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电子衡器的干扰分析及抑制

发布时间:2021-09-16 14:16:27 |来源:网络转载

1概述

随着传感器技术、微电子技术和计算机技术的迅猛发展,及其在电子称重技术中的的广泛应用,大大地推动了电子称重技术的向前发展,使之迈上了一个新台阶。特别是大规模集成电路、超大规模集成电路技术的日益成熟和微处理器(Microprocessor)的应用,极大地改善了电子衡器仪表系统中称重传感器和称重显示仪表的性能,促使称重传感器和称重显示仪表在智能化、多功能化、集成化、高精度和高分辨率等方面向前迈进了一大步,从而提高了电子称重系统的称量准确度和分辨率。

由于大部分电子衡器所处的工业环境条件比较恶劣,且很复杂,其仪表系统经常受电磁辐射、静电感应、电磁脉冲、雷击放电、高频噪声和地电位不平衡等有害因素影响,这些干扰(噪声)通过一定的耦合方式(串模干扰和共模干扰方式),和一定的耦合通道进入测量系统的信号回路,使有用信号发生误差,歪曲测量结果,从而致使仪表系统的称量精度、灵敏度和可靠性降低,严重时甚至使仪表系统完全不能工作。因此必须采用相应的抗干扰技术和措施,有效地抑制各种干扰(噪声),最大限度地降减干扰的影响和危害,从而保证电子衡器称重的准确可靠和示值的稳定。

2工业环境中干扰源及耦合通道

干扰产生于干扰源,其种类及引入的原因、途径多种多样。有单一干扰,也有多种原因造成的相互叠加的复杂干扰。电子衡器所处的空间环境,有各种不同的频率和幅值的电磁场在交织变化着,有的甚至极为强烈,它们严重冲击影响着仪表系统。放置电子衡器的大地表面不一定是理想的零电位,如各种电气设备的接地装置、建筑、构架的避雷针接地桩等,都能使地面电位产生很大的差别,并且随时会有变化。因此,电子衡器的接地装置若设置不妥,反而会由接地导线引入干扰,这些干扰主要是通过下列方式和耦合途径引入电子称重系统的。

2.1空间中的干扰源及耦合途径

(1)工频噪声干扰

a)输电线路周围存在着50Hz的交变电磁场,假如仪表系统中的信号电缆有一段相当的长度与输电线平行,则此时仪表系统与大地之间形成的封闭回路相当于一匝线圈,工频交变磁场就会在信号线上激发起一个相当量值的电动势。尤其是大功率输电线路,即使远离信号电缆,由于电流较大,仍然会通过电磁感应(即磁的耦合)和静电感应(即电的耦合)两种途径,在信号线上引起干扰。b)大容量变压器和大功率电动机,会产生相当大的漏磁磁通,致使影响区域内的信号线产生工频电磁感应噪声。

(2)电子开关、脉冲发生器引起的干扰

这类电子器件在工作时,虽然不产生火花放电,但由于线路内电流产生急剧变化,引起很高的前沿,以致产生高能量的脉冲电磁场。它以电磁感应方式耦合到仪表系统的信号线路,激发出高次谐波,产生很大的噪声。这种高频干扰,除采用屏蔽和屏蔽接地措施外,还可用100f的电容接在称重显示仪表的滤波电路上使其入地。

(3)射频电磁场的干扰

地球表面的任何空间,因广播、电视、通信、邮电和雷达等没备收发信号及企业的高频淬火等原因,而存在着数以千计的各种频率的射频电磁场,仪表系统的信号线此时则相当于一根接收天线,尽管远离各种发射台,但仍会以电磁辐射耦合方式(天线效应)引入射频干扰。

通过电磁感应、静电感应所引入的干扰大部分是50Hz的工频干扰电压。对称重仪表的干扰主要是50周的工频干扰。另外带整流子的电机等设备,会产生高周波的干扰。雷云相互之间、雷云与大地之问的放电,也能通过电磁感应途径,在信号线上引起40kHz以内的低频噪声。

