用于工業(yè)測(cè)量的隔離方法

概述

電壓、電流、溫度、壓力、應(yīng)變和流速的測(cè)試是工業(yè)控制與過(guò)程控制應(yīng)用不可或缺的一部分。通常，這些應(yīng)用所處的環(huán)境具有危險(xiǎn)的電壓、瞬態(tài)信號(hào)、共模電壓和地電位波動(dòng)，這會(huì)使測(cè)量系統(tǒng)受損并破壞測(cè)量的精度。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，專為工業(yè)應(yīng)用所設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)采用了電氣隔離技術(shù)。本白皮書(shū)聚焦于用于模擬測(cè)量的隔離技術(shù)，解答了常見(jiàn)的隔離問(wèn)題，并涵蓋了關(guān)于不同的隔離實(shí)現(xiàn)技術(shù)的技術(shù)內(nèi)容。

理解隔離技術(shù)

電氣隔離使可能會(huì)暴露在危險(xiǎn)電壓下的傳感器信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)的低壓背板相分離。隔離提供了許多優(yōu)勢(shì)，其中包括：

保護(hù)昂貴設(shè)備、用戶生命以及數(shù)據(jù)免遭瞬態(tài)電壓威脅 改善抗干擾度 去除接地回路現(xiàn)象 提高共模電壓抑制能力

經(jīng)隔離處理的測(cè)量系統(tǒng)為模擬前端和系統(tǒng)背板分別提供接地面，以使傳感器測(cè)量與系統(tǒng)其他部分相分離。該隔離前端的接地連接是一個(gè)可以工作于與大地不同電勢(shì)的浮動(dòng)管腳。圖1展示了一個(gè)模擬電壓測(cè)量設(shè)備。存在于傳感器地和測(cè)量系統(tǒng)地之間的任何共模電壓都會(huì)受到抑制。這樣可以防止接地環(huán)路的形成，并剔除傳感器線路上的任何噪聲。

圖1. 通道隔離的模擬輸入電路

隔離的必要性

涉及以下任一種情形的測(cè)量系統(tǒng)都有必要考慮使用隔離技術(shù)：

緊鄰危險(xiǎn)電壓 可能存在瞬態(tài)電壓的工業(yè)環(huán)境 存在共模電壓或接地電勢(shì)波動(dòng)的環(huán)境 電氣噪聲環(huán)境，如存在工業(yè)馬達(dá)的環(huán)境必須防止電壓尖脈沖傳輸通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)的對(duì)瞬態(tài)電壓敏感的應(yīng)用

共模電壓、瞬態(tài)高電壓和電氣噪聲較為常見(jiàn)的應(yīng)用在工業(yè)控制、過(guò)程控制和汽車測(cè)試等。帶有隔離功能的測(cè)量設(shè)備可以在這些惡劣的環(huán)境下提供可靠的測(cè)量。對(duì)于與病人直接接觸的醫(yī)療設(shè)備，隔離有助于防止電源線路的瞬態(tài)電流傳輸通過(guò)該設(shè)備。

根據(jù)您對(duì)電壓和數(shù)據(jù)的要求，您可從數(shù)種隔離測(cè)量的方法中進(jìn)行選擇。您可以采用面向便攜機(jī)、臺(tái)式機(jī)PC、工業(yè)PC、 PXI、平板PC和CompactPCI的插入式板卡，并可以選擇內(nèi)置隔離或外部信號(hào)調(diào)理。您還可以利用面向USB的可編程自動(dòng)化控制器（PAC）和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行隔離測(cè)量。

圖2 具有隔離功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隔離的實(shí)現(xiàn)方法

隔離技術(shù)要求信號(hào)在被傳輸通過(guò)隔離層時(shí)不能存在任何的直接電氣接觸。發(fā)光二極管（LED）、電容和電感是三種支持非直接接觸式電氣信號(hào)傳輸?shù)某Ｒ?jiàn)可用組件。這些設(shè)備所依據(jù)的原理是三種最常見(jiàn)的隔離技術(shù)的核心——光耦合、電容耦合和感應(yīng)耦合。

光學(xué)隔離技術(shù)

當(dāng)兩端加上電壓時(shí)，LED就會(huì)發(fā)光。光學(xué)隔離技術(shù)采用了一個(gè)LED以及一個(gè)光電檢測(cè)設(shè)備，利用光作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)的跨隔離層傳輸。一個(gè)光電檢測(cè)器接收該LED所發(fā)出的光，并將其再轉(zhuǎn)換回最初的信號(hào)。

圖3 光學(xué)隔離技術(shù)

光電二極管

光學(xué)隔離技術(shù)是最常使用的隔離方法之一。采用光學(xué)隔離的優(yōu)勢(shì)之一便是其抵抗電氣噪聲和磁噪聲干擾的能力。這種技術(shù)的也存在一些不足之處，包括受LED開(kāi)關(guān)速率限制的傳輸速率、高功耗和LED損耗。

電容隔離技術(shù)

電容隔離技術(shù)基于一個(gè)隨電容極板上的電荷量而改變的電場(chǎng)。該電荷跨過(guò)一個(gè)隔離層而被檢測(cè)，并與所測(cè)得信號(hào)值成正比。

圖4 電容隔離技術(shù)

電容隔離技術(shù)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是其抵抗磁噪聲干擾的能力。與光學(xué)隔離技術(shù)相比，電容隔離可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因?yàn)長(zhǎng)ED不需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。由于電容隔離技術(shù)涉及到用于數(shù)據(jù)傳輸電場(chǎng)的使用，因此它易受到外部電場(chǎng)的干擾。

感應(yīng)耦合隔離技術(shù)

在十九世紀(jì)早期，丹麥物理學(xué)家漢斯•奧斯特發(fā)現(xiàn)，電流通過(guò)線圈時(shí)會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)，緊挨一個(gè)線圈所產(chǎn)生變化磁場(chǎng)的另一個(gè)線圈中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。第二只線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流取決于第一個(gè)線圈中電流變化的速率。這一原理被稱為互感，并奠定了感應(yīng)隔離技術(shù)的基礎(chǔ)。

圖5 感應(yīng)耦合

感應(yīng)隔離技術(shù)使用了一對(duì)通過(guò)一個(gè)絕緣層分離的線圈。該絕緣層防止任何物理信號(hào)的傳輸。信號(hào)可以通過(guò)改變流經(jīng)其中一個(gè)線圈的電流進(jìn)行傳輸，因?yàn)檫@樣會(huì)使跨過(guò)該絕緣層在第二個(gè)線圈中產(chǎn)生類似的感應(yīng)電流。感應(yīng)隔離技術(shù)可以提供與電容技術(shù)相似的高速傳輸。但是由于感應(yīng)耦合涉及到用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇艌?chǎng)的使用，因此它易受到外部磁場(chǎng)的干擾。

模擬隔離技術(shù)與數(shù)字隔離技術(shù)

現(xiàn)今，許多商業(yè)現(xiàn)成可用（COTS）組件都含有上述隔離實(shí)現(xiàn)技術(shù)之一。對(duì)于模擬I/O通道，您可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成信號(hào)的量化處理之前（模擬隔離）或之后（數(shù)字隔離）在設(shè)備的模擬部分實(shí)現(xiàn)隔離功能。根據(jù)您的隔離實(shí)現(xiàn)在電路中位置的不同，您需要依據(jù)其中的一種技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)不同的電路。您可以基于您的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)性能、成本和物理需求，選擇模擬或數(shù)字隔離技術(shù)。圖6a和6b展示了實(shí)現(xiàn)隔離功能的不同階段。

圖6a 模擬隔離技術(shù)