隔离在数据采集应用中的重要性

对于许多没有正式仪器培训或经验的人来说，将隔离的概念应用于仪器可能很难掌握。然而，了解它是什么、为什么它很重要以及何时需要它，对于许多测量应用中安全和高效的测量至关重要。本文以一个目标来研究这些要素：为读者提供一个工作基础，在此基础上对隔离在他们自己的一系列测量情况下的重要性做出正确的判断。

为了实现这一目标，我将主要关注一个极端的应用，然后使用不同的技术进行测量（与我在现场实际看到的方法不同）。有些会导致灾难。其他人可以正常工作。对于每一个，将充分描述成功或失败的原因。

应用程序

我选择了一种常见的工业测量方法来说明隔离的重要性。我们将测量传递到电机电枢绕组的电流，该电流可用于得出它在负载下运行时提供的扭矩。在大多数此类应用中，使用分流器测量电流。该器件用作电阻器，提供精确校准、恒定和已知的电阻。当与电枢电源串联时，分流器上产生的电压与输送到电枢的电流成正比。欧姆定律精确地定义了这种关系：

其中：V s是分流器两端产生的电压，Rs是分流电阻。

分流器通常设计为在满量程电流（可能为数百安培）下提供 100 毫伏的电流。图 1是我们电机应用的示意图，显示了通过串联分流器连接到电机电枢的 480 伏源电压。还显示了分流器两端的电压 （Vs） 和分流器接地两侧的电压（V cm 和 Vcm-Vs）。这些是共模电压，之所以这样称呼，是因为它们出现在我们感兴趣的信号 - Vs 的两侧。正如我们将看到的，我们的仪器如何处理这些共模电压将决定电枢电流测量的成败。

图 1— 用于测量电动机中电枢电流 （IA） 的典型分流装置示意图。分流器两端产生的电压（Vs）与电流成正比。但是在Vs的两侧都存在共模电压（V cm和Vcm-Vs）。任何用于测量Vs（和间接电枢电流）的仪器都必须处理共模电压。

第 1 课：谁需要隔离？

我们大多数人使用手持式数字电压表 （DVM） 进行了第一次测量，这是所有电气故障排除人员久经考验的真正伴侣。DVM 三绝缘塑料外壳内的电池通常为其供电。当您将DVM连接到分流器进行测量时（图2），DVM中包含的所有电路（包括电池）都会浮动到共模电压的水平。DVM 可以做到这一点，因为电机电源的接地与用于为 DVM 供电的电池的接地之间绝对没有关系。从字面上看，分隔两个地面的空气将它们彼此隔离开来。通过这种方式，DVM设计的本质（包含电池供电电路的绝缘塑料外壳）提供了本质隔离，并允许您进行安全准确的测量。您记录DVM提供的毫伏读数，并将其插入欧姆定律以确定电枢电流。测量再简单不过了，也麻烦不过了。

图 2— 使用电池供电的 DVM 进行典型分流测量的示意图。由于DVM的外壳由绝缘塑料制成，电池为其电路供电，因此电流不可能在共模电压和DVM之间流动。测量安全准确。

第2课：灾难来袭。

面对自动记录和绘制电枢电流的新要求，您购买了带有仪表前端的数据采集系统，该系统具有单端配置和 100 毫伏测量范围。由于DVM无意中提供了一种虚假的安全感，您购买了数据采集系统的价格多于功能，因为您还不知道共模电压。你即将接受教育。

电机关闭后，您可以将新仪器连接到分流器，仔细观察所有极性。上电数据采集系统后，您会看到零安培时的美丽趋势图。一切都很好。是时候为您的电机供电并进行电流测量了。在按下开关后的最初几毫秒内，您的大脑会努力理解眼前发生的事件。在肾上腺素引起的慢动作中，您会听到令人作呕的爆炸声，并看着您的新数据采集系统分解成黑色的碳和火焰团。当同事们从四面八方跑来帮助你时，你的思绪会回到实时，你意识到你刚刚接受了火的洗礼。烟雾散去后，您开始验尸。

