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在检测过程中,由于各种原因的影响,常会有一些与被测信号无关的电压、电流存在,这样就影响了测量结果,产生测量误差。这些信号就是干扰,它可分内部干扰和外部干扰。
内部干扰是测量系统内部各部件间的互相干扰。这种干扰可通过测量装置的正确设计及零部件的合理布局或采取隔离措施,加以消除或减弱。如仪表中放大器的输入线与输出线、交流电源线,分开走线,不要平行走线,且输入走线尽可能短;又如触发可控硅的脉冲变压器用磁屏蔽,即利用高导磁率材料做成磁屏蔽罩。
外部干扰是测量系统外部的因素对仪器、仪表或系统产生的干扰。在这里就自动化仪表检测工作中常会遇到的一些干扰及抑制方法归纳如下。
1 机械干扰
机械干扰最为严重,也很广泛。由于振动,会使导线在磁场中运动,产生感应电动势。抑制这类干扰用减振措施即可,如采用减振弹簧或减振橡胶等。在有振动的环境中,仪器、仪表信号导线常因松动而影响测量,应定期加以紧固。在此种环境中,少用动圈仪表。
2 温度干扰
由于温度过高,波动且不均匀,在检测中常导致电子元件参数变化或产生热电势,从而对测量结果造成严重干扰。在工程上,一般采用热屏蔽方法抑制热干扰,而把敏感元件装入恒温箱中。在电子测量装置中,常采用温度补偿措施,以补偿温度变化时对检测结果的影响。如:在实际现场使用热电偶时,自由端离热源很近,并随环境温度变化而变化。所以必须对自由端温度加以补偿。无论是采用补偿导线还是补偿电桥等,都是为了抑制此种干扰。又如:本人在修理天津仪表七厂生产的电动执行器位置反馈板时发现,不同的环境温度反应出不同的信号值。采取的办法是:把反馈回路原有的电阻用普通电阻串联或并联一只热敏电阻代换,在实际应用中,效果相当不错。再如,热电阻三线制接法,其中两根导线在不同的桥臂上,另一根接电源端,使环境温度变化引起导线阻值的变化。在不同的桥臂上同时增加或减小,而相互抵消。四线制接法既可消除连接导线电阻的影响,又可消除线路中寄生电势引起的测量误差。特别值得注意的是,温度过低也会造成仪表误差或失灵。北方冬季寒冷,自动化仪表的光电耦合器件及红外探测元件常会因环境温度太低而无法正常工作。如我厂采用台湾产的工业电视系统摄像器件CCD、美国产的筒体扫描仪器、德国西门子的比色高温计等,冬天都曾出现过不能正常使用的现象,加装了相应的伴热装置后,工作恢复正常。
3 电气干扰
由于厂矿中发电机、电动机及气体放电器件等杂散电磁场的存在,电场或磁场的变化,会使电或磁的干扰进入电子测量装置中,引起干扰信号。
(1)电磁感应
电磁感应通过磁耦合的方式在测量电路中形成干扰。如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。当两条平行导线有电流通过时,它们彼此之间会通过磁交链产生电磁耦合干扰。再如:各种开关设备在产生弧光火花放电的过程中,会向周围幅射出低频到高频的电磁波,这种无线电干扰信号以电磁场辐射的形式进入到测量仪器、仪表中,造成瞬时干扰信号。这种干扰信号直接影响微机检测系统的正常工作,有时甚至会冲乱程序。
为了降低电磁感应所产生的干扰,将导线远离那些强电设备及动力网,调整走线方向,减小导线回路面积以及采用绞线或屏蔽导线,强电电源线不与弱电信号线平行布线,不使用同一根电缆,分开布线且距离要尽量远些。对微机检测系统而言,其扩展接口片与主机之间连接导线要短。为防止强电的感应干扰,对较长的弱电信号控制线采用金属管屏蔽。
(2)静电感应
静电感应是一种电耦合现象,干扰源是通过电容性耦合在测量回路中形成干扰。在相对的两个物体之间,由于存在着寄生电容,使其一的电场影响到另一个电场。如果其一的电位发生变化,则另一物体的电位也发生变化。如当把两根信号线与电源线平行敷设时,由于电源线到两信号线的距离不相等,分布电容也不相等,从而在两根信号导线上可以产生较大的电位差,这两根导线上的感应电势差就成了干扰电压信号。
为了减少由于静电耦合带来的干扰,敷设两根信号线时,把信号线绞合扭在一起,或采用屏蔽导线,会使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。
(3)不同地电位引入的干扰
在大地中,各不同点之间往往存在有电位差,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,此电位差更大。而在仪表的使用中,往往又会有意或无意地使输入回路存在两个以上的接地点,这样就必须正确接地,即获得一个等电位点或面,但并不一定为大地电位而应是电路或系统的基准电位。出于安全防护的目的,仪表和信号源的外壳通常都接大地,以保持零电位。然而,接地的方式处理不好,不同地点的电位差将形成回路。
