Jak mierzyć wysokie napięcia, wykorzystując systemy z izolowanymi kanałami pomiarowymi?

SYGNAŁ WSPÓŁBIEŻNY

Rys. 1. Idealny wzmacniacz operacyjny całkowicie usuwa sygnał współbieżny z układu

Wspólne napięcie względem potencjału odniesienia na obu wejściach wzmacniacza określa się mianem sygnału współbieżnego. W idealnym systemie pomiarowym nie ma tego problematycznego czynnika. W przypadku nieizolowanych układów różnicowych jego wyeliminowanie jest zaś niemożliwe ze względu na brak separacji obwodów wejściowych i wyjściowych.

W związku z powyższym, specyfikacja elektryczna dostępnych na rynku wzmacniaczy definiuje dopuszczalny poziom sygnałów współbieżnych, jakie mogą być podawane na wejścia urządzeń pomiarowych. Zastosowanie izolowanych wzmacniaczy, dzięki przerwaniu wspólnej ścieżki potencjału odniesienia na wejściu i wyjściu, umożliwia znaczne zwiększenie współczynnika tłumienia sygnału wspólnego, poprawiając tym samym jakość pomiaru.

PĘTLA MASY

Rys. 2. Izolacja elektryczna rozdziela galwanicznie potencjał odniesienia na wejściu i wyjściu wzmacniacza

Pętle masy są najczęstszym źródłem zakłóceń w systemach akwizycji danych. Występują wówczas, gdy dwa przewody podpięte do tego samego punktu odniesienia (masy) mają różne potencjały, co w naturalny sposób powoduje przepływ prądu w zamkniętej pętli. To dodatkowe, nowo powstałe napięcie może spowodować znaczący błąd w pomiarach, a wytworzony prąd wpłynąć także na sąsiednie linie znajdujące się w tym samym układzie.

Omawiane problemy mogą objawiać się w postaci losowych bądź cyklicznych sygnałów będących następstwem pracy systemu w środowisku pełnym zakłóceń. Wykorzystanie izolowanych układów sprzętowych eliminuje ścieżkę między uziemieniem sygnału źródłowego a urządzeniem pomiarowym, a co za tym idzie zapobiega niekontrolowanemu przepływowi prądów między wieloma punktami masy. Podczas wyboru odpowiedniego rozwiązania sprzętowego, szczególnie w przypadku pomiarów wysokich napięć, należy rozważyć ryzyko występowania sygnałów współbieżnych oraz pętli masy.

PROJEKTOWANIE SYSTEMÓW ZAPEWNIAJĄCYCH IZOLACJĘ

Rys. 3. Różnicowy pomiar termopary z uziemionym źródłem mierzonego sygnału stwarza ryzyko powstania pętli masy

Aby zaprojektować w pełni funkcjonalny i dokładny system pracujący z wysokimi napięciami, należy zwrócić uwagę na takie kwestie jak tłumienie, izolacja oraz bezpieczeństwo. Już w przypadku pomiarów sygnałów o poziomie większym niż 10 V niezbędne jest tłumienie napięcia wejściowego, w celu dostosowania jego poziomu do zakresu przetwornika analogowo-cyfrowego.

Standardowe urządzenia często mają wbudowane układy kondycjonowania sygnałów, pracujące nawet w zakresie do 1 kV. W przypadku napięć wykraczających poza tę wartość wymagane jest zastosowanie dodatkowego transformatora do obniżenia ich poziomu. Izolacja separuje fizycznie i elektrycznie dwie części urządzenia pomiarowego, zarówno ze względów elektrycznych, jak i bezpieczeństwa. Izolacja elektryczna ma na celu wyeliminowanie wspólnych potencjałów między dwoma obwodami.

Zrozumienie topologii izolacji wybranego urządzenia jest istotne w trakcie konfiguracji systemu pomiarowego. Jednocześnie wybrane rozwiązanie zawsze pociąga za sobą pewne konsekwencje czasowe oraz kosztowe.

IZOLACJA MIĘDZYKANAŁOWA

Najskuteczniejszym rozwiązaniem jest izolacja międzykanałowa. W przypadku tej topologii wszystkie kanały są izolowane indywidualnie, zarówno od siebie, jak i pozostałych komponentów urządzenia, a każdy kanał ma własne, izolowane źródło zasilania. W zależności od kryteriów stosowane są różne rozwiązania:

• użycie izolowanego wzmacniacza oraz przetwornika analogowo-cyfrowego w każdym kanale umożliwia równoległy tryb pracy rozwiązanie to jest najszybsze, ale zwiększa koszt systemu,
• multipleksowanie izolowanych sygnałów na wejściu wspólnego przetwornika rozwiązanie to pozwala obniżyć koszty, ale znacznie spowalnia pracę systemu,
• wspólne, izolowane źródło zasilania dla wszystkich kanałów zakres występowania sygnałów współbieżnych ogranicza się jedynie do linii zasilania pod warunkiem, że nie wykorzystuje się tłumików wejściowych.

IZOLACJA GRUPOWA

Rys. 4. Izolacja eliminuje pętle masowe poprzez separację uziemienia sygnału od poziomu odniesienia wzmacniacza

Innym podejściem do omawianego zagadnienia jest grupowanie kanałów w bloki, które współdzielą ten sam izolowany wzmacniacz. Rozwiązanie to pozwala na ograniczenie poziomu sygnałów współbieżnych między kanałami. Należy jednak pamiętać, że może on osiągać znaczącą wartość pomiędzy blokami a pozostałymi, nieizolowanymi elementami systemu pomiarowego, a nawet między sąsiednimi grupami. Indywidualne kanały nie są separowane, lecz każdy z bloków jest odizolowany zarówno od pozostałych, jak i od uziemienia. Ze względu na współdzielenie izolowanego wzmacniacza oraz źródła zasilania jest to znacznie tańsze rozwiązanie.

