如何解決工業(yè)測量中的噪聲干擾問(wèn)題

中心議題：

• 工業(yè)現場(chǎng)測試中的問(wèn)題及解決方案

解決方案：

• 電隔離解決接地環(huán)路問(wèn)題
• 使用加強的隔離信號調理
• 信號調理系統中采用有效的噪聲抑制措施

在工業(yè)現場(chǎng)測試中，我們經(jīng)常會(huì )遇到以下五種問(wèn)題：

1. 接地環(huán)路

接地環(huán)路對工程師和技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是非常棘手的問(wèn)題，由此造成的故障很難查找，非常浪費時(shí)間?？赡軙?huì )出現的故障現象有：

• 盡管傳感器沒(méi)有發(fā)生變化，但儀表的讀數卻在緩慢漂移；
• 接通其他設備時(shí)，儀表的讀數發(fā)生漂移；
• 檢定裝置接在儀器電纜的末端和直接接在儀器的輸入端，兩種測量結果不同；
• 有50Hz/60Hz的正弦波疊加在直流輸入信號上；
• 有一些難于解釋的測量設備故障問(wèn)題。

上述這些問(wèn)題都可能是由接地環(huán)路造成的。表面上看來(lái)是等電位的一些地、公共點(diǎn)和參考點(diǎn),實(shí)際上都有電位差。當他們構成通路時(shí)，由于有電位差就會(huì )有電流流過(guò)通路，這就是接地環(huán)路。上述問(wèn)題都可以通過(guò)隔離來(lái)解決。

有時(shí)候兩臺設備各自單獨接地就會(huì )造成接地點(diǎn)的電位差，從而引起電流流過(guò)信號線(xiàn)路。為什么兩臺設備都接地了，還會(huì )出現這種問(wèn)題呢？這是因為與傳輸電能和信號的銅線(xiàn)相比，大地和金屬外殼實(shí)際上都是電的不良導體，阻擋電流流動(dòng)的內部阻抗特性會(huì )隨著(zhù)季節和天氣的變化而變化，并使電流通過(guò)連接這兩臺設備的任何導線(xiàn)。許多工廠(chǎng)和車(chē)間廠(chǎng)房的電位高達幾十甚至幾百伏，采用適當的信號調理措施 -電隔離就可以消除接地環(huán)路，這樣在接入靈敏的測試系統之前就有效防止了潛在的過(guò)壓損壞，從而保護了設備。隔離器提供了一個(gè)完整的浮空輸入和輸出端口，從現場(chǎng)輸入到輸出以及從現場(chǎng)輸入到電源之間都沒(méi)有電通路，因此就不會(huì )有電流通路，從而不會(huì )存在接地環(huán)路。

怎樣才能提供一條通路使信號從輸入傳遞到輸出，卻不構成電流通路？可以采用磁隔離的方法，通過(guò)變壓器產(chǎn)生的信號，輸入與輸出信號之間不再是通過(guò)電路連接而是通過(guò)磁路連接，因此可以消除電通路。采用變壓器對低電平信號進(jìn)行準確、可靠的隔離，使用調制器和解調器來(lái)傳輸變壓器隔離介質(zhì)兩端的信號，并且隔離電壓有效值高達4000Vrms。

有些時(shí)候我們會(huì )在高達幾百伏的地電位情況下測量熱電偶或其他傳感器的小信號，這種地電位叫做共模電壓。一個(gè)高品質(zhì)的信號調理器能夠抑制由共模電壓引起的誤差，同時(shí)仍準確地放大信號，這種能力叫做共模抑制（CMR）。5B信號調理模塊具有足夠的共模抑制能力以減小共模電壓的影響。

2. 錯誤接線(xiàn)和過(guò)壓

想想看，在工業(yè)現場(chǎng)將一根電纜從一塊靈敏的數據采集卡連接到另一個(gè)機柜或廠(chǎng)房的其他地方時(shí)，會(huì )是什么情況？輸入和輸出接線(xiàn)端子混在幾百個(gè)接線(xiàn)端子中，這些接線(xiàn)端子連接著(zhù)各種大小和性質(zhì)不同的信號：直流信號、交流信號、毫伏級信號、熱電偶、直流電源、交流電源、接近開(kāi)關(guān)、繼電器電路等。不難想象，即便是一位訓練有素的技術(shù)員或電工也有可能接錯線(xiàn)。當系統需要修改時(shí)，需要及時(shí)修改接線(xiàn)圖；有時(shí)電源發(fā)生故障，也會(huì )把過(guò)高的電壓無(wú)意加到系統上。怎樣才能保護測量系統呢？

