信號隔離器原理及應用

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，生成過(guò)程的監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,這些信號都要經(jīng)過(guò)互相傳遞和輸送的過(guò)程，因此如何保證這些信號，特別是模擬信號在傳輸過(guò)程中不失真將成為系統調試中必須解決的問(wèn)題。

只有當控制裝置和分布在現場(chǎng)的傳感器和執行器之間的模擬信號傳輸*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的影響，它們需要一條可靠的傳輸通道。造成模擬信號失真的原因

1、接地環(huán)路問(wèn)題:如下圖所示，當過(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)程信號就會(huì )失真。

接地環(huán)路

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

2、測量回路相互連接問(wèn)題:如下圖所示，在這些回路中，參考點(diǎn)要將因為接通多個(gè)信號回路而升高。

如上圖，在這種相互連接的測量回路中，由于線(xiàn)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(cháng)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:

一種方案是現場(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)際應用中，這種方案往往難以實(shí)現，因為某些設備必須接地才能保證測量精度或確保人身安全，某些設備可能因為長(cháng)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)現的。

第三種方案是在過(guò)程環(huán)路中使用信號隔離器。信號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)程信號的正常傳輸，從而*解決了上述問(wèn)題。

如下圖:

當然，我們也可以用DCS的隔離卡鍵或帶隔離能力的變送器實(shí)現信號隔離，但它們價(jià)格昂貴，而且他們的隔離強度、抗無(wú)限射頻/電磁干擾(RFI/EMI)指標及應用靈活性比信號隔離器差，更不可能像信號隔離器那樣還可解決信號轉換及信號分配等問(wèn)題。

信號隔離器原理目前，信號隔離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。

信號隔離器至今已有40多年的歷史，早期的信號隔離器(如美國MOORE，日本M-SYSTEM等)都是采用變壓器隔離方式，它的特點(diǎn)是:性能穩定，壽命長(cháng)(比如:日本M-SYSTEM公司的M2系列隔離變換器標稱(chēng)的使用壽命長(cháng)達70年!)，帶負載能力強，隔離強度高，但電路復雜，制作工藝要求更高。

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

在一些現場(chǎng)干擾較大，工藝要求較高場(chǎng)合出現了變壓器與光電聯(lián)合方式的信號隔離器，它的隔離能力、抗無(wú)限射頻和電磁干擾能力更強。比如日本M-SYSTEM公司生產(chǎn)的遠程數據采集系統R5系列的模擬量采集模塊就應用了變壓器和光電聯(lián)合隔離方式。

信號隔離器的原理圖如下:

圖中可以看出，隔離器實(shí)現了輸入對輸出對電源對地的四端三重隔離電路設計，因此無(wú)需系統接地線(xiàn)路，給設計及現場(chǎng)施工帶來(lái)極大方便。也正是由于這種信號線(xiàn)路無(wú)需共地的設計，使得檢測和控制回路信號的穩定性和抗干擾能力大大增強，從而提高了整個(gè)系統的可靠性。另外，這種隔離器產(chǎn)品除具備*的濾波能力外，還有更強的信號處理能力，能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等各種信號。隔離器主要技術(shù)指標:

1、隔離強度:也叫隔離能力、耐壓強度或測試耐壓，這是衡量信號隔離器的主要參數之一。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。它的數值越大說(shuō)明耐壓能力越好，隔離能力越強，濾波性能越高。一般的，這種耐壓測試是通過(guò)一次性樣品的耐壓檢驗來(lái)確定的。在該測試過(guò)程中，將持續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)電勢面之間不會(huì )發(fā)生擊穿的電壓數值。目前，市場(chǎng)上的信號隔離器的隔離強度分為2000V@1分鐘，1500V@1分鐘，1000V@1分鐘，500V@1分鐘等幾個(gè)級別。比如:日本M-SYSTEM和美國ACI的信號隔離器隔離強度為2000V@1分鐘;其他國外品牌能做到1500V@1分鐘;信號隔離器能做到1000V@1分鐘，甚至1500V@1分鐘的隔離強度。

2、精度:這是衡量一個(gè)信號隔離變送器質(zhì)量的標尺。業(yè)內一般能做到量程的±0.2%。溫度系數: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。大多情況下用百分數表示(也有用單位250ppm/K表示的)，如:M-SYSTEM溫度系數為±0.015%/℃(相當于150ppm/K)，溫度漂移常數是±150PPM/℃。

3、響應時(shí)間:表征信號隔離器的反應速度。

4、絕緣電阻:內部電源與外殼之間隔離直流作用的數值化表征。

5、負載電阻:反映了信號隔離器的帶載能力。