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如何有效抑制噪声对测温的影响

日期:2021-11-15
随着变频技术的不断发展,家电、电源、照明等领域对变频器的应用日益广泛,而干扰问题也随之而来。由于热电偶随温度变化产生的热电势非常微小,外界的干扰极易造成温度的波动。如何有效抑制噪声对测温的影响是工程师颇为棘手的问题。

图1 常见噪声来源和性质

从图1可以看出干扰源绝大部分来源于商用电源和高低频信号叠加。横河记录仪本身具备较强的抗干扰能力,配合外部的处理,可以有效实现噪声抑制。
干扰的成因
共模干扰
干扰来源于记录仪内的地线与信号源之间,同时加在输入端子 H、L 两端,所以如果测试电路完全对地绝缘,就不应受影响。如图2。
图2 共模电压 (示意图)
串模干扰
测试电路中发生的干扰。存在于输入端子H与L之间,叠加在真实信号上。如图3。
图3 串模电压 (示意图)
如何消除这些干扰呢?
当存在共模噪声ECM、噪声电流iHO和iLO经过ZHO和ZLO的接地阻抗以及ZCO的耦合阻抗,在输入端子H和L之间产生了串模噪声ENM。因此通常将共模噪声以这种方式转换为串模噪声的转换比率作为测量仪器的抗噪特性,称为共模抑制比。如图4。
图4  共模噪声转换为串模噪声的机制
根据图4可以得出串模噪声ENM的公式。
其中,
前提是假设E=0V,模块内部对地阻抗无穷大。
根据上面的公式可以总结出两条抑制串模噪声的经验:
1)尽可能减小接地阻抗ZHO和ZLO
2)尽可能增大耦合阻抗ZCO
噪声抑制的本质就是防止各种形式的共模噪声转换为串模噪声。
记录仪抗干扰性设计
光电耦合绝缘
理想状态下记录仪模块内部接地阻抗无穷大可实现对地的完全绝缘,但实际上测量输入端子内部H、L具有接线电阻RHI和RLI,以及它们的接地阻抗ZHI和ZLI。只有尽可能增大电路的整体接地阻抗ZCI,才能将流入模块的噪声电流iHI、iLI抑制在很小的范围内。如图5。
图5 隔离电路示意图
横河记录仪模块通过配置隔离电路增加接地阻抗的同时,还可有效预防不慎高压冲击对设备及人身安全的危害。
使用抗干扰模块
记录仪模块种类包含10通道扫描型和4通道独立A/D(H0模块)两种,其中扫描型模块的输入开关元件导通电阻对共模抑制比的影响也存在差异。如图6。
图6 模拟输入模块输入开关元件示意图
因为输入端子H和L中的接线电阻RHI和RLI包括输入开关元件的导通电阻,所以输入开关元件的导通电阻越小,共模噪声转换为串模噪声的转换量也越小。
表1  输入开关元件导通电阻及通道间耐压
参考表1模块类型的导通电阻值,如果测量受到高频开关等噪声影响,高速通用型和电磁继电器型模块在多数情况下行之有效。
一阶滞后滤波器
当测量包含噪声的输入信号时,一阶滞后滤波器提供噪声抑制能力。滤波系数(时间常数)越大,噪声抑制效果越好。但是,如果滤波系数设置的值过大,其波形可能会失真。
图7一阶滞后滤波效果
外部处理
单点接地
工作频率低的场合采用单点接地的方式,以防两点接地产生共地阻抗的电路性耦合。
图8  单点接地使用功率计和记录仪示例
在图8示例中,为了防止被测对象中高频成分回流,可将铁氧体磁芯插入记录仪一侧的接地线。
电磁耦合屏蔽
如果由于安装位置的限制而难以与噪声源保持足够的距离,则带屏蔽层的绞线(双绞线)是有效的。并根据实际情况采取不同接地方法。如图9。
图9电磁耦合屏蔽
热电偶前端绝缘
为了增加耦合阻抗抑制共模干扰,热电偶前端应通过聚酯薄膜等绝缘体来隔绝噪声源。
图10聚脂薄膜隔绝开关噪声
需要注意的是,绝缘体的厚度会影响测量结果。但是,聚酯薄膜的厚度越薄,功率晶体管/FET与热电偶之间的电容耦合越强,由得出耦合阻抗也越小。
干扰问题往往很难有统一明确的解决方案,要根据干扰的种类对症下药。因此寻找干扰的成因和进行多种经验性尝试都是必要的。






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