾的形(xíng)式出現。
由于共(gòng)模幹擾它不和(he)信号相疊加,它(ta)不直接對儀表(biao)産生影✨響。但它(tā)能通過測量系(xi)統形成到地的(de)洩漏電流,這漏(lòu)電流通過電阻(zu)的耦合就能直(zhi)接作用于儀表(biǎo),産生幹擾。
6)除一(yi)些脈沖電壓能(néng)夠作用于模拟(ni)電路之外,還可(kě)以對數字🈲電路(lù)産生幹擾,這些(xiē)脈沖電壓的發(fā)生源是開關、電(diàn)機、繼電器這樣(yàng)👨❤️👨一些感性負載(zǎi)和産生放電的(de)機器等。
在了解(jie)了各種不同的(de)幹擾源之後,我(wǒ)們就可以針對(duì)不同的👌情況采(cai)取對應的措施(shi)加以消除或避(bi)免。因爲㊙️所有☁️的(de)幹擾源都是通(tōng)過一定的耦合(hé)通道而✂️對儀表(biao)産生影響,因此(ci)我們可💜以通過(guo)切斷幹擾的耦(ou)合通道來抑制(zhì)幹擾。
1、通常采用(yong)的方式有信号(hao)導線的扭絞、屏(ping)蔽、接地、平衡🐇、濾(lǜ)👌波、隔離等各種(zhǒng)方法,一般我們(men)會同時采取多(duō)種措施。
2 幹擾的(de)抑制
常用的抗(kang)幹擾措施比較(jiào)多,要想抑制幹(gàn)擾,必須對幹擾(rǎo)作☔全☔面💚地分析(xi)了解,要在消除(chú)或抑制噪聲源(yuan)、破壞幹擾途徑(jìng)和削弱接收電(dian)路對噪聲幹擾(rao)的敏感性這🛀🏻三(san)個方面采取措(cuò)施。
消除噪聲源(yuan)是積極主動的(de)措施。比如插接(jiē)件接觸不良、虛(xu)焊等🍓情況,對于(yú)這類幹擾源是(shì)可以消除的。從(cong)原則上講,對🧑🏾🤝🧑🏼于(yú)噪聲源應予以(yi)消除。但是,實際(jì)上很多的噪聲(shēng)源是難以消除(chú)或不能消除的(de)。例如有❗時候泵(beng)房中的儀表,泵(bèng)運行時電機的(de)電磁幹擾就☁️是(shi)不能夠消除的(de)。這時候就必須(xū)采取防護措施(shī)來🈲抑制幹擾。
1)串(chuàn)模幹擾的抑制(zhì)
串模幹擾與被(bèi)測信号所處的(de)地位相同,因此(ci)一旦産生串模(mo)幹💁擾,就不容易(yì)消除。所以應當(dāng)首先防止它的(de)🧡産生。防止🌍串模(mo)💔幹擾的措施一(yī)般有以下這些(xie):
信号導線 的扭(niu)絞。由于把信号(hào)導線扭絞在一(yī)起能使信号回(hui)路包圍的面積(ji)大爲減少,而且(qiě)是兩根信号導(dǎo)線到幹擾源的(de)距離能大緻相(xiang)等,分布電容也(ye)能大緻相同,所(suo)以能使由磁場(chang)和電場通🏒過感(gan)應耦合進入回(hui)路的串模幹擾(rao)大爲減小。
屏蔽(bi)。爲了防止電場(chang)的幹擾,可以把(bǎ)信号導線用金(jin)🔞屬包起來。通⛷️常(chang)的做法是在導(dao)線外包一層金(jīn)屬網(或者鐵磁(ci)材料),外套絕緣(yuan)層。屏蔽的目的(de)就是隔斷“場”的(de)耦合,抑制各種(zhong)“場”的幹擾。屏蔽(bì)層需要接地,才(cái)能夠防止幹擾(rao)。 2)共模幹擾的抑(yì)制
