仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计

李渊

摘 要：在工业生产过程中仪器仪表有着十分重要的作用价值，是对机械设备进行控制并体现其运行过程最为关键的一项工具设备，仪器仪表的可靠性及抗干扰性能将会对工业控制系统产生直接性的影响。因此在设计阶段便应大力加强对仪器仪表的可靠性及抗干扰的设计力度，并以此来保障电气系统的顺利运行。本文就针对仪器仪表的可靠性设计及抗干扰设计展开了具体的分析与探讨，希望可以为有关的仪器仪表系统运行管理提供一些有价值的参考。

关键词：仪器仪表；可靠性；抗干扰

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

随着当前相关技术手段的不断进步与发展，仪器仪表系统在工业生产当中的应用范围日渐增大，相应的技术水平也不断提高，系统本身所具备的功能性也日渐强大。与此同时，仪器仪表的应用条件却愈发苛刻，怎样能够提高系统运行可靠性与促进抗干扰性能的全面提升，现已成为仪器仪表设备的研究的一项关键性内容，下文将就针对仪器的可靠性设计与抗干扰设计展开具体分析。

1 仪器仪表的可靠性分析

在开展仪器仪表可靠性设计时，设计人员应就仪器仪表运行过程中的可靠性衡量系统展开全面性的分析，同时确定出相应的质量标准，确保设备的稳定性及质量可靠性能够得以有效增强，突出仪器仪表系统的实用价值。在所开展的仪器仪表可靠性设计方面，有关设计人员应重点加强对以下几项工作内容的有效控制：

（1）相关人员在设计过程中，须确保仪器仪表系统内部元器件具备良好的可靠性，促进系统精确性的全面提升，对于系统结构等内容予以精简处理，在确保能够完全符合儀器仪表元器件应用功能的基础之上，加强对其运行体系的合理优化与改进。精简处理阶段，技术人员应重点加强对仪器仪表系统可靠性指标的高度关注，全面提升工作效率与设计质量。

（2）设计人员还应不断提高对仪器结构设计的水平，大量应用以现代化的设计技术与处理工艺，推动仪器仪表设计达到更好的规范性与先进性，促进仪器仪表系统的设计质量能够得以显著提高，并促使系统的可靠性得以更好的加强，保留一部分的系统控制功能。

2 仪器仪表的抗干扰设计

2.1 干扰源

干扰的产生与干扰源密切相关，在仪器仪表的内部及外部均有发生的可能性。在仪器仪表外部，部分大功率的用电设备与电力设备均存在成为干扰源的可能，仪器仪表内部电源继电器、变压器、开关等也可能是干扰源。

干扰引入方式具体可分成以下几类：

（1）静电感应。在互相对应的两物体内，若某一物体的电位出现了改变，则会因为物体间的电容而导致另一物体电位也产生改变。干扰源是经由电容性耦合于回路当中所产生的干扰，其为两电场的互相作用所产生出的结果。在干扰源所形成的干扰通过电压形式发生时，干扰源和信号电路间便会出现电场耦合，此时干扰电压线电容耦合于信号电路处也便就产生出了干扰源。

（2）电磁感应。仪器仪表和信号源的连接导线、仪器仪表内部配线经由磁耦合从而在电路内部产生干扰。工程项目中经常应用到的大功率变压器、高压电网、交流电机等均存在有十分强烈的交变磁场，仪器仪表本身的闭合回路也正是基于此种类型的交变磁场，仪器仪表闭合回路所产生的干扰正是处于此类变化性的磁场内所产生出的感应电势。

（3）振动。导线在磁场内部运动之时，会形成一定的感应电动势，因而处于振动环境当中将信号导线能够维持良好的稳定性十分必要。

（4）脉冲电压干扰。这一种类型的干扰主要是作用在模拟电路外部，脉冲电压的发生源大都是处在电机、开关、继电器等感性负荷与出现放电的机器部位。

2.2 抗干扰设计

抗干扰方法多种多样。若想实现对干扰影响的有效抑制，应当针对干扰情况采取全面的分析评价，需在消除亦或是抑制噪声源、破坏干扰途径以及减弱接收电路对噪音的干扰敏感性等三方面来具体操作。

（1）共模干扰抑制。鉴于仪器仪表系统信号大都是低电平，因此，共模干扰会导致仪器仪表的信号发生畸变现象，并将由此产生出大量的错误现象。可采取以下措施避免共模干扰现象的发生。

