對(duì)于許多沒有正式儀器培訓(xùn)或經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說，將隔離的概念應(yīng)用于儀器可能很難掌握。然而，了解它是什么、為什么它很重要以及何時(shí)需要它，對(duì)于許多測(cè)量應(yīng)用中安全和高效的測(cè)量至關(guān)重要。本文以一個(gè)目標(biāo)來(lái)研究這些要素：為讀者提供一個(gè)工作基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上對(duì)隔離在他們自己的一系列測(cè)量情況下的重要性做出正確的判斷。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我將主要關(guān)注一個(gè)極端的應(yīng)用，然后使用不同的技術(shù)進(jìn)行測(cè)量（與我在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際看到的方法不同）。有些會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難。其他人可以正常工作。對(duì)于每一個(gè)，將充分描述成功或失敗的原因。

應(yīng)用程序

我選擇了一種常見的工業(yè)測(cè)量方法來(lái)說明隔離的重要性。我們將測(cè)量傳遞到電機(jī)電樞繞組的電流，該電流可用于得出它在負(fù)載下運(yùn)行時(shí)提供的扭矩。在大多數(shù)此類應(yīng)用中，使用分流器測(cè)量電流。該器件用作電阻器，提供精確校準(zhǔn)、恒定和已知的電阻。當(dāng)與電樞電源串聯(lián)時(shí)，分流器上產(chǎn)生的電壓與輸送到電樞的電流成正比。歐姆定律精確地定義了這種關(guān)系：

其中：V s是分流器兩端產(chǎn)生的電壓，Rs是分流電阻。

分流器通常設(shè)計(jì)為在滿量程電流（可能為數(shù)百安培）下提供 100 毫伏的電流。圖 1是我們電機(jī)應(yīng)用的示意圖，顯示了通過串聯(lián)分流器連接到電機(jī)電樞的 480 伏源電壓。還顯示了分流器兩端的電壓 （Vs） 和分流器接地兩側(cè)的電壓（V cm 和 Vcm-Vs）。這些是共模電壓，之所以這樣稱呼，是因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)在我們感興趣的信號(hào) - Vs 的兩側(cè)。正如我們將看到的，我們的儀器如何處理這些共模電壓將決定電樞電流測(cè)量的成敗。

圖 1— 用于測(cè)量電動(dòng)機(jī)中電樞電流 （IA） 的典型分流裝置示意圖。分流器兩端產(chǎn)生的電壓（Vs）與電流成正比。但是在Vs的兩側(cè)都存在共模電壓（V cm和Vcm-Vs）。任何用于測(cè)量Vs（和間接電樞電流）的儀器都必須處理共模電壓。

第 1 課：誰(shuí)需要隔離？

我們大多數(shù)人使用手持式數(shù)字電壓表 （DVM） 進(jìn)行了第一次測(cè)量，這是所有電氣故障排除人員久經(jīng)考驗(yàn)的真正伴侶。DVM 三絕緣塑料外殼內(nèi)的電池通常為其供電。當(dāng)您將DVM連接到分流器進(jìn)行測(cè)量時(shí)（圖2），DVM中包含的所有電路（包括電池）都會(huì)浮動(dòng)到共模電壓的水平。DVM 可以做到這一點(diǎn)，因?yàn)殡姍C(jī)電源的接地與用于為 DVM 供電的電池的接地之間絕對(duì)沒有關(guān)系。從字面上看，分隔兩個(gè)地面的空氣將它們彼此隔離開來(lái)。通過這種方式，DVM設(shè)計(jì)的本質(zhì)（包含電池供電電路的絕緣塑料外殼）提供了本質(zhì)隔離，并允許您進(jìn)行安全準(zhǔn)確的測(cè)量。您記錄DVM提供的毫伏讀數(shù)，并將其插入歐姆定律以確定電樞電流。測(cè)量再簡(jiǎn)單不過了，也麻煩不過了。

圖 2— 使用電池供電的 DVM 進(jìn)行典型分流測(cè)量的示意圖。由于DVM的外殼由絕緣塑料制成，電池為其電路供電，因此電流不可能在共模電壓和DVM之間流動(dòng)。測(cè)量安全準(zhǔn)確。

第2課：災(zāi)難來(lái)襲。

面對(duì)自動(dòng)記錄和繪制電樞電流的新要求，您購(gòu)買了帶有儀表前端的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有單端配置和 100 毫伏測(cè)量范圍。由于DVM無(wú)意中提供了一種虛假的安全感，您購(gòu)買了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的價(jià)格多于功能，因?yàn)槟€不知道共模電壓。你即將接受教育。

電機(jī)關(guān)閉后，您可以將新儀器連接到分流器，仔細(xì)觀察所有極性。上電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)后，您會(huì)看到零安培時(shí)的美麗趨勢(shì)圖。一切都很好。是時(shí)候?yàn)槟碾姍C(jī)供電并進(jìn)行電流測(cè)量了。在按下開關(guān)后的最初幾毫秒內(nèi)，您的大腦會(huì)努力理解眼前發(fā)生的事件。在腎上腺素引起的慢動(dòng)作中，您會(huì)聽到令人作嘔的爆炸聲，并看著您的新數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分解成黑色的碳和火焰團(tuán)。當(dāng)同事們從四面八方跑來(lái)幫助你時(shí)，你的思緒會(huì)回到實(shí)時(shí)，你意識(shí)到你剛剛接受了火的洗禮。煙霧散去后，您開始驗(yàn)尸。

