Bedeutung der Isolation in DAQ Systemen

Was ist galvanische Trennung (Isolation)?

Unter der auch als galvanische Trennung bezeichneten elektrischen Isolation versteht man das Vermeiden der elektrischen Leitung zwischen einem Schaltkreis und anderen elektrischen Spannungsquellen.  

Warum ist galvanische Trennung erforderlich?

Störpotentiale können sowohl Wechselspannungs- als auch Gleichspannungs-Potentiale sein. Wird z. B. ein Sensor direkt auf einen geprüften Gegenstand (etwa ein Netzteil) aufgesetzt, der ein Potential über Masse hat (d. h. größer als 0 Volt), dann kann dies einen Gleichspannungs-Offset zum Signal hinzufügen. Elektrische Interferenzen (Rauschen) können aber auch in Form von Wechselspannungssignalen auftreten, die von anderen elektrischen Komponenten im Signalweg oder in der Testumgebung erzeugt werden. 

Die galvanische Trennung ist besonders wichtig, wenn es darum geht, analoge Eingangssignale zu messen. Die meisten Signale haben einen relativ niedrigen Pegel und können von externen elektrischen Potentialen stark beeinflusst werden, was dann zu falschen Messwerten führt. Denken Sie an das Ausgangssignal eines Thermoelements, das sich in der Größenordnung von wenigen Tausendstel Volt bewegt, und daran, wie einfach es von einer elektrischen Interferenz überlagert werden kann.

Selbst der reguläre Netzstrom in unseren Gebäuden erzeugt ein elektrisches Feld mit (je nach Land) 50 oder 60 Hz. Deshalb verfügen die besten Datenerfassungssysteme über isolierte Eingänge, die dafür sorgen, dass die Integrität der Signalkette erhalten bleibt und sicherstellen, dass die Ausgangssignale der Sensoren wirklich dem entsprechen, was gemessen wurde. 

Es gibt auch Hochspannungen, die teure Ausrüstung beschädigen oder zerstören können, wenn sie über ein nicht isoliertes System querverbunden werden. Im schlimmsten Fall können sie sogar körperliche Schäden oder den Tod des Prüftechnikers zur Folge haben. Als für den Menschen gefährlich gelten im Allgemeinen Spannungen, die größer als 30 Veff, 42,4 VAC oder 60 VDC sind.

In der Welt der Prüf- und Messtechnik ist die Vermeidung oder Beseitigung von Masseschleifen und Gleichtaktspannungsüberlastungen von entscheidender Bedeutung für genaue Messungen, für den Schutz von Prüfgeräten und Prüflingen und vor allem für den Schutz von Menschen vor gefährlichen Spannungspotentialen.

Bevor unsere Signale den Verstärker passieren und in die Analog-Digital-Wandler gelangen, müssen wir ihre Integrität sicherstellen, und das geht am besten mit galvanischer Trennung.

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Wann ist galvanische Trennung erforderlich?

Diese Frage sollte eigentlich lauten: „Wann ist eine galvanische Trennung NICHT erforderlich?“ Wägen Sie Folgendes ab, wenn Sie wissen wollen, ob Ihre Anwendung isolierte Eingänge erfordert:

• Gibt es in der Nähe gefährlich hohe Spannungen? (Hochspannungsleitungen in Gebäudenähe? Stromaggregate?)

• Befinden sich große Motoren, Turbinen, Schweißmaschinen oder andere Starkstrommaschinen im selben Gebäude oder Stromnetz?

• Kommt es in Ihrem Stromsystem zu Schwankungen oder Änderungen des Massepotentials?

• Gibt es in Ihrem Stromsystem gelegentlich Spannungsspitzen oder Transienten? Befinden Sie sich in einem Gebiet mit hoher Blitzschlagfrequenz?

• Führen Sie Signalmessungen im Millivoltbereich direkt an Komponenten oder Strukturen durch, die möglicherweise auf ein anderes Spannungspotential bezogen sind?

