Isolierungstechnologien für zuverlässige industrielle Messanwendungen

Inhalt

Überblick

Spannungs-, Strom-, Temperatur-, Druck-, Dehnungs- und Flussmessungen sind ein wesentlicher Bestandteil von Anwendungen in der Industrie und Prozesssteuerung. Häufig werden diese Anwendungen in Umgebungen eingesetzt, in denen gefährliche Spannungen, Transientensignale, Gleichtaktspannungen und schwankende Massepotenziale vorhanden sind, die Messsysteme beschädigen und die Messgenauigkeit beeinträchtigen können. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, bedienen sich Messsysteme für industrielle Anwendungen der elektrischen Isolierung. Dieses Whitepaper beschäftigt sich mit der Isolation bei analogen Messungen, bietet Antworten auf häufig gestellte Fragen zur Isolierung und informiert über unterschiedliche Technologien zur Implementierung von Isolierung.

Was ist Isolierung?

Durch Isolierung werden Sensorsignale, die gefährlichen Spannungen1 ausgesetzt sein können, elektrisch von der Backplane des Messsystems mit niedriger Spannung getrennt. Isolierung bietet viele Vorteile, darunter:

  • Schutz teurer Ausstattung, des Anwenders und der Daten gegen Transientenspannungen
  • Verbesserte Rauschunempfindlichkeit
  • Beseitigung von Masseschleifen
  • Verbesserte Unterdrückung von Gleichtaktspannungen

Isolierte Messgeräte verfügen über separate Masseflächen für analoge Frontends und die Geräte-Backplane, um die Sensormessungen vom übrigen System zu trennen. Der Massebezug des isolierten Frontends ist fließend. Abbildung 1 zeigt ein analoges Spannungsmessgerät. Jegliche Gleichtaktspannung wird unterdrückt, die zwischen der Masse des Sensors und der Masse des Messsystems besteht. So können Masseschleifen kein Rauschen auf den Sensorkanälen verursachen.

Abbildung 1: Bankweise isolierter Schaltkreis des Analogeingangs


1Gefährlich sind Spannungen bei über 30 Veff, 42,4 Vpk oder 60 VDC.

Warum ist Isolierung nötig?

Messsysteme sollten isoliert werden, wenn sie in folgenden Anwendungsbereichen zum Einsatz kommen:

  • in der Nähe gefährlicher Spannungen
  • in industriellen Umgebungen, in denen Transientenspannungen auftreten können
  • in Umgebungen mit Gleichtaktspannungen oder schwankenden Massepotenzialen
  • in elektrisch verrauschten Umgebungen, z. B. im Zusammenhang mit Industriemotoren
  • in Anwendungen, die empfindlich auf Transienten reagieren und bei denen unbedingt vermieden werden muss, dass Spannungsspitzen durch das Messsystem übertragen werden


Industrielle Messungen, Prozesssteuerung und Tests in der Automobilbranche sind Beispiele für Anwendungen, in denen Gleichtaktspannungen, Transienten mit hoher Spannung und elektrisches Rauschen häufig vorkommen. Isolierte Messhardware garantiert auch in derart rauen Umgebungen zuverlässige und genaue Messungen. Bei medizinischen Geräten, die direkt mit Patienten in Kontakt kommen, ist die Isolierung nützlich, um zu verhindern, dass Transienten in der Stromleitung durch die Geräte übertragen werden.

Basierend auf den jeweiligen Anforderungen an Spannung und Datenrate gibt es verschiedene Möglichkeiten, isolierte Messungen vorzunehmen. So lassen sich etwa Steckkarten für Laptops, Desktop-PCs, Industrie-PCs, PXI, Panel-PCs und CompactPCI verwenden. Optional steht dabei integrierte Isolation oder externe Signalkonditionierung zur Verfügung. Isolierte Messungen können auch mittels Programmable Automation Controllers (PACs) und Messsystemen für USB vorgenommen werden.

Abbildung 2: Isolierte Datenerfassungssysteme

Wie wird Isolierung implementiert?

