對于許多沒有正式儀器培訓或經驗的人來說，將隔離的概念應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需要它，對于許多測量應用中安全和高效的測量至關重要。本文以一個目標來研究這些要素：為讀者提供一個工作基礎，在此基礎上對隔離在他們自己的一系列測量情況下的重要性做出正確的判斷。

為了實現這一目標，我將主要關注一個極端的應用，然后使用不同的技術進行測量（與我在現場實際看到的方法不同）。有些會導致災難。其他人可以正常工作。對于每一個，將充分描述成功或失敗的原因。

應用程序

我選擇了一種常見的工業測量方法來說明隔離的重要性。我們將測量傳遞到電機電樞繞組的電流，該電流可用于得出它在負載下運行時提供的扭矩。在大多數此類應用中，使用分流器測量電流。該器件用作電阻器，提供精確校準、恒定和已知的電阻。當與電樞電源串聯時，分流器上產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系：

其中：V s是分流器兩端產生的電壓，Rs是分流電阻。

分流器通常設計為在滿量程電流（可能為數百安培）下提供 100 毫伏的電流。圖 1是我們電機應用的示意圖，顯示了通過串聯分流器連接到電機電樞的 480 伏源電壓。還顯示了分流器兩端的電壓 （Vs） 和分流器接地兩側的電壓（V cm 和 Vcm-Vs）。這些是共模電壓，之所以這樣稱呼，是因為它們出現在我們感興趣的信號 - Vs 的兩側。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量的成敗。

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

第 1 課：誰需要隔離？

我們大多數人使用手持式數字電壓表 （DVM） 進行了第一次測量，這是所有電氣故障排除人員久經考驗的真正伴侶。DVM 三絕緣塑料外殼內的電池通常為其供電。當您將DVM連接到分流器進行測量時（圖2），DVM中包含的所有電路（包括電池）都會浮動到共模電壓的水平。DVM 可以做到這一點，因為電機電源的接地與用于為 DVM 供電的電池的接地之間絕對沒有關系。從字面上看，分隔兩個地面的空氣將它們彼此隔離開來。通過這種方式，DVM設計的本質（包含電池供電電路的絕緣塑料外殼）提供了本質隔離，并允許您進行安全準確的測量。您記錄DVM提供的毫伏讀數，并將其插入歐姆定律以確定電樞電流。測量再簡單不過了，也麻煩不過了。

圖 2— 使用電池供電的 DVM 進行典型分流測量的示意圖。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。測量安全準確。

第2課：災難來襲。

面對自動記錄和繪制電樞電流的新要求，您購買了帶有儀表前端的數據采集系統，該系統具有單端配置和 100 毫伏測量范圍。由于DVM無意中提供了一種虛假的安全感，您購買了數據采集系統的價格多于功能，因為您還不知道共模電壓。你即將接受教育。

電機關閉后，您可以將新儀器連接到分流器，仔細觀察所有極性。上電數據采集系統后，您會看到零安培時的美麗趨勢圖。一切都很好。是時候為您的電機供電并進行電流測量了。在按下開關后的最初幾毫秒內，您的大腦會努力理解眼前發生的事件。在腎上腺素引起的慢動作中，您會聽到令人作嘔的爆炸聲，并看著您的新數據采集系統分解成黑色的碳和火焰團。當同事們從四面八方跑來幫助你時，你的思緒會回到實時，你意識到你剛剛接受了火的洗禮。煙霧散去后，您開始驗尸。

上述事件絕不是夸大其詞。任何可以為電機供電的 480 伏電源都可以并且已經按照描述的方式精確地炸毀了數據采集系統，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，基本上會使一個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非常昂貴且非常壯觀的保險絲。

圖3 - 電流惰性。它總是尋求對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：災難再次襲來。

在第 2 課之后，您得出結論，您確實需要一個差分放大器來進行測量。您認為這種配置不提供放大器低端接地的直接路徑。畢竟（伙計，你應該從一開始就看到這一點！），你實際上想要進行差分測量，測量分流器兩個端子之間的電位差。因此，您聯系您的儀器儀表銷售代表（他現在很高興見到您），然后購買另一個數據采集系統，這次帶有差分輸入。

對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，然后將開關放在電機上。像以前一樣壯觀，你的新樂器融化了，你的同事跑了過來，你開始覺得自己像村里的白癡。但你不應該。在我的經驗中，你的誤判實際上很常見。您確定需要一個差分放大器，這是正確的。您偶然假設差分放大器也能提供隔離。事實上，它們是完全不相關的概念。由于差分放大器未隔離，因此其前端無法浮動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遠超過可能施加的最大值而不會損壞。這些電壓穿過放大器的前端保護，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，除非專門設計為隔離放大器。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，結果是災難性的。

第 4 課：成功。

“如果一開始你沒有成功。..”有時儀器也是如此。利用從以前不成功的測量嘗試中獲得的知識來找到成功的解決方案。在這種情況下，您可以獨立或通過協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。再次聯系您的儀器儀表代表（他現在認為您是他最好的朋友），并訂購一個輸入范圍為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模擬手持式DVM。以這種方式沒有連續性，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。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于其輸出浮動。這允許輸入和輸出之間存在電位差。

結語

本文假設了一個涉及數百共模伏特的工業強度應用。結果是一個相當壯觀的失敗模式，寫起來很有趣，（我希望）閱讀起來很有趣。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。當與非隔離儀器一起使用時，這些共模電壓往往會產生噪聲結果，這最多只能使波形解釋變得困難。在這種情況下，許多工程師認為他們需要忍受它。但是，從噪聲帶中插入單個值會將主觀性注入定量過程，從而將可重復性拋出窗外。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檢測技術，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故障是微妙地斷開儀器的前端。沒有煙。沒有煙花。有一次，您試圖用額定電壓為 10 伏的非隔離前端測量 5 伏信號。下一刻，您的儀器將不響應任何施加的電壓。只要您要測量的最大電壓和共模電壓之和超過儀器的最大電壓無損壞額定值，儀器就會處于危險之中。以 5 伏信號為例，使用額定電壓為 25 伏的儀器而不會損壞，任何超過 20 伏的共模電壓都會損壞儀器。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如何破壞特定的儀器配置對于測量成功至關重要。評估您的特定測量情況，然后選擇能夠完成工作的儀器。

審核編輯：郭婷