信號(hào)隔離器原理及應(yīng)用

                                              ——蘇州迅鵬儀器儀表有限公司

在工業(yè)生產(chǎn)過程中，生成過程的監(jiān)視和控制中要用到各種各樣的儀器儀表，會(huì)產(chǎn)生各種各樣的信號(hào)：既有微弱的毫伏級(jí)的小信號(hào)，又有數(shù)十伏的大信號(hào)，甚至還有高達(dá)數(shù)千伏和數(shù)百安培的強(qiáng)信號(hào)；既有直流低頻信號(hào)，也有高頻或脈沖尖峰信號(hào)；而這些信號(hào)都要經(jīng)過互相傳遞和輸送的過程，因此如何保證這些信號(hào)，特別是模擬信號(hào)在傳輸過程中不失真將成為系統(tǒng)調(diào)試中必須解決的問題。

具體地說，只有當(dāng)控制裝置和分布在現(xiàn)場(chǎng)的傳感器和執(zhí)行器之間的模擬信號(hào)傳輸*并且不失真時(shí)，才能保證過程控制安全可靠。尤其是小功率的模擬信號(hào)在干擾大的工業(yè)環(huán)境中傳輸時(shí)受各種外部干擾信號(hào)的影響，它們需要一條可靠的傳輸通道。日常工作經(jīng)驗(yàn)表明，受設(shè)備要求的制約，必須謹(jǐn)慎小心的處理和傳輸模擬信號(hào)。而現(xiàn)場(chǎng)和控制層之間以模擬信號(hào)形式傳輸?shù)臏y(cè)量和控制參數(shù)，在傳輸工程中常處于較惡劣的工業(yè)環(huán)境中，很可能會(huì)造成這些信號(hào)的失真。

l         造成模擬信號(hào)失真的原因

1.       接地環(huán)路問題：如下圖所示，當(dāng)過程環(huán)路中有兩處或兩處以上接地電阻不相等時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生接地環(huán)路，過程信號(hào)就會(huì)失

 要使信號(hào)完整而不失真地傳輸，理想化的情況是所有設(shè)備、儀表中的信號(hào)都有一個(gè)共同的參考點(diǎn)，也就是有一個(gè)共同的“地”。只有這樣，所有的設(shè)備、儀表的信號(hào)參考點(diǎn)之間電位差才能為“零”。很顯然，不同設(shè)備的接地電阻很難保證都相等，接地電阻也會(huì)隨著傳輸距離的增加而升高，有時(shí)甚至產(chǎn)生高達(dá)200V的電位差。

2.       測(cè)量回路相互連接問題：如下圖所示，在這些回路中，參考點(diǎn)要將因?yàn)榻油ǘ鄠€(gè)信號(hào)回路而升高。

如上圖，在這種相互連接的測(cè)量回路中，由于線間電阻的不斷增加，必然會(huì)引起參考電壓的不斷升高。

3.       電磁干擾問題：這是比較常見的干擾，特別是在長距離或者干擾較大的工業(yè)環(huán)境中，很難避免感性和容性干擾在測(cè)量回路中相互參雜的情況。

解決這些問題的方案主要有三種：

*種方案是現(xiàn)場(chǎng)儀表不接地，使過程環(huán)路中只有一個(gè)接地點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中，這種方案往往難以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟承┰O(shè)備必須接地才能保證測(cè)量精度或確保人身安全，某些設(shè)備可能因?yàn)殚L期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點(diǎn)。

第二種方案是使兩接地點(diǎn)的電勢(shì)相同，但由于接地點(diǎn)的電阻受地質(zhì)條件及氣候變化等眾多因素的影響，這種方案通常是很難實(shí)現(xiàn)的。

第三種方案是在過程環(huán)路中使用信號(hào)隔離器。信號(hào)隔離器采用隔離技術(shù)，斷開過程環(huán)路中的直接電路（直流通路）但又不影響過程信號(hào)的正常傳輸，從而*解決了上述問題。

