儀器儀表的可靠性分析及抗干擾設計

李淵

摘 要：在工業生產過程中儀器儀表有著十分重要的作用價值，是對機械設備進行控制并體現其運行過程最為關鍵的一項工具設備，儀器儀表的可靠性及抗干擾性能將會對工業控制系統產生直接性的影響。因此在設計階段便應大力加強對儀器儀表的可靠性及抗干擾的設計力度，并以此來保障電氣系統的順利運行。本文就針對儀器儀表的可靠性設計及抗干擾設計展開了具體的分析與探討，希望可以為有關的儀器儀表系統運行管理提供一些有價值的參考。

關鍵詞：儀器儀表；可靠性；抗干擾

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.011

隨著當前相關技術手段的不斷進步與發展，儀器儀表系統在工業生產當中的應用范圍日漸增大，相應的技術水平也不斷提高，系統本身所具備的功能性也日漸強大。與此同時，儀器儀表的應用條件卻愈發苛刻，怎樣能夠提高系統運行可靠性與促進抗干擾性能的全面提升，現已成為儀器儀表設備的研究的一項關鍵性內容，下文將就針對儀器的可靠性設計與抗干擾設計展開具體分析。

1 儀器儀表的可靠性分析

在開展儀器儀表可靠性設計時，設計人員應就儀器儀表運行過程中的可靠性衡量系統展開全面性的分析，同時確定出相應的質量標準，確保設備的穩定性及質量可靠性能夠得以有效增強，突出儀器儀表系統的實用價值。在所開展的儀器儀表可靠性設計方面，有關設計人員應重點加強對以下幾項工作內容的有效控制：

（1）相關人員在設計過程中，須確保儀器儀表系統內部元器件具備良好的可靠性，促進系統精確性的全面提升，對于系統結構等內容予以精簡處理，在確保能夠完全符合儀器儀表元器件應用功能的基礎之上，加強對其運行體系的合理優化與改進。精簡處理階段，技術人員應重點加強對儀器儀表系統可靠性指標的高度關注，全面提升工作效率與設計質量。

（2）設計人員還應不斷提高對儀器結構設計的水平，大量應用以現代化的設計技術與處理工藝，推動儀器儀表設計達到更好的規范性與先進性，促進儀器儀表系統的設計質量能夠得以顯著提高，并促使系統的可靠性得以更好的加強，保留一部分的系統控制功能。

2 儀器儀表的抗干擾設計

2.1 干擾源

干擾的產生與干擾源密切相關，在儀器儀表的內部及外部均有發生的可能性。在儀器儀表外部，部分大功率的用電設備與電力設備均存在成為干擾源的可能，儀器儀表內部電源繼電器、變壓器、開關等也可能是干擾源。

干擾引入方式具體可分成以下幾類：

（1）靜電感應。在互相對應的兩物體內，若某一物體的電位出現了改變，則會因為物體間的電容而導致另一物體電位也產生改變。干擾源是經由電容性耦合于回路當中所產生的干擾，其為兩電場的互相作用所產生出的結果。在干擾源所形成的干擾通過電壓形式發生時，干擾源和信號電路間便會出現電場耦合，此時干擾電壓線電容耦合于信號電路處也便就產生出了干擾源。

（2）電磁感應。儀器儀表和信號源的連接導線、儀器儀表內部配線經由磁耦合從而在電路內部產生干擾。工程項目中經常應用到的大功率變壓器、高壓電網、交流電機等均存在有十分強烈的交變磁場，儀器儀表本身的閉合回路也正是基于此種類型的交變磁場，儀器儀表閉合回路所產生的干擾正是處于此類變化性的磁場內所產生出的感應電勢。

（3）振動。導線在磁場內部運動之時，會形成一定的感應電動勢，因而處于振動環境當中將信號導線能夠維持良好的穩定性十分必要。

（4）脈沖電壓干擾。這一種類型的干擾主要是作用在模擬電路外部，脈沖電壓的發生源大都是處在電機、開關、繼電器等感性負荷與出現放電的機器部位。

2.2 抗干擾設計

抗干擾方法多種多樣。若想實現對干擾影響的有效抑制，應當針對干擾情況采取全面的分析評價，需在消除亦或是抑制噪聲源、破壞干擾途徑以及減弱接收電路對噪音的干擾敏感性等三方面來具體操作。

