仪器仪表的抗干扰措施

仪器仪表的抗干扰措施

仪器仪表的可靠性设计是一项系统工程，它直接影响到工业生产装置是否安全、长周期稳定运行，而系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。仪表在工业生产的现场使用的条件常常是很复杂的。被测量的参数又往往被转换成微弱的低电平电压信号，并通过长距离传输至二次表或者计算机系统。因此除了有用的信号外，经常会出现一些与被测信号无关的电压或电流存在。这种无关的电压或电流信号我们称之为“干扰”（也叫噪声）。

仪器仪表干扰来源有很多种，通常我们所说的干扰是电气的干扰，但是在广义上热噪声、温度效应、化学效应、振动等都可能给测量带来影响，产生干扰。在测量过程中，如果不能排除这些干扰的影响，仪表就不能够正常的工作。根据仪表输入端干扰的作用方式，可分为串模干扰和共模干扰。串模干扰是指叠加在被测信号上的干扰；共模干扰是加在仪表任一输入端与地之间的干扰。

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。

3)附加热电势和化学电势。

主要是由于不同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成为干扰，这种干扰大多以直流的形式出现。在接线端子板或是干簧继电器等处容易产生热电势。

4) 振动。

导线在磁场中运动时，会产生感应电动势。因此在振动的环境中把信号导线固定是很有必要的。以上这4种干扰都是和信号串联，也就是以串模干扰的形式出现。

5)不同地电位引入的干扰。

在大地中，各个不同点之间往往存在电位差。尤其在大功率的用电设备附近，当这些设备的绝缘性能较差时，这一电位差更大。而在仪表的使用中往往又会有意或无意的是输入回路存在两个以上的接地点。这样就会把不同接地点的电位差引入仪表，这种地电位差有时能达1~10伏以上，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。由于共模干扰它不和信号相叠加，它不直接对仪表产生影响。但它能通过测量系统形成到地的泄漏电流，这漏电流通过电阻的耦合就能直接作用于仪表，产生干扰。 (4)射频干扰

6)其他

除一些脉冲电压能够作用于模拟电路之外，还可以对数字电路产生干扰，这些脉冲电压的发生源是开关、电机、继电器这样一些感性负载和产生放电的机器等。

2、干扰的抑制

常用的抗干扰措施比较多，要想抑制干扰，必须对干扰作全面地分析了解，要在消除或抑制噪声源、破坏干扰途径和削弱接收电路对噪声干扰的敏感性这三个方面采取措施。

消除噪声源是积极主动的措施。比如插接件接触不良、虚焊等情况，对于这类干扰源是可以消除的。从原则上讲，对于噪声源应予以消除。但是，实际上很多的噪声源是难以消除或不能消除的。例如有时候泵房中的仪表，泵运行时电机的电磁干扰就是不能够消除的。这时候就必须采取防护措施来抑制干扰。

1)串模干扰的抑制

串模干扰与被测信号所处的地位相同，因此一旦产生串模干扰，就不容易消除。所以应当首先防止它的产生。防止串模干扰的措施一般有以下这些：

信号导线的扭绞——由于把信号导线扭绞在一起能使信号回路包围的面积大为减少，而且是两根信号导线到干扰源的距离能大致相等，分布电容也能大致相同，所以能使由磁场和电场通过感应耦合进入回路的串模干扰大为减小。

屏蔽——为了防止电场的干扰，可以把信号导线用金属包起来。通常的做法是

在导线外包一层金属网(或者铁磁材料)，外套绝缘层。屏蔽的目的就是隔断“场”的耦合，抑制各种“场”的干扰。屏蔽层需要接地，才能够防止干扰。

滤波——所谓的滤波法就是用电容和电感线圈或电容和电阻组成滤波器接在测量线路的输入端，以抑制干扰信号进入二次仪表或PLC，DCS等控制系统，使干扰信号衰减。对于变化速度很慢的直流信号，可以在仪表的输入端加入滤波电路，以使混杂于信号的干扰衰减到最小。但是在实际的工程设计中，这种方法一般很少用，通常，这一点在仪表的电路设计过程中就已经考虑了。

对于易遭受雷击的仪表，比如高处的仪表，空旷地带的仪表，室内部分应配置浪涌保护器。工程上较为常见的是软件滤波，即在PLC或DCS中编写相应的程序，对输入的模拟信号进行预处理。常用的软件滤波方法有。

（1）平均值滤波，即把N次采样的值取平均值作为滤波器的输出，也可以根据需要增加新鲜采样的值的比重，形成加权平均值滤波。

（2）中值滤波，即把N次连续采样值进行排序，取其中位值作为滤波器的输出，这种方法对缓变过程的脉冲干扰滤波效果良好。

（3）限幅滤波，这种方法是根据采样周期和真实信号的正常变化率确定相邻两次采样的最大可能差值Δ，将本次采样和上次采样的差值小于等于Δ的信号认为是有效信号，大于Δ的信号作为噪声处理。

以上的几种方法是主要是针对与不可避免的干扰场形成后的被动抑制措施，但是在实际过程中，我们应当尽量避免干扰场的形成。譬如注意将信号导线远离动力线；合理布线，减少杂散磁场的产生；对变压器等电器元件加以磁屏蔽等等，采取主动隔离的措施。

2)共模干扰的抑制

由于仪表系统信号多为低电平，因此，共模干扰也会使仪表信号产生畸变，带来各种测量的错误。防止共模干扰通常采取的措施如下：

接地。通常仪表和信号源外壳为安全起见都接大地，保持零电位。信号源电路以及仪表系统也需要稳定接地。但是如果接地方式不恰当，将形成地回路导入干扰。