  當(dāng)然，我們也可以用DCS的隔離卡鍵或帶隔離能力的變送器實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離，但它們價(jià)格昂貴，而且他們的隔離強(qiáng)度、抗無限射頻/電磁干擾（RFI/EMI）指標(biāo)及應(yīng)用靈活性比信號(hào)隔離器差，更不可能像信號(hào)隔離器那樣還可解決信號(hào)轉(zhuǎn)換及信號(hào)分配等問題。
信號(hào)隔離器原理

目前，信號(hào)隔離（變換）器從隔離方式上主要分為：變壓器隔離方式，光電隔離方式和變壓器與光電聯(lián)合隔離方式等幾種。

信號(hào)隔離器至今已有40多年的歷史，早期的信號(hào)隔離器都是采用變壓器隔離方式，它的特點(diǎn)是：性能穩(wěn)定，壽命長，帶負(fù)載能力強(qiáng)，隔離強(qiáng)度高，但電路復(fù)雜，制作工藝要求更高。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近些年來逐漸出現(xiàn)了利用光耦合器（optical coupler）生產(chǎn)的光電式隔離器，它的特點(diǎn)是：性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，而且線路簡(jiǎn)單，成本低廉，但相對(duì)于變壓器隔離方式壽命略短。

在一些現(xiàn)場(chǎng)干擾較大，工藝要求較高場(chǎng)合出現(xiàn)了變壓器與光電聯(lián)合方式的信號(hào)隔離器，它的隔離能力、抗無限射頻和電磁干擾能力更強(qiáng)。

圖中可以看出，隔離器實(shí)現(xiàn)了輸入對(duì)輸出對(duì)電源對(duì)地的四端三重隔離電路設(shè)計(jì)，因此無需系統(tǒng)接地線路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工帶來極大方便。也正是由于這種信號(hào)線路無需共地的設(shè)計(jì)，使得檢測(cè)和控制回路信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。另外，這種隔離器產(chǎn)品除具備*的濾波能力外，還有更強(qiáng)的信號(hào)處理能力，能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等各種信號(hào)。

l    隔離器主要技術(shù)指標(biāo)：

1.     隔離強(qiáng)度：也叫隔離能力、耐壓強(qiáng)度或測(cè)試耐壓，這是衡量信號(hào)隔離器的主要參數(shù)之一。單位：伏特@1分鐘。它指的是輸入與輸出，輸入與電源，輸出與電源之間的耐壓能力。它的數(shù)值越大說明耐壓能力越好，隔離能力越強(qiáng)，濾波性能越高。一般的，這種耐壓測(cè)試是通過一次性樣品的耐壓檢驗(yàn)來確定的。在該測(cè)試過程中，將持續(xù)若干分鐘地分別在輸入與輸出、輸入與電源、輸出與電源之間加載50Hz的工頻電壓，以便得出器件同另一個(gè)電勢(shì)面之間不會(huì)發(fā)生擊穿的電壓數(shù)值。

目前，市場(chǎng)上的信號(hào)隔離器的隔離強(qiáng)度分為2000V@1分鐘，1500V@1分鐘，1000V@1分鐘，500V@1分鐘等幾個(gè)級(jí)別。

2.       精度：這是衡量一個(gè)信號(hào)隔離變送器質(zhì)量的標(biāo)尺。業(yè)內(nèi)一般能做到量程的±0.2%。

3.       溫度系數(shù)：表示隔離器等儀表在環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，精度的變化情況。大多情況下用百分?jǐn)?shù)表示（也有用單位250ppm/K表示的），如：迅鵬XP信號(hào)隔離器溫度系數(shù)為±0.015%/℃（相當(dāng)于150ppm/K）。

4.       響應(yīng)時(shí)間：表征信號(hào)隔離器的反應(yīng)速度。

5.       絕緣電阻：內(nèi)部電源與外殼之間隔離直流作用的數(shù)值化表征。

6.       負(fù)載電阻：反映了信號(hào)隔離器的帶載能力。

l         信號(hào)隔離（變換）器的應(yīng)用舉例

1.   隔離輸入/輸出信號(hào)

