可提供穩定工業級量測的隔離技術

可提供穩定工業級量測的隔離技術 

目錄

  1. 概述
  2. 了解隔離功能
  3. 隔離需求
  4. 建置隔離功能的方式
  5. 類比與數位隔離
  6. 結論

1. 概述

電壓、電流、溫度、壓力、應變與流量等量測,均屬於工業與製程控制應用的一部分。而這些應用所在的環境,往往並存著高電壓、暫態訊號、共模電壓,以及不時變動的接地電位,可能損害量測系統並影響量測精確度。為了克服這些難題,針對工業應用所設計量測系統,往往會利用電子隔離功能。 此篇技術文件將說明類比量測的隔離功能、解答常見的隔離問題,並提供不同隔離技術的相關資訊。

2. 了解隔離功能

針對可能暴露於高電壓1 環境中的感測器訊號,隔離功能可透過電子方式,從量測系統的低電壓背板中隔離出訊號。 隔離功能可提供多項優點,包含:
  • 避免使用者、昂貴設備與資料接觸到瞬變電壓 (Transient voltage)。
  • 提升抗擾性 (Noise immunity)
  • 移除接地迴路
  • 提升共模電壓抑制
具隔離功能的量測系統,亦針對類比前端與系統背板配備獨立的接地機板,以區隔感測器量測作業。隔離式前端的接地連結為浮動針腳 (Floating pin),可透過與接地相異的電位 (Potential) 進行作業。圖 1 即為類比電壓量測裝置。隔離功能抑制了感測器接地與量測系統接地之間的共模電壓。 此可避免接地迴路於感測器線路上形成或移除任何雜訊。
圖 1. 組間 (Bank) 隔離的類比輸入電路

1高電壓即是大於 30 Vrms、42.4 Vpk 或 60 VDC。

3. 隔離需求

與下列情況相關的量測系統,均應考慮使用隔離功能:
  • 關閉鄰近的高電壓
  • 具暫態電壓的工業環境
  • 具共模 (Common-mode) 電壓或浮動接地電位 (Fluctuating ground potential) 的環境
  • 因工業馬達而造成的電子雜訊環境
  • 必須避免由量測系統所傳送電壓突波的任何應用

工業級量測、製程控制,與汽車測試應用,往往充滿了共模電壓、高暫態電壓與電子雜訊。而具備隔離功能量測設備,則可於此種嚴苛環境中進行穩定的量測。 而針對直接接觸病患的醫療設備,隔離功能更可有效阻絕設備所產生的暫態電流。

根據電壓與資料傳輸率的需要,亦有多個選項可進行具隔離功能的量測作業。筆記型電腦、桌上型電腦、工業級電腦、PXI、單板式電腦與 CompactPCI 均可使用插卡式介面卡,用以內建隔離或外接訊號處理功能。 亦可透過可程式化自動控制器 (PAC) 搭配 USB、乙太網路和無線量測系統,進行隔離式量測作業。
圖 2. 隔離式的資料擷取系統

4. 建置隔離功能的方式

隔離功能必須不藉由任何直接的電子接觸,透過隔離層 (Isolation barrier) 傳送訊號。發光二極體 (LED)、電容器 (Capacitor),與電感器 (Inductor),即為不需直接接觸,即可傳輸電子訊號的 3 種常見元件。 這些裝置的核心架構,即是隔離功能最基本的 3 項技術 – 光學偶合、電容偶合,與電感偶合 (Coupling)。

光學隔離

LED 是因電壓通過而發光。光學隔離即是使用 LED 搭配光偵測器 (Photodetector) 裝置,以光線進行資料編譯,再透過隔離層傳輸訊號。 而光偵測器將接收由 LED 所傳輸的光線,並將之轉換回原始訊號。
圖 3. 光學隔離
光學隔離為隔離功能最常用的方法之一。而光學隔離的優點,即是可抑制電子與磁性雜訊。 而缺點則是其傳輸距離將受到 LED 切換速度、高功率損耗 (Dissipation),與 LED 外殼 (Wear) 所限制。

電容隔離

電容隔離是以磁場為架構,而該磁場又依電容器板 (Capacitor plate) 上的電荷變化程度進行變更。 此電荷是透過隔離層而偵測得知,並與所測得的訊號強度互成比例。
圖 4. 電容隔離
電容隔離的優點之一,即是可抑制磁性雜訊。與光學隔離相較,電容隔離不需切換 LED,因此可支援較高的資料傳輸速率。 由於電容偶合必須利用電場 (Electric field) 進行資料傳輸,所以亦容易受到外部電場的干擾。

