Veri Toplama Sistemlerinde Elektriksel İzolasyonun Önemi

Bu yazıda Veri Toplama (DAQ) sistemlerinde izolasyonun önemini öğreneceğiz ve şunları yapacaksınız: 

  • Elektriksel izolasyonun ne anlama geldiğini öğrenelim 
  • İzolasyonun elde edilmesinin farklı yolları hakkında bilgi edinelim 
  • DAQ sürecinde izolasyonun önemini ve ölçümlerini anlayalım 

Elektrik İzolasyonu Nedir?

Bazen galvanik izolasyon  olarak da adlandırılan elektrik izolasyonu, bir devrenin diğer elektrik potansiyeli kaynaklarından ayrılmasıdır.  

İzolasyon Neden Gereklidir?

Elektriksel gürültü doğada hem AC hem de DC olabilir. Örneğin, doğrudan zemine monte edilmiş bir sensör üzerinde bir potansiyele sahip olan (yani 0 Volttan büyük), test edilen bir nesneye (örneğin bir güç kaynağı) yerleştirildiğinde, bu sinyal üzerinde bir DC ofseti uygulayabilir.  

Elektriksel gürültü, sinyal yolundaki veya test çevresindeki ortamdaki diğer elektriksel bileşenler tarafından oluşturulan AC sinyalleri biçimini de alabilir.  

İzolasyon özellikle ölçmek istediğimiz analog giriş sinyallerine nazaran önemlidir. Bu sinyallerin çoğu nispeten düşük seviyelerde bulunur ve harici elektrik potansiyelleri sinyali büyük ölçüde etkileyerek yanlış okumalara neden olabilir.  

Sadece birkaç bin voltluk bir termokuplın çıktısını ve elektriksel gürültü ile ne kadar kolay ezilebileceğini hayal edin. 

Binalarımızdaki normal hat gücü bile, ülkenize bağlı olarak 50 veya 60 Hz’de bir elektrik alanı üretir. Bu nedenle en iyi veri toplama sistemlerinin izole girişleri vardır  sinyal zincirinin bütünlüğünü korumak ve sensörün çıktılarının doğru bir şekilde okunmasını sağlamak için.  

Yalıtılmamış bir sistemle ters bağlanmasına izin verilirse pahalı ekipmanlara zarar verebilecek veya yok edebilecek yüksek voltajlar da vardır. En kötü durumda, test operatörüne fiziksel zarar hatta ölüme neden olabilir. İnsanlar için tehlikeli olan voltajlar genellikle 30 Vrms, 42.4 VAC veya 60 VDC’den yüksek voltajlar olarak kabul edilir. 

Test ve ölçüm dünyasında, toprak döngülerinden ve ortak mod voltaj aşırı yüklerinden kaçınmak veya ortadan kaldırmak, doğru ölçümler yapmak, test ekipmanlarını ve test edilen nesneleri korumak ve en önemlisi insanları tehlikeli voltaj potansiyellerinden korumak için önemlidir.  

Sinyallerimiz amplifikatörü geçmeden ve analog dijital dönüştürücülere gönderilmeden önce, bütünlüklerini sağlamalıyız ve bunu yapmanın en iyi yolu izolasyon yapmaktır. 

İzolasyon Ne Zaman Gereklidir?

Ne zaman izolasyon gerekli DEĞİLDİR?” demek daha doğru olacaktır.  

Uygulamanızın yalıtılmış girdiler gerektirip gerektirmeyeceğini düşünürken kendinize şu soruları sorun: 

  • Yakınlarda tehlikeli yüksek voltaj var mı? (Yüksek gerilim kabloları dışarıda mı ? ) 
  • Büyük motorlar, türbinler, kaynak makineleri ya da aynı binada veya aynı güç ağında ağır akım kullanan herhangi bir makine  var mı ? 
  • Güç sisteminizin toprak potansiyeli dalgalanıyor veya değişiyor mu? 
  • Güç sisteminiz hiç elektrik sivri uçlarına veya geçici akımlara maruz kaldı mı? Yüksek aydınlatma potansiyeline sahip misiniz? 
  • Farklı voltaj potansiyeline sahip olabilecek bileşenler veya yapılar üzerinde doğrudan çok milivolt düzeyinde sinyal ölçümleri yapıyor musunuz? 

