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信号的屏蔽接地和抗干扰研究

2018年12月06日 14:15:12 澳门葡京平台赌场官网

     摘要:在自动化控制系统中,信号的屏蔽接地是抗干扰的一项重要手段。在工程领域中,抗干扰通常采用接接地的手段。电缆的屏蔽有单端接地和两端接地两种接法,单端接地主要是抗容性耦合,两端接地是抗感性耦合。本文详细的分析了电缆屏蔽单端接地和两端接地的区别和抗信号干扰原理,提出了总屏加分屏结合的方案。并分析了屏蔽双绞线的抗干扰原理。

【关键词】:接地容性耦合感性耦合屏蔽双绞线

     引言:在自动化控制领域中,仪表信号的传输和控制电缆的选择,通常只考虑导线的电阻,来减少传输过程中信号的衰减。但是导线在传输过程中都存在分布电容和电感现象,尤其在传送高频信号的情况下,分布参数的影响比较大。因此,对于消除仪表电缆电感和电容的分布对信号的准确传输有很主要的意义。

一、电缆屏蔽概述

    电缆是信号传输的主要途径,也是最容易受到信号干扰的薄弱环节。电缆的选择错误或者屏蔽的接地不良,容易导致电场的耦合对控制系统产生干扰,如果电缆屏蔽没有良好的接地或者传输导线过长时,它类似于一根拾取辐射噪声的高效天线。屏蔽分为总屏和分屏,总屏和分屏之间的电阻为大于1兆欧,分屏之间的电阻为大于5兆欧。屏蔽电缆的屏蔽层主要由铜、铝等非磁性材料制成。屏蔽层的效果不是由于金属体本身对电场、磁场的反射、吸收而消除的,而是由于屏蔽层的接地消除的。不同的接地形式将直接影响屏蔽效果,消除电场、磁场屏蔽层的接地方式各有不同。

二、容性耦合及消除的方法

2.1容性耦合的概念

     电容性耦合(TheCapacitiveCoupling)也称为电耦合,它是由两电路间的电场相互作用所引起。电容性耦合引起的感应电压正比于干扰源的工作频率、敏感电路对地的电阻、耦合电容、干扰源电压。电容性耦合主要是射频频率形成干扰,频率越高,电容性耦合越明显。

2.2单端接地防止容性耦合

     在实际的应用中,电场的干扰主要是交变电场。如下图1所示,A为交变电场干扰源,B为仪表设备,干扰源和仪表设备之间有一定的距离,仪表设备受交变电场A的干扰。

图1:交变电场的屏蔽

    干扰电压通过C3耦合到仪表设备上的感应电压为:

     当频率较低时,上式可以表示为:

    从公式可以看到干扰源在仪表设备上产生的干扰电压UB与频率和耦合电容成正比,耦合电容越大干扰电压越大。如果在干扰源A和仪表设备B间插入一个金属隔板,如图2所示:

图2:金属板的电场屏蔽

    在干扰源A与B间加入金属板S后,在金属板上产生的干扰电压为:

    由于金属板的隔离作用,C3很小可以忽略,那么金属板S在仪表设备B上产生的干扰电压为:

    耦合电容与导体的面积成正比,与距离成反比。由于金属板的加入,使得干扰源和金属板之间的距离缩小,金属板面积较大,所以C1、C2大于C3,由此可见加入一金属板对仪表设备B上产生的干扰电压会更大,如果将金属板S接地,则Zs为0,Us=0,那么UB=0,即干扰源对仪表设备的干扰电压为零。所以屏蔽在交变电场中必须接地才能有效的抗容性干扰。单端接地就是利用抑制电势电位差达到消除电磁干扰的目的。

    如果受感应导体的屏蔽层不接地,图3中所示,由于屏蔽层采用多芯屏蔽网,大面积的屏蔽层就相当于在噪声导体和受感应导体之间加了一层金属板,增加了耦合量,反而增加信号的干扰。

图3:电场干扰-屏蔽层不接地

    只有将屏蔽层单点接地,则干扰电压耦合到屏蔽层上的电压被释放为零,屏蔽层和传输导线之间的容性耦合也为零,从而达到屏蔽的效果。

在低频的情况下单端接地可以达到很好的屏蔽效果,如果频率较高或导线过长,屏蔽层的阻抗较大,屏蔽的效果被消减。

感性耦合及消除方法

3.1环流

当现场仪表到仪表机柜间相距较远时,仪表电缆屏蔽层两端接地,由于两接地点之间存在电位差,在电缆屏蔽层之间将形成地环流。如图4所示,屏蔽层两端的环流经过电缆屏蔽层到控制系统。由于屏蔽层之间的环流,和仪表电缆之间产生共模噪声电压,并通过分布参数耦合至信号线,或直接连接到电平信号线上,将产生很大的串模干扰直接导致测量数据的误差或者错误。

图4:屏蔽层间的环流

3.2感性耦合的概念

    电感性耦合(InductiveCoupling)也称为磁耦合,它是由两电路间的磁场相互作用所引起。当电流在闭合电路中流动时,该电流就会产生与此电流成正比的磁通量。该磁通量与电流的比值称为电感。

3.3两端接地消除感性耦合

    两端接地能很好的消除感性耦合,由于接地两端电势不对等,两端接地时就会形成环路电流,根据楞次定律,闭合导体中有磁通量发生变化时,就会感应出阻碍磁通量发生变化的电流,当有强磁场变化,例如感应雷击发生时,强磁场瞬间改变两端接地所形成环路中的磁通量,屏蔽层就会产生阻碍磁通量发生变化的反击电流,从而消除雷击干扰。如图5所示。