Bei einem isolierten System müssen Signale ohne direkten elektrischen Kontakt über eine Isolierung übertragen werden. Leuchtdioden (LEDs), Kondensatoren und Spulen sind Beispiele für weithin erhältliche Komponenten, die eine elektrische Signalübertragung ohne direkten Kontakt ermöglichen. Die Prinzipien, auf denen diese Geräte basieren, bilden das Herzstück der drei gängigsten Isolationstechnologien: optische Isolierung, kapazitive Isolierung und induktive Kopplung.

Optische Isolierung

LEDs leuchten auf, wenn eine Spannung daran angelegt wird. Die optische Isolierung nutzt eine LED zusammen mit einem Fotodetektor, um Signale über eine Isolierung zu übertragen, wobei Licht als Methode zur Datenübertragung verwendet wird. Ein Fotodetektor empfängt das von der LED übertragene Licht und übersetzt es zurück ins ursprüngliche Signal.

Abbildung 3: Optische Isolierung

Die optische Isolierung ist eine der am häufigsten genutzten Isolierungsmethoden. Einer ihrer Vorteile ist die Unempfindlichkeit gegen elektrisches und magnetisches Rauschen. Ein möglicher Nachteil ist die Übertragungsgeschwindigkeit, die von der Schaltgeschwindigkeit der LED, der hohen Wärmeverlustleistung und dem Verschleiß der LED beschränkt wird.

Kapazitive Isolierung

Die kapazitive Isolierung basiert auf einem elektrischen Feld, das sich je nach der auf einem Kondensator vorliegenden Ladung verändert. Diese Ladung wird über eine Isolierung hinweg erkannt und verhält sich proportional zum Pegel des gemessenen Signals.

Abbildung 4: Kapazitive Isolierung

Ein Vorteil der kapazitiven Isolierung ist ihre Unempfindlichkeit gegen magnetisches Rauschen. Im Vergleich zur optischen unterstützt die kapazitive Isolierung höhere Datenübertragungsraten, da keine LEDs im Spiel sind, die geschaltet werden müssen. Da die kapazitive Kopplung die Verwendung elektrischer Felder für die Datenübertragung umfasst, kann sie anfällig für Störungen durch externe elektrische Felder sein.

Isolierung durch induktive Kopplung

Anfang des 19. Jahrhunderts enteckte Hans Oersted, ein dänischer Physiker, dass durch eine Drahtspule geleiteter Strom ein Magnetfeld erzeugt. Später fand man heraus, dass der Strom in einer zweiten Spule induziert werden kann, indem diese in der Nähe des sich ändernden Magnetfelds der ersten Spule platziert wird. Spannung und Strom, die in der zweiten Spule induziert werden, hängen von der Rate der Änderung des Stroms ab, der durch die erste Spule fließt. Dieses Prinzip wird Gegeninduktion genannt und bildet die Grundlage für die induktive Isolierung.

Abbildung 5: Induktive Kopplung

Die induktive Isolierung nutzt zwei Spulen, die von einer Isolierschicht getrennt werden. Diese verhindert die physikalische Signalübertragung. Signale können über wechselnde Stromstärken übertragen werden, die durch eine der Spulen fließen. Dieser Strom verursacht einen ähnlichen Strom, der in der zweiten Spule, auf der anderen Seite der Isolationsschicht, induziert wird. Die induktive Isolierung ermöglicht eine Hochgeschwindigkeitsübertragung, ähnlich wie bei der kapazitiven Methode. Da die induktive Kopplung die Verwendung von Magnetfeldern für die Datenübertragung umfasst, kann sie anfällig für Störungen durch externe Magnetfelder sein.

