日常工作中的溫度儀表采取的抗幹擾措施

 

1 引言

        温度仪表广泛应用于工业部门和科研机构，是具有自动指示、记录、调节温度的主要仪器;但它对于外界干扰十分敏感，由于外界干扰的引入，会使原本性能良好的仪表误差增大，示值不稳定，速度变慢，甚至使仪表不工作。因此了解干扰的来源及其消除方法，对于使用来说有很重要的意义。

 

2 干扰信号对温度仪表的影响

        在正常情况下，熱電偶的熱電勢是溫度儀表的工作信號，儀表根據這個信號的大小而指示相應的溫度值。但是如果由于磁場，漏電流或其它因素的影響，在放大器輸入端出現一個附加信號，放大器會同樣把它放大，而這個信號不是BC平台官网所需要的工作信號，這就是幹擾信號。幹擾大致可能對儀表帶來下列影響:示值誤差增大和不穩定;靈敏度下降，不靈敏區增大;指針(指針式儀表)運行遲鈍，滿行程時間增加;帶有電接點式附加裝置的儀表由于指針在設定點附近擺動，會引起電磁繼電器跳動不停。

 

3 干扰信号的分类

温度仪表的现场使用过程中，产生干扰的因素是多方面的，干扰引入点也是变化多端的，但可以归纳为两大类:串模干扰和共模干扰，如图 1 所示。

        (1)串模干扰:是指由两条信号线本身作为回路时，由于外界干扰源或设备内部本身耦合而产生的干扰信号。在一般情况下，串模干扰电压约在几毫伏到几十毫伏的范围之内。在大功率变压器、交流电动机、强电流导线等的周围都有较强的交变磁场，如果补偿导线在其附近通过，就会受到这些交变磁场的影响，从而在输入回路中感应出交变电动势，形成串模干扰。

        (2)共模干扰:是指干扰电压出现于仪表输入端(正端或负端)对地之间的交流信号，在一般情况下共模干扰电压大多在几伏到几十伏的范围之内。使用氧化铝或瓷质保护套管的熱電偶测量温度，在高温时电炉中的耐火砖、熱電偶保护管和热电极绝缘管的绝缘性能逐渐下降，甚至有些绝缘体会变成导电体，这时熱電偶与地之间就会出现因高温漏电而产生的共模干扰电压。

 

4 抗信号干扰可采取的措施

不論是串模幹擾還是共模幹擾，在測溫現場中都是存在的。要免除這些影響，應在兩個方面采取措施:一方面要積極設法消除幹擾的來源或在可能範圍內把它減弱到最小的限度;另一方面要設法提高儀表的抗幹擾能力，使它在幹擾較強的環境中能正常工作。

 

(1)抗串模幹擾的措施:

        热工控制仪表的电信号都是低电压小电流，从导线电负荷上考虑，并不需要很大的截面积。但因工业现场距离较远，环境恶劣，为使电阻较小，并有足够机械强度，通常都选用截面积不小于1mm 2 的多股导线。多股导线的好处是柔软易弯曲。根据抗干扰的要求，可以用双绞线、平行线、屏蔽线或同轴电缆。信号导线长度大，最容易受电场干扰和磁场干扰，如果附近有和它平行的动力线，仅就电场干扰而论，就有下式的关系:

式中:e s —电场干扰信号(mV);L—平行敷设的长度(m);C—等效分布电容(μF/m);Ｒ e —信号源内阻和负载电阻的并联值(Ω);K—信号线系数;U—干扰源的电压(V)。

 

當信號線與低電壓大電流的動力線(例如電焊、電鍍、電加熱設備的電源線)平行敷設時，主要幹擾是磁場幹擾。其幹擾信號值可用下式計算:

式中:e m —磁场干扰信号(mV);L—平行敷设导线的长度(m);D—信号线与动力线的距离(mm);I—动力线上的电流(A);K—信号线系数。

 

用双绞线传输信号可以消除电磁场的干扰。有屏蔽层的导线对于磁场干扰来说并无减弱作用，这是因为一般屏蔽层为铜丝编织而成，对磁场干扰的防止全然无效，它是专为预防电场干扰制造的。对于磁场干扰必须用铁管屏蔽。穿在铁管中的导线，由于铁管的接地已兼有电场屏蔽的作用，故管内无需再用屏蔽导线。这样磁力线将沿着磁阻很小的铁管通过，而不致切割铁管内的熱電偶和补偿导线。

