Значимость изоляции в системах сбора данных

Что такое электрическая изоляция?

Иногда называемая гальванической развязкой, электрическая изоляция подразумевает отделение контура прибора от других источников электрического тока.

Зачем нужна изоляция?

По своей природе токи помех могут быть как переменными, так и постоянными. Например, когда датчик размещается непосредственно на тестируемом объекте (источнике питания), напряжение которого превышает 0 вольт, это может вызывать смещение постоянной составляющей сигнала. Электрические помехи или шумы могут также принимать форму сигналов переменного тока, создаваемых другими электрическими компонентами в сигнальном канале или в окружающей среде в месте проведения испытания. 

Изоляция особенно важна в отношении аналоговых входных сигналов, которые мы хотим измерить. Многие из этих сигналов существуют на относительно низких уровнях, и внешнее электрическое напряжение может сильно влиять на сигнал, приводя к неправильным показаниям. Представьте себе выход термопары, который составляет всего несколько тысяч вольт, и как легко перегрузить его электрическими помехами.

Даже обычная питающая линия в здании генерирует электрическое поле частотой 50 или 60 Гц в зависимости от страны. Вот почему лучшие системы сбора данных имеют изолированные входы — для сохранения целостности сигнальной цепи и эффективного считывания выходных сигналов датчиков. 

Кроме того, существуют высокие напряжения, которые при перекрестном подключении неизолированной системы могут повредить или вывести из строя дорогостоящее оборудование. В худшем случае это может привести к травмам или даже смерти испытателя. Считается, что для людей опасны напряжения, превышающие ср.кв. напряжение 30 Vrms, 42,4 В переменного тока или 60 В постоянного тока.

В сфере испытаний и измерений предотвращение или устранение паразитного заземления и синфазных перенапряжений имеет решающее значение для проведения точных измерений, защиты испытательного оборудования и проверяемых объектов и, самое главное, защиты людей от воздействия опасного напряжения. 

Прежде чем сигналы пройдут через усилитель и будут переданы в аналого-цифровые преобразователи, мы должны обеспечить их целостность, и лучший способ сделать это — использовать изоляцию.

Ознакомьтесь с современными цифровыми системами сбора данных с полной межканальной изоляцией от компании Dewesoft

Когда требуется изоляция?

Проще будет ответить на вопрос: «А когда изоляция НЕ требуется?». Чтобы определить, требуются ли изолированные входы для данной сферы применения, задайте себе следующие вопросы:

• Существуют ли поблизости источники опасного высокого напряжения? (Провода высокого напряжения снаружи здания? Электрические генераторы?)

• Имеются ли в здании или в той же электрической сети большие двигатели, турбины, сварочные аппараты или другое оборудование, использующее мощный ток?

• Колеблется ли потенциал заземления вашей системы питания?

• Подвержена ли система питания выбросам напряжения или импульсным помехам? Часто ли здание подвергается ударам молний?

• Проводите ли вы измерения сигналов на уровне милливольт непосредственно на компонентах или структурах, на которых может присутствовать другое напряжение?

Если вы ответили «да» на один или несколько вопросов, то, скорее всего, изоляция входов будет оправдана. 

Рассмотрим типичную среду проведения измерений с помощью систем сбора данных и потенциальные источники помех:

Очевидно, что в любой области применения изоляция входов не поможет полностью устранить воздействие помех, имеющих естественную или техногенную природу.

Измерительные системы, в которых изоляция входов не предусмотрена, стоят дешевле систем с изоляцией. Однако, в чем же смысл измерительной системы, если не в том, чтобы производить точные измерения, свободные от помех?

Проблемы синфазного напряжения и их решение

Синфазные напряжения — это паразитные сигналы, которые попадают в измерительную цепь, как правило, от кабеля, соединяющего датчик с измерительной системой. Иногда называемые шумом, эти напряжения искажают реальный сигнал, который мы пытаемся измерить. В зависимости от амплитуды они могут варьироваться от «незначительных помех» до полного перекрывания реального сигнала, делающего измерение бесполезным.

Наиболее простым способом устранения синфазных сигналов является использование дифференциального усилителя. Этот усилитель имеет два входа: положительный и отрицательный. Усилитель измеряет только разницу между двумя входами.

