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仪器仪表的可靠性分析与抗干扰设计研究

发表时间：2020/8/24 来源：《基层建设》2020年第10期作者：刘颖李斌

[导读] 摘要：仪器仪表技术代表着现代工业生产的控制水平，工业企业必须使用仪器仪表来控制生产系统，这就充分体现了仪器仪表可靠性设计的重要。

        深圳市科陆精密仪器有限公司广东省深圳市 518057
        摘要：仪器仪表技术代表着现代工业生产的控制水平，工业企业必须使用仪器仪表来控制生产系统，这就充分体现了仪器仪表可靠性设计的重要。因此，在仪器仪表的设计过程中，一定要使其达到标准化的可靠性。可靠性是目前工业企业选择仪器仪表的主要标准。可靠性越高，仪器的功能越强。基于此，本文就仪器仪表的可靠性分析与抗干扰设计展开深入分析。
        关键词：仪器仪表；可靠性分析；抗干扰设计
        1.仪器仪表概述
        在工业生产中，仪器仪表的功能及水平的优劣会直接影响着整个工业生产的效率及质量。因而，在工业生产系统中所采用仪器仪表的可靠性，必须要达到相关的规定。一方面，仪器仪表是由元件及线路组成的，并在其达到一定的可靠性后，可以有效提升系统整体的生产效率。另一方面，随着我国相关技术及生产效率的提升，针对仪器仪表的应用条件也越发严苛，使得整个仪器仪表的可靠性被推动着不断提升，使其可以更广泛地应用于工业生产系统中，充分满足工业生产系统的要求。
        2.仪器仪表的可靠性分析
        仪器仪表的可靠性是评价其质量好坏的重要指标之一。可靠性用概率表示时称为可靠度，就是在规定的时间和规定使用条件下，无故障地发挥运行功能的概率。我们可以从理论和实际两方面对可靠度进行分析。
        2.1 理论可靠度分析
        设可靠度为R（t），不可靠度为F（t），则有：
        R（t）+F（t）=1    （1）
        将F（t）对时间微分，可得故障发生的时间概率，即故障密度函数为：
             （2）
        由此得故障率为：
             （3）
        （3）式中故障率λ（t）表示在 t 时间内尚未发生故障的可靠度 R（t）在下一单位时间内可能发生故障的条件概率。在理论上，正常使用状况下，故障率是不随时间而变化的，λ（t）=λ= 常数，因而对（3）式积分可得：
             （4）
        从实验中我们可以得出：随着使用时间的延长，仪器仪表的可靠性是下降的，在安装初期可靠性最高。
        2.2实际可靠度分析
        实际与理论差别很大。在实际应用中，我们看到仪器仪表往往在安装后短时间内出现故障很多；然后在较长一段时间内相对稳定，故障少；在最后一段时间内故障又大幅增加，仪器仪表可靠性下降。经过总结，可靠性特性曲线发生变化，如下图所示。