Eğer bunlardan biri veya daha fazlası sizin için geçerliyse, yalıtılmış girişleri muhtemelen kullanmanız önerilir.  

Önemli DAQ uygulamalarındaki ölçüm ortamına ve olası sinyal parazit kaynaklarına bir göz atalım:

Temel olarak, yalıtılmış girdilerin tamamen azaltabileceği veya ortadan kaldırabileceği doğal veya insan yapımı ortamdan gelen gürültülere tabi olmayan büyük bir uygulamanın olmadığı açıktır. 

Yalıtılmış girdiler sunmayan ölçüm sistemleri, yalıtımlılardan daha ucuzdur. Ancak, doğru, gürültüsüz ölçümler yapmamanız durumunda bir ölçüm sisteminin anlamı kalmayacaktır. 

Ortak Mod Gerilim Sorunları ve Çözümü

Ortak mod gerilimleri , genellikle bir sensörü ölçüm sistemine bağlayan kablodan ölçüm zincirine giren istenmeyen sinyallerdir. Bazen “ gürültü ” olarak adlandırılan bu voltajlar ölçmeye çalıştığımız gerçek sinyali bozar. Genliklerine bağlı olarak, “küçük bir rahatsızlık” olmaktan gerçek çıkarak, sinyali tamamen gizlemeye ve ölçümü yok etmeye kadar değişebilirler.
Diferansiyel Amplifikatörün Temsili Gösterimi
Ortak mod sinyallerini ortadan kaldırmak için en temel yaklaşım bir diferansiyel amplifikatörkullanmaktır. Bu amplifikatörün iki girişi vardır: pozitif ve negatif. Amplifikatör sadece iki giriş arasındaki farkı ölçer.  Sensör kablomuzda ilerleyen elektriksel gürültü her iki hatta da mevcut olmalıdır – sinyal pozitif hattı ve toprak (veya sinyal negatif) hattı. Diferansiyel amplifikatör, her iki hat için ortak sinyalleri reddeder ve aşağıdaki grafikte gösterildiği gibi yalnızca sinyal iletilecektir: 
Bir diferansiyel amplifikatör, CMV giriş aralığında ortak mod voltajlarını başarıyla ortadan kaldırır

Bu sistem harika çalışmaktadır, ancak amplifikatörün ne kadar ortak mod voltajının (OMV) reddedebileceğine dair sınırlar var. Sinyal hatlarında bulunan OMV, diferansiyel yükselticinin maksimum OMV giriş aralığını aştığında “klipslenir”.  Sonuç, aşağıda gösterildiği gibi, bozuk, kullanılamaz bir çıkış sinyalidir: 

Bir diferansiyel amplifikatör ortak voltaj modu giriş aralığı aşıldığında bozulur veya “klipslenir”

Bu nedenle, bu durumlarda, genel olarak OMV ve elektriksel gürültüye karşı ek bir koruma katmanına ihtiyacımız var (ayrıca bir sonraki bölümde ele alınacak olan toprak döngüsünün yanı sıra) o da izolasyon. 

Yalıtılmış bir amplifikatörün girişleri ortak mod voltajının üzerinde “dalgalanır(yüzer)”. 1000 volt veya daha fazla arıza voltajına sahip bir izolasyon bariyeri ile tasarlanmıştır. Bu, çok yüksek OMV gürültüsünü reddetmesini ve toprak döngülerini ortadan kaldırmasını sağlar.  

Yalıtılmış bir diferansiyel amplifikatör çok yüksek ortak voltaj modunu bile reddeder
İzole edilmiş amplifikatörler , girişi çıkıştan ayırmak (“dalgalanmak(yüzdürmek)”) için küçük transformatörler kullanarak veya küçük ışınsal bağlayıcı veya kapasitif eşleme ile bu izolasyon bariyerini oluşturur. Son iki yöntem tipik olarak en iyi bant genişliği performansını sağlar. 

