1 引言 控制系統中需要監視和控制各類(lèi)物理量,例如:溫度、濕度、壓力等,這些不同的物理量總是不斷的變化[1]。用于檢測這些狀態(tài)和變化的器件必須如實(shí)反映這些變化,這些參數被地測量后,盡管要受到諸如大氣和安裝等外部因素的影響,也必須保證在從現場(chǎng)傳輸到控制室的過(guò)程不被消減或干擾。信號隔離器能將這些信號轉換或變送需要高質(zhì)量的電子系統,它們能適應或抵御惡劣環(huán)境,諸如溫度變化、電磁干擾、振動(dòng)、腐蝕或爆炸等因素的干擾或影響。 2 干擾產(chǎn)生的原因 在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對信號傳輸的干擾多種多樣,隔離是不可能實(shí)現的。通常干擾主要由以下幾個(gè)原因產(chǎn)生:
2.1 接地回路 各種儀器設備根據要求和目的都需要接地,例如為了安全,機殼需要接大地;為了使電路正常工作,系統需要有公共參考點(diǎn);為了抑制干擾加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由于儀表和設備之間的參考點(diǎn)之間存在電勢差,因而形成 "接地環(huán)流。
2.2 輻射噪聲 來(lái)自空間的輻射電磁場(chǎng)主要是由電力網(wǎng)絡(luò )、電氣設備等的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線(xiàn)電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產(chǎn)生的,通常稱(chēng)又稱(chēng)為為輻射干擾。
2.3 線(xiàn)路引入 控制系統在正常情況下供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣,將受到所有空間電磁干擾而在線(xiàn)路上感應電壓和電路。
3 隔離器原理 信號隔離器工作原理:是將變送器或儀表的信號,通過(guò)半導體器件調制轉化,然后通過(guò)光感或是磁感器件實(shí)現隔離轉換,然后再實(shí)行解調轉換回隔離前原信號,同時(shí)對隔離后信號的供電電源實(shí)行隔離處理,保證轉換后的信號、電源、地之間獨立。同時(shí)對疊加在測量值上的干擾信號進(jìn)行濾波,以及根據控制系統輸入、輸出要求對信號進(jìn)行匹配,因此,隔離、放大、濾波和匹配是信號隔離器所起的作用。信號隔離器有以下幾個(gè)參數[3]。 3.1 大輸入信號 大輸入信號是指尚不至于損壞模塊以及信號發(fā)生器的數值。如果超過(guò)這些數值,限壓二極管則可以在系統識別出過(guò)電壓的基礎上使這個(gè)輸入端短路,使模擬信號的傳輸范圍僅在給定的輸入范圍內。 3.2 共模抑制比 隔離放大器內部用運算放大器來(lái)傳輸信號,運算放大器從理論上而言擁有理想的傳輸和放大性能,但是實(shí)際上并不是如此。當兩個(gè)輸入段電壓發(fā)生同向變化,即在兩個(gè)輸入端子上加有*相同的對地電壓時(shí),它將引起一個(gè)不希望出現的輸出信號,從理論上來(lái)說(shuō),此時(shí)理想運算放大器上不該出現輸出信號,因為輸入端差值信號為"0V"。共模抑制比這個(gè)參數表示,共模輸入電壓要比差模輸入電壓少放大多少倍。 3.3 負載阻抗 輸出側的負載阻抗是衡量一個(gè)測量變送器或者隔離放大器負荷能力的標準,電流輸出端在大多數情況下可以承受500以?xún)鹊姆?電壓輸出端通常至少可承受10K的負荷。 3.4 線(xiàn)性度 通過(guò)信號的線(xiàn)性度,可以對過(guò)程從零點(diǎn)到大值進(jìn)行評價(jià),通常情況下線(xiàn)性度誤差表示偏離理想的傳輸特性百分之幾。 3.5 極限頻率 隔離放大器一般是用來(lái)傳輸直流信號的,但是信號的變化卻要求模塊具有動(dòng)態(tài)特性,這種動(dòng)態(tài)特性是由極限頻率來(lái)確定的。