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数据采集系统中隔离的作用(上)

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【摘要】:
数据采集系统中隔离的作用(上)

本文侧重讲解隔离在数据采集系统中的重要性,主要分为以下部分内容:

  • 电气隔离的含义

  • 不同的隔离方式

  • 模数转换及测量过程中隔离的重要性

什么是电气隔离?

有时也被称为电流隔离,电气隔离(Galvanicisolation)用于阻止电流向其他电势区域流动。

为什么需要隔离?

实际测试中,干扰电势可以是交流也可以是直流形式。例如,当传感器直接安装在高电势(电压 > 0V)的被测物品(例如电源)上时,会在信号上增加一个直流的电压偏移。信号传递路径上的其他电气组件及周围环境则会产生交流形式的电气干扰或噪声。

对于模拟输入信号,隔离非常重要。如果信号输出的幅值很小,外部电势会对信号造成较大的影响,容易导致测量结果产生偏差或者错误。比如使用热电偶测量温度,其输出是毫伏级的电压信号,很容易被外部的干扰噪声信号所淹没。

取决于您所在的国家/地区,建筑物中的电力线路、电器、电源也会产生50或60 Hz的电磁场。这就是为什么最好的数据采集系统都采用隔离的输入的原因-可以保持信号链的完整性,并确保传感器的输出被正确读取。

对于高压采集,如果非隔离系统允许交叉连接,可能会造成设备损坏。在最坏的情况下,甚至会对测试操作员带来人身伤害甚至死亡。通常认为对人身危险的电压大于30 Vrms,42.4 VAC或60 VDC

在测量测试领域,避免或消除接地环路和共模电压过载对进行准确的测量,保护测试设备和被测物体,免除操作人员受到伤害至关重要。

在信号通过放大器处理,并将其发送到模数转换器之前,我们必须确保其完整性,而做到这一点的最佳方法就是隔离。

点击阅读原文查看DEWESoft隔离采集系统

 https://dewesoft.com/products

什么时候需要隔离?

一个更简单的问题可能是“何时不需要隔离?”在考虑是否需要隔离输入时,请回答以下问题:

•附近是否有危险的高压?(外面有高压电线?发电机?)

•在同一建筑物或同一电网中是否有大型电动机、涡轮机、焊接机或任何使用大电流的机器?

•电源系统地的电位是否波动或变化?

•电源系统是否曾经遭受过电涌?设备或传感器是否处在雷电潜在区域?

•是否直接在存在不同电势的组件或结构上进行毫伏级信号测量?

如果其中一项或多项适用于您,则需要使用隔离输入。

让我们看一下关键DAQ应用中的测量环境及其可能的信号干扰源:

 

高电压,发电机

大型电动机,涡轮机,焊接机

地电位波动

电涌或瞬变

毫伏级信号测量

试验室

非常少

可能

可能

可能

是,热电偶、应变、铂电阻测试

汽车工厂

可能

可能

发动机工厂

是,发电机、变频器

可能

可能

是,热电偶、应变、电荷加速度计

发电厂

是,马达、涡轮机

可能

是,开关继电器、断路器瞬变

测试路面

是,电动车

是,闪电、电池更换

是,热电偶、应变

飞行测试中心

可能

是,电源开关、AC / DC总线

是,闪电

是,热电偶、电荷加速度计、应变

结构测试(试验室)

非常少

非常少

可能

是,应变、电荷加速度计

结构测试(外部)

可能

非常少

可能

是,闪电

是,应变、电荷加速度计

上表可以看出,基本上大部分应用都会受到自然或人工环境的干扰,隔离输入可以缓解或消除这些干扰。

虽然非隔离输入的测量系统会有成本上的优势,但是,如果不能进行准确,低噪声的测量,测量也就失去了其中的意义。

共模电压问题及解决方案

共模电压是进入测量链的有害信号,通常是通过传感器的连接电缆进入到测量系统。这些电压有时也称为“噪声”,它们会使我们的被测信号产生失真。取决于共模电压的幅值大小,它们对实际信号产生的影响也会从“小麻烦”到完全淹没真实信号并破坏测量。