2.2大地引入的干扰及传输途径

大地电位总的来说是零电位,但事实上,局部地区的地电位是经常变化波动的,其变化的频率大约在几百赫兹,但也会产生上千赫兹的变化脉冲,其峰值在mV或V量级。特别是遇到雷击,大电流通过避雷针和其它设备的防雷接地桩疏流,以及大功率电气设备漏电、电力线路开闭、负载变化等影响时,则会引起被影响区域地电位的较大变化,这种变化通过接地导线传导途径在仪表系统中产生干扰。

(1)干扰引入的途径之一———共模干扰地电位的变化可以通过设备地脚螺栓、设备本身和传感器的安装底座(承重板),传入传感器外壳,带电外壳通过分布电容耦合到称重传感器的应变电桥中,使传感器的信号电缆产生干扰。尽管采用的前置放大器为差分输入,但由于内部元件的参数不可能绝对对称,所以放大后的信号还会存在这种共模干扰噪声。

共模干扰同样存在于称重显示仪表内部,在模拟地与数字地之间同样会引入干扰,此时拟可采用光电隔离器或变压器把它们断开,以抑制共模干扰。

(2)干扰引入的途径之二———两点接地引入的干扰

在大地中,各个不同点之间存在有电位差。尤其在大功率用电设备附近,当这些设备的绝缘性能较差时,这一电位差更大。若信号电缆屏蔽线一端接传感器外壳,另一端接称重仪表外壳,并且两端分别接地,这样就会把两个不同接地点的电位差引入称重显示仪表。并同时产生以大地为连线的回路电流,从而屏蔽层内的回路电流以电磁感应和电容耦合两种途径在信号线上产生干扰。

(3)干扰引入的途径之三———共接地线的对地电流引入的阻抗干扰

干扰电路和被干扰电路共用一接地线,则会引起共阻抗噪声。仪表系统中若干个传感器与称重仪表共用一接地线,则称重仪表地线或某一个传感器地线入地电流的变化,就会在这条公共接地线始端产生电位变化,从而对其它单元产生干扰。为提高接地的可靠性,避免对地电流引入的阻抗噪声,接地线不能串联使用,可采朋共用一组接地装置的并联方法。只要接地线尽量粗,布置对称并减少线路电阻,就能保证共接地电位不变。通过以上分析,为减少地电位变化引入的干扰,应采用信号线屏蔽系统单端入地,并加大接地线截面积(一般应大于6mm2),以减少接地线电阻。

3抗干扰技术和措施

干扰问题的形成是因为干扰源的存在,抗干扰的原则就是抑制干扰源。这些干扰源发出的噪声通过一定的耦合通道,对仪表系统产生影响。为了避免和减少干扰的影响,在设计仪表时就应考虑其抗干扰能力,而找出并采取措施消除干扰源,也是同等的重要。

为防止干扰的传播和耦合,常用抑制干扰源的措施有:信号导线的扭绞、屏蔽、接地(即为干扰信号提供泄放通路)、浮置(即阻断干扰信号的通路)、平衡、滤波和隔离等。其中,屏蔽(即静电屏蔽和磁场屏蔽两种)、屏蔽接地技术和措施是本文所要重点介绍的。因为尽管日益先进的仪表技术可采用各种相应的措施来抑制各种噪声,但以消除干扰源为目的的屏蔽和屏蔽接地技术,对绝大多数类型的干扰信号,都是一种有效的抑制手段,尤其对变化频率与称重信号一致的干扰信号,仪表技术就无法抑制,只有强化屏蔽措施,如双层屏蔽或同轴电缆等措施予以克服。

3.1称重传感器的接地

称重传感器与大地之间可以完全浮地,也可以通过外壳上的接地螺钉与接地桩有可靠稳定的连接,可视具体情况而定。如果不存在由接地导线传播途径引入的干扰,则对于一般电子衡器,传感器与安装底座之问不设置绝缘垫,而是与电子衡器的预埋铁板或地脚螺钉直接连接。为满足抗共模干扰的要求,传感器与大地之间应设置专用接地桩,并与传感器外壳可靠连接。