Analoge und digitale Isolierung

Auf dem Markt sind verschiedene Standardkomponenten erhältlich, von denen die meisten Isolierung durch eine der oben beschriebenen Technologien zur Verfügung stellen. Bei analogen I/O-Kanälen kann die Isolierung entweder auf dem analogen Abschnitt der Karte implementiert werden, bevor der Analog-Digital-Wandler das Signal digitalisiert (analoge Isolierung), oder nachdem der A/D-Wandler das Signal digitalisiert hat (digitale Isolierung). Abhängig von der Stelle im Schaltkreis, an der die Isolierung angebracht wird, müssen verschiedene Schaltungen um eine dieser Techniken herum entwickelt werden. Je nach Anforderungen des Datenerfassungssystems an Leistung, Kosten und physikalische Gegebenheiten kommt analoge oder digitale Isolierung in Frage. Die Abbildungen 6a und b zeigen die Phasen der Isolierungsimplementierung.

Abbildung 6a: Analoge Isolierung

Abbildung 6b: Digitale Isolierung

In den folgenden Abschnitten werden analoge und digitale Isolierung detaillierter behandelt und die jeweiligen Techniken zu ihrer Implementierung untersucht.

Analoge Isolierung

Der Trennverstärker wird im Allgemeinen zur Isolierung des analogen Frontends von Datenerfassungsgeräten verwendet. Der in Abbildung 6a dargestellte „ISO Amp“ ist ein Trennverstärker, der in den meisten Schaltkreisen einer der ersten Bestandteile eines analogen Schaltkreises ist. Das analoge Signal wird von einem Sensor an den Trennverstärker weitergegeben, der die Isolierung bereitstellt und das Signal an den A/D-Wandler weitergibt. Abbildung 7 stellt das allgemeine Layout eines Trennverstärkers dar.

Abbildung 7: Trennverstärker

In einem idealen Trennverstärker entspricht das Analogausgangs- dem Analogeingangssignal. Der als „isolation“ bezeichnete Abschnitt in Abbildung 7 verwendet eine der oben beschriebenen Techniken (optisch, kapazitativ oder induktiv), um das Signal über die Isolierung zu übertragen. Der Modulatorschaltkreis bereitet das Signal für die Isolationsschaltung vor. Bei der optischen Methode muss das Signal digitalisiert oder in wechselnde Lichtintensitäten umgewandelt werden. Bei der kapazitiven und induktiven Methode wird das Signal in variierende elektrische oder magnetische Felder „übersetzt“. Der Demodulatorschaltkreis liest dann den Ausgang der Isolationsschaltung ab und stellt das ursprüngliche analoge Signal wieder her.

Da die analoge Isolierung vor der Digitalisierung des Signals durchgeführt wird, ist sie die beste Methode, wenn externe Signalkonditionierung für den Einsatz mit bestehenden, nicht isolierten Datenerfassungsgeräten entwickelt wird. In diesem Fall führt das Datenerfassungsgerät die A/D-Wandlung durch und die externe Schaltung sorgt für die Isolierung. Mit der Kombination aus Datenerfassungsgerät und externer Signalkonditionierung können Hersteller von Messsystemen universelle Datenerfassungsgeräte und sensorspezifische Signalkonditionierung entwickeln. Abbildung 8 zeigt, wie die analoge Isolierung mit flexibler Signalkonditionierung implementiert wird, die Trennverstärker verwendet. Ein weiterer Vorteil der Isolierung am Frontend ist der Schutz, den sie dem A/D-Wandler und weiteren analogen Schaltungen vor Spannungsspitzen bietet.

Abbildung 8: Anwendung von Trennverstärkern in flexibler Signalkonditionierungshardware

Auf dem Markt sind mehrere Optionen für Messprodukte verfügbar, die ein universelles Datenerfassungsgerät und externe Signalkonditionierung verwenden. So umfasst die M-Serie von National Instruments mehrere nicht isolierte, universelle Multifunktions-Datenerfassungsgeräte, die Hochleistungs-Analog- und -Digital-I/O bieten. Für Anwendungen, die Isolierung erfordern, können Geräte der M-Serie mit externer Signalkonditionierung eingesetzt werden, wie z. B. SCXI- oder SCC-Module von NI. Diese Signalkonditionierungsplattformen bieten die Isolierung und spezialisierte Signalkonditionierung, die für die direkte Anbindung an industrielle Sensoren wie etwa Kraftmessdosen, Dehnmessstreifen, pH-Sensoren usw. nötig sind.

