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 вы можете 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 – IEC) выработали технические требования безопасности при проектировании высоковольтных установок. Продукция, имеющая соответствующие знаки, проверена (в некоторых случаях, самими организациями) на соответствие техническим требованиям.
Кроме поиска на продукции знаков соответствия одной из этих организаций, существует другой способ определить класс изоляции системы согласования сигналов. Он заключается в выяснении двух ключевых характеристик – максимального допустимого напряжения и категории установки.
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.
Категория установки
По определению, категория установки описывает местоположение, где вы можете использовать определенное измерительное устройство, основываясь при этом на величине возможных переходных сигналов (включая помехи) в этом месте. В более общем смысле, данное требование описывает возможные переходные процессы, которые сможет выдержать устройство.
Существуют четыре категории установки, как показано на следующем рисунке.
В зависимости от местонахождения электрической распределительной системы существует определенное количество колебаний до установления напряжения в системе. Чем ближе система к электростанции, тем колебания напряжения случаются реже. И наоборот, чем более распределена система передачи электроэнергии, тем колебания напряжения учащаются. Колебания уменьшают перенапряжения, присутствующие в системе. Чем ближе ваша система к источнику напряжения, тем больше амплитуда переходных процессов. В зависимости от местоположения измерительной системы необходимо применить определенные меры предосторожности для защиты системы от потенциально опасных перенапряжений в электрической распределительной системе. МЭК разработал следующие четыре категории для отдельных уровней электропотребления с различными величинами перенапряжений.
Категория установки IV – Уровень распределения. Включает в себя такое оборудование, как генераторы, подстанции и трансформаторы.
Категория установки III – Стационарные устройства. Включает в себя оборудование, постоянно присоединенное к распределительной сети, такое как кондиционеры воздуха и камины.
Категория установки II – Оборудование, потребляющее электрическую энергию от стационарных систем. Например, дрели, телевизоры, радиоприемники и компьютеры.
Категория установки I – Оборудование для присоединения к электрическим сетям, в которых перенапряжения при переходных процессах конструктивно ограничены достаточно небольшим уровнем. Оборудование I категории включает себя, например, низковольтные источники тока.
Электрическая изоляция обеспечивает безопасный барьер между пользователем и его оборудованием с одной стороны и высокими напряжениями и перенапряжениями при переходных процессах с другой. Устройство, обеспечивающее безопасную электрическую изоляцию, – это очень полезный элемент в вашей системе.
Все изолирующие SCXI модули компании National Instruments имеют двойную изоляцию для непрерывной работы с напряжением амплитудой 250 Vrms. Кроме этого, они протестированы и выдерживают напряжение на входе 2300 вольт в течение одной минуты, что позволяет не бояться перенапряжений при переходных процессах. Изолирующие SCXI модули выполнены в соответствии с требованиями IEC-1010 для второй категории установки. За большей информацией о категориях установки обращайтесь к публикациям МЭК.
IEC 664-1 Координирующие требования установки оборудования в низковольтных системах.
IEC 1010-1 – Требования безопасности электротехнического оборудования для систем измерений, управления и лабораторных установок.
F. Согласование сигналов с датчиков
Измерительные преобразователи (датчики) – это устройства, преобразующие физические явления, такие как температура, деформация, давление или свет, в электрические величины, такие как напряжение или сопротивление. Характеристики преобразователей определяют большинство требований системы сбора данных к согласованию сигнала.
G. Термопары
Одним из наиболее часто используемых преобразователей температуры является термопара (thermocouple). Термопары очень неприхотливы, дешевы и могут работать в широком диапазоне температур. Термопара образуется, когда соединяют вместе два разнородных металла, при этом точка контакта генерирует небольшое напряжение, являющееся функцией температуры. Это термоэлектрическое напряжение известно как напряжение Зеебека, названное в честь Томаса Зеебека (Thomas Seebeck), открывшего это явление в 1821 году. Напряжение нелинейно зависит от температуры. Однако, при малых изменениях температуры напряжение почти линейно:
где V – изменение напряжение, S – коэффициент Зеебека, а T – изменение температуры.
Коэффициент S изменяется с температурой, что обуславливает нелинейность выходного напряжения термопар в пределах их рабочих диапазонов. Типы термопар обозначаются заглавными английскими буквами, которые характеризуют их состав в соответствии с соглашениями Национального Института Стандартизации США (ANSI). Например, термопара J-типа состоит из железного и константанового (сплав меди и никеля) проводников. Напряжения термопар можно отслеживать с помощью многофункциональных систем сбора данных, базирующихся в компьютере. Термопары имеют ряд специальных требований при согласовании их сигналов.