Глава 4. Измерения с различными источниками сигналов

4.1. Прохождение аналоговых сигналов

Для проведения правильных, точных и помехозащищенных измерений могут потребоваться знания о природе источников сигнала, соответствующая настройка DAQ устройств, подходящая разводка кабельных соединений. Следующий рисунок показывает типичную систему сбора данных. Достоверность полученных данных зависит от всего тракта прохождения аналогового сигнала.

Рис. 4.1. Схема прохождения сигнала

Для того чтобы охватить широкое разнообразие приложений, большинство УСД обеспечивают некоторую гибкость в настройке ввода аналогового сигнала. Ценой этой гибкости может быть путаница в надлежащих применениях различных конфигураций ввода и их относительных достоинств. Цель данного раздела курса - помочь прояснить типы конфигураций аналогового ввода DAQ устройств и объяснить, как выбирать и использовать конфигурацию, наиболее подходящую для данного приложения. Понимание типов источников сигналов и измерительных систем является предпосылкой применения хорошей техники измерений.

4.2. Типы источников сигнала

При получении аналоговых сигналов используют «заземленные» и «плавающие» источники сигналов.

Заземленным источником сигнала называется такой, чье напряжение отсчитывается относительно потенциала системной «земли», в качестве которой может быть земля или здание, как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Заземленные источники сигналов

Такие источники сигнала и измерительное устройство совместно используют «землю», поскольку присоединены к системной «земле». Наиболее распространенными примерами заземленных источников являются устройства, такие как генераторы сигналов и источники питания, которые соединены со зданием через настенные розетки.

Как известно «Земли» двух независимо заземленных приборов в общем случае не обладают одним и тем же потенциалом. Различие между потенциалами заземления двух приборов, присоединенных к одной системе заземления в здании, достигает обычно 10 – 200 мВ. Разница может быть и больше, если разводки электроснабжения неправильно соединены. Это служит причиной явления, известного как паразитный контур с замыканием на «землю».

В «плавающем» источнике сигнала напряжение не отсчитывается от какого бы то ни было общего заземления, будь то земля или здание. Это показано на рис. 4.3.

Некоторыми распространенными примерами «плавающего» источника сигнала могут быть батарейки, термопары, трансформаторы и изолированные усилители. Глядя на рисунок «плавающего» источника сигнала, следует отметить, что ни один контакт источника не присоединен к заземлению в розетке питания, как на предыдущем рисунке заземленного источника сигнала. Каждый контакт независим от системной «земли».

Рис. 4.3. «Плавающие» источники сигнала

4.3. Согласование сигналов с электрической изоляцией

Неправильное заземление системы - один из наиболее частых случаев возникновения проблем с измерениями, помех и повреждения УСД. Системы согласования сигналов с электрической изоляцией могут предотвратить большинство этих проблем. Устройства такого типа бесконтактно передают сигнал от источника к измерительной системе, используя трансформаторы, оптические и емкостные развязки. Кроме разрыва паразитного контура с замыканием через землю, изоляция блокирует большие выбросы напряжения и отфильтровывает синфазное напряжение, защищая операторов и дорогостоящее измерительное оборудование.

Предположим, что вам необходимо отслеживать температуру при помощи термопары, припаянной к высоковольтной установке, излучающей сильные электромагнитные поля. Хотя выходное дифференциальное напряжение термопары не превышает 50 мВ, это напряжение может иметь высокий потенциал относительно заземления из-за емкостной связи установки и термопары. Потенциал между каждым из проводников дифференциального сигнала и заземлением называется синфазным напряжением. В идеале это напряжение должно полностью игнорироваться измерительной системой. Однако присоединение проводов от термопары непосредственно к неизолированному УСД, которое обычно рассчитано на синфазное напряжение 12 вольт, скорее всего, приведет к повреждению последнего. Вместо этого, можно присоединить провода от термопары к изолированному формирователю сигналов, который отфильтрует высокое синфазное напряжение и пропустит дифференциальный сигнал 50 мВ на измерительное устройство для точных измерений.

Технические требования к изоляции системы

Изготовители устройств выдвигают различные требования к электрической изоляции. Некоторые вводят только индекс (number) изоляции без описания, означает ли он уровень сигнала или уровень неустановившегося напряжения. Без этой информации и ясного понимания процесса ввода/вывода сигналов можно повредить измерительную систему и. возможно, подвергнуть оператора опасности поражения током. Ряд организаций, таких как Лаборатория по технике безопасности (Underwriters Laboratories - UL) и Международная электротехническая комиссия - МЭК (International Electrotechnical Commission - IЕС) выработали технические требования безопасности при проектировании высоковольтных установок. Продукция, имеющая соответствующие знаки, проверена (в некоторых случаях, самими организациями) на соответствие техническим требованиям.

Максимальное допустимое напряжение

Это техническое требование описывает максимальное постоянное (не прекращающееся) напряжение, которое можно подавать на входы системы в нормальных условиях эксплуатации. Это требование выдвигается для сигнала относительно опорного потенциала заземления, то есть под него попадает и уровень сигнала, и любое синфазное напряжение, связанное с сигналом.