Ortak Mod Gerilim Reddetme Oranı (OMRO) Nedir?

Bir diferansiyel yükselticinin (veya diğer cihazların) ortak mod reddetme oranı (OMRO) , cihazın ortak mod sinyallerini, yani her iki girişte aynı anda ve fazda görünenleri reddetme yeteneğini ölçmek için kullanılan bir metriktir.  İdeal bir diferansiyel yükselteçte sonsuz OMRO bulunur. Ancak, bu pratikte gerçekleştirilemez. Güçlü elektromanyetik gürültü (EMG) gibi muhtemelen büyük bir ortak mod girişi varlığında bir diferansiyel sinyalin yükseltilmesi gerektiğinde yüksek bir OMRO gereklidir. 

Toprak Döngü Sorunları ve Çözümü

Önlenmedikleri sürece, toprak döngüleriölçüm sistemleri için ciddi bir sorun olabilir. Bazen “gürültü” olarak adlandırılan bir topraklama döngüsü, elektrikli ekipmanı yanlışlıkla birden fazla toprağa yönlendirmekten kaynaklanır. Bu topraklama noktalarındaki herhangi bir potansiyel farkı, sinyalde bozulmalara neden olabilecek bir akım döngüsüne neden olabilir. Bu bozuklukların genliği yeterince yüksekse, ölçümü bozabilir.   Aşağıdaki resimde, ölçüm amplifikatörü bir taraftaki toprağa (GND 1) bağlıdır. Metalik gövde GND 2’de iletken bir yüzeye yerleştirilen sensörü bağlamak için asimetrik korumalı kablo kullanılır. Kablonun uzunluğundan dolayı GND1 ve GND 2 arasında bir potansiyel farkı vardır. Bu potansiyel fark, ortamdan gelen elektromanyetik gürültü ile voltaj kaynağı olarak kullanılabilir. 
Toprak potansiyeli farklılıklarının neden olduğu bir toprak döngüsü

Sensör GND2’den ayrılabilirse, sorunu çözebilir. Ancak bazen bu mümkün değildir. Ayrıca, bazen bir kablo koruyucunun referansı güvenlik kurallarına göre gereklidir ve bu nedenle çıkarılmamalıdır. 

En iyi çözüm, izole edilen sinyal koşullandırıcı içinde bir diferansiyel yükselteç kullanmaktır. Bu tek değişiklikle sorun çözülmüş olur. 

İzolasyon ile diferansiyel zemin potansiyel problemlerini ortadan kaldırma

Topraklama döngüleri de kendi güç kaynağı aracılığıyla cihazın kendisinden gelebilir. Ölçüm sistemimizin yer referansı olan güce bağlı olduğunu unutmayın. Bu nedenle, enstrümanın içinde toprak döngülerinin oluşturulamayacağından emin olmak için bu referansı cihazın sinyal işleme bileşenlerinden ayırmak önemlidir. 

Güç kaynağı kaynaklı topraklama

Bir kablolama arızası varsa bu durum tehlikeli olabilir. Güç kaynağından gelen yüksek akım yoluna bakıldığında, dönüş hattı kesilirse ne olur? Tüm enerji DAQ sisteminin sinyal koşullandırma kısmından yönlendirilecektir. Bu, tüm sistemin hasar görmesine veya yok edilmesine ve hatta cihazın insan operatörü için tehlikeli olabilmesine neden olabilir.

Güç kaynağı kaynaklı topraklama tehlikesi

Sinyal yolunu tamamen güç kaynağından izole ederek, yukarıdaki durumun gerçekleşmesi engellenir. 

İzolasyon Etki Alanları

İzolasyonun sağlanabileceği iki temel alan vardır: 

  • Analog ve  
  • Dijital 

Analog Alan İzolasyonu 

Analog alan izolasyonu, analog sensörlerin çıkışlarında kullanılır. Bu izolasyon analog alanda, yani ADC alt sisteminden önce gerçekleşir. 

