第四章儀表的抗干擾2

1、第四章 儀表的抗干擾,目前，電磁兼容性已成為工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制儀表的一項(xiàng)重要性能指標(biāo)。由于測(cè)量和控制儀表總是和各類產(chǎn)生電磁干擾的設(shè)備工作在一起，因此不可避免地受電磁環(huán)境的影響。如何使熱工控制儀表在規(guī)定的電磁環(huán)境中正常工作，這就是儀表的抗干擾問(wèn)題。所謂干擾，就是出現(xiàn)在儀表傳輸線上各種影響儀表正常工作的非信號(hào)電量。,熱工控制儀表在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)，各類干擾會(huì)通過(guò)不同途徑與儀表電路耦合，以致使信號(hào)發(fā)生畸變，造成誤差，影響儀表的正常工作。因此，了解

2、干擾來(lái)源、耦合方式和研究其消除方法，對(duì)熱工控制儀表的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行和維護(hù)都具有重要意義。,第一節(jié) 干擾的來(lái)源一、外部干擾干擾有時(shí)來(lái)自儀表外部，如高壓輸電線（變電站）、大功率電器（雷達(dá)）、無(wú)線電波（電視發(fā)射塔） 、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的火花塞、日光燈、電鉆等。外部干擾有以下幾種類型。⒈ 天體和天電的干擾 天體干擾是由太陽(yáng)或其他恒星輻射電磁波所產(chǎn)生的干擾。天電干擾是由雷電、大氣的電離作用、火山爆發(fā)及地震等自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的電磁波和空間電

3、位變化所引起的干擾。圖為閃電產(chǎn)生的電磁干擾。,⒉ 機(jī)械的干擾 機(jī)械的干擾是指由于機(jī)械的振動(dòng)或沖擊，使控制儀表中的電氣元件發(fā)生振動(dòng)、變形，使連接線發(fā)生位移，使指針發(fā)生抖動(dòng)、儀表接頭松動(dòng)等。對(duì)于機(jī)械類的干擾主要是采取減振措施來(lái)解決，例如采用減振彈簧、減振軟墊、隔板等。,⒊ 熱的干擾 火電廠熱力設(shè)備在工作時(shí)產(chǎn)生的熱量所引起的溫度波動(dòng)和環(huán)境溫度的變化都會(huì)引起控制儀表的電路元器件參數(shù)發(fā)生變化，影響了控制儀表的正常工作。熱

4、量，特別是溫度波動(dòng)以及不均勻的溫度場(chǎng)對(duì)控制儀表的干擾主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：,元件參數(shù)的變化（溫漂）、接觸熱電勢(shì)干擾、元件長(zhǎng)期在高溫下工作時(shí)，引起壽命和耐壓等級(jí)降低等?？朔岣蓴_的防護(hù)措施有：選用低溫漂元件，采用軟、硬件溫度補(bǔ)償措施，選用低功耗、低發(fā)熱元件，提高元件規(guī)格余量，儀器的前置輸入級(jí)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件，加強(qiáng)散熱，采用熱屏蔽等。,⒋ 光的干擾 在控制儀表中廣泛使用著各種半導(dǎo)體元件，這些半導(dǎo)體元件在光的作用下會(huì)改變其導(dǎo)電性能，從

5、而影響控制儀表的正常工作。⒌ 濕度干擾濕度過(guò)高會(huì)引起絕緣體的絕緣電阻下降，漏電流增加；電介質(zhì)的介電系數(shù)增加，電容量增加；吸潮后骨架膨脹使線圈阻值增加，電感器變化；應(yīng)變片粘貼后，膠質(zhì)變軟，精度下降等。,當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度增加時(shí)，物體表面就會(huì)附著一層水膜，并滲入材料內(nèi)部，降低了絕緣強(qiáng)度，造成了漏電、擊穿和短路現(xiàn)象。潮濕還會(huì)產(chǎn)生原電池電化學(xué)干擾電壓。,⒍ 化學(xué)的干擾酸、堿、鹽等化學(xué)物品以及其他腐蝕性氣體，除了具有化學(xué)腐蝕性作用將會(huì)損壞儀器設(shè)

6、備和元器件外，又能與金屬導(dǎo)體產(chǎn)生化學(xué)電動(dòng)勢(shì)，從而影響控制儀表的正常工作。 某些化學(xué)物品如酸、堿、鹽、各種腐蝕氣體及沿海的鹽霧也會(huì)造成與潮濕類似的漏電腐蝕現(xiàn)象，必須采取浸漆、密封、定期通電加熱驅(qū)潮等保護(hù)措施。,⒎電和磁的干擾電和磁可以通過(guò)電路和磁路對(duì)控制儀表產(chǎn)生干擾作用，電場(chǎng)和磁場(chǎng)的變化會(huì)在控制儀表的有關(guān)電路或?qū)Ь€中感應(yīng)出干擾電壓，從而影響控制儀表的正常工作。電和磁的干擾對(duì)于控制儀表來(lái)說(shuō)，是最為普遍和最為嚴(yán)重的干擾。本節(jié)介紹的內(nèi)容，主

7、要是抗電和磁的干擾。,控制儀表是由敏感的電子線路構(gòu)成，它們的工作電流很小，并帶有微處理器，故受電磁干擾的影響很大。電磁環(huán)境同溫度、濕度、塵埃、振動(dòng)、光、有害氣體一樣，是控制儀表工作環(huán)境的一個(gè)部分，只是它不易為人們感受到罷了。為了保證它們能正常工作并有較高的可靠性，控制儀表在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中必須經(jīng)受再現(xiàn)和模擬其工作現(xiàn)場(chǎng)可能遇到的電磁干擾環(huán)境的各種試驗(yàn)，以使它們的技術(shù)特性符合電磁兼容性要求，否則便會(huì)性能下降，工作不正?；虬l(fā)生故障。,控制儀

