信號(hào)隔離器原理及應(yīng)用

1、信號(hào)隔離器原理及應(yīng)用在工業(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)傳輸無(wú)故障并且不失真時(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

2、，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。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)失真。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

3、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。設(shè)備一 設(shè)備二 設(shè)備三 設(shè)備四畢 畢畢L2R I L3 R L41U!I4IA UR2 A UR3 >A UR4如上圖，在這種相互連接的測(cè)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(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：第一種方案是現(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

4、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，從而徹底解決了上述問(wèn)題。如下圖：信號(hào)隔離器當(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

5、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（如美國(guó)MOORE日本M-SYSTE晦）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)（比如：日本 M-SYSTE公司的M2系列隔離變換器標(biāo)稱(chēng)的使用 壽命長(zhǎng)達(dá)70年?。?，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(xiàn)路簡(jiǎn)單，成本低廉，但相對(duì)于變壓器隔

6、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)。 比如日本M-SYSTEM公司生產(chǎn)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)R5系列的模擬量采集模塊就應(yīng)用了變壓器和光電聯(lián)合隔離方式。信號(hào)隔離器的原理圖如下：tINPUT*lnpLrt shunt resistor attached lor currem inpul.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(xiàn)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(xiàn)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

7、而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 另外，這種隔離器產(chǎn)品除具備極強(qiáng)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)。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，

8、市場(chǎng)上的信號(hào)隔離器的隔離強(qiáng)度分為2000V1分鐘，1500V1分鐘，1000V1分鐘，500V份鐘等幾個(gè)級(jí)別。比如：日本M-SYSTEM口美國(guó)ACI的信號(hào)隔離器隔離強(qiáng)度為 2000V份鐘；其他國(guó)外品牌能做到 1500V1 分鐘；而目前國(guó)內(nèi)的幾個(gè)品牌也能做到1000V份鐘，甚至1500V份鐘的隔離強(qiáng)度。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%。 個(gè)別品牌如M-SYSTEM、ACI 等能做到±0.1%。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：

9、M-SYSTEMa度系數(shù)為± 0.015%/ C （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。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)隔離器最主要的功能。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(xiàn)參考點(diǎn)不同的問(wèn)題，另一方面能有效地去除線(xiàn)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

10、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獻(xiàn)備與位于主控室的PLC/DCS的參考“地”電位完全相等，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)也完全正確。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接收至IJ的1#設(shè)備的信號(hào)為 0-10V,而接收到的 2獻(xiàn)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

11、簡(jiǎn)單地 把1#, 2獻(xiàn)備的“地”線(xiàn)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(xiàn)上，有 可能損壞PLC/DCS的局部“的”線(xiàn)。同樣，在輸出端的3#, 4#設(shè)備也會(huì)出現(xiàn)類(lèi)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)題的最好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)在電氣上完全隔離的特點(diǎn)。換句話(huà)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)?-10V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。例如某大型水泥廠(chǎng)新建窯爐的生產(chǎn)線(xiàn)調(diào)

12、試中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)爐溫信號(hào)接入國(guó)外某著名品牌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(chǎng)化水處理工程中，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)各種不同類(lèi)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，一切正常！信號(hào)隔離器2.信號(hào)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

13、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)250 電阻將4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成1-5V電壓信號(hào)。如下圖： 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：由于電阻本身難以達(dá)到高精度，加之存在接線(xiàn)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；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；導(dǎo)線(xiàn)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)；由于RFI/EMI （無(wú)線(xiàn)

14、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, 以下圖為例：（如：M-SYSTEM勺 W5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）間完全隔離；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俞入卡鍵）的信號(hào)接入端帶有24V電源（即我們常說(shuō)的兩線(xiàn)制接口），而現(xiàn)場(chǎng)為4線(xiàn)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(xiàn)制變送器輸出信號(hào)與來(lái)自于接收裝置的兩線(xiàn)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(xiàn)由接收設(shè)備供電，并將現(xiàn)場(chǎng)4線(xiàn)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線(xiàn)制外部供電型信號(hào)隔離器 ，又叫隔離配電器（如：日本M-SYSTEM勺M5DY!（歹U,美國(guó)ACI的SBDY!（列等）， 具有向2線(xiàn)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。