上述事件绝不是夸大其词。任何可以为电机供电的 480 伏电源都可以并且已经按照描述的方式精确地炸毁了数据采集系统，如果它配置不正确。为什么？图3显示，在分流器上连接单端输入，基本上会使一个共模电压段短路至地，正好位于放大器的输入端。通过这条路径接地的电流将您的仪器变成一个非常昂贵且非常壮观的保险丝。

图3 - 电流惰性。它总是寻求对地面阻力最小的路径。在这种情况下，该路径由放大器的单端配置创建，允许电流从分流器上的共模电压流过接地放大器并流向地。

第3课：灾难再次袭来。

在第 2 课之后，您得出结论，您确实需要一个差分放大器来进行测量。您认为这种配置不提供放大器低端接地的直接路径。毕竟（伙计，你应该从一开始就看到这一点！），你实际上想要进行差分测量，测量分流器两个端子之间的电位差。因此，您联系您的仪器仪表销售代表（他现在很高兴见到您），然后购买另一个数据采集系统，这次带有差分输入。

对自己的决定充满信心，您可以连接新的更换件（图4），将其打开，然后将开关放在电机上。像以前一样壮观，你的新乐器融化了，你的同事跑了过来，你开始觉得自己像村里的白痴。但你不应该。在我的经验中，你的误判实际上很常见。您确定需要一个差分放大器，这是正确的。您偶然假设差分放大器也能提供隔离。事实上，它们是完全不相关的概念。由于差分放大器未隔离，因此其前端无法浮动到施加到输入端的共模电压水平。因此，放大器承受的电压远远超过可能施加的最大值而不会损坏。这些电压穿过放大器的前端保护，找到接地，并建立电流，使仪器解体，就像以前一样。

图 4— 差分放大器不是隔离放大器，除非专门设计为隔离放大器。在这里，非隔离式差分放大器在存在高共模电压的情况下施加，结果是灾难性的。

第 4 课：成功。

“如果一开始你没有成功。..”有时仪器也是如此。利用从以前不成功的测量尝试中获得的知识来找到成功的解决方案。在这种情况下，您可以独立或通过协作确定隔离放大器是前两次以失败告终的尝试中缺少的元件。再次联系您的仪器仪表代表（他现在认为您是他最好的朋友），并订购一个输入范围为100 mV的隔离放大器。如图5所示连接，隔离放大器通过在其输入端子和放大器输出之间保持隔离栅来模拟手持式DVM。以这种方式没有连续性，因此放大器输入端的共模电压与其输出端之间没有电流流动。您的衡量成功。

图 5 — 输入至输出隔离允许放大器前端在存在共模电压的情况下相对于其输出浮动。这允许输入和输出之间存在电位差。

结语

本文假设了一个涉及数百共模伏特的工业强度应用。结果是一个相当壮观的失败模式，写起来很有趣，（我希望）阅读起来很有趣。不那么令人心跳停止但同样烦人的是只有几伏的共模电压。当与非隔离仪器一起使用时，这些共模电压往往会产生噪声结果，这最多只能使波形解释变得困难。在这种情况下，许多工程师认为他们需要忍受它。但是，从噪声带中插入单个值会将主观性注入定量过程，从而将可重复性抛出窗外。只有您可以决定是否可以容忍这种情况，但通过使用本文中描述的适当检测技术，您不必这样做。

由连接到非隔离仪器的较低共模电压引起的最后一个故障是微妙地断开仪器的前端。没有烟。没有烟花。有一次，您试图用额定电压为 10 伏的非隔离前端测量 5 伏信号。下一刻，您的仪器将不响应任何施加的电压。只要您要测量的最大电压和共模电压之和超过仪器的最大电压无损坏额定值，仪器就会处于危险之中。以 5 伏信号为例，使用额定电压为 25 伏的仪器而不会损坏，任何超过 20 伏的共模电压都会损坏仪器。没有烟。没有烟花。它只是停止工作。

共模电压可以是极小、极大或介于两者之间的任何位置。了解它们是什么以及它们如何破坏特定的仪器配置对于测量成功至关重要。评估您的特定测量情况，然后选择能够完成工作的仪器。

审核编辑：郭婷