應(yīng)用工程師咨詢：工業(yè)測(cè)量中的信號(hào)損壞

問(wèn)：在對(duì)工業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，我最容易遇到哪些問(wèn)題？

A.I/O子系統(tǒng)（IOS）部門(mén)的客戶最常報(bào)告的五種問(wèn)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(dǎo)致許多時(shí)間浪費(fèi)時(shí)間來(lái)解決晦澀難懂和難以診斷的測(cè)量問(wèn)題。這些癥狀聽(tīng)起來(lái)熟悉嗎？

即使您知道傳感器沒(méi)有變化，讀數(shù)也會(huì)緩慢漂移。

當(dāng)另一臺(tái)設(shè)備打開(kāi)時(shí)，讀數(shù)會(huì)發(fā)生變化。

當(dāng)校準(zhǔn)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(shí)，測(cè)量結(jié)果會(huì)有所不同。

60 Hz 正弦波疊加在直流測(cè)量輸入上。

存在無(wú)法解釋的測(cè)量設(shè)備故障。

這些問(wèn)題中的任何一個(gè)都可能由接地環(huán)路引起，即電流無(wú)意中流過(guò)“接地”、“公共”和“參考”路徑，這些路徑連接到標(biāo)稱(chēng)電位相同的點(diǎn)。所有這些問(wèn)題都可以通過(guò)隔離來(lái)消除，隔離是我們?cè)谒?a target="_blank">信號(hào)調(diào)理系列中提供的關(guān)鍵信號(hào)調(diào)理屬性。

有時(shí)，兩臺(tái)設(shè)備的單獨(dú)接地會(huì)引入電位差并導(dǎo)致電流流過(guò)信號(hào)線。如果他們都被禁足了，為什么會(huì)發(fā)生這種情況？因?yàn)榕c承載電力和信號(hào)的銅線相比，接地和金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際上是相對(duì)較差的電導(dǎo)體。這種固有的電流阻力隨天氣和一年中的時(shí)間而變化，并導(dǎo)致電流流過(guò)連接兩個(gè)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(dāng)?shù)男盘?hào)調(diào)理通過(guò)對(duì)設(shè)備進(jìn)行電氣隔離來(lái)消除接地回路的可能性。信號(hào)調(diào)理還將保護(hù)設(shè)備，在進(jìn)入靈敏的測(cè)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(gè)完全浮動(dòng)的輸入和輸出端口，其中沒(méi)有從現(xiàn)場(chǎng)輸入到輸出和電源的電氣路徑。因此，電流沒(méi)有流動(dòng)的路徑，也沒(méi)有接地回路的可能性。

問(wèn)：這怎么可能？我們?nèi)绾螢樾盘?hào)提供從輸入到輸出的路徑，而沒(méi)有任何電流流動(dòng)路徑？

A.這是通過(guò)磁隔離完成的。信號(hào)的表示通過(guò)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(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確、可靠的低電平信號(hào)隔離。這種方法采用調(diào)制器和解調(diào)器通過(guò)變壓器柵傳輸信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)2500伏交流的隔離電平。

最常見(jiàn)的應(yīng)用問(wèn)題之一是在高達(dá)數(shù)百伏的地電位下測(cè)量低電平傳感器，例如熱電偶。這種電位稱(chēng)為共模電壓。高質(zhì)量信號(hào)調(diào)理器能夠抑制由共模電壓引起的誤差，同時(shí)仍能精確放大低電平信號(hào)，這稱(chēng)為共模抑制（CMR）。我們的 5B、6B 和 7B 系列信號(hào)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(cuò)誤和過(guò)電壓

