工程實驗中常見信號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）

在工程實驗數據采集領域中，儀控工程師最常碰到的難題為電磁干擾相關問題。電磁干擾按傳輸途徑分類主要包括傳導干擾和輻射干擾[1]。電磁干擾三要素主要包括電磁干擾源、耦合途徑、敏感設備。解決電磁干擾的方法主要從3 個方面來改善測量環境，分別為屏蔽、濾波和接地[2]。實驗現場最常見的干擾源為對講機、交流電、大電流直流電源、變頻器，下面主要針對這幾種干擾源進行重點分析。

1 對講機干擾

工程實驗現場經常使用對講機來進行溝通與交互，大功率對講機有可能對屏蔽做的不太完備的電子設備產生信號干擾，影響控制信號或傳感器信號的穩定。

例如針對某大型直流電源設備，在其輸出電流為24000A 的情況下，在未使用對講機的情況下信號波形如圖1 所示。當在傳感器近距離使用對講機時，信號波形如圖2所示。

從圖1、圖2 對比，可以明顯看出對講機對直流電源信號產生非常明顯的干擾，如此大幅度的干擾可能導致測量信號不準確，自動控制系統誤操作等一系列問題，尤其是對于此類大功率用電設備，危害尤為劇烈。

對此類信號干擾，一般有兩類解決辦法：一種是徹底排查電氣設備相關的控制、測量回路的屏蔽與接地設施是否完整；另一種是改用無線集群通訊系統來代替對講機實現通話。徹底排查工作量繁重，建議采用第二種方案來解決此類問題。

圖1 未使用對講機信號波形Fig.1 Unused intercom signal waveform

圖3 eChat系統架構Fig.3 eChat System architecture

集群通訊系統利用VoIP 技術，基于中國電信CDMA、1x/EVDO 無線網絡實現，射頻信號最大發射功率低，僅為0.2W。常用的有中興通訊公司推出的eChat 系列產品。大致架構圖如圖3 所示。使用該產品后，該干擾問題解決，對應的信號波形如圖4 所示。

2 220V交流電纜干擾

根據工業儀控設計規定，儀控電纜與高壓電纜（例如220V 供電線）需滿足一定敷設間距要求，最小應大于150mm[3]，但在某些設計不太規范的場合，例如儀表機柜內部，為節省空間，有可能機柜供電電纜與儀控信號電纜出現距離過近的情況，從而導致儀表信號出現異常波動。在排查信號干擾來源時，需首先考慮此類信號干擾情況。

例如將一根熱電偶信號線與220V 供電電纜隨意布置，如圖5 所示。熱電偶采集的信號機頻譜信號如圖6 所示。可以非常明顯地看出熱電偶信號中耦合進了50Hz 工頻干擾。

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

圖2 使用對講機信號波形Fig.2 Using intercom signal waveforms

圖4 使用eChat信號波形Fig.4 Using eChat signal waveforms

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

而對于大功率交流電設備，如在電機旁布設一些信號測點來測量的話，會引入更大的信號干擾。例如1 臺交流電加熱設備，需測量設備表面溫度，用熱電偶來進行測量。設備啟動電機投運前后時域波形和頻域波形分別如圖9 ～圖12 所示。

圖6 頻譜及時域信號波形Fig.6 Spectrum timely domain signal waveform

圖7 220V與信號線規范布置Fig.7 220V and signal line specification arrangement

圖8 信號頻譜與時域波形Fig.8 Signal spectrum and time domain waveforms

圖9 未啟動電機時域信號Fig.9 Domain signal when motor is not started

圖10 未啟動電機頻域信號Fig.10 Motor frequency domain signal not activated

圖11 啟動電機時域信號Fig.11 Domain signal when starting motor

當發現信號出現異常擾動時，應最先排查其頻譜信號是否含工頻成分，同時排查布線過程中是否有不符合相關國家標準的情況，將信號電纜與供電電纜按標準距離分開放置。如因實際情況確實無法分開的，可在信號輸入端增加50Hz 陷波器來實現濾波。

圖12 啟動電機頻域信號Fig.12 Start motor frequency domain signal

圖14 頻域信號Fig.14 Frequency domain signal

3 大直流電源高頻諧波干擾

在一些大型實驗室，采用大功率直流電源對設備進行加熱而達到實驗目的。大功率直流電源一般是采用晶閘管整流的技術，穩流精度越高的直流電源脈波數越高，每一個脈波頻率為50Hz，如6 脈波整流頻率即為300Hz。電源整流時會產生尖峰雜波，稱為紋波。紋波成分會對負載端測量儀器儀表產生信號干擾。實驗過程中為監測被加熱設備安全狀態，需在被加熱設備壁面設置相應的溫度測點來監測溫度（通常為熱電偶），溫度測點與通電設備保持一定的空間距離。

在進行高頻采樣時，可看到熱電偶信號的時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，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的干擾頻率完全一致，可確定信號干擾來源于直流電源。

在使用大功率直流電源時，需尤為注意傳感器的受干擾情況。對于上述此類干擾，一般采用在信號端加入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等形式來進行屏蔽。

圖13 時域信號Fig.13 Time domain signal

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

4 變頻器等設備干擾

變頻器為工業現場的重要工業調速設備，例如循環泵等設備需要使用變頻器來調節流量。變頻器系統主電路由整流器、中間直流環節和逆變器組成。在變頻器逆變的環節會產生大量諧波，諧波會傳遞給電網，污染整個電網[4]。由于電網受到干擾，所有數據采集設備的供電電壓不穩定，數字地產生漂移，從而導致所有的數據采集設備采集到的信號均出現不同程度的干擾。

實驗過程中隨意截取一個信號，對比啟動變頻器與未啟動變頻器信號波形，可看到信號的波動幅度有明顯的區別，且數據采集系統所有信號均產生同類問題，部分信號受影響大，部分信號受影響小。

從原理上來說，由于變頻器干擾了整個電網，通過數據端來解決此問題不太完整。因此，可從變頻器端解決這個問題。在變頻器前端加入無源濾波器后，干擾問題消失，信號波形恢復正常。

圖16 啟動變頻器波形Fig.16 Start inverter waveform

圖17 未啟動變頻器Fig.17 The drive is not started

5 結語

本文通過實際測量結果，列舉了工業現場數據采集最常遇到的幾種干擾問題，解釋了干擾成因，并給出了相應的測試數據和圖表，同時最終給出了相應干擾問題對應的解決辦法，對于各行業數據采集、信號控制過程中防止信號干擾有一定的借鑒作用。