信号隔離器(qì)原理及應用

在工業(yè)生産(chǎn)過(guò)程(chéng)中，生(shēng)成過(guò)程的監視(shì)和(hé)控制(zhì)中要用(yòng)到各(gè)種各樣的(de)儀器(qì)儀表(biǎo)，會産生各種各(gè)樣的信号,這(zhè)些信号(hào)都要(yào)經過(guò)互相(xiàng)傳遞和輸(shū)送的(de)過程，因此如何(hé)保證(zhèng)這(zhè)些(xiē)信号，特别(bié)是模(mó)拟信号在傳輸過程(chéng)中不失真将成爲系統調(diào)試中(zhōng)必須解決的問(wèn)題。

隻(zhī)有當(dāng)控制(zhì)裝(zhuāng)置(zhì)和分布在(zài)現場(chǎng)的(de)傳(chuán)感器(qì)和執行器之間(jiān)的模拟信号傳輸*并且(qiě)不失真(zhēn)時(shí)，才(cái)能(néng)保證過(guò)程控制安全可(kě)靠。尤(yóu)其(qí)是(shì)小功(gōng)率的模(mó)拟信号(hào)在幹擾大(dà)的工業(yè)環境中傳輸(shū)時受各種外部(bù)幹擾信号的影(yǐng)響，它們需要一(yī)條可(kě)靠的傳輸(shū)通道。造(zào)成模拟信号失真的(de)原(yuán)因

1、接地(dì)環路問題:如下(xià)圖所示，當過程環路中有兩處或(huò)兩處(chù)以上接地(dì)電阻不相(xiàng)等時(shí)，就會(huì)産生接地環路(lù)，過程(chéng)信号(hào)就會(huì)失真。

接地(dì)環路(lù)

要使(shǐ)信号(hào)完整而不失真地傳輸，理想化的情(qíng)況是所有(yǒu)設備、儀表(biǎo)中的信号(hào)都有一個共同(tóng)的參(cān)考點，也就(jiù)是有一個共同的“地”。隻有這樣，所有的(de)設(shè)備、儀(yí)表的(de)信号參考(kǎo)點之間電(diàn)位差(chà)才能爲“零”。很顯(xiǎn)然，不(bú)同設備的接地電(diàn)阻很難(nán)保證都(dōu)相等(děng)，接(jiē)地電(diàn)阻也會随(suí)着傳(chuán)輸距離的增加(jiā)而升高，有(yǒu)時甚至(zhì)産(chǎn)生高(gāo)達200v的電位差。

2、測量回路(lù)相(xiàng)互連接問題:如下圖(tú)所示(shì)，在這些回(huí)路(lù)中，參(cān)考(kǎo)點要(yào)将因爲接通(tōng)多個信号(hào)回路而(ér)升高。

如上圖，在這種(zhǒng)相互連接(jiē)的(de)測量回路中(zhōng)，由于(yú)線間電阻的不斷增(zēng)加，必(bì)然會(huì)引起參考電壓的不(bú)斷升(shēng)高。

3、電(diàn)磁幹擾問(wèn)題:這是比(bǐ)較(jiào)常見的(de)幹擾(rǎo)，特别(bié)是在長(zhǎng)距離或(huò)者幹擾較大的(de)工(gōng)業環境中，很(hěn)難避免感性和(hé)容性幹擾(rǎo)在測(cè)量回(huí)路中相互(hù)參雜的情(qíng)況。

解(jiě)決這(zhè)些問題的(de)方案主要有三(sān)種:

一種方案是現場(chǎng)儀(yí)表(biǎo)不接地，使(shǐ)過程環路(lù)中隻有(yǒu)一(yī)個接地點，但在實際(jì)應用中，這(zhè)種方(fāng)案往往(wǎng)難(nán)以實(shí)現，因(yīn)爲某些設備必(bì)須接地才(cái)能保(bǎo)證測(cè)量精(jīng)度或确保(bǎo)人身安全，某(mǒu)些設備(bèi)可能因爲長期(qī)遭(zāo)到腐蝕和磨(mó)損後(hòu)或氣候影(yǐng)響而形(xíng)成(chéng)新的(de)接地點。