上述事件絕不是夸大其詞。任何可以為電機(jī)供電的 480 伏電源都可以并且已經(jīng)按照描述的方式精確地炸毀了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如果它配置不正確。為什么？圖3顯示，在分流器上連接單端輸入，基本上會(huì)使一個(gè)共模電壓段短路至地，正好位于放大器的輸入端。通過這條路徑接地的電流將您的儀器變成一個(gè)非常昂貴且非常壯觀的保險(xiǎn)絲。

圖3 - 電流惰性。它總是尋求對(duì)地面阻力最小的路徑。在這種情況下，該路徑由放大器的單端配置創(chuàng)建，允許電流從分流器上的共模電壓流過接地放大器并流向地。

第3課：災(zāi)難再次襲來(lái)。

在第 2 課之后，您得出結(jié)論，您確實(shí)需要一個(gè)差分放大器來(lái)進(jìn)行測(cè)量。您認(rèn)為這種配置不提供放大器低端接地的直接路徑。畢竟（伙計(jì)，你應(yīng)該從一開始就看到這一點(diǎn)！），你實(shí)際上想要進(jìn)行差分測(cè)量，測(cè)量分流器兩個(gè)端子之間的電位差。因此，您聯(lián)系您的儀器儀表銷售代表（他現(xiàn)在很高興見到您），然后購(gòu)買另一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，這次帶有差分輸入。

對(duì)自己的決定充滿信心，您可以連接新的更換件（圖4），將其打開，然后將開關(guān)放在電機(jī)上。像以前一樣壯觀，你的新樂器融化了，你的同事跑了過來(lái)，你開始覺得自己像村里的白癡。但你不應(yīng)該。在我的經(jīng)驗(yàn)中，你的誤判實(shí)際上很常見。您確定需要一個(gè)差分放大器，這是正確的。您偶然假設(shè)差分放大器也能提供隔離。事實(shí)上，它們是完全不相關(guān)的概念。由于差分放大器未隔離，因此其前端無(wú)法浮動(dòng)到施加到輸入端的共模電壓水平。因此，放大器承受的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過可能施加的最大值而不會(huì)損壞。這些電壓穿過放大器的前端保護(hù)，找到接地，并建立電流，使儀器解體，就像以前一樣。

圖 4— 差分放大器不是隔離放大器，除非專門設(shè)計(jì)為隔離放大器。在這里，非隔離式差分放大器在存在高共模電壓的情況下施加，結(jié)果是災(zāi)難性的。

第 4 課：成功。

“如果一開始你沒有成功。..”有時(shí)儀器也是如此。利用從以前不成功的測(cè)量嘗試中獲得的知識(shí)來(lái)找到成功的解決方案。在這種情況下，您可以獨(dú)立或通過協(xié)作確定隔離放大器是前兩次以失敗告終的嘗試中缺少的元件。再次聯(lián)系您的儀器儀表代表（他現(xiàn)在認(rèn)為您是他最好的朋友），并訂購(gòu)一個(gè)輸入范圍為100 mV的隔離放大器。如圖5所示連接，隔離放大器通過在其輸入端子和放大器輸出之間保持隔離柵來(lái)模擬手持式DVM。以這種方式?jīng)]有連續(xù)性，因此放大器輸入端的共模電壓與其輸出端之間沒有電流流動(dòng)。您的衡量成功。

圖 5 — 輸入至輸出隔離允許放大器前端在存在共模電壓的情況下相對(duì)于其輸出浮動(dòng)。這允許輸入和輸出之間存在電位差。

結(jié)語(yǔ)

本文假設(shè)了一個(gè)涉及數(shù)百共模伏特的工業(yè)強(qiáng)度應(yīng)用。結(jié)果是一個(gè)相當(dāng)壯觀的失敗模式，寫起來(lái)很有趣，（我希望）閱讀起來(lái)很有趣。不那么令人心跳停止但同樣煩人的是只有幾伏的共模電壓。當(dāng)與非隔離儀器一起使用時(shí)，這些共模電壓往往會(huì)產(chǎn)生噪聲結(jié)果，這最多只能使波形解釋變得困難。在這種情況下，許多工程師認(rèn)為他們需要忍受它。但是，從噪聲帶中插入單個(gè)值會(huì)將主觀性注入定量過程，從而將可重復(fù)性拋出窗外。只有您可以決定是否可以容忍這種情況，但通過使用本文中描述的適當(dāng)檢測(cè)技術(shù)，您不必這樣做。

由連接到非隔離儀器的較低共模電壓引起的最后一個(gè)故障是微妙地?cái)嚅_儀器的前端。沒有煙。沒有煙花。有一次，您試圖用額定電壓為 10 伏的非隔離前端測(cè)量 5 伏信號(hào)。下一刻，您的儀器將不響應(yīng)任何施加的電壓。只要您要測(cè)量的最大電壓和共模電壓之和超過儀器的最大電壓無(wú)損壞額定值，儀器就會(huì)處于危險(xiǎn)之中。以 5 伏信號(hào)為例，使用額定電壓為 25 伏的儀器而不會(huì)損壞，任何超過 20 伏的共模電壓都會(huì)損壞儀器。沒有煙。沒有煙花。它只是停止工作。

共模電壓可以是極小、極大或介于兩者之間的任何位置。了解它們是什么以及它們?nèi)绾纹茐奶囟ǖ膬x器配置對(duì)于測(cè)量成功至關(guān)重要。評(píng)估您的特定測(cè)量情況，然后選擇能夠完成工作的儀器。

審核編輯：郭婷