图5屏蔽两端接地消除感性耦合

    如果对导线AB增加屏蔽体,并按图5连接。电流在流经负载后,全部通过导体的屏蔽体返回到干扰源的地。由于流过屏蔽体上的电流也产生磁通,且与导体产生的磁通大小相等而方向相反,这样在屏蔽体的外面,不存在磁通,即导线AB被电磁屏蔽了。

    如图6所示,当有强磁场干扰或者雷电感应时,仪表电缆的屏蔽耦合面比较。

图6屏蔽对雷击相应感应环

四、仪表电缆的屏蔽接地

    电缆屏蔽层接地有两种方式:一端接地或两端接地。对于通过电容耦合的电场干扰,一端接地即可大大降低干扰电压,发挥屏蔽作用。对于通过感应耦合的磁场干扰,一点接起不到屏蔽作用。当仪表电缆两端接地时,由于两端电势的不同,在大地和屏蔽层中有环流产生,形成一个闭合的回路。在电缆的屏蔽层中将感应出屏蔽电流,屏蔽电流和传输线缆之间有一定的电势差,这个电势差对传输电缆产生容性耦合。环流产生的容性耦合会对传输电缆造成一定的干扰,所以仪表控制电缆采用总屏加分屏的方式,分屏单端接地时,消除总屏环流对电缆造成的容性干扰。总屏采用两端接地,当有大磁场干扰或者雷电感应时,总屏蔽环路中的磁通量瞬间发生变化,同时产生阻碍磁通发生变化的磁通量,将使被屏蔽层完全包围的电缆芯线中的磁通为零,屏蔽层形成了一个理想的法拉第笼。从而消除感性干扰。所以总屏加分屏的方法能较好的消除各种干扰,保证传输信号的准确稳定。保护电缆的金属槽盒或者穿线管采用多点接地。

    根据屏蔽接法的方式和特点,在处理控制系统的屏蔽时,需要考虑多个方面的因素。

    1、减少导线间的串扰主要采用远离技术:仪表电缆信号铺设时,必须远离动力线路。如果不可避免的和动力电缆接触,要采取十字交叉的形式而不是平行于动力线,尽量减少和动力线的耦合面。

    2、模拟信号的传输选用双绞屏蔽线较好。双绞屏蔽线的信号线与其返回线绞合能减少感性耦合引起的干扰。绞合的两条线阻抗一样,自身产生的磁场干扰或外部磁场干扰都可以较好的抵消。同时,平衡式传输又独具很强的抗共模干扰能力。

    3、在安装连接屏蔽电缆时,要特别保持屏蔽的完整性,拆断或分开屏蔽将极大地降低屏蔽效率。

五、双绞线的抗干扰分析

5.1双绞线介绍

    双绞屏蔽是指电缆线芯中的两芯线螺旋对称绞合后再加总屏蔽的一种结构。由于这种结构的两芯线对周围的场强、位置在无限长度里也都是相等的,并且在传输相反方向的电流时所产生的电磁干扰可以相互抵消,因而称为平衡传输。双绞线采用一对互相绝缘的金属导线互相绞合的方式来抵御一部分外界电磁波干扰,更主要的是降低自身信号的对外干扰。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可以降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。双绞线作为综合布线工程中最常用的一种传输介质与其他传输介质相比,双绞线虽然在传输距离、数据传输速度等方面均受到一定限制,但抗干扰能力强、布线容易、可靠性高、使用方便、价格较为低廉,所以是目前应用比较多的传输导线,广泛应用于工业控制系统以及干扰较大的场所。

5.2、双绞线消除干扰的原理

    在双绞线中,干扰主要来自外部干扰和同一电缆内部对线之间的相互串扰。如图7所示,干扰信号对平行线的干扰,Us为干扰信号源,干扰电流Is在平行线的两条导线L1、L2上产生的干扰电流分别是I1和I2。由于L1距离干扰源较近,因此,I1>I2,I=I1―I2≠0,有干扰电流存在。

图7平行线受干扰

    干扰信号对扭绞双线回路的干扰,如图8所示。与图7不同的是,双线回路在中点位置进行了一次扭绞。在L1上存在干扰电流I11和I12,在L2上存在干扰电流I21和I22,干扰电流I=I21+I22-I11-I12,由于两段线路的条件相同,所以,总干扰电流I=0。所以只要设置合理的绞距,就能达到消除干扰的目的。

图8双绞线消除干扰原理

    使用双绞线也可以达到很好的磁场屏蔽效果,如图9所示,干扰源的磁力线穿过双绞线的每个绞合结,每个绞合结的面积相等,产生的感应电压相同,但是方向相反,感应电压相互抵消。同样主动屏蔽时,每个绞合结在被感应侧产生的感应电压大小相等、方向相反而相互抵消,所以双绞线在主动、被动屏蔽的方式下都可以对磁场进行屏蔽。

图9

    由于双绞线使用十分方便,价格较低,屏蔽效果也较好,所以,在工程中常用到它。如果双绞线再加金属编织网就可以克服双绞线易受静电感应的缺点,使其屏蔽效果更好。

六、结束语

   仪表电缆的屏蔽是仪表准确运行一项重要措施,根据干扰源的不同,分为单端接地和两端接地来消除。为了同时消除容性耦合和感性耦合,在工程上,一般采用总屏和分屏的方式,总屏蔽消除感性耦合,分屏消除容性耦合。仪表的电缆桥架和穿线管要采用多点接地。

 

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