保护过程信号免受电气噪声影响的 10 种实用方法

电磁干扰（简称“EMI”）常见于工业环境，可能会对仪器信号的准确性产生负面影响 - 以下这些技巧和建议可以协助您在高度噪音的环境中确保准确测量。

电气噪声是工业现场测量值不稳定最常见的原因之一。变频器、电机、接触器和手持无线电设备都会产生电磁干扰（EMI）。这些干扰可能耦合到信号电缆中，并表现为测量值跳变、偏移或无法解释的跳闸。

通过在设计和安装阶段采取一些有针对性的措施，大多数 EMI 问题都可以得到预防。以下十条建议分为三个方面：布线、屏蔽与接地，以及信号和设备选型。每条建议都会简要说明其工作原理，便于您将相应原则应用到自己的安装中。

布线

1. 保持信号电缆与动力电缆之间的距离

仪表电缆应与动力电缆和电机电缆分别敷设在不同的电缆桥架或导管中。电缆之间的耦合会随着距离增加而减小，同时会随着平行敷设长度增加而增强，因此这两个因素都很重要。

通常可将至少 10 厘米的间距作为经验值，而变频器制造商通常也会在安装手册中规定与电机电缆之间的最小距离。如果无法避免共用同一电缆桥架，应使用接地的金属隔板。

当信号电缆与动力电缆必须交叉时，应以 90° 角交叉。在直角交叉的情况下，动力电缆产生的磁场几乎不会耦合到信号电缆中。同时，由于两根电缆彼此靠近的长度被降至最低，电气耦合也会相应减小。

2. 将信号导线和回路导线保持在一起

磁场会在信号导线及其回流路径构成的回路中感应出电压，而回路面积越大，感应电压也就越大。

应将信号导线及其回路导线敷设在同一根电缆内，并一直保持成对布置直至端子处，切勿沿不同路径分别敷设。

避免将多余的电缆盘绕在变频器或变压器等噪声源附近，因为盘绕的电缆会像天线一样接收周围环境中的噪声。

3. 使用双绞线，并了解屏蔽层的作用

双绞结构能够减少磁场耦合，因为相邻绞合段中感应出的电压极性相反，因此可以在很大程度上相互抵消。屏蔽层的作用则有所不同：它主要用于防止电场耦合（电容耦合）以及高频干扰。

较薄的箔式屏蔽层对低频磁场的保护作用非常有限，例如附近动力电缆产生的 50/60 Hz 磁场。针对这类干扰，应依靠双绞结构和足够的间距。在噪声较大的环境中，应使用同时具备双绞结构和屏蔽层的电缆。

屏蔽与接地

4. 使用 360° 连接方式端接屏蔽层

屏蔽层的效果取决于其端接方式。如果采用较长的“尾线”连接方式，即将屏蔽编织层拧成一根导线再连接到端子，会增加电感，并可能使屏蔽层在高频条件下几乎失去作用。

应使用屏蔽夹或 EMC 电缆接头，将屏蔽层沿电缆整个圆周进行 360° 连接，并在电缆进入控制柜的位置完成连接，从而使干扰在进入柜内之前就被导向地。

5. 选择合适的接地方式，并保持一致

屏蔽层两端接地可以提供最佳的高频干扰防护。但如果两端之间存在接地电位差，屏蔽层中就会流过低频电流。

仅在一端接地（通常为控制室端）可以避免该电流，但对高频干扰的防护能力较弱。

正确的选择取决于工厂的等电位连接系统。如果具有良好的网状等电位连接网络，通常建议两端接地；如果没有这样的网络，则单端接地是过程仪表领域的传统做法。

无论选择哪种方式，都应在整个安装中一致地应用这一原则。在危险区域，本质安全电路的屏蔽接地需遵循 IEC 60079-14 中规定的具体要求。

6. 从干扰源头解决问题

变频器是现代工业现场中最常见的干扰源。应使用带屏蔽的对称电机电缆，并在变频器端和电机端都采用 360° 屏蔽连接；同时应保留变频器的输入滤波器。对于较长的电机电缆，还应考虑使用输出滤波器，例如 du/dt 滤波器或正弦波滤波器。

