仪表系统抗干扰技术.ppt

仪表系统抗干扰技术 仪表系统抗干扰技术 一 概述电磁兼容是一门新兴的综合性学科 主要研究电磁干扰和抗干扰的问题 即怎样使在同一电磁环境下工作的各种电子电气设备 器件或系统 都能正常工作 互不干扰 达到兼容状态 一 电磁兼容性的定义 仪表或系统的电磁兼容性电磁兼容性 EMC EMC E1ectromagneticCompatibility 主要是指仪表或系统在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态 即 该仪表或系统不会由于受到处于同一电磁环境中其他仪表或系统的电磁发射导致或遭受不允许的降级 也不会使同一电磁环境中其他仪表或系统 因受其电磁发射而导致或遭受不允许的降级 二 电磁兼容性对系统效能的影响 近年来随着科学技术的迅速发展 新型电子元器件不断出现 从电子管 半导体 集成电路到大规模集成电路 从模拟信号到数字信号 从简单的电子玩具到复杂的仪表控制装置 大型计算机和控制装置 使用的电磁环境愈来愈复杂 尤其是飞机 舰艇 导弹 通信系统和卫星等武器装备及电站控制系统等所面临的电磁环境更加严峻 这些使用场合中的电磁兼容性问题 已经成为完成某种功能的突出障碍 实际情况表明 电磁骚扰现象已造成导弹早爆和哑弹 通信电台通信距离缩短和噪声增大 导航误差 雷达虚警 计算机误码 电站控制系统失控等等 因此 EMC技术在工程和使用中占有极其重要的地位 它的影响范围主要有 1 对精确度的影响2 对安全性的影响3 对设计准则的影响4 对可靠性的影响5 对质量保证的影响 三 仪表及系统电磁兼容性主要研究内容 仪表或系统的电磁兼容性包括的范围非常广泛 主要有以下几个方面内容 1 电磁骚扰源特性和敏感性 2 各类仪表或系统电磁兼容性的指标 3 电磁兼容的测量与试验技术 4 电磁骚扰的传输特性 5 电磁危害效应 6 电磁骚扰抑制技术 降低敏感技术 7 系统电磁兼容性 8 电磁骚扰和敏感性的分析和预测 9 电磁频谱的利用与管理 四 电磁骚扰性质 电磁骚扰的概念 电磁骚扰 EMI E1ectromagneticInterfere 是指任何能中断 阻碍 降低或限制通信电子设备有效性能的电磁能量 电磁骚扰本质上是不需要传导电流和电压 或者是不需要电场或磁场 在时域 电磁骚扰有瞬态的 冲击态的或稳态的三种状态 在频域 电磁骚扰频谱占有从电源频率 50Hz 60Hz 至微波频段很宽的频率范围 电磁骚扰信号按其频谱宽窄分为窄带和宽带两种 宽带信号又可分为相干和不相干信号 电磁骚扰源还可按起因分为自然骚扰源和人为骚扰源 对电磁骚扰和骚扰源分类便于认识骚扰源 确定接收器敏感性 标识骚扰源和接收器之间的耦合路径和有助于控制方法的决策 五 系统内部和系统间的电磁骚扰 电磁骚扰有可能发生在系统内部各部分之间 也可能存在与系统与外部环境之间 其中系统内电磁骚扰比系统间电磁骚扰容易预测和控制 1 系统间电磁骚扰 系统间电磁骚扰存在于系统与外部电磁环境之间 产生系统间电磁环境的因素主要有 自然无线电躁声环境 信号环境和人为躁声环境 2 系统内电磁骚扰 系统内电磁环境主要由系统各部分产生的信号环境和人为噪声环境所组成 在很多仪表和系统中 系统的一部分对另一部分来说 很可能是 敌对 环境 系统内骚扰耦合通道主要有 天线一天线 天线一线缆 机壳一机壳 线一线 属于辐射耦合 和共阻抗 为传导耦合 二 抗干扰技术 一 干扰现象 二 干扰传播途径 三 抗干扰措施 一 干扰现象 1 定义和种类 干扰的定义 由外部躁声和无用电磁波在接收中所造成的骚扰 在仪表或控制系统中所称的 躁声 是对有用信号以外的所有电子信号的一个总称 干扰 即躁声 种类 躁声种类有很多种 