應用工程師咨詢：工業(yè)測量中的信號損壞

Q.在對工業(yè)系統(tǒng)進行檢測時，我最容易遇到哪些問題？

A. I/O子系統(tǒng)（IOS）部門的客戶最常報告的五種問題是：

1. 接地回路

接地回路是儀表工程師和技術(shù)人員的禍根。它們導致許多時間浪費時間來解決晦澀難懂和難以診斷的測量問題。這些癥狀聽起來熟悉嗎？

即使您知道傳感器沒有變化，讀數(shù)也會緩慢漂移。

當另一臺設(shè)備打開時，讀數(shù)會發(fā)生變化。

當校準設(shè)備連接在儀器電纜的末端而不是直接連接到輸入端時，測量結(jié)果會有所不同。

60 Hz 正弦波疊加在直流測量輸入上。

存在無法解釋的測量設(shè)備故障。

這些問題中的任何一個都可能由接地環(huán)路引起，即電流無意中流過“接地”、“公共”和“參考”路徑，這些路徑連接到標稱電位相同的點。所有這些問題都可以通過隔離來消除，隔離是我們在所有信號調(diào)理系列中提供的關(guān)鍵信號調(diào)理屬性。

有時，兩臺設(shè)備的單獨接地會引入電位差并導致電流流過信號線。如果他們都被禁足了，為什么會發(fā)生這種情況？因為與承載電力和信號的銅線相比，接地和金屬結(jié)構(gòu)實際上是相對較差的電導體。這種固有的電流阻力隨天氣和一年中的時間而變化，并導致電流流過連接兩個設(shè)備的任何電線。許多工廠和廠房都經(jīng)歷了幾十伏或幾百伏的電位。適當?shù)男盘栒{(diào)理通過對設(shè)備進行電氣隔離來消除接地回路的可能性。信號調(diào)理還將保護設(shè)備，在進入靈敏的測量系統(tǒng)之前抑制潛在的破壞性電壓電平。

隔離提供了一個完全浮動的輸入和輸出端口，其中沒有從現(xiàn)場輸入到輸出和電源的電氣路徑。因此，電流沒有流動的路徑，也沒有接地回路的可能性。

問：這怎么可能？我們?nèi)绾螢樾盘柼峁妮斎氲捷敵龅穆窂?，而沒有任何電流流動路徑？

A. 這是通過磁隔離完成的。信號的表示通過變壓器，變壓器產(chǎn)生磁性連接，而不是電流連接。我們已經(jīng)完善了變壓器的使用，以實現(xiàn)準確、可靠的低電平信號隔離。這種方法采用調(diào)制器和解調(diào)器通過變壓器柵傳輸信號，可以實現(xiàn)2500伏交流的隔離電平。

最常見的應用問題之一是在高達數(shù)百伏的地電位下測量低電平傳感器，例如熱電偶。這種電位稱為共模電壓。高質(zhì)量信號調(diào)理器能夠抑制由共模電壓引起的誤差，同時仍能精確放大低電平信號，這稱為共模抑制（CMR）。我們的 5B、6B 和 7B 系列信號調(diào)理子系統(tǒng)提供足夠的共模抑制，可將這些誤差的影響降低 100 億比 1！

2. 接線錯誤和過電壓

您知道當來自敏感數(shù)據(jù)采集板的電纜被路由到另一個機柜或建筑物的另一部分時會發(fā)生什么 - 輸入和輸出接線端子被分組到數(shù)百個其他終端中，這些端子承載著不同的信號和電平：直流信號、交流信號、毫電壓、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，即使是訓練有素的技術(shù)人員或電工也將電線連接到錯誤的端子。隨著系統(tǒng)需求的變化，接線圖通常用紅筆實時更新。設(shè)備被替換為“等效設(shè)備”。有時電源會發(fā)生故障，并無意中施加過電壓。您可以做些什么來保護您的測量系統(tǒng)？

答案在于在每個模擬信號引線上使用堅固的信號調(diào)理。這種廉價的保險單可防止每條輸入和輸出信號線上的接線錯誤和過壓。例如，使用5B系列信號調(diào)理器將提供240 VAC的保護，即使在用于測量敏感熱電偶信號的輸入線路上也是如此，電平在毫伏范圍內(nèi)。您可以直接將240 VAC線路連接到用于測量熱電偶的相同輸入線路上，而不會造成任何損壞。使用信號調(diào)理與現(xiàn)場I/O接口將保護系統(tǒng)側(cè)的所有測量和數(shù)據(jù)采集設(shè)備。

