東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院 胡蕓雪

作者簡(jiǎn)介

胡蕓雪（1995-），女，寧波鎮(zhèn)海人，現(xiàn)就讀于東南大學(xué)儀器科學(xué)與工程學(xué)院，關(guān)注儀表檢測(cè)防護(hù)及網(wǎng)絡(luò)信息安全方向課題。

摘要： 首先匯集不同種類的儀表干擾源，其次在本文推薦的六個(gè)干擾抑制策略中，定向、啟發(fā)式地尋求一批解決辦法，進(jìn)而盡可能結(jié)合現(xiàn)成資源，從中挑選出易實(shí)施、低成本的落地防護(hù)方案，最后附實(shí)例加以詳細(xì)說明。

關(guān)鍵詞：儀表；抑制策略；防護(hù)措施；優(yōu)選方向

1　前言

為了能準(zhǔn)確地采集、處理和輸出測(cè)控信號(hào)，需要考慮現(xiàn)場(chǎng)存在的各種干擾源對(duì)儀表系統(tǒng)的影響。因此有必要將防護(hù)問題，作為儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)至關(guān)重要的部分專門審視與處理。即要求從各個(gè)方面采取應(yīng)對(duì)措施，以增強(qiáng)儀表系統(tǒng)的抗干擾能力。

換言之，儀表功能機(jī)理和產(chǎn)品質(zhì)量做得再完美，倘若不能有效抵御干擾，將削弱甚至喪失實(shí)用性能，其應(yīng)用效果必定堪憂。因此儀表必須保證在惡劣工況環(huán)境下的抗干擾能力。以手機(jī)為例，若信號(hào)網(wǎng)絡(luò)正常，手機(jī)功能齊全，但基本的通話質(zhì)量卻不能令人滿意，不能謂之為一款合格的產(chǎn)品。

2 各種干擾源類型

分析干擾抑制措施和防護(hù)方式前，先詳細(xì)討論現(xiàn)場(chǎng)干擾源的類型。

（1）電荷和磁干擾：雜散電荷聚集和電磁場(chǎng)感應(yīng)導(dǎo)致干擾電勢(shì)，從而影響測(cè)量?jī)x表的正常工作；

（2）機(jī)械干擾：由于機(jī)械振動(dòng)或沖擊，造成連接松動(dòng)、設(shè)備諧振、相互間摩擦、斷線等測(cè)量不正常；

（3）熱干擾：工作產(chǎn)生的熱量引起溫度波動(dòng)，及環(huán)境熱流形成溫差變化等，引發(fā)電路元器件的參數(shù)變化（如漂移、老化等）；

（4）光干擾：在光的作用下會(huì)改變其導(dǎo)電或物理性能，如產(chǎn)生電勢(shì)與引起阻值的變化，從而影響檢測(cè)儀表正常工作；

（5）濕度干擾：濕度增加會(huì)引起絕緣電阻下降，還有凝結(jié)吸附熱量、材質(zhì)起化學(xué)變化、出現(xiàn)電化學(xué)反應(yīng)、表面銹蝕等，造成精度下降；

（6）化學(xué)干擾：酸、堿、鹽等化學(xué)物品及其它腐蝕性氣體，產(chǎn)生化學(xué)電動(dòng)勢(shì)，導(dǎo)致腐蝕或結(jié)垢等，從而影響儀器設(shè)備的正常工作；

（7）射線輻射干擾：核輻射可產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁波，射線會(huì)使金屬逸出電子，從而影響到電測(cè)裝置的性能。

（8）侵蝕干擾：磨損會(huì)逐步損壞檢測(cè)元件，如顆粒物沖刷、熱脹冷縮交替、內(nèi)應(yīng)力聚集等，引起接觸傳感器疲勞，從而影響使用效果和縮短壽命。

3　干擾抑制策略

針對(duì)上述干擾源，制定了一系列抑制措施。

（1）引導(dǎo)與疏通：如通過接地、放散等手段，將干擾主動(dòng)、及時(shí)地泄放出去，形成一點(diǎn)釋放一點(diǎn)，尤其是不再產(chǎn)生堆積惡果。

（2）阻斷原路徑：阻斷或改變干擾的傳遞路徑，不再直接作用防護(hù)處，除了提高防護(hù)等級(jí)外，如避震器吸收振動(dòng)能量、真空保溫層阻止熱流傳導(dǎo)等。

（3）抑制源條件：從源頭上找尋干擾發(fā)生條件，設(shè)法從根本上加以抑制，如元件發(fā)熱量大則更換成低功耗集成電路、金屬電化學(xué)反應(yīng)則改用非金屬材質(zhì)等。

（4）構(gòu)建新系統(tǒng)：改變?cè)泄ぷ髟恚瑥氐桌@開干擾影響，將接觸檢測(cè)轉(zhuǎn)變成聲、磁、光等間接方式，如激光測(cè)距、紅外測(cè)溫、圖像識(shí)別等。