分类方法也不同 一般按起因分为自然骚扰源和人为骚扰源 人为躁声 火花放电躁声 脉冲式躁声 开关式躁声和电波躁声等等 如生产装置电气设备启停和大功率设备使用时所产生的躁声 自然躁声 大气躁声 太阳系躁声和宇宙躁声 2 干扰现象在仪表或系统中 除了有用信号外 其他信号均可以认为是干扰信号 譬如 绝缘泄露电流 导致绝缘性能下降 分布电容电流 影响有用信号 受磁力线感应产生感应电流 耦合在有效信号中 强电器件之间的放电电流 损坏仪表器件 二 干扰传播途径 干扰可能来自于空间 如电磁辐射 也可能是其他信号的耦合 如静电耦合 电磁耦合 公共阻抗耦合等 或是设备之间产生了互感 1 干扰形成的三要素 骚扰源 耦合通道和接收器 骚扰源的发射可以是传导电压或电流 也可以是通过空间传播的电场或磁场 接收器响应一般有线性响应与非线性响应两种情况 源和接收器之间的耦合方式分成两大类 辐射耦合 传导耦合 对于上述构成骚扰的三要素 三者只要消除其一 干扰现象就不会发生 所以电磁兼容性设计就是从分析骚扰源 骚扰传递途径以及被骚扰对象出发 根据工程上要求 采取有效措施 抑制骚扰源 消除骚扰的耦合和提高仪表或系统的抗骚扰能力 例如 仪表或系统传递干扰的途径 上图中各符号所表示 电源线的传导骚扰 信号线的传导骚扰 仪表或系统的直接向外辐射或接受骚扰 电源线作为天线向外辐射或接受骚扰 信号线作为天线向外辐射或接受骚扰 仪表或系统内部的骚扰 地线混入的骚扰 2 干扰传播的主要途径 共阻抗耦合 电感性耦合 电容性耦合 共阻抗耦合 当骚扰源和被骚扰仪表或系统的电流流经一个公共阻抗时 骚扰源中的任何变化都会在公共线路阻抗上产生相应的电压降 会影响被骚扰仪表或系统 图所示的是公共阻抗耦合的示意图 Z1和Z2分别表示两个仪表 电路 的等效电阻 它们的公共地线连接端G上产生的电压可等效为Z1和Rc对电源V的分压以及Z2和Rc对电源v的分压 若Z1 Z2 Z1与Z2彼此产生干扰 若G端作为输出的公共点 对输出信号也有影响 电感性耦合 电感性耦合又称电磁耦合或磁场耦合 它是由于二个电路之间存有互感 使一个电路的电流变化通过磁交连影响到另一电路 例如 图中电源线中的电流产生的磁场与信号线回路通过磁交连耦合引起骚扰 电容性耦合 电容性耦合又称静电耦合 它是由两个电路之间存在分布电容 使一个电路的电荷影响另一个电路 印制电路上各线之间 变压器一 二次侧之间都有分布电容存在 骚扰可能通过这电容进人仪表或系统中去 如图所示 由于测量系统的信号线与动力线有一段相平行 信号线路与动力线之间存在寄生电容 动力线产生的骚扰就会通过寄生电容耦合到测量系统的信号线上形成骚扰 三 抗干扰措施 1 仪表或系统板级层次的抗干扰措施2 仪表或系统级层次的抗干扰措施3 软件抗干扰措施4 仪表或系统应用中的抗干扰措施 1 仪表或系统板级层次的抗干扰措施 1 元件的选择和电路设计构成电路的基本单元是元器件 选择合适的元器件和电路设计是抑制干扰的基本保证 电阻 电容 电感 二极管 集成电路 2 印刷电路板的布线技术 分割 接地技术 布局布线技术 3 单片机电源抗干扰技术 采用交流滤波和快速响应式交流变压器 采用隔离变压器 采用低通滤波器 采用分级供电方式 其他措施 2 仪表或系统级层次的抗干扰措施 屏蔽技术屏蔽一般分为三种 静电屏蔽 磁屏蔽和电磁屏蔽 原则上 屏蔽体要单点接地 在仪表内部选择一个专用的屏蔽接地端子 所有屏蔽体都单独引线到该端子上 而用于连接屏蔽体的线缆必须具有绝缘护套 仪表机箱可以作为屏蔽体 可以采用金属材料制作箱体 采用塑料机箱时 可在塑料机箱内壁喷涂金属屏蔽层 隔离技术仪表中采用的隔离技术分两类 空间隔离和器件性隔离 屏蔽技术是对仪表实施一种包裹性措施 以排除静电 