電感偶合隔離

在 1800 年初期,丹麥的物理學家 Hans Oersted 發現,當電流流過銅質接線即可產生磁場。接著又發現只要將電流導入第二條銅導線,再將之置於第一條導線的附近,即可改變其磁場。第二條導線的電壓與電流,將因第一條導線所變更的電流速率而產生變化。 此即所謂的互感 (Mutual induction),亦為電感隔離的基礎。
圖 5. 電感偶合
電感隔離使用 2 組銅導線,並以絕緣層區隔之。絕緣層可阻絕實體訊號的傳輸。只要有電流流經其中 1 組銅導線,均可能傳輸任何訊號,因此可能讓第二組導線感應相似的電流。電感隔離與電容隔離的傳輸率約為相同。 由於電感偶合必須利用電場 (Electric field) 進行資料傳輸,所以亦容易受到外部電場的干擾。

5. 類比與數位隔離

目前有多款商用現成 (COTS) 元件均可搭配上述其中 1 項技術,以達到隔離功能。針對類比 I/O 通道,在類比數位轉換器 (ADC) 進行訊號數位化之前 (類比隔離) 或之後 (數位隔離),均可於裝置的類比部分建置隔離功能。使用者必須根據隔離在電路中的位置,透過上述技術以設計不同的電路。亦可根據資料擷取系統的效能、成本,與實際需要,選擇類比或數位隔離。 圖 6a 與 6b 即顯示建置隔離時的不同階段。
圖 6a. 類比隔離
圖 6b. 數位隔離
下列章節將進一步說明類比與數位隔離,並解釋不同的建置技術。

類比隔離

隔離放大器一般均用於資料擷取裝置的類比前端,以提供隔離功能。圖 6 中「ISO Amp」即代表隔離放大器;而在大多數的電路中,此裝置均為類比電路的重要元件之一。來自於感測器的類比訊號將傳送至隔離放大器;該放大器具有隔離功能,並可將訊號傳送至類比數位轉換器 (ADC) 的電路。 圖 7 則為隔離放大器的常見配置。
圖 7. 隔離放大器
在理想的隔離放大器中,類比輸出訊號應等於類比輸入訊號。而圖 7 中標示為「Isolation」的區塊,即使用了上述所提過的技術之一 (光學、電容,或電感偶合),將訊號傳送過隔離層。而調變器 (Modulator) 電路將針對隔離電路準備所需的訊號。若要使用光學隔離,則必須編譯或數位化此訊號,使其具備不同的光線密度。若是電容與電感隔離,則必須將訊號編譯為不同的電場或磁場。 解調器 (Demodulator) 電路接著將讀取隔離電路輸出,並將之轉換回原始的類比訊號。

由於在訊號數位化之前,即已執行類比隔離作業,因此若要設計外部訊號處理功能,並搭配現有的非隔離式資料擷取裝置時,此實為最好的方法。在此範例中,資料擷取裝置可執行類比數位轉換,而由外部電路提供隔離功能。若整合資料擷取裝置與外部訊號處理功能,則量測系統製造商即可開發一般資料擷取裝置,與特定感測器的訊號處理功能。圖 8 的彈性訊號處理作業,即使用隔離放大器建構類比隔離。 類比前端使用隔離功能的另 1 項優點,即是可為 ADC 或其他類比電路阻絕電壓突波。
圖 8. 於彈性的訊號處理硬體中使用隔離放大器
目前市面已有多項量測產品,可使用一般資料擷取裝置與外部訊號處理功能。 舉例來說,NI 的 M 系列即提供多款非隔離式的一般多功能 DAQ,可提供高效能的類比與數位 I/O。針對需要隔離功能的應用,則可使用 M 系列介面卡搭配外部訊號處理功能,如 NI SCXI 或 SCC 模組。 這些訊號處理平台均可提供隔離與特定的訊號處理功能,讓使用者可直接連至工業級感測器,如荷重元、應變規與 pH 感測器。

數位隔離

ADC 為類比輸入 DAQ 裝置的重要元件之一。若要達到最佳效能,ADC 的輸入訊號應儘量靠近原來的感測器訊號。在訊號抵達 ADC 之前,類比隔離卻可能產生如增益、非線性與偏移的錯誤。若將 ADC 靠近訊號來源,則可獲得更高的效能。類比隔離元件亦具有較高的成本,且可能需要較長的趨穩時間。姑且先不論較佳的數位隔離效能。採用類比隔離功能的理由之一,往往是可為昂貴的 ADC 提供更高保護。 由於 ADC 的價位已大幅跌落,量測設備製造商正試著提高 ADC 的保護效能,並降低數位隔離器的成本;如圖 9 所示。
圖 9. 16 位元 ADC 的價格正不斷下跌

