东南大学仪器科学与工程学院 胡芸雪

作者简介

胡芸雪（1995-），女，宁波镇海人，现就读于东南大学仪器科学与工程学院，关注仪表检测防护及网络信息安全方向课题。

摘要： 首先汇集不同种类的仪表干扰源，其次在本文推荐的六个干扰抑制策略中，定向、启发式地寻求一批解决办法，进而尽可能结合现成资源，从中挑选出易实施、低成本的落地防护方案，最后附实例加以详细说明。

关键词：仪表；抑制策略；防护措施；优选方向

1　前言

为了能准确地采集、处理和输出测控信号，需要考虑现场存在的各种干扰源对仪表系统的影响。因此有必要将防护问题，作为仪表系统设计中一个至关重要的部分专门审视与处理。即要求从各个方面采取应对措施，以增强仪表系统的抗干扰能力。

换言之，仪表功能机理和产品质量做得再完美，倘若不能有效抵御干扰，将削弱甚至丧失实用性能，其应用效果必定堪忧。因此仪表必须保证在恶劣工况环境下的抗干扰能力。以手机为例，若信号网络正常，手机功能齐全，但基本的通话质量却不能令人满意，不能谓之为一款合格的产品。

2 各种干扰源类型

分析干扰抑制措施和防护方式前，先详细讨论现场干扰源的类型。

（1）电荷和磁干扰：杂散电荷聚集和电磁场感应导致干扰电势，从而影响测量仪表的正常工作；

（2）机械干扰：由于机械振动或冲击，造成连接松动、设备谐振、相互间摩擦、断线等测量不正常；

（3）热干扰：工作产生的热量引起温度波动，及环境热流形成温差变化等，引发电路元器件的参数变化（如漂移、老化等）；

（4）光干扰：在光的作用下会改变其导电或物理性能，如产生电势与引起阻值的变化，从而影响检测仪表正常工作；

（5）湿度干扰：湿度增加会引起绝缘电阻下降，还有凝结吸附热量、材质起化学变化、出现电化学反应、表面锈蚀等，造成精度下降；

（6）化学干扰：酸、碱、盐等化学物品及其它腐蚀性气体，产生化学电动势，导致腐蚀或结垢等，从而影响仪器设备的正常工作；

（7）射线辐射干扰：核辐射可产生很强的电磁波，射线会使金属逸出电子，从而影响到电测装置的性能。

（8）侵蚀干扰：磨损会逐步损坏检测元件，如颗粒物冲刷、热胀冷缩交替、内应力聚集等，引起接触传感器疲劳，从而影响使用效果和缩短寿命。

3　干扰抑制策略

针对上述干扰源，制定了一系列抑制措施。

（1）引导与疏通：如通过接地、放散等手段，将干扰主动、及时地泄放出去，形成一点释放一点，尤其是不再产生堆积恶果。

（2）阻断原路径：阻断或改变干扰的传递路径，不再直接作用防护处，除了提高防护等级外，如避震器吸收振动能量、真空保温层阻止热流传导等。

（3）抑制源条件：从源头上找寻干扰发生条件，设法从根本上加以抑制，如元件发热量大则更换成低功耗集成电路、金属电化学反应则改用非金属材质等。

（4）构建新系统：改变原有工作原理，彻底绕开干扰影响，将接触检测转变成声、磁、光等间接方式，如激光测距、红外测温、图像识别等。

（5）静止与运动：将原先动态的事情静止下来，反之静止的事情运动起来，通过位置互换解除干扰。由静转动：直流变交流、单频改多频；及动转静：波动的信号借助滤波平滑降噪等。

（6）冗余与补偿： 实在难于寻求到合适的解决办法时，采用多联、叠加的冗余方案，如双支式温度计、双核控制器、容错切换等；或事前预置补偿量，采用刀刃型状抵抗冲刷变形，防腐耐磨涂层抵御侵蚀等。

4　寻求化解办法

针对需要防护的仪表系统，依据现场实际应用状况，首先按第2章节中（1）∽（8）类干扰源，逐条一一对号入座，列全可能出现的干扰状况。

随后在第3章节中（1）∽（6）条干扰抑制策略中，定向、启发式地寻求到一批化解办法。

进而，尽可能结合现有资源（客观存在于系统内外，却未被利用的便宜条件），在这批化解办法里，挑选出可实施的优化解，作为最终防护方案。

5　应用案例一

连铸漏钢预报系统中，结晶器外壁铜壳内通冷却水带走热量，结晶器内侧钢液被冷却逐步凝固成型，另施加振动促使胚壳脱离；结晶器四周众多热电偶，抵紧铜壳外壁监视热交换过程，判断结晶器中钢水的凝结状态。

工况环境温度高、蒸气弥漫、振动强。然而，振动的结晶器与静态的热电偶抵紧测温过程中，热电偶易出现损坏或检测不准的状况，导致时常发生凝结误判。

首先对结晶器周边工作环境分析，（1）机械振动导致结晶器壁与热电偶间相互摩擦生电，在热电偶上形成电荷堆积，电荷干扰作用在测温热电势上；（2）热电偶抵紧振动结晶器铜板时发生偏斜、倒伏，与侧壁其它冷体接触，热干扰造成温度值下降；（3）环境蒸汽冷凝水，附着在热电偶表面吸收热量，湿度影响准确度。