磁场和电磁辐射的干扰 而空间隔离是把屏蔽体内部构成互扰的各环节孤立起来或间隔一段距离 抑制干扰 器件性隔离一般有隔离放大器 信号隔离变压器和光电耦合器 这些是通过电 磁 电 光 电的转换达到有效信号与干扰信号的隔离 接地技术仪表中所谓的地 是一个公共基准电位点 可以理解为一个等电位点或等电位面 该公共基准点应用于不同的场合 就有不同的名称 如大地 系统 基准 地 模拟 信号 地和数字 信号 地等 接地的目的 安全性和抑制干扰 接地分为 保护接地 屏蔽体接地和信号接地 滤波技术根据干扰的频率与被测信号频率的分布特性 选用低通 高通或带通滤波器 滤波器有两种 由电阻 电容和电感构成的无源滤波器 基于反馈式运算放大器的有源滤波器 一般干扰的频率比测量信号大 常采用有源或无源低通滤波器 3 软件抗干扰措施 1 数字滤波尽管许多硬件抗干扰措施被采用 但外界的干扰信号总是或多或少地进人系统中 一种补救的方法就是采用数字滤波技术 如程序判断滤波 中位滤波 算术平均滤波和加权平均滤波等 2 指令冗余干扰信号还未作用到CPU本身 CPU还能正确地执行各种数字滤波程序 如果干扰信号已经通过某种途径作用到了CPU上 CPU就不能按正常状态执行程序 从而引起混乱 这就是通常所说的程序 跑飞 程序 跑飞 后往往将一些操作数当作指令码来执行 从而引起整个程序的混乱 采用指令冗余是使 跑飞 的程序恢复正常的一种措施 所谓指令冗余 就是在一些关键的地方人为地插入一些单字节的空操作指令NOP 当程序 跑飞 到某条单字节指令上时 就不会发生将操作数当成指令来执行的错误 3 软件陷阱 采用指令冗余使 跑飞 的程序恢复正常是有条件的 首先 跑飞 的程序必须落到程序区 其次必须执行到所设置的冗余指令 如果 跑飞 的程序落到非程序区 如EPROM中未用完的空间或某些数据表格等 或在执行到冗余指令之前已经形成了一个死循环 则指令冗余措施就不能使 跑飞 的程序恢复正常了 这时可以采用另一种软件抗干扰措施 即所谓软件陷阱 软件陷阱是一条引导指令 强行将捕获的 跑飞 程序引向一个指定的地址 在那里有一段专门处理错误的程序 4 程序监视定时器 如果 跑飞 的程序落到一个临时构成的死循环中时 冗余指令和软件陷阱都将无能为力 为了防止死循环 经常使用程序监视定时器又称 看门狗 WATCHDOG 看门狗 用于监视程序正常运行 程序监视定时器有如下特征 本身能独立工作 基本上不依赖于CPU CPU只在一个固定的时间间隔内与之打一次交道 表明整个系统目前尚属正常 当CPU落入死循环之后 能及时发现并使整个系统复位 4 仪表及控制系统应用中的抗干扰措施 1 干扰源 来自空间的辐射干扰 来自系统外引线的干扰 来自空间的辐射干扰 空间的辐射电磁干扰 EMI 主要是由电力网络和电气设备的暂态过程 雷电 无线电广播 电视 雷达和通信产生的 通常称为辐射干扰 其分布极为复杂 它们对工业计算机系统的影响主要通过两条路径 一是直接对计算机内部的辐射 由电路感应产生干扰 二是对计算机外围设备及通信网络的辐射 由外围设备和通信线路的感应引入干扰 空间电磁场对工业计算机系统的干扰如图 辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小 特别是频率有关 一般通过设置电缆和计算机局部屏蔽及高压泄放元件 限幅器等 进行保护 来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入 通常称为传输干扰 在我国工业现场较严重 系统外引线的干扰有以下几种途径 来自电源的干扰 来自信号线引入的干扰 来自接地系统混乱时的干扰 来自电源的干扰 供电电网干扰工业计算机系统的正常供电电源均由电网供电 