圖表來源: NI 與領先地位的 ADC 製造商所提供
與隔離放大器相較,數位隔離元件的成本較低,且可達到較高的資料傳輸率。數位隔離技術亦具備較高彈性,讓工程師可選擇元件,並針對量測裝置開發最適用的類比前端。具備數位隔離功能的產品,均是使用電流與電壓限制的電路,以達到 ADC 的保護效果。 數位隔離元件的基本概念與光學、電容,與電感偶合相似,可形成類比隔離的基礎。

目前數位隔離元件的領導製造商如 Avago Technologies (www.avagotech.com)、德州儀器 (www.ti.com) 與 Analog Devices (www.analog.com),並均已根據基本原理開發出自己的隔離技術。 Avago Technologies 是根據光學偶合開發數位隔離器;德州儀器是以電容偶合提供隔離器;而 Analog Devices 的隔離器是以電感偶合為架構。

光學偶合器 (Optocoupler)

光學偶合器 (Optocoupler),為根據光學偶合原則的數位隔離器,亦為數位隔離中最常見的方法之一。該偶合器可承受高電壓,並提供電子與磁力雜訊的高阻絕性。 光學偶合器普遍用於工業級數位 I/O 產品,如圖 10 所示的 NI PXI-6514 隔離式數位 I/O 模組,還有 NI PCI-7390 工業級運動控制器。
圖 10. 使用光學偶合器的工業級數位 I/O 產品
然而針對高速類比量測,光學偶合器會受到速度、功率消耗與 LED 外殼相關的光學偶合限制。 而屬於電容與電感偶合原理的數位隔離器,則較不會對光學偶合器造成限制。

電容隔離

德州儀器 (TI) 則提供電容偶合的數位隔離元件。這些隔離器並可達到高資料傳輸率與高暫態抑制功能。 與電容/光學隔離相較,電感隔離的耗電量亦較低。

電感隔離

由 Analog Devices 公司於 2001 年所發表的
iCoupler 技術 (analog.com/iCoupler),即使用電感偶合達到數位隔離功能,適用於高速且高通道數的應用。iCoupler 裝置可於 2,500 V 隔離負載達到 100 Mb/s 資料傳輸率,可用於 Megahertz 取樣率範圍的 16 位元類比量測系統。 不同於光學偶合器,iCoupler 具有其他優點,如降低耗電量、最高 125 °C 的作業環境溫度範圍,與最高 25 kV/ms 的暫態阻絕。

iCoupler 技術是以小型的晶片調整傳輸器為基礎。 iCoupler 包含 3 個主要部分 – 傳感器、轉換器與接收器。傳感器電路使用邊緣觸發 (Edge trigger) 編碼,並於數位通道中轉換正緣 (Rising Edge) 與負緣 (Falling Edge) 至 1 ns 的脈波。 如圖 11 所示,這些脈波是透過傳輸器 (Transformer) 穿過隔離層,並由接收器電路於另外 1 面進行解碼。 小體積傳輸器約可達 0.3 公釐,因此可不受外部的電磁雜訊所影響。 iCoupler 裝置亦可於每個積體電路 (IC) 中整合最多 4 個隔離通道,可降低量測硬體的成本;與光學偶合器相較,亦僅需要較少的外部元件。
圖 11. Analog Devices 公司的電感偶合 iCoupler 技術

來源: Analog Devices (analog.com/iCoupler)
量測硬體製造商均正使用 iCoupler 裝置,以期透過更低成本提供高效能的資料擷取系統。 如圖 12 所示,NI 工業級資料擷取 (DAQ) 裝置 – 如 M 系列多功能 DAQ - 均為高速量測作業而設計,且使用 iCoupler 數位隔離器。這些裝置可於多個類比/數位通道上,提供 60 VDC 連續隔離與 1,400 Vrms/1,900 VDC 通道對匯流排隔離抗壓 (Withstand) 達 5 秒;並支援最高 250 kS/s 取樣率。NI C 系列模組可用於 NI PAC 平台、NI CompactRIO,與 NI CompactDAQ;而其他高速 NI USB、乙太網路和無線裝置也使用 iCoupler 技術。
圖 12. 工業級 NI M 系列多功能 DAQ 使用數位隔離器。

6. 結論

隔離式 DAQ 系統,可於高電壓與暫態的嚴苛工業環境中,進行穩定的量測作業。根據量測應用與周圍環境,再決定所需的隔離功能。 若必須連接不同的感測器,則使用單一且常見 DAQ 裝置的應用,則可利用外部訊號處理搭配類比隔離功能;若是低成本且高效能類比輸入的應用,則可使用數位隔離技術。

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