信号隔離器在控制系(xì)統中的選擇與應用

1  引言(yán)  控制系統中需要監視和控制各類物理(lǐ)量,例如(rú):溫度、濕度、壓力等,這些(xiē)不同的物理量總是不斷的變化[1]。用于檢(jiǎn)測這(zhè)些狀(zhuàng)态和變化的器件必須如(rú)實反映這些變化(huà),這些參數被地測量後,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(zài)從現場傳輸到控制(zhì)室的過程不被消減或幹擾。信号(hào)隔離器能将這些信号轉換或變送需要高質量的電子系統,它們能适應或抵禦惡劣環(huán)境,諸如溫(wēn)度變化(huà)、電磁幹擾、振(zhèn)動、腐蝕或爆(bào)炸等因(yīn)素的幹擾或影響。  2  幹擾産生的原因  在工業生産過程中對信号傳輸的幹(gàn)擾多種(zhǒng)多樣,隔離是不可能實(shí)現的。通常幹擾主(zhǔ)要由以下幾個原因産生: 

 2.1  接地回路(lù)  各種(zhǒng)儀器設備(bèi)根據要求和目的都需要接(jiē)地,例如爲了安全(quán),機殼需要接大地;爲了使電路正常工(gōng)作,系統需要有公共參考點;爲了抑制幹擾加屏蔽罩(zhào),屏蔽罩也需要接地,但(dàn)是由于儀表和設備之間的參考(kǎo)點之間存在電勢差,因而形成 "接地環流。

2.2  輻射噪聲  來自空間(jiān)的輻射電(diàn)磁場主要(yào)是由電力網絡、電氣設備等的暫态(tài)過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高(gāo)頻感應加熱設備等(děng)産生的,通常稱(chēng)又稱爲爲(wèi)輻射幹擾。

2.3  線路引入  控制(zhì)系統在正常情況下供電電源均由電網供電。由于電網覆蓋範圍廣,将受到(dào)所有空間電(diàn)磁幹擾而在(zài)線路上感應電壓和(hé)電路。

 3  隔離(lí)器原理  信(xìn)号隔離器(qì)工(gōng)作原理(lǐ):是将變送器或儀表(biǎo)的信号,通過(guò)半導(dǎo)體器件調制(zhì)轉化,然後通過光(guāng)感或是磁感器件實現隔離轉換,然後再實行解調轉換回隔離前原信号,同時對隔離後信号(hào)的供電電源實行隔(gé)離處理,保證轉換後的信号、電源、地之間獨立。同時對疊加在(zài)測量值上的幹擾信(xìn)号進(jìn)行濾波,以及根據控(kòng)制系統輸入、輸出要求對信号進行匹配,因此(cǐ),隔離、放大、濾波和(hé)匹配(pèi)是信号隔離(lí)器所起的作用。信号隔離器有以(yǐ)下(xià)幾個參數[3]。  3.1  大輸入信(xìn)号  大輸入信号是指尚不至于損壞模塊以及信号發生器的數值。如果超過這些數值,限壓(yā)二極管則可以在系統識别出(chū)過電壓的基礎上使這個輸入端短路,使模拟(nǐ)信号的傳輸範圍僅在給定的輸入範(fàn)圍内。  3.2  共模抑制比  隔離(lí)放大器内部用(yòng)運算放大器來傳輸信号,運算放大器從理論上而言擁(yōng)有理想的傳輸和放大性能,但是實(shí)際上并(bìng)不是如此。當兩個輸入(rù)段電壓發生同向變化,即在兩個輸入端(duān)子上加有*相(xiàng)同的對地電壓時,它将引起一個不希望出現的輸出信号(hào),從理論上來說,此(cǐ)時理想(xiǎng)運算放大器上不該出(chū)現(xiàn)輸出信号,因爲輸入(rù)端差值信号爲"0V"。共模(mó)抑制比這個參數表示,共模輸入電壓要比差(chà)模輸入電壓少放大多少倍。  3.3  負載阻抗  輸出側的(de)負載阻(zǔ)抗是衡量一個(gè)測量變送器或者隔離放大器負荷能力(lì)的标(biāo)準,電流輸出端在大多數情況下可以承受500以内的符合,電壓(yā)輸出(chū)端通常至少可承受10K的負荷。  3.4  線性度  通過信号的線性度,可以對(duì)過程從(cóng)零點到大值進(jìn)行評價,通(tōng)常情況下線性度誤差表示偏離理想的(de)傳輸特性百分之幾。  3.5  極限頻率  隔離放大(dà)器(qì)一般是用來傳輸(shū)直流信号的,但是信号的變化卻要求(qiú)模(mó)塊具有動态特性,這種動态特性是由極限頻率來确定的。所(suǒ)以,即使是微小的交(jiāo)流量也能得到傳輸。與此同時,較低(dī)的極(jí)限頻率将抑制高頻交流成分。  4  隔(gé)離器分類與應(yīng)用  信号隔離器分(fèn)有源信号隔離器和無源信号隔(gé)離器。  4.1  有源信号隔離器  有源信号隔離(lí)器由獨立的電源供電,以确保隔離器出色工(gōng)作,模塊在輸入側需要有(yǒu)源信号,在輸出測它們則提供經過過濾和放大的(de)信号,根據應用情況輸入/輸出與電源之間相(xiàng)互隔離[4]。  4.1.1  三(sān)端隔離  三端隔離隻需要一個電源,這個電源與測(cè)量電路隔離,采用這種技術隔離的模(mó)塊(kuài),它們所有連接(jiē)在輸入端、輸(shū)出端或者電(diàn)源上的組件皆不會互相幹擾,三端之間也相(xiàng)應地互相電隔離。如圖3所示。

