Archiwum. Automatyzacja realna czyli nieznana. 6 Izolacja sensora pH i innych sensorów
Na wszelkich połączeniach powstają ( potencjalnie zakłócające) spadki napięć.
Na wykresach pokazano impedancje – rezystancje falową linii paskowej asymetrycznej na PCB dla przypadku W>H i dla W<H.
Bardzo szeroka ścieżka na cienkim laminacie o dużej przenikalności elektrycznej ma circa rezystancje falową 7 Ohm a w odwrotnej sytuacji do 250 Ohm.
Dla minimalizacji dynamicznych spadków napięć złożona PCB z szybkimi układami cyfrowymi ma jedną warstwę przeznaczoną na GND a drugą na zasilanie. Do blokowania zasilania użyte są kondensatory o bardzo małej indukcyjności umieszczone jak najbliżej wyprowadzeń IC
Mikrofalowe filtry paskowe ( na przykład w konwerterach satelitarnych na pasmo X ) zbudowane są z odcinków ścieżek PCB.
LEMP czyli prozaiczny Lightning Electromagnetic Pulse to impuls powstający podczas uderzenia pioruna.
U zarania telefonii sygnał asymetryczny stosowano krótko bowiem zakłócający sygnał wspólny na Ziemi – gruncie od trakcji elektrycznych tramwajów, linii energetycznych i piorunów był ogromny. Rozwiązaniem używanym do dziś w telekomunikacji są symetryczna linia i sygnał symetryczny.
Im bardziej rozległy jest system tym większe są problemy z zakłóceniami a szczególnie różnice napiec między sygnałowymi GND połączonych kablami sygnałowymi urządzeń.
Zatem zakłócający sygnał wspólny jest pochodną rozległości systemu.
Odpowiedniej konstrukcji (!) transformator sygnałowy do linii symetrycznych ma spore tłumienie sygnału wspólnego. Transformator nie przenosi prądu stałego ani niskich częstotliwości i stąd już pierwszy stosowany w telefonii PCM kod kanałowy AMI tego nie wymagał.
Izolacja galwaniczna dla sygnału zawierającego składową stałą i niskie częstotliwości nie może wprost użyć transformatora.
Do izolacji „szeregowego” sygnału cyfrowego doskonale nadają się transoptory oraz łącza z światłowodem
W panelowo - modułowym systemie Siemensa Teleperm C karty o różnej funkcjonalności są rozmiaru 100x160 mm. Duża zaletą takich systemów jest możliwość automatycznego uszycia ( owijanie na kołkach ) połączeń na backplane kasety z przygotowanego na komputerze schematu systemu sterowania dla obiektu. Taką automatyczną skomputeryzowaną technologie szycia backplane IBM zastosował pioniersko już w 1959 roku.
Moduł M74003-A180 izoluje dwa sygnały. Jest to najdroższy moduł ze wszystkich w systemie.
Moduł M74003-A190 izoluje jeden sygnał.
W obu modułach zastosowano transmisje sygnału przez transformatorki.
Pokazanymi zewnętrznymi połączeniami moduły konfiguruje się stosownie do potrzeb.
Pobierana z systemu moc zasilania nie jest krytyczna czyli konstrukcja tych Izolatorów sygnałów nie jest trudna.
Sensory - stricte są z reguły zamontowane w wytrzymałej metalowej obudowie i izolowane. Sprawdzone praktycznie napięcie przebicia przypadkowego sensora RTD PT100 do metalowej obudowy przekracza 2 KV. Ale termopara może być przyspawana do metalowego obiektu i tu konieczność izolacji jej toru pomiarowego jest oczywista bowiem przecież sygnał z termopary jest bardzo mały. Metalowa konstrukcja obiektu jest z reguły uziemiona ( statek też jest uziemiony poprzez wodę o różnej przewodności ale samolot nie jest uziemiony ) ale normalnie nie płyną przez nią duże prądy. Duże impulsy prądu - napięcia na konstrukcji pojawiają się w momencie uderzenia pioruna a także przy wielkoprądowych zwarciach energetycznych.