Können Sie eine oder mehrere dieser Fragen bejahen, dann sind isolierte Eingänge für Ihren Anwendungsfall wohl gerechtfertigt. 

Werfen wir einen Blick auf die Messumgebung bei wichtigen DAQ-Anwendungen und mögliche Signalstörungsquellen:

Es ist klar, dass es praktisch keine größere Anwendung gibt, die nicht irgendwelchen Störungen ausgesetzt ist, die ihren Ursprung in der natürlichen oder vom Menschen geschaffenen Umwelt haben und durch die galvanische Trennung der Eingänge teilweise oder vollständig unterdrückt werden können.

Messsysteme ohne galvanisch getrennte Eingänge sind preisgünstiger als solche mit galvanischer Trennung. Doch was nützt ein Messsystem, wenn es keine genauen störungsfreien Messungen ermöglicht?

Gleichtaktspannungsprobleme und ihre Lösung

Gleichtaktspannungen sind unerwünschte Signale, die in die Messkette gelangen. Ihren Ursprung haben sie in der Regel in einem Kabel, das einen Sensor mit dem Messsystem verbindet. Diese manchmal auch als „Rauschen“ bezeichneten Störspannungen verzerren das reale Signal, das gemessen werden soll. Je nach Amplitude kann das Problem von einem „kleinen Ärgernis“ bis hin zur völligen Überlagerung des ursprünglichen Signals und Zerstörung der Messung reichen.

Der einfachste Ansatz zur Unterdrückung von Gleichtaktsignalen ist die Verwendung eines Differenzverstärkers. Dieser Verstärker hat zwei Eingänge – einen positiven und einen negativen – und misst die Differenz zwischen den beiden Eingangssignalen.

Elektrisches Rauschen auf dem Sensorkabel sollte auf beiden Adern vorhanden sein, der positiven Signalader und der Masseader (bzw. negativen Signalader). Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, werden solche Gleichtaktspannungen, die auf beide Eingänge gleich einwirken, vom Differenzverstärker zurückgewiesen, und nur das eigentliche Signal wird durchgelassen:

Das funktioniert gut, allerdings kann der Verstärker Gleichtaktspannungen (CMV) nur innerhalb bestimmter Grenzen unterdrücken. Überschreitet die auf den Signalleitungen anliegende CMV den maximalen Gleichtakt-Eingangsspannungsbereich des Differenzverstärkers, dann wird sie beschnitten. Das Ergebnis ist, wie unten dargestellt, ein verzerrtes und damit unbrauchbares Ausgangssignal:

Deshalb benötigen wir einen zusätzlichen Schutz gegen CMV und elektrisches Rauschen im Allgemeinen (sowie gegen Masseschleifen, auf die wir im nächsten Abschnitt eingehen werden): Isolation oder galvanische Trennung.

Bei Trennverstärkern „schweben“ die Eingangssignale gewissermaßen über der Gleichtaktspannung. Sie sind mit einer Isolationsbarriere mit einer Durchschlagspannung von 1000 Volt oder mehr ausgelegt und dadurch in der Lage, selbst sehr starkes Gleichtaktspannungsrauschen zu unterdrücken und Masseschleifen zu neutralisieren. 

Isolierte Verstärker erzeugen diese Isolationsbarriere, die dazu dient, das Eingangs- vom Ausgangssignal zu trennen, mithilfe von Kleinsttransformatoren oder kleinen Optokopplern oder durch kapazitive Kopplung. Die letzten beiden Methoden bieten in der Regel die beste Bandbreitenleistung.

Was ist das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR)?

Das Gleichtaktunterdrückungsverhältnis (CMRR) eines Differenzverstärkers (oder anderer Geräte) ist eine Metrik, mit deren Hilfe die Fähigkeit des Geräts quantifiziert wird, Gleichtaktsignale zu unterdrücken, also Signale, die simultan und phasengleich an beiden Eingängen auftreten.