 4.1.2  輸入端隔離(lí)  采用這種隔離(lí)技術的模塊應(yīng)該保護輸(shū)出側連接的電子設備(例如控制器的輸入(rù)卡)不受現場的各(gè)種幹擾。所以,輸入端和(hé)等(děng)電位的輸出端和電源部分是(shì)電隔離的。如圖(tú)4所示。

這種模塊在輸入側需要有源信号(例如(rú)來自壓力變送(sòng)器),它們在輸出側(例如控制(zhì)器)提供一個經過(guò)濾波和放大(dà)信号。  4.1.3  輸(shū)出端隔離  采用這種隔離技術的模塊應(yīng)該保護(hù)輸(shū)入側連接的電(diàn)子設備(例如控制器(qì)的輸出卡)不受現場的各(gè)種幹擾。所以,輸出端和等電位(wèi)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(shū)入側需要有源信号(例如控制器的輸出卡),它們在輸出側發(fā)出經過處理和發大的信(xìn)号(例(lì)如提供給調節閥)。  4.2  無源信号隔離器  無源信号隔離器提供(gòng)了(le)一種附加和實質性的便利,它無需額外的電源供電(diàn),模塊的的工作電源是通過輸入(rù)或輸出回路提供,其内部電路消耗的電流極小,不影響信号的正确傳輸。根(gēn)據(jù)信号隔(gé)離器的供電方式分以下幾種:  4.2.1  輸入側供(gòng)電  采用這種隔離(lí)技術時,這些模塊從有源輸入回(huí)路(例如電磁流量(liàng)計或控制系統輸(shū)出卡)獲取所需的能量用于信号傳(chuán)輸和電隔離,輸出側提供經(jīng)過處理的(de)電流信号用于控(kòng)制或調節。如圖6所示。

這種(zhǒng)無(wú)源隔(gé)離方(fāng)式适用于信号處理(同接地回(huí)路分開)和濾波(bō)。而(ér)無需附加的輔助(zhù)電源。  4.2.2  輸出側供電  采用這種隔離技術時,這(zhè)些模塊從有源輸出回路(是從控制系統(tǒng)輸入卡用輔助電源供電的)獲取所需的能量用于信号傳輸和(hé)電(diàn)隔離。如圖7所示。

這種無源隔離器在(zài)輸入側可以處理各種有源(yuán)信号(例如電(diàn)磁流量計),在輸出側,回路供電的(de)模塊則(zé)采用4-20mA的标準信号(hào)。用這種隔離技術時必須注意,連接在輸出(chū)側的有源信号源(例(lì)如控制(zhì)系統輸入卡)即可(kě)以給無源隔離器供電也可以帶動負載(例如控制系(xì)統輸入卡的輸入電阻)。  4.2.3  無源饋電隔離器  采用這種隔(gé)離技術時,這些(xiē)模塊從有源輸(shū)出回路獲取所需的(de)能量用于(yú)信号傳輸和電隔離,無源(yuán)饋電(diàn)隔離器把這種從輸出回路獲得的(de)能量另外還供給一個連(lián)接在輸入側的無(wú)源檢測(cè)探頭(例如壓力變送(sòng)器),檢測探頭借助于提供的能量發出一個有源信号,通(tōng)過無源饋電(diàn)隔離器(qì)電隔離并且從輸出(chū)側輸出。如圖8所示。

因此,信号和能量流在(zài)無源饋電隔離器方(fāng)式時原則上是逆向進行的。  5  結束語  信号隔離器除了電隔離外,在隔離放大器中信号還得到(dào)了放大(dà),以便實現長距(jù)離的(de)傳(chuán)輸或者是連接高阻抗的負載。可應(yīng)用于所有的工業(yè)場合中需(xū)要電子測量和控制的系統中,諸如(rú)過程控制中電廠、冶金廠、自來(lái)水廠和污水處理廠,石油天然(rán)氣生産廠以及化工生産廠中。