Analog etki alanı izolasyon sistemleri

Herhangi bir analog izolasyon sisteminde, yanlış sinyalleri sayısallaştırmak istemediğimiz için kazanç ve ofset hassasiyetinin oldukça yüksek olması önemlidir.

Dijital Etki Alanı Yalıtımı

Sinyallerimiz dijital olduğunda, başlangıçta, sinyallerimizi, sistemimizi ve insan operatörlerimizi korumak için dijital izolasyon teknikleri kullanabiliriz.  

Dijital etki alanı izolasyon sistemleri

Bu durumda, bir izolasyon bariyeri dış sinyali devrenin iç kısmındaki yeniden oluşturma işleminden ayırır. İzole edilmiş dijital sinyal daha sonra mikroişlemcilere, FPGA’lara vb. yönlendirilebilir. 

Şimdi hem analog hem de dijital izolasyonda kullanılan üç temel izolasyon tekniğine bakalım. 

Üç Temel İzolasyon Tekniği

Bir sinyal kaynağı ile sistemin geri kalanı arasında bir izolasyon bariyeri oluşturmak için birkaç yaklaşım vardır: 

  • Optik izolasyon 
  • Endüktif izolasyon 
  • Kapasitif izolasyon 

Optik İzolasyon

Optik izolasyon, sistemin geri kalanından ve dış dünyadan bir sinyali izole etmenin en popüler ve etkili yöntemlerinden biridir. Bir LED’e, bir dielektrik izolasyon bariyerinden bir fotodiyot ileten ve onu tekrar bir elektrik sinyaline dönüştüren bir LED’e giriş yapılır. 
LED (solda) ve fotodiyot (sağda) kullanılarak optik izolasyon

Bir elektrik sinyalini ışığa ve sonra tekrar elektriğe dönüştürerek, dış dünyadan tamamen ayrıştırılır. Işık elektromanyetik (EMI) veya radyo frekansı (RF) gürültüsüne duyarlı değildir, bu yaklaşımın doğasında var olan faydalardır. 

Bununla birlikte, ışınsal bağlayıcı ışığın kendisi kadar hızlı değildir – LED’in anahtarlama hızı ile sınırlıdır. Genellikle endüktif veya kapasitif izolatörlerden daha yavaştırlar. Ek olarak, LED ışığının yoğunluğu zamanla azalır ve yeniden kalibrasyon veya değiştirme gerektirir.

Endüktif İzolasyon

Mühendisler elektrik akımının manyetik bir alan oluşturduğunu bilirler. Bir sargıya bir sinyal göndererek ve aynı sargıya yakın ve ona paralel olarak konumlandırarak, sinyalin bir gösterimi indüklenecek veya ikinci sargıya “çiftleyecektir”. 

Bir elektrik yalıtkanı ile ayrılmış sargılar kullanarak endüktif izolasyonu
Endüktif birleştirme izolasyonunda , bir elektrik yalıtım bariyeri birinci, sarımlar arasına yerleştirilir ve 1. sarımdan 2. sarıma geçerken mekaniksel bir biçimde indüklenir. Endüktif çiftleyiciler çok yüksek bant genişliğine sahiptir ve son derece güvenilirdir, ancak yakındaki manyetik alanlardan etkilenebilirler.  

Kapasitif İzolasyon

Kapasitif izolatörler, genellikle silikon dioksitten yapılan bir izolasyon bariyeri boyunca bir sinyali birleştirir. DC sinyallerini iletemezler, bu da onları ortak mod sinyallerini engelleme konusunda çok usta yapar. Sinyal dijitale dönüştürülür ve daha sonra kapasitif çiftleyiciler kullanılarak bariyerin diğer tarafında kopyalanır.  

