Ruido eléctrico de 200 Hz en una máquina industrial

El problema

Tengo un controlador industrial que toma un termopar tipo N y escala su rango (0-1300 °C) a una señal de salida de 0-10 V CC. (Para referencia, el módulo es este: https://www.status.co.uk/product/signal-conditioner-temperature/ )

La señal de 0-10V tiene un ruido de 200Hz acoplado a la salida. Me gustaría quitar el ruido.

He intentado usar un filtro de paso bajo pero no hace absolutamente nada. Los valores de los componentes utilizados para el filtro de paso bajo son R = 787 ohmios y C = 1uF, lo que me da (aproximadamente) una frecuencia de corte de 200 Hz.

Análisis

La señal de 0-10 V se alimenta directamente a un amplificador operacional en una configuración de búfer de unidad (el amplificador operacional es un ADTL084ARUZ de Analog Devices). Luego, la señal pasa a un sistema de adquisición que muestrea la señal 10 000 veces por segundo.

No hay otros problemas de ruido en ninguna de las otras señales de entrada analógicas para este sistema y he cambiado la adquisición por un sistema equivalente, por lo que sé que no hay problemas con la adquisición en sí.

La señal viaja desde el módulo de acondicionamiento de señal hasta la adquisición a través de un cable apantallado de 2 hilos a lo largo de una distancia de unos 3 metros.

La pregunta

¿Qué puedo hacer para quitar el ruido?

Aprecio que podría hacer que el capacitor sea más grande, por lo tanto, reducir la reactancia y crear un camino más rápido a tierra para la señal de ruido acoplada. Supongo que podría cambiar el filtro por un filtro LC o un filtro de paso de banda también.

Además, ¿cuál es el mejor tipo de condensador para eliminar este tipo de problemas de ruido? Actualmente estoy usando un condensador de cerámica, pero también probé MLCC y electrolítico solo para ver si tendrían un efecto diferente, pero tampoco hicieron nada.

Fuera de tema, pero por curiosidad: ¿qué aplicación requiere (y obtiene resultados útiles de) una frecuencia de muestreo de temperatura de 10 kHz ?
Bueno, con un filtro de un solo polo y un corte de 200 Hz, lo mejor que podrías esperar sería una mejora de 3 dB en el ruido. Dado que está muestreando a una velocidad tan alta, un filtro digital sería posible y efectivo. Salvo eso, un filtro analógico de polos múltiples con un corte de unos pocos Hz podría funcionar, suponiendo que no necesite una respuesta rápida de su medición por algún motivo.
¿Por qué 787 ohmios? ¿Tiene una carga de CC de 500 ohmios para obtener 10 V/20 mA? Defina el nivel de ruido ahora y la atenuación deseada, por favor.
El muestreo de 10 kHz para una lectura de temperatura que cambia lentamente parece excesivo. Sería más razonable usar una frecuencia de muestreo mucho más baja y dejar que los filtros antialiasing eliminen la señal de 200 Hz.
¿De dónde viene el ruido? Por lo general, tendría 50/60 Hz, entonces, ¿cuál es la fuente de 200 Hz? Pruebe en un entorno diferente, para ver si el ruido desaparece o si el propio acondicionador puede ser la fuente. Entonces es muy importante saber si la punta del termopar está ligada a GND o está aislada, algunos acondicionadores no funcionarán correctamente. El acondicionador tiene un aislamiento galvánico, para romper un posible bucle de tierra. Dibuja un esquema de cómo lo conectaste.
¿Ha probado la unidad aislada de su entorno actual para asegurarse de que el ruido no se deba a una unidad defectuosa?
¿Leyó el manual y ajustó el filtro de paso bajo incorporado antes de desarmar el módulo e intentar modificarlo?
Gracias a todos por la retroalimentación. Aprecio que el sistema esté muestreando mucho más rápido de lo que normalmente se requiere para cualquier forma de sistema de monitoreo de temperatura, pero esto se debe a que otras entradas analógicas en el mismo banco requieren una frecuencia de muestreo mucho más alta que la temperatura. Desafortunadamente, debido a la naturaleza del sistema de adquisición, no puede cambiar la frecuencia de muestreo de cada canal, así que tendré que buscar un módulo diferente o usar un atenuador. Para aclarar, el módulo no se ha abierto ni editado de ninguna manera, simplemente estoy agregando un filtro a la salida del módulo.
El ruido tampoco proviene directamente del módulo. El módulo se eliminó del sistema y el ruido aún está presente, lo que me lleva a creer que el ruido se está acoplando a las líneas de señal.

