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東南大學儀器科學與工程學院 胡蕓雪

作者簡介

胡蕓雪（1995-），女，寧波鎮海人，現就讀于東南大學儀器科學與工程學院，關注儀表檢測防護及網絡信息安全方向課題。

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干擾抑制策略中，定向、啟發式地尋求一批解決辦法，進而盡可能結合現成資源，從中挑選出易實施、低成本的落地防護方案，最后附實例加以詳細說明。

關鍵詞：儀表；抑制策略；防護措施；優選方向

1　前言

為了能準確地采集、處理和輸出測控信號，需要考慮現場存在的各種干擾源對儀表系統的影響。因此有必要將防護問題，作為儀表系統設計中一個至關重要的部分專門審視與處理。即要求從各個方面采取應對措施，以增強儀表系統的抗干擾能力。

換言之，儀表功能機理和產品質量做得再完美，倘若不能有效抵御干擾，將削弱甚至喪失實用性能，其應用效果必定堪憂。因此儀表必須保證在惡劣工況環境下的抗干擾能力。以手機為例，若信號網絡正常，手機功能齊全，但基本的通話質量卻不能令人滿意，不能謂之為一款合格的產品。

2 各種干擾源類型

分析干擾抑制措施和防護方式前，先詳細討論現場干擾源的類型。

（1）電荷和磁干擾：雜散電荷聚集和電磁場感應導致干擾電勢，從而影響測量儀表的正常工作；

（2）機械干擾：由于機械振動或沖擊，造成連接松動、設備諧振、相互間摩擦、斷線等測量不正常；

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

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

（5）濕度干擾：濕度增加會引起絕緣電阻下降，還有凝結吸附熱量、材質起化學變化、出現電化學反應、表面銹蝕等，造成精度下降；

（6）化學干擾：酸、堿、鹽等化學物品及其它腐蝕性氣體，產生化學電動勢，導致腐蝕或結垢等，從而影響儀器設備的正常工作；

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

（8）侵蝕干擾：磨損會逐步損壞檢測元件，如顆粒物沖刷、熱脹冷縮交替、內應力聚集等，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

針對上述干擾源，制定了一系列抑制措施。

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

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

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

（4）構建新系統：改變原有工作原理，徹底繞開干擾影響，將接觸檢測轉變成聲、磁、光等間接方式，如激光測距、紅外測溫、圖像識別等。

（5）靜止與運動：將原先動態的事情靜止下來，反之靜止的事情運動起來，通過位置互換解除干擾。由靜轉動：直流變交流、單頻改多頻；及動轉靜：波動的信號借助濾波平滑降噪等。

（6）冗余與補償： 實在難于尋求到合適的解決辦法時，采用多聯、疊加的冗余方案，如雙支式溫度計、雙核控制器、容錯切換等；或事前預置補償量，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

針對需要防護的儀表系統，依據現場實際應用狀況，首先按第2章節中（1）∽（8）類干擾源，逐條一一對號入座，列全可能出現的干擾狀況。

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

進而，盡可能結合現有資源（客觀存在于系統內外，卻未被利用的便宜條件），在這批化解辦法里，挑選出可實施的優化解，作為最終防護方案。

5　應用案例一

連鑄漏鋼預報系統中，結晶器外壁銅殼內通冷卻水帶走熱量，結晶器內側鋼液被冷卻逐步凝固成型，另施加振動促使胚殼脫離；結晶器四周眾多熱電偶，抵緊銅殼外壁監視熱交換過程，判斷結晶器中鋼水的凝結狀態。

工況環境溫度高、蒸氣彌漫、振動強。然而，振動的結晶器與靜態的熱電偶抵緊測溫過程中，熱電偶易出現損壞或檢測不準的狀況，導致時常發生凝結誤判。

首先對結晶器周邊工作環境分析，（1）機械振動導致結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，電荷干擾作用在測溫熱電勢上；（2）熱電偶抵緊振動結晶器銅板時發生偏斜、倒伏，與側壁其它冷體接觸，熱干擾造成溫度值下降；（3）環境蒸汽冷凝水，附著在熱電偶表面吸收熱量，濕度影響準確度。

