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(guò)程中，生成過(guò)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(guò)互相傳遞和輸送的過(guò)程，因此如何保證這些信號(hào)，特別是模擬信號(hào)在傳輸過(guò)程中不失真將成為系統(tǒng)調(diào)試中必須解決的問(wèn)題。

具體地說(shuō)，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(guò)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(wèn)題：如下圖所示，當(dāng)過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)題：這是比較常見(jiàn)的干擾，特別是在長(zhǎng)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(wèn)題的方案主要有三種：

*種方案是現(xiàn)場(chǎng)儀表不接地，使過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(kāi)過(guò)程環(huán)路中的直接電路（直流通路）但又不影響過(guò)程信號(hào)的正常傳輸，從而*解決了上述問(wèn)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(wú)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(wèn)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(zhǎng)，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(lái)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(wú)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(wú)需系統(tǒng)接地線路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工帶來(lái)極大方便。也正是由于這種信號(hào)線路無(wú)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(shuō)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(guò)一次性樣品的耐壓檢驗(yàn)來(lái)確定的。在該測(cè)試過(guò)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(wèn)題，另一方面能有效地去除線路在傳輸過(guò)程中可能受到的無(wú)限射頻和電磁干擾問(wèn)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(guò)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(lái)說(shuō)，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?jī)烧叩男盘?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(wèn)題在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中屢見(jiàn)不鮮。

解決上述問(wèn)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(guò)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(guó)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(wú)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(kāi)路都會(huì)造成整個(gè)環(huán)路上的儀表無(wú)信號(hào)，同時(shí)負(fù)載電阻之和很容易超過(guò)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(kāi)開(kāi)路及負(fù)載能力等問(wèn)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(guò)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(wú)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(zhǎng)，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(zhǎng)；

    ④ 由于RFI/EMI（無(wú)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(wú)限射頻/電磁干擾。

    解決以上問(wèn)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(wèn)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(shuō)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(lái)自于現(xiàn)場(chǎng)的4線制變送器輸出信號(hào)與來(lái)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(guò)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(guó)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(kù)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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