Respuestas (4)

Esto es muy posible, incluso con un filtro RC de primer orden que utilice: debe establecer la frecuencia de corte muy por debajo de 200 Hz para obtener una buena atenuación a 200 Hz. por ejemplo, 10...100 kOhm y 1 uF.

Además, puede usar filtros digitales ya que su frecuencia de muestreo es muy alta.

Si bien el filtro de muesca Twin T tiene una buena atenuación, es muy sensible a los valores de los componentes. Las tapas a menudo tienen una tolerancia del 20 % y más sobretemperatura, por lo que construir un buen filtro de muesca Twin T (mucho mejor que un simple paso bajo) es mucho más complicado de lo que parece en el papel.

Gracias por tus comentarios. Como le mencioné a Tony, la versión actual es bastante ajustada, por lo que puede ser bastante difícil instalar un filtro de muesca. El diablo realmente está en los detalles cuando se trata de filtrar, como me di cuenta rápidamente. Supongo que suponer que una atenuación de 3dB sería suficiente fue un poco tonto en realidad. Probaré algunas de las soluciones presentadas aquí el lunes cuando esté de vuelta en el laboratorio y les dejaré saber cómo va.

Hay muchas formas de atenuar el ruido según la impedancia de la fuente, la carga y el rango de ruido y señal.

Dado que la temperatura está cerca de CC o diga << 1 Hz y el ruido está cerca de 200 Hz +/- % TBD, se puede usar un filtro de muesca con componentes RC y sintonizar la profundidad y la frecuencia central del filtro.

ingrese la descripción de la imagen aquí

  • -76 dB de atenuación a 200 Hz
  • -50 dB a 100 Hz
  • 0 dB a CC con una carga de carga de 500 ohmios para una escala máxima de 20 mA. de 10V

Para diseñar CUALQUIER filtro LPF + Notch, necesita al menos especificaciones;
Rs impedancia de fuente
Rl impedancia de carga (alta)
f banda de paso BW
f centro de parada de banda y atenuación mín. @ parada de banda BW.

Gracias por tu solución Tony. Con una cantidad tan alta de atenuación, puedo ver por qué esta sería una solución mucho mejor para el problema en cuestión. Entiendo por los comentarios realmente útiles anteriores de los otros ingenieros que esencialmente he estado usando un atenuador de -3dB, por lo que el ruido estará presente para la mayoría de las configuraciones de filtro de primer orden "estándar". La dificultad que tengo ahora es que el módulo está en un lugar con espacio limitado, por lo que, como primera prueba, puedo intentar reducir la frecuencia de muestreo y ver si el antialiasing maneja el ruido.
Reemplace 787 con 33k para una atenuación de 33 dB

No sé cómo está procesando los datos digitales, pero si promedia un número entero de ciclos del ruido, esencialmente lo eliminará.

Aclaración: asumiendo que el ruido es bastante periódico a 200 Hz, entonces el período es 1/200s = 5ms. Está muestreando a 10 kHz, por lo que habrá 50 muestras en cada ciclo de ruido de 5 ms. Al promediar 50 muestras (o 100, o 150, o 200, ...) promediará el ruido. Obviamente, esto reduce su frecuencia de muestreo efectiva en 50 (o 100, o 150, ...) pero aún no ha justificado la temperatura de muestreo a 10 kHz. :)

Mejor aún, encuentre la fuente del ruido de 200 Hz y elimínelo.

Tiene lo que parece ser un acondicionador de señal de entrada de termopar aislado galvánicamente de buena calidad.

Debe conectar a tierra el termopar en un lugar si ( y solo si ) no está conectado a tierra en la unión. Ponerlo a tierra en dos lugares hará que el termopar lea incorrectamente. Por ejemplo, conecte en puente el cable (-) del termopar al cable (-) de la salida de voltaje. De lo contrario, se puede captar el ruido de modo común.

Si eso falla, otra posibilidad es algún problema de tierra en la cadena de señal. Sin un esquema completo es difícil especular. Por lo general, eso podría ser a 50 Hz o 100 Hz en un país de 50 Hz, pero tal vez esté sucediendo algo más. 200 Hz no es una frecuencia de ruido común.

" 200 Hz no es una frecuencia de ruido común. " ¿Podría ser algún sistema naval o aviónico? IIRC en (algunos) barcos y/o aviones usan alimentación de CA con una frecuencia más alta que la "continental" 50/60Hz.
@LorenzoDonati--Codidact.com Por lo general, 400 Hz (o, a veces, "frecuencia salvaje" que varía con las RPM del turbohélice). Tal vez haya algo que use 200 Hz, pero personalmente no me he topado con eso.
Ruido eléctrico de 200 Hz en una máquina industrial
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