摘要：在自動化控制系統(tǒng)中,信號的屏蔽接地是抗干擾的一項重要手段。在工程領域中，抗干擾通常采用接接地的手段。電纜的屏蔽有單端接地和兩端接地兩種接法，單端接地主要是抗容性耦合，兩端接地是抗感性耦合。本文詳細的分析了電纜屏蔽單端接地和兩端接地的區(qū)別和抗信號干擾原理，提出了總屏加分屏結(jié)合的方案。并分析了屏蔽雙絞線的抗干擾原理。

【關鍵詞】：接地容性耦合感性耦合屏蔽雙絞線

     引言：在自動化控制領域中，儀表信號的傳輸和控制電纜的選擇，通常只考慮導線的電阻，來減少傳輸過程中信號的衰減。但是導線在傳輸過程中都存在分布電容和電感現(xiàn)象，尤其在傳送高頻信號的情況下，分布參數(shù)的影響比較大。因此，對于消除儀表電纜電感和電容的分布對信號的準確傳輸有很主要的意義。

一、電纜屏蔽概述

    電纜是信號傳輸?shù)闹饕緩?，也是最容易受到信號干擾的薄弱環(huán)節(jié)。電纜的選擇錯誤或者屏蔽的接地不良，容易導致電場的耦合對控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，如果電纜屏蔽沒有良好的接地或者傳輸導線過長時，它類似于一根拾取輻射噪聲的高效天線。屏蔽分為總屏和分屏，總屏和分屏之間的電阻為大于1兆歐，分屏之間的電阻為大于5兆歐。屏蔽電纜的屏蔽層主要由銅、鋁等非磁性材料制成。屏蔽層的效果不是由于金屬體本身對電場、磁場的反射、吸收而消除的，而是由于屏蔽層的接地消除的。不同的接地形式將直接影響屏蔽效果，消除電場、磁場屏蔽層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

     電容性耦合（TheCapacitiveCoupling）也稱為電耦合，它是由兩電路間的電場相互作用所引起。電容性耦合引起的感應電壓正比于干擾源的工作頻率、敏感電路對地的電阻、耦合電容、干擾源電壓。電容性耦合主要是射頻頻率形成干擾，頻率越高，電容性耦合越明顯。

2.2單端接地防止容性耦合

     在實際的應用中，電場的干擾主要是交變電場。如下圖1所示，A為交變電場干擾源，B為儀表設備，干擾源和儀表設備之間有一定的距離，儀表設備受交變電場A的干擾。

圖1：交變電場的屏蔽

    干擾電壓通過C3耦合到儀表設備上的感應電壓為：

     當頻率較低時，上式可以表示為：

    從公式可以看到干擾源在儀表設備上產(chǎn)生的干擾電壓UB與頻率和耦合電容成正比，耦合電容越大干擾電壓越大。如果在干擾源A和儀表設備B間插入一個金屬隔板，如圖2所示：

圖2：金屬板的電場屏蔽

    在干擾源A與B間加入金屬板S后，在金屬板上產(chǎn)生的干擾電壓為：

    由于金屬板的隔離作用，C3很小可以忽略，那么金屬板S在儀表設備B上產(chǎn)生的干擾電壓為：

    耦合電容與導體的面積成正比，與距離成反比。由于金屬板的加入，使得干擾源和金屬板之間的距離縮小，金屬板面積較大，所以C1、C2大于C3，由此可見加入一金屬板對儀表設備B上產(chǎn)生的干擾電壓會更大，如果將金屬板S接地，則Zs為0，Us=0,那么UB=0，即干擾源對儀表設備的干擾電壓為零。所以屏蔽在交變電場中必須接地才能有效的抗容性干擾。單端接地就是利用抑制電勢電位差達到消除電磁干擾的目的。

    如果受感應導體的屏蔽層不接地，圖3中所示，由于屏蔽層采用多芯屏蔽網(wǎng)，大面積的屏蔽層就相當于在噪聲導體和受感應導體之間加了一層金屬板，增加了耦合量，反而增加信號的干擾。

