石化行業(yè)儀器開(kāi)發(fā)中的干擾抑制技術(shù)

　　1 前言

　　儀器開(kāi)發(fā)必須考慮普適性，作為一個(gè)產(chǎn)品應能應用于各種各樣場(chǎng)合，也就是說(shuō)它不僅僅用在實(shí)驗室和辦公室，也可能被用在野外，礦山，或工業(yè)監測控制現場(chǎng)，可能周?chē)鷹l件優(yōu)越，也可能環(huán)境惡劣干擾頻繁，質(zhì)量就是生命，如何保證所開(kāi)發(fā)的儀器具有極高的抗干擾能力和可靠性及是研制者魂牽夢(mèng)繞的問(wèn)題。

　　工故使用儀器的苛刻運行環(huán)境主要表現在：工礦現場(chǎng)大耗能設備多，大功率特別是大感生負載的啟停往往會(huì )使電網(wǎng)產(chǎn)生幾百伏甚至幾千伏的尖脈沖干擾。工業(yè)電網(wǎng)欠壓或過(guò)壓，常常達到額定電壓的15%，這種惡劣的供電善有時(shí)長(cháng)達幾分鐘、幾小時(shí)，甚至幾天。在工礦現場(chǎng)，各種信號線(xiàn)如綁扎在一起或走同一根多芯電纜，由于導線(xiàn)間存在電容性耦合、電感性耦合世電場(chǎng)磁場(chǎng)組合耦合，也是儀器通道出現干擾的主要原因之一，特別是信號線(xiàn)與交流動(dòng)力線(xiàn)同走一個(gè)長(cháng)的管道中、干擾尤甚，多路開(kāi)關(guān)或保持器性能不好，也會(huì )引起儀器臨近通道信號的竄擾�？臻g各種電磁、氣象條件、雷電甚至地磁場(chǎng)的變化也會(huì )干擾得使儀器不能正常工作。此外現場(chǎng)溫度、濕度的變化可能引起電路參數的發(fā)跡腐蝕性氣體、酸堿鹽的作用，野外的風(fēng)沙、雨淋、甚至鼠咬蟲(chóng)蛀等都會(huì )影響儀器的可靠性。

　　儀器在現場(chǎng)運行所受到的干擾各種各樣，具體情況具體分析，對不同的干擾采取不同的措施，此乃抗干擾的決的原則。這種靈活機動(dòng)的策略與普適性無(wú)疑是矛盾的。解決的辦法應當采用模塊化的方法。除了基本構件外，針對不同的運行場(chǎng)合，儀器可裝配不同的選　件，以有效地抗干擾，提高可靠性。

　　2 尖峰干擾抑制技術(shù)

　　對儀器正常工作危害最嚴重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設備有：電焊機、大電機、可控機、繼電接觸器、帶鎮流器的充氣照明燈，甚至電烙鐵等。尖峰干擾常使智能儀器中的電腦“習程序”或“死機”可用硬件、軟件結合的辦法來(lái)抑制。

　　2.1 用硬件線(xiàn)路掏尖峰干擾的影響

　　有如下三種常用辦法：或在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均均衡的原理設計的干擾掏器，將尖峰電壓集中能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性，或在儀器交流電源輸入端加超級隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖;或在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻利用尖峰脈沖到來(lái)時(shí)電阻值減小，隆低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。

　　2.2 利用軟件方法抑制尖峰干擾

　　管者參與研制的我國第一臺聲發(fā)射售在北京某研究院做實(shí)驗時(shí)，旁邊有一個(gè)可控硅設備基工作。每周期，當可控硅一導通我們的聲發(fā)射信上就出現一個(gè)尖峰脈沖干擾。對于這種周期性干擾，我們編程進(jìn)行的時(shí)間濾波，也就是用程序控制在可控硅導通瞬間不采樣，從而有效地掏了干擾。

　　2.3 采用硬、軟件結合的看門(mén)狗(watchdog)技術(shù)抑制尖脈沖的影響

　　軟件方面這樣安排：只要在定時(shí)器定時(shí)到之前，CPU訪(fǎng)問(wèn)一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開(kāi)始計時(shí)，正常程序運行，該定時(shí)器望遠不會(huì )產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會(huì )起作用。一旦尖峰干擾出現了“飛程序”則CPU就不會(huì )在定時(shí)到之前訪(fǎng)問(wèn)定時(shí)器。因而定時(shí)到信號就會(huì )出現，引起系統復位中中斷，保證智能儀器回到正學(xué)程序上來(lái)。

　　3 噪聲干擾抑制技術(shù)

