隔离技术提高测量质量

有些因素会影响测量结果的质量。在某些应用中，电隔离是重大改进的关键因素。本文介绍了几种不同的布局结构，并讨论其优点和局限性。

应用需求

典型的测量问题可以通过大型机械设备或生产线的案例来简单描述。图1 描述了一种状况：其有两个测量点（例如造纸厂的两个电机），彼此之间相距50米。用户最有可能将测量系统放置在中间并通过电缆来连接两个测量点。

通常情况下被测试的两个设备 (DUT) 以及数据采集系统进行接地处理。人们通常认为两个接地电压是相同的。

这种假设并非总是如此，这主要是由于不适当的负载开关接地配线造成的（电缆直径太小，连接不好等等）。

不同测量点接地电压在很短的一段时间内会发生改变。尽管仅仅会持续很短的一段时间并且只有几伏的差异，但影响却很严重。

当不同电压的测量点使用低阻抗电缆（如测量电缆）连接时，电流会产生，压差会平衡。假设电压差仅为1伏和测量电缆的电阻为0.1欧姆，将会产生10 安培电流。这种现象被称为地环流。

它很可能损坏测量设备和被测试设备，并对敏感性测量造成干扰。

外部隔离放大器

最简单的办法是在传感器和测量系统之间使用隔离传感器或隔离放大器（见图2 ），浮地效应将会被消除。

具有以下优点：继续使用现有数据采集系统，以及可以使用相对便宜的，模块化和通用的隔离放大器。

限制

一般来说，外部隔离放大器有三种限制。

第一， 设备需要外部供电，不适宜在需要便携式应用的场合（如故障调查，定期检修工作等）；

第二，模拟带宽、隔离电压及精度的指标限制了所测量的整体信号质量；

第三个制约因素是隔离放大器不能消除模拟信号长距离线路的影响。

在以上应用中，需要考虑电磁环境。浪涌电流越高以及电感负载的转换将产生更高的扰动。长距离测量电缆会成为天线，从而接收各种电磁能（在测量信号中可见）

内部隔离

通过集成隔离设备到DAQ 系统中可以改善实用性和信号质量（见图3）。

这种解决方案往往应用于维护工作的手持式测试设备或更先进的DAQ 系统中。

单独的外部隔离放大器提供的模拟带宽一般从几kHz 到最大50 kHz。

内部隔离放大器因为使用不同的技术可以使带宽达到数百kHz 。

外部光纤隔离

一般来说，有两种方法可以解决在恶劣电磁环境下长距离信号线路的问题。传统的方法采用高质量电缆（双层屏蔽和三重屏蔽），屏蔽电缆管并远离干扰源。第二种方法是采用光纤隔离系统（见 4）。. 

采用analog-in/analog-out方式，类似于外部隔离放大器（图2 ），模拟输入信号通过隔离栅，输出时再次成为模拟信号。

相似性仅限于此，其他部分是完全不同的。 光纤隔离系统的电池供电前端紧靠测量点。这样就形成了很短的模拟信号线路，电磁干扰的影响也显著减少。

前端发射器(Tx)包括输入放大器和数模转换器(A/D)。测量信号数字化后，信息通过光纤传送到紧靠数据采集系统的接收器上。

并通过接收器(Rx) 上的数模转换器重新建立模拟输出信号。

光纤隔离系统可以实现最大20 MHz  模拟带宽，其主要用于对现有测量系统（示波器，瞬态记录器，数据采集系统）增加隔离防护功能。

内部光纤隔离

两个外部隔离的解决方案（图2和图4 ）有一个共同点：一个模拟输出信号是从模拟输入信号建立，然后再反馈到数据采集系统的模拟输入上。

某些参数对于测量精度是非常重要的，用户需要结合应用的需求来确定测量系统。

虽然在大多数的现场测试中不是重要因素（如在故障调查，定期维修），但其在认证和研究应用中是一个关键因素。因此，最低的不确定性测量是非常需要的。

图5显示了这些应用的方法，将光纤隔离系统的接收器 (Rx) 集成在数据采集系统中。

数字化的数据直接存储，而不是重建模拟信号，进行二次数字化。

这提高了整体精度并降低了测量系统的不确定性。

什么是最好的?

什么是最好的技术？这个问题应改为： “什么拓扑结构最适合我的要求呢？ ” 性能水平和要求会反映在价格上。

问题的答案是，无论数据采集系统是否可代替或不得不进行改造，隔离的目的都需要进行定义。

这包括个人安全，消除浮地，高隔离电压以及允许在测量点之间存在电压情况下进行测量和数据采集。

最终，模拟带宽，精度和测量的不确定性等都需要被确定。最后阶段的评价是调整资金保证测量需求可以得到满足.

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