圖3：電場干擾－屏蔽層不接地

    只有將屏蔽層單點接地，則干擾電壓耦合到屏蔽層上的電壓被釋放為零，屏蔽層和傳輸導線之間的容性耦合也為零，從而達到屏蔽的效果。

在低頻的情況下單端接地可以達到很好的屏蔽效果，如果頻率較高或?qū)Ь€過長，屏蔽層的阻抗較大，屏蔽的效果被消減。

感性耦合及消除方法

3.1環(huán)流

當現(xiàn)場儀表到儀表機柜間相距較遠時，儀表電纜屏蔽層兩端接地，由于兩接地點之間存在電位差，在電纜屏蔽層之間將形成地環(huán)流。如圖4所示，屏蔽層兩端的環(huán)流經(jīng)過電纜屏蔽層到控制系統(tǒng)。由于屏蔽層之間的環(huán)流，和儀表電纜之間產(chǎn)生共模噪聲電壓，并通過分布參數(shù)耦合至信號線，或直接連接到電平信號線上，將產(chǎn)生很大的串模干擾直接導致測量數(shù)據(jù)的誤差或者錯誤。

圖4：屏蔽層間的環(huán)流

3.2感性耦合的概念

    電感性耦合（InductiveCoupling）也稱為磁耦合，它是由兩電路間的磁場相互作用所引起。當電流在閉合電路中流動時，該電流就會產(chǎn)生與此電流成正比的磁通量。該磁通量與電流的比值稱為電感。

3.3兩端接地消除感性耦合

    兩端接地能很好的消除感性耦合，由于接地兩端電勢不對等，兩端接地時就會形成環(huán)路電流，根據(jù)楞次定律，閉合導體中有磁通量發(fā)生變化時，就會感應出阻礙磁通量發(fā)生變化的電流，當有強磁場變化，例如感應雷擊發(fā)生時，強磁場瞬間改變兩端接地所形成環(huán)路中的磁通量，屏蔽層就會產(chǎn)生阻礙磁通量發(fā)生變化的反擊電流，從而消除雷擊干擾。如圖5所示。

圖5屏蔽兩端接地消除感性耦合

    如果對導線AB增加屏蔽體，并按圖5連接。電流在流經(jīng)負載后，全部通過導體的屏蔽體返回到干擾源的地。由于流過屏蔽體上的電流也產(chǎn)生磁通，且與導體產(chǎn)生的磁通大小相等而方向相反，這樣在屏蔽體的外面，不存在磁通，即導線AB被電磁屏蔽了。

    如圖6所示，當有強磁場干擾或者雷電感應時，儀表電纜的屏蔽耦合面比較。

圖6屏蔽對雷擊相應感應環(huán)

四、儀表電纜的屏蔽接地

    電纜屏蔽層接地有兩種方式：一端接地或兩端接地。對于通過電容耦合的電場干擾，一端接地即可大大降低干擾電壓，發(fā)揮屏蔽作用。對于通過感應耦合的磁場干擾，一點接起不到屏蔽作用。當儀表電纜兩端接地時，由于兩端電勢的不同，在大地和屏蔽層中有環(huán)流產(chǎn)生，形成一個閉合的回路。在電纜的屏蔽層中將感應出屏蔽電流，屏蔽電流和傳輸線纜之間有一定的電勢差，這個電勢差對傳輸電纜產(chǎn)生容性耦合。環(huán)流產(chǎn)生的容性耦合會對傳輸電纜造成一定的干擾，所以儀表控制電纜采用總屏加分屏的方式，分屏單端接地時，消除總屏環(huán)流對電纜造成的容性干擾?？偲敛捎脙啥私拥?，當有大磁場干擾或者雷電感應時，總屏蔽環(huán)路中的磁通量瞬間發(fā)生變化，同時產(chǎn)生阻礙磁通發(fā)生變化的磁通量，將使被屏蔽層完全包圍的電纜芯線中的磁通為零，屏蔽層形成了一個理想的法拉第籠。從而消除感性干擾。所以總屏加分屏的方法能較好的消除各種干擾，保證傳輸信號的準確穩(wěn)定。保護電纜的金屬槽盒或者穿線管采用多點接地。

