用于工業(yè)測量的隔離方法

概述

電壓、電流、溫度、壓力、應變和流速的測試是工業(yè)控制與過(guò)程控制應用不可或缺的一部分。通常，這些應用所處的環(huán)境具有危險的電壓、瞬態(tài)信號、共模電壓和地電位波動(dòng)，這會(huì )使測量系統受損并破壞測量的精度。為應對這些挑戰，專(zhuān)為工業(yè)應用所設計的測量系統采用了電氣隔離技術(shù)。本白皮書(shū)聚焦于用于模擬測量的隔離技術(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)現技術(shù)的技術(shù)內容。

理解隔離技術(shù)

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

保護昂貴設備、用戶(hù)生命以及數據免遭瞬態(tài)電壓威脅 改善抗干擾度 去除接地回路現象 提高共模電壓抑制能力

經(jīng)隔離處理的測量系統為模擬前端和系統背板分別提供接地面，以使傳感器測量與系統其他部分相分離。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的浮動(dòng)管腳。圖1展示了一個(gè)模擬電壓測量設備。存在于傳感器地和測量系統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(xiàn)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(dòng)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(guò)測量系統的對瞬態(tài)電壓敏感的應用

共模電壓、瞬態(tài)高電壓和電氣噪聲較為常見(jiàn)的應用在工業(yè)控制、過(guò)程控制和汽車(chē)測試等。帶有隔離功能的測量設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療設備，隔離有助于防止電源線(xiàn)路的瞬態(tài)電流傳輸通過(guò)該設備。

根據您對電壓和數據的要求，您可從數種隔離測量的方法中進(jìn)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，并可以選擇內置隔離或外部信號調理。您還可以利用面向USB的可編程自動(dòng)化控制器（PAC）和測量系統進(jìn)行隔離測量。

圖2 具有隔離功能的數據采集系統

隔離的實(shí)現方法

隔離技術(shù)要求信號在被傳輸通過(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傳輸的常見(jiàn)可用組件。這些設備所依據的原理是三種最常見(jiàn)的隔離技術(shù)的核心——光耦合、電容耦合和感應耦合。

光學(xué)隔離技術(shù)

當兩端加上電壓時(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)光電檢測設備，利用光作為數據轉換的方法實(shí)現信號的跨隔離層傳輸。一個(gè)光電檢測器接收該LED所發(fā)出的光，并將其再轉換回最初的信號。

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，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(gè)優(yōu)勢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據傳輸速率，因為L(cháng)ED不需要進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。由于電容隔離技術(shù)涉及到用于數據傳輸電場(chǎng)的使用，因此它易受到外部電場(chǎng)的干擾。

感應耦合隔離技術(shù)

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

圖5 感應耦合

感應隔離技術(shù)使用了一對通過(guò)一個(gè)絕緣層分離的線(xiàn)圈。該絕緣層防止任何物理信號的傳輸。信號可以通過(guò)改變流經(jīng)其中一個(gè)線(xiàn)圈的電流進(jìn)行傳輸，因為這樣會(huì )使跨過(guò)該絕緣層在第二個(gè)線(xiàn)圈中產(chǎn)生類(lèi)似的感應電流。感應隔離技術(shù)可以提供與電容技術(shù)相似的高速傳輸。但是由于感應耦合涉及到用于數據傳輸的磁場(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)與數字隔離技術(shù)

現今，許多商業(yè)現成可用（COTS）組件都含有上述隔離實(shí)現技術(shù)之一。對于模擬I/O通道，您可以在模數轉換器（ADC）完成信號的量化處理之前（模擬隔離）或之后（數字隔離）在設備的模擬部分實(shí)現隔離功能。根據您的隔離實(shí)現在電路中位置的不同，您需要依據其中的一種技術(shù)來(lái)設計不同的電路。您可以基于您的數據采集系統性能、成本和物理需求，選擇模擬或數字隔離技術(shù)。圖6a和6b展示了實(shí)現隔離功能的不同階段。

圖6a 模擬隔離技術(shù)