工程實(shí)驗(yàn)中常見信號(hào)采集干擾原因及分析

王春意

（中廣核研究院有限公司，深圳 518000）

在工程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域中，儀控工程師最常碰到的難題為電磁干擾相關(guān)問(wèn)題。電磁干擾按傳輸途徑分類主要包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾[1]。電磁干擾三要素主要包括電磁干擾源、耦合途徑、敏感設(shè)備。解決電磁干擾的方法主要從3 個(gè)方面來(lái)改善測(cè)量環(huán)境，分別為屏蔽、濾波和接地[2]。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)最常見的干擾源為對(duì)講機(jī)、交流電、大電流直流電源、變頻器，下面主要針對(duì)這幾種干擾源進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 對(duì)講機(jī)干擾

工程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常使用對(duì)講機(jī)來(lái)進(jìn)行溝通與交互，大功率對(duì)講機(jī)有可能對(duì)屏蔽做的不太完備的電子設(shè)備產(chǎn)生信號(hào)干擾，影響控制信號(hào)或傳感器信號(hào)的穩(wěn)定。

例如針對(duì)某大型直流電源設(shè)備，在其輸出電流為24000A 的情況下，在未使用對(duì)講機(jī)的情況下信號(hào)波形如圖1 所示。當(dāng)在傳感器近距離使用對(duì)講機(jī)時(shí)，信號(hào)波形如圖2所示。

從圖1、圖2 對(duì)比，可以明顯看出對(duì)講機(jī)對(duì)直流電源信號(hào)產(chǎn)生非常明顯的干擾，如此大幅度的干擾可能導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)不準(zhǔn)確，自動(dòng)控制系統(tǒng)誤操作等一系列問(wèn)題，尤其是對(duì)于此類大功率用電設(shè)備，危害尤為劇烈。

對(duì)此類信號(hào)干擾，一般有兩類解決辦法：一種是徹底排查電氣設(shè)備相關(guān)的控制、測(cè)量回路的屏蔽與接地設(shè)施是否完整；另一種是改用無(wú)線集群通訊系統(tǒng)來(lái)代替對(duì)講機(jī)實(shí)現(xiàn)通話。徹底排查工作量繁重，建議采用第二種方案來(lái)解決此類問(wèn)題。

圖1 未使用對(duì)講機(jī)信號(hào)波形Fig.1 Unused intercom signal waveform

圖3 eChat系統(tǒng)架構(gòu)Fig.3 eChat System architecture

集群通訊系統(tǒng)利用VoIP 技術(shù)，基于中國(guó)電信CDMA、1x/EVDO 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，射頻信號(hào)最大發(fā)射功率低，僅為0.2W。常用的有中興通訊公司推出的eChat 系列產(chǎn)品。大致架構(gòu)圖如圖3 所示。使用該產(chǎn)品后，該干擾問(wèn)題解決，對(duì)應(yīng)的信號(hào)波形如圖4 所示。

2 220V交流電纜干擾

根據(jù)工業(yè)儀控設(shè)計(jì)規(guī)定，儀控電纜與高壓電纜（例如220V 供電線）需滿足一定敷設(shè)間距要求，最小應(yīng)大于150mm[3]，但在某些設(shè)計(jì)不太規(guī)范的場(chǎng)合，例如儀表機(jī)柜內(nèi)部，為節(jié)省空間，有可能機(jī)柜供電電纜與儀控信號(hào)電纜出現(xiàn)距離過(guò)近的情況，從而導(dǎo)致儀表信號(hào)出現(xiàn)異常波動(dòng)。在排查信號(hào)干擾來(lái)源時(shí)，需首先考慮此類信號(hào)干擾情況。

例如將一根熱電偶信號(hào)線與220V 供電電纜隨意布置，如圖5 所示。熱電偶采集的信號(hào)機(jī)頻譜信號(hào)如圖6 所示?？梢苑浅Ｃ黠@地看出熱電偶信號(hào)中耦合進(jìn)了50Hz 工頻干擾。

而將熱電偶信號(hào)電纜與220V 供電電纜保持一定距離布置后，干擾明顯消除，信號(hào)頻譜無(wú)50Hz 成分。

圖2 使用對(duì)講機(jī)信號(hào)波形Fig.2 Using intercom signal waveforms

圖4 使用eChat信號(hào)波形Fig.4 Using eChat signal waveforms

圖5 220V與信號(hào)線隨意布置Fig.5 220V and signal lines are arranged at will

而對(duì)于大功率交流電設(shè)備，如在電機(jī)旁布設(shè)一些信號(hào)測(cè)點(diǎn)來(lái)測(cè)量的話，會(huì)引入更大的信號(hào)干擾。例如1 臺(tái)交流電加熱設(shè)備，需測(cè)量設(shè)備表面溫度，用熱電偶來(lái)進(jìn)行測(cè)量。設(shè)備啟動(dòng)電機(jī)投運(yùn)前后時(shí)域波形和頻域波形分別如圖9 ～圖12 所示。