8、表受電磁環(huán)境干擾的干擾源主要來(lái)自靠近敷設(shè)的動(dòng)力線、各類開(kāi)關(guān)裝置、接觸器、繼電器、電焊機(jī)以及對(duì)講機(jī)、廣播電臺(tái)、電視臺(tái)等產(chǎn)生的電磁輻射。帶有靜電荷的操作人員也能產(chǎn)生干擾。,電吹風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的電磁波干擾有兩個(gè)途徑：一是通過(guò)共用電源插座；二是以空間電磁場(chǎng)傳播的方式由電視機(jī)的天線接收。,干擾源產(chǎn)生的干擾可以是磁的、電的或電磁的，它們通過(guò)儀表的供電線、信號(hào)輸入輸出線和外殼，以電感耦合，電容耦合、電磁輻射等形式串入干擾電壓或因本地和遠(yuǎn)方的地(零)電位不

9、同而直接導(dǎo)入。特別需要注意的是變送器在聯(lián)校、檢查和維護(hù)時(shí)使用的無(wú)線電對(duì)講機(jī)。其天線附近會(huì)形成很強(qiáng)的電磁場(chǎng)。因?yàn)榫嚯x變送器近。所以對(duì)儀表有很大的干擾。為此，變送器在安裝時(shí)，應(yīng)考慮密封屏蔽，使用金屬導(dǎo)線管或屏蔽電纜接線。對(duì)講機(jī)離儀表不要太近，功率不要太大，且不要在儀表蓋打開(kāi)的情況下使用。,二、內(nèi)部干擾干擾有時(shí)也來(lái)自儀表內(nèi)部，如電源變壓器、導(dǎo)線、印刷電路、電子元件之間的電感、電容或元器件內(nèi)部的噪聲干擾。內(nèi)部干擾則是由系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布局、制造

10、工藝所引入的。內(nèi)部干擾環(huán)境如圖所示，有分布電容、分布電感引起的耦合感應(yīng)，電磁場(chǎng)輻射感應(yīng)，長(zhǎng)線傳輸造成的波反射；多點(diǎn)接地造成的電位差引入的干擾；裝置及設(shè)備中各種寄生振蕩引入的干擾以及熱噪聲、閃變?cè)肼?、尖峰噪聲等引入的干擾；甚至元器件產(chǎn)生的噪聲等。,內(nèi)部干擾,第二節(jié) 干擾的途徑干擾的途徑是指干擾信號(hào)的耦合方式，耦合方式主要有下列幾種。,一、經(jīng)過(guò)漏電電阻耦合理想的絕緣體是不存在的，通常的絕緣材料在較高的電壓下都有一定的漏電流，特別是表面潮

11、濕或有酸、堿沾污的情況下，漏電更為嚴(yán)重。像陶瓷之類材料，在常溫下是相當(dāng)優(yōu)良的絕緣體，但在高溫下其電阻就會(huì)下降。因此，測(cè)電爐溫度的熱電偶，其瓷套管會(huì)在高溫下將加熱電源的電流漏到測(cè)溫電路中去，形成很大的干擾信號(hào)。,當(dāng)儀表的信號(hào)輸入端子與220V電源進(jìn)線端子之間產(chǎn)生漏電、印刷電路板上前置級(jí)輸入端與較高電壓整流電路存在漏電等情況下，噪聲源可以通過(guò)這些漏電電阻作用電路而造成干擾。被干擾點(diǎn)的等效阻抗越高，由漏電阻產(chǎn)生的干擾越大。,漏電是沿表面進(jìn)行的

12、，如能保持絕緣件表面清潔干燥，則有利于防漏電干擾。用于濕熱氣候條件下的儀表或室外安裝的儀表，其防水防潮能力絕不僅僅是預(yù)防銹蝕的必要條件，也是防漏電干擾的措施之一。正因?yàn)槁╇娛茄乇砻孢M(jìn)行的，所以，如果將絕緣件表面做成凹凸曲折的形狀，加大漏電傳輸距離，也能削弱漏電的影響。接線端子之間隆起的絕緣板（擋塊），既能防止短路，又有加強(qiáng)絕緣、減少漏電的作用。,變壓器的不同繞組之間設(shè)置金屬屏蔽層，并把它接地，雖然主要目的是避免兩繞組間的分布電容構(gòu)成交流

13、干擾的途徑，但同時(shí)它也兼有防漏電干擾的作用。二、經(jīng)過(guò)公共阻抗耦合兩個(gè)電路使用同一電源，或有某一段共用導(dǎo)線，或接在同一地線上，這時(shí)由于電源具有內(nèi)阻，導(dǎo)線和地線都有電阻，電流在公共阻抗上所形成的壓降將以電信號(hào)的形式耦合到另一電路中去。無(wú)論儀表內(nèi)外，都有可能出現(xiàn)這種耦合關(guān)系，從而引起干擾。,在圖4-1所示電路中，當(dāng)用一個(gè)內(nèi)阻為r的電源U對(duì)A、B兩部分電路供電時(shí)，任何一部分電路的電流變化都會(huì)在公共阻抗r上產(chǎn)生干擾電壓，造成對(duì)其他電路的干擾

14、，圖中為干擾電壓疊加的結(jié)果。,,,公共地線的阻抗耦合,如果系統(tǒng)的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)不是分開(kāi)接地的，如圖a和圖b所示，則數(shù)字信號(hào)就會(huì)耦合到模擬信號(hào)中去。在圖c中模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)是分開(kāi)接地的，兩種信號(hào)分別流入大地，這樣就可以避免干擾，因?yàn)榇蟮厥且环N無(wú)線吸收面。,負(fù)載（喇叭）的電流較大，它與放大器的負(fù)電源線共用了一段地線，在地線的微小電阻上產(chǎn)生了壓降，造成了干擾。,對(duì)于共用導(dǎo)線，應(yīng)在設(shè)計(jì)電路或印刷電路板時(shí)盡量避免，尤其是對(duì)弱電信號(hào)和強(qiáng)

15、電信號(hào)，切忌它們共用導(dǎo)線。經(jīng)過(guò)公共阻抗耦合而來(lái)的干擾，可以是交流的，也可以是直流的，這一點(diǎn)和漏電干擾相似。三、電場(chǎng)耦合交流干擾信號(hào)能夠經(jīng)過(guò)分布電容進(jìn)入儀表電路，特別是高頻率或高電壓的干擾源，這種危害尤其顯著。在相距較近的平行導(dǎo)線間，如果導(dǎo)線長(zhǎng)度很長(zhǎng)，分布（寄生）電容不可忽視，其影響可用圖4-4說(shuō)明。,對(duì)串模干擾的抑制較為困難，因?yàn)楦蓴_Un直接與信號(hào)Us串聯(lián)。目前常采用雙絞線與濾波器兩種措施。,電場(chǎng)耦合的實(shí)質(zhì)是電容性耦合。要減少電源線