Электрический шум от кабеля датчика должен присутствовать на обеих линиях — положительной линии сигнала и линии заземления (или отрицательной линии сигнала). Дифференциальный усилитель будет отклонять сигналы, общие для обеих линий, пропуская только нужный сигнал, как показано на рисунке ниже:

Это отлично работает, но есть ограничения на объем синфазных сигналов, которые может отклонить усилитель. Если объем синфазных сигналов в сигнальных линиях превышает максимальный входной диапазон дифференциального усилителя, он отсекает сигнал. В результате получается искаженный, бесполезный выходной сигнал, как показано ниже:

В таких случаях необходим дополнительный уровень защиты от синфазных напряжений и электрических помех в общем (а также от паразитного заземления, о котором пойдет речь в следующем разделе) — изоляция.

Изолированные входы усилителя «плавают» над синфазным напряжением. Их конструкция подразумевает изолирующий барьер с напряжением пробоя 1000 вольт и более. Это позволяет отклонять очень высокий уровень синфазных шумов и устранять паразитное заземление.

Изолированные усилители создают такой изолирующий барьер, используя крошечные трансформаторы для разделения («смещения») входного и выходного сигнала, небольшие оптопары, или емкостную связь. Последние два метода обычно обеспечивают максимальную производительность.

Что такое коэффициент подавления синфазного напряжения (КПСН)

Коэффициент подавления синфазного напряжения (КПСН) дифференциального усилителя (или других устройств) — это система показателей, используемая для количественной оценки способности устройства отклонять синфазные сигналы, то есть те, которые появляются одновременно и в фазе на обоих входах.

Идеальный дифференциальный усилитель будет иметь бесконечный коэффициент подавления синфазного сигнала. Однако на практике это невозможно. Высокий КПСН требуется, когда дифференциальный сигнал должен быть усилен в присутствии потенциально большого синфазного входного сигнала, такого как сильные электромагнитные помехи (ЭМП).

Проблемы паразитного заземления и их решение

Если его не предотвратить, паразитное заземление может стать серьезной проблемой для измерительных систем. Иногда называемое «шумом», паразитное заземление связано с непреднамеренной привязкой электрооборудования к более чем одному пути заземления — любая разность потенциалов в этих точках заземления может вызывать токовую петлю, что может приводить к искажениям сигнала. Если амплитуда этих искажений достаточно высока, это может сделать измерение бесполезным. 

На рисунке ниже измерительный усилитель соединен с землей (GND 1) с одной стороны. Для подключения датчика используется асимметричный экранированный кабель, металлический корпус которого помещен на проводящую поверхность в точке GND 2. Из-за длины кабеля существует разница в потенциале между GND1 и GND 2. Эта разность потенциалов действует как источник напряжения, обьединяясь с электромагнитным шумом окружающей среды.

Если бы датчик можно было отделить от GND 2, это могло бы решить проблему. Но это не всегда возможно. Кроме того, иногда по правилам безопасности требуется привязка к экрану кабеля, а значит отказаться от него нельзя.

Оптимальным решением является использование дифференциального усилителя внутри изолированного преобразователя сигнала. Всего одно изменение позволяет решить эту проблему.

Паразитное заземление может также поступать от самого прибора через его собственный источник питания. Мы помним, что наша измерительная система подключена к источнику питания, который имеет опорное заземление. Поэтому крайне важно отделить эту привязку от компонентов обработки сигналов, чтобы исключить образование паразитного заземления внутри прибора.

Эта ситуация может быть опасной, если существует неисправность проводки. В случае с путем тока высокого напряжения от источника питания, что произойдет, если линия возврата будет разорвана? Вся энергия будет направлена через часть преобразования сигнала системы сбора данных. Это может привести к повреждению или выводу из строя всей системы и даже к возникновению опасных напряжений для оператора прибора.

При полной изоляции сигнального канала от источника питания описанная выше ситуация невозможна.

Области применения изоляции

Существует две основные области, в которых может быть достигнута изоляция:

• аналоговая и 

• цифровая

Аналоговая изоляция

Аналоговая изоляция используется для выходов аналоговых датчиков. Эта изоляция происходит в аналоговой области, т.е. перед подсистемой АЦП.

В любой аналоговой системе изоляции важно, чтобы точность усиления и смещения была достаточно высокой, потому что мы не хотим оцифровывать неправильные сигналы.

Цифровая изоляция

Когда сигналы являются цифровыми, прежде всего, мы можем использовать цифровые методы изоляции для защиты сигналов, системы и операторов.