1.Konieczność izolowania toru pomiarowego on line sensora pH jest oczywista. Przy ciągłym pomiarze on-line bez udziału człowieka stosowane jest okresowe czyszczenie systemu z sensorem pH. System czyszczący musi mieć zasilanie i izolator sygnału dla pH może korzystać z tej energii zasilania chociaż lepszy jest samodzielny izolator w transmiterze zasilanym z dwuliniowej pętli 4-20 mA.
2.Termopara może być przyspawana do metalowego obiektu i tu konieczność izolacji jej toru pomiarowego jest oczywista. Im bliżej termopary jest Izolator tym lepiej. Pracujące w ekstremalnie wysokich temperaturach i trudnych warunkach termopary często ulegają uszkodzeniu ( zawsze stosowany jest monitoring sprawności małym prądem stałym płynącym przez termoparę ) i nawet gdy są one izolowane ( do awarii ? ) izolacja systemów ma sens.
Moduł 2B52 firmy Analog Devices o dokładności 0.1% ma wejście do izolowanej ( do 600 Vrms ) przez niego termopary typu J, K, T, E, R, S, B . Przy częstotliwości zakłócenia 50 Hz tłumienie sygnału wspólnego wynosi 160 dB ! Pracuje on z dwuprzewodową pętlą prądową 4-20 mA. Cena wynosi circa 60 dolarów.
AD nie ma w ofercie takiego modułu do pracy z RTD PT100 pewnie z uwagi na potrzebny dodatkowy prąd do zasilenia tego sensora. Ale z pewnością kiedyś się takowy pojawi.
3.Sygnałowa GND przepływomierza elektromagnetycznego powinna być połączona z metalowym rurociągiem, którym płynie mierzony strumień cieczy. Ta sygnałowa GND może / powinna być izolowana od wyjściowej GND połączonej wyjściowym kablem z całym systemem automatyzacji.
4.Sensory temperatury PTC ( w gruncie rzeczy binarne, PTC nie są stosowane jako sensory analogowe ) z podwójną izolacją teflonową tolerującą wysokie temperatury umieszczane są w uzwojeniu średnich i dużych maszyn elektrycznych. Oczywiście ich tor musi być izolowany i w dodatku awaryjnie wytrzymać pełne napięcie z jakim pracuje maszyna elektryczna bowiem bez izolacji skutki zniszczenia izolacji sensora byłyby katastrofalne.
5.Napięcie stałe wielkiej mocy używane do masowej przemysłowej elektrolizy w połączeniu szeregowym elementarnych ogniw może sięgać 800 Vdc i pomiar niewielkiego napięcia na kolejnych ogniwach przy dużym napięciu wspólnym musi być izolowany.
Tak samo jest z szeregowym połączeniem akumulatorów do napięcia rzędu 500 Vdc.
6.Izolowany jest pomiar prądu fazowego na wyjściu invertera PWM. Najczęściej używany jest sensor Halla w układzie otwartym lub dokładniejszym układzie zamkniętym z kompensacją uzwojeniem pola magnetycznego od zwoja mierzonego prądu. Stosowane są też sensory ( impulsowe Flux Gate ) z nasycanym rdzeniem.
7.Pomiar prądu w energetycznej linii WN lub NN dokonywany jest izolowanym przekładnikiem prądowym bowiem nie ma tu składowej stałej. Na wypadek przebicia izolacji przekładnika po stronie wtórnej jest ochronny iskrownik i mocny warystor i kolejny transformator izolujący ale już o izolacji rzędu tylko 10 KV jako że prądy zwarcia mogą być rzędu 50 kA !
8.Ale pomiar napięcia na wyjściu tyrystorowego mostka trójfazowego zasilającego silnik DC nie musi być izolowany i wystarczy użyć wzmacniacza różnicowego IA o dużych rezystorach ( > 10 MOhm) na wejściu. Mierzone pulsujące napięcie DC w stosunku do napięcia wspólnego jest duże i nie jest potrzebny bardzo duży współczynnik tłumienia napięcia wspólnego CMRR.