　　廣義上講，一切無(wú)用的信號都叫噪聲。噪聲客觀(guān)存在，從某種意義上說(shuō)，開(kāi)發(fā)儀器的過(guò)程自始至終就是和噪聲作斗爭的過(guò)程。

　　3.1 屏蔽技術(shù)

　　根據導線(xiàn)間電耦合、磁耦合及電磁耦合產(chǎn)生相互干擾的機現，在儀器布線(xiàn)方面應做到：強電的饋線(xiàn)必須單獨走，絕對不能和信號線(xiàn)混在一起;努力使強信號線(xiàn)與弱信號線(xiàn)正交;不能避開(kāi)的平稱(chēng)走線(xiàn)，應保持強信號線(xiàn)與弱信號線(xiàn)的距離是士氣地線(xiàn)內徑的40使用連接線(xiàn)方面應做到：針對電場(chǎng)耦合引起的干擾，采用無(wú)網(wǎng)孔的鋁箔屏蔽電纜且使兩端引線(xiàn)外露部分量短，同軸電纜單端接地;針對磁場(chǎng)耦合產(chǎn)生的干擾，采用雙絞線(xiàn)，讓法線(xiàn)相反的小回路面積相等，使磁場(chǎng)干擾的影響相互抵消;針對電磁耦合產(chǎn)生的干擾可采用結合雙絞線(xiàn)和同軸電纜兩者優(yōu)點(diǎn)的雙絞屏蔽對，此外在干擾源周?chē)�加上屏蔽體且將屏蔽體一點(diǎn)接地，可把電場(chǎng)開(kāi)成的干擾湖屏蔽掉，使之對鄰近導線(xiàn)或回路不產(chǎn)生干擾且可抑制磁場(chǎng)對弱信號回路可能造成的干擾。

　　3.2 濾波技術(shù)

　　濾波的本質(zhì)是擋住噪聲，只讓有效信號暢通，除了前面提到的時(shí)間濾波之外，還有波濾波、頻率濾波、幅度波波和空間濾波，無(wú)論哪種形式，其同點(diǎn)都是抓住噪聲和有效信號的差別去偽存真，現分述如下：

　　(1)波形濾波

　　這種方式是根據真假信號波形前沿陡度不同設置的，例如聲發(fā)射信號波形的前沿很耳，而噪聲的前沿卻不韋，我們可以利用兩上間限電路和一個(gè)計時(shí)電路進(jìn)行鑒別。外來(lái)的信號前沿超過(guò)下門(mén)限就妄動(dòng)計時(shí)，到達上門(mén)限就停止計時(shí)，再借助比較器和門(mén)電路，只有計時(shí)小于一定值的才是真信號，打開(kāi)門(mén)讓其進(jìn)到儀器中，否則便是噪聲，控制將其拒之門(mén)外。

　　(2)頻率濾波

　　這種謀劃　根據真假信號的頻率不同設置的，可分有濾源波器和無(wú)源濾波器兩大類(lèi)，每一類(lèi)又包括低通、高通、帶通、帶阻四種，視有效信號的噪聲和頻率決定采用哪種濾波器。

　　(3)幅值濾波

　　這種方式是建立在噪聲的幅度較小而有效信號幅度較大的基礎上的，利用比較器設置門(mén)檻電路，實(shí)現對幅值超過(guò)門(mén)檻的信號，開(kāi)門(mén)放行，將幅值低于門(mén)檻的信號作為噪聲擋住。

　　(4)空間濾波

　　這種方式是建立在已知有效信號源空間位置基礎之上的，來(lái)自 里的信號是有效信號，把其空間發(fā)出的信號都當作噪聲，可用符合和主從兩種方式鑒別。例如我們要用發(fā)射儀監視一條焊穎，就把傳感器對稱(chēng)放置在焊穎的兩邊，于是兩上傳感器同時(shí)收到的便是來(lái)自焊穎的信號，認為是真的，讓其進(jìn)到儀器中處理;而兩上傳感器不是同時(shí)收到的信號就是假的，不予處理。再例如我們要用聲發(fā)射儀監視一個(gè)區域，可以把傳感器分為主從兩類(lèi)，多個(gè)傳感器這樣設置，使來(lái)自監視區的信號讓從傳感器先收到，主傳感器后收到，相應設計線(xiàn)路保證主傳感器先收到的信號以真的對待，而從傳感器先收到的信號以假的論處。