        由上图可看出，其特性曲线共分为三段。在仪器仪表安装运行初期即0-t1时间内，仪器仪表可靠性较差。分析可知，此时之所以出现故障，多是设计与生产工艺不当造成的。在设计时，元件的选用、逻辑电路的设计本身存在不完善、不匹配的地方。尤其是现在的仪器仪表企业，大多数都是整机厂，其电子元器件等都要外购，而其筛选和处理老化电子元器件的时间和手段相对有限，加上仪器仪表应用单位初期操作人员技术水平及新环境因素的影响，这就造成了在实际应用中，初始阶段仪器仪表可靠性较低，而不同于理论上在初期仪器仪表可靠性最高的分析。
        2.3 提升仪器仪表可靠性的策略
        提升仪器仪表系统可靠性对系统质量提升具有重要意义。一方面，为提高效率进行结构简化，同时还需要积极合理地采用科技时代下相对成熟的工艺技术及科学的设计技术，从而有效地强化仪器仪表设计的规范化及科学化；另一方面，仪器仪表元件的设计工作人员想要合理地保证该仪器仪表能够达到较高的可靠性，就应该先从最坏的情况下，针对相关的电路及元件进行设计。在此种情况下，进行综合性的考虑比较，在得出不合理的结果后，可以在选择元件时从最不合理的数值进行考虑，从而使得该元件可以应对最差的情况，进而降低仪器仪表故障的发生，最大化地保证系统的控制功能。
        3.仪器仪表抗干扰设计
        3.1仪器仪表干扰的来源
        仪表系统中的主要干扰源是内部开关设备和变压器、外部电气设备和电源设备，并将对仪器的运行产生重要影响。静电感应和电磁感应、振动环境和脉冲电压都会产生干扰。其中，电磁感应主要是指仪器与信号源连接时产生的磁场干扰；静电感应主要是指两个电场之间的相互作用；振动是指导体内部运动产生的感应电动势；脉冲电压主要用于模拟电路的外模。这些干扰源都是与信号串联产生的。因此，这种干扰属于串联干扰。
        3.2抗干扰设计
        仪器仪表抗干扰的方法较多，具体设计过程中，需要对其进行全面分析，重点分析噪声源、干扰途径和接收电路对仪器仪表抗干扰性能的影响。
        3.2.1 共模干扰抑制
        共模干扰会造成信号畸变，严重影响仪器仪表的正常运转，具体规避措施如下：
        （1）确保信号源外壳及仪器仪表的安全，保证系统和信号源接地的稳定性，采用单点接地可有效规避共模干扰，提高仪器仪表的抗干扰能力。
        （2）双层屏蔽浮地保护。在仪器仪表的加工过程中，在外壳的内部再添加一层屏蔽罩，罩体、信号输出端、仪器外壳采用电气连接。采用上述方法可有效保障信号的稳定性，提高仪器仪表的抗干扰能力。
        3.2.2串模干扰抑制
        对于仪器仪表而言，串模干扰和被测信号同等重要，一旦仪器仪表在运行过程中出现串模干扰，就会严重影响仪器仪表的稳定性，而且这种串模干扰是很难消除的。因此，在仪器仪表设计过程中，要重点分析仪器仪表的串模干扰抑制能力，主要规避手段和方式如下：
        （1）滤波。对于直流信号而言，由于其变化的速率比较缓慢，所以在仪器仪表的信号输入端增加新的增滤波电路。这种处理方法可有效降低干扰信号的影响，但在设计过程中该方法的应用比较少。
        （2）屏蔽。在仪器仪表使用过程中，电场的干扰是最常见的。为了有效规避仪器仪表内部的电场干扰，可将仪器仪表中的各种信号导线用金属进行包裹处理。常规的规避方法是在导线外部采用金属网进行包裹，主要的目的是屏蔽信号导线外部的“场”。
        （3）信号导线的扭绞。信号导线的扭绞能有效降低信号回路包围面积，同时能保证两根信号导线相距干扰源的距离一致，还能保证分布电容一致，从而有效降低磁场和电场的相互作用，最终可有效抑制串模干扰。
        结束语：
        综上所述，随着时代的发展，仪器仪表的应用范围与技术也在广泛发展。同时，其使用的条件与环境也越来越严苛。基于此，只有不断找出仪器仪表干扰的因素并加以解决，有效提升仪器仪表的可靠性能，优化其体系，才能保证仪器仪表系统的正常运行，进而提升工业生产的效率与质量。
        参考文献：
        [1]张明辉.仪器仪表的可靠性分析及抗干扰研究[J].化工设计通讯，2020.
        [2]聂俊青，宿振宇，宁耀辉，王心怡，许盈盈，赵荣华.仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计[J].中小企业管理与科技（下旬刊），2019.
        [3]李渊.仪器仪表的可靠性分析及抗干扰设计[J].山东工业技术，2017.