（5）靜止與運(yùn)動(dòng)：將原先動(dòng)態(tài)的事情靜止下來，反之靜止的事情運(yùn)動(dòng)起來，通過位置互換解除干擾。由靜轉(zhuǎn)動(dòng)：直流變交流、單頻改多頻；及動(dòng)轉(zhuǎn)靜：波動(dòng)的信號(hào)借助濾波平滑降噪等。

（6）冗余與補(bǔ)償： 實(shí)在難于尋求到合適的解決辦法時(shí)，采用多聯(lián)、疊加的冗余方案，如雙支式溫度計(jì)、雙核控制器、容錯(cuò)切換等；或事前預(yù)置補(bǔ)償量，采用刀刃型狀抵抗沖刷變形，防腐耐磨涂層抵御侵蝕等。

4　尋求化解辦法

針對(duì)需要防護(hù)的儀表系統(tǒng)，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用狀況，首先按第2章節(jié)中（1）∽（8）類干擾源，逐條一一對(duì)號(hào)入座，列全可能出現(xiàn)的干擾狀況。

隨后在第3章節(jié)中（1）∽（6）條干擾抑制策略中，定向、啟發(fā)式地尋求到一批化解辦法。

進(jìn)而，盡可能結(jié)合現(xiàn)有資源（客觀存在于系統(tǒng)內(nèi)外，卻未被利用的便宜條件），在這批化解辦法里，挑選出可實(shí)施的優(yōu)化解，作為最終防護(hù)方案。

5　應(yīng)用案例一

連鑄漏鋼預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，結(jié)晶器外壁銅殼內(nèi)通冷卻水帶走熱量，結(jié)晶器內(nèi)側(cè)鋼液被冷卻逐步凝固成型，另施加振動(dòng)促使胚殼脫離；結(jié)晶器四周眾多熱電偶，抵緊銅殼外壁監(jiān)視熱交換過程，判斷結(jié)晶器中鋼水的凝結(jié)狀態(tài)。

工況環(huán)境溫度高、蒸氣彌漫、振動(dòng)強(qiáng)。然而，振動(dòng)的結(jié)晶器與靜態(tài)的熱電偶抵緊測(cè)溫過程中，熱電偶易出現(xiàn)損壞或檢測(cè)不準(zhǔn)的狀況，導(dǎo)致時(shí)常發(fā)生凝結(jié)誤判。

首先對(duì)結(jié)晶器周邊工作環(huán)境分析，（1）機(jī)械振動(dòng)導(dǎo)致結(jié)晶器壁與熱電偶間相互摩擦生電，在熱電偶上形成電荷堆積，電荷干擾作用在測(cè)溫?zé)犭妱?shì)上；（2）熱電偶抵緊振動(dòng)結(jié)晶器銅板時(shí)發(fā)生偏斜、倒伏，與側(cè)壁其它冷體接觸，熱干擾造成溫度值下降；（3）環(huán)境蒸汽冷凝水，附著在熱電偶表面吸收熱量，濕度影響準(zhǔn)確度。

尋求化解辦法：（1）針對(duì)電荷堆積，采取引導(dǎo)與疏通策略，在熱電偶外保護(hù)管上設(shè)置放電針（形似狼牙圈），將摩擦電荷從熱電偶表面遷移到放電針上（尖端聚電），再通過環(huán)境空氣或蒸汽逐步釋放靜電（尖端放電），即摩擦電荷仍然在不斷產(chǎn)生，卻遠(yuǎn)離熱電偶且持續(xù)對(duì)外釋放，杜絕了由于電荷堆積而形成干擾的可能。

（2）與側(cè)壁冷體接觸，采取阻斷原路徑策略，熱電偶側(cè)壁套裝絕熱塑封管，阻斷了熱量傳遞路徑，即使接觸到周邊溫差物體也不影響測(cè)溫。

（3）冷凝水附著，絕熱塑封管選用不親水材質(zhì)或外加防水涂層。

6　防護(hù)優(yōu)選方向

通過以上的解析步驟，原則上都能快速尋求到抑制策略，化解各種干擾源對(duì)儀表系統(tǒng)的影響。

其一，即使采用了同樣的分析步驟，由于知識(shí)背景和認(rèn)知問題的差異，顯然會(huì)得到不同視角下的化解辦法，結(jié)果并不會(huì)單一或趨同。

其二，解析干擾抑制策略后，可能會(huì)得到許多化解辦法，反而面臨從中如何篩選出優(yōu)化解，形成最終防護(hù)方案的難題。

篩選優(yōu)化解的法則，來自于對(duì)周邊資源的利用程度。一般來講，對(duì)周邊資源應(yīng)用的越多越好，越能夠降低防護(hù)難度；額外注入新資源越少越廉，則越能夠降低成本。

如上所述，針對(duì)在振動(dòng)環(huán)境中的物體，受相互摩擦作用將產(chǎn)生電荷，電荷無處泄放情況下將堆積施加在熱電偶偶絲上，導(dǎo)致測(cè)溫電勢(shì)與電荷堆積電勢(shì)疊加在一起，發(fā)生不可控的檢測(cè)誤差這樣一種壞結(jié)果。

