측정 시 절연 종류 및 고려사항

절연은 계측기의 서로 다른 두 부분을 물리적, 전기적으로 분리하는 방법입니다. 계측기에 절연이라는 용어가 사용되는 경우 전기적 절연을 의미할 가능성이 크며, 이는 시스템의 서로 분리된 두 부분 간에 전류가 흐르지 않는다는 의미입니다. 전기적으로 절연하면 다양한 이점을 누릴 수 있는데 그 중에서도 가장 큰 이점은 측정 정확도와 관련하여 절연이 접지 루프를 차단한다는 점입니다.

또한 물리적, 전기적 절연막을 통해 사용자 또는 중요한 회로 구성요소가 고전압 또는 높은 과도 전압에 노출되지 않아 안전하게 보호될 수 있습니다. 이에 대해서는 이후 섹션에서 설명할 것입니다.

먼저 접지 루프를 간단히 살펴보겠습니다. 접지 루프에 대한 자세한 내용은 Instrument Fundamental Series의 측정 개선을 위한 접지 고려사항 백서를 찾아보시기 바랍니다.

접지 루프

접지 루프는 수집 어플리케이션의 가장 일반적인 노이즈 소스입니다. 회로에 연결된 두 단자가 서로 다른 접지 전위에 있을 때 발생하여 두 지점 사이에 전류가 흐릅니다. 이 전위 차이 때문에 측정된 전압 V_m에 에러가 발생되며 이는 식 1을 사용하여 계산할 수 있습니다.

식 1: 접지 루프가 있는 상태에서 측정된 전압

여기서 각 항은 다음과 같습니다.

= 측정된 전압

 = 신호 전압

  = 신호 소스 접지와 계측기 접지 간 전압 차이

측정 개선을 위한 접지 고려사항 백서에는 신호 소스와 측정 시스템 설정에 접지 참조가 하나만 있게 만들어 접지 루프를 제거하는 방법이 설명되어 있습니다. 그러나 절연된 하드웨어를 사용하면 신호 소스의 접지와 측정 시스템의 접지 간에 전류가 흐를 수 있는 경로가 사라지기 때문에 접지 루프도 사라지게 됩니다.

일반적으로 낮은 레벨의 보호부터 높은 레벨의 보호까지 세 가지 각기 다른 타입의 절연 토폴로지가 있습니다.

• 채널 대 접지 절연
• 뱅크(채널 대 버스) 절연
• 채널 대 채널 절연

채널 대 접지 절연

계측기의 가장 낮은 절연 보호 레벨입니다. 채널 대 접지 절연의 회로도는 그림 1을 참조하십시오. AI 1, AI 2, AI 접지의 전압은 서로 절연된 상태가 아닙니다. 그러나 계측기 접지에서는 절연되어 있습니다. 이 절연 토폴로지는 AI 1과 접지 사이의 접지 루프를 차단하지만 AI 1에 흐르는 전류가 AI 2에서 전압을 유도할 수 있는데, 그 이유는 서로 절연되어 있지 않기 때문입니다.

^{그림 1: 채널 대 접지 절연은 채널 간에 서로 절연하지 않지만 계측기 접지에서 채널을 절연합니다.}

뱅크 (채널 대 버스) 절연

뱅크 절연은 채널 대 버스 절연이라고도 하며 여러 물리적 라인이 뱅크라는 그룹으로 구성됩니다. 이 아키텍처는 그림 2를 참조하십시오. 서로 다른 뱅크의 채널 사이에 절연막이 있기 때문에 뱅크 간의 접지 루프 보호 레벨이 높습니다. 그러나 이 토폴로지에서는 뱅크 내 채널의 신호가 서로 영향을 미칠 수 있습니다.

^{그림 2: 뱅크 절연에서 서로 다른 뱅크 간 접지 루프 보호 레벨이 높습니다.}

채널 대 채널 절연

이 토폴로지는 모든 채널이 접지에서 절연되어 있고 각 채널이 다른 모든 개별 채널과도 절연되어 있기 때문에 계측기 라인의 신호를 가장 포괄적으로 보호합니다. 그림 3에서 이 토폴로지를 살펴보십시오.