16、對(duì)信號(hào)線的電場(chǎng)耦合干擾，就必須加大信號(hào)線與電源線的距離，減小兩者間的分布電容，必須盡量保持電路和信號(hào)線的對(duì)地平衡，布線時(shí)，多采用雙絞屏蔽線。,分布電容為CAG及CBG。設(shè)導(dǎo)線A上的交流正弦電壓為U1，儀表的輸入阻抗為R，導(dǎo)線B上因電場(chǎng)耦合而出現(xiàn)干擾電壓，上述電路可等效為圖4-2(b)。根據(jù)此等效電路, 對(duì)節(jié)點(diǎn)B,由支路電流法（符號(hào)法）可求得干擾信號(hào)。圖4-2(a)中的長(zhǎng)導(dǎo)線A和B平行，其間分布電容為CAB，各線對(duì)地符號(hào)法就是用復(fù)數(shù)來(lái)表

17、示正弦量的振幅或有效值和初相，使描述正弦電流電路的方程轉(zhuǎn)換為復(fù)數(shù)形式的代數(shù)方程，而這些方程在形式上又與直流電路的方程類似，從而使正弦電流電路的計(jì)算和分析大為簡(jiǎn)化。,,,,,,,,Rω(CAB+CBG)>>1,,這種情況下，與頻率沒(méi)有關(guān)系，且不再與R的大小有直接關(guān)系，但儀表引線對(duì)地電容CBG越小，干擾則越嚴(yán)重。可見(jiàn)，當(dāng)導(dǎo)線B架空但又與A接近時(shí)，CBG小，而CAB大，其干擾將格外嚴(yán)重。電場(chǎng)耦合的干擾，只有通過(guò)合理設(shè)計(jì)布線，或采

18、取屏蔽措施，才能削弱或避免。不能寄希望于減小R和加大CBG，因?yàn)檫@將使有用的交流信號(hào)衰減。,分布電容引起的干擾同樣存在于印刷電路板和變壓器繞組上，尤其在有高頻干擾源的情況下更為突出。但電場(chǎng)耦合只會(huì)產(chǎn)生交流干擾，直流干擾不可能通過(guò)這一途徑產(chǎn)生。,四、磁場(chǎng)耦合磁場(chǎng)耦合包括交流電流通過(guò)互感作用在平行導(dǎo)線間傳遞，或者交流電流產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)穿過(guò)導(dǎo)線環(huán)形成感應(yīng)電勢(shì)。這兩種表現(xiàn)的實(shí)質(zhì)是一樣的，都是電能經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)交連之后又恢復(fù)成電信號(hào)的過(guò)程，其等效電路

19、如圖4-3所示。,圖4-3(a)中交流電源電壓經(jīng)導(dǎo)線A供給負(fù)載，與之平行的導(dǎo)線B為直流電路，在電源的作用下向負(fù)載提供有用信號(hào)。對(duì)直流測(cè)量系統(tǒng)而言，E為信號(hào)源，為儀表的輸入阻抗。在導(dǎo)線A、B之間存在著互感，因此使得上除應(yīng)有直流信號(hào)外，同時(shí)會(huì)得到由干擾源引起的交流干擾信號(hào)。該電路可以等效為圖4-3(b)，和代表導(dǎo)線A和B的自感。,由于A、B相互靠近，在互感的作用下A與B相當(dāng)于變壓器的效應(yīng)，所以上的電壓含有交流成分，這個(gè)交流成分完全是干擾的結(jié)

20、果。在不考慮有用的直流信號(hào)時(shí)，互感產(chǎn)生的干擾信號(hào)為,,可見(jiàn)磁場(chǎng)耦合引起的干擾是與頻率及電流成正比的，而且互感系數(shù)越大，干擾越顯著。,其中： ω為感應(yīng)磁場(chǎng)交變角頻率 M為兩根導(dǎo)線之間的互感 I1為導(dǎo)線1中的電流,例題：某信號(hào)線，與電壓為220V（AC）、負(fù)荷為10KVA的輸電線的距離為1m，并且平行走線10m，兩線之間的互感為4.2μH，按上式計(jì)算出信號(hào)線上感應(yīng)的干擾電壓Un。Un=ωMI1=2π×50×4

21、.2×（10-6）× 10000/220=59.98(mV) 可見(jiàn)，這樣大的干擾，足以淹沒(méi)小信號(hào)。,減少這種干擾的辦法，除布線彼此盡量遠(yuǎn)離，尤其要避免相互平行，除此之外，也可以采用雙絞線，同軸電纜或磁屏蔽法。只有交流電流產(chǎn)生的變化磁場(chǎng)有干擾作用，而恒定磁場(chǎng)不會(huì)使靜止的導(dǎo)線上產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,五、差模干擾與共模干擾各種干擾源對(duì)控制儀表產(chǎn)生的干擾，必然是通過(guò)各種耦合通道進(jìn)入測(cè)量電路，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。根據(jù)干擾進(jìn)入測(cè)

22、量電路的方式不同，可將干擾分為差模干擾與共模干擾兩種。,差模干擾也稱為常模干擾、常態(tài)干擾、橫向干擾、差模干擾；共模干擾也稱為共態(tài)干擾、縱向干擾、對(duì)地干擾。⒈ 差模干擾差模干擾是使信號(hào)接收儀表的一個(gè)輸入端電位相對(duì)另一個(gè)輸入端子電位發(fā)生變化，即干擾信號(hào)與有用信號(hào)是迭加在一起，送至信號(hào)接收端。它是一種直接干擾。,差模干擾作用在儀表的兩個(gè)輸入端子之間，因此有“橫向干擾”之稱。其效果如同干擾信號(hào)與有用信號(hào)串聯(lián)后送到儀表輸入端一樣。在圖4-4(