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

答案在于在每個(gè)模擬信號(hào)引線上使用堅(jiān)固的信號(hào)調(diào)理。這種廉價(jià)的保險(xiǎn)單可防止每條輸入和輸出信號(hào)線上的接線錯(cuò)誤和過(guò)壓。例如，使用5B系列信號(hào)調(diào)理器將提供240 VAC的保護(hù)，即使在用于測(cè)量敏感熱電偶信號(hào)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(cè)量熱電偶的相同輸入線路上，而不會(huì)造成任何損壞。使用信號(hào)調(diào)理與現(xiàn)場(chǎng)I/O接口將保護(hù)系統(tǒng)側(cè)的所有測(cè)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(cè)和響應(yīng)的測(cè)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(shí)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(gè)信號(hào)調(diào)理器測(cè)量范圍為0°至+1200°的熱電偶和一個(gè)12位ADC，就會(huì)發(fā)生這種情況。有兩種方法可以改善這一點(diǎn)（使分辨率更?。┎z測(cè)較小的變化 - 使用更高分辨率的ADC或使用更小的測(cè)量范圍。

例如，我們的15B系列中使用的6位加號(hào)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(shí)候溫度在100°附近，則可以向ADI公司訂購(gòu)具有自定義范圍的熱電偶信號(hào)調(diào)理器，并針對(duì)精確的熱電偶類(lèi)型和溫度測(cè)量范圍進(jìn)行校準(zhǔn)。例如，跨度為+50°至+150°的自定義范圍信號(hào)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(jìn)。

4. 多個(gè)信號(hào)并不都具有相同的屬性

這對(duì)傳統(tǒng)的工業(yè)測(cè)量方法提出了相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，其中4、8甚至16個(gè)通道專(zhuān)用于連接相同的信號(hào)類(lèi)型。例如，假設(shè)您需要測(cè)量?jī)蓚€(gè)J熱電偶，一個(gè)0至+10 V信號(hào)，四個(gè)4-20 mA信號(hào)和兩個(gè)鉑RTD（電阻熱器件）。您可以為每個(gè)通道購(gòu)買(mǎi)單獨(dú)的發(fā)送器，然后將其全部連接到一個(gè)通用的4-20 mA輸入板中，也可以使用ADI公司的信號(hào)調(diào)理解決方案，該解決方案逐通道配置，但也集成到簡(jiǎn)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(chǎng)布線的所有連接，以及用于直流電源的簡(jiǎn)單連接。它們提供多種輸出選項(xiàng)：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(gè)通道的基礎(chǔ)上混合搭配兼容，并可熱插拔，以實(shí)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(dòng)機(jī)和電機(jī)、熒光燈、雙向無(wú)線電、發(fā)電機(jī)等。它們中的每一個(gè)都可以輻射電磁噪聲，這些電磁噪聲可以通過(guò)布線、電路板和測(cè)量模塊拾取。即使采用最佳的屏蔽和接地實(shí)踐，這種干擾也可能在信號(hào)測(cè)量中顯示為噪聲。如何消除這種情況？通過(guò)在信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)中提供高噪聲抑制。

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

由于整流，無(wú)線電頻段中的極高頻噪聲會(huì)導(dǎo)致直流偏移。它需要其他方法，包括仔細(xì)的電路布局和使用RFI濾波器，如鐵氧體磁珠。性能指標(biāo)體現(xiàn)在我們符合歐洲共同體CE標(biāo)志要求推廣的電磁敏感性EN認(rèn)證。這一點(diǎn)很重要的典型應(yīng)用是在輸入布線和信號(hào)調(diào)理子系統(tǒng)幾英尺范圍內(nèi)使用雙向無(wú)線電。每當(dāng)無(wú)線電傳輸時(shí)，都必須拒絕測(cè)量誤差。良好的面板布局實(shí)踐和信號(hào)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

問(wèn)。有哪些好的安裝和接線實(shí)踐

A.以下是一些建議。您可能還想查看“設(shè)計(jì)工具”和ADI公司的書(shū)籍《實(shí)用模擬設(shè)計(jì)技術(shù)》，該書(shū)以硬拷貝形式出售，可在網(wǎng)絡(luò)上免費(fèi)購(gòu)買(mǎi)。

避免在電磁噪聲源附近安裝敏感的測(cè)量設(shè)備或傳輸?shù)碗娖叫盘?hào)的電線，例如斷路器、變壓器、電機(jī)、SCR 驅(qū)動(dòng)器、焊機(jī)、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(diǎn)引線或其他高電平電壓或電流的同一導(dǎo)管中運(yùn)行信號(hào)承載線。

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

審核編輯：郭婷