由于儀表系(xi)統信号多爲低(di)電平,因此,共模(mó)幹擾也會使儀(yi)表信号産生畸(jī)變,帶來各種測(cè)量的錯誤。防🧑🏽🤝🧑🏻止(zhǐ)共💘模幹擾通常(cháng)采取的措施如(ru)下:
接地。通常儀(yi)表和信号源外(wài)殼爲安全起見(jiàn)都接大地🥵,保持(chi)㊙️零電位。信号源(yuan)電路以及儀表(biao)系統也需要穩(wen)定接地。但是❤️如(rú)果接地🍉方式不(bu)恰當,将形成地(di)回🐪路導入幹擾(rao)。在實際應用中(zhong),我們通常将屏(píng)蔽和接地結合(hé)起來應用,往往(wǎng)能夠解決大部(bù)分的幹擾問題(tí)。如果将屏蔽層(céng)在信号側與儀(yi)表側均接地,則(zé)地㊙️電位差會通(tong)過屏蔽層形成(chéng)回路,由于地電(diàn)阻通常比屏蔽(bi)層的電阻小的(de)多,所以在屏蔽(bì)層上就會形成(chéng)🛀🏻電位梯度,并通(tōng)過屏蔽層與信(xin)号導線🌍間的分(fèn)布電容耦合到(dao)信号電路中去(qu),因此屏蔽層也(ye)必須一㊙️點接地(di)。并且,信号導線(xian)屏蔽層接地應(yīng)與🔞系統接地🔅同(tóng)側。
事實上,由于(yu)二次儀表的外(wai)殼爲了安全,是(shì)需要接地的。而(er)儀表的輸入端(duan)與外殼之間一(yī)定存在分布電(diàn)容和漏阻抗🍉,因(yin)此,浮地不可能(neng)把洩漏途徑完(wán)全切斷,因此,必(bi)要📞的時候,通常(cháng)采用的是雙層(ceng)屏蔽浮地保護(hù)。也就是在在儀(yí)表的外殼内部(bù)再套一個内🥵屏(píng)蔽罩,内屏蔽罩(zhao)與信号輸入端(duan)已經👄外殼之間(jiān)均♈不做電氣連(lian)接,内屏蔽層引(yǐn)出一條導線與(yǔ)信号導線的屏(ping)蔽層相連🚶接,而(er)信😄号線的屏蔽(bi)在信号源處一(yī)點接地,這樣使(shi)儀表的輸入保(bao)護屏蔽及信号(hao)屏蔽對信号源(yuan)穩定起來,處于(yu)等電位狀态。可(kě)以大大的提高(gāo)儀表抗幹擾的(de)能,即便這樣,其(qi)實也是存在一(yī)定的洩漏電流(liu)的,但是,抑制幹(gàn)擾的措施就是(shi)爲了讓幹擾信(xin)号強度降低至(zhì)相對👄與實際信(xin)号強度來說可(ke)忽略的程度。
另(ling)外,經常采用的(de)抗幹擾措施還(hai)有隔離,也是通(tōng)過阻🚶♀️止幹擾回(hui)路的形成來抑(yi)制幹擾。這些方(fāng)法的作用是疊(dié)加🏃🏻的。通常,我們(men)會采取其中的(de)一種或幾種方(fāng)法來提高信号(hào)測量的抗幹擾(rao)能力。
幹擾的來源(yuán)有很多種,通常(chang)我們所說的幹(gàn)擾是電氣的幹(gàn)💜擾,但是在廣義(yì)上熱噪聲、溫度(dù)效應、化學效應(yīng)、振動等都可能(néng)給測量🌍帶來影(yǐng)響,産生幹擾。在(zài)測量過程中,如(rú)果不能排除這(zhè)些幹擾的影響(xiang),儀表就🌏不能夠(gòu)正常的工作。
根(gen)據儀表輸入端(duan)幹擾的作用方(fāng)式,可分爲串模(mó)幹擾和共🏃🏻♂️模幹(gàn)✨擾。串模幹擾是(shì)指疊加在被測(cè)信号上🚶的幹擾(rao);共模幹擾是加(jia)在🤩儀表任一輸(shu)入端與地之♉間(jian)的幹擾。