Im Idealfall hat ein Differenzverstärker ein unendliches CMRR. Dies ist jedoch in der Praxis nicht erreichbar. Ein hohes CMRR ist erforderlich, wenn ein Differenzsignal wegen der Präsenz eines möglicherweise großen Gleichtaktsignals (z. B. einer starken elektromagnetischen Interferenz) verstärkt werden muss.

Masseschleifenprobleme und ihre Lösung

Wenn sie nicht vermieden werden, können Masseschleifen (auch „Brummschleifen“) für Messsysteme ein ernsthaftes Problem darstellen. Sie entstehen, wenn ein Signalweg mehr als eine Verbindung zur Masse hat. Jede Potentialdifferenz an den Massepunkten kann eine Stromschleife erzeugen, die zu Verzerrungen des Signals führt. Diese Verzerrungen können, wenn ihre Amplitude groß genug ist, die Messung ruinieren. 

In der folgenden Abbildung ist der Messverstärker auf einer Seite mit Masse (GND 1) verbunden. Zum Anschluss des Sensors wird ein geschirmtes asymmetrisches Kabel verwendet, dessen metallisches Schirmgeflecht auf eine leitende Fläche an GND 2 gelegt wird. Aufgrund der Kabellänge gibt es einen Potentialunterschied zwischen GND1 und GND 2. Diese Potentialdifferenz wirkt wie eine Spannungsquelle, die sich mit dem elektromagnetischen Rauschen aus der Umgebung verbindet.

Durch das Trennen des Sensors von GND2 ließe sich das Problem lösen. Allerdings ist das nicht immer möglich. Zudem ist die Verbindung des Kabelschirms mit einer Bezugsmasse manchmal durch Sicherheitsvorschriften vorgegeben und sollte deshalb nicht entfernt werden.

Die beste Lösung für dieses Problem ist die Verwendung eines isolierten Differenzverstärkers im Messverstärker.

Masseschleifen können auch über die Stromversorgung des Messgeräts selbst entstehen. Bedenken Sie, dass das Messsystem an eine Stromquelle mit Massebezug angeschlossen ist. Es ist daher von entscheidender Bedeutung, diesen Massebezug von den signalverarbeitenden Komponenten des Geräts zu entkoppeln, um sicherzustellen, dass innerhalb des Geräts keine Masseschleifen entstehen können.

Dieses Szenario kann gefährlich werden, wenn ein Verdrahtungsfehler vorliegt. Schauen Sie sich den Hochstrompfad von der Stromversorgung an. Was würde geschehen, wenn die Rückleitung unterbrochen wird? Die gesamte Energie würde durch den Signalaufbereitungsteil des Datenerfassungssystems geleitet. Dies könnte zur Beschädigung oder Zerstörung des kompletten Systems führen oder sogar ein Gefährdungspotential für den Bediener des Geräts darstellen.

Wird der Signalpfad vollständig von der Stromversorgung isoliert, dann kann das beschriebene Szenario nicht eintreten.

Isolationsebenen

Eine galvanische Trennung kann im Wesentlichen auf zwei verschiedenen Ebenen stattfinden:

• auf analoger Ebene und 

• auf digitaler Ebene

Analoge galvanische Trennung

Die analoge galvanische Trennung kommt bei den Ausgängen analoger Sensoren zur Anwendung. Die Trennung findet dabei auf analoger Ebene statt, also vor dem ADC-Subsystem.  

In jedem analogen Trennsystem ist eine hohe Verstärkungs- und Offset-Genauigkeit von essentieller Bedeutung, da wir keine falschen Signale digitalisieren wollen.

Digitale galvanische Trennung

Wenn unsere Signale digital sind, können wir zunächst einmal digitale Isolationstechniken einsetzen, um die Signale selbst, das Messsystem und die Bediener zu schützen. 

When our signals are digital, to begin with, we can employ digital isolation techniques to protect our signals, system, and human operators. 