Digitale Isolierung

A/D-Wandler bilden die Schlüsselkomponente eines jeden Datenerfassungsgeräts mit Analogeingängen. Damit eine optimale Leistung erzielt wird, sollte das Eingangssignal für den A/D-Wandler so genau wie möglich dem ursprünglichen Analogsignal entsprechen. Die analoge Isolierung kann zu Fehlern wie etwa Verstärkung, Nichtlinearität und Offset führen, bevor das Signal den A/D-Wandler erreicht. Eine bessere Leistung kann erzielt werden, wenn der A/D-Wandler näher an der Signalquelle platziert wird. Doch auch Komponenten für die analoge Isolierung sind recht kostspielig und können zu langen Einschwingzeiten führen. Trotz der besseren Leistung digitaler Isolierung war einer der Gründe für den bevorzugten Einsatz analoger Isolierung bisher der Schutz für teure A/D-Wandler. Da deren Preis aber inzwischen stark gesunken ist, entscheiden sich immer mehr Hersteller von Messhardware stattdessen für die bessere Leistung und niedrigeren Kosten der digitalen Isolierung (siehe Abbildung 9).

Abbildung 9: Sinkende Preise von 16-bit-A/D-Wandlern
Quelle: National Instruments und ein führender Hersteller von A/D-Wandlern

Verglichen mit Trennverstärkern sind Komponenten für die digitale Isolierung kostengünstiger und ermöglichen höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten. Digitale Isolationstechniken verschaffen Entwicklern analoger Systeme darüber hinaus mehr Flexibilität bei der Auswahl von Komponenten und ermöglichen die Erstellung optimaler analoger Frontends für Messgeräte. Digital isolierte Produkte verwenden strom- und spannungsbegrenzende Schaltungen, um den A/D-Wandler zu schützen. Die digitale Isolierung gründet auf denselben grundlegenden Prinzipien der optischen, kapazitiven und induktiven Kopplung, auf denen auch die analoge Isolierung aufbaut.

Führende Hersteller digitaler Isolationskomponenten, wie etwa Avago Technologies (www.avagotech.com), Texas Instruments (www.ti.com) und Analog Devices (www.analog.com), haben ihre Isolationstechnologien um diese grundlegenden Prinzipien aufgebaut. Avago Technologies bietet digitale Isolatoren auf Basis der optischen Kopplung, Texas Instruments stellt Isolatoren mit kapazitiver Kopplung her und Analog Devices verwendet induktive Kopplung.

Optokoppler

Optokoppler, also digitale Isolatoren, basierend auf dem Prinzip der optischen Kopplung, bilden eine bereits seit Langem genutzte und weit verbreitete Methode für die digitale Isolierung. Sie halten hohe Spannungen aus und sind sehr unempfindlich gegen elektrisches und magnetisches Rauschen. Optokoppler werden oft in industriellen Digital-I/O-Produkten, wie der isolierten digitalen I/O-Karte NI PXI-6514 (siehe Abbildung 10) und in der industriellen Motorsteuereinheit NI PCI-7390 genutzt.

Abbildung 10: Industrielle Digital-I/O-Produkte verwenden Optokoppler

Bei Hochgeschwindigkeits-Analogmessungen kommt es bei Optokopplern jedoch zu Geschwindigkeitseinschränkungen, Wärmeverlustleistung und LED-Verschleiß. Digitale Isolatoren, die auf kapazitiver und induktiver Kopplung basieren, können viele Beschränkungen von Optokopplern überwinden.

Kapazitive Isolierung

Texas Instruments bietet digitale Isolierungskomponenten mit kapazitiver Kopplung. Sie ermöglichen hohe Datenübertragungsraten und sind unempfindlich gegen hohe Transientenspannungen. Im Vergleich zur Isolierung mit kapazitiver und optischer Isolierung ist der Energieverbrauch bei der induktiven Methode niedriger.