为确保仪器仪表与信号源外壳的安全性，通常均需对其采取接地处理，确保其能够始终维持在零电位的状态下。信号源电路、仪器仪表系统需保证接地的稳定性，一旦所采取的接地方式不恰当，便会导致地回路导入干扰的出现。较为常见的一种情况便是两点接地导致地电位差的出现并造成共模干扰的发生。因而，仪器仪表回路大都是选用的在系统位置进行单点接地的方式。就这一层面而言，要想将地电位差所产生的干扰完全消除是不切实际的。因此，为了促进仪器仪表抗干扰能力的增强，一般在低电平测量仪器仪表内，将二次仪器仪表和地进行绝缘处理，从而使得共模干扰电压泄露途径被隔断，促使干扰无法进入到系统当中。在具体应用过程当中，大都是把屏蔽与接地联合起来加以运用，实现对绝大多数干扰情况的有效处理。若能够使屏蔽层在信号侧和仪器仪表侧均进行接地处理，那么地电位差便会经由屏蔽层而产生回路。众所周知，地电阻阻值小于屏蔽层电阻，因此在屏蔽层中便会出现电位梯度，经由屏蔽层与信号导线间的分布电容耦合于信号电路内，屏蔽层应进行单点接地，同时信号导线屏蔽层的接地同样也应当能够和系统接地处于同一侧的位置。

从本质上来说，二次仪器仪表外部保护主要是考虑到安全需求所进行的接地处理。但仪器仪表的输入一端以及外壳间必定会存在分布电容及漏阻抗，但浮地无法将泄露途径全部切断。因此，在必要时一般是采取双层屏蔽浮地保护形式，即为在仪器仪表外壳内再重新套入一个内部屏蔽罩体。这一内部屏蔽罩体和信号输入一侧甚至是外壳间均采取电气连接的方式，由内屏蔽层引出导线来和信号导线的屏蔽层互相连接起来，信号线则可被屏蔽于信号源进行单点接地处理。由此便可利用仪器仪表的输入保护屏蔽和信号屏蔽来促使信号源保持良好的稳定性，使之长期保持在等电位的运行状态下，能够极大的促进仪器仪表抗干扰性能的全面提升。endprint

（2）串模干扰抑制。串模干扰和被测信号处于平等地位程度，出现串模干扰后很难做到彻底消除，因此应将关注的重点放到对串模干扰的有效抑制上。避免串模干扰的措施方法主要包括有：

1）滤波。针对变化速率较为迟缓的直流信号可在仪器仪表输入端新增滤波电路，以确保所混杂于其中的干扰信号能够降至最低。但在具体的工程设计阶段，此类方法应用的相对较少。

2）屏蔽。为避免电场干扰的产生，可将信号导线采用金属进行包裹。一般是在导线外部包裹一层金属网。采取屏蔽处理主要是为了将“场”的耦合切断，实现对各类“场”干扰的有效抑制。屏蔽层必须予以接地，避免干扰现象的发生。

3）信号导线扭绞。因为将信号导线扭绞起来可促使信号回路的包围面积大幅度降低，并且可确保两根信号导线至干扰源的距离大致接近，分布电容亦可基本一致，使通过磁场和电场的感应耦合进到回路内的串模干扰大幅度降低。

上述几类方法所重点针对的是无法规避的干扰场，出现后的被动抑制的干预措施，然而在实际的应用过程中，应注意尽可能防止干扰场的产生。例如将信号导线与动力线尽可能保持一定的距离；科学布设线路，降低杂散磁场的出现可能性；针对变压器等有关电器元件实施一定的屏蔽处理。

3 结束语

总而言之，仪器仪表所应用的环境不同，所面临着的干扰源也会有所差异。一般在工业生产中，测量系统除过系统本身所受到的干扰影响外，还应当对电气设备放电干扰与设备接通及断开所导致的电压，亦或是电流急变所产生干扰予以重点关注。在针对仪器仪表系统在开展设计与测试工作时，不仅要依据仪器仪表本身特点开展设计，同时还应结合其所应用的环境来具体分析，使得在具体条件下所产生出的干扰因素能够被及时找出，并做出更加针对性的抗干扰设计，以加强对仪器仪表系统可靠性及抗干扰性能的全面提升。

参考文献：

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