9.W sieciowych zasilaczach impulsowych SMPS nierówne spadki napięć na różnie obciążanych prostownikach wyjściowych wynikają głównie z indukcyjności rozproszenia transformatora mocy SMPS. Toteż stabilizowane jest najważniejsze napięcie w systemie a pozostałe napięcia odrobinę się zmieniają przy obciążeniu. Sygnał błędu regulacji napięcia z izolowanej strony wtórnej na stronę sieciową SMPS przekazywany jest transoptorem lub transformatorkiem impulsowym. W przypadku wielkoekranowego odbiornika TVC stabilizowane jest najważniejsze napięcie rzędu 140 Vdc zasilające układ odchylania poziomego H-Out ( to w TVC największy konsument energii ) ale w odbiornikach TVC niższej klasy o mniejszym ekranie i odbiornikach TV gorsza stabilizacja napięcia jest tylko po stronie pierwotnej.
Sprawność emisyjna diody LED transoptora spada z czasem. Transoptor może się też uszkodzić. Zwykle sygnał izolowany transoptorem obniża napięcie SMPS co przy uszkodzeniu transoptora jest niebezpieczne. Rozwiązaniem chroniącym przed dewastacją jest zwarcie zasilacza przez CrowBar. Lepszym rozwiązaniem jest przekazywanie transoptorem na stronę sieciową sygnału który podnosi napięcie przetwornicy w zakresie do 6-10%. Po uszkodzeniu transoptora SMPS pracuje z gorszą stabilizacją po stronie pierwotnej i obniżonym napięciem wyjściowym. Ale urządzenie nadal pracuje ( z obniżonymi parametrami ) i nie dochodzi do kaskady uszkodzeń czy nawet pożaru.
W zasilaczu komputera najważniejsze jest główne napięcie 5V a napięcie 12V do zasilania serwomechanizmów dysków trochę się zmienia z jego obciążeniem. Gdy to napięcie 12 V lub w rozbudowanych systemach automatyki napięcie 24 V zmienia się z obciążeniem za mocno można je wysokosprawnie stabilizować używając Magnetic Amplifier Ram eya tak jak w pokazanych przykładach Fanuc i Tandy.
10.Pływające obwody wejściowe medycznego urządzenia EKG muszą być podwójnie izolowane i zabezpieczone przed przepięciami
„Izolowane” GND systemu elektronicznego pracującego z sensorami ( izolowanymi od metalowej konstrukcji ) może być celowo utrzymywana na poziomie rzędu 10 Vdc w stosunku do metalowej konstrukcji obiektu gdzie pracują sensory. Pozwala to na pomiar prądu upływu czyli rezystancji izolacji sensorów i okablowania. Zmierzona rezystancja może być podana do jednego z wejść multiplexera ADC i być prezentowana na ekranie komputera. Obniżenie lub zwarcie izolacji ma wywołać Alarm i podjęcie prac naprawczych do przywrócenia izolacji. Przy szukaniu uszkodzonego sensora - kabla po prostu wyciągamy na chwilę z gniazd wtyki kabli aż znajdziemy winnego. Taki układ monitorujący stan izolacji jest szczególnie cenny w systemach pracujących długo bez udziału ludzi.
Ale aby na GND izolowanego systemu nie pojawiło się niebezpieczne napięcie jest on z PE i metalową konstrukcją połączony silnym warystorem lub załączanym nadmiernym napięciem tyrystorem itp.
Zwróćmy uwagę że przez przewód ochronny PE do którego przyłączane są maszyny elektryczne połączone mechanicznie i siłą rzeczy elektrycznie z metalową konstrukcją obiektu, sieci niskiego napięcia płyną prądy pojemności maszyn elektrycznych i prądy przez kondensatory Y przeciwzakłóceniowych filtrów LC w zasilaczach impulsowych SMPS. Tak więc na metalowej konstrukcji obiektu są niewielkie napięcia sieciowe i napięcia zakłóceń.
Hybrydowe "Isolated Amplifier" są w ofercie Analog Devices i Burr Brown. Cena dokładniejszych modułów sięga nawet 100 dolarów. Izolowany sygnał jest przekazany specjalnym transoptorem w układzie Servo lub zmodulowany sygnał transformatorkiem.
