管道數(shù)據(jù)檢測抗干擾信號采集箱設(shè)計探討

張 震

（中國石油集團東南亞管道有限公司 100028）

0 引言

有效的抑制電磁干擾，最直接的方法是將干擾源變頻器移出配電柜，放在離敏感設(shè)備較遠的單獨配電柜中。除此以外，可以選用變頻器專用濾波器和電源濾波器，前者用在變頻器和電網(wǎng)之間，抑制電網(wǎng)中來自變頻器的諧波干擾，但因為價格較高，沒有采用。為了抑制供電中來自變頻器的干擾，需對采集設(shè)備的供電電源進行改進。為了進一步抑制電網(wǎng)中的高次諧波干擾，選擇了EMI單相電源濾波器，用在線性電源和電網(wǎng)之間。

1 電磁干擾的分析與抑制

電磁干擾有三要素：干擾源、耦合通道和敏感設(shè)備。因此抗干擾的思想就可以包含為三種：對干擾源的抑制，在耦合通道中削弱干擾的耦合，在敏感設(shè)備中降低敏感設(shè)備對干擾的響應(yīng)。具體可使用的方法可以為：針對電容性耦合干擾，采用電場屏蔽的方法，即在上述三要素外圍接一個導(dǎo)體，且必須接地。對于內(nèi)部電路可使用屏蔽罩和金屬外殼保護，對于導(dǎo)線可使用屏蔽線保護芯線。另外還可

以有磁場屏蔽和電磁場屏蔽。

通過去現(xiàn)場了解到：干擾源為泵的變頻器，敏感設(shè)備為采集設(shè)備，兩者在同一配電柜中，且處在同一電網(wǎng)中，因此干擾通道既有空間中的電磁干擾，同時還有電網(wǎng)中的諧波干擾。因此，通過實際現(xiàn)場的觀察了解這些信息，可以有針對性的采取相應(yīng)抑制措施。

2 濾波器方案的改進定型

2.1 原方案的問題

2增益不為1。此方案電路增益為1+R3/R4>1，由于現(xiàn)場電流信號經(jīng)過采樣電阻后變?yōu)殡妷盒盘枺魹V波器增益不為1，會使得現(xiàn)場信號的測量結(jié)果不準確。

（2）直流信號有一定的衰減。經(jīng)過對搭建的一路濾波器電路實測，發(fā)現(xiàn)直流信號經(jīng)過濾波器后有衰減。由于現(xiàn)場測得的信號頻率較低，近似直流，因此，直流信號的衰減問題必須解決。

2.2 原方案改進

為了使濾波器電路在通頻帶增益為1，改變?yōu)V波器結(jié)構(gòu)，去掉電阻R3和R4，

將放大器信號負輸入端與輸出端短接，構(gòu)成一跟隨電路。跨接在運放輸入輸出端的電容，即圖中電容C1，是運放的負載。由此可知，C1越小，同等條件下運放所獲得電壓越小。經(jīng)測試確實如此。但C1的值不能太大，否則不利于后續(xù)電路的信號傳輸。考慮到電壓跟隨器具有輸入阻抗大，帶負載能力強的特點。為了保證直流信號經(jīng)過此電路時沒有衰減，在濾波器電路之前，250歐姆采樣電阻之后加入一電壓跟隨器。

最終的濾波器電路方案（其中一路）：

電路參數(shù)及器件選型：

R1=374KΩ R2=1.5MΩ C1=0.047μF C2=0.015μF

放大器選用低噪聲、高精度的OP07，電阻全部使用金屬膜電阻，溫度系數(shù)好，噪聲小，電容選用聚苯乙烯電容，具有很好的溫度特性。

3 濾波器改進方案仿真

3.1 交流信號仿真

用multisim軟件對該濾波器方案進行仿真，電路搭建如下圖所示。

輸入信號為正弦波信號，由圖中紅色曲線表示，信號經(jīng)過濾波器后，輸出信號由圖中藍色曲線表示。

由仿真曲線可得，該濾波器大致具有如下圖所示的對數(shù)特性：

此濾波器為二階結(jié)構(gòu)，電路通頻帶增益為1，使信號正常傳輸。由對數(shù)特性曲線可知，截止頻率Fc=8Hz。當(dāng)F=Fc時，衰減-3dB，當(dāng)F>Fc時，阻頻帶衰減為-40dB/十倍頻程，幅度下降的很快，說明此有源低通濾波器有很好的濾波效果。

