漫談接地迴路

作者 : Terry Nagy，CAS Data Loggers工程經理

不正確的接地會在資料記錄、資料擷取以及測量和控制系統中產生問題。

大多數工作者都知道，正確接地是各種電氣裝置的基本安全預防措施。然而，鮮為人知的是，雖然接地可以防止和解決許多安全和電力問題，但不正確的接地會在資料記錄、資料擷取以及測量和控制系統中產生問題。

最常見的問題之一就是所謂的接地迴路反饋，這是一種電氣現象，當系統及其週邊裝置中的不同電路具有不同的連接或返回接地的路徑時，通常會產生這種現象。此外，這可能是一個季節性問題，問題會根據氣候條件的變化而變化。

接地迴路反饋的解釋

接地迴路反饋是一種經常遇到的佈線問題，當兩個或多個連接的電氣裝置有多個接地路徑時，就會出現這種情況。這些路徑一起形成一個迴路。流經迴路的電場和磁場會產生意外的電流和電壓。或者由於接地路徑中的電流和電阻，不同裝置的接地點可能不處於相同的電位電壓。最終結果是，雖然人們認為裝置具有相同的接地參考點，但事實是它們沒有，並且這種差異可能表現為測量值中的簡單偏移，或表現為破壞裝置正常工作的訊號雜訊。

無論是使用不同的安全接地點，還是安全接地點和大地接地，最常見的示例之一是由電源(60Hz)的交流電在接地迴路中感應的電流引起的蜂鳴聲/嗡嗡聲。在視訊應用中，使用者會注意到螢幕上以條紋形式出現的這種反饋，而電腦和網路使用者可能會遇到關機或資料通訊的中斷情況。收集資料的工程師和技術人員經常發現，他們的讀數和資料顯示的偏移量可能會隨時間或測量值中存在的雜訊而變化。最壞的情況下，這可能會導致營運的中斷，因為許多企業嚴重依賴PLC和測量系統進行過程和機器控制、品質控制，最終測試等。然而，接地迴路經常能從故障排除調查中逃脫，並且在許多安裝中也同樣被忽視了，後來當電氣配置或環境條件發生變化時就會出現。

電腦、資料記錄器和資料擷取/控制系統通常通過其交流電源和插頭上的接地接腳連接到地面，插頭上的接地接腳插入牆上的插座，共用公共建築物佈線中的地線。這些裝置也可以透過資料通訊電纜相互連接。乙太網路的電纜非常適合保持接地隔離，但串列通訊電纜(例如RS232)有自己的接地導體。現在，如果將電腦插在建築物某個區域的插座，而它所連接的RS232裝置位於建築物的不同區域，就會產生多路徑連接和接地迴路。

另一個例子是一台控制製造裝置的電腦。電腦可能插在標準的110V 交流插座上，但製造機器可能需要220或480V交流電，因此它由與電腦不同的斷路器面板供電。每個斷路器面板都可以有自己的本地接地樁。理想情況下，這些接地樁應該在接地線上沒有電阻，也沒有電壓降。然而，我們已經看到過這樣的情況，無論出於何種原因，在通往本地接地的路徑中存在電阻。這可能是其中一根地線的連接不良，或者可能是在一年中的某些時候，地樁周圍的區域變得非常乾燥，並且對真正的大地接地有一些非零電阻。其結果是，電腦和它所控制的機器不共用同一個實質的地線，這可能導致不穩定的操作，甚至完全停工。

接地迴路還可以透過佈線影響低電平測量。通常，對於敏感的測量，將使用遮罩電纜，遮罩的目的是保護訊號免受環境中的任何電磁干擾。為了正確操作，遮罩層應僅在一端接地。這樣，環境中的電干擾將被遮罩層收集並傳送到地面，從而保持敏感訊號乾淨。但是，如果誤將遮罩層兩端接地，則會立即形成潛在的接地迴路。現在，環境中的任何電干擾都會在遮罩層中產生電流，然後電流會以電雜訊的形式直接耦合到被測訊號。

改變磁場會在訊號導體的遮罩層和低壓側產生電流，從而在測量中引起電壓偏移誤差。

鑒於新型電氣裝置的敏感性，接地迴路反饋對工業過程的威脅越來越大。例如，最近的交流變頻驅動器可以由外部類比電壓訊號控制。這些驅動器可能會有一個較靈敏的輸入前端，當在控制訊號上遇到雜訊時，驅動器可能會出現錯誤甚至故障。接下來在第2部份，我們將進一步瞭解如何準確診斷接地迴路反饋，以及減少和防止接地迴路發生的步驟。

編譯：Ricardo Xie

(參考原文：An Introduction to Ground Loops，by Terry Nagy)