國(guó)外一種方法是結(jié)晶器銅板預(yù)先開孔，將熱電偶頂端插入并固定，結(jié)晶器銅板與熱電偶聯(lián)作一體，熱電偶整體跟隨銅板作同步運(yùn)動(dòng)，銅板與熱電偶間不再發(fā)生摩擦，也就不產(chǎn)生摩擦電荷了。相當(dāng)于采用了靜止與運(yùn)動(dòng)策略，將原先靜止的熱電偶作跟隨運(yùn)動(dòng)。

另外一種方法是將傳統(tǒng)兩線制接法，改成帶中點(diǎn)接地泄放極的三線制，特別引入中點(diǎn)接地泄放極（電流環(huán)路）；當(dāng)摩擦電荷施加在熱電偶絲上，勢(shì)必造成單側(cè)偏載、不平衡干擾電勢(shì)，中點(diǎn)接地極將隨時(shí)泄放掉這部分可自由移動(dòng)電荷，防止電荷堆積對(duì)測(cè)溫?zé)犭妱?shì)的疊加影響。采用了引導(dǎo)與疏通策略。

圖1 三線制熱電偶原理圖

這兩種方法都新注入較多額外資源，銅板預(yù)開孔和制作非標(biāo)三線制熱電偶，都需要定制，導(dǎo)致工序復(fù)雜、成本偏高，應(yīng)用面偏窄。

自主研發(fā)的集電式放電梳，利用尖端聚電效應(yīng)，避雷針原理，在熱電偶外殼上，設(shè)置尖針陣，即在測(cè)溫桿上插滿聚電尖針，形如狼牙棒；由于受空間制約，縮減成狼牙圈，同時(shí)移放到熱電偶后端引線部位；借助熱電偶金屬殼導(dǎo)電性能，驅(qū)趕摩擦電荷遠(yuǎn)離測(cè)溫元件，起到遷移表面干擾電荷堆放位置的積極效果。

圖2 狼牙圈式熱電偶固定螺栓

同時(shí)利用放電原理，當(dāng)尖端上聚集大量電荷后，足夠的電勢(shì)能向蒸氣彌漫的濕潤(rùn)空氣進(jìn)行放電，猶如避雷針工作原理。

這里利用了向“濕潤(rùn)空氣泄放電荷”這種免費(fèi)資源，僅在原熱電偶固定螺栓上多布置了一圈尖針，其低成本特征不言而喻。由此形成發(fā)明專利CN201510855395.8《一種多線制熱電偶及防止熱電偶電荷堆積的方法》。

若進(jìn)一步利用振動(dòng)資源，不停地“擦除”掉干擾電荷，雙管齊下，其防護(hù)性能會(huì)更加顯著。

圖3 防電荷干擾新型熱電偶外形圖

簡(jiǎn)而言之，解決儀表干擾問題，尋求針對(duì)性的干擾抑制措施，一方面需要對(duì)技術(shù)深度挖掘，其相關(guān)文章涉及較多；另外，快速地尋求到化解干擾的辦法，更優(yōu)更廉地制定防護(hù)方案，這是本文著重強(qiáng)調(diào)的地方。

7　應(yīng)用案例二

灼燙的高溫?zé)徜摪逶谲堉茩C(jī)上運(yùn)動(dòng)，一邊進(jìn)行反復(fù)多道軋制，一邊噴淋水連續(xù)冷卻，為了獲取移動(dòng)中的鋼板表面溫度值，控制品質(zhì)，業(yè)界作了不懈努力。其工況環(huán)境溫度高、熱輻射強(qiáng)、噴淋水霧、蒸氣彌漫、鋼板往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

現(xiàn)狀大致有數(shù)學(xué)模型推算，顯然模型是一種離線推算方式，缺乏可信度；照片熱圖像分析，則受蒸汽和水霧影響，視區(qū)又受限；輻射測(cè)溫方式，對(duì)準(zhǔn)高溫鋼板收集熱輻射光譜，但還可能捕捉到其它熱源的反射、漫射混合波，鋼板光譜疊加上混合波，還是難于正確判定溫度。

不破就不立，采取ⅳ構(gòu)建新系統(tǒng)策略，重新謀劃路徑。

新測(cè)溫方式是利用冷卻水，連續(xù)噴淋于鋼板上這種現(xiàn)象，引導(dǎo)表面熱輻射光譜先沿噴淋水逆向傳遞，再轉(zhuǎn)交給水管中的光纖溫度計(jì)，借助“噴淋水柱與噴淋頭、水管”這種現(xiàn)成資源鏈，另辟一條光譜專用通道。

圖4 水柱式輻射溫度計(jì)原理示意圖

水柱成為柔性光譜傳導(dǎo)介質(zhì)，抵緊采集到熱輻射光譜損失較小，而干擾混合波在空氣中遠(yuǎn)傳播衰減較快，再入水后定格為噪聲。

案例再次表明，利用環(huán)境資源愈多，確定防護(hù)方案就越容易，其應(yīng)用成本或開發(fā)難度隨之大幅減低。

參考文獻(xiàn)：

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摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在中國(guó)》