這是信號(hào)隔離器zui主要的功能。信號(hào)隔離器一方面能解決接地環(huán)路和設(shè)備互聯(lián)時(shí)產(chǎn)生的地線參考點(diǎn)不同的問題，另一方面能有效地去除線路在傳輸過程中可能受到的無限射頻和電磁干擾問題。

 在上圖中，兩臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（1#和2#儀表）向PLC/DCS傳送模擬信號(hào)，同時(shí)PLC/DCS向另外兩臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（3#和4#儀表）發(fā)出模擬信號(hào)進(jìn)行顯示和控制。在這套系統(tǒng)中，理想的狀態(tài)是：位于現(xiàn)場(chǎng)的1#、2#設(shè)備與位于主控室的PLC/DCS的參考“地”電位*相等，而且傳輸過程中不存在任何干擾，這樣才能保證PLC/DCS接收正確。但現(xiàn)實(shí)情況是這種“理想狀態(tài)”很難實(shí)現(xiàn)。舉例來說，假設(shè)1#和2#設(shè)備輸入的信號(hào)為0-10V DC的模擬信號(hào)。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)測(cè)量兩者的信號(hào)也*正確。1#設(shè)備的“地”與PLC/DCS的“地”相等，而2#設(shè)備比它們的“地”電位高0.1V，這樣PLC/DCS接收到的1#設(shè)備的信號(hào)為0-10V，而接收到的2#設(shè)備的信號(hào)為0.1-10.1V，顯然誤差產(chǎn)生了。特別是在多級(jí)互連的串聯(lián)設(shè)備中，這種誤差會(huì)變得非常大！如果我們簡(jiǎn)單地把1#，2#設(shè)備的“地”線在PLC/DCS處匯合連接，那么這0.1V的電壓會(huì)施加在PLC/DCS的“地”線上，有可能損壞PLC/DCS的局部“的”線。同樣，在輸出端的3#，4#設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)類似的情況。由此引起的問題在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中屢見不鮮。

解決上述問題的辦法就是在輸入端和輸出端分別加上。從信號(hào)隔離器的原理圖可以看出，它信號(hào)隔離器具有使輸入/輸出信號(hào)在電氣上*隔離的特點(diǎn)。換句話講，現(xiàn)場(chǎng)輸入設(shè)備與主控接收設(shè)備間不存在共“地”，那么輸入信號(hào)不管是0-10V，或是帶有哪怕+10V干擾的10V-20V的信號(hào)，經(jīng)過隔離器后均變?yōu)?span lang="EN-US">0-10V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如某大型水泥廠新建窯爐的生產(chǎn)線調(diào)試中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)爐溫信號(hào)接入國外某品牌DCS系統(tǒng)的8通道模擬量輸入卡鍵后，溫度數(shù)據(jù)亂跳，根本無法控制，但在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試時(shí)又很穩(wěn)定也很準(zhǔn)確。又如某電廠化水處理工程中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)各種不同類型的壓力變送器信號(hào)接入PLC后，數(shù)據(jù)跳動(dòng)厲害，而且誤差非常大，但同樣在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)試時(shí)很穩(wěn)定也很準(zhǔn)確，可是只要向PLC接入兩點(diǎn)以上的信號(hào)后，信號(hào)就發(fā)生跳變。這兩種情況在加了信號(hào)隔離器后         （如：迅鵬的XP-A-A420-A420-D等）

2.       信號(hào)隔離分配

在實(shí)際應(yīng)用中，我們經(jīng)常遇到將一個(gè)變送器信號(hào)接入兩個(gè)或兩個(gè)以上接收裝置的情況，若采用串聯(lián)環(huán)路，則環(huán)路中任一處開路都會(huì)造成整個(gè)環(huán)路上的儀表無信號(hào)，同時(shí)負(fù)載電阻之和很容易超過變送器的負(fù)載能力，所以一般不采用這種方式。通常采用的方式是：在環(huán)路中串接一個(gè)電阻，再將負(fù)載并聯(lián)在電阻上以取得電壓信號(hào)，如串接一個(gè)250Ω電阻將4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號(hào)。這種方式雖然能避開開路及負(fù)載能力等問題，但卻存在以下不足：