^{그림 3: 채널 대 채널 절연에서 각 채널은 다른 모든 개별 채널로부터 절연됩니다.}

아날로그 입력 또는 출력 채널은 계측기 절연 토폴로지에 관계없이 두 가지의 다른 방법으로 절연할 수 있습니다. 두 방법은 계측기의 절연 회로 위치에 차이가 있습니다. 아날로그 절연은 절연 회로가 아날로그 대 디지털 변환기 (ADC) 앞에 있어 아날로그 신호에 영향을 미치는 것입니다. 디지털 절연은 새로 디지털화된 데이터에 작용하기 때문에 ADC 뒤에 절연 회로가 있게 됩니다.

아날로그 절연

절연 증폭기는 절연에 사용되는 가장 일반적인 부품 중 하나로 계측기의 아날로그 프런트 엔드에서 절연됩니다. 그림 4에서 볼 수 있듯 아날로그 데이터는 센서에서 게인 증폭기를 거쳐 I/O 커넥터로, 절연 증폭기로, 그리고 ADC로 전달됩니다.

^{그림 4: 절연 증폭기는 절연에 사용되는 가장 일반적인 부품 중 하나로 계측기의 아날로그 프런트 엔드에서 절연됩니다.}

아날로그 절연의 한 가지 큰 이점은 ADC를 보호할 수 있다는 것입니다. ADC 앞에서 절연이 이루어지기 때문에 ADC가 과도 전압이나 고전압 때문에 손상될 가능성이 적습니다. 그러나 아날로그 절연에는 단점이 있습니다. 첫째, 아날로그 절연은 완벽하지 않고 ADC 앞에 있어 아날로그 신호가 ADC에 도달하기 전에 게인, 비선형 또는 오프셋 에러가 발생할 수 있습니다. 이러한 에러는 좋지 않으며 측정 정확도를 떨어뜨릴 수 있습니다. 또한 아날로그 절연 구성요소는 안정화 시간이 더 길어질 수 있고 디지털 절연 구성요소보다 비싼 경우가 많습니다.

디지털 절연

아날로그 절연과 달리 디지털 절연 회로는 그림 5와 같이 계측기의 ADC 뒤에 배치됩니다.

^{그림 5: 아날로그 절연과 달리 디지털 절연 회로는 계측기의 ADC 뒤에 배치됩니다.}

측정된 신호가 ADC에서 디지털화하기 전에 변화가 적기 때문에 디지털 절연은 아날로그 절연 회로에 비해 성능과 정확도가 뛰어납니다. 또한 디지털 절연 회로는 아날로그 절연 회로와 비교했을 때 일반적으로 전체 비용이 절감되고 데이터 전송 속도가 향상되는 등 장점이 있습니다. 그러나 디지털 절연 회로가 ADC 뒤에 있기 때문에 ADC가 전압 스파이크로 인해 일어날 수 있는 손상에 더 취약해집니다.

계측기의 일반적인 절연 토폴로지와 계측기 내 신호에 절연을 적용할 수 있는 위치는 설명했지만 절연막 자체 또는 신호가 절연막을 어떻게 통과하는지는 설명하지 않았습니다. 이 섹션에서는 절연막에 대해 간략히 살펴본 후 각기 다른 기술을 사용하여 절연막을 통해 신호 데이터를 전송하는 세 가지 일반적인 절연 타입을 알아봅니다.

물리적 절연은 절연의 가장 기본적인 형태이며, 이는 두 전기 시스템 사이에 물리적인 막이 있음을 의미합니다. 물리적 막은 절연체, 에어갭 또는 두 전기 시스템 간의 비전도성 경로의 형태일 수 있습니다. 물리적으로 완전히 절연시키면 전기 시스템 간에 신호가 전송되지 않습니다. 절연된 측정 시스템을 다룰 때 관심 신호는 절연막을 통과해야 하는데 이때, 접지 루프를 제거한다는 이점이 있습니다. 따라서 신호 에너지를 절연막을 통해 전달하거나 커플링해야 합니다. 절연을 통해 신호를 전송하는 일반적인 기술은 세 가지로 아래와 같습니다.