В этом случае изолирующий барьер отделяет внешний сигнал от воссоздания на внутренней стороне цепи. Затем изолированный цифровой сигнал может направляться на микропроцессоры, ПЛИС, вентили-формирователи и т.д.

А теперь рассмотрим три основных метода, которые используются как в аналоговой, так и в цифровой изоляции.

Три основных метода изоляции

Существует несколько подходов к созданию изолирующего барьера между источником сигнала и остальными частями системы:

• оптическая изоляция,

• индуктивная изоляция,

• емкостная изоляция.

Рассмотрим каждый из них в этом разделе.

Оптическая изоляция

Оптическая изоляция — это один из наиболее популярных и эффективных методов изоляции сигнала от остальной системы и внешнего мира. Электрический сигнал поступает на вход светодиода, который передает его через диэлектрический изоляционный барьер на фотодиод, преобразующий его обратно в электрический сигнал.

Благодаря преобразованию электрического сигнала в световой, а затем обратно в электрический, он полностью отделяется от внешнего мира. Преимущество этого метода в том, что свет не чувствителен к электромагнитным (ЭМП) или радиочастотным (РЧП) помехам.

Однако оптопары не так быстры, как свет — они ограничены скоростью переключения светодиода. Они также медленнее, чем индуктивные или емкостные изоляторы. Кроме того, интенсивность света светодиода будет ухудшаться с течением времени, что потребует повторной калибровки или замены.

Индуктивная изоляция

Инженеры знают, что электрический ток создает магнитное поле. При отправке сигнала в обмотку и расположении его рядом и параллельно с идентичной обмоткой представление сигнала будет индуцировано или «связано» со второй обмоткой.

При изоляции индуктивной связи между обмотками помещается электроизоляционный барьер, так что единственными сигналами, проходящими от первой обмотки ко второй, являются те, которые были магнитно индуцированы — и прямой контакт через барьер отсутствует. Индуктивные соединители имеют очень высокую пропускную способность и чрезвычайно надежны, но на них могут влиять близлежащие магнитные поля.

Емкостная изоляция

Емкостные изоляторы соединяют сигнал через изолирующий барьер, обычно изготовленный из диоксида кремния. Они не могут передавать сигналы постоянного тока, что делает их пригодными для блокирования синфазных сигналов. Сигнал преобразуется в цифровой и затем реплицируется на другой стороне барьера с помощью емкостной связи.

В отличие от индуктивной изоляции, емкостная изоляция не подвержена магнитным помехам. Высокие скорости передачи данных и длительный срок службы являются отличительными чертами этих изоляторов. В продаже имеются емкостные изоляторы разных номиналов, что позволяет обеспечить должный уровень защиты от сбоев и возможных коротких замыканий.

Сравнение методов изоляции

Приведем беглое сравнение трех основных методов изоляции:

Ключевые термины в области изоляции

Учитывая все вышеизложенное, кажется очевидным, что измерительные системы должны иметь изолированные аналоговые входы. Но когда вы просматриваете технические характеристики изоляции различных измерительных систем и преобразователей сигналов, вы можете обнаружить, что она определена с помощью таких терминов, как канал-земля и канал-канал. Что значат эти термины и как они соотносятся друг с другом?

Изоляция «канал-земля»

Изоляция «канал-земля» определяет максимальное напряжение, которое может существовать между входом канала и заземлением прибора. Обычно заземление прибора привязывается к заземлению источника питания. Изолируя землю сигнала от заземления корпуса, мы можем устранить большинство проблем с паразитным заземлением.

Иногда ее также называют изоляцией «вход-выход». Все каналы используют общее заземление, которое изолировано от потенциала заземления или корпуса прибора. Это бы не представляло проблем, если бы к системе был подключен только один источник сигнала. Но при подключении дополнительных сигналов, каждый из которых имеет разные потенциалы заземления, это может привести к помехам во всех сигналах и проблемам с синфазным напряжением.

Если два или более каналов имеют общее заземление, то они не изолированы гальванически. Будьте осторожны, когда для прибора указана только изоляция «вход-выход» или «канал-земля».

Изоляция «канал-канал»

Изоляция «канал-канал» определяет максимальное напряжение, которое может существовать между каналом и любым другим каналом. Например, каналы не могут совместно использовать шину заземления. Каждый канал также должен быть изолирован от остальной части системы, например от источника питания системы, заземления корпуса и т.д. Если все каналы изолированы друг от друга, то они обязательно также изолированы от земли, поэтому изоляция «канал-земля» включена в межканальную изоляцию.

