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    日常工作中的溫度儀表采取的抗干擾措施

    來源:www.jz82524.com作者:發表時間:2018-03-23 12:51:04

     摘 要:溫度儀表廣泛應用于各行各業,如在實際測量過程中不能正確使用測溫度儀表,便會產生測量誤差。本文重點探討了干擾產生的原因,并提出了針對溫度儀表專門的抗干擾措施。溫度儀表使用者可參考本文對日常工作中的溫度儀表采取相應的抗干擾措施。

     
    1 引言
            溫度儀表廣泛應用于工業部門和科研機構,是具有自動指示、記錄、調節溫度的主要儀器;但它對于外界干擾十分敏感,由于外界干擾的引入,會使原本性能良好的儀表誤差增大,示值不穩定,速度變慢,甚至使儀表不工作。因此了解干擾的來源及其消除方法,對于使用來說有很重要的意義。
     
    2 干擾信號對溫度儀表的影響
            在正常情況下,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,而這個信號不是我們所需要的工作信號,這就是干擾信號。干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 干擾信號的分類
    溫度儀表的現場使用過程中,產生干擾的因素是多方面的,干擾引入點也是變化多端的,但可以歸納為兩大類:串模干擾和共模干擾,如圖 1 所示。
            (1)串模干擾:是指由兩條信號線本身作為回路時,由于外界干擾源或設備內部本身耦合而產生的干擾信號。在一般情況下,串模干擾電壓約在幾毫伏到幾十毫伏的范圍之內。在大功率變壓器、交流電動機、強電流導線等的周圍都有較強的交變磁場,如果補償導線在其附近通過,就會受到這些交變磁場的影響,從而在輸入回路中感應出交變電動勢,形成串模干擾。
    串模干擾
            (2)共模干擾:是指干擾電壓出現于儀表輸入端(正端或負端)對地之間的交流信號,在一般情況下共模干擾電壓大多在幾伏到幾十伏的范圍之內。使用氧化鋁或瓷質保護套管的熱電偶測量溫度,在高溫時電爐中的耐火磚、熱電偶保護管和熱電極絕緣管的絕緣性能逐漸下降,甚至有些絕緣體會變成導電體,這時熱電偶與地之間就會出現因高溫漏電而產生的共模干擾電壓。
     
    4 抗信號干擾可采取的措施
    不論是串模干擾還是共模干擾,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干擾的來源或在可能范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干擾能力,使它在干擾較強的環境中能正常工作。
     
    (1)抗串模干擾的措施:
            熱工控制儀表的電信號都是低電壓小電流,從導線電負荷上考慮,并不需要很大的截面積。但因工業現場距離較遠,環境惡劣,為使電阻較小,并有足夠機械強度,通常都選用截面積不小于1mm 2 的多股導線。多股導線的好處是柔軟易彎曲。根據抗干擾的要求,可以用雙絞線、平行線、屏蔽線或同軸電纜。信號導線長度大,最容易受電場干擾和磁場干擾,如果附近有和它平行的動力線,僅就電場干擾而論,就有下式的關系:
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    式中:e s —電場干擾信號(mV);L—平行敷設的長度(m);C—等效分布電容(μF/m);R e —信號源內阻和負載電阻的并聯值(Ω);K—信號線系數;U—干擾源的電壓(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,主要干擾是磁場干擾。其干擾信號值可用下式計算:
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    式中:e m —磁場干擾信號(mV);L—平行敷設導線的長度(m);D—信號線與動力線的距離(mm);I—動力線上的電流(A);K—信號線系數。
     
    用雙絞線傳輸信號可以消除電磁場的干擾。有屏蔽層的導線對于磁場干擾來說并無減弱作用,這是因為一般屏蔽層為銅絲編織而成,對磁場干擾的防止全然無效,它是專為預防電場干擾制造的。對于磁場干擾必須用鐵管屏蔽。穿在鐵管中的導線,由于鐵管的接地已兼有電場屏蔽的作用,故管內無需再用屏蔽導線。這樣磁力線將沿著磁阻很小的鐵管通過,而不致切割鐵管內的熱電偶和補償導線。
     