所以,即使是微小的交流量也能得到傳輸。與此同時(shí),較低的極限頻率將抑制高頻交流成分。 4 隔離器分類(lèi)與應用 信號隔離器分有源信號隔離器和無(wú)源信號隔離器。 4.1 有源信號隔離器 有源信號隔離器由獨立的電源供電,以確保隔離器出色工作,模塊在輸入側需要有源信號,在輸出測它們則提供經(jīng)過(guò)過(guò)濾和放大的信號,根據應用情況輸入/輸出與電源之間相互隔離[4]。 4.1.1 三端隔離 三端隔離只需要一個(gè)電源,這個(gè)電源與測量電路隔離,采用這種技術(shù)隔離的模塊,它們所有連接在輸入端、輸出端或者電源上的組件皆不會(huì )互相干擾,三端之間也相應地互相電隔離。如圖3所示。
4.1.2 輸入端隔離 采用這種隔離技術(shù)的模塊應該保護輸出側連接的電子設備(例如控制器的輸入卡)不受現場(chǎng)的各種干擾。所以,輸入端和等電位的輸出端和電源部分是電隔離的。如圖4所示。
這種模塊在輸入側需要有源信號(例如來(lái)自壓力變送器),它們在輸出側(例如控制器)提供一個(gè)經(jīng)過(guò)濾波和放大信號。 4.1.3 輸出端隔離 采用這種隔離技術(shù)的模塊應該保護輸入側連接的電子設備(例如控制器的輸出卡)不受現場(chǎng)的各種干擾。所以,輸出端和等電位的輸入端和電源部分是電隔離的。如圖5所示。
這種模塊在輸入側需要有源信號(例如控制器的輸出卡),它們在輸出側發(fā)出經(jīng)過(guò)處理和發(fā)大的信號(例如提供給調節閥)。 4.2 無(wú)源信號隔離器 無(wú)源信號隔離器提供了一種附加和實(shí)質(zhì)性的便利,它無(wú)需額外的電源供電,模塊的的工作電源是通過(guò)輸入或輸出回路提供,其內部電路消耗的電流極小,不影響信號的正確傳輸。根據信號隔離器的供電方式分以下幾種: 4.2.1 輸入側供電 采用這種隔離技術(shù)時(shí),這些模塊從有源輸入回路(例如電磁流量計或控制系統輸出卡)獲取所需的能量用于信號傳輸和電隔離,輸出側提供經(jīng)過(guò)處理的電流信號用于控制或調節。如圖6所示。
這種無(wú)源隔離方式適用于信號處理(同接地回路分開(kāi))和濾波。而無(wú)需附加的輔助電源。 4.2.2 輸出側供電 采用這種隔離技術(shù)時(shí),這些模塊從有源輸出回路(是從控制系統輸入卡用輔助電源供電的)獲取所需的能量用于信號傳輸和電隔離。如圖7所示。
這種無(wú)源隔離器在輸入側可以處理各種有源信號(例如電磁流量計),在輸出側,回路供電的模塊則采用4-20mA的標準信號。用這種隔離技術(shù)時(shí)必須注意,連接在輸出側的有源信號源(例如控制系統輸入卡)即可以給無(wú)源隔離器供電也可以帶動(dòng)負載(例如控制系統輸入卡的輸入電阻)。 4.2.3 無(wú)源饋電隔離器 采用這種隔離技術(shù)時(shí),這些模塊從有源輸出回路獲取所需的能量用于信號傳輸和電隔離,無(wú)源饋電隔離器把這種從輸出回路獲得的能量另外還供給一個(gè)連接在輸入側的無(wú)源檢測探頭(例如壓力變送器),檢測探頭借助于提供的能量發(fā)出一個(gè)有源信號,通過(guò)無(wú)源饋電隔離器電隔離并且從輸出側輸出。如圖8所示。
因此,信號和能量流在無(wú)源饋電隔離器方式時(shí)原則上是逆向進(jìn)行的。 5 結束語(yǔ) 信號隔離器除了電隔離外,在隔離放大器中信號還得到了放大,以便實(shí)現長(cháng)距離的傳輸或者是連接高阻抗的負載?？蓱糜谒械墓I(yè)場(chǎng)合中需要電子測量和控制的系統中,諸如過(guò)程控制中電廠(chǎng)、冶金廠(chǎng)、自來(lái)水廠(chǎng)和污水處理廠(chǎng),石油天然氣生產(chǎn)廠(chǎng)以及化工生產(chǎn)廠(chǎng)中。
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