용량성 절연

그림 6과 같이 용량성 절연은 전기장을 에너지 형태로 사용하여 절연막을 통해 신호를 전달합니다. 전기장은 커패시터의 전하 레벨을 바꿉니다. 이 전하는 절연막을 통과할 때 감지되며 감지된 전하는 측정된 신호 레벨에 비례합니다.

^{그림 6: 용량성 절연은 전기장을 에너지 형태로 사용하여 절연막을 통해 신호를 전송합니다.}

유도성 절연

유도성 절연은 그림 7과 같이 변압기를 사용하여 절연막을 통해 신호를 전송합니다. 변압기는 절연막을 통과하기 위한 에너지 형태로 측정된 신호에 비례하는 전자기장을 생성합니다.

^{그림 7: 유도성 절연은 위의 기호가 표시된 변압기를 사용하여 절연막을 통해 신호를 전송합니다.}

용량형 커플링과 마찬가지로 유도성 절연은 비교적 고속으로 데이터를 전송할 수 있습니다. 유도형 커플링은 고속 전송 외에도 저전력으로 데이터를 전송합니다. 그러나 유도형 커플링은 절연막을 통과할 때 전자기장을 이용하기 때문에 주변 자기장의 간섭을 받기 쉽습니다. 외부 자기장이 변압기에서 생성된 전자기장을 간섭할 경우 측정 정확도에 문제가 생길 수 있습니다.

광학 절연

광학 절연은 LED와 광검출기를 사용하여 절연막을 통해 신호 정보를 전송합니다. 광학 절연에서는 일반적으로 에어 갭을 절연막으로 활용하며 신호는 빛을 사용하여 전송됩니다. LED에서 생성되는 광도는 측정되는 신호에 비례합니다.

^{그림 8: 광학 절연은 LED와 광검출기를 사용하여 절연막을 통해 신호 정보를 전송합니다.}

광학 절연은 빛을 에너지로 사용하여 절연막을 통해 측정된 신호를 전송하기 때문에 전기장이나 자기장 간섭에 크게 영향을 받지 않는다는 이점이 있습니다. 따라서 강한 전기장 또는 자기장이 필요한 산업 분야에서 광학 절연을 효과적인 기술로 활용할 수 있습니다. 빛을 사용하여 얻게 되는 이점은 몇 가지 단점으로 상쇄됩니다. 광학 절연은 일반적으로 데이터 전송 속도가 느린데 이는 LED 스위칭 속도로 제한됩니다. 또한 용량성 절연 및 유도성 절연과 비교했을 때 상대적으로 더 많은 전력이 손실됩니다.

• 절연은 계측기의 서로 다른 두 부분을 물리적, 전기적으로 분리하는 방법입니다.
• 접지 루프를 차단하여 관심 신호를 더 정확히 측정할 수 있는 점은 절연 측정 시스템의 주요 이점입니다.
• 어플리케이션 요구사항에 따라 시스템 요구사항에 가장 적합한 절연 토폴로지를 선택할 수 있습니다.
  • 채널 대 접지 절연은 계측기 접지에서 채널을 절연합니다.
  • 뱅크 (채널-버스) 절연은 라인 그룹 (뱅크)을 다른 라인 그룹과 계측기 접지에서 분리합니다.
  • 채널 대 채널 절연은 모든 라인을 존재하는 다른 모든 라인과 계측기 접지에서 분리합니다.
• 아날로그 절연 회로는 고전압과 과도 전압으로부터 ADC를 보호하지만 신호가 ADC에 도달하기 전에 신호에 게인, 비선형, 오프셋 에러가 발생할 수 있습니다.
• 디지털 절연 회로는 ADC를 보호하지 못하지만 아날로그 절연과 비교했을 때 이점은 ADC에 도달하기 전에 신호의 변화가 적기 때문에 비용이 절감되고 데이터 전송 속도가 향상되며 정확도가 개선됩니다.
• 절연 타입 개요: 

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