23、a)中，干擾源經(jīng)過(guò)導(dǎo)線A分別以漏電阻、公共阻抗、電場(chǎng)、磁場(chǎng)四種耦合方式傳播到B1～B4電路中。為了便于區(qū)分，圖中把有用信號(hào)源畫(huà)成直流E，把儀表畫(huà)成直流電流表的符號(hào)。以上四種干擾途徑雖然不同，其效果卻是一樣的，都可等效為圖4-4(b)，即干擾信號(hào)和有用信號(hào)E相當(dāng)于串聯(lián)關(guān)系，兩者共同施加在儀表上。,串模干擾示意圖,一般來(lái)說(shuō)，有用信號(hào)E是緩慢變化的直流信號(hào)，差模干擾信號(hào)U1多為變化較快的雜亂交變信號(hào)和工頻干擾（50Hz）。在這種情況下，通過(guò)濾

24、波消除干擾是常用的方法。當(dāng)干擾信號(hào)與有用輸入信號(hào)頻率相近時(shí)，常規(guī)濾波就很難起作用，需要靠消除干擾源或特定的濾波方法來(lái)抑制干擾?？刂苾x表或檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)差模干擾的抑制能力常采用差模抑制比來(lái)衡量。所謂抑制比，是指系統(tǒng)限制某種不受歡迎的信號(hào)進(jìn)入系統(tǒng)的能力，并且通過(guò)系統(tǒng)的輸出變化量來(lái)判斷有多少不受歡迎的信號(hào)進(jìn)入了系統(tǒng)。,關(guān)于抑制比可以打一個(gè)比方：一些次品被堵在工廠的大門(mén)口，有多少次品能混出去？可以用抑制比來(lái)衡量。假設(shè)有1000個(gè)次品堵在工廠的大門(mén)

25、口，有一個(gè)次品混出去，則抑制比=1000︰1，用分貝表示就是20lg（1000︰1）=60dB(也就是說(shuō)有千分之一混出去)；如果有10個(gè)次品混出去，則抑制比=1000︰10，用分貝表示就是20lg（1000︰10）=40dB(也就是說(shuō)有百分之一混出去)。差模抑制比和共模抑制比的含義與此類似。,在控制儀表中，50Hz交流差模信號(hào)為不受歡迎的信號(hào)，即干擾信號(hào)。50Hz交流差模信號(hào)直接疊加在被測(cè)量的模擬信號(hào)上，如果不加處理，將完全反映到測(cè)量結(jié)

26、果中。差模干擾信號(hào)通過(guò)圖4-5所示的方式疊加到控制儀表的輸入端。,圖中：Ui為被測(cè)信號(hào)；Uin為50Hz交流差模信號(hào)；Uo為被測(cè)信號(hào)的輸出值；Uon為差模干擾的輸出值。（Un=Uin,Ud=Uoni）在控制儀表指標(biāo)中，針對(duì)其抑制50Hz交流差模信號(hào)的抑制能力，定義了差模抑制比NMRR。,式中：Kd為直流差模放大倍數(shù)；Kn為50Hz差模信號(hào)放大倍數(shù)。由NMRR可以計(jì)算出有多少成分的50Hz差模信號(hào)“混入”了系統(tǒng)。,,,式中：Uin為輸

27、入的50Hz差模信號(hào)；Ud為衰減后進(jìn)入系統(tǒng)的差模信號(hào)。,【例4-1】已知NMRR=60dB，50Hz差模信號(hào)（峰值）為5V,試求混入系統(tǒng)的干擾信號(hào)值。解：由（4-11）得,,在控制儀表中，為了獲得高的NMRR必須在信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)中采用濾波器，或采用軟件濾波算法，濾出50Hz及50Hz的倍頻信號(hào)。,⒉ 共模干擾共模干擾是相對(duì)于公共的電位基準(zhǔn)點(diǎn)(通常為接地點(diǎn))，在信號(hào)接收儀表的兩個(gè)輸入端子上同時(shí)出現(xiàn)的干擾。共模干擾可以是直流電壓，也可以是

28、交流電壓，其幅值可達(dá)幾伏甚至更高。共模干擾同時(shí)出現(xiàn)在兩個(gè)信號(hào)輸入端和地之間，它對(duì)兩根信號(hào)導(dǎo)線的作用完全相同，儀表的兩個(gè)輸入端子之間并無(wú)干擾信號(hào)，但這兩個(gè)端子和地之間卻出現(xiàn)了干擾信號(hào)，因此有“縱向干擾”之稱。,共模干擾等效電路和造成共模干擾的原因如圖,熱電偶引線與220V電源線靠得太近將引起電場(chǎng)耦合干擾。如果UNi對(duì)兩根信號(hào)傳輸下線的干擾大小相等、相位相同，就屬于共模干擾。,造成共模干擾的主要原因是被測(cè)信號(hào)的參考接地點(diǎn)和檢測(cè)儀表輸入信號(hào)的

29、參考接地點(diǎn)不同，因此就會(huì)產(chǎn)生一定的電壓。雖然它不直接影響結(jié)果，但是當(dāng)信號(hào)接收儀表的輸入電路參數(shù)不對(duì)稱時(shí)，它會(huì)轉(zhuǎn)化為差模干擾，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。共模干擾見(jiàn)圖4-6。,圖4-6(a)為用熱電偶測(cè)量電阻器表面溫度的示意圖。電阻R由交流電源通電加熱，熱電偶的有用信號(hào)是直流電勢(shì)E。在這種情況下，圖R的下段電壓降作用在熱電偶的焊點(diǎn)上，必然使導(dǎo)線a和b都對(duì)地具有相同的交流電壓，這就使得儀表的兩個(gè)輸入端子對(duì)地出現(xiàn)共模干擾信號(hào)。,圖4-6(b)是交流導(dǎo)

30、線A對(duì)信號(hào)線a和b具有分布電容的情況。如果分布電容均勻?qū)ΨQ，a和b所接受的干擾信號(hào)相同，這時(shí)信號(hào)電路對(duì)地形成共模干擾。 圖4-6(c)是信號(hào)源接地點(diǎn)X和儀表外殼接地點(diǎn)Y之間電位不等，具有交流電位差的情況。對(duì)儀表來(lái)說(shuō)，信號(hào)電路整體和地之間也有共模干擾信號(hào)。,各種共模干擾的來(lái)源盡管不同，等效電路都可以畫(huà)成圖4-6(c)的形式。雖然以上實(shí)例都把干擾源假定成交流，但直流干擾也同樣有差模、共模兩種形式。值得注意的是，差模干擾信號(hào)和有用信號(hào)