　　(5)軟件濾波

　　程序實(shí)現濾波是智能儀器所獨有的，可對包括頻率很低(如0.01Hz)的干擾信號在內的各種干擾信號進(jìn)行濾波，一個(gè)數字濾波程序能為儀器多個(gè)輸入通道共用。常用的軟件濾波方法：

　　a:平均值濾波，即把M次采樣的自述平均值作為濾波器的輸出，也可以根據需要增加新鮮采樣的值的比重，形成加權平均值濾波。

　　b:中值濾波，即把M次連續采樣值進(jìn)行排序，取其中位值作為濾波器的輸出，這種方法對緩變過(guò)程的脈沖干擾濾波效果良好。

　　c:限幅濾波，這種方法是根據采樣周期和真實(shí)信號的正常變化率確定相鄰兩次采樣的最大可能差值Δ，將本次采樣和上次采樣的差值小于等于Δ的信號認為是有效信號，大于Δ的信號作為噪聲處理。

　　d:慣性濾波，此乃模擬PC濾波器的數字實(shí)現，適用于波罷頻繁的有效信號。

　　3.3 接地技術(shù)

　　為避免噪聲耦合，通常在儀器中應有3條分開(kāi)的地線(xiàn)：一條是低電平地線(xiàn)，一條是強電的地線(xiàn)(又稱(chēng)噪聲地線(xiàn))，一條是儀器機殼地線(xiàn)(又稱(chēng)“金屬件”地線(xiàn))視而不見(jiàn)條地線(xiàn)應在一點(diǎn)連接接地。

　　儀器的高電平線(xiàn)和低電平線(xiàn)不要接同一接插件，不得已用同一接插件時(shí)，應把地線(xiàn)和備用端子放在高低電平端子的中間。低電平電纜的屏蔽層要一端接地，屏蔽層外面要有絕緣層，以防與其它地線(xiàn)磁觸。兩條以上的屏蔽電纜共用一個(gè)接插件時(shí)，每條電纜的屏蔽層最好單獨用一個(gè)端子。

　　以上措施筆者在開(kāi)發(fā)智能供水裝置中均采用，效果良好。

　　3.4 電氣隔離技術(shù)

　　為防止高電壓、大電流、大功率等強電或長(cháng)輸線(xiàn)上產(chǎn)生的各種干擾信號進(jìn)入智能儀器內部，防礙正常工作，可使信息傳輸的路徑在電氣上隔離，亦即隔離前后兩部分線(xiàn)路之間無(wú)電氣上的連接，在電氣上是互相獨立的兩上系統，各自獨立的電源和參考電位，互相間毫不相關(guān)，靠非電方式(如磁、光等)來(lái)傳送信息。

　　(1)磁隔離的方法

　　常見(jiàn)磁隔離種類(lèi)有：隔離變壓器、電流為壓器、各種電壓電流互感器，調制觸調式隔離放大器�？捎脕�(lái)傳判定工關(guān)信號，也可用來(lái)傳遞交、緩變甚至是直流的模擬信號，在低頻范圍內實(shí)現理想傳輸，但也有速度慢，功耗大，會(huì )造成較高的頻率信號的損失及開(kāi)關(guān)信號的前沿耳度下降等缺點(diǎn)。

　　(2)光隔離的方法

　　光隔離的方法是采用肖傳遞信息進(jìn)行電氣隔離。由于光隔離的電氣絕緣性能極佳，光纜傳遞信號不易受處蜀如雷電、強磁場(chǎng)等的影響，所以是一種較理想的隔離方法。常見(jiàn)的光隔離器件有：光電開(kāi)關(guān)、光電隔離器、光纜、光觸發(fā)可控硅及模擬信號光電隔離裝置等。因為其功耗小、結構簡(jiǎn)單、工作可靠，故開(kāi)發(fā)智能儀器首選這種方法。

　　3.5 其他抗干擾技術(shù)

　　(1)穩壓技術(shù)

　　目前智能儀器開(kāi)發(fā)中常用的穩 壓電源有兩種：一種是由集成穩壓芯片提供的串聯(lián)調整電源，另一種是DC-DC穩 壓電源，這對防止電網(wǎng)電壓波動(dòng)干擾儀器正常工作有效。

　　(2)抑制共模干擾技術(shù)

　　采用差分放大器，提高差分放大器的輸入阻抗 或降低信號源內阻可大大降低共模干擾的影響。

　　(3)軟件補償技術(shù)

　　外界因素如姿態(tài)溫濕度變化等也會(huì )引起某些參數的變化，造成偏差。我們可以利用軟根據好的外界因素的變化和誤差由線(xiàn)進(jìn)行修正，去掉干擾，筆者在飛機燃油油量的計算機測量系統中有成功的應用。