 

在儀表輸入端加裝濾波器，這是提高抗串模幹擾的有力措施。

 

濾波是抑制幹擾信號的有效手段。在前述各種抗幹擾措施之下，如果仍有殘余交流幹擾信號，只有依靠濾波的辦法消除。

 

滤波电路有两类，即单纯用 ＲC 电路构成的无源滤波器和有运算放大器的有源滤波器。按频率特性又可分为低通、高通、带通及带阻滤波器。下面以一个简单的ＲC 电路，介绍滤波原理。单纯用 ＲC 电路构成的“L”形无源滤波器如图2 所示。

在仪表输入端装滤波器，主要考虑对常见的50Hz 工频干扰的抑制。根据电路的分压公式

 

 

当 ω/ω 0 = 10，输出为输入的 1/10。为了提高滤波效果，不外乎增大 ＲC 的乘积，但 C 增大，会使电容器的体积增大，如果增大 Ｒ 值，对有效信号的衰减也增大了，降低了仪表的灵敏度。为了使仪表的灵敏度不致因采用 ＲC 滤波器而下降太多，就要求放大器具有较高的输入阻抗和放大倍数。同时，随着时间常数 ＲC 的增加，对仪表的快速性带来了不利影响，但对增加仪表的稳定性却有一些好处。

 

(2)抗共模幹擾的措施

在現場使用共模幹擾的産生主要是高溫漏電所引起的，因此要防止這種幹擾，著眼點應該是切斷漏電流的途徑或者盡可能地把它降低到最小值;其次是對主要線路采用等電位屏蔽。並合理安排一條漏電流通路，使它不致進入輸入變壓器。常用措施有下面幾種:

 

①熱電偶“悬空”

        所谓熱電偶“悬空”就是使熱電偶不与电炉的耐火砖接触。这种方法可以切断漏电流流入的途径，抗干扰效果很好。但是熱電偶套管在高温下使用容易发生弯曲变形，很难长时间不与耐火砖接触，不适用于水平插入安装的熱電偶。另外熱電偶插入孔扩大后，将使散热量增大，使得测量部位的温度低于炉内温度，从而造成测量误差。

 

②放大器“浮空”

        将放大器和仪表外壳(大地)绝缘隔离，这也是切断共模干扰途径的一个措施。但实际上很难做到这一点，因为变压器、放大器以及测量系统和所有连接导线对地之间存在分布电容和漏电阻。所以单纯采用这种方法不能把干扰完全排除，而要和其它措施配合使用。

 

③采用三线制熱電偶

        从熱電偶的工作端(热端)引出一条金属线接地，这样共模干扰电压将被短接。因为接地线的电阻很小，所以熱電偶对地几乎处于同一电位。这对消除共模干扰效果很好。加接的金属线应使用耐高温并对熱電偶不产生有害影响的材料。这种方法常用于带氧化铝保护套管的铂铑熱電偶中。

 

④熱電偶保护管接地

        把熱電偶的金属保护管接地，对消除共模干扰效果也很显著。因为套管接地后，干扰电流沿保护管通地，而不再进入熱電偶。这种方法简便，效果也比较好。

 

⑤旁路電容法

        这个方法是在补偿导线的一端通过一个足够大的电容接地使干扰电流通过电容 C 旁路，以降低共模干扰的电压，如图 3 所示。这个方法在干扰不太强时有一定效果，但是当干扰电压较强，两接地之间的电阻较大时，其效果就不显著。

 

⑥等電位屏蔽

        测量系统的导线与它的屏蔽层存在分布电容和漏电阻，输入变压器初组绕阻与它的屏蔽层也存在分布电容与漏电阻。如果屏蔽层接地，那么就成为泄漏途径。漏电流通过测量桥路或输入变压器而造成干扰见图为避免这种漏电流的产生，可以把屏蔽层不接地而改接至熱電偶输入端负极或正极这样屏蔽层就与测量系统的电位相等，它们之间没有电位差，因而就不会有漏电流出现，如图 4 所示。

5 总结

        可见信号干扰会影响温度仪表的测量结果，测量数据的不准确会给产品质量、生产安全等带来不利的后果。因此使用人员在日常工作中要分析干扰信号产生的原因，并采取相应的措施，确保数据的准确可靠。