31、相當(dāng)于串聯(lián)在一起，它進(jìn)入儀表后肯定會(huì)造成有害影響；共模干擾僅僅是使儀表電路對(duì)地電位有變化，似乎不會(huì)妨礙儀表工作。,以圖4-6(a)為例，當(dāng)導(dǎo)線a、b及儀表內(nèi)部電路對(duì)地阻抗為無(wú)窮大時(shí)，共模信號(hào)根本不能形成電流，理論上說(shuō)確實(shí)不會(huì)影響儀表工作。但是實(shí)際導(dǎo)線和儀表電路的對(duì)地絕緣不可能十分理想，在電壓的作用下是有一定電流的。不過(guò)倘若導(dǎo)線a和b對(duì)地的阻抗完全對(duì)稱，則兩根導(dǎo)線上的干擾電流大小相等、方向相反，對(duì)儀表而言仍然沒(méi)有影響。倘若導(dǎo)線a和b對(duì)地的

32、阻抗不完全對(duì)稱，則兩根導(dǎo)線上的干擾電流大小不相等、由于方向相反，其差值將對(duì)儀表造成影響。,由此可見(jiàn)，共模干擾只有在它轉(zhuǎn)化為差模干擾之后，才會(huì)引起測(cè)量誤差或?qū)x表產(chǎn)生影響，也只有經(jīng)過(guò)這種轉(zhuǎn)化之后，共模干擾的危害才充分表現(xiàn)出來(lái)。正是因?yàn)閷?shí)際的儀表里很難做到兩導(dǎo)線對(duì)地阻抗完全對(duì)稱，所以上述轉(zhuǎn)化的機(jī)會(huì)很多，這就必須對(duì)共模干擾加以防范。,對(duì)于系統(tǒng)干擾來(lái)說(shuō)，共模干擾大都通過(guò)差模干擾方式表現(xiàn)出來(lái)。由Ucm引起系統(tǒng)輸入的差模電壓為：,兩種輸入方式的共

33、模電壓的引入,(a) 單端輸入,(b) 雙端輸入,⑴直流共模信號(hào)。直流共模信號(hào)的加入會(huì)直接導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果的偏移，過(guò)高的直流共模信號(hào)會(huì)造成輸入信號(hào)超過(guò)儀表放大器的共模輸入范圍，造成嚴(yán)重失真，更高直流共模信號(hào)會(huì)直接損壞系統(tǒng)。⑵50Hz交流共模信號(hào)。在過(guò)程控制中，不會(huì)有輸出信號(hào)頻率為50Hz的變送器，而以50Hz電網(wǎng)頻率為特征的工頻干擾無(wú)處不在，這些信號(hào)對(duì)測(cè)量結(jié)果同樣造成影響。,共模干擾信號(hào)通過(guò)圖4-7所示的方式疊加到控制儀表的輸入端。圖中：

34、Ui為被測(cè)信號(hào)；Uic為直流或50Hz交流共模輸入；Uo為被測(cè)信號(hào)的輸出值；Uoc為共模干擾的輸出值。在控制儀表指標(biāo)中，針對(duì)其抑制直流或50Hz交流共模信號(hào)的抑制能力，定義了共模抑制比CMRR。,,式中：Kd為差模放大倍數(shù)。Kc為共模放大倍數(shù)。通過(guò)儀表放大器，可以有效地衰減掉絕大部分的共模輸入信號(hào)。但是，有一些儀表放大器的電路結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性，使得共模輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為微弱的等效差模輸入信號(hào)，從而“混入”了系統(tǒng)。根據(jù)CMRR的定義，可以計(jì)算出

35、與共模信號(hào)等效的差模信號(hào)（即“混入”成分）。,式中：Uic為50Hz正弦共模輸入峰值信號(hào)；Ud為共模輸入U(xiǎn)ic等效的差模輸入信號(hào)?！纠?-1】已知CMRR=120dB，共模信號(hào)為5V,試求混入系統(tǒng)的差模干擾輸入信號(hào)值。解：由（4-13）得,,,第三節(jié) 抗干擾的措施要想抗干擾，首先要了解干擾的來(lái)源、性質(zhì)、傳播途徑和電路接收干擾的敏感性。歸納起來(lái)，形成干擾的因素，主要有干擾源、干擾途徑和干擾對(duì)象三方面的因素。為消除干擾，就要從這三項(xiàng)因

36、素著手，即消除或抑制干擾源；破壞干擾引入的途徑；削弱干擾接收對(duì)象對(duì)干擾的敏感性?？垢蓴_的具體措施很多，比較有效的辦法有以下幾種。,一、隔離在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，弱電或低電平的測(cè)量信號(hào)回路常常會(huì)串入或感應(yīng)產(chǎn)生較強(qiáng)電壓。如用熱電偶測(cè)量溫度，信號(hào)是“毫伏”級(jí)，而周圍環(huán)境存在的380、440、6000VAC交流電壓，它們可能感應(yīng)或直接串入測(cè)量回路，產(chǎn)生數(shù)十伏、數(shù)百伏的感應(yīng)電壓，如不隔離，這些強(qiáng)電進(jìn)入測(cè)量回路勢(shì)必會(huì)損（燒）壞芯片、卡件。目前常用的隔離方

37、法是變壓器隔離和光電隔離。在DCS系統(tǒng)中大多采用光電隔離，光電隔離的能力可達(dá)1500V交流峰峰值或1500VDC。,⒈變壓器隔離變壓器的特點(diǎn)是原邊與副邊之間有較好的絕緣，原邊與副邊的兩個(gè)繞組在電路上互相隔離，使交流信號(hào)可以經(jīng)過(guò)磁的交連進(jìn)行傳遞。利用這一特點(diǎn)變壓器能夠使有用的交流信號(hào)在原邊和副邊之間通過(guò)，而把有害的直流共模干擾信號(hào)所形成的地環(huán)電流隔斷。,這種隔離適用于無(wú)直流分量信號(hào)的通路。,變壓器只能傳送交流信號(hào)，對(duì)于直流信號(hào)，也可通過(guò)