    ① 由于電阻本身難以達(dá)到高精度，加之存在接線端電阻以及電阻發(fā)熱引起阻抗升高等因素，所以電壓信號(hào)較難保證高精度；

    ② 通過串聯(lián)電阻取電壓信號(hào)方法是以假定接收設(shè)備的輸入阻抗無窮大為理想前提的，所以接收設(shè)備的輸入阻抗必然對(duì)信號(hào)的測(cè)量產(chǎn)生誤差，而且，并聯(lián)設(shè)備數(shù)目越多，誤差越大；

    ③ 導(dǎo)線越長，電阻的電壓降越大，對(duì)實(shí)際電壓信號(hào)的影響也越大，因此信號(hào)傳輸距離不能太長；

    ④ 由于RFI/EMI（無線射頻/電磁干擾）的信號(hào)容易與電壓信號(hào)疊加，所以該連接易受無限射頻/電磁干擾。

    解決以上問題的理想方案就是使用信號(hào)（隔離）分配器！它精度高、隔離能力強(qiáng)，可以解決以上各種問題， （如：迅鵬的XP-A-A420-2A420-D系列）

    上圖中，兩輸出信號(hào)既可相同也可互異，變送器、RCVR（接收設(shè)備）間*隔離；任一接收設(shè)備出現(xiàn)故障，不會(huì)影響整個(gè)環(huán)路及另一套設(shè)備。

3.       避免電源沖突

有時(shí)現(xiàn)場(chǎng)儀表在配套時(shí)，由于協(xié)調(diào)不利，產(chǎn)生了如下情況：接收設(shè)備（如某些DCS輸入卡鍵）的信號(hào)接入端帶有24V電源（即我們常說的兩線制接口），而現(xiàn)場(chǎng)為4線制變送器，輸出信號(hào)為有源信號(hào)，因此，來自于現(xiàn)場(chǎng)的4線制變送器輸出信號(hào)與來自于接收裝置的兩線制電源信號(hào)就會(huì)發(fā)生沖突。

解決的方法是：接入輸出環(huán)路供電型隔離器，它通過信號(hào)輸出線由接收設(shè)備供電，并將現(xiàn)場(chǎng)4線制變送器的有源信號(hào)經(jīng)隔離后輸出給接收設(shè)備，這樣不僅避免了電源沖突，而且還對(duì)信號(hào)實(shí)行了隔離。如圖：

4.       提供電源并隔離

4線制外部供電型信號(hào)隔離器,又叫隔離配電器（如：日本M-SYSTEM的M5DY系列，美國ACI的SBDY系列等），具有向2線制變送器供電的功能，由此可以免去為變送器再配置電源的麻煩。并且也提供了信號(hào)隔離功能。 

5.       信號(hào)轉(zhuǎn)換并隔離

上述介紹的所有隔離器都帶有信號(hào)轉(zhuǎn)換功能，可接受如直流標(biāo)準(zhǔn)（或非標(biāo)準(zhǔn)）信號(hào)、熱電偶信號(hào)、熱電阻信號(hào)、電位計(jì)信號(hào)，甚至交流信號(hào)等，并可以輸出用戶需要的各種信號(hào)。

6.       智能型信號(hào)隔離器

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多智能型信號(hào)隔離器，它除具有常規(guī)信號(hào)隔離器的優(yōu)異性能外，特加入了CPU控制單元，具有現(xiàn)場(chǎng)可編程功能（即輸入型）及通信功能。這種高智能的信號(hào)隔離器有很高的應(yīng)用靈活性，可以有效地減少庫存數(shù)量，降低資金積壓。這種智能型的信號(hào)隔離器必將成為這一領(lǐng)域的主流。

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