日常工作中的温度仪表采取的抗干扰措施

 

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，热电偶的热电势是温度仪表的工作信号，仪表根据这个信号的大小而指示相应的温度值。但是如果由于磁场，漏电流或其它因素的影响，在放大器输入端出现一个附加信号，放大器会同样把它放大，而这个信号不是我们所需要的工作信号，这就是干扰信号。干扰大致可能对仪表带来下列影响:示值误差增大和不稳定;灵敏度下降，不灵敏区增大;指针(指针式仪表)运行迟钝，满行程时间增加;带有电接点式附加装置的仪表由于指针在设定点附近摆动，会引起电磁继电器跳动不停。

 

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热电偶测量温度，在高温时电炉中的耐火砖、热电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，这时热电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

不论是串模干扰还是共模干扰，在测温现场中都是存在的。要免除这些影响，应在两个方面采取措施:一方面要积极设法消除干扰的来源或在可能范围内把它减弱到最小的限度;另一方面要设法提高仪表的抗干扰能力，使它在干扰较强的环境中能正常工作。

 

(1)抗串模干扰的措施:

        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)。

 

当信号线与低电压大电流的动力线(例如电焊、电镀、电加热设备的电源线)平行敷设时，主要干扰是磁场干扰。其干扰信号值可用下式计算:

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热电偶和补偿导线。

 

在仪表输入端加装滤波器，这是提高抗串模干扰的有力措施。

 

滤波是抑制干扰信号的有效手段。在前述各种抗干扰措施之下，如果仍有残余交流干扰信号，只有依靠滤波的办法消除。

 

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)抗共模干扰的措施

在现场使用共模干扰的产生主要是高温漏电所引起的，因此要防止这种干扰，着眼点应该是切断漏电流的途径或者尽可能地把它降低到最小值;其次是对主要线路采用等电位屏蔽。并合理安排一条漏电流通路，使它不致进入输入变压器。常用措施有下面几种:

 

①热电偶“悬空”

        所谓热电偶“悬空”就是使热电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。但是热电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热电偶。另外热电偶插入孔扩大后，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采用三线制热电偶

        从热电偶的工作端(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，所以热电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热电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热电偶中。

 

④热电偶保护管接地

        把热电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，而不再进入热电偶。这种方法简便，效果也比较好。

 

⑤旁路电容法

        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等电位屏蔽

        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热电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。