传感器妥善接地后,不但有效地抑制地电位变化引入的共模干扰,而且还能消除因空间电磁场、静电感应等影响因素而在桥路网络上产生的干扰信号,因为传感器外壳本身就是一个外屏蔽罩,可保护传感器的弹性体内部的应变片的电子线路。

3.2信号电缆的屏蔽和接地

仪表系统中的信号传输应用最普遍的是有线传输,有线传输方式中多数为电压传输。由于信号线上传输的低电平电压信号很弱,一般为mV级;并要且通过一定距离传输至称重仪表。因此除有用信号外,因各种原因,经常会有一些与被测信号无关的电压或电流存存,从而使干扰进入称重仪表。为减降信号传输环节引入的干扰噪声,可采取以下有效措施:

(1)信号电缆采用屏蔽电缆。在实践中,我们多将屏蔽层在仪表处单端接地,也可在传感器处接地。

(2)信号电缆应避开动力线。若现场无法与动力线远离,则只能采用电缆金属防护管道的隔离式屏蔽措施。应该注意的是,非磁性屏蔽体对50Hz工频的磁场无屏蔽效果。必要时可将信号线穿入铁管中,并把铁管接地。由于铁管磁阻很小,进入铁管的磁场会大大降低,使信号线得到磁屏蔽。

(3)电缆受到冲击、振动、弯曲时,其绝缘层与屏蔽层之间会产生局部的分离和摩擦,以致由于静电效应会在屏蔽层产生电荷运动。这种运动会以电容耦合、电磁耦合方式在信号线上产生噪声。必要时可采用同轴电缆加以克服。

一般情况下,信号电缆屏蔽层可采用图1所示的接地线路。

3.3称重显示仪表的屏蔽接地

称重仪表的抗干扰能力应从两个方面考虑:一是仪表的抗干扰设计,二是仪表内部线路与器件之间的抗于扰措施。以下主要介绍后者。

(1)电源变压器的屏蔽和接地

电源变压器会对表内的信号线路引起两方面干扰:一是220V/50Hz的民用电在初级线圈产生的磁通,不可能全部被有效地用于电压变换,铁心外会有漏磁通对测量线路形成干扰。二是由于种种原因,初级线圈引入的异常电压(如因交流电源负载突变等影响而进入仪表的高频干扰电压)、噪声电压(如因小功率电源变压器产生的泄漏电流能达数μA至数十μA,可引入50Hz且与信号叠加的工频干扰),可通过与二次线圈间的分布电容耦合,使次级输出电压发生变化,从而对各器件的工作电压产生变化或异常。针对这两种下扰途径,可分别采用以下措施:

a)可在变压器周围包一层两头焊接成短路的铜皮或绕一组短路线圈,以抵消漏磁场。

b)可在初级次级绕组间另缠一层开路线圈或开路铜箔,并把其中一端接地,使干扰由初级绕组通过对屏蔽层的分布电容直接流入地,以隔离初级端引入的异常电压和噪声电压对次级绕组的影响。(2)放大器的屏蔽和屏蔽接地

称重仪表的前置放大器是一个弱信号放大器。放大器周围存在杂散电磁场时,放大器的输入电路中某些重要元件处在这种变动的电场和磁场中,就会通过磁感应和静电感应产生干扰电压。为抑制外界的这种干扰,通常采用对称输入的差分放大器和单层浮置技术,将放大器设置在屏蔽罩内,屏蔽层与仪表外壳、放大器输入部分之间不作电气上的连接,而只单独引出一根导线,作为内屏蔽层保护端G与信号线屏蔽层连接。在技术要求更高的场合,可采用双层浮置技术。

4结束语

总之,屏蔽和屏蔽接地技术在电子称重系统抗干扰中的实际应用,有效地抑制了系统中绝大部分类型的干扰(噪声)。在具体实施中,通过对电子称重系统中的称重传感器、称重显示仪表和信号传输电缆等关键环节综合采用抗干扰措施、技术,大大提高了系统的抗干扰能力,使系统能在各种恶劣复杂的工作环境中长期稳定地工作,保证了电子称重系统的称量准确度和示值的稳定可靠。

 

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