（1）共模干擾抑制。鑒于儀器儀表系統信號大都是低電平，因此，共模干擾會導致儀器儀表的信號發生畸變現象，并將由此產生出大量的錯誤現象。可采取以下措施避免共模干擾現象的發生。

為確保儀器儀表與信號源外殼的安全性，通常均需對其采取接地處理，確保其能夠始終維持在零電位的狀態下。信號源電路、儀器儀表系統需保證接地的穩定性，一旦所采取的接地方式不恰當，便會導致地回路導入干擾的出現。較為常見的一種情況便是兩點接地導致地電位差的出現并造成共模干擾的發生。因而，儀器儀表回路大都是選用的在系統位置進行單點接地的方式。就這一層面而言，要想將地電位差所產生的干擾完全消除是不切實際的。因此，為了促進儀器儀表抗干擾能力的增強，一般在低電平測量儀器儀表內，將二次儀器儀表和地進行絕緣處理，從而使得共模干擾電壓泄露途徑被隔斷，促使干擾無法進入到系統當中。在具體應用過程當中，大都是把屏蔽與接地聯合起來加以運用，實現對絕大多數干擾情況的有效處理。若能夠使屏蔽層在信號側和儀器儀表側均進行接地處理，那么地電位差便會經由屏蔽層而產生回路。眾所周知，地電阻阻值小于屏蔽層電阻，因此在屏蔽層中便會出現電位梯度，經由屏蔽層與信號導線間的分布電容耦合于信號電路內，屏蔽層應進行單點接地，同時信號導線屏蔽層的接地同樣也應當能夠和系統接地處于同一側的位置。

從本質上來說，二次儀器儀表外部保護主要是考慮到安全需求所進行的接地處理。但儀器儀表的輸入一端以及外殼間必定會存在分布電容及漏阻抗，但浮地無法將泄露途徑全部切斷。因此，在必要時一般是采取雙層屏蔽浮地保護形式，即為在儀器儀表外殼內再重新套入一個內部屏蔽罩體。這一內部屏蔽罩體和信號輸入一側甚至是外殼間均采取電氣連接的方式，由內屏蔽層引出導線來和信號導線的屏蔽層互相連接起來，信號線則可被屏蔽于信號源進行單點接地處理。由此便可利用儀器儀表的輸入保護屏蔽和信號屏蔽來促使信號源保持良好的穩定性，使之長期保持在等電位的運行狀態下，能夠極大的促進儀器儀表抗干擾性能的全面提升。endprint

（2）串模干擾抑制。串模干擾和被測信號處于平等地位程度，出現串模干擾后很難做到徹底消除，因此應將關注的重點放到對串模干擾的有效抑制上。避免串模干擾的措施方法主要包括有：

1）濾波。針對變化速率較為遲緩的直流信號可在儀器儀表輸入端新增濾波電路，以確保所混雜于其中的干擾信號能夠降至最低。但在具體的工程設計階段，此類方法應用的相對較少。

2）屏蔽。為避免電場干擾的產生，可將信號導線采用金屬進行包裹。一般是在導線外部包裹一層金屬網。采取屏蔽處理主要是為了將“場”的耦合切斷，實現對各類“場”干擾的有效抑制。屏蔽層必須予以接地，避免干擾現象的發生。

3）信號導線扭絞。因為將信號導線扭絞起來可促使信號回路的包圍面積大幅度降低，并且可確保兩根信號導線至干擾源的距離大致接近，分布電容亦可基本一致，使通過磁場和電場的感應耦合進到回路內的串模干擾大幅度降低。

上述幾類方法所重點針對的是無法規避的干擾場，出現后的被動抑制的干預措施，然而在實際的應用過程中，應注意盡可能防止干擾場的產生。例如將信號導線與動力線盡可能保持一定的距離；科學布設線路，降低雜散磁場的出現可能性；針對變壓器等有關電器元件實施一定的屏蔽處理。

3 結束語

總而言之，儀器儀表所應用的環境不同，所面臨著的干擾源也會有所差異。一般在工業生產中，測量系統除過系統本身所受到的干擾影響外，還應當對電氣設備放電干擾與設備接通及斷開所導致的電壓，亦或是電流急變所產生干擾予以重點關注。在針對儀器儀表系統在開展設計與測試工作時，不僅要依據儀器儀表本身特點開展設計，同時還應結合其所應用的環境來具體分析，使得在具體條件下所產生出的干擾因素能夠被及時找出，并做出更加針對性的抗干擾設計，以加強對儀器儀表系統可靠性及抗干擾性能的全面提升。

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