In diesem Fall trennt eine Isolationsbarriere das Außensignal galvanisch vom Inneren der Schaltung. Das replizierte digitale Signal steht dann zur Weiterleitung an Mikroprozessoren, FPGAs, Gate-Treiber usw. zur Verfügung.

Werfen wir nun einen Blick auf die drei grundlegenden Isolationstechniken, die sowohl bei der analogen als auch bei der digitalen galvanischen Trennung zum Einsatz kommen.

Drei grundlegende Isolationstechniken

Es gibt verschiedene Ansätze zum Aufbau einer Isolationsbarriere zwischen einer Signalquelle und dem Rest des Systems:

• optische Trennung,

• induktive Trennung und

• kapazitive Trennung.

In diesem Abschnitt wollen wir uns alle drei ein bisschen näher anschauen.

Optische Trennung

Die optische Trennung ist eine der verbreitetsten und effektivsten Methoden zur Isolation eines Signals vom Rest des Systems und der Außenwelt. Dabei wird ein elektrisches Signal mittels einer LED in ein optisches Signal umgewandelt und über eine dielektrische Isolationsbarriere an eine Photodiode übertragen, die es wieder in ein elektrisches Signal umwandelt.

Durch die Umwandlung des elektrisches Signals in Licht und dann wieder zurück in Elektrizität wird es elektrisch vollständig von der Außenwelt entkoppelt. Ein diesem Ansatz inhärenter Vorteil ist die Unempfindlichkeit von Licht gegenüber elektromagnetischen Interferenzen (EMI) und hochfrequenten Interferenzen (RFI).

Allerdings sind Optokoppler nicht so schnell wie das Licht selbst, sondern ihre Geschwindigkeit ist durch die Schaltgeschwindigkeit der LED begrenzt. In der Regel sind sie deshalb langsamer als induktive oder kapazitive Isolatoren. Darüber hinaus nimmt die Intensität des LED-Lichts mit der Zeit ab, was schließlich eine Neukalibrierung oder einen Austausch erforderlich macht. 

Induktive Trennung

Die induktive Trennung basiert darauf, dass elektrischer Strom immer auch ein Magnetfeld erzeugt. Für eine optimale Kopplung werden zwei identische Spulen nahe aneinander gebracht. Damit wird das Primärsignal in die Sekundärwicklung induziert.

Bei der Gegeninduktion (oder induktiven Kopplung) wird eine elektrische Isolationsbarriere zwischen den Wicklungen platziert, so dass nur magnetisch induzierte Signale von der Primär- in die Sekundärwicklung gelangen, ohne dass es einen direkten Kontakt über die Barriere hinweg gäbe. Induktive Koppler haben eine sehr hohe Bandbreite und sind extrem zuverlässig, können aber von nahe gelegenen Magnetfeldern beeinflusst werden.

Kapazitive Trennung

Kapazitive Isolatoren koppeln ein Signal über eine in der Regel aus Siliziumdioxid bestehende Isolationsbarriere. Da sie keine Gleichgrößen durchlassen, sind sie sehr gut für die Unterdrückung von Gleichtaktsignalen geeignet. Das Signal wird digitalisiert und dann auf der anderen Seite der Barriere mittels kapazitiver Kopplung repliziert. 

Im Gegensatz zur induktiven Trennung ist die kapazitive Trennung nicht anfällig für magnetische Störungen. Kapazitive Isolatoren zeichnen sich durch hohe Datenraten und Langlebigkeit im Betrieb aus. Sie sind mit verschiedenen Nennwerten erhältlich, die bei unterschiedlichen Anwendungen eine ausreichende Sicherheit gegen Ausfall und mögliche Kurzschlüsse gewährleisten.