1 幹擾的(de)産生
幹擾來自(zì)于幹擾源,它們(men)在儀表内外都(dōu)可能存在。在儀(yi)表外📞部,一些大(dà)功率的用電設(she)備以及電力設(shè)備都可能成爲(wèi)幹擾源,而在儀(yi)表内部的電源(yuan)變壓器、機電器(qi)、開關以及電源(yuán)線等也均可🔞能(neng)成爲幹擾源,幹(gàn)擾的引入方式(shi)主要如下:
1)電磁(ci)感應,也就是磁(ci)耦合。信号源與(yǔ)儀表之間的連(lián)接導❄️線、儀表内(nei)部的配線通過(guò)磁耦合在電路(lu)中形成幹擾。像(xiàng)我們💋在工程中(zhōng)使用的大功率(lǜ)的變壓器、交流(liu)電機、高壓電網(wang)等的周圍空間(jiān)中都存在有很(hěn)強的交變磁場(chǎng),而儀表的閉合(he)回路處在這種(zhǒng)變化的磁場中(zhōng)将會産生感應(yīng)電勢。感應電勢(shì)可用下式計算(suàn):式中:en——感應電動(dòng)勢;B——磁通密度;A——閉(bi)合回路的面積(ji);θ——磁力線與面積(ji)A的垂線的夾角(jiao)。
這種磁感應電(diàn)動勢與有用信(xìn)号串聯,當信号(hào)源與儀表相距(ju)較遠時,此情況(kuang)較爲突出。将導(dao)線遠離這些強(qiang)用電設備及動(dòng)力網😘,調整走線(xiàn)方向以及減小(xiǎo)導線回路面積(ji)都是必要的。僅(jǐn)由于把兩根信(xìn)号線以短的節(jie)距絞合,磁感應(ying)電動勢就能降(jiàng)爲原有的😘1/10~1/100。
2)靜電(dian)感應,也就是電(dian)的耦合。在相對(duì)的兩物體中,如(rú)其一的電位發(fa)生變化,則由于(yu)物體間的電容(rong)使另💞一物體的(de)電位也發生變(biàn)化。幹擾源是通(tong)過電容性的耦(ǒu)合在回路中形(xíng)成幹擾。它是兩(liǎng)電場相互作用(yòng)的結果. 通過電(dian)磁感應、靜電感(gan)🏃♂️應所形成的幹(gàn)擾大部分是50Hz的(de)工🔞頻幹擾電壓(ya)。但是其他的高(gāo)頻發生器、帶整(zheng)流子的電✏️機等(deng)設備,也會🥵産生(shēng)高頻的幹擾。由(you)于雷雲之間、雷(lei)雲🔱與大地♍間的(de)放電,在配線上(shàng)也能感應出異(yi)常電壓。
3)附加熱(rè)電勢和化學電(dian)勢,主要是由于(yu)不同金屬産生(sheng)的熱電勢以及(ji)金屬腐蝕等原(yuán)因産生的化學(xué)電勢,當🥰它處💰于(yu)電回路時會成(chéng)爲幹擾,這種幹(gan)擾大多以直流(liú)的形式🥵出現。在(zai)💞接線端子闆或(huo)是幹簧繼電⛹🏻♀️器(qì)等處容易産生(sheng)熱電勢。
4) 振動。導(dao)線在磁場中運(yùn)動時,會産生感(gan)應電動勢。因🐕此(cǐ)在振動的環境(jìng)中把信号導線(xian)固定是很有必(bi)要的。 以上這4種(zhǒng)幹擾都是和信(xìn)号串聯,也就是(shì)以串模幹擾的(de)❌形式出現。
