¿Por qué el voltaje medido aumenta cuando cambio la referencia a tierra?

Porque hay corriente que fluye a través del cable de tierra entre su PCB y el punto de tierra común. El alambre tiene una pequeña resistencia. El tiempo actual de esta resistencia provoca un voltaje de compensación. Por ejemplo, si hubiera 1 A fluyendo en el cable, entonces solo tendría que tener una resistencia de 23 mΩ para exhibir el desplazamiento de 23 mV.

Otra posibilidad más sutil es que tiene altas frecuencias en el sistema que están confundiendo la electrónica del medidor. Por encima de alguna frecuencia, probablemente en algún lugar en el rango de 10s de kHz a 100s de kHz, algunos medidores sin un filtrado adecuado pueden comenzar a ver AC como DC. Los medidores puramente mecánicos antiguos son bastante inmunes a esto, pero los medidores modernos con frontales electrónicos activos proporcionan varias formas para tratar la CA de alta frecuencia de forma no simétrica y, por lo tanto, para agregar un desplazamiento a la medición de CC. Dicho todo esto, esto es bastante menos probable que la explicación mucho más simple de un voltaje de compensación a través del cable de tierra debido a los tiempos de resistencia de la corriente a través de él.

Probablemente hay un bucle de tierra entre los diversos instrumentos y tableros, porque algunos de ellos pueden tener una referencia a la Tierra, o hacer referencia a un potencial diferente al de otros; esto crea corrientes en las trayectorias del suelo, y si son significativamente grandes (parece ser el caso) puede provocar caídas de tensión.

Debes desconectar tus instrumentos y medir el voltaje entre sus conectores a tierra, para verificar si hay alguna diferencia.