Vergleich der Isolationstechniken

Tabellarischer Vergleich der drei grundlegenden Isolationstechniken:

Schlüsselbegriffe rund um die galvanische Trennung

Aus dem bisher Gesagten wird klar, dass unsere Messsysteme über isolierte Analogeingänge verfügen sollten. Wenn Sie sich dann die Isolationsspezifikationen verschiedener Messsysteme und -verstärker anschauen, stoßen Sie möglicherweise auf Begriffe wie Kanal-zu-Kanal und Kanal-zu-Masse. Was bedeuten diese Begriffe, und wie hängen sie zusammen?

Kanal-zu-Masse-Isolierung

Die Kanal-zu-Masse-Isolierung definiert die maximale Spannung zwischen dem Eingang eines Kanals und der Gerätemasse. Normalerweise ist die Gerätemasse auf die Masse der Stromversorgung bezogen. Durch die Trennung der Signalmasse von der Gehäusemasse lassen sich die meisten Masseschleifenprobleme vermeiden. 

Manchmal wird dies auch als Eingang-zu-Ausgang-Isolierung bezeichnet. Alle Kanäle teilen sich eine gemeinsame Masse, die galvanisch vom Masse- bzw. Erdpotential des Geräts getrennt ist. Dies ist kein Problem, solange nur eine Signalquelle an das System angeschlossen ist. Werden jedoch zusätzliche Signale mit unterschiedlichen Massepotentialen angeschlossen, dann kann dies zu Störspannungen über alle Signale und zu Gleichtaktproblemen führen. 

Wenn zwei oder mehr Kanäle eine gemeinsame Masse nutzen, sind sie nicht galvanisch voneinander getrennt. Wenn bei einem Gerät nur eine Eingang-zu-Ausgang- bzw. Kanal-zu-Masse-Isolierung erwähnt wird, ist daher Vorsicht geboten.  

Kanal-zu-Kanal-Isolierung

Die Kanal-zu-Kanal-Isolierung definiert die maximale Spannung zwischen zwei beliebigen Kanälen. Kanäle dürfen sich zum Beispiel keine Masse-Sammelschiene teilen. Außerdem muss jeder Kanal vom Rest des Systems, z. B. von der Stromversorgung, der Gehäusemasse usw., isoliert sein. Wenn alle Kanäle galvanisch voneinander getrennt sind, dann sind sie notwendigerweise auch von Masse getrennt, so dass die Kanal-zu-Kanal-Isolierung gewissermaßen eine Kanal-zu-Masse-Isolierung einschließt.

Wenn ein System über eine Kanal-zu-Masse-Isolierung verfügt, bedeutet dies nicht unbedingt, dass auch seine Kanäle galvanisch voneinander getrennt sind. Hat ein System jedoch eine Kanal-zu-Kanal Isolierung, dann ist damit auch eine Kanal-zu-Masse-Isolierung vorhanden.

Wie im folgenden Video erläutert. bieten die SIRIUS Datenerfassungssysteme von Dewesoft sowohl eine Kanal-zu-Kanal- als auch eine Kanal-zu-Masse-Isolierung:

Durchschlagfestigkeit

Die Durchschlagfestigkeit (oder dielektrische Festigkeit) ist der maximale Spannungspegel, bis zu dem eine Isolationsbarriere die Übertragung eines Signals verhindern kann.  Der Wert (angegeben in Vrms/µm) unterscheidet sich je nach Isolationsmaterial. Während die typische Durchschlagfestigkeit bei einem Luftspalt 1 Vrms/µm beträgt, können Epoxydharze einen 20-fach besseren Wert und das in kapazitiven Isolationsbarrieren häufig eingesetzte Siliziumdioxid sogar ca. 500 Vrms/µm erreichen. Andere Materialien, die üblicherweise in Isolationsbarrieren verwendet werden, sind zum Beispiel die in kapazitiven Isolatoren anzutreffenden Polyimide und die oft in optischen Isolatoren anzutreffenden silikahaltigen Epoxid-Formmassen.