答案是：在每個(gè)模擬信號的引腳上都使用加強的隔離信號調理。這個(gè)并不昂貴的保險措施可以防止每個(gè)輸入和輸出信號線(xiàn)由于錯接或過(guò)壓而引起的問(wèn)題。例如，當輸入電路用來(lái)測量毫伏級的熱電偶信號時(shí)，使用SCM5B系列的信號調理器可以提供240V的交流保護。也就是說(shuō)，你可以在測量熱電偶的輸入線(xiàn)兩端并聯(lián)240V的交流電壓，而不會(huì )對設備造成任何損害。在系統端使用信號調理器和現場(chǎng)I/O連接，可以保護系統所有的測量與數據采集設備。
3. 分辨率降低

分辨率是指模數轉換（ADC）系統可以檢測和響應的最小變化。有兩種方法可以提高分辨率以測量更微小的變化：采用更高分辨率的ADC或縮小測量范圍.例如，如果你知道多數時(shí)間被測溫度值是在100℃左右，那么你可以定制一個(gè)測量范圍更準確的熱電偶信號調理器，采用一個(gè)溫度測量范圍為50~150℃的信號調理器，會(huì )比測量范圍為0~1200℃時(shí)的分辨率大大提高。

4. 多路信號具備各自不同的特性

在傳統測量方法中，需要把4路、8路或16路輸入信號都接到相同類(lèi)型的信號接口。例如，如果需要測量2路J型熱電偶、1路0~10V的信號、4路4~20mA的信號和2路鉑熱電阻（RTD），需要為每個(gè)通道買(mǎi)一個(gè)變送器，再把它們接到4~20mA的公共輸入板上?，F在可以采用5B信號調理方案，即為各通道配置相應的信號調理模塊，這些模塊集中安插在一塊載板上。這些載板提供了與輸入、輸出和現場(chǎng)設備連接的所有接線(xiàn)端子，可以提供以下輸出：0~5V,0~10V,4~20mA,RS-232/485等。同一個(gè)載板上可以混合安裝各種不同類(lèi)型的調理模塊，使用方便，可以熱插拔。

5. 電磁干擾

在現代化的工廠(chǎng)和車(chē)間里會(huì )有各種各樣的干擾源：發(fā)動(dòng)機、電動(dòng)機、熒光燈、無(wú)線(xiàn)電設備、發(fā)電機等。每種干擾源都會(huì )輻射出能被線(xiàn)路、電路板和測量模塊接受的電磁噪聲。即使采取最好的屏蔽和接地措施，這些干擾也會(huì )在信號測量中以噪聲的形式表現出來(lái)。怎樣消除這些干擾呢？只要在信號調理系統中采用有效的噪聲抑制措施就能消除這些干擾。

選用共模抑制和常模抑制能力強的信號調理系統可以濾除低頻噪聲。在公共端測量正輸入或負輸入信號時(shí)，正輸入端和負輸入端都有共模噪聲。正輸入和負輸入共模噪聲之差為常模噪聲。在信號調理子系統中，典型的共模抑制指標為160dB,這個(gè)對數比例關(guān)系意味著(zhù)相對于信號來(lái)說(shuō)共模電壓噪聲對測量結果的影響以108:1衰減。

在射頻波段中的超高頻噪聲由于整流的緣故會(huì )引起直流偏移，這就要求必須采用其他方法來(lái)消除噪聲，包括采用特別的布線(xiàn)設計和使用RFI濾波器（如鐵氧體）。需要根據歐共體CE標志要求公布的關(guān)于電磁敏感性EN認證要求進(jìn)行性能測試。很重要的典型應用是在輸入線(xiàn)路和信號調理子系統幾英尺之內使用收發(fā)兩用無(wú)線(xiàn)電設備的情況，所采用的信號調理必須具備無(wú)線(xiàn)信號發(fā)射時(shí)抑制測量誤差的能力。合理的線(xiàn)路板布線(xiàn)和采用信號調理措施將確保在噪聲環(huán)境中達到最高精度。

特別提示：
1. 避免在電磁噪聲源（如斷路器、變壓器、電動(dòng)機、可控硅整流器驅動(dòng)器、焊接機、熒光燈控制器或繼電器）附近安裝敏感測量?jì)x器或布置傳送低電平信號的線(xiàn)路。
2. 使用10~12絞/英尺的雙絞線(xiàn)來(lái)減少磁噪聲干擾。
3. 使用屏蔽電纜并將其屏蔽層連接到輸入端的電路公共端。
4. 不能將攜帶信號的線(xiàn)路與輸電線(xiàn)、繼電器引線(xiàn)及其它高壓或大電流電纜穿在同一根護套中。
5. 在干擾很?chē)乐氐沫h(huán)境中，要將信號調理電路和測量設備放在接地并且封閉的屏蔽室中。