Induktive Isolierung

Die iCoupler-Technologie, im Jahr 2001 von Analog Devices (analog.com/iCoupler) eingeführt, nutzt die induktive Kopplung, um Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Kanalanzahl digital zu isolieren. iCouplers stellen Datenübertragungsraten von 100 Mbit/s mit einer Isolierung gegen 2500 V zur Verfügung. Für ein analoges 16-bit-Messsystem bedeutet das Sample-Raten in der Größenordnung von Megahertz. Im Vergleich zu Optokopplern bieten iCouplers Vorteile wie etwa geringeren Stromverbrauch, hohe Betriebstemperaturen bis zu 125 °C und eine hohe Unempfindlichkeit gegen Transientenspannungen bis zu 25 kV/ms.

Die iCoupler-Technologie basiert auf kleinen Wandlern im Formfaktor von Chips. Ein iCoupler hat drei Hauptbestandteile: Sender, Wandler und Empfänger. Der Senderschaltkreis codiert den Trigger auf die Signalflanke und wandelt steigende und fallende Flanken auf den Digitalkanälen in Impulse mit 1 ns um. Diese Impulse werden mithilfe des Wandlers über die Isolierung hinweg übertragen und auf der anderen Seite vom Empfängerschaltkreis decodiert (siehe Abbildung 11). Die geringe Größe der Wandler von etwa 3/10 eines Millimeters macht sie für magnetisches Rauschen praktisch undurchdringlich. iCouplers können auch die Kosten für Messhardware senken, indem sie bis zu vier isolierte Kanäle pro IC (Integrated Circuit) integrieren. Außerdem benötigen sie im Vergleich zu Optokopplern weniger externe Komponenten.

Abbildung 11: iCoupler-Technologie von Analog Devices
Quelle: Analog Devices (analog.com/iCoupler)

Hersteller von Messhardware nutzen iCouplers, um Hochleistungs-Datenerfassungssysteme zu niedrigeren Kosten anbieten zu können. Industrielle Datenerfassungsgeräte von NI, die für Hochgeschwindigkeitsmessungen konzipiert sind, wie etwa industrielle Geräte der M-Serie, nutzen digitale Isolatoren mit iCoupler-Technologie (siehe Abbildung 12). Diese Geräte bieten eine kontinuierliche Isolierung gegen 60 VDC und eine Kanal-zu-Bus-Isolierung von 1400 Vefff/1900 VDC für bis zu 5 s auf mehreren analogen und digitalen Kanälen. Außerdem unterstützen sie Sample-Raten von bis zu 250 kS/s. Auch Module der C-Serie von NI, die auf der NI-PAC-Plattform, in NI CompactRIO, NI CompactDAQ und anderen Hochgeschwindigkeits-USB-Geräten von NI zum Einsatz kommen, nutzen die iCoupler-Technologie.

Abbildung 12: Industrietaugliche Multifunktions-Datenerfassungsgeräte der M-Serie nutzen digitale Isolatoren.

Fazit

Isolierte Datenerfassungssysteme liefern zuverlässige Messungen für raue industrielle Umgebungen mit gefährlichen Spannungen und Transienten. Die Anforderungen an die Isolierung hängen von der jeweiligen Messanwendung und ihrer Umgebung ab. Anwendungen, bei denen verschiedene Spezialsensoren über ein einziges, universelles Datenerfassungsgerät angebunden werden sollen, können von externer Signalkonditionierung mit analoger Isolierung profitieren. Dagegen sind für Anwendungen, die kostengünstige Hochleistungs-Analogeingänge erfordern, Messsysteme mit digitalen Isoliertechnologien besser geeignet.

Isolierte Datenerfassungsprodukte von National Instruments

SC Express für leistungsstarke Signalkonditionierung

 

Isolierte Datenerfassungsmodule der M-Serie von NI für USB

Industrietaugliche Module der M-Serie

 

NI SCXI: Externe Signalkonditionierung für eine hohe Kanalanzahl

 

NI CompactDAQ: USB-gestütztes Datenerfassungssystem

 

NI CompactRIO: Rekonfigurierbares Datenerfassungs-, Steuer- und Regelsystem