Bir izolasyon bariyerinin diğer tarafındaki sinyali yeniden oluşturmak için kapasitif çiftleyici kullanan kapasitif izolatör

Endüktif izolasyonun aksine, kapasitif izolasyon manyetik parazite karşı hassas değildir. Yüksek veri hızları ve uzun ömürlü çalışma bu izolatörlerin ayırt edici özellikleridir. Kapasitif izolatörler arızaya ve olası kısa devrelere karşı doğru güvenliği sağlamak için farklı derecelerde mevcuttur. 

İzolasyon Tekniklerinin Karşılaştırılması

İşte üç temel izolasyon tekniğimizin üst düzey karşılaştırması: 

Anahtar Yalıtım Koşulları

Yukarıdaki tüm bilgiler göz önüne alındığında, ölçüm sistemlerimizin yalıtılmış analog girişlere sahip olması gerektiği açıktır. Ancak, çeşitli ölçüm sistemlerinin ve sinyal koşullayıcıların izolasyon özelliklerini incelerken, “ kanaldan yere ” ve “ kanaldan kanala ” gibi terimlerle belirtilmiş bulabilirsiniz .  

Kanal-Toprak İzolasyonu

Kanaldan toprağa yalıtım, bir kanalın girişi ile cihaz topraklaması arasında bulunabilecek maksimum voltajı tanımlar. Normalde bir aletin topraklaması güç kaynağının topraklaması ile ilgilidir. Sinyal toprağını şasi toprağından izole ederek çoğu toprak döngüsü problemini ortadan kaldırabiliriz.  

SIRIUS diferansiyel amplikatörle kanaldan yere izolasyon

Bazen buna giriş-çıkış yalıtımı da denir. Tüm kanallar, cihazın zemin  veya toprak potansiyelinden izole edilen ortak bir zemini paylaşır. Sisteme yalnızca bir sinyal kaynağı bağlanmışsa, bu bir sınırlama olmayacaktır. Ancak, her biri toprak potansiyeli farklılıklarına sahip ek sinyaller bağlandığında, tüm sinyaller ve ortak mod sorunlarında gürültüye yol açabilir.  

İki veya daha fazla kanal ortak bir zemini paylaşıyorsa, galvanik olarak izole edilmezler. 

Kanaldan Kanala Yalıtım

Kanaldan kanala yalıtım, bir kanal ile diğer herhangi bir kanal arasında olabilecek maksimum voltajı tanımlar. Örneğin kanallar bir yer veri yolunu paylaşamaz. Her kanal ayrıca sistemin geri kalanından izole edilmelidir, sistemin güç kaynağı, şasi topraklaması, vb. Tüm kanallar birbirinden izole edilmişse, mutlaka topraktan da izole edilir, bu nedenle kanaldan yere izolasyon, kanaldan kanala izolasyon dahil edilir. 

Bu nedenle, bir sistem kanaldan yere izolasyona sahipse, mutlaka kanaldan kanala izolasyon olduğu anlamına gelmez. Ama, bir sistem kanaldan kanala izolasyonu varsa , o zaman kanaldan toprağa izolasyonu da olmalıdır.  Dewesoft’un  SIRIUS DAQ sistemleri , bu kısa videoda gösterildiği gibi hem kanaldan kanala hem de kanaldan yere izolasyon sağlar: 

Dielektrik Gücü

Dielektrik dayanım, bir izolasyon bariyerinin sinyalin geçişini önleyebileceği maksimum voltaj seviyesidir. Çeşitli yalıtım malzemeleri Vrms / µm olarak ölçülen farklı dielektrik dayanımlara sahiptir. Bir hava boşluğunun kendisi 1 Vrms/um olarak derecelendirilirken, epoksiler 20 kat daha iyi olabilir ve birçok kapasitif izolasyon bariyerinde bulunan Silikon Dioksit kabaca 500 Vrms/um’dir. Kapasitif izolatörlerde bulunan poliimidler ve sıklıkla optik izolatörlerde bulunan silika dolu epoksi kalıplama bileşikleri de dahil olmak üzere bariyerlerde yaygın olarak kullanılan başka malzemeler de vardır. 

