感測器接線可因應電感、靜電耦合與導電

作者:Scott Orlosky, Lisa Eitel

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

任何電氣本質的東西只要通過工業纜線,不是訊號就是雜訊,雜訊包括電磁干擾 (EMI) 與無線射頻干擾 (RFI) 或其他型式。如今的自動化元件,在例行設計中會以保護訊號不受電磁環境 (預期的元件操作環境) 影響的方式來避免雜訊。但預防訊號衰減還需要嚴密整合自動化機器,其通常涉及優良的設計實務與電氣連接專業知識兩者。

Belden 的鍍錫銅電線管狀屏蔽圖片圖 1:專用於預防 EMI 的子組件與子系統通常採用濾波電路或阻隔 (屏蔽) 元件的型式,例如在此所示的鍍錫銅電線管狀屏蔽。(圖片來源:Belden Inc.)

本文將探討關鍵的設計方法,以達到以下目標:

  • 減少內部和外部元件產生 EMI
  • 增強元件的 EMI 耐受 (抵抗) 能力

在此的優先設計目標是將任何內部散發的輻射降至最低,以免影響設計中的各個元件,也要盡可能降低其對於外部導通輻射的易感性。針對後者,針對外部耦合輻射的固有耐受能力,必須要防範透過直接導電、感應或電容式耦合所傳遞的不必要電子訊號。

3M 的 AB5000 系列 EMI 吸收膠膜圖片圖 2:3M 的 AB5000 系列 EMI 吸收膠膜含有金屬薄片,可抑制行動裝置與軍用設備的輻射 EMI。AB6000 系列膠膜含有絕緣、吸收、屏蔽與非導電層,適合需要 EMI 屏蔽與吸收的設計使用,包括行動電話、調諧器與醫療裝置。AB7000 系列膠膜在需要 EMI 控制以及 50 MHz 至 10 GHz 訊號完整度改善的電子裝置中與周圍可提供優異表現。此膠膜可在行動電子裝置內部,以及帶狀和撓性纜線上減少輻射 IC 雜訊以及 EMI 與串音。(圖片來源:3M)

有損訊號品質的特定事項

絕大多數與工業自動化設備設計有關的努力都著重在元件的規格上,例如致動器與感測器。但試想以下情況:若感測器是自動化系統的眼睛與耳朵,纜線就是神經系統,負責將訊號傳遞到大腦 (即機器控制器,以此類推)。此纜線暴露在多種潛在干擾源中,有損系統控制功能。

Amphenol Industrial Operations 的 RF 連接器圖片圖 3:電氣元件,例如感測器與致動器等,都有例行的電磁相容性 (EMC) 與易感性測試,即便接線與連接器的角色在維持與支援電磁相容性 (EMC) 上往往受到忽視。有些纜線連接器會以機械式固定纜線末端並提供電磁屏蔽,就可當作 EMI 濾波器使用。有些採用平面電容技術,可透過 C、CL、LC、L 和多種 pi 拓撲過濾 VHF、UHF、MF1、HF 和其他 EMI 範圍。(圖片來源: Amphenol Industrial Operations)

若感測器、致動器或其他元件仰賴電感、電容或電磁原理進行偵測和訊號產生,則該系統內的任何 PCB 就有可能需要屏蔽以及延伸的接地面。後者的詳細說明可參閱 Digi-Key 的文章《RF 屏蔽:消除干擾的藝術與科學除此之外,應徹底瞭解潛在環境輻射的強度與頻率,或至少在初期設計階段就依據工業標準進行編排。一些常見且可預期的干擾範圍例子包括:

  • 50 或 60 Hz — 市電的線路頻率
  • 4 至 16 kHz — 如來自 VFD 的 IGBT 感應脈寬調變 (PWM),可用於電動馬達
  • 2.4 GHz — 工業科學與醫療 (ISM) 頻段,可用於無線通訊。

若要進一步瞭解馬達、繼電器、螺線管、致動器產生的電磁場,以及保護 RS-485 序列匯流排以免受到這些 EMI 來源影響的特定案例,請參閱 Digi-Key 的文章《如何在工業環境中保護 RS-485 匯流排》。其他干擾現象包括突波、快速暫態、靜電放電 (工廠人員在乾燥情況下或沒有抗靜電地墊的場所中所產生的「靜電」),以及工廠周圍因極端天氣而出現雷擊。

Maple Systems 的 PC1321BP 平面電腦具有電容式觸控螢幕 HMI 示意圖圖 4:此 PC1321BP 平面電腦具有電容式觸控螢幕 HMI。控制電子與螢幕包含屏蔽及其他元件可避免傳導與輻射 RFI。(圖片來源: Maple Systems)

試想電弧焊接的電氣雜訊應用。焊接有個壞名聲就是會產生高頻寬的電氣雜訊,因為:

  • 焊接過程相關的高能量 (電流)
  • 焊接期間的阻抗值變化

因此設施中靠近任何電力線路的工業焊接設備 (甚至是與其他設備共用接地),都能成為巨大的 EMI 來源,並與其他裝置達到電氣耦合,甚至數百英尺之外也可。在此類設備中務必採用特製設備與配件 (尤其是纜線),以避免 EMI 相關的操作問題。

裝置規格與要避免的安裝錯誤

裝置接線到較大的自動化系統後,即可呈現符合以下情況的通訊或行為:

  • 與 EMI 相關時才會出現
  • 確實與 EMI 相關

EMC 問題的徵兆會以訊號流失、低訊噪比、訊號干擾,以及不穩定的控制迴路呈現。

產生類比訊號的感測器最容易受到雜訊影響,因此通常會挑選可媲美的數位裝置。包括會產生較不易受 EMI 影響之數位 PWM、頻率或序列輸出訊號的感測器款式。在此該注意的是,特定數位訊號的高切換頻率可能會導致振鈴 (電壓或電流輸出振盪),在轉換處會出現大幅衰退。此振鈴問題通常可在感測器系統的接收器端使用小型解耦電容或衰減的電阻加以克服。

若要進一步瞭解類比與數位裝置訊號的差異,請參閱 Digi-Key 的 纜線大小事學習課程

在可行情況下,會偏好具有差動輸出的感測器。差動模式操作的感測器 (具有訊號 A 搭配其反向訊號 A/) 可有效避免所有共模雜訊。更深入考量 EMI 耐受性的還有雙絞線訊號線 (在正確安裝下),可在雙線上同時登錄引起的雜訊,發揮最大的雜訊拒斥效果。

在感測器纜線的訊號側,要將 EMI 易感性降至最低的關鍵在於低電容量。這有另一個優點,就是承載頻率數據的低電容量訊號能在訊號頻率變動時,以最佳方式維持輸出驅動器訊號的穩定性。相反地,電容量過高則會導致訊號衰減,有時候更會將整體輸出降至低於偵測門檻。此間歇性效應通常相當不明顯,但可用示波器輕易診斷得知。

在完美情況下,纜線會傳遞乾淨的電力訊號跟基準值到電力感測器與致動器。接著會完美地將乾淨的感測器與致動器狀態訊號回送到系統控制器。看似很簡單,但連接感測器或致動器的纜線其實是電子電路中相當重要且脆弱的一部份,也是增加 EMI 易感性的主要因素之一。這是因為在特定情況下,纜線可當作長天線使用。

設計訣竅:必須將纜線長度特別長 (超過 500 英尺左右) 所引起的功率損耗納入考量,尤其是電力導線直徑為 22 線徑或更小,且各裝置的電流為 500 mW 以上時。

正確連接感測器的另一個訣竅:瞭解並小心連接纜線電力側的導線,此部分往往很容易視為理所當然而失誤。若有相當多感測器與致動器,此電力連接可提供 5 至 28 V 基準,可驅動訊號且最終返回控制器。纜線電力側的兩條導線通常會稱為電力接地。但這並非完全正確的說法,而且 (若這些標籤有告知裝設作法) 有可能會導致干擾問題。正確來說,感測器的電力側接地應稱為訊號共模。這是因為電源供應器的回送會在電源供應器內部基準處終止,而非系統接地處。在此,真正的接地通常是指:

  • 牆面機櫃外殼或
  • 起源自實際大地接地的電線管道

此大地接地通常可處於與訊號共模不同的電位。也就是說,若訊號回送直接連接到接地,電流會流經訊號共模線路,然後建立接地迴路,因此會拾起不必要的雜訊。

當然,完整屏蔽的纜線可進一步增強設計的電力側完整性。此屏蔽通常會放著浮動 (未連接),以當作法拉第籠,並且限制電力線路中可引起的電力。但有時候 EMI 會大到必須採取額外方法防範,不能只有屏蔽而已。有個解決方案就是將屏蔽的汲極接到機櫃或管道的大地接地,就可當作屏蔽上過剩能量通往接地的漏電路徑。通常不會建議在兩端連接此類屏蔽,因為纜線的設備端通常與電源端的電位不同,也就是說,兩端所連接的屏蔽實際上會有過多電流。這在雷電風暴期間最容易發生問題,因為若雷擊在工廠周圍大地時,接地電位會大幅度波動。若纜線組件建構在廠內,應謹慎確保屏蔽覆蓋整條纜線並連接到連接器本體,藉此確保法拉第屏蔽特性的端對端完整性。

最後要注意的是,需維持自動化回授訊號的品質:隨著時間推進,自動化系統通常會翻新與升級。這往往包括添加裝置以提供更繁複的功能。這當中的風險在於連接過多的裝置到既有的單一電源供應器,如此一來可能會導致電壓下降及訊號損失。此現象會像間歇性問題一樣出現,看起來彷彿是破壞性干擾導致的訊號漏失。電源供應器負載過大相當常見,因此在進行任何升級作業時,務必確認既有的電源供應器可在所有裝置都作用時處理此負載量。

結論

全方位且縝密的設計作法可達到適合工業自動化環境的完善裝置操作。要注意的是,若要正確安裝感測器與致動器,就要謹慎處理連接配置,並且預防 EMI 所引起的訊號品質衰退問題。利用高品質的纜線與連接器進行最後連接,就可從一開始就確保自動化機械的順利運作直到其壽命終止。

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關於作者

Scott Orlosky

Scott Orlosky 在其 30 年的職業生涯期間,負責工業與商業感測器與致動器的設計、工程、開發、行銷與銷售工作。他是四項慣性感測器設計及製造專利的共同發明人。Orlosky 也是《Encoders for Dummies》一書的共同作者,也負責製作 BEI Sensors 產業匯報將近 15 年。Orlosky 擁有加州柏克萊大學的製造與控制理論碩士學位。

Lisa Eitel

Lisa Eitel 自 2001 年起就在動作產業服務。她擅長的領域包括馬達、驅動、動作控制、電力傳輸、線性動作,以及感測與回授技術。她擁有機械工程學士學位,也是 Tau Beta Pi 工程榮譽協會成員之一。此外她也加入女性工程師協會,並擔任亞利桑那州巴克艾區域 FIRST 機器人競賽評審。除了在 motioncontroltips.com 網站撰稿外,Lisa 也負責引導 Design World 動作季刊的製作。

關於出版者

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