Galvanisk isolering i industriella mätsignaler
I en industriell anläggning skickas mätsignaler ofta från fältinstrument till PLC, DCS eller andra styrsystem. På vägen passerar signalen kablar, kopplingsskåp, matningar och jordpunkter. Om installationen påverkas av störningar eller olika elektriska nivåer kan mätvärdet bli fel, även när själva givaren fungerar som den ska.
Galvanisk isolering används för att skilja två elektriska kretsar från varandra, men ändå föra över mätsignalen. Det är vanligt i signalvägar med 4–20 mA, 0–10 V och andra industriella standardsignaler.
Vad betyder galvanisk isolering?
Galvanisk isolering innebär att det inte finns någon direkt elektrisk förbindelse mellan två sidor av en signalväg. Fältinstrumentet och styrsystemet hålls alltså elektriskt åtskilda, samtidigt som mätvärdet kan överföras vidare.
Det kan jämföras med att signalen passerar en skyddad gräns. Själva mätinformationen går vidare, men oönskade strömmar och potentialskillnader får inte samma möjlighet att följa med mellan kretsarna.
Varför används galvanisk isolering?
En vanlig orsak är att undvika jordloopar. En jordloop kan uppstå när två delar av en anläggning är jordade på olika punkter och det finns flera vägar till jord. Då kan en oönskad ström påverka signalen och ge ett felaktigt eller instabilt mätvärde.
Galvanisk isolering används också för att hantera common-mode-spänningar. Det handlar om spänningar som finns mellan signalens ledare och jord eller annan referenspunkt. Om spänningen blir för hög kan styrsystemets ingång påverkas, trots att själva mätsignalen ser korrekt ut.
Störningar i industriell miljö
Mätsignaler kan påverkas av utrustning som motorer, frekvensomriktare, kontaktorer och kraftkablar. Störningarna kan spridas via kablar, jordningar eller genom elektrisk påverkan mellan ledare.
En isolator tar inte bort behovet av rätt kabeldragning, skärmning och jordning. Däremot hjälper den till att begränsa hur störningar förs vidare mellan fältinstrument och styrsystem. Det är särskilt relevant vid långa kabelsträckor eller när signal- och kraftkablar finns nära varandra.
Skydd för PLC och DCS
PLC- och DCS-ingångar är byggda för industriell drift, men de har ändå elektriska gränser. Om en felspänning, transient eller potentialskillnad når ingångskortet kan mätningen störas eller utrustningen skadas.
Genom att placera en isolator mellan fältsidan och styrsystemet minskar risken att problem från fältet förs in i styrsystemet. Det kan vara relevant i anläggningar där mätpunkter är utspridda, där flera jordpunkter finns eller där elektrisk utrustning startar och stoppar nära signalvägen.
Passiva isolatorer
En passiv isolator används ofta när en 0/4–20 mA-signal ska isoleras utan separat hjälpmatning. Den får sin energi från signal-loopen och överför normalt signalen 1:1.
Det gör passiva isolatorer lämpliga när uppgiften är enkel: att bryta den elektriska kopplingen mellan fältinstrument och styrsystem. De används inte för att förstärka, skala eller omvandla signalen. INORs passiva isolatorer är exempel på produkter för denna typ av signalisolering.
Isolation transmitters och isolation amplifiers
När signalen behöver mer än ren isolering används ofta en externt matad enhet, till exempel en isolation transmitter eller isolation amplifier. Den har egen matning och kan därför göra mer än en passiv isolator.
Den här typen av enhet kan till exempel användas för att förstärka, filtrera, skala eller omvandla en signal. Ett vanligt exempel är omvandling mellan 0–10 V och 4–20 mA. INORs sortiment inom isolatorer och skiljeförstärkare omfattar lösningar för flera sådana signaluppgifter.
När används tekniken?
Galvanisk isolering används i många typer av mätkedjor där fältinstrument kopplas till styrsystem. Det förekommer bland annat inom processindustri, energi, vatten, avlopp, livsmedel, kemi, papper och massa samt marin industri.
Vanliga användningsområden är:
- 4–20 mA-signaler från tryck-, nivå-, flödes- och temperaturtransmittrar
- signaler mellan fältinstrument och PLC eller DCS
- anläggningar med långa kabeldragningar
- miljöer med frekvensomriktare, motorer eller annan störande utrustning
- installationer där olika delar av systemet har olika jordpotential
- signaler som ska isoleras, repeteras, förstärkas eller omvandlas
Kontrollera hela signalvägen
En isolator bör väljas utifrån hela mätkedjan, inte bara utifrån signaltypen. Det behöver finnas tillräcklig matningsspänning, rätt lastförmåga och rätt isolationsnivå för installationen.
I en loopmatad 4–20 mA-krets skapar varje komponent ett visst spänningsfall. Om flera enheter ligger i samma loop kan spänningen vid signalomvandlaren bli för låg. I sådana fall kan en aktivt matad isolator eller repeater vara ett bättre tekniskt val.
En stabilare signalväg
Galvanisk isolering gör mätkedjan mindre känslig för elektrisk påverkan mellan fältinstrument och styrsystem. Den används för att minska problem med jordloopar, common-mode-spänningar, störningar och oönskade strömmar i signalvägen.
För enkla 4–20 mA-signaler kan en passiv isolator räcka. När signalen även ska matas, förstärkas, repeteras eller omvandlas behövs ofta en aktiv enhet, till exempel en isolation transmitter, repeater eller isolation amplifier. Valet bör därför utgå från hur signalen ser ut, hur den matas och vad som ska hända med den innan den når styrsystemet.