差分放大器示意图

 

消除共模信号的最基本方法是使用差分放大器。该放大器有两个输入:一个输入+和一个输入-。放大器仅测量两个输入之间的差值。

传感器电缆的电气噪声沿着两条线-信号正极线和地线(或信号负极线)进行传输。差分放大器将抑制两条线上的共模信号,只有传感器信号可以通过,如下图所示:

  差分放大器成功消除其输入范围内的共模电压

 

这在理论上是一个很好用的解决方案,但是实际中放大器可以抑制共模电压(CMV)幅值是有限制的。当信号线上的共模电压(CMV)幅值超过差分放大器的允许的最大输入范围时,信号将出现“钳位”现象。结果是失真的输出信号,如下图所示:

超过共模电压输入范围时,差分放大器信号会失真或“钳位”

 

因此,在这些情况下,我们通常需要一个额外的保护层来抑制共模电压和电气噪声(以及接地环路,这将在下一章节中进行讨论),也就是隔离技术。

隔离放大器的信号输入类似于在“共模电压”之上浮动。放大器设计有一个击穿电压为1000伏或更高的隔离栅。这使其可以抑制非常高的共模电压噪声并消除接地环路。

     隔离型差分放大器可以抑制很高的共模电压

 

隔离放大器通过以下方式来实现隔离 - 使用小型变压器将输入与输出去耦(“浮置”),小型光电耦合或电容耦合。后两种方法通常可提供最佳的带宽性能。

什么是共模抑制比 - CMBR

差分放大器(或其他设备)的共模抑制比(CMRR)是用于量化设备抑制共模信号(即同时出现在两个输入上且同相的信号)的能力的度量。

理想的差分放大器的共模抑制比应该是无穷大的。但是,这种情况在实际上是无法实现的。因此在必须存在较大共模输入(例如强电磁干扰(EMI))的情况下放大差分信号时,需要具有较高的共模抑制比的放大器。

接地回路问题及解决方案

除非提前加以预防,否则接地环路对于测量系统将是一个潜在的风险,可能会造成严重的问题。如果电气设备上存在多条接地回路,那么在这些接地点上的只要存在电势差都可能引起电流回路,轻微的情况下会产生噪声信号,导致信号失真。如果这些失真的幅度给过高,则会破坏测量设备。

在下图中,测量放大器一侧接地(GND 1),IEPE传感器(金属外壳,安装面非绝缘,形成 GND 2)通过非对称屏蔽电缆与放大器相连。取决于电缆的长度,GND1和GND 2之间会存在电位差。电势差会以类似电压源的形式存在,并于来自环境的电磁噪声形成感应。

              由接地电位差引起的接地回路

 

如果能够将传感器与GND2分离,则可以解决问题。但是有时候这是不可能的。此外,有时处于安全原因需要使用电缆屏蔽层,因此此种方式不能完全见效。

最好的解决方案是使用带隔离的信号调理差分放大器。通过这种方式,问题完全得以解决。

              通过隔离消除接地电势差问题

 

接地回路也可能来源于仪器自身-通过电源部分。请记住,当测量系统插入电源,电源部分就会具有接地参考。因此,至关重要的是,应将电源地与仪器的信号处理组件分离开来,以确保在仪器内不会产生接地环路。

                    电源引进的接地环路

 

如果存在接线故障,这种情况可能会变得很危险。观察电源的电流路径,如果回路断线会怎样?所有能量将涌向数据采集系统的信号调理部分。这可能会导致部件或者系统被损坏,甚至可能会对仪器操作人员造成危险。

          电源引入的接地环路可能导致的危害

 

通过将信号路径与电源完全隔离,上述情况是不可能发生的。

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