5)不同(tóng)地電位引入的(de)幹擾。在大地中(zhong),各個不同點之(zhi)間往💰往存在電(diàn)位差。尤其在大(da)功率的用電設(shè)備附近,當這些(xiē)設備的絕緣性(xìng)能較差時,這一(yī)電位差更大。而(er)在儀表的使用(yong)中往往又會有(you)意或無意的是(shi)輸入回路存在(zài)兩個以上的接(jie)地點。這樣就會(huì)把不同接地點(diǎn)的🛀電位差引入(ru)儀表,這種地電(dian)位差有時🤩能達(da)1~10伏以上,它是同(tóng)時出現在兩根(gen)信号導線. 通過(guo)靜電耦合的方(fāng)式,能在兩✨輸入(rù)端感應出對地(di)的共同電壓,以(yǐ)共模幹擾的形(xíng)式出現。
由于共(gòng)模幹擾它不和(he)信号相疊加,它(ta)不直接對儀表(biao)産生影✨響。但它(tā)能通過測量系(xi)統形成到地的(de)洩漏電流,這漏(lòu)電流通過電阻(zu)的耦合就能直(zhi)接作用于儀表(biǎo),産生幹擾。
6)除一(yi)些脈沖電壓能(néng)夠作用于模拟(ni)電路之外,還可(kě)以對數字🈲電路(lù)産生幹擾,這些(xiē)脈沖電壓的發(fā)生源是開關、電(diàn)機、繼電器這樣(yàng)👨❤️👨一些感性負載(zǎi)和産生放電的(de)機器等。
在了解(jie)了各種不同的(de)幹擾源之後,我(wǒ)們就可以針對(duì)不同的👌情況采(cai)取對應的措施(shi)加以消除或避(bi)免。因爲㊙️所有☁️的(de)幹擾源都是通(tōng)過一定的耦合(hé)通道而✂️對儀表(biao)産生影響,因此(ci)我們可💜以通過(guo)切斷幹擾的耦(ou)合通道來抑制(zhì)幹擾。
1、通常采用(yong)的方式有信号(hao)導線的扭絞、屏(ping)蔽、接地、平衡🐇、濾(lǜ)👌波、隔離等各種(zhǒng)方法,一般我們(men)會同時采取多(duō)種措施。
2 幹擾的(de)抑制
常用的抗(kang)幹擾措施比較(jiào)多,要想抑制幹(gàn)擾,必須對幹擾(rǎo)作☔全☔面💚地分析(xi)了解,要在消除(chú)或抑制噪聲源(yuan)、破壞幹擾途徑(jìng)和削弱接收電(dian)路對噪聲幹擾(rao)的敏感性這🛀🏻三(san)個方面采取措(cuò)施。
消除噪聲源(yuan)是積極主動的(de)措施。比如插接(jiē)件接觸不良、虛(xu)焊等🍓情況,對于(yú)這類幹擾源是(shì)可以消除的。從(cong)原則上講,對🧑🏾🤝🧑🏼于(yú)噪聲源應予以(yi)消除。但是,實際(jì)上很多的噪聲(shēng)源是難以消除(chú)或不能消除的(de)。例如有❗時候泵(beng)房中的儀表,泵(bèng)運行時電機的(de)電磁幹擾就☁️是(shi)不能夠消除的(de)。這時候就必須(xū)采取防護措施(shī)來🈲抑制幹擾。
1)串(chuàn)模幹擾的抑制(zhì)
串模幹擾與被(bèi)測信号所處的(de)地位相同,因此(ci)一旦産生串模(mo)幹💁擾,就不容易(yì)消除。所以應當(dāng)首先防止它的(de)🧡産生。防止🌍串模(mo)💔幹擾的措施一(yī)般有以下這些(xie):
信号導線 的扭(niu)絞。由于把信号(hào)導線扭絞在一(yī)起能使信号回(hui)路包圍的面積(ji)大爲減少,而且(qiě)是兩根信号導(dǎo)線到幹擾源的(de)距離能大緻相(xiang)等,分布電容也(ye)能大緻相同,所(suo)以能使由磁場(chang)和電場通🏒過感(gan)應耦合進入回(hui)路的串模幹擾(rao)大爲減小。