BEZPIECZEŃSTWO

Rys. 5. Platforma NI CompactDAQ oferuje mobilne oraz stacjonarne rozwiązania, zapewniając funkcjonalność próbkowania równoległego oraz izolację międzykanałową do 600 V

Pojęcie bezpieczeństwa odnosi się do specyficznych wymagań mających na celu ochronę ludzi przed kontaktem z niebezpiecznymi poziomami napięć, a także określa zdolność systemu elektrycznego do zabezpieczenia przed przesłuchami oraz przebiciami do sąsiednich systemów elektrycznych, z którymi użytkownik może mieć styczność.

Choć istnieje wiele standardów bezpieczeństwa dotyczących izolacji oraz pracy przy wysokich napięciach, urządzenia pomiarowe oraz testujące zazwyczaj podlegają tylko ograniczonej liczbie międzynarodowych rozporządzeń. Międzynarodowa Komisja Elektrotechniczna (IEC) podzieliła obwody elektryczne na cztery standardy, w zależności od różnych warunków pracy i dopuszczalnych poziomów skoków napięć (np. standard CAT I, CAT II, itd.).

SYSTEMY FIRMY NATIONAL INSTRUMENTS PRZEZNACZONE DO WIELOKANAŁOWYCH POMIARÓW WYSOKICH NAPIĘĆ

National Instruments dostarcza wiele rozwiązań w zakresie izolacji dla rozwiązań pomiarowych i testowych. Ich zdecydowana większość spełnia wymagania opisane w dokumentach IEC 1010-1 oraz UL 3111-1, które odnoszą się do standardów wykorzystywanych w systemach pomiarowych, kontrolnych oraz laboratoryjnych.

NI COMPACTDAQ

Rys. 6. Platforma PXI jest rekomendowanym rozwiązaniem dla szybkich i dokładnych pomiarów izolowanych w zakresie do 1 kV

Platforma NI CompactDAQ oferuje mobilne oraz stacjonarne rozwiązania zapewniające funkcjonalność próbkowania równoległego, wbudowane filtry antyaliasingowe oraz rozdzielczość do 24 bitów przy różnych typach pomiarów. Użytkownik ma do wyboru karty pomiarowe sygnałów analogowych o zakresie sygnału wejściowego do 300 Vrms, izolacji międzykanałowej na poziomie 600 Vrms (CAT II) oraz dopuszczalnym napięciu chwilowym do 2,3 kVrms. Dla systemów o mniejszych wymaganiach wygodnym rozwiązaniem są karty z serii C, których kanały pomiarowe są zazwyczaj izolowane grupowo. Rozwiązanie takie pozwala na obniżenie kosztów przy zachowaniu wysokiej dokładności pomiarów.

PXI

Rys. 7. Platforma SCXI zapewnia optymalne, pod względem kosztów, rozwiązanie wykorzystywane do pomiarów wielokanałowych w zakresie napięć przekraczającym 300 V

Platforma PXI jest rekomendowanym rozwiązaniem dla szybkich oraz dokładnych, izolowanych pomiarów napięć. Moduły akwizycji danych w standardzie PXI Express z wbudowanym kondycjonowaniem sygnałów umożliwiają wykonywanie pomiarów w zakresie do 300 V, z zapewnioną izolacją międzykanałową na poziomie 300 Vrms (CAT II).

Zawierają one także oddzielny przetwornik analogowo-cyfrowy dla każdego kanału, co umożliwia równoległe próbkowanie z częstotliwością 250 kS/s. Urządzenia akwizycji danych (DAQ) z serii M oferują dodatkowe rozwiązania do systemów o niższych wymaganiach stawianych izolacji. Umożliwiają nie tylko pomiar wartości analogowej, ale mają także wbudowane wyjścia analogowe, wejścia/wyjścia cyfrowe (5 V TTL) oraz liczniki, co umożliwia tworzenie wielofunkcyjnych aplikacji.

W razie potrzeby zwiększenia zakresu pomiarów, cyfrowy multimetr w standardzie PXI może zmierzyć sygnały w zakresie od ±10 nV do 1 kV z częstotliwością próbkowania do 1,8 MS/s. Urządzenia DAQ, w połączeniu z przełącznikiem tworzą wielokanałowy, w pełni konfigurowalny system do pomiarów wysokich napięć z izolacją wspólną, sięgającą 500 V_DC.

SCXI

Platforma SCXI zapewnia optymalne, pod względem kosztów, rozwiązanie służące do pomiarów wielokanałowych w zakresie napięć przekraczającym 300 V. Moduły SCXI przeznaczone są do pomiarów wysokich napięć, sięgających poziomu 4 kV. W połączeniu z dostosowanymi odpowiednio akcesoriami, platforma SCXI umożliwia pomiar sygnałów sięgających 600 V (CAT II), a nawet 1 kV (CAT I) z izolacją międzykanałową. Każdy kanał ma indywidualnie konfigurowalne wzmocnienie, filtrowanie oraz źródło wzbudzenia, co umożliwia współpracę z szeroką gamą czujników oraz sygnałów wejściowych wymagających izolacji.

National Instruments Poland Sp. z o.o.
www.ni.com