Měření vysokého napětí a měření s izolací

Typy měření vysokého napětí a měření s izolací

Aplikace pro průmyslové a procesní řízení často zahrnují prostředí s nebezpečným napětím, přechodovými jevy, souhlasným rušením a plovoucím potenciálem země. Tyto faktory mohou poškodit měřicí systémy a nepříznivě ovlivňovat jejich přesnost.

Souhlasné rušení

Souhlasné rušení je nežádoucí signál, který je společný pro obě strany diferenciálního obvodového páru. Ideální měřicí systém dokáže souhlasné rušení zcela vyloučit z měření. V diferenciálním měřicím systému bez izolace stále existuje vodivé spojení v obvodu mezi vstupem a výstupem.

Elektrické charakteristiky zesilovače omezují úroveň souhlasného rušení, která může působit na vstup. Při použití izolačních zesilovačů dochází k odstranění tohoto vodivého elektrického spojení a značně tak roste činitel potlačení souhlasného rušení.

Zemní smyčky

Zemní smyčky jsou nejběžnějším zdrojem rušení v měřicích aplikacích. Projevují se, když jsou propojeny dva zemnící body v obvodu na různých potenciálech, což má za následek, že mezi těmito dvěma body začne protékat proud. Toto dodatečné napětí může způsobit významné chyby měření a protékající proud, který vzniká, může také indukovat napětí v přilehlých vodičích.

Tyto chyby se mohou projevovat jako přechodné či periodické signály a způsobit tak rušení v měřicím systému. Použitím zařízení s izolací je možné odstranit proud tekoucí mezi zemí zdroje signálu a měřicím zařízením. Při měření vysokého napětí byste při výběru zařízení pro svůj systém měli brát v úvahu souhlasné rušení a zemní smyčky.

Obr. 1 Ideální přístrojový zesilovač dokonale odstiňující souhlasné rušení	Obr. 2 Izolace elektricky odděluje zem přístrojového zesilovače od země zdroje signálu
Obr. 3 Diferenciální měření termočlánku s uzemněným zdrojem signálu může vytvořit zemní smyčku	Obr. 4 Izolace eliminující zemní smyčky díky oddělení uzemnění od referenční země zesilovače

Návrh vhodného měřicího systému pro vysoké napětí a měření s izolací

Při návrhu přesného měřicího systému pro vyšší napětí (>10 V) je potřeba vzít v úvahu snížení napětí, izolaci a bezpečnostní hledisko. Pro měření vyššího napětí (>10 V) je v obvodu zabudován atenuátor, aby byl rozsah signálu přizpůsoben vstupnímu rozsahu A/D převodníku. V běžně dostupných vstupních obvodech lze nalézt vestavěný atenuátor, který dokáže snížit napětí až z 1 000 V. Napětí mimo vstupní rozsah zařízení vyžadují dále napěťový transformátor pro konverzi signálu do nižšího rozsahu.

Izolace fyzicky a elektricky odděluje dvě části měřicího zařízení a lze ji dělit na elektrickou (odstranění zemních smyček) a bezpečnostní izolaci. Při konfiguraci měřicího systému je důležité rozumět izolační topologii zařízení, protože různé topologie souvisí s různými požadavky na cenu a rychlost.

Mezikanálová izolace

Nejúčinnější izolační topologií je mezikanálová izolace. V této topologii jsou jednotlivé kanály izolovány jeden od druhého a také od dalších neizolovaných částí systému. Kromě toho má každý kanál svůj vlastní izolovaný napájecí zdroj.

Z pohledu rychlosti měření je na výběr několik architektur. První zahrnuje použití izolačního zesilovače s A/D převodníkem pro každý kanál zvlášť, kde výhodou je rychlost, jelikož můžete přistupovat ke všem kanálům paralelně. Levnější, avšak pomalejší architektura zahrnuje multiplexing jednotlivých izolovaných vstupních kanálů do jednoho A/D převodníku.