3.2 直流信號仿真

將信號發(fā)生器改為直流電源，作為低通濾波器的輸入信號。輸入信號如下面左圖紅色曲線所示；用示波器另外一通道觀察輸出波形，如下面右圖藍色曲線所示。（兩通道電壓單位一致）

由上圖可知，輸出幅值保持不變，該濾波器可使直流信號無衰減的通過。

4 濾波器改進方案實測

4.1 交流信號實測

在實驗室，使用器件在面包板上搭建如下電路：

由于實驗器材所限，C2調(diào)為0.022μF，R2相應(yīng)調(diào)為1MΩ，使得截止頻率不變，芯片選擇OP07DP。使用實驗室的信號發(fā)生器和雙通道示波器進行濾波效果測試。將輸入信號設(shè)置為幅值1V的正弦波，在不同頻率的輸入信號下，電路輸出信號衰減情況如下表所示：

電路實際測試

頻率/Hz 1 3 5 8 15 20 50 100幅值/V 1.00 0.98 0.90 0.67 0.27 0.15 0.025 0.006

用multisim軟件仿真時，輸入信號設(shè)置為幅值1V的正弦波，不同頻率輸入

信號下，輸出信號衰減情況如下表所示：

軟件仿真情況

頻率/Hz 1 3 5 8 15 20 50 100幅值/V 1.00 1.00 0.93 0.71 0.27 0.16 0.025 0.005

通過上表可知，在通頻帶內(nèi)，輸入信號可以很好的通過。信號頻率大于截止頻率時，同仿真結(jié)果一樣，衰減的很快。與仿真結(jié)果相比，實際測試時，衰減情況有細微差別。其原因是因為實際所用器件與仿真器件參數(shù)不盡相同，并且實際器件非理想，參數(shù)與標稱的也有出入。但通過比較可知，此濾波器具有很好的低通特性，能很好的滿足實際需求。

4.2 直流信號實測

使用上述電路進行直流測試。將信號發(fā)生器改為直流電源，作為低通濾波器的輸入信號。在不同電壓值的情況下，輸入輸出電壓如下所示：

電路實際測試

輸入電壓/V 1.00 2.00 3.02 4.01 5.01輸出電壓/V 0.98 1.98 2.99 3.98 4.98

通過上表可知，對于直流信號，輸出信號近似無衰減。此低通濾波器可以讓直流信號很好的通過。

綜合分析直流和交流信號的輸入和輸出情況，可知改進后的方案實現(xiàn)的低通濾波器具有非常好的低通濾波特性，能很好的滿足實際要求。

5 結(jié)論

在本次項目設(shè)計中，發(fā)現(xiàn)很多有實用價值的結(jié)論和實踐經(jīng)驗。

首先，在電路設(shè)計方案確定以后，不能馬上就進行實際電路的制板，一定要進行電路的測試，電路的仿真測試，由于方便和較易實現(xiàn)，所以傾向于用軟件仿真測試，但通過此次學(xué)習(xí)，深刻的體會到，仿真結(jié)果與實際電路測試結(jié)果的差距。在仿真測試時，之前沒有加入電壓跟隨器，實際測試時發(fā)現(xiàn)其直流信號通過時有衰減。

其次，解決直流信號的衰減需要對電路進行改進。在濾波器電路之前，250歐姆采樣電阻之后加入一電壓跟隨器。在實際測試時，使用直流信號作為電路的輸入信號，發(fā)現(xiàn)濾波器輸出電壓與輸入電壓相等，與仿真結(jié)果相同。改用交流信號測試，在f<8Hz通頻帶時，信號無衰減的通過，增益為1。之后，信號衰減為-40dB/十倍頻程。由此得到了完整低通濾波器特性。

另外，從現(xiàn)場過來的信號盡管使用了屏蔽線，但其屏蔽網(wǎng)和地線并沒有接地，沒能很好的起到屏蔽空間電磁干擾的作用，為此，在現(xiàn)場對信號線進行了接地處理，并使用熱縮管和絕緣膠帶處理了裸露在外面的芯線，同時進行了電磁和靜電屏蔽。

在本抗干擾設(shè)計中，三種途徑的抗干擾措施都采用到了，這對更好的解決管道信號采集中的電磁干擾問題具有一定的實用和理論價值。

[1]許景波，王德勝，李世磊.基于Matlab工具箱的單片機信號采集濾波器設(shè)計[J].中國科技，2012，5（16）：1509-1514.

[2]程佩青.數(shù)字信號處理教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008：52-53.

[3]陳博時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007：102-105.

[4]段玲琳，譚劍波.抗干擾設(shè)計在系留氣球傳感器信號采集中的應(yīng)用[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，11（5）：12-15.