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)方面來改善測量環(huán)境，分別為屏蔽、濾波和接地[2]。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場最常見的干擾源為對講機(jī)、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(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 對講機(jī)干擾

工程實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場經(jīng)常使用對講機(jī)來進(jìn)行溝通與交互，大功率對講機(jī)有可能對屏蔽做的不太完備的電子設(shè)備產(chǎn)生信號干擾，影響控制信號或傳感器信號的穩(wěn)定。

例如針對某大型直流電源設(shè)備，在其輸出電流為24000A 的情況下，在未使用對講機(jī)的情況下信號波形如圖1 所示。當(dāng)在傳感器近距離使用對講機(jī)時(shí)，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(jī)對直流電源信號產(chǎn)生非常明顯的干擾，如此大幅度的干擾可能導(dǎo)致測量信號不準(zhǔn)確，自動(dòng)控制系統(tǒng)誤操作等一系列問題，尤其是對于此類大功率用電設(shè)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(shè)備相關(guān)的控制、測量回路的屏蔽與接地設(shè)施是否完整；另一種是改用無線集群通訊系統(tǒng)來代替對講機(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解決此類問題。

圖1 未使用對講機(jī)信號波形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)，基于中國電信CDMA、1x/EVDO 無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，射頻信號最大發(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，該干擾問題解決，對應(yīng)的信號波形如圖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電纜出現(xiàn)距離過近的情況，從而導(dǎo)致儀表信號出現(xiàn)異常波動(dòng)。在排查信號干擾來源時(shí)，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(jī)頻譜信號如圖6 所示?？梢苑浅Ｃ黠@地看出熱電偶信號中耦合進(jìn)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(jī)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(shè)備，如在電機(jī)旁布設(shè)一些信號測點(diǎn)來測量的話，會(huì)引入更大的信號干擾。例如1 臺交流電加熱設(shè)備，需測量設(shè)備表面溫度，用熱電偶來進(jìn)行測量。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)域信號波形Fig.6 Spectrum timely domain signal waveform

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

圖8 信號頻譜與時(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Fig.9 Domain signal when motor is not started

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

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

當(dāng)發(fā)現(xiàn)信號出現(xiàn)異常擾動(dòng)時(shí)，應(yīng)最先排查其頻譜信號是否含工頻成分，同時(shí)排查布線過程中是否有不符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的情況，將信號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)無法分開的，可在信號輸入端增加50Hz 陷波器來實(shí)現(xiàn)濾波。

圖12 啟動(dòng)電機(jī)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(shí)驗(yàn)室，采用大功率直流電源對設(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)對負(fù)載端測量儀器儀表產(chǎn)生信號干擾。實(shí)驗(yàn)過程中為監(jiān)測被加熱設(shè)備安全狀態(tài)，需在被加熱設(shè)備壁面設(shè)置相應(yīng)的溫度測點(diǎn)來監(jiān)測溫度（通常為熱電偶），溫度測點(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(shí)，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(wǎng)等形式來進(jìn)行屏蔽。

圖13 時(shí)域信號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)備采集到的信號均出現(xiàn)不同程度的干擾。

實(shí)驗(yàn)過程中隨意截取一個(gè)信號，對比啟動(dòng)變頻器與未啟動(dòng)變頻器信號波形，可看到信號的波動(dòng)幅度有明顯的區(qū)別，且數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所有信號均產(chǎn)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(gè)電網(wǎng)，通過數(shù)據(jù)端來解決此問題不太完整。因此，可從變頻器端解決這個(gè)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(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

本文通過實(shí)際測量結(jié)果，列舉了工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)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(yīng)的測試數(shù)據(jù)和圖表，同時(shí)最終給出了相應(yīng)干擾問題對應(yīng)的解決辦法，對于各行業(yè)數(shù)據(jù)采集、信號控制過程中防止信號干擾有一定的借鑒作用。