Таким образом, если система оснащена изоляцией «канал-земля», это не обязательно означает наличие изоляции «канал-канал». ОДНАКО, если в системе есть изоляция «канал-канал», то также должна присутствовать изоляция между каналом и землей.

Системы сбора данных SIRIUS от Dewesoft обеспечивают как изоляцию между каналами, так и между каналами и землей, как показано в этом коротком видео:

Диэлектрическая прочность

Диэлектрическая прочность — это максимальный уровень напряжения, при котором изолирующий барьер может предотвратить пересечение сигнала. Различные изоляционные материалы имеют разную диэлектрическую прочность, измеряемую в Vrms/мкм. Воздушный зазор обычно обеспечивает 1 Vrms/мкм, тогда как эпоксидные смолы могут быть в 20 раз эффективнее, а диоксид кремния, содержащийся во многих емкостных изоляционных барьерах, дает примерно 500 Vrms/мкм. Существуют и другие материалы, обычно используемые в барьерах, включая полиимиды, применяемые в емкостных изоляторах, и заполненные кремнеземом эпоксидные формовочные смеси, часто встречающиеся в оптических изоляторах.

Изолированные системы сбора данных Dewesoft

Система сбора данных SIRIUS

Высокоскоростные системы сбора данных SIRIUS доступны в широком спектре физических конфигураций, от модульных плат SIRIUS, которые подключаются к компьютеру через USB или EtherCAT, и монтируемых в стойку систем сбора данных R3 до автономных систем сбора данных R1/R2, R4 и R8, которые включают встроенный компьютер.

Если вы обратите внимание на преобразователи сигналов SIRIUS DualCore и SIRIUS HS компании Dewesoft, то увидите, что все эти модули обеспечивают изоляцию между каналами и «канал-земля», рассчитанную на напряжение 1000 В. Усилители повышенной плотности SIRIUS HD изолированы парами по ±500 В. 

В видеоролике ниже показана изоляция систем SIRIUS на практике, в реальной ситуации использования:

В реальном мире сбора данных зачастую присутствуют не только входы сигналов: преобразователи сигналов часто создают напряжение возбуждения или ток для питания датчиков. Тензодатчики, резистивные датчики температуры (RTD), датчики LVDT и IEPE-акселерометры — это хорошие примеры датчиков, которым требуется источник питания.

Иногда производители систем сбора данных упускают из виду, что эти линии возбуждения должны быть изолированы, поэтому Dewesoft обеспечивает изоляцию и/или дифференциальные входы и защиту от перенапряжения с возможностью прямого короткого замыкания на землю во всей линейке продуктов, а также защищает свои приборы и операторов, работающих с ними, от паразитного заземления.

Системы сбора данных KRYPTON и KRYPTON ONE

KRYPTON — это самые защищенные изделия в ассортименте компании Dewesoft. Созданные для работы в условиях экстремальных температур, ударных и вибрационных нагрузок, модули KRYPTON обеспечивают степень защиты IP67 (защита от воды, пыли и прочих воздействий). Они подключаются к любому компьютеру Windows (включая собственную модель процессора KRYPTON IP67 в защищенном корпусе) через EtherCAT и могут быть разнесены на дистанцию до 100 метров, что позволяет размещать их рядом с источником сигнала. Как и SIRIUS, они используют самое мощное программное обеспечение сбора данных на рынке — DewesoftX.

Эти чрезвычайно прочные системы также доступны в конфигурации одноканальных модулей KRYPTON ONE. Как многоканальные, так и одноканальные модули KRYPTON обеспечивают одинаковый уровень производительности и устойчивости к воздействию окружающей среды.

Характеристики эффективности изоляции модулей KRYPTON и KRYPTON-1:

Многоканальные модули KRYPTON

Одноканальные модули KRYPTON ONE

В таблице выше «Дифф.» означает дифференциальное напряжение, а «Гальв.» относится к гальванической изоляции.

Системы сбора данных IOLITE

IOLITE — это уникальный инструмент, который сочетает основные возможности промышленной системы оперативного управления с мощной системой сбора данных. С помощью IOLITE сотни аналоговых и цифровых каналов можно записывать на полной скорости, одновременно передавая данные на любой сторонний мастер-контроллер EtherCAT в режиме реального времени.

Характеристики эффективности изоляции системы IOLITE:

Многоканальные модули ввода IOLITE

Учить больше: