【導(dǎo)讀】各種場合的顯示儀器在和傳感器等相接后，在采集信號時(shí)信號總是時(shí)好時(shí)壞，這些到底是什么造成的？作為工程師要如何去分析這些干擾？分析后怎么去解決呢？下面小編將詳細(xì)為大家講解顯示儀表中的干擾及解決措施。
化工顯示儀表與各種傳感器、變送器配套后，可用來顯示不同的參數(shù)。但是，數(shù)字壓力表儀表在石油和化工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用中或試驗(yàn)現(xiàn)場使用時(shí)的條件常常是很復(fù)雜的，周圍存在大量強(qiáng)交變磁場、電場、振動(dòng)、熱噪聲、強(qiáng)輻射、溫度效應(yīng)、動(dòng)力電源等，都有可能影響檢測數(shù)據(jù)的正確采集和生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制而成為干擾源。這些與被測信號無關(guān)的電壓或電流以多種形式耦合加載到檢測、控制、顯示設(shè)備，使信號采集失準(zhǔn)、記錄顯示失真、被測參數(shù)有用信號質(zhì)量下降、自動(dòng)控制不能及時(shí)進(jìn)行，甚至操作失控，直接影響正常生產(chǎn)、產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的提高。這些干擾大多很難改變，但設(shè)法加以有效抑制卻十分必要。
一、數(shù)字式顯示儀表的原理及組成概況
數(shù)字顯示儀表一般是由模數(shù)轉(zhuǎn)換、非線性補(bǔ)償及標(biāo)度變換三大部分組成。它是以電信號為輸入量，直接用數(shù)字顯示被測量。實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示的關(guān)鍵是通過A/D轉(zhuǎn)換裝置把連續(xù)變化的模擬量變換成斷續(xù)的數(shù)字量。在生產(chǎn)中要求顯示儀表反映的顯示值是被測參數(shù)的函數(shù)，并且要求能自動(dòng)地補(bǔ)償其它干擾因素，這些函數(shù)關(guān)系有些是線性的，但多數(shù)是非線性的。為了將被測參數(shù)能以絕對值的形式顯示出來，對于顯示儀表，需要將被測參數(shù)進(jìn)行一些必要的運(yùn)算、處理及非線性補(bǔ)償，同時(shí)補(bǔ)償其它參數(shù)對被測參數(shù)的影響。在A/D轉(zhuǎn)換中，采用一定的計(jì)量單位使連續(xù)變化的模擬量整量化，得到近似的斷續(xù)的數(shù)字量。計(jì)量單位越小整量化的誤差也就越小，A/D轉(zhuǎn)換裝置的頻率響應(yīng)、前置放大的穩(wěn)定性等也越高，數(shù)字量就越接近于連續(xù)量本身的值。
這一過程是通過雙積分型、電壓頻率轉(zhuǎn)換型、脈沖寬度調(diào)制型及逐次比較電壓反饋編碼型等A/D轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。非線性補(bǔ)償或標(biāo)度變換是對檢測來的信號進(jìn)行必要的運(yùn)算，使數(shù)字式顯示儀表能以被測參數(shù)的直接數(shù)字表達(dá)出來。模擬式非線性補(bǔ)償通過改變運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)來補(bǔ)償不同范圍的輸入電壓，而數(shù)字式非線性補(bǔ)償則是先把被測參數(shù)的模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后再進(jìn)入非線性補(bǔ)償環(huán)節(jié)，具有精度高、通用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，隨著電子數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展，標(biāo)度變換及非線性補(bǔ)償任務(wù)由計(jì)算機(jī)來完成。
二、顯示儀表應(yīng)用中的抗干擾措施
干擾的產(chǎn)生
生產(chǎn)中，被測參數(shù)往往被轉(zhuǎn)換成微弱的低電平電壓信號，并通過長距離疊加到信號線上，進(jìn)入儀表。