因电网覆盖范围广 它将遭受所有电磁波的干扰而在线路上感应电压和电流 特别是电网内部的变化 如开关操作浪涌 大型电力设备起停 电网短路暂态冲击等 都将通过输电线路传至电源原边 计算机电源通常采用隔离电源 但其结构及制造工艺等因素使其隔离性能并不理想 实际上 由于分布参数特别是分布电容的存在 绝对隔离是不可能的 因电源引入的干扰造成工业计算机系统故障很多 这已为事实所证明 供电线路引入的干扰空中的电磁波 以及开关 电动机等电气设备产生的电火花激发的交变磁场 通过电源线把高频信号引入供电仪表而造成干扰 另外 若供电线路设计不合理 由于负荷变化 使电源电压波动造成对供电仪表干扰 来自信号线引入的干扰 主要有两种途径 一是通过传感器供电电源或共用信号仪表的供电电源即配电器串人的电网干扰 这往往被忽视 二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰 这都是很严重的 由信号引入的干扰会引起I O接口工作异常和测量精度严重降低 严重时将引起元器件损伤 对于隔离性能差的系统 还将导致信号间互相干扰 引起共地系统总线回流 造成逻辑数据变化 冲程 和死机 工业计算机系统因信号引人干扰造成I O模件损坏相当严重 由此引起系统故障的情况也很多 来自接地系统混乱时的干扰 工业计算机系统的地线包括模拟地 逻辑地 屏蔽地 交流地和保护地等 必须正确处理好 否则计算机系统将无法正常工作 计算机系统的几种接地形式图 信号接地时屏蔽层在非信号侧接地的混乱情况示意图 在电缆屏蔽层必须一点接地情况下 当信号源接地时 屏蔽层也应在信号侧接地 否则不但起不到对信号屏蔽空间电磁干扰作用 反而导致屏蔽体产生环流 加大对信号的干扰 当信号接地时 屏蔽层在非信号侧接地 因两侧地电位差Ui和电缆分布参数的存在 导致干扰环流Ii 干扰测量信号 屏蔽层两端接地的混乱情况示意图 若屏蔽层两端都接地 因两端地电位差Ui的存在 将在屏蔽体上感应干扰电流Ii 对信号产生干扰 4 仪表及控制系统应用中的抗干扰措施 2 抗干扰措施 隔离 屏蔽 绞线 对电源引入干扰的抑制 雷击保护 接地 设备选型 仪表电线电缆选用 隔离 隔离 包括两种含义 一为可靠的绝缘 另一是合理配线 可靠绝缘 即保证导线之间不会产生漏电流 所以要求导线绝缘材料的耐压等级 绝缘电阻必须符合规定 合理配线 即要求信号线尽量避开干扰源 合理配线要从以下几方面考虑 当动力线和信号线平行敷设时 两者必须保持一定的间距 两者交叉时要尽可能垂直 导线穿管敷设时 电源线和信号线应在不同的导线管内 不同信号幅值的信号线不宜穿在同一导线管内 在采用金属汇线槽敷设时 不同信号幅值导线 电缆与电源线需用金属隔板隔开 同一多芯电缆内不宜有不同信号幅值的信号线等 屏蔽 屏蔽是用金属导体把被屏蔽的元件 组合件 电路及信号线包围起来 这种方法对抑制电容性噪声耦合特别有效 现以两导线为例 说明屏蔽抑制干扰的原理 导线1为干扰源 对地电压为el 导线2加上屏蔽层 它和屏蔽层间的分布电容为C2s 而屏蔽层对地及导线1之间的分布电容分别为C2G C1s 从图中得出屏蔽层上的干扰电压为ec C1s C1s C2s el 由于C2s存在 导线2上的干扰电压值也是ec 如果把屏蔽层接地 则ec 0 因此 导线2上的噪声电压同样也减少到零 当然这是理想状况 实际上不可能是零 但是通过屏蔽接地大大抑制了干扰 这种方法的实质就是使导线1和导线2之间的耦合电容变为零 以切断耦合通道 导线管磁屏蔽非磁性屏蔽体对磁场无屏蔽效果 若把导线穿入钢制导线管内或者敷设在钢制加盖的汇线槽内 由于钢磁阻很小 如下图所示 使进入导线内部的磁力线大大降低 起到一定程度的磁屏蔽作用 绞线 