Dalším způsobem implementace mezikanálové izolace je použití společného izolovaného napájecího zdroje pro všechny kanály. V takovém případě je souhlasný rozsah zesilovače omezen napájecími obvody tohoto zdroje, pokud nepoužijete předřadný útlumový článek.

Skupinová izolace

Při skupinové izolaci (banking isolation) je sdruženo několik kanálů, které sdílejí jeden izolační zesilovač. Při této topologii je omezeno souhlasné napětí mezi kanály, ale souhlasné napětí mezi skupinami kanálů a neizolovanou částí měřicího systému může být značné. Jednotlivé kanály nejsou izolované, ale skupiny kanálů jsou izolovány od dalších skupin a od země. Tato topologie je levnějším řešením izolace, jelikož dochází ke sdílení jednoho izolačního zesilovače a napájecího zdroje.

Bezpečnostní standardy

„Bezpečnostní izolace“ označuje standardy, které obsahují specifické požadavky na ochranu člověka před kontaktem s nebezpečným napětím. Charakterizuje také schopnost elektrického systému předcházet přenosu vysokých napětí a přechodových napětí do dalších elektrických systémů, se kterými může uživatel přijít do kontaktu.

Ačkoliv existuje více bezpečnostních standardů týkajících se izolace a vysokého napětí, testovacích a měřicích systémů se typicky týká omezená sada amerických a mezinárodních standardů. Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) vytvořila čtyři kategorie pro dělení obvodů s různými úrovněmi přepěťových přechodových podmínek (například Kategorie I, Kategorie II a tak dále).

Měřicí systémy NI pro vysoké napětí a měření s izolací

NI nabízí mnoho produktů s izolací pro měřicí systémy a automatizaci. Většina produktů s izolací, které NI vyrábí, spadá pod standardy IEC 1010-1 a UL 3111-1, které se týkají měření, řízení a laboratorního použití.

NI CompactDAQ

NI CompactDAQ představuje přenosné a robustní řešení se simultánním vzorkováním, vestavěným anti-alias filtrem a s rozlišením až 24 bitů pro různé typy měření. Můžete si vybrat analogové vstupní moduly se vstupním rozsahem až 300 Vrms, s izolací mezi kanály až 600 Vrms (Kategorie II) a s odolností vůči přechodovým jevům až 2 300 Vrms. Pro aplikace s nižšími požadavky na izolaci vyhovuje většina analogových vstupních modulů řady C, které mají skupinovou izolaci a umožňují tak cenově dostupnější přesná analogová měření.

PXI

Platforma PXI je doporučena pro rychlá a přesná měření napětí s izolací. Měřicí modul PXI Express s integrovaným vstupním obvodem může měřit vstupy až 300 V s mezikanálovou izolací 300 Vrms (Kategorie II). Obsahuje také oddělený A/D převodník pro každý kanál pro simultánní měření se vzorkovací frekvencí až 250 kS/s na každý kanál. Měřicí zařízení (DAQ) řady M nabízejí další řešení pro nižší požadavky na izolaci a zahrnují analogové výstupy, digitální vstupy a výstupy 5 V TTL a čítače/ časovače pro multifunkční měřicí aplikace.

Při vyšších požadavcích na vstupní napětí lze použít PXI digitální multimetr (DMM), který může měřit signály v rozsahu ±10 nV až 1 000 V se vzorkovací frekvencí až 1,8 MS/s. DMM lze také kombinovat s PXI přepínačem a vytvořit tak multikanálový měřicí systém pro vysoká napětí s izolací vůči souhlasnému rušení až 500 V.

SCXI

Platforma SCXI představuje nejlevnější řešení pro aplikace s vysokým počtem kanálů vyžadující měření s izolací pro napětí přes 300 V. Vysokonapěťové SCXI moduly vydrží přechodové napětí až 4 000 V a lze k nim připojit příslušenství se vstupy až 600 V (Kategorie II) a 1 000 V (Kategorie I) s mezikanálovou izolací. Kanály mají nezávisle konfigurovatelné zesílení, filtraci a budicí zdroje a jsou tak kompatibilní se širokou škálou senzorů a signálových vstupů, které vyžadují izolaci.