3. 分辨率喪失

分辨率是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）系統(tǒng)可以檢測和響應的測量中的最小變化。例如，如果溫度讀數(shù)從 100.00° 到 100.29° 再到 100.58°，則隨著實際溫度在此范圍內(nèi)逐漸升高，分辨率（最低有效位值）為 0.29°。如果您有一個信號調(diào)理器測量范圍為0°至+1200°的熱電偶和一個12位ADC，就會發(fā)生這種情況。有兩種方法可以改善這一點（使分辨率更?。┎z測較小的變化 - 使用更高分辨率的ADC或使用更小的測量范圍。

例如，我們的15B系列中使用的6位加號ADC在0至037°范圍內(nèi)可提供0.1200°的分辨率，小8倍！另一方面，如果您知道大多數(shù)時候溫度在100°附近，則可以向ADI公司訂購具有自定義范圍的熱電偶信號調(diào)理器，并針對精確的熱電偶類型和溫度測量范圍進行校準。例如，跨度為+50°至+150°的自定義范圍信號調(diào)理器使用0位ADC可提供024.12°的分辨率，這是0至1200°范圍的巨大改進。

4. 多個信號并不都具有相同的屬性

這對傳統(tǒng)的工業(yè)測量方法提出了相當大的挑戰(zhàn)，其中4、8甚至16個通道專用于連接相同的信號類型。例如，假設(shè)您需要測量兩個J熱電偶，一個0至+10 V信號，四個4-20 mA信號和兩個鉑RTD（電阻熱器件）。您可以為每個通道購買單獨的發(fā)送器，然后將其全部連接到一個通用的4-20 mA輸入板中，也可以使用ADI公司的信號調(diào)理解決方案，該解決方案逐通道配置，但也集成到簡單的背板子系統(tǒng)中。

這些子系統(tǒng)包含用于輸入、輸出和現(xiàn)場布線的所有連接，以及用于直流電源的簡單連接。它們提供多種輸出選項：0 至 +5 V、0 至 +10 V、4-20 mA 和 RS-232/485 等！輸入和輸出模塊在每個通道的基礎(chǔ)上混合搭配兼容，并可熱插拔，以實現(xiàn)最大的靈活性。

5. 電氣干擾

今天的工業(yè)工廠和工廠包含各種干擾源：發(fā)動機和電機、熒光燈、雙向無線電、發(fā)電機等。它們中的每一個都可以輻射電磁噪聲，這些電磁噪聲可以通過布線、電路板和測量模塊拾取。即使采用最佳的屏蔽和接地實踐，這種干擾也可能在信號測量中顯示為噪聲。如何消除這種情況？通過在信號調(diào)理子系統(tǒng)中提供高噪聲抑制。

通過選擇具有出色共模和正常模式抑制的信號調(diào)理子系統(tǒng)，可以消除低頻噪聲。當測量正負輸入相對于公共點（如地）時，可以看到正負輸入端上都存在的共模噪聲。正常模式噪聲以正負輸入之差來衡量。我們的信號調(diào)理子系統(tǒng)的典型共模抑制規(guī)格為160 dB。這種對數(shù)刻度測量意味著任何共模電壓噪聲相對于信號的影響都會降低108倍，即100億比1！

由于整流，無線電頻段中的極高頻噪聲會導致直流偏移。它需要其他方法，包括仔細的電路布局和使用RFI濾波器，如鐵氧體磁珠。性能指標體現(xiàn)在我們符合歐洲共同體CE標志要求推廣的電磁敏感性EN認證。這一點很重要的典型應用是在輸入布線和信號調(diào)理子系統(tǒng)幾英尺范圍內(nèi)使用雙向無線電。每當無線電傳輸時，都必須拒絕測量誤差。良好的面板布局實踐和信號調(diào)理的使用將確保在這些嘈雜的環(huán)境中獲得最佳精度。

結(jié)論

Q.有哪些好的安裝和接線實踐

A. 以下是一些建議。您可能還想查看“設(shè)計工具”和ADI公司的書籍《實用模擬設(shè)計技術(shù)》，該書以硬拷貝形式出售，可在網(wǎng)絡(luò)上免費購買。

避免在電磁噪聲源附近安裝敏感的測量設(shè)備或傳輸?shù)碗娖叫盘柕碾娋€，例如斷路器、變壓器、電機、SCR 驅(qū)動器、焊機、熒光燈控制器或繼電器。

使用雙絞線以減少磁噪聲拾取。每英尺尋找 10 到 12 次扭轉(zhuǎn)。

使用屏蔽電纜，屏蔽僅連接到輸入端的公共電路。

切勿在承載電源線、繼電器觸點引線或其他高電平電壓或電流的同一導管中運行信號承載線。

在干擾極高的環(huán)境中，將信號調(diào)理和測量設(shè)備安裝在接地和封閉的金屬機柜內(nèi)。