    在儀表輸入端加裝濾波器,這是提高抗串模干擾的有力措施。
     
    濾波是抑制干擾信號的有效手段。在前述各種抗干擾措施之下,如果仍有殘余交流干擾信號,只有依靠濾波的辦法消除。
     
    濾波電路有兩類,即單純用 RC 電路構成的無源濾波器和有運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。下面以一個簡單的RC 電路,介紹濾波原理。單純用 RC 電路構成的“L”形無源濾波器如圖2 所示。
    “L”形無源濾波器
    在儀表輸入端裝濾波器,主要考慮對常見的50Hz 工頻干擾的抑制。根據電路的分壓公式
     

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    當 ω/ω 0 = 10,輸出為輸入的 1/10。為了提高濾波效果,不外乎增大 RC 的乘積,但 C 增大,會使電容器的體積增大,如果增大 R 值,對有效信號的衰減也增大了,降低了儀表的靈敏度。為了使儀表的靈敏度不致因采用 RC 濾波器而下降太多,就要求放大器具有較高的輸入阻抗和放大倍數。同時,隨著時間常數 RC 的增加,對儀表的快速性帶來了不利影響,但對增加儀表的穩定性卻有一些好處。
     
    (2)抗共模干擾的措施
    在現場使用共模干擾的產生主要是高溫漏電所引起的,因此要防止這種干擾,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。并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“懸空”
            所謂熱電偶“懸空”就是使熱電偶不與電爐的耐火磚接觸。這種方法可以切斷漏電流流入的途徑,抗干擾效果很好。但是熱電偶套管在高溫下使用容易發生彎曲變形,很難長時間不與耐火磚接觸,不適用于水平插入安裝的熱電偶。另外熱電偶插入孔擴大后,將使散熱量增大,使得測量部位的溫度低于爐內溫度,從而造成測量誤差。
     
    ②放大器“浮空”
            將放大器和儀表外殼(大地)絕緣隔離,這也是切斷共模干擾途徑的一個措施。但實際上很難做到這一點,因為變壓器、放大器以及測量系統和所有連接導線對地之間存在分布電容和漏電阻。所以單純采用這種方法不能把干擾完全排除,而要和其它措施配合使用。
     
    ③采用三線制熱電偶
            從熱電偶的工作端(熱端)引出一條金屬線接地,這樣共模干擾電壓將被短接。因為接地線的電阻很小,所以熱電偶對地幾乎處于同一電位。這對消除共模干擾效果很好。加接的金屬線應使用耐高溫并對熱電偶不產生有害影響的材料。這種方法常用于帶氧化鋁保護套管的鉑銠熱電偶中。
    三線制熱電偶原理圖
     
    ④熱電偶保護管接地
            把熱電偶的金屬保護管接地,對消除共模干擾效果也很顯著。因為套管接地后,干擾電流沿保護管通地,而不再進入熱電偶。這種方法簡便,效果也比較好。
     
    ⑤旁路電容法
            這個方法是在補償導線的一端通過一個足夠大的電容接地使干擾電流通過電容 C 旁路,以降低共模干擾的電壓,如圖 3 所示。這個方法在干擾不太強時有一定效果,但是當干擾電壓較強,兩接地之間的電阻較大時,其效果就不顯著。
     
    ⑥等電位屏蔽
            測量系統的導線與它的屏蔽層存在分布電容和漏電阻,輸入變壓器初組繞阻與它的屏蔽層也存在分布電容與漏電阻。如果屏蔽層接地,那么就成為泄漏途徑。漏電流通過測量橋路或輸入變壓器而造成干擾見圖為避免這種漏電流的產生,可以把屏蔽層不接地而改接至熱電偶輸入端負極或正極這樣屏蔽層就與測量系統的電位相等,它們之間沒有電位差,因而就不會有漏電流出現,如圖 4 所示。
    等電位屏蔽圖
    5 總結
            可見信號干擾會影響溫度儀表的測量結果,測量數據的不準確會給產品質量、生產安全等帶來不利的后果。因此使用人員在日常工作中要分析干擾信號產生的原因,并采取相應的措施,確保數據的準確可靠。
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