38、調(diào)制器變換成交流信號(hào)，經(jīng)隔離變壓器后，用解調(diào)器再變換成直流信號(hào)，如圖所示。,變壓器隔離辦法在數(shù)字控制儀表中也有較多應(yīng)用，它對(duì)于重復(fù)接地引起的共模干擾和信號(hào)混亂，有明顯的抑制作用。如果在變壓器的原邊和副邊之間，增添接地的金屬屏蔽層，效果將更好。,⒉ 光電隔離對(duì)于數(shù)字信號(hào)、頻率調(diào)制或脈寬調(diào)制信號(hào)，可以用更為簡(jiǎn)單的隔離辦法，即采用光電器件隔離，圖4-9所示光電隔離器為光電三極管型光耦合器。光電耦合器是由發(fā)光二極管和光敏三極管（或達(dá)林頓管

39、、或晶閘管等）封裝在一個(gè)管殼內(nèi)組成，實(shí)現(xiàn)以光為媒介的電信號(hào)傳輸。由于光電耦合器是用光傳送信號(hào)，兩端電路無(wú)直接電氣聯(lián)系，因此，切斷了兩端電路之間地線的聯(lián)系，抑制了共模干擾。發(fā)光二極管動(dòng)態(tài)電阻非常小，而干擾源的內(nèi)阻一般很大，能夠傳送到光電耦合器輸入端的干擾信號(hào)很小。光電耦合器的發(fā)光二極管只有在通過(guò)一定電流時(shí)才能發(fā)光，由于許多干擾信號(hào)雖幅值較高，但能量較小，不足以使發(fā)光二極管發(fā)光，從而可以有效地抑制干擾信號(hào)。,光電隔離器是由發(fā)光二極管和

40、光敏晶體管封裝在一起構(gòu)成的。由于發(fā)光二極管的亮度和所通過(guò)的電流并不是直線關(guān)系，光敏晶體管的輸出電流和被照射的光強(qiáng)也不是正比關(guān)系，所以一般不宜用來(lái)傳遞模擬信號(hào)。雖然專門(mén)用于直接傳遞模擬信號(hào)的光電隔離器也已研制成功，但價(jià)格要貴得多。,通常把光電隔離器用在脈沖信號(hào)傳遞上，或者按圖4-9所示那樣，把直流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓／頻率(U／f)變換，控制發(fā)光二極管亮滅的頻率，通過(guò)隔離器傳遞到數(shù)字電路中去。光電隔離器的兩側(cè)完全沒(méi)有電的聯(lián)系，是靠光傳遞信息的，所

41、以共模干擾將被阻擋在一側(cè)，無(wú)法通過(guò)。這一性質(zhì)和變壓器隔離相似，但是光電隔離器更小巧緊湊，而且適用于很寬的頻率范圍，它也不受磁場(chǎng)影響。不過(guò)變壓器的信息傳遞方向可以對(duì)換，變比可以任意設(shè)計(jì)。,必須指出，無(wú)論是變壓器隔離或光電隔離，被隔開(kāi)的兩電路不允許有任何電的聯(lián)系，不然就前功盡棄了。但通常兩電路總是需要電源的，電源又往往由同一個(gè)變壓器供給，這時(shí)就必須分別使用兩個(gè)獨(dú)立的副邊繞組和兩套整流穩(wěn)壓系統(tǒng)分別向被隔離的兩個(gè)電路供電。,⒊ 隔離放大器隔離

42、放大器是帶隔離的放大器，其輸入電路、輸出電路和電源之間沒(méi)有直接的電路耦合，信號(hào)的傳遞和電源的傳遞均通過(guò)變壓器或光電耦合（多用變壓器耦合，因光電耦合線性度較差）實(shí)現(xiàn)。隔離放大器不僅具有通用運(yùn)算放大器的性能，而且輸入公共地與輸出公共地之間具有良好的絕緣性能。隔離放大器的符號(hào)如圖4-10所示。,普通的差動(dòng)放大器和測(cè)量放大器，雖然也能抑制共模干擾，但卻不允許共模電壓高于放大器的電源電壓。而隔離放大器不僅有很強(qiáng)的共模抑制能力，而且能承受上千伏的高

43、共模電壓。因此，隔離放大器一般用于信號(hào)回路具有很高（數(shù)百伏甚至數(shù)千伏）的共模電壓的情況下，且要求仍然正常工作、安全使用的場(chǎng)合。,二、中和變壓器（縱向扼流圈）中和變壓器是在同一鐵心或磁心上繞兩個(gè)匝數(shù)相等、尺寸相同的線圈構(gòu)成的，其功用不是變壓而是感抗。由于中和變壓器對(duì)低頻信號(hào)電流阻抗很小，對(duì)縱向的噪聲電流卻呈現(xiàn)很高的阻抗。因此，這種做法特別適應(yīng)于超低頻。在兩根導(dǎo)線上流過(guò)的信號(hào)電流(實(shí)線)是方向相反、大小相等。而流經(jīng)兩根導(dǎo)線的噪聲電流（虛線

44、）則是方向相同、大小相等。這種噪聲電流叫縱向電流，也叫交流共模電流。,在圖4-11中，電路1和電路2之間如因多點(diǎn)接地而出現(xiàn)共模干擾電壓Un，它將沿圖中虛線方向形成環(huán)流，這個(gè)環(huán)流在中和變壓器的兩個(gè)繞組里都是按相同的方向流過(guò)，即都從有黑點(diǎn)的一端流入，從另一端流出，相當(dāng)于流過(guò)一個(gè)大感抗元件，所以電流很小。但是，有用信號(hào)是沿圖中實(shí)線箭頭方向流動(dòng)，在其中一個(gè)繞組里從有點(diǎn)（同名端）的一端流入，在另一個(gè)繞組里卻從無(wú)點(diǎn)的一端流入，方向相反，而變壓器的匝