屏蔽(bi)。爲了防止電場(chang)的幹擾,可以把(bǎ)信号導線用金(jin)🔞屬包起來。通⛷️常(chang)的做法是在導(dao)線外包一層金(jīn)屬網(或者鐵磁(ci)材料),外套絕緣(yuan)層。屏蔽的目的(de)就是隔斷“場”的(de)耦合,抑制各種(zhong)“場”的幹擾。屏蔽(bì)層需要接地,才(cái)能夠防止幹擾(rao)。 2)共模幹擾的抑(yì)制
由于儀表系(xi)統信号多爲低(di)電平,因此,共模(mó)幹擾也會使儀(yi)表信号産生畸(jī)變,帶來各種測(cè)量的錯誤。防🧑🏽🤝🧑🏻止(zhǐ)共💘模幹擾通常(cháng)采取的措施如(ru)下:
接地。通常儀(yi)表和信号源外(wài)殼爲安全起見(jiàn)都接大地🥵,保持(chi)㊙️零電位。信号源(yuan)電路以及儀表(biao)系統也需要穩(wen)定接地。但是❤️如(rú)果接地🍉方式不(bu)恰當,将形成地(di)回🐪路導入幹擾(rao)。在實際應用中(zhong),我們通常将屏(píng)蔽和接地結合(hé)起來應用,往往(wǎng)能夠解決大部(bù)分的幹擾問題(tí)。如果将屏蔽層(céng)在信号側與儀(yi)表側均接地,則(zé)地㊙️電位差會通(tong)過屏蔽層形成(chéng)回路,由于地電(diàn)阻通常比屏蔽(bi)層的電阻小的(de)多,所以在屏蔽(bì)層上就會形成(chéng)🛀🏻電位梯度,并通(tōng)過屏蔽層與信(xin)号導線🌍間的分(fèn)布電容耦合到(dao)信号電路中去(qu),因此屏蔽層也(ye)必須一㊙️點接地(di)。并且,信号導線(xian)屏蔽層接地應(yīng)與🔞系統接地🔅同(tóng)側。
事實上,由于(yu)二次儀表的外(wai)殼爲了安全,是(shì)需要接地的。而(er)儀表的輸入端(duan)與外殼之間一(yī)定存在分布電(diàn)容和漏阻抗🍉,因(yin)此,浮地不可能(neng)把洩漏途徑完(wán)全切斷,因此,必(bi)要📞的時候,通常(cháng)采用的是雙層(ceng)屏蔽浮地保護(hù)。也就是在在儀(yí)表的外殼内部(bù)再套一個内🥵屏(píng)蔽罩,内屏蔽罩(zhao)與信号輸入端(duan)已經👄外殼之間(jiān)均♈不做電氣連(lian)接,内屏蔽層引(yǐn)出一條導線與(yǔ)信号導線的屏(ping)蔽層相連🚶接,而(er)信😄号線的屏蔽(bi)在信号源處一(yī)點接地,這樣使(shi)儀表的輸入保(bao)護屏蔽及信号(hao)屏蔽對信号源(yuan)穩定起來,處于(yu)等電位狀态。可(kě)以大大的提高(gāo)儀表抗幹擾的(de)能,即便這樣,其(qi)實也是存在一(yī)定的洩漏電流(liu)的,但是,抑制幹(gàn)擾的措施就是(shi)爲了讓幹擾信(xin)号強度降低至(zhì)相對👄與實際信(xin)号強度來說可(ke)忽略的程度。
另(ling)外,經常采用的(de)抗幹擾措施還(hai)有隔離,也是通(tōng)過阻🚶♀️止幹擾回(hui)路的形成來抑(yi)制幹擾。這些方(fāng)法的作用是疊(dié)加🏃🏻的。通常,我們(men)會采取其中的(de)一種或幾種方(fāng)法來提高信号(hào)測量的抗幹擾(rao)能力。