Transoptor jest nieliniowy a parametry diody LED pogarszają się z temperaturą. Dodatkowo dioda LED się starzeje i długoterminowo traci efektywność.
-Specjalny transoptor do układu "Servo" ma jedną diodę LED i dwie identyczne izolowane fotodiody. Jego stabilna konstrukcja mechaniczna gwarantuje długoterminowe jednakowe oświetlenie LEDem obu fotodiod , które się nie starzeją. Pokazany na schemacie ( sygnał tylko z jednym znakiem czyli unipolarny ) stabilny, liniowy układ z zastosowaniem tego transoptora jest prosty. Sterujący nadawczą diodą LED wzmacniacz AI z reguły jednocześnie pracuje z sensorem. Kompletny "Isolated Amplifier" zawiera też izolowaną przetworniczkę przeciwsobną ( częstotliwość pracy 100-200 kHz ) do zasilania strony izolowanej z sensorem. Dla układu wielokanałowego przetworniczka jest jedna ( podzielony koszt ! ) ale transformatorek ma wiele izolowanych wzajemnie uzwojeń.
Autor nie posiadał takiego specjalnego transoptora Servo i do prób zastosował podwójny transoptor w obudowie DIL8 łącząc ich diody LED szeregowo. Ponieważ nieliniowe diody LED mają odrobinę różną efektywność świetlną, liniowość nie jest zachwycająca ale o dziwo stabilność cieplna nie jest zła. Ale rezultaty mocno zależą od różnic między transoptorami.
Układ też nazwany "Servo" przez HP z parą transoptorów ma dość marne parametry szczególnie dlatego że użyto fototranzystorów ( Linear Application of Optocouplers, Application note 951-2) których wzmocnienie prądowe jest przecież nieliniowe.
Dla układu wielokanałowego przetworniczka zasilająca jest jedna ( znacznie zmniejszony koszt na kanał ! ) ale transformatorek ma wiele izolowanych uzwojeń z prostownikami.
W pokazanym rozwiązaniu w torze sygnałowym zastosowano katalogowy transformatorek Stancor „PCT-39 Miniature encapsulated transformer” wagi 0.111 oz i rozmiarów L W H 0.31 x 0.41 x 0.465 cala. W przetwornicy również użyto katalogowego transformatorka. Użycie standardowych elementów mocno obniża koszt rozwiązań.
Pobór mocy przez ten układ można mocno zmniejszyć optymalizując m.in. obwody sterujące bramki JFetów i tranzystorów przetworniczki . Mankamentem układu jest tez minimalna asymetria sygnału prostokątnego z generatora z trzema inverterami 74C04 co wywołuje szkodliwe namagnesowanie rdzeni obu transformatorków. Sygnał totalnie symetryczny uzyskuje się przerzutnikiem D połączonym w przerzutnik T na wyjściach Q i /Q.
Dioda w wyjściowym wzmacniaczu jest elementem kompensacji Zera i skali.
W sumie należy ten schemat traktować jako szkic i inspiracje.
Jedyne produkowane w kraju tranzystory polowe JFet serii BF245 z racji dużej wartości rezystancji Rdson ( rośnie z temperaturą ) zupełnie się do takiego układu nie nadają po stronie izolowanej.
Dla sygnału unipolarnego znakomicie nadają się tu jako klucze Mosfety, które mają pasożytniczą antyrównoległa diodę ale bardzo małe Rdson.
Układ z tranzystorami bipolarnymi jako kluczami ma bardzo asymetryczny zakres sygnału i napięcie "ujemne" sygnału ( dla kluczy NPN ) jest niewielkie tak jak niewielka jest połowa napięcie Ubeo. Jednak sygnałów bipolarnych jest mniej niż unipolarnych. Dokładność układu eksperymentalnego ( użyto dostępnych przełączających tranzystorów PNP bowiem mają znacznie krótszy czas wyjścia z nasycenia ) jest całkiem dobra.
