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解決工業(yè)測量中的噪聲干擾問題
2015-08-31
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，非常浪費時間。可能會出現(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，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"和"參考點",實際上都有電位差。當(dāng)他們構(gòu)成通路時，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。
有時候兩臺設(shè)備各自單獨接地就會造成接地點的電位差，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？這是因為與傳輸電能和信號的銅線相比，大地和金屬外殼實際上都是電的不良導(dǎo)體，阻擋電流流動的內(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機(jī)柜或廠房的其他地方時，會是什么情況？輸入和輸出接線端子混在幾百個接線端子中，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線。當(dāng)系統(tǒng)需要修改時，需要及時修改接線圖；有時電源發(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：在每個模擬信號的引腳上都使用加強(qiáng)的隔離信號調(diào)理。這個并不昂貴的保險措施可以防止每個輸入和輸出信號線由于錯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，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)時間被測溫度值是在100℃左右，那么你可以定制一個測量范圍更準(zhǔn)確的熱電偶信號調(diào)理器，采用一個溫度測量范圍為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），需要為每個通道買一個變送器，再把它們接到4~20mA的公共輸入板上。現(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)動機(jī)、電動機(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，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、電動機(jī)、可控硅整流器驅(qū)動器、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。
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