圖6 頻譜及時(shí)域信號(hào)波形Fig.6 Spectrum timely domain signal waveform

圖7 220V與信號(hào)線規(guī)范布置Fig.7 220V and signal line specification arrangement

圖8 信號(hào)頻譜與時(shí)域波形Fig.8 Signal spectrum and time domain waveforms

圖9 未啟動(dòng)電機(jī)時(shí)域信號(hào)Fig.9 Domain signal when motor is not started

圖10 未啟動(dòng)電機(jī)頻域信號(hào)Fig.10 Motor frequency domain signal not activated

圖11 啟動(dòng)電機(jī)時(shí)域信號(hào)Fig.11 Domain signal when starting motor

當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號(hào)出現(xiàn)異常擾動(dòng)時(shí)，應(yīng)最先排查其頻譜信號(hào)是否含工頻成分，同時(shí)排查布線過(guò)程中是否有不符合相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的情況，將信號(hào)電纜與供電電纜按標(biāo)準(zhǔn)距離分開放置。如因?qū)嶋H情況確實(shí)無(wú)法分開的，可在信號(hào)輸入端增加50Hz 陷波器來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波。

圖12 啟動(dòng)電機(jī)頻域信號(hào)Fig.12 Start motor frequency domain signal

圖14 頻域信號(hào)Fig.14 Frequency domain signal

3 大直流電源高頻諧波干擾

在一些大型實(shí)驗(yàn)室，采用大功率直流電源對(duì)設(shè)備進(jìn)行加熱而達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。大功率直流電源一般是采用晶閘管整流的技術(shù)，穩(wěn)流精度越高的直流電源脈波數(shù)越高，每一個(gè)脈波頻率為50Hz，如6 脈波整流頻率即為300Hz。電源整流時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰雜波，稱為紋波。紋波成分會(huì)對(duì)負(fù)載端測(cè)量?jī)x器儀表產(chǎn)生信號(hào)干擾。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中為監(jiān)測(cè)被加熱設(shè)備安全狀態(tài)，需在被加熱設(shè)備壁面設(shè)置相應(yīng)的溫度測(cè)點(diǎn)來(lái)監(jiān)測(cè)溫度（通常為熱電偶），溫度測(cè)點(diǎn)與通電設(shè)備保持一定的空間距離。

在進(jìn)行高頻采樣時(shí)，可看到熱電偶信號(hào)的時(shí)域波形和頻域波形如圖13 圖14 所示，主要頻譜在100Hz 倍頻。

同時(shí)，用示波器觀察直流電源電壓波形，可以很明顯地看到直流電源同樣帶有與圖15 類似的頻譜波形（黃線為時(shí)域電壓，紅線為頻域波形），主要頻譜也在100Hz 倍頻。

由此，可以得出直流電源的高頻諧波與信號(hào)的干擾頻率完全一致，可確定信號(hào)干擾來(lái)源于直流電源。

在使用大功率直流電源時(shí)，需尤為注意傳感器的受干擾情況。對(duì)于上述此類干擾，一般采用在信號(hào)端加入50Hz陷波器，或在軟件端加低通濾波器解決。如條件允許，也可在傳感器周邊加接地金屬網(wǎng)等形式來(lái)進(jìn)行屏蔽。

圖13 時(shí)域信號(hào)Fig.13 Time domain signal

圖15 示波器觀察直流電壓頻域及時(shí)域波形Fig.15 The oscilloscope observes the DC voltage frequency domain timely domain waveform

4 變頻器等設(shè)備干擾

變頻器為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的重要工業(yè)調(diào)速設(shè)備，例如循環(huán)泵等設(shè)備需要使用變頻器來(lái)調(diào)節(jié)流量。變頻器系統(tǒng)主電路由整流器、中間直流環(huán)節(jié)和逆變器組成。在變頻器逆變的環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生大量諧波，諧波會(huì)傳遞給電網(wǎng)，污染整個(gè)電網(wǎng)[4]。由于電網(wǎng)受到干擾，所有數(shù)據(jù)采集設(shè)備的供電電壓不穩(wěn)定，數(shù)字地產(chǎn)生漂移，從而導(dǎo)致所有的數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的信號(hào)均出現(xiàn)不同程度的干擾。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨意截取一個(gè)信號(hào)，對(duì)比啟動(dòng)變頻器與未啟動(dòng)變頻器信號(hào)波形，可看到信號(hào)的波動(dòng)幅度有明顯的區(qū)別，且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所有信號(hào)均產(chǎn)生同類問(wèn)題，部分信號(hào)受影響大，部分信號(hào)受影響小。

從原理上來(lái)說(shuō)，由于變頻器干擾了整個(gè)電網(wǎng)，通過(guò)數(shù)據(jù)端來(lái)解決此問(wèn)題不太完整。因此，可從變頻器端解決這個(gè)問(wèn)題。在變頻器前端加入無(wú)源濾波器后，干擾問(wèn)題消失，信號(hào)波形恢復(fù)正常。

圖16 啟動(dòng)變頻器波形Fig.16 Start inverter waveform

圖17 未啟動(dòng)變頻器Fig.17 The drive is not started

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，列舉了工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集最常遇到的幾種干擾問(wèn)題，解釋了干擾成因，并給出了相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)和圖表，同時(shí)最終給出了相應(yīng)干擾問(wèn)題對(duì)應(yīng)的解決辦法，對(duì)于各行業(yè)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)控制過(guò)程中防止信號(hào)干擾有一定的借鑒作用。