-Moduły AD294 mają tylko jeden transformatorek przekazujący (częstotliwość pracy średnio około 200 KHz) jednocześnie moc zasilania w jedną stronę i wartość unipolarnego sygnału w drugą stronę. Moc jest przekazywana w modzie Forward a napięcie sygnału w modzie Flyback gdzie napięcie Flyback jest proporcjonalne do przekazywanego sygnału. Aby współbieżność napięć na stronach - układach Sample/Hold ( po stronie nadawczej pracuje w nadążnej pętli ) załączonym w czasie Flyback po obu stronach była idealna oba uzwojenia dla S/H mają identyczne położenie w stosunku do wtórnego uzwojenia mocy Forward-Flyback. W takim rozwiązaniu rozpiętość unipolarnych napięć nie powinna przekraczać 5 razy czyli system doskonale nadaje się do izolowania pętli 4-20 mA.
Autor wykonał podobny układ ( przetworniczka na jednym tranzystorze jest połowicznie blocking generatorem dla dobrej stabilności czasu załączenia tranzystora ) ale zamiast układów S/H zastosował proste diodowe identyczne prostowniki szczytowe i napięcie mają pewne tętnienia ( z minimalnymi zabiegami są silnie stłumione ) ale dokładność pracy jest zdumiewająco dobra !
Application Note AN-298 National Semiconductor zatytułowana "Isolation Techniques for Signal Conditioning" ilustruje różne nieortodoksyjne metody izolowania sensorów. Układ z izolowanym sensorem temperatury LM135 pracuje na podobnej zasadzie kontrolowania napięcia Flyback jak układ AD-294 ale jest jednak o rząd mnie dokładny z uwagi na spadki napięć na rezystancji uzwojenia i indukcyjności rozproszenia. Działanie innych izolowanych systemów też jest łatwe do analizy i zrozumienia. Nie są to systemy dokładne ale są tanie w realizacji.
-Dla dużej dokładności po stronie izolowanej może pracować Integrator, Komparator i Klucze przetwornika ADC z podwójnym ( a nawet wielokrotnym ) całkowaniem. Taka idea jest stosowana w krajowych miernikach cyfrowych V54X. Dwustronna komunikacja z nieizolowaną częścią cyfrową czyli z mikrokontrolerem może się odbywać jednym transformatorkiem impulsowym choć w starszych rozwiązaniach DVM stosowano kilka transformatorków impulsowych. Dla uniknięcia dodatkowej logiki potrzebna jest odpowiednia konfiguracja licznika w przyszłym mikrokontrolerze. Transformatorek do izolacji galwanicznej byłby nieobowiązkowy i scalony układ do podwójnego całkowania może też pracować połączony galwanicznie z mikrokontrolerem. Oprócz wymienionego zastosowania licznika w mikrokontrolerze są też możliwe inne. Dotychczas licznikom towarzyszy w mikrokontrolerze tylko elementarnie prosta logika i konfiguracje robocze liczników są bardzo ubogie.
Realizacja programowo - sprzętowa obecnymi mikrokontrolerami sekwencji dla ADC „Dual Slope” jest za mało dokładna w czasie.
Dla dużej dokładności po stronie izolowanej może pracować analogowy modulator Sigma Delta przetwornika ADC. Po stronie z procesorem jest filtr cyfrowy. Za pewnik można uznać to że takie systemy się pojawią. Na razie mikrokontroler nie może mieć tego cyfrowego filtru bowiem ten filtr jest bardziej skomplikowany niż mikrokontroler.
Transoptory są coraz szybsze. Logika pracująca z odpowiednim transformatorkiem też jest coraz szybsza a transformatorek coraz zmniejszy i mniejszy . W obu metodach izolacji energia dla izolowanego przesłania jednego binarnego impulsiku ciągle maleje.
Izolacja precyzyjnego systemu analogowego jest droga i należy jej unikać jeśli jest to alternatywnie możliwe w innym rozwiązaniu systemu.
Niestety CEMI nie produkuje odpowiednich transoptorów do systemu Serwo ani też tranzystorów JFet o małej oporności Rdson ani Mosfetów ani szybkich transoptorów cyfrowych.
Nie ma odpowiednich standardowych transformatorków ani nawet odpowiednich ferrytów czy innych materiałów na rdzeń.
Trudny ale interesujący temat.
OdpowiedzUsuń