用于工業測量的隔離方法

概述

電壓、電流、溫度、壓力、應變和流速的測試是工業控制與過程控制應用不可或缺的一部分。通常，這些應用所處的環境具有危險的電壓、瞬態信號、共模電壓和地電位波動，這會使測量系統受損并破壞測量的精度。為應對這些挑戰，專為工業應用所設計的測量系統采用了電氣隔離技術。本白皮書聚焦于用于模擬測量的隔離技術，解答了常見的隔離問題，并涵蓋了關于不同的隔離實現技術的技術內容。

理解隔離技術

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的低壓背板相分離。隔離提供了許多優勢，其中包括：

保護昂貴設備、用戶生命以及數據免遭瞬態電壓威脅 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受到抑制。這樣可以防止接地環路的形成，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都有必要考慮使用隔離技術：

緊鄰危險電壓 可能存在瞬態電壓的工業環境 存在共模電壓或接地電勢波動的環境 電氣噪聲環境，如存在工業馬達的環境必須防止電壓尖脈沖傳輸通過測量系統的對瞬態電壓敏感的應用

共模電壓、瞬態高電壓和電氣噪聲較為常見的應用在工業控制、過程控制和汽車測試等。帶有隔離功能的測量設備可以在這些惡劣的環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路的瞬態電流傳輸通過該設備。

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行選擇。您可以采用面向便攜機、臺式機PC、工業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的可編程自動化控制器（PAC）和測量系統進行隔離測量。

圖2 具有隔離功能的數據采集系統

隔離的實現方法

隔離技術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可用組件。這些設備所依據的原理是三種最常見的隔離技術的核心——光耦合、電容耦合和感應耦合。

光學隔離技術

當兩端加上電壓時，LED就會發光。光學隔離技術采用了一個LED以及一個光電檢測設備，利用光作為數據轉換的方法實現信號的跨隔離層傳輸。一個光電檢測器接收該LED所發出的光，并將其再轉換回最初的信號。

圖3 光學隔離技術

光電二極管

光學隔離技術是最常使用的隔離方法之一。采用光學隔離的優勢之一便是其抵抗電氣噪聲和磁噪聲干擾的能力。這種技術的也存在一些不足之處，包括受LED開關速率限制的傳輸速率、高功耗和LED損耗。

電容隔離技術

電容隔離技術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

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

感應耦合隔離技術

在十九世紀早期，丹麥物理學家漢斯•奧斯特發現，電流通過線圈時會產生磁場。后來人們發現，緊挨一個線圈所產生變化磁場的另一個線圈中會產生感應電流。第二只線圈中所產生的感應電壓和感應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，并奠定了感應隔離技術的基礎。

圖5 感應耦合

感應隔離技術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生類似的感應電流。感應隔離技術可以提供與電容技術相似的高速傳輸。但是由于感應耦合涉及到用于數據傳輸的磁場的使用，因此它易受到外部磁場的干擾。

模擬隔離技術與數字隔離技術

現今，許多商業現成可用（COTS）組件都含有上述隔離實現技術之一。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現隔離功能。根據您的隔離實現在電路中位置的不同，您需要依據其中的一種技術來設計不同的電路。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。圖6a和6b展示了實現隔離功能的不同階段。

圖6a 模擬隔離技術