    根據(jù)屏蔽接法的方式和特點，在處理控制系統(tǒng)的屏蔽時，需要考慮多個方面的因素。

    1、減少導線間的串擾主要采用遠離技術：儀表電纜信號鋪設時，必須遠離動力線路。如果不可避免的和動力電纜接觸，要采取十字交叉的形式而不是平行于動力線，盡量減少和動力線的耦合面。

    2、模擬信號的傳輸選用雙絞屏蔽線較好。雙絞屏蔽線的信號線與其返回線絞合能減少感性耦合引起的干擾。絞合的兩條線阻抗一樣，自身產(chǎn)生的磁場干擾或外部磁場干擾都可以較好的抵消。同時，平衡式傳輸又獨具很強的抗共模干擾能力。

    3、在安裝連接屏蔽電纜時，要特別保持屏蔽的完整性，拆斷或分開屏蔽將極大地降低屏蔽效率。

五、雙絞線的抗干擾分析

5.1雙絞線介紹

    雙絞屏蔽是指電纜線芯中的兩芯線螺旋對稱絞合后再加總屏蔽的一種結(jié)構。由于這種結(jié)構的兩芯線對周圍的場強、位置在無限長度里也都是相等的，并且在傳輸相反方向的電流時所產(chǎn)生的電磁干擾可以相互抵消，因而稱為平衡傳輸。雙絞線采用一對互相絕緣的金屬導線互相絞合的方式來抵御一部分外界電磁波干擾,更主要的是降低自身信號的對外干擾。把兩根絕緣的銅導線按一定密度互相絞在一起,可以降低信號干擾的程度,每一根導線在傳輸中輻射的電波會被另一根線上發(fā)出的電波抵消。雙絞線作為綜合布線工程中最常用的一種傳輸介質(zhì)與其他傳輸介質(zhì)相比,雙絞線雖然在傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受到一定限制,但抗干擾能力強、布線容易、可靠性高、使用方便、價格較為低廉,所以是目前應用比較多的傳輸導線,廣泛應用于工業(yè)控制系統(tǒng)以及干擾較大的場所。

5.2、雙絞線消除干擾的原理

    在雙絞線中，干擾主要來自外部干擾和同一電纜內(nèi)部對線之間的相互串擾。如圖7所示，干擾信號對平行線的干擾，Us為干擾信號源，干擾電流Is在平行線的兩條導線L1、L2上產(chǎn)生的干擾電流分別是I1和I2。由于L1距離干擾源較近，因此，I1>I2，I=I1―I2≠0，有干擾電流存在。

圖7平行線受干擾

    干擾信號對扭絞雙線回路的干擾，如圖8所示。與圖7不同的是，雙線回路在中點位置進行了一次扭絞。在L1上存在干擾電流I11和I12，在L2上存在干擾電流I21和I22,干擾電流I=I21+I22-I11-I12，由于兩段線路的條件相同，所以，總干擾電流I=0。所以只要設置合理的絞距，就能達到消除干擾的目的。

圖8雙絞線消除干擾原理

    使用雙絞線也可以達到很好的磁場屏蔽效果，如圖9所示，干擾源的磁力線穿過雙絞線的每個絞合結(jié)，每個絞合結(jié)的面積相等，產(chǎn)生的感應電壓相同，但是方向相反，感應電壓相互抵消。同樣主動屏蔽時，每個絞合結(jié)在被感應側(cè)產(chǎn)生的感應電壓大小相等、方向相反而相互抵消，所以雙絞線在主動、被動屏蔽的方式下都可以對磁場進行屏蔽。

圖9

    由于雙絞線使用十分方便，價格較低，屏蔽效果也較好，所以，在工程中常用到它。如果雙絞線再加金屬編織網(wǎng)就可以克服雙絞線易受靜電感應的缺點，使其屏蔽效果更好。

六、結(jié)束語

   儀表電纜的屏蔽是儀表準確運行一項重要措施，根據(jù)干擾源的不同，分為單端接地和兩端接地來消除。為了同時消除容性耦合和感性耦合，在工程上，一般采用總屏和分屏的方式，總屏蔽消除感性耦合，分屏消除容性耦合。儀表的電纜橋架和穿線管要采用多點接地。