В этой статье подробно рассказывается о значимости изоляции в системах сбора данных. Прочитав ее, вы:

  • узнаете о том, что такое электрическая изоляция;
  • узнаете о различных способах обеспечения изоляции;
  • осознаете значимость изоляции в процессе сбора данных и измерений.

Готовы? Начинаем!

Перейти к разделу

Что такое электрическая изоляция?

Зачем нужна изоляция?

Когда требуется изоляция?

Проблемы синфазного напряжения и их решение

Что такое коэффициент подавления синфазного напряжения (КПСН)

Проблемы паразитного заземления и их решение

Области применения изоляции

Три основных метода изоляции

Оптическая изоляция

Индуктивная изоляция

Емкостная изоляция

Сравнение методов изоляции

Ключевые термины в области изоляции

Изоляция «канал-земля»

Изоляция «канал-канал»

Диэлектрическая прочность

Изолированные системы сбора данных Dewesoft

 

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

Dewesoft DAQ Systems

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:

  Высокие напряжения, электрические генераторы Большие двигатели, турбины, сварочные аппараты Колебание потенциала заземления Выбросы напряжения и импульсные помехи Измерение сигналов на уровне милливольт
Лаборатория Редко Возможно Возможно Возможно Да
Термопары
Тензодатчики
Резистивные датчики температуры
Автомобильные заводы Да Да Возможно Возможно Да
Заводы реактивных двигателей Да
Электрические генераторы
Инверторы
Да Возможно Возможно Да
Термопары
Тензодатчики
Зарядовые акселерометры
Электростанции Да 
Всегда!
Да 
Двигатели
Турбины
Возможно Да
Коммутирующее реле
Импульсные помехи прерывателя
Да
Испытательные трассы Нет Нет Да
 (автомобильная шина постоянного тока)
Да
Молнии
Смена аккумуляторных батарей
Да
Термопары
Тензодатчики
Центр летных испытаний Да Возможно Да
Коммутация питания
Шины переменного/постоянного тока
Да
Молнии
Да
Термопары
Зарядовые акселерометры Тензодатчики
Структурные испытания (лабораторные) Редко Редко Нет Возможно Да
Тензодатчики
Зарядовые акселерометры
Структурные испытания (внешние) Возможно Редко Возможно Да
Молнии

Да
Тензодатчики
Зарядовые акселерометры

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.

Differential amplifier wiring schemeПредставление дифференциального усилителя

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:

A differential amplifier successfully eliminates common-mode voltages within its CMV input rangeДифференциальный усилитель успешно устраняет синфазные сигналы в пределах входного диапазона синфазного напряжения

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:

A differential amplifier distorts or clips when it's CMV input range is exceededДифференциальный усилитель искажает или отсекает сигнал при превышении входного диапазона синфазного сигнала

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.

An isolated differential amplifier rejects even very high common-voltage modeИзолированный дифференциальный усилитель отклоняет даже очень высокий уровень синфазного шума

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.

A ground loop caused by ground potential differencesПаразитное заземление, вызванное разностью потенциалов заземления

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.

Eliminating differential ground potential problems via isolationУстранение проблем разности потенциалов заземления с помощью изоляции

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.

Power supply induced ground loopingПаразитное заземление, вызванное источником питания

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.

The danger of power supply induced ground loops

Опасность паразитного заземления, вызванного источником питания

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.

Analog domain isolation systemsАналоговые системы изоляции

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.

Digital domain isolation systemsЦифровые системы изоляции

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.

Optical isolation using LED (left) and a photodiode (right)Оптическая изоляция с использованием светодиода (слева) и фотодиода (справа)

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.

Inductive isolation using windings separated by an electrical insulatorИндуктивная изоляция с использованием обмоток, разделенных электрическим изолятором

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.

Capacitive isolator using capacitive coupling to recreate the signal on the other side of an isolation barrierЕмкостный изолятор, использующий емкостную связь для воссоздания сигнала на другой стороне изолирующего барьера

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:

  Оптическая Индуктивная Емкостная
Скорость передачи данных Средняя
 (ограничена скоростью переключения светодиодов)
Быстрая
~100 Мб/с
Быстрая
~100 Мб/с
Диэлектрическая прочность Хорошая
~100 Vrms/мкм
Лучше
~300 Vrms/мкм
Самая лучшая
~500 Vrms/мкм
Срок службы Сравнительно короткий Продолжительный Продолжительный
Магнитные помехи Отсутствуют Могут влиять Отсутствуют

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.

SIRIUS differential amplifier wiring schemeИзоляция «канал-земля» в дифференциальных усилителях SIRIUS

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.

SIRIUS isolated amplifier wiring diagramИзоляция «канал-канал» в изолированных усилителях SIRIUS

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.

SIRIUS high speed data acquisition systemsЛинейка систем сбора данных SIRIUS

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 — Dewesoft X.

KRYPTON DAQ system with DSI adapters connectedТипичный многоканальный модуль KRYPTON с различными подключенными адаптерами DSI

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.

KRYPTON one High-voltage and Thermocouple High-voltage isolated modulesСверху слева: модуль KRYPTON ONE 1xTH-HV
 Справа: модуль KRYPTON ONE 1xHV

Характеристики эффективности изоляции модулей KRYPTON и KRYPTON-1:

Многоканальные модули KRYPTON
  STG TH RDT ACC LV LA DIO
Тип Деформация/напряжение Термопара RTD  IEPE/напряжение Низкое напряжение Низкая сила тока Цифровой ввод/вывод
Напряжение изоляции Дифф. Пик 1000 В Пик 1000 В Дифф. Пик 1000 В Пик 1000 В 250 В
Канал-канал    
Канал-земля    

 

Одноканальные модули KRYPTON ONE
  AO DI DO ACC STG LV HV TH-HV CNT
Тип Аналоговый
вывод
Цифровой
ввод
Цифровой
вывод
IEPE
напряжение
Деформация
напряжение
Низкое
напряжение
Высокое
напряжение
Температура Счетчик
энкодер
цифровой
Напряжение изоляции Н/Д Гальв. Гальв. 125 Vrms 125 Vrms 125 Vrms 1000 В CAT II
600 В CAT III
1000 В CAT II
600 В CAT III

Н/Д
Канал-канал    
Канал-земля    

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.

IOLITE rack and boxed DAQ systemsСлева: система для монтажа на стойке IOLITEr с 12 слотами входного модуля
Справа: настольная система IOLITEs с 8 слотами входного модуля

Характеристики эффективности изоляции системы IOLITE:

Многоканальные модули ввода IOLITE
Модуль STG TH DI DO RTD LV
Тип Деф./напряж. Термо Циф. ввод Циф. вывод RTD Низкое напряжение
Напряжение изоляции Дифф. 1000 В 1000 В 1000 В 1000 В 1000 В
Канал-канал  
Канал-земля