在控制柜内部，应将含有变频器、接触器和开关电源的“高噪声”区域，与包含仪表和信号调理设备的“洁净”区域分开。

信号和设备选型

7. 在靠近传感器的位置转换低电平信号

热电偶信号通常只有每摄氏度几十微伏。对于 K 型热电偶，仅仅 1 mV 的拾取噪声就相当于约 24 °C 的测量误差。因此，在噪声较大的工业现场通过长电缆传输如此微弱的信号，很容易产生测量问题。

将变送器安装在传感器接线盒内或尽可能靠近测量点的位置，可以在最短的距离内将信号转换为 4–20 mA。

电流信号的抗干扰能力强得多：电流不会受到电缆电阻的影响，而且低阻抗电流回路对感应干扰的敏感度远低于高阻抗毫伏信号。

PR electronics 如何提供帮助： PR electronics 的头部安装型温度变送器可在测量点直接将 RTD、热电偶和 mV 信号转换为 4–20 mA，并在输入与输出之间提供电隔离（PR 5437 的隔离电压为 2.5 kVAC）。了解头部安装型温度变送器。

8. 使用电隔离消除接地回路

当测量回路在多个位置接地时，不同接地点之间的电位差可能会使电流流过信号线路，并表现为偏移或噪声。接地型热电偶就是典型示例，其测量端与接地的保护套管直接接触。

电隔离可以切断这一路径：输入、输出和电源之间实现电气隔离，同时测量信号仍可跨越隔离栅传输。但不同隔离方案的性能并不相同。

快速共模瞬态干扰仍可能通过隔离栅内部的电容耦合过去，因此隔离器自身的 EMC 抗扰度与其隔离电压同样重要。如果回路中传输 HART 通信信号，则应选择支持 HART 透明传输的隔离器。

PR electronics 如何提供帮助： 电隔离是 PR electronics 信号调理产品组合的核心技术之一，产品范围涵盖超薄 DIN 导轨隔离器、通用转换器以及适用于危险区域的 HART 透明中继器。了解信号隔离器。

9. 选择具有明确 EMC（电磁兼容性）抗扰度指标的设备

CE 标志表明产品满足最低要求，但并不代表它在您的实际工业现场中的抗干扰性能。请查看产品数据表，其中的 EMC 抗扰度影响指标可以说明设备在测试期间测量值可能出现多大的偏差。

NAMUR NE 21 在过程工业中得到广泛应用，其要求高于基础标准 IEC 61326-1；而 IEC 61326-3-1 则适用于执行安全功能的设备。

真实工业现场的电磁环境往往比测试实验室更加严苛。如果将手持无线电设备靠近控制柜，其产生的场强很容易超过工业抗扰度测试中使用的 10 V/m。

PR electronics 如何提供帮助： PR electronics 的产品在设计时旨在超过标准 EMC 要求，我们的数据表中也明确标示 EMC 抗扰度影响。例如，PR 3103 隔离器在标准 EMC 测试中的影响小于量程的 ±0.5%，在 NAMUR NE 21 扩展测试中的影响小于量程的 ±1%。

10. 将滤波作为最后手段，而不是第一选择

大多数变送器和控制系统都允许增加阻尼或延长响应时间，以平滑受到噪声影响的信号。

这种方法有时确实有用，但它只是掩盖症状，并没有消除根本原因，同时还会降低测量响应速度，从而可能影响控制性能和安全功能。因此，应首先找到并解决干扰源，再使用滤波进行微调。

稳健的测量性能来自设计，而不是事后补救

几乎不存在一种单独的措施能够彻底消除 EMI。电缆布线、屏蔽、接地、信号类型以及设备选型都会相互影响，其中任何一个环节存在薄弱点，都可能抵消其他方面所采取的措施。

在设计新安装时，可以将这十条建议作为检查清单；在排查现有系统故障时，也可以将其作为起点。一个很好的首要问题是：噪声是否只在某台特定的变频器、泵或无线电设备运行时出现？

在 PR electronics，我们从产品设计的第一阶段就将 EMC 性能考虑在内，因为信号调理设备的实际性能，最终取决于它在真实工业现场中能够提供怎样的信号。