寻求化解办法：（1）针对电荷堆积，采取引导与疏通策略，在热电偶外保护管上设置放电针（形似狼牙圈），将摩擦电荷从热电偶表面迁移到放电针上（尖端聚电），再通过环境空气或蒸汽逐步释放静电（尖端放电），即摩擦电荷仍然在不断产生，却远离热电偶且持续对外释放，杜绝了由于电荷堆积而形成干扰的可能。

（2）与侧壁冷体接触，采取阻断原路径策略，热电偶侧壁套装绝热塑封管，阻断了热量传递路径，即使接触到周边温差物体也不影响测温。

（3）冷凝水附着，绝热塑封管选用不亲水材质或外加防水涂层。

6　防护优选方向

通过以上的解析步骤，原则上都能快速寻求到抑制策略，化解各种干扰源对仪表系统的影响。

其一，即使采用了同样的分析步骤，由于知识背景和认知问题的差异，显然会得到不同视角下的化解办法，结果并不会单一或趋同。

其二，解析干扰抑制策略后，可能会得到许多化解办法，反而面临从中如何筛选出优化解，形成最终防护方案的难题。

筛选优化解的法则，来自于对周边资源的利用程度。一般来讲，对周边资源应用的越多越好，越能够降低防护难度；额外注入新资源越少越廉，则越能够降低成本。

如上所述，针对在振动环境中的物体，受相互摩擦作用将产生电荷，电荷无处泄放情况下将堆积施加在热电偶偶丝上，导致测温电势与电荷堆积电势叠加在一起，发生不可控的检测误差这样一种坏结果。

国外一种方法是结晶器铜板预先开孔，将热电偶顶端插入并固定，结晶器铜板与热电偶联作一体，热电偶整体跟随铜板作同步运动，铜板与热电偶间不再发生摩擦，也就不产生摩擦电荷了。相当于采用了静止与运动策略，将原先静止的热电偶作跟随运动。

另外一种方法是将传统两线制接法，改成带中点接地泄放极的三线制，特别引入中点接地泄放极（电流环路）；当摩擦电荷施加在热电偶丝上，势必造成单侧偏载、不平衡干扰电势，中点接地极将随时泄放掉这部分可自由移动电荷，防止电荷堆积对测温热电势的叠加影响。采用了引导与疏通策略。

图1 三线制热电偶原理图

这两种方法都新注入较多额外资源，铜板预开孔和制作非标三线制热电偶，都需要定制，导致工序复杂、成本偏高，应用面偏窄。

自主研发的集电式放电梳，利用尖端聚电效应，避雷针原理，在热电偶外壳上，设置尖针阵，即在测温杆上插满聚电尖针，形如狼牙棒；由于受空间制约，缩减成狼牙圈，同时移放到热电偶后端引线部位；借助热电偶金属壳导电性能，驱赶摩擦电荷远离测温元件，起到迁移表面干扰电荷堆放位置的积极效果。

图2 狼牙圈式热电偶固定螺栓

同时利用放电原理，当尖端上聚集大量电荷后，足够的电势能向蒸气弥漫的湿润空气进行放电，犹如避雷针工作原理。

这里利用了向“湿润空气泄放电荷”这种免费资源，仅在原热电偶固定螺栓上多布置了一圈尖针，其低成本特征不言而喻。由此形成发明专利CN201510855395.8《一种多线制热电偶及防止热电偶电荷堆积的方法》。

若进一步利用振动资源，不停地“擦除”掉干扰电荷，双管齐下，其防护性能会更加显著。

图3 防电荷干扰新型热电偶外形图

简而言之，解决仪表干扰问题，寻求针对性的干扰抑制措施，一方面需要对技术深度挖掘，其相关文章涉及较多；另外，快速地寻求到化解干扰的办法，更优更廉地制定防护方案，这是本文着重强调的地方。

7　应用案例二

灼烫的高温热钢板在轧制机上运动，一边进行反复多道轧制，一边喷淋水连续冷却，为了获取移动中的钢板表面温度值，控制品质，业界作了不懈努力。其工况环境温度高、热辐射强、喷淋水雾、蒸气弥漫、钢板往复运动。

现状大致有数学模型推算，显然模型是一种离线推算方式，缺乏可信度；照片热图像分析，则受蒸汽和水雾影响，视区又受限；辐射测温方式，对准高温钢板收集热辐射光谱，但还可能捕捉到其它热源的反射、漫射混合波，钢板光谱叠加上混合波，还是难于正确判定温度。

不破就不立，采取ⅳ构建新系统策略，重新谋划路径。

新测温方式是利用冷却水，连续喷淋于钢板上这种现象，引导表面热辐射光谱先沿喷淋水逆向传递，再转交给水管中的光纤温度计，借助“喷淋水柱与喷淋头、水管”这种现成资源链，另辟一条光谱专用通道。

图4 水柱式辐射温度计原理示意图

水柱成为柔性光谱传导介质，抵紧采集到热辐射光谱损失较小，而干扰混合波在空气中远传播衰减较快，再入水后定格为噪声。

案例再次表明，利用环境资源愈多，确定防护方案就越容易，其应用成本或开发难度随之大幅减低。

参考文献：

[1] 曹骞, 张世杰. 浅谈自动化仪表的干扰及抑制措施[J]. 装备制造技术,2011, (5).

[2] Tatsuro HONDA. Fountain Pyrometer for Strip Temperature Measurement inCooling Banks of a Hot Strip Mill[J]. ISIJ International,2012, 52(5): 841 - 849.

摘自2016年《今日自动化技术应用在中国》