用于工業(yè)測量的隔離方法

概述

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

理解隔離技術(shù)

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

保護昂貴設(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可以工作于與大地不同電勢的浮動管腳。圖1展示了一個模擬電壓測量設(shè)備。存在于傳感器地和測量系統(tǒng)地之間的任何共模電壓都會受到抑制。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量系統(tǒng)都有必要考慮使用隔離技術(shù)：

緊鄰危險電壓 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波動的環(huán)境 電氣噪聲環(huán)境，如存在工業(yè)馬達的環(huán)境必須防止電壓尖脈沖傳輸通過測量系統(tǒng)的對瞬態(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的應(yīng)用在工業(yè)控制、過程控制和汽車測試等。帶有隔離功能的測量設(shè)備可以在這些惡劣的環(huán)境下提供可靠的測量。對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)電流傳輸通過該設(shè)備。

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

圖2 具有隔離功能的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

隔離的實現(xiàn)方法

隔離技術(shù)要求信號在被傳輸通過隔離層時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傳輸?shù)某Ｒ娍捎媒M件。這些設(shè)備所依據(jù)的原理是三種最常見的隔離技術(shù)的核心——光耦合、電容耦合和感應(yīng)耦合。

光學隔離技術(shù)

當兩端加上電壓時，LED就會發(fā)光。光學隔離技術(shù)采用了一個LED以及一個光電檢測設(shè)備，利用光作為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方法實現(xiàn)信號的跨隔離層傳輸。一個光電檢測器接收該LED所發(fā)出的光，并將其再轉(zhuǎn)換回最初的信號。

圖3 光學隔離技術(shù)

光電二極管

光學隔離技術(shù)是最常使用的隔離方法之一。采用光學隔離的優(yōu)勢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)基于一個隨電容極板上的電荷量而改變的電場。該電荷跨過一個隔離層而被檢測，并與所測得信號值成正比。

圖4 電容隔離技術(shù)

電容隔離技術(shù)的一個優(yōu)勢是其抵抗磁噪聲干擾的能力。與光學隔離技術(shù)相比，電容隔離可以支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，因為LED不需要進行開關(guān)操作。由于電容隔離技術(shù)涉及到用于數(shù)據(jù)傳輸電場的使用，因此它易受到外部電場的干擾。

感應(yīng)耦合隔離技術(shù)

在十九世紀早期，丹麥物理學家漢斯•奧斯特發(fā)現(xiàn)，電流通過線圈時會產(chǎn)生磁場。后來人們發(fā)現(xiàn)，緊挨一個線圈所產(chǎn)生變化磁場的另一個線圈中會產(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)使用了一對通過一個絕緣層分離的線圈。該絕緣層防止任何物理信號的傳輸。信號可以通過改變流經(jīng)其中一個線圈的電流進行傳輸，因為這樣會使跨過該絕緣層在第二個線圈中產(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)拇艌龅氖褂?，因此它易受到外部磁場的干擾。

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現(xiàn)技術(shù)之一。對于模擬I/O通道，您可以在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）完成信號的量化處理之前（模擬隔離）或之后（數(shù)字隔離）在設(shè)備的模擬部分實現(xiàn)隔離功能。根據(jù)您的隔離實現(xiàn)在電路中位置的不同，您需要依據(jù)其中的一種技術(shù)來設(shè)計不同的電路。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展示了實現(xiàn)隔離功能的不同階段。

圖6a 模擬隔離技術(shù)