45、數(shù)相等，所以對(duì)有用的直流信號(hào)而言，這里不存在感抗，相當(dāng)于純電阻作用，而且其電阻也很小，因此壓降就很小，這樣就起了抑制共模交流干擾的作用，但中和變壓器對(duì)直流共模干擾無(wú)抑制作用。,三、浮空浮空也是抗共模干擾的有效措施。把信號(hào)導(dǎo)線和儀表電路完全用絕緣材料架空起來(lái)，不使它們和接地的金屬外殼相碰，這就叫做浮空,如圖4-12所示。圖中：Ur為有用信號(hào)源；R為有用信號(hào)源內(nèi)阻；Un為干擾源（共模電壓）。,雙層屏蔽,單層屏蔽對(duì)空間的電磁耦合干擾敏感，一

46、般采用雙層屏蔽,一個(gè)完全浮空的電路，即使存在共模電壓，也無(wú)法形成電流。無(wú)論兩根輸入導(dǎo)線對(duì)地阻抗是否對(duì)稱，都不會(huì)把共模干擾轉(zhuǎn)化為差模干擾，而純共模信號(hào)是不會(huì)妨礙儀表正常工作的(在一定限度內(nèi))。這是從防止轉(zhuǎn)化方面采取的抗干擾措施。從本質(zhì)上看，浮空和變壓器隔離、光電隔離的出發(fā)點(diǎn)是一樣的，都是設(shè)法切斷共模信號(hào)的通路。,四、屏蔽利用銅或鋁等低電阻材料制成的容器，將需要防護(hù)的部分包起來(lái)或者利用導(dǎo)磁性良好的鐵磁材料制成的容器將需要防護(hù)的部分包起來(lái)，

47、此種防止靜電或電磁的相互感應(yīng)所采用的技術(shù)措施稱為屏蔽。屏蔽分為磁場(chǎng)屏蔽和電場(chǎng)屏蔽兩種措施，屏蔽的目的就是隔斷電場(chǎng)和磁場(chǎng)的耦合通道。,變壓器的屏蔽,未加屏蔽罩時(shí)中頻變壓器線圈易受外界干擾。,加屏蔽罩時(shí)中頻變壓器線圈不易受外界干擾。,磁場(chǎng)屏蔽用高導(dǎo)磁率的材料制造，它能使干擾磁通旁路，從而避免和被保護(hù)的電路交連，而且交變的干擾磁通常會(huì)在導(dǎo)電屏蔽層內(nèi)形成渦流，渦流效應(yīng)又會(huì)削弱外界磁場(chǎng)的強(qiáng)度。鐵和鈹莫合金之類材料制成的屏蔽層，兩種作用都有，可

48、使干擾磁場(chǎng)對(duì)電路失去影響。在電源變壓器附近的弱信號(hào)電路應(yīng)避免磁場(chǎng)干擾，可用鐵或鈹莫合金板遮擋起來(lái)。電子儀器里為了消除高頻電路產(chǎn)生互感干擾，也常用磁屏蔽。理想情況下，把磁屏蔽層做成空心球狀，完全封閉，球內(nèi)空間的磁場(chǎng)強(qiáng)度將比無(wú)屏蔽時(shí)顯著減弱。,電場(chǎng)屏蔽亦稱“靜電屏蔽”，在靜電場(chǎng)作用下，導(dǎo)體內(nèi)部無(wú)電力線，即各點(diǎn)電位相等。靜電屏蔽就是利用了與大地相連接的導(dǎo)電性良好的金屬容器，使其內(nèi)部的電力線不外傳，同時(shí)外部的電場(chǎng)也不影響其內(nèi)部。使用靜電屏蔽技術(shù)

49、時(shí)，應(yīng)注意屏蔽體必須接地，否則雖然體內(nèi)無(wú)電力線，但導(dǎo)體外仍有電力線，導(dǎo)體仍受到影響，起不到靜電屏蔽的作用。,多數(shù)儀表外殼采用導(dǎo)磁材料（例如鐵質(zhì)機(jī)柜）作屏蔽層，讓干擾磁力線從磁阻很小的磁屏蔽上通過(guò)，使受外殼保護(hù)的內(nèi)部電路免受磁場(chǎng)耦合干擾。,（4）信號(hào)電纜與電源電纜必須分開(kāi)，并盡量避免平行敷設(shè)。如果現(xiàn)場(chǎng)條件有限，信號(hào)電纜與電源電纜不得不敷設(shè)在一起時(shí)，則應(yīng)滿足以下條件： ①電纜溝內(nèi)要設(shè)置隔板，且使隔板與大地連接，如圖8-17（a）所示

50、。 ②電纜溝內(nèi)用電纜架或在溝底自由敷設(shè)時(shí)，信號(hào)電纜與電源電纜間距一般應(yīng)在15cm以上，如圖8-17（b）（c）所示；如果電源電纜無(wú)屏蔽，且為交流電壓220VAC、電流10A時(shí)，兩者間距應(yīng)在60 cm以上。 ③電源電纜使用屏蔽罩，如圖8-17（d）所示。,五、接地接地也是抗干擾的重要手段，但是錯(cuò)誤的接地不僅起不了抗干擾作用，反而會(huì)使干擾加強(qiáng)。例如圖4-13(a)所示的三個(gè)電路，各自的地線都接到公共地線上，因公共地線有電阻

51、，在線段r1、r4 、r3 上有不同的地電流，所形成的壓降將干擾其他電路，這就是前面所說(shuō)的公共阻抗耦合提供了干擾途徑。,若把接地點(diǎn)變成圖4-13(b)所示的接法，使三個(gè)電路的地線電阻互相獨(dú)立，不論各自的地電流如何，對(duì)別的電路沒(méi)有任何影響。可見(jiàn)，接地點(diǎn)可以共用而接地線不能共用，這一原則對(duì)互相關(guān)連的多個(gè)電路尤為重要。設(shè)電路1的輸出信號(hào)供給電路2，電路2又將信號(hào)送至電路3，這種情況下就必須把接地點(diǎn)合在一處，不能分設(shè)在三個(gè)不同地點(diǎn)。,有人誤認(rèn)為