Dewesoft İzole Veri Toplama Sistemleri

SIRIUS Veri Toplama Sistemleri

SIRIUS High speed DAQ sistemleri, bilgisayarınıza USB veya EtherCATrack mounting DAQ sistemleri ve R1/R2, R4 ve R8 bağımsız DAQ ile bağlayan SIRIUS modüler parçalarından çok çeşitli fiziksel yapılandırmalarda mevcut yerleşik bir bilgisayar içeren sistemlerdir. 

SIRIUS DAQ ürün yelpazesi

Dewesoft’un SIRIUS DualCore ve SIRIUS HS (Yüksek Hızlı) sinyal koşullayıcılarına bakarsanız, bu modüllerin hepsinin kanaldan kanala ve kanaldan toprağa 1000 V izolasyon voltajı sağladığını göreceksiniz. SIRIUS HD (Yüksek Yoğunluklu) amplifikatörler çiftler halinde ± 500 V izole edilir.  

Aşağıdaki video gerçek dünya senaryosunda pratikte SIRIUS DAQ izolasyonunu göstermektedir: 

Veri toplama dünyasında, genellikle sadece sinyal girişlerinden daha fazlası vardır – sinyal koşullayıcılar genellikle sensörlere güç vermek için uyarma voltajı veya akımı sağlar. Gerinim ölçerler, RTD’ler, LVDT’ler ve IEPE ivmeölçerler güç gerektiren sensörlerin iyi örnekleridir. 

Bazen DAQ sistem üreticileri tarafından gözden kaçan bu uyarma hatlarının izole edilmesi önemlidir, bu nedenle Dewesoft izolasyon ve/veya diferansiyel girişler ve ürün hattında doğrudan şasiye kısa devre kabiliyeti ile aşırı voltaj koruması sağlar ve cihazlarını korur ve yer döngülerinden insan operatörler. 

KRYPTON ve KRYPTON ONE Veri Toplama Sistemleri

KRYPTON,Dewesoft’un en sağlam ürün yelpazesidir. Aşırı sıcaklık, şok ve titreşim koşullarına dayanacak şekilde tasarlanan KRYPTON, IP67 sınıfında olup su, toza ve daha fazlasına karşı korur. EtherCAT aracılığıyla herhangi bir Windows bilgisayarına (Dewesoft’un kendi sağlamlaştırılmış IP67 KRYPTON CPU modeli dahil ) bağlanırlar ve 100 metreye (328 fit) kadar ayrılabilirler, bu da onları sinyal kaynağının yakınında bulmanızı sağlar. SIRIUS gibi, piyasadaki en güçlü DAQ yazılımı olan Dewesoft X’i çalıştırıyorlar . 
Çeşitli DSI adaptörleri bağlı tipik çok kanallı KRYPTON modülü

Bu son derece sağlam sistemler, KRYPTON ONE adı verilen tek kanallı modüllerde de mevcuttur. Hem çok kanallı hem de tek kanallı KRYPTON modülleri aynı seviyede performans ve çevre sağlamlığı sağlar. 

Sol: KRYPTON ONE 1xTH-HV modülü Sağ: KRYPTON ONE 1xHV modülü

İzolasyon performansı açısından KRYPTON ve KRYPTON-1 şunları sağlar: 

Yukarıdaki tabloda, Diff. Diferansiyel ve Galv. galvanik izolasyonu ifade eder.

IOLITE DAQ Sistemleri

IOLITE , gerçek zamanlı endüstriyel kontrol sisteminin temel yeteneklerini güçlü bir DAQ sistemiyle birleştiren eşsiz bir üründür. IOLITE ile, yüzlerce analog ve dijital kanal tam hızda kaydedilebilir ve aynı zamanda herhangi bir üçüncü taraf EtherCAT ana denetleyicisine gerçek zamanlı veri gönderilir. 
IOLITE raf ve kutulu DAQ sistemleri Sol: 12 giriş modülü kanallı IOLITEr raf montaj sistemi Sağ: 8 giriş modülü kanallı IOLITEr tezgah üstü sistem

Yalıtım performansı açısından IOLITE şunları sağlar: