文档介绍：第五章智能化测量控制仪表的抗干扰技术
智能化测量控制仪表主要应用于实际的工业生产过程,而工业生产的工作环境往往比较恶劣,干扰严重。这些干扰有时会严重损坏仪表的器件或程序,导致仪表不能正常运行。因此,为了保证仪表能在实际应用中可靠地工作,必须要周密考虑和解决抗干扰的问题。
本章介绍智能化测量控制仪表的硬件和软件抗干扰技术。
干扰源
干扰信号主要通过3个途径进入仪表内部:电磁感应、传输通道和电源线。一般情况下,经电磁感应进入仪表的干扰在强度上远远小于从传输通道和电源线进入的干扰,对于电磁感应干扰可采用良好的“屏蔽”和正确的“接地”加以解决。所以,抗干扰措施主要是尽量切断来自传输通道和电源线的干扰。
串模干扰、共模干扰及电源干扰
串模干扰是指干扰电压与有效信号串联叠加后作用到仪表上的,。串模干扰通常来自于高压输电线、与信号线平行铺设的电源线及大电流控制线所产生的空间电磁场。由传感器来的信号线有时长达一二百米,干扰源通过电磁感应和静电耦合作用加上如此之长的信号线上的感应电压数值是相当可观的。例如,一路电线与信号线平行敷设时,信号线上的电磁感应电压和静电感应电压分别都可达到mV级,然而来自传感器的有效信号电压的动态范围通常仅有几十mV,甚至更小。
由此可知:第一,由于测量控制系统的信号线较长,通过电磁和静电耦合所产生的感应电压有可能大到与被测有效信号相同的数量级,甚至比后者大得多。第二,对测量控制系统而言,由于采样时间短,工频的感应电压也相当于缓慢变化的干扰电压。这种干扰信号与有效直流信号一起被采样和放大,造成有效信号失真。
除了信号线引入的串模干扰外,信号源本身固有的漂移、纹波和噪声以及电源变压器不良屏蔽或稳压滤波效果不良等也会引入串模干扰。
共模干扰是指输入通道两个输入端上共有的干扰电压。这种干扰可以是直流电压,也可以是交流电压,其幅值可达几伏甚至更高,取决于现场产生干扰的环境条件和仪表的接地情况。在测控系统中,检测元件和传感器是分散在生产现场的各个地方,因此,被测信号Vs的参考接地点和仪表输入信号的参考接地点之间往往存在着一定的电位差Vcm()。由图可见,对于输入通道的两个输入端来说,分别有Vs+Vcm和Vcm两个输入信号。显然,Vcm是转换器输入端上共有的干扰电压,故称共模干扰电压。
在测量电路中,被测信号有单端对地输入和双端不对地输入两种输入方式,。对于存在共模干扰的场合,不能采用单端对地输入方式,因为此时的共模干扰电压将全部成为串模干扰电压,(a)所示,必须采用双端不对地输入方式,(b)所示。
(b)可见,共模干扰电压Vcm对2个输入端形成2个电流回路(如虚线所示),每个输入端A、B的共模电压为
因此,在两个输入端之间呈现的共模电压为
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如果此时Zs1=Zs1和Zcm1=Zcm2,则VAB=0,表示不会引入共模干扰;但实际上无法满足上述条件,只能做到Zs1接近于Zs2,Zcm1接近于Zcm2,因此VAB≠0。也就是说,实际上总存在一定的共模干扰电压。显然,Zs1、Zs2越小,Zcm1、Zcm2越大,并且Zcm1与Zcm1越接近时,共模干扰的影响就越小。一般情况下,共模干扰电压Vcm总是转化成一定的串模干扰出现在两个输入端之间。
输入通道的输入阻抗通常由直流绝缘电阻和分布耦合电容产生的容抗决定。差分放大器的直流绝缘电阻可达到109Ω,工频寄生耦合电容可小到几个pF(容抗达109数量级),但共模电压仍有可能造成1%的测量误差。
除了串模干扰和共模干扰之外,还有一些干扰是从电源引入的。电源干扰一般有以下几种:
当同一电源系统中的可控硅器件通断时产生的尖峰,通过变压器的初级和次级之间的电容耦合到直流电源中去产生干扰;
附近的断电器动作时产生的浪涌电压,由电源线经变压器级间电容耦合产生的干扰;
共用同一个电源的附近设备接通或断开时产生的干扰。