52、兩處接地比單獨(dú)一個(gè)接地點(diǎn)可靠，于是在圖4-13(a)所示的公共地線左端也設(shè)一個(gè)接地點(diǎn)，形成兩處接地點(diǎn)用導(dǎo)線相連的方式，把各個(gè)電路的地線都接到這根導(dǎo)線上。其實(shí)，這種接法同樣有公共阻抗耦合作用，而且兩接地點(diǎn)之間的電位差在導(dǎo)線上產(chǎn)生電流，使各電路的地線間出現(xiàn)分壓，所以共模干擾依然存在?？傊貜?fù)接地有害無(wú)益。,六、信號(hào)導(dǎo)線的抗干擾 熱工控制儀表的電信號(hào)都是低電壓小電流，從導(dǎo)線電負(fù)荷上考慮，并不需要很大的截面積。但因工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)距離較遠(yuǎn)，環(huán)

53、境惡劣，為使電阻較小，并有足夠機(jī)械強(qiáng)度，通常都選用截面積不小于的多股導(dǎo)線。多股導(dǎo)線的好處是柔軟易彎曲。根據(jù)抗干擾的要求，可以用雙絞線、平行線、屏蔽線或同軸電纜。,信號(hào)導(dǎo)線長(zhǎng)度大，最容易受電場(chǎng)干擾和磁場(chǎng)干擾，如果附近有和它平行的動(dòng)力線，僅就電場(chǎng)干擾而論，就有下式的關(guān)系： (4-14)式中：es為電場(chǎng)干擾信號(hào)(mV)；L為平行敷設(shè)的長(zhǎng)

54、度(m)；C為等效分布電容(μF／m)；Re為信號(hào)源內(nèi)阻和負(fù)載電阻的并聯(lián)值(Ω)；K為信號(hào)線系數(shù)（平行線K=1；雙絞線K=0.1 ；屏蔽雙絞線K=0.01）； U為干擾源的電壓(V)。,,,當(dāng)信號(hào)線與低電壓大電流的動(dòng)力線(例如電焊、電鍍、電加熱設(shè)備的電源線)平行敷設(shè)時(shí)，主要干擾是磁場(chǎng)干擾。其干擾信號(hào)值可用下式計(jì)算：

55、 (4-15)式中：em為磁場(chǎng)干擾信號(hào)(mV)；L為平行敷設(shè)導(dǎo)線的長(zhǎng)度(m)；D為信號(hào)線與動(dòng)力線的距離(mm)；I為動(dòng)力線上的電流(A)；K為信號(hào)線系數(shù)，其值的選取同前。,,用雙絞線傳輸信號(hào)可以消除電磁場(chǎng)的干擾。這是因?yàn)樵陔p絞線中，感應(yīng)電勢(shì)的極性取決于磁場(chǎng)與線環(huán)的關(guān)系。圖4-14顯示出外界磁場(chǎng)干擾在雙絞線中引起感應(yīng)電流的情況。由此圖可以看出，外界磁場(chǎng)

56、干擾引起的感應(yīng)電流在相鄰絞線回路的同一根導(dǎo)線上方向相反，互相抵消，從而使干擾受到抑制。雙絞線與不進(jìn)行絞合的平行線相比，在同樣條件下前者的磁場(chǎng)干擾信號(hào)只有后者的1／10。雙絞線的節(jié)距越短，電磁感應(yīng)干擾就越低。雙絞線中途不能接地。雙絞線的使用比較簡(jiǎn)單、方便和經(jīng)濟(jì)，用一般塑料護(hù)套線扭絞起來(lái)即可。,雙絞線有抵消電磁感應(yīng)干擾的作用，但兩股導(dǎo)線間的分布電 容卻比較大，因而對(duì)靜電干擾幾乎沒(méi)有抵抗力。 屏蔽層接地的屏蔽線能有效抵抗靜電干擾，但

57、對(duì)外界交變磁 場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)干擾的抑制能力較差。 工程中：將雙絞線穿在鋼管或金屬蛇皮管中，并將管子接 地。,有屏蔽層的導(dǎo)線對(duì)于磁場(chǎng)干擾來(lái)說(shuō)并無(wú)減弱作用，這是因?yàn)橐话闫帘螌訛殂~絲編織而成，對(duì)磁場(chǎng)干擾的防止全然無(wú)效，它是專為預(yù)防電場(chǎng)干擾制造的。對(duì)于磁場(chǎng)干擾必須用鐵管屏蔽。穿在鐵管中的導(dǎo)線，由于鐵管的接地已兼有電場(chǎng)屏蔽的作用，故管內(nèi)無(wú)需再用屏蔽導(dǎo)線。,從減小干擾的角度考慮，最根本的措施是信號(hào)線遠(yuǎn)離動(dòng)力線。萬(wàn)一它們不

58、可避免地在同一條電纜溝內(nèi)敷設(shè)，要分別沿溝的兩側(cè)走線，或分上下兩層布置，并在兩者之間加接地金屬板，以資屏蔽。無(wú)屏蔽時(shí)，兩類導(dǎo)線之間的距離不可小于15cm，最好相距60cm以上。如導(dǎo)線在管中穿過(guò)，絕對(duì)不允許將信號(hào)線和動(dòng)力線穿在同一管里。,要特別注意，金屬管只有接地后，才有電場(chǎng)屏蔽作用，只有鐵管才能屏蔽磁場(chǎng)干擾。雙絞線由于兩線形成的線環(huán)極小，又正反方向交替，對(duì)防止電場(chǎng)干擾和磁場(chǎng)干擾都有好處。至于同軸電纜的抗干擾能力，更是人所共知，特別是對(duì)高

59、頻信號(hào)的傳遞，是其他導(dǎo)線無(wú)法比擬的。,七、濾波 濾波是抑制差模干擾或抑制由共模干擾轉(zhuǎn)化成的差模交流信號(hào)的有效手段。在前述各種抗干擾措施之下，如果仍有殘余交流干擾信號(hào)，只有依靠濾波的辦法消除。 濾波電路有兩類，即單純用RC電路構(gòu)成的無(wú)源濾波器和有運(yùn)算放大器的有源濾波器。按頻率特性又可分為低通、高通、帶通及帶阻濾波器。,下面以一個(gè)簡(jiǎn)單的RC電路，介紹濾波原理。單純用RC電路構(gòu)成的“L”形無(wú)源濾波器如圖4-15所示。在儀表輸入