Isolierte Datenerfassungssysteme von Dewesoft

SIRIUS-Datenerfassungssysteme

SIRIUS High-Speed Datenerfassungssysteme sind in zahlreichen verschiedenen physischen Konfigurationen erhältlich – von SIRIUS-Modulen, die über USB oder EtherCAT an Ihren Computer angeschlossen werden, über R3-DAQ-Systeme für die Rack-Montage bis hin zu autonomen R1/R2-, R4- und R8- Datenerfassungssystemen mit integriertem Rechner.

Wenn Sie sich die Dewesoft-Messverstärker der Reihen SIRIUS DualCore und SIRIUS HS (High Speed) ansehen, werden Sie feststellen, dass alle diese Module eine Kanal-zu-Kanal- und Kanal-zu-Masse-Isolationsspannung von 1000 V bieten. SIRIUS HD (High Density)-Verstärker sind paarweise gegen ±500 V isoliert. 

Das folgende Video zeigt ein praktisches Beispiel der galvanischen Trennung in SIRIUS-DAQ-Systemen:

In der realen Welt der Datenerfassung gibt es oft mehr als nur Eingangssignale – Messverstärker liefern oft auch eine Versorgungsspannung bzw. einen Versorgungsstrom zur Speisung der Sensoren. Dehnungsmessstreifen, Widerstandsthermometer, Differentialtransformatoren und IEPE-Beschleunigungsmesser sind einige Beispiele für Sensoren, die eine Stromversorgung benötigen.

Von Herstellern von Datenerfassungssystemen wird mitunter übersehen, dass die Sensorversorgungsleitungen isoliert sein müssen. Dewesoft bietet über die gesamte Produktlinie eine galvanische Trennung und/oder Differenzeingänge und einen Schutz gegen Überspannung und direkten Kurzschluss gegen Masse, und schützt seine Geräte und die Bediener vor Masseschleifen.

Datenerfassungssysteme KRYPTON und KRYPTON ONE

KRYPTON ist die robusteste Produktreihe von Dewesoft. Unsere KRYPTON-Geräte sind nicht nur darauf ausgerichtet, extremen Temperaturen, Erschütterungen und Vibrationen standzuhalten, sondern auch in Schutzart IP67 ausgeführt und somit gegen Wasser, Staub und andere Partikel geschützt. Die Module können über EtherCAT mit jedem Windows-Computer (einschließlich des robusten Dewesoft-Modells IP67 KRYPTON CPU) verbunden und zur Gewährleistung der größtmöglichen Nähe zur Signalquelle bis zu 100 Meter voneinander entfernt positioniert werden. Wie die SIRIUS-Module arbeiten auch sie mit DewesoftX, der leistungsfähigsten Datenerfassungssoftware auf dem Markt.

Diese äußerst robusten Systeme sind unter der Bezeichnung KRYPTON ONE auch als einkanalige Module erhältlich. Die mehrkanaligen und die einkanaligen KRYPTON-Module bieten das gleiche Leistungsniveau und die gleiche Umweltrobustheit.

Was die Isolationsleistung betrifft, bieten KRYPTON und KRYPTON-1:

KRYPTON multi-channel modules

Einkanalige KRYPTON-ONE-Module

In der Tabelle oben steht Diff. für „Differentiell“ und Galv. für „Galvanische Trennung“.

IOLITE-Datenerfassungssysteme

IOLITE ist ein einzigartiges Produkt, das die essentiellen Fähigkeiten eines industriellen Echtzeit-Steuerungssystems mit einem leistungsstarken Datenerfassungssystem kombiniert. Mit IOLITE können Signale von Hunderten von analogen und digitalen Kanälen mit voller Geschwindigkeit erfasst und gleichzeitig Daten in Echtzeit an jeden beliebigen EtherCAT-Master-Controller von Drittanbietern übertragen werden.

Was die Isolationsleistung betrifft, bietet IOLITE:

Mehrkanalige IOLITE-Eingangsmodule

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