应用工程师咨询：工业测量中的信号损坏

Q.在对工业系统进行检测时，我最容易遇到哪些问题？

A. I/O子系统（IOS）部门的客户最常报告的五种问题是：

1. 接地回路

接地回路是仪表工程师和技术人员的祸根。它们导致许多时间浪费时间来解决晦涩难懂和难以诊断的测量问题。这些症状听起来熟悉吗？

即使您知道传感器没有变化，读数也会缓慢漂移。

当另一台设备打开时，读数会发生变化。

当校准设备连接在仪器电缆的末端而不是直接连接到输入端时，测量结果会有所不同。

60 Hz 正弦波叠加在直流测量输入上。

存在无法解释的测量设备故障。

这些问题中的任何一个都可能由接地环路引起，即电流无意中流过“接地”、“公共”和“参考”路径，这些路径连接到标称电位相同的点。所有这些问题都可以通过隔离来消除，隔离是我们在所有信号调理系列中提供的关键信号调理属性。

有时，两台设备的单独接地会引入电位差并导致电流流过信号线。如果他们都被禁足了，为什么会发生这种情况？因为与承载电力和信号的铜线相比，接地和金属结构实际上是相对较差的电导体。这种固有的电流阻力随天气和一年中的时间而变化，并导致电流流过连接两个设备的任何电线。许多工厂和厂房都经历了几十伏或几百伏的电位。适当的信号调理通过对设备进行电气隔离来消除接地回路的可能性。信号调理还将保护设备，在进入灵敏的测量系统之前抑制潜在的破坏性电压电平。

隔离提供了一个完全浮动的输入和输出端口，其中没有从现场输入到输出和电源的电气路径。因此，电流没有流动的路径，也没有接地回路的可能性。

问：这怎么可能？我们如何为信号提供从输入到输出的路径，而没有任何电流流动路径？

A. 这是通过磁隔离完成的。信号的表示通过变压器，变压器产生磁性连接，而不是电流连接。我们已经完善了变压器的使用，以实现准确、可靠的低电平信号隔离。这种方法采用调制器和解调器通过变压器栅传输信号，可以实现2500伏交流的隔离电平。

最常见的应用问题之一是在高达数百伏的地电位下测量低电平传感器，例如热电偶。这种电位称为共模电压。高质量信号调理器能够抑制由共模电压引起的误差，同时仍能精确放大低电平信号，这称为共模抑制（CMR）。我们的 5B、6B 和 7B 系列信号调理子系统提供足够的共模抑制，可将这些误差的影响降低 100 亿比 1！

2. 接线错误和过电压

您知道当来自敏感数据采集板的电缆被路由到另一个机柜或建筑物的另一部分时会发生什么 - 输入和输出接线端子被分组到数百个其他终端中，这些端子承载着不同的信号和电平：直流信号、交流信号、毫电压、热电偶、直流电源、交流电源、接近开关、继电器电路、 等。不难想象，即使是训练有素的技术人员或电工也将电线连接到错误的端子。随着系统需求的变化，接线图通常用红笔实时更新。设备被替换为“等效设备”。有时电源会发生故障，并无意中施加过电压。您可以做些什么来保护您的测量系统？

答案在于在每个模拟信号引线上使用坚固的信号调理。这种廉价的保险单可防止每条输入和输出信号线上的接线错误和过压。例如，使用5B系列信号调理器将提供240 VAC的保护，即使在用于测量敏感热电偶信号的输入线路上也是如此，电平在毫伏范围内。您可以直接将240 VAC线路连接到用于测量热电偶的相同输入线路上，而不会造成任何损坏。使用信号调理与现场I/O接口将保护系统侧的所有测量和数据采集设备。

3. 分辨率丧失

分辨率是模数转换器（ADC）系统可以检测和响应的测量中的最小变化。例如，如果温度读数从 100.00° 到 100.29° 再到 100.58°，则随着实际温度在此范围内逐渐升高，分辨率（最低有效位值）为 0.29°。如果您有一个信号调理器测量范围为0°至+1200°的热电偶和一个12位ADC，就会发生这种情况。有两种方法可以改善这一点（使分辨率更小）并检测较小的变化 - 使用更高分辨率的ADC或使用更小的测量范围。

例如，我们的15B系列中使用的6位加号ADC在0至037°范围内可提供0.1200°的分辨率，小8倍！另一方面，如果您知道大多数时候温度在100°附近，则可以向ADI公司订购具有自定义范围的热电偶信号调理器，并针对精确的热电偶类型和温度测量范围进行校准。例如，跨度为+50°至+150°的自定义范围信号调理器使用0位ADC可提供024.12°的分辨率，这是0至1200°范围的巨大改进。

4. 多个信号并不都具有相同的属性

这对传统的工业测量方法提出了相当大的挑战，其中4、8甚至16个通道专用于连接相同的信号类型。例如，假设您需要测量两个J热电偶，一个0至+10 V信号，四个4-20 mA信号和两个铂RTD（电阻热器件）。您可以为每个通道购买单独的发送器，然后将其全部连接到一个通用的4-20 mA输入板中，也可以使用ADI公司的信号调理解决方案，该解决方案逐通道配置，但也集成到简单的背板子系统中。

这些子系统包含用于输入、输出和现场布线的所有连接，以及用于直流电源的简单连接。它们提供多种输出选项：0 至 +5 V、0 至 +10 V、4-20 mA 和 RS-232/485 等！输入和输出模块在每个通道的基础上混合搭配兼容，并可热插拔，以实现最大的灵活性。

5. 电气干扰

今天的工业工厂和工厂包含各种干扰源：发动机和电机、荧光灯、双向无线电、发电机等。它们中的每一个都可以辐射电磁噪声，这些电磁噪声可以通过布线、电路板和测量模块拾取。即使采用最佳的屏蔽和接地实践，这种干扰也可能在信号测量中显示为噪声。如何消除这种情况？通过在信号调理子系统中提供高噪声抑制。

通过选择具有出色共模和正常模式抑制的信号调理子系统，可以消除低频噪声。当测量正负输入相对于公共点（如地）时，可以看到正负输入端上都存在的共模噪声。正常模式噪声以正负输入之差来衡量。我们的信号调理子系统的典型共模抑制规格为160 dB。这种对数刻度测量意味着任何共模电压噪声相对于信号的影响都会降低108倍，即100亿比1！

由于整流，无线电频段中的极高频噪声会导致直流偏移。它需要其他方法，包括仔细的电路布局和使用RFI滤波器，如铁氧体磁珠。性能指标体现在我们符合欧洲共同体CE标志要求推广的电磁敏感性EN认证。这一点很重要的典型应用是在输入布线和信号调理子系统几英尺范围内使用双向无线电。每当无线电传输时，都必须拒绝测量误差。良好的面板布局实践和信号调理的使用将确保在这些嘈杂的环境中获得最佳精度。

结论

Q.有哪些好的安装和接线实践

A. 以下是一些建议。您可能还想查看“设计工具”和ADI公司的书籍《实用模拟设计技术》，该书以硬拷贝形式出售，可在网络上免费购买。

避免在电磁噪声源附近安装敏感的测量设备或传输低电平信号的电线，例如断路器、变压器、电机、SCR 驱动器、焊机、荧光灯控制器或继电器。

使用双绞线以减少磁噪声拾取。每英尺寻找 10 到 12 次扭转。

使用屏蔽电缆，屏蔽仅连接到输入端的公共电路。

切勿在承载电源线、继电器触点引线或其他高电平电压或电流的同一导管中运行信号承载线。

在干扰极高的环境中，将信号调理和测量设备安装在接地和封闭的金属机柜内。