为了提高仪表的可靠性及抗干扰能力,通常使信号源或者测量仪表与地绝缘,即“浮地”,以切断干扰电压进入测量系统的通路。如我厂有一台DBZ—1型智能称重仪,与工业控制计算机相连。称重时,此表数码管显示的重量值和端子4～20mA输出值都很正常,但工控机无显示值,而工控机通道也正常。经查找发现,4～20mA输出对地为10V左右的负电压,把荷重传感器的仪表浮地后,工控机显示值正常。
为了减小外界电场的影响,往往需要把屏蔽和接地正确地结合起来使用,以更加有效地解决干扰问题。如:我厂有一台工业电视机的电源线与其它强电设备同在一个电缆桥架上敷设,电视屏幕常出现横的“白纹”和“黑纹”的干扰,把此电源线换成屏蔽电缆,并把屏蔽接地后,工业电视显示正常。
当采用仪表浮地法来减小干扰时,即使信号源接的不是大地,信号导线的屏蔽层也应该接到信号源的公共端。但是,当信号浮地而仪表放大器接地时,信号导线的屏蔽层应接至放大器的公共端。由于两个电路回路共有阻抗,会使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压,所以必须抑制此种干扰,消除两个或几个电路之间的共阻抗。例如:在微机及智能化仪表检测系统中,可以采用专用电源对计算机供电。在计算机与外部电路接口的地方,可采用光电耦合器等隔离措施。
此外,对电气干扰滤波也是重要手段。利用RC型、LC型、双T型等形式的滤波器及网络接到仪表输入端或放大器输入端,可阻止干扰信号进入放大器,使干扰信号被衰减。如我厂一台西安仪表厂产的直流毫伏转换器,安装在5号窑主电机直流整流柜内,总是工作不正常。经查发现,仪表24VDC工作电源中含有很大的交流成分和杂波,加装滤波电路(如图)后,仪表工作正常。
仪表前加装滤波电路
总之,为了抑制干扰信号对测量过程的影响,减小由于干扰所引起的测量误差,可采用多种手段。抑制干扰的基本出发点应是:切断或隔离开干扰信号进入测量回路和仪器、仪表的通道,而人为的为干扰信号制造一个切实可行的通道,使其不致进入仪器、仪表或线路的关键部件或部分;降低放大器对干扰的响应和灵敏度;使干扰信号产生的方向相反,相互抵消;采取补偿措施,使干扰引起的误差得以补偿等等。事实上,对一些略复杂的仪器仪表,用一种方法难以抑制到允许误差范围内,所以最好把几种不同的抑制方法组合起来使用,从而达到满意的效果。
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内部干扰是测量系统内部各部件间的互相干扰。这种干扰可通过测量装置的正确设计及零部件的合理布局或采取隔离措施,加以消除或减弱。如仪表中放大器的输入线与输出线、交流电源线,分开走线,不要平行走线,且输入走线尽可能短;又如触发可控硅的脉冲变压器用磁屏蔽,即利用高导磁率材料做成磁屏蔽罩。
外部干扰是测量系统外部的因素对仪器、仪表或系统产生的干扰。在这里就自动化仪表检测工作中常会遇到的一些干扰及抑制方法归纳如下。
1 机械干扰
机械干扰最为严重,也很广泛。由于振动,会使导线在磁场中运动,产生感应电动势。抑制这类干扰用减振措施即可,如采用减振弹簧或减振橡胶等。在有振动的环境中,仪器、仪表信号导线常因松动而影响测量,应定期加以紧固。在此种环境中,少用动圈仪表。
2 温度干扰
由于温度过高,波动且不均匀,在检测中常导致电子元件参数变化或产生热电势,从而对测量结果造成严重干扰。在工程上,一般采用热屏蔽方法抑制热干扰,而把敏感元件装入恒温箱中。在电子测量装置中,常采用温度补偿措施,以补偿温度变化时对检测结果的影响。如:在实际现场使用热电偶时,自由端离热源很近,并随环境温度变化而变化。所以必须对自由端温度加以补偿。无论是采用补偿导线还是补偿电桥等,都是为了抑制此种干扰。又如:本人在修理天津仪表七厂生产的电动执行器位置反馈板时发现,不同的环境温度反应出不同的信号值。采取的办法是:把反馈回路原有的电阻用普通电阻串联或并联一只热敏电阻代换,在实际应用中,效果相当不错。再如,热电阻三线制接法,其中两根导线在不同的桥臂上,另一根接电源端,使环境温度变化引起导线阻值的变化。在不同的桥臂上同时增加或减小,而相互抵消。四线制接法既可消除连接导线电阻的影响,又可消除线路中寄生电势引起的测量误差。特别值得注意的是,温度过低也会造成仪表误差或失灵。北方冬季寒冷,自动化仪表的光电耦合器件及红外探测元件常会因环境温度太低而无法正常工作。如我厂采用台湾产的工业电视系统摄像器件CCD、美国产的筒体扫描仪器、德国西门子的比色高温计等,冬天都曾出现过不能正常使用的现象,加装了相应的伴热装置后,工作恢复正常。
