如何解決工業(yè)測量中的噪聲干擾問題

中心議題：

• 工業(yè)現(xiàn)場測試中的問題及解決方案

解決方案：

• 電隔離解決接地環(huán)路問題
• 使用加強(qiáng)的隔離信號調(diào)理
• 信號調(diào)理系統(tǒng)中采用有效的噪聲抑制措施

在工業(yè)現(xiàn)場測試中，我們經(jīng)常會遇到以下五種問題：

1. 接地環(huán)路

"接地環(huán)路"對工程師和技術(shù)人員來說是非常棘手的問題，由此造成的故障很難查找，非常浪費(fèi)時(shí)間?？赡軙霈F(xiàn)的故障現(xiàn)象有：

• 盡管傳感器沒有發(fā)生變化，但儀表的讀數(shù)卻在緩慢漂移；
• 接通其他設(shè)備時(shí)，儀表的讀數(shù)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(jié)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(shè)備故障問題。

上述這些問題都可能是由"接地環(huán)路"造成的。表面上看來是等電位的一些"地"、"公共點(diǎn)"和"參考點(diǎn)",實(shí)際上都有電位差。當(dāng)他們構(gòu)成通路時(shí)，由于有電位差就會有電流流過通路，這就是"接地環(huán)路"。上述問題都可以通過"隔離"來解決。

有時(shí)候兩臺設(shè)備各自單獨(dú)接地就會造成接地點(diǎn)的電位差，從而引起電流流過信號線路。為什么兩臺設(shè)備都接地了，還會出現(xiàn)這種問題呢？這是因?yàn)榕c傳輸電能和信號的銅線相比，大地和金屬外殼實(shí)際上都是電的不良導(dǎo)體，阻擋電流流動(dòng)的內(nèi)部阻抗特性會隨著季節(jié)和天氣的變化而變化，并使電流通過連接這兩臺設(shè)備的任何導(dǎo)線。許多工廠和車間廠房的電位高達(dá)幾十甚至幾百伏，采用適當(dāng)?shù)男盘栒{(diào)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(tǒng)之前就有效防止了潛在的過壓損壞，從而保護(hù)了設(shè)備。隔離器提供了一個(gè)完整的浮空輸入和輸出端口，從現(xiàn)場輸入到輸出以及從現(xiàn)場輸入到電源之間都沒有電通路，因此就不會有電流通路，從而不會存在接地環(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(gòu)成電流通路？可以采用"磁隔離"的方法，通過變壓器產(chǎn)生的信號，輸入與輸出信號之間不再是通過電路連接而是通過磁路連接，因此可以消除電通路。采用變壓器對低電平信號進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的隔離，使用調(diào)制器和解調(diào)器來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(dá)4000Vrms。

有些時(shí)候我們會在高達(dá)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(diào)理器能夠抑制由"共模電壓"引起的誤差，同時(shí)仍準(zhǔn)確地放大信號，這種能力叫做"共模抑制（CMR）"。5B信號調(diào)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(cuò)誤接線和過壓

想想看，在工業(yè)現(xiàn)場將一根電纜從一塊靈敏的數(shù)據(jù)采集卡連接到另一個(gè)機(jī)柜或廠房的其他地方時(shí)，會是什么情況？輸入和輸出接線端子混在幾百個(gè)接線端子中，這些接線端子連接著各種大小和性質(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、接近開關(guān)、繼電器電路等。不難想象，即便是一位訓(xùn)練有素的技術(shù)員或電工也有可能接錯(cuò)線。當(dāng)系統(tǒng)需要修改時(shí)，需要及時(shí)修改接線圖；有時(shí)電源發(fā)生故障，也會把過高的電壓無意加到系統(tǒng)上。怎樣才能保護(hù)測量系統(tǒng)呢？

答案是：在每個(gè)模擬信號的引腳上都使用加強(qiáng)的隔離信號調(diào)理。這個(gè)并不昂貴的保險(xiǎn)措施可以防止每個(gè)輸入和輸出信號線由于錯(cuò)接或過壓而引起的問題。例如，當(dāng)輸入電路用來測量毫伏級的熱電偶信號時(shí)，使用SCM5B系列的信號調(diào)理器可以提供240V的交流保護(hù)。也就是說，你可以在測量熱電偶的輸入線兩端并聯(lián)240V的交流電壓，而不會對設(shè)備造成任何損害。在系統(tǒng)端使用信號調(diào)理器和現(xiàn)場I/O連接，可以保護(hù)系統(tǒng)所有的測量與數(shù)據(jù)采集設(shè)備。
3. 分辨率降低

分辨率是指模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）系統(tǒng)可以檢測和響應(yīng)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(shù)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(zhǔn)確的熱電偶信號調(diào)理器，采用一個(gè)溫度測量范圍為50~150℃的信號調(diào)理器，會比測量范圍為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(tǒng)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)通道買一個(gè)變送器，再把它們接到4~20mA的公共輸入板上?，F(xiàn)在可以采用5B信號調(diào)理方案，即為各通道配置相應(yīng)的信號調(diào)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(xiàn)場設(shè)備連接的所有接線端子，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型的調(diào)理模塊，使用方便，可以熱插拔。

5. 電磁干擾

在現(xiàn)代化的工廠和車間里會有各種各樣的干擾源：發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、熒光燈、無線電設(shè)備、發(fā)電機(jī)等。每種干擾源都會輻射出能被線路、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，這些干擾也會在信號測量中以噪聲的形式表現(xiàn)出來。怎樣消除這些干擾呢？只要在信號調(diào)理系統(tǒng)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(qiáng)的信號調(diào)理系統(tǒng)可以濾除低頻噪聲。在公共端測量正輸入或負(fù)輸入信號時(shí)，正輸入端和負(fù)輸入端都有共模噪聲。正輸入和負(fù)輸入共模噪聲之差為常模噪聲。在信號調(diào)理子系統(tǒng)中，典型的共模抑制指標(biāo)為160dB,這個(gè)對數(shù)比例關(guān)系意味著相對于信號來說共模電壓噪聲對測量結(jié)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引起直流偏移，這就要求必須采用其他方法來消除噪聲，包括采用特別的布線設(shè)計(jì)和使用RFI濾波器（如鐵氧體）。需要根據(jù)歐共體CE標(biāo)志要求公布的關(guān)于電磁敏感性EN認(rèn)證要求進(jìn)行性能測試。很重要的典型應(yīng)用是在輸入線路和信號調(diào)理子系統(tǒng)幾英尺之內(nèi)使用收發(fā)兩用無線電設(shè)備的情況，所采用的信號調(diào)理必須具備無線信號發(fā)射時(shí)抑制測量誤差的能力。合理的線路板布線和采用信號調(diào)理措施將確保在噪聲環(huán)境中達(dá)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(jī)、可控硅整流器驅(qū)動(dòng)器、焊接機(jī)、熒光燈控制器或繼電器）附近安裝敏感測量儀器或布置傳送低電平信號的線路。
2. 使用10~12絞/英尺的雙絞線來減少磁噪聲干擾。
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路與輸電線、繼電器引線及其它高壓或大電流電纜穿在同一根護(hù)套中。
5. 在干擾很嚴(yán)重的環(huán)境中，要將信號調(diào)理電路和測量設(shè)備放在接地并且封閉的屏蔽室中。