用双绞线代替两根平行导线是抑制磁场干扰的一种行之有效的方法 其原理如图下所示 图中 号表示信号线周围干扰的磁力线方向 导线中箭头是感应电动势的方向 可以看出同一根导线相邻的两绞扭环所产生的感应电动势方向相反 相互抵消 导线绞扭得越紧 则绞扭环面积S越小 S中穿过的磁力线越少 若S 0 则穿过磁力线趋近于零 当然实际上不会是零 但可以缩小到很小 所以对于低电平的信号线 周围环境有磁场干扰源存在 采用这种类型的导线能起到很好的抑制作用 对电源引入干扰的抑制 通过电源线引入的噪声可用滤波电路抑制 需要时 对于仪表电源可以加隔离变压器 以隔断和电力系统的电的联系 雷击保护 架空信号电缆可能直接遭受雷击 但是多数情况是在信号电缆附近受到雷击 通过分布电容和电感耦合到信号线 使信号回路内产生很高的冲击电压 以致损坏设备和危及人身安全 如果信号线穿在接地的金属导线管内或者敷设在接地的封闭的金属汇线槽内 可得到良好的屏蔽 这种情况一般就不会发生 但是敷设到罐区 码头或者遥远设备的架空电缆 遭受雷击的可能性是存在的 为了保护设备和人身安全 可以装上保护设备 但在雷击区 由于雷击损坏仪表的现象增多 设计者应根据具体情况决定是否要采取保护措施 如多芯电缆的备用芯线应在一端接地 以防止雷击时像天线那样感应出高压 接地 全面考虑及设计完善的接地系统是工业计算机系统抗电磁干扰的重要措施之一 全系统采用统一的接地网 由于工业现场环境的限制 与办公用独立的单机系统不同 工业计算机系统与大量的过程信号相连接 而过程信号又往往在现场接地 如热电偶热端接地等 不可能设置完全隔离的独立的接地系统 因此 工业计算机系统的接地网与现场电气接地网共用 否则对突变电磁场 如雷雨 浪涌 等的冲击将给计算机带来更大的干扰 所有需要接地的点应通过接地线与接地网牢固连接 且连接应尽量靠近 信号屏蔽层的接地必须保证单点接地 信号源接地时 屏蔽层应在信号侧接地 不接地时 应在计算机侧接地 信号线中间有接头时 屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理 一定要避免多点接地 多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏电缆连接时 各屏蔽层应相互连接并经绝缘处理 选择适当的接地处单点接地 合理选择和敷设信号电缆 在仪表电线电缆选型时 除要考虑仪表类型和信号类型及信号电平外 还必须考虑环境干扰等因素 以保证仪表信号正确地传输 即 不同类型的信号分别由不同电缆传输 信号电缆按传输信号的种类分层敷设 例如 毫安级电流作为传输信号的仪表电动 型和电动 型仪表属于该类型 它们的传输信号分别为直流0 10mA和4 20mA 在二次仪表选用常规仪表时 电 型和电 型 一般情况下 这种信号线可以使用一般的电线或电缆 但在环境有较强的电场 磁场干扰时 宜用屏蔽绞合线 只有磁场干扰时可用绞合线 只有静电干扰时可用屏蔽线 用屏蔽线时 屏蔽线应在一点接地 在采用DCS 分散型控制系统 时 这种信号线两芯宜选用绞合屏蔽电缆 多芯宜选用对绞合对屏蔽加总屏蔽型电缆 所有屏蔽线应在一点接地 具有低电平信号输出的检出器 热电阻测温元件在采用常规仪表时 从热电阻到显示仪表的信号线一般采用聚氯乙烯绝缘 聚氯乙烯护套的屏蔽电缆 也可用一般的聚氯乙烯绝缘电线 在选用DCS时 单根宜选用绞合屏蔽电缆 多芯宜选用三线组绞合屏蔽加总屏蔽型电缆 热电偶测温元件热电偶到接收仪表之间传输信号是低于l00mV的低电平信号当显示仪表采用常规仪表时 其补偿导线一般采用屏蔽绞线对 或者是带总屏蔽层的多芯电缆 当选用DCS时 补偿导线宜选用屏蔽绞线对 补偿电缆宜选用对绞对屏总屏型 谢谢