3 电气干扰
由于厂矿中发电机、电动机及气体放电器件等杂散电磁场的存在,电场或磁场的变化,会使电或磁的干扰进入电子测量装置中,引起干扰信号。
(1)电磁感应
电磁感应通过磁耦合的方式在测量电路中形成干扰。如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。当两条平行导线有电流通过时,它们彼此之间会通过磁交链产生电磁耦合干扰。再如:各种开关设备在产生弧光火花放电的过程中,会向周围幅射出低频到高频的电磁波,这种无线电干扰信号以电磁场辐射的形式进入到测量仪器、仪表中,造成瞬时干扰信号。这种干扰信号直接影响微机检测系统的正常工作,有时甚至会冲乱程序。
为了降低电磁感应所产生的干扰,将导线远离那些强电设备及动力网,调整走线方向,减小导线回路面积以及采用绞线或屏蔽导线,强电电源线不与弱电信号线平行布线,不使用同一根电缆,分开布线且距离要尽量远些。对微机检测系统而言,其扩展接口片与主机之间连接导线要短。为防止强电的感应干扰,对较长的弱电信号控制线采用金属管屏蔽。
(2)静电感应
静电感应是一种电耦合现象,干扰源是通过电容性耦合在测量回路中形成干扰。在相对的两个物体之间,由于存在着寄生电容,使其一的电场影响到另一个电场。如果其一的电位发生变化,则另一物体的电位也发生变化。如当把两根信号线与电源线平行敷设时,由于电源线到两信号线的距离不相等,分布电容也不相等,从而在两根信号导线上可以产生较大的电位差,这两根导线上的感应电势差就成了干扰电压信号。
为了减少由于静电耦合带来的干扰,敷设两根信号线时,把信号线绞合扭在一起,或采用屏蔽导线,会使电场在两信号线上产生的电位差大为减小。
(3)不同地电位引入的干扰
在大地中,各不同点之间往往存在有电位差,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,此电位差更大。而在仪表的使用中,往往又会有意或无意地使输入回路存在两个以上的接地点,这样就必须正确接地,即获得一个等电位点或面,但并不一定为大地电位而应是电路或系统的基准电位。出于安全防护的目的,仪表和信号源的外壳通常都接大地,以保持零电位。然而,接地的方式处理不好,不同地点的电位差将形成回路。
为了提高仪表的可靠性及抗干扰能力,通常使信号源或者测量仪表与地绝缘,即“浮地”,以切断干扰电压进入测量系统的通路。如我厂有一台DBZ—1型智能称重仪,与工业控制计算机相连。称重时,此表数码管显示的重量值和端子4～20mA输出值都很正常,但工控机无显示值,而工控机通道也正常。经查找发现,4～20mA输出对地为10V左右的负电压,把荷重传感器的仪表浮地后,工控机显示值正常。
为了减小外界电场的影响,往往需要把屏蔽和接地正确地结合起来使用,以更加有效地解决干扰问题。如:我厂有一台工业电视机的电源线与其它强电设备同在一个电缆桥架上敷设,电视屏幕常出现横的“白纹”和“黑纹”的干扰,把此电源线换成屏蔽电缆,并把屏蔽接地后,工业电视显示正常。
当采用仪表浮地法来减小干扰时,即使信号源接的不是大地,信号导线的屏蔽层也应该接到信号源的公共端。但是,当信号浮地而仪表放大器接地时,信号导线的屏蔽层应接至放大器的公共端。由于两个电路回路共有阻抗,会使一个电路的电流在另一个电路上产生干扰电压,所以必须抑制此种干扰,消除两个或几个电路之间的共阻抗。例如:在微机及智能化仪表检测系统中,可以采用专用电源对计算机供电。在计算机与外部电路接口的地方,可采用光电耦合器等隔离措施。
此外,对电气干扰滤波也是重要手段。利用RC型、LC型、双T型等形式的滤波器及网络接到仪表输入端或放大器输入端,可阻止干扰信号进入放大器,使干扰信号被衰减。如我厂一台西安仪表厂产的直流毫伏转换器,安装在5号窑主电机直流整流柜内,总是工作不正常。经查发现,仪表24VDC工作电源中含有很大的交流成分和杂波,加装滤波电路(如图)后,仪表工作正常。
仪表前加装滤波电路
总之,为了抑制干扰信号对测量过程的影响,减小由于干扰所引起的测量误差,可采用多种手段。抑制干扰的基本出发点应是:切断或隔离开干扰信号进入测量回路和仪器、仪表的通道,而人为的为干扰信号制造一个切实可行的通道,使其不致进入仪器、仪表或线路的关键部件或部分;降低放大器对干扰的响应和灵敏度;使干扰信号产生的方向相反,相互抵消;采取补偿措施,使干扰引起的误差得以补偿等等。事实上,对一些略复杂的仪器仪表,用一种方法难以抑制到允许误差范围内,所以最好把几种不同的抑制方法组合起来使用,从而达到满意的效果。