1.電磁感應(yīng)線路形成的閉合回路處在這種變化的磁場中將被感應(yīng)出電勢，使信號源與儀器儀表之間的連接導(dǎo)線、儀表內(nèi)部的配線通過磁耦合在電路中形成干擾。這種電磁感應(yīng)電勢與有用信號相串聯(lián)，當(dāng)信號源與顯示儀表相距較遠(yuǎn)時(shí)，干擾較為突出。此外，高頻率發(fā)生器、帶整流子的電機(jī)等設(shè)備，也會(huì)產(chǎn)生高頻率的干擾。
2.靜電感應(yīng)。
靜電感應(yīng)是兩電場相互作用的結(jié)果。在相對的兩根導(dǎo)線中，如其一的電位發(fā)生變化，則由于導(dǎo)線間的電容變化使得另一導(dǎo)線的電位也發(fā)生變化，干擾源以電容性的耦合在回路中形成干擾。
3.附加熱電勢和化學(xué)電勢。
由于不同金屬產(chǎn)生的熱電勢以及金屬腐蝕等產(chǎn)生的化學(xué)電勢，在電路回路中形成直流電氣干擾。
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4.振動(dòng)。
在強(qiáng)振動(dòng)的環(huán)境中，導(dǎo)線由于在磁場中處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而產(chǎn)生感應(yīng)電勢，此干擾與信號相串聯(lián)，以串模干擾形式進(jìn)入儀器儀表。
5.不同地電位引入的干擾。
在大功率的用電設(shè)備附近，當(dāng)設(shè)備的絕緣性能較差時(shí)，不同地電位的電位差的引入形成干擾，而在儀表的使用中往往會(huì)有意無意地使輸入端存在兩個(gè)以上的連接點(diǎn)，這樣就會(huì)把不同接地點(diǎn)的電位差以共模干擾形式引入到儀器儀表，這種干擾是同時(shí)出現(xiàn)在兩信號線上的。
6.信號源是不平衡電橋。
當(dāng)橋路電源接地時(shí)，除橋路對角線的不平衡電壓，產(chǎn)生干擾。
7.一些脈沖狀的干擾電壓除能作用于模擬電路外，有時(shí)也能直接進(jìn)入數(shù)字電路中給予干擾，這些干擾電壓的發(fā)生源是開關(guān)、電機(jī)、繼電器那樣的感性負(fù)載和產(chǎn)生放電的機(jī)器等。
干擾的抑制
干擾問題的形成是因?yàn)橛懈蓴_源的存在，并通過一定的耦合渠道對儀器儀表產(chǎn)生影響。為減少這些影響，在設(shè)計(jì)儀表時(shí)就應(yīng)考慮對干擾的抑制問題，盡量提高其抗干擾的能力。在實(shí)際應(yīng)用中，要找出并結(jié)合絞扭、屏蔽、接地、平衡、濾波、隔離等方法，切斷耦合通道以抑制干擾。同時(shí)，要求顯示儀表具有耐高溫、低溫、高壓、腐蝕、高粘度等性能和較好的動(dòng)態(tài)特性，以減少被測參數(shù)的測量誤差。
1.串模干擾的抑制方法
串模干擾可能產(chǎn)生在信號源，也很可能是從引線上感應(yīng)或接收而來。由于串模干擾與被測信號所處地位相同，所以一旦產(chǎn)生了串模干擾之后，它的有害作用往往不大容易消除，所以應(yīng)該首先防止它的產(chǎn)生。
就能使信號回路所包圍的面積大為減小，使電場通過在兩信號線上的感應(yīng)耦合進(jìn)入回路的串模干擾電位差大為減少。
包起來，再在外面包上一層絕緣物或信號線直接采用屏蔽電纜，屏蔽層接地。因非磁性屏蔽層對50赫茲的磁場無效果，必要時(shí)可把信號線穿入鐵管中，使信號導(dǎo)線得到磁屏蔽。而在靜電屏蔽后，能使感應(yīng)電勢減小到原有的1/100~1/1000。
濾波：對變化速度很慢的直流信號，在儀器儀表輸入端加入濾波電路，以使混雜于有效信號的干擾衰減到最小。常在輸入級前加二至三級R-C濾波電路，而以采用內(nèi)阻較低的雙T型濾波器效果更好。
對消：雙積分型和脈沖調(diào)寬型等數(shù)字儀表，對輸入信號的平均值而不是瞬時(shí)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，能把一些串模干擾平均掉。
盡量使信號線與電源線分開敷設(shè)。合理布線，在允許的條件下將導(dǎo)線的電流流向作反方向處理，以減弱相互產(chǎn)生的磁場的干擾；不允許把信號線與動(dòng)力線平行敷設(shè)在一起，亦不應(yīng)由同一穿線孔洞進(jìn)入儀器儀表內(nèi)。低電平信號線應(yīng)以盡量短的不絞扭線接至信號端子的相鄰位置上，以減少感應(yīng)干擾的面積，絕對禁止電源線、信號線用同一根電纜。高電平和低電平線也不要用同一接線插件。在不得已時(shí)，把高電平和低電平線分開放在接插件旁邊，中間隔以地線端子和備用端子。