第(dì)二種方案是使兩接(jiē)地點(diǎn)的電(diàn)勢相(xiàng)同，但由于接地點的(de)電阻(zǔ)受地(dì)質條件(jiàn)及氣候(hòu)變化(huà)等衆多因(yīn)素(sù)的影響，這種(zhǒng)方案(àn)通常是很(hěn)難實現的。

第三種方案是在過(guò)程環(huán)路(lù)中(zhōng)使用(yòng)信号隔離器。信(xìn)号隔離器(qì)采用隔離(lí)技術(shù)，斷開(kāi)過程(chéng)環(huán)路(lù)中的(de)直接電(diàn)路(直流(liú)通路)但又(yòu)不影響過程信号的(de)正常傳輸，從而*解決(jué)了(le)上述問(wèn)題。

如下圖(tú):

當然，我們也可以用(yòng)dcs的隔離卡鍵或帶隔(gé)離能力的(de)變送器實現信(xìn)号隔離，但它們(men)價格昂貴，而且(qiě)他們的隔離(lí)強(qiáng)度、抗無限(xiàn)射頻(pín)/電磁幹(gàn)擾(rfi/emi)指标(biāo)及應(yīng)用(yòng)靈(líng)活性比信(xìn)号隔離器(qì)差，更不可(kě)能像(xiàng)信号(hào)隔離器那(nà)樣還可(kě)解(jiě)決信(xìn)号轉(zhuǎn)換及(jí)信号(hào)分配(pèi)等(děng)問題。

信(xìn)号隔離(lí)器原理(lǐ)目前，信号隔離器從隔離方式(shì)上主(zhǔ)要分(fèn)爲:變(biàn)壓器(qì)隔離方式(shì)，光電隔(gé)離方式(shì)和變壓器(qì)與光(guāng)電聯合隔離方(fāng)式等(děng)幾種(zhǒng)。

信号(hào)隔離器至(zhì)今已(yǐ)有40多(duō)年的曆史(shǐ)，早期(qī)的信(xìn)号隔(gé)離器(如美(měi)國moore，日(rì)本m-system等)都是采用(yòng)變壓器(qì)隔離方(fāng)式，它(tā)的特(tè)點是(shì):性能(néng)穩定(dìng)，壽命長(比(bǐ)如(rú):日本m-system公(gōng)司的(de)m2系列隔離(lí)變換器标稱的(de)使用壽命長達(dá)70年!)，帶負載(zǎi)能力(lì)強，隔離強(qiáng)度高(gāo)，但電路複雜，制(zhì)作工藝要求更(gèng)高。

随着電(diàn)子技(jì)術的發(fā)展，近些(xiē)年來逐(zhú)漸出現了利(lì)用光耦合(hé)器(opticalcoupler)生産(chǎn)的光電(diàn)式隔離器，它的(de)特點是:性能穩定，抗幹(gàn)擾能力(lì)強，而(ér)且線(xiàn)路簡單，成(chéng)本(běn)低廉，但(dàn)相對于(yú)變壓器(qì)隔離方式(shì)壽命(mìng)略短。

在一(yī)些現場幹(gàn)擾較大，工(gōng)藝要(yào)求較高場(chǎng)合出現了變壓(yā)器與光電(diàn)聯合(hé)方式(shì)的信号隔離器，它的(de)隔離(lí)能力(lì)、抗(kàng)無限射(shè)頻和(hé)電磁(cí)幹擾(rǎo)能力更強(qiáng)。比如(rú)日本m-system公(gōng)司生産的遠(yuǎn)程數據采(cǎi)集(jí)系統(tǒng)r5系(xì)列的(de)模拟量(liàng)采集模(mó)塊就應用了變(biàn)壓器和光電聯(lián)合隔離方式。

信(xìn)号隔離(lí)器(qì)的原(yuán)理圖如下:

圖中(zhōng)可以看出(chū)，隔離器實現了(le)輸入(rù)對輸(shū)出對電源(yuán)對地(dì)的(de)四端三(sān)重隔離電路設(shè)計，因此無(wú)需系統接地線路，給(gěi)設計(jì)及現場施(shī)工帶(dài)來極大方(fāng)便。也正(zhèng)是(shì)由于這種信(xìn)号(hào)線路(lù)無需共地(dì)的設(shè)計，使(shǐ)得檢測和(hé)控制回(huí)路信号的穩(wěn)定(dìng)性和抗(kàng)幹擾能力大大(dà)增強(qiáng)，從(cóng)而提高(gāo)了整個系(xì)統的可(kě)靠(kào)性(xìng)。另外，這(zhè)種隔離(lí)器産品除具(jù)備*的濾波(bō)能力外(wài)，還(hái)有更(gèng)強的(de)信号處理能(néng)力，能(néng)夠(gòu)接受并處理熱電(diàn)偶(ǒu)、熱電阻、頻(pín)率等各種信号。隔離器主要技(jì)術指(zhǐ)标:

1、隔離強度:也(yě)叫隔(gé)離能力(lì)、耐(nài)壓強度或測試耐壓(yā)，這是衡量信号(hào)隔(gé)離器的(de)主要參數之一。單位:伏特(tè)@1分鍾(zhōng)。它指的(de)是(shì)輸入(rù)與輸(shū)出(chū)，輸入與(yǔ)電源，輸(shū)出與電(diàn)源之間(jiān)的耐壓(yā)能力(lì)。它(tā)的數值(zhí)越大(dà)說明(míng)耐壓(yā)能力(lì)越(yuè)好，隔離(lí)能力越(yuè)強，濾波(bō)性(xìng)能越高。一般的，這種耐壓測(cè)試是通過(guò)一次性樣(yàng)品的耐壓(yā)檢驗來(lái)确定的(de)。在該(gāi)測試過程(chéng)中，将持續若幹(gàn)分鍾地分别在(zài)輸入與輸出、輸入與電源、輸出(chū)與(yǔ)電源之(zhī)間加(jiā)載50hz的工頻電壓，以便得出(chū)器件(jiàn)同另一(yī)個電勢(shì)面之間不(bú)會發生擊穿(chuān)的電壓(yā)數值。目前，市場(chǎng)上的(de)信号(hào)隔離器的隔(gé)離強度分爲2000v@1分鍾，1500v@1分鍾(zhōng)，1000v@1分鍾，500v@1分鍾(zhōng)等幾(jǐ)個級别。比如:日(rì)本m-system和美國aci的信号隔離(lí)器隔離(lí)強度爲2000v@1分鍾;其(qí)他國外品牌能(néng)做到(dào)1500v@1分鍾;信号隔離器(qì)能做到(dào)1000v@1分鍾，甚至1500v@1分鍾(zhōng)的隔(gé)離強度。

2、精度:這(zhè)是衡(héng)量一(yī)個信(xìn)号隔離變(biàn)送器(qì)質量(liàng)的标尺。業(yè)内一般能(néng)做到量程的±0.2%。溫(wēn)度(dù)系數:表示隔(gé)離器(qì)等儀表在(zài)環境(jìng)溫度發生(shēng)變化時(shí)，精度的變化情況。大多(duō)情況下用百分(fèn)數表示(shì)(也有用(yòng)單位250ppm/k表示的)，如(rú):m-system溫度系數爲±0.015%/℃(相當于(yú)150ppm/k)，溫度(dù)漂移(yí)常數(shù)是±150ppm/℃。

3、響應時(shí)間:表征信(xìn)号隔(gé)離器的反應速(sù)度。

4、絕緣電阻:内部電源與外殼(ké)之間隔離直流(liú)作用的(de)數值化(huà)表征(zhēng)。

5、負載(zǎi)電阻:反映了信号隔(gé)離器的帶(dài)載能(néng)力。