尋求化解辦法：（1）針對電荷堆積，采取引導與疏通策略，在熱電偶外保護管上設置放電針（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生，卻遠離熱電偶且持續對外釋放，杜絕了由于電荷堆積而形成干擾的可能。

（2）與側壁冷體接觸，采取阻斷原路徑策略，熱電偶側壁套裝絕熱塑封管，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溫。

（3）冷凝水附著，絕熱塑封管選用不親水材質或外加防水涂層。

6　防護優選方向

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

其一，即使采用了同樣的分析步驟，由于知識背景和認知問題的差異，顯然會得到不同視角下的化解辦法，結果并不會單一或趨同。

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

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

如上所述，針對在振動環境中的物體，受相互摩擦作用將產生電荷，電荷無處泄放情況下將堆積施加在熱電偶偶絲上，導致測溫電勢與電荷堆積電勢疊加在一起，發生不可控的檢測誤差這樣一種壞結果。

國外一種方法是結晶器銅板預先開孔，將熱電偶頂端插入并固定，結晶器銅板與熱電偶聯作一體，熱電偶整體跟隨銅板作同步運動，銅板與熱電偶間不再發生摩擦，也就不產生摩擦電荷了。相當于采用了靜止與運動策略，將原先靜止的熱電偶作跟隨運動。

另外一種方法是將傳統兩線制接法，改成帶中點接地泄放極的三線制，特別引入中點接地泄放極（電流環路）；當摩擦電荷施加在熱電偶絲上，勢必造成單側偏載、不平衡干擾電勢，中點接地極將隨時泄放掉這部分可自由移動電荷，防止電荷堆積對測溫熱電勢的疊加影響。采用了引導與疏通策略。

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，銅板預開孔和制作非標三線制熱電偶，都需要定制，導致工序復雜、成本偏高，應用面偏窄。

自主研發的集電式放電梳，利用尖端聚電效應，避雷針原理，在熱電偶外殼上，設置尖針陣，即在測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，同時移放到熱電偶后端引線部位；借助熱電偶金屬殼導電性能，驅趕摩擦電荷遠離測溫元件，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

同時利用放電原理，當尖端上聚集大量電荷后，足夠的電勢能向蒸氣彌漫的濕潤空氣進行放電，猶如避雷針工作原理。

這里利用了向“濕潤空氣泄放電荷”這種免費資源，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》。

若進一步利用振動資源，不停地“擦除”掉干擾電荷，雙管齊下，其防護性能會更加顯著。

圖3 防電荷干擾新型熱電偶外形圖

簡而言之，解決儀表干擾問題，尋求針對性的干擾抑制措施，一方面需要對技術深度挖掘，其相關文章涉及較多；另外，快速地尋求到化解干擾的辦法，更優更廉地制定防護方案，這是本文著重強調的地方。

7　應用案例二

灼燙的高溫熱鋼板在軋制機上運動，一邊進行反復多道軋制，一邊噴淋水連續冷卻，為了獲取移動中的鋼板表面溫度值，控制品質，業界作了不懈努力。其工況環境溫度高、熱輻射強、噴淋水霧、蒸氣彌漫、鋼板往復運動。

現狀大致有數學模型推算，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，視區又受限；輻射測溫方式，對準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構建新系統策略，重新謀劃路徑。

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

圖4 水柱式輻射溫度計原理示意圖

水柱成為柔性光譜傳導介質，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傳播衰減較快，再入水后定格為噪聲。

案例再次表明，利用環境資源愈多，確定防護方案就越容易，其應用成本或開發難度隨之大幅減低。

參考文獻：

[1] 曹騫, 張世杰. 淺談自動化儀表的干擾及抑制措施[J]. 裝備制造技術,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《今日自動化技術應用在中國》