2.共模干擾的抑制，以切斷共模干擾電壓的泄漏途徑，使干擾無法進(jìn)入。在低電平測試中，信號線只應(yīng)有一點(diǎn)接地且信號線的屏蔽層也須有一點(diǎn)接地，無論信號線和儀器儀表等均需加以屏蔽，把接地和屏蔽正確地結(jié)合起來使用，往往能解決大部分的干擾問題。當(dāng)有一個(gè)不接地信號源與一個(gè)接地放大器相連時(shí)，信號線屏蔽層應(yīng)接至放大器的公共端。當(dāng)有一個(gè)接地信號源與一個(gè)不接地放大器相連時(shí)，即使信號源端接的不是大地，信號線屏蔽層也應(yīng)接至信號源的公共端，使之保持零電位，可有效切斷電位的泄漏電流，提高測量信號的抗干擾能力，這是測量系統(tǒng)中常用的方法。
儀表采用雙層屏蔽浮地保護(hù)技術(shù)：
為提高儀器儀表抗共模干擾能力，在放大器輸入部分浮地的同時(shí)，儀器儀表采用雙層屏蔽浮地保護(hù)。除利用表殼作一層屏蔽外，在儀器儀表內(nèi)再用一個(gè)內(nèi)屏蔽罩將放大器輸入部分屏蔽起來。在兩屏蔽層之間、在放大器輸入部分和內(nèi)屏蔽層之間都不作電氣上的連接。內(nèi)屏蔽層不要與儀器儀表外殼相接，而應(yīng)單獨(dú)引出一根線作為保護(hù)屏蔽端與信號線的屏蔽層相連接，從而使保護(hù)屏蔽延伸到信號線全長，而信號線的屏蔽在信號源處一點(diǎn)接地，這樣使儀器儀表的輸入保護(hù)屏蔽及信號屏蔽對信號源穩(wěn)定起來，處于等電位狀態(tài)。所以，屏蔽能用來降低耦合到導(dǎo)線上的共模電壓。
為提高儀器儀表抗共模干擾能力，在放大器輸入部分浮地的同時(shí)，儀器儀表采用雙層屏蔽浮地保護(hù)。除利用表殼作一層屏蔽外，在儀器儀表內(nèi)再用一個(gè)內(nèi)屏蔽罩將放大器輸入部分屏蔽起來。在兩屏蔽層之間、在放大器輸入部分和內(nèi)屏蔽層之間都不作電氣上的連接。內(nèi)屏蔽層不要與儀器儀表外殼相接，而應(yīng)單獨(dú)引出一根線作為保護(hù)屏蔽端與信號線的屏蔽層相連接，從而使保護(hù)屏蔽延伸到信號線全長，而信號線的屏蔽在信號源處一點(diǎn)接地，這樣使儀器儀表的輸入保護(hù)屏蔽及信號屏蔽對信號源穩(wěn)定起來，處于等電位狀態(tài)。所以，屏蔽能用來降低耦合到導(dǎo)線上的共模電壓。
應(yīng)用平衡電路：
一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度取決于信號源、信號引線、負(fù)載的平衡以及其它雜散分布參數(shù)的平衡。為提高儀器儀表抗共模干擾能力，采用平衡措施使兩線路上所轉(zhuǎn)換的電壓相等，以此來降低耦合到負(fù)載上的該部分共模電壓。
一個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度取決于信號源、信號引線、負(fù)載的平衡以及其它雜散分布參數(shù)的平衡。為提高儀器儀表抗共模干擾能力，采用平衡措施使兩線路上所轉(zhuǎn)換的電壓相等，以此來降低耦合到負(fù)載上的該部分共模電壓。
電源引入干擾的抑制：
在儀器儀表內(nèi)部主要的干擾來自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器初級繞組放在屏蔽層之內(nèi)，并將屏蔽層接地，此時(shí)變壓器初級繞組上的相電壓通過對屏蔽層的分布電容，使漏電電流直接流入地，而不再流入放大器、測量電路和信號源中產(chǎn)生干擾。為防止電源變壓器引入干擾，采用三層屏蔽結(jié)構(gòu)即電源變壓器初級屏蔽層直接與表殼接地，供電裝置的次級繞組與所有屏蔽層相接，放大器電源的次級繞組屏蔽層與放大器地處于等電位狀態(tài)。由電源引起的脈沖狀干擾，對數(shù)字電路有較大影響，應(yīng)在電源線路上加裝高頻濾波器，濾波器應(yīng)裝在輸入和輸出引線都經(jīng)過穿心電容進(jìn)行濾波的鐵制屏蔽盒內(nèi)。
在儀器儀表內(nèi)部主要的干擾來自小功率變壓器產(chǎn)生的漏電流。為防止泄漏電流干擾，可將變壓器初級繞組放在屏蔽層之內(nèi)，并將屏蔽層接地，此時(shí)變壓器初級繞組上的相電壓通過對屏蔽層的分布電容，使漏電電流直接流入地，而不再流入放大器、測量電路和信號源中產(chǎn)生干擾。為防止電源變壓器引入干擾，采用三層屏蔽結(jié)構(gòu)即電源變壓器初級屏蔽層直接與表殼接地，供電裝置的次級繞組與所有屏蔽層相接，放大器電源的次級繞組屏蔽層與放大器地處于等電位狀態(tài)。由電源引起的脈沖狀干擾，對數(shù)字電路有較大影響，應(yīng)在電源線路上加裝高頻濾波器，濾波器應(yīng)裝在輸入和輸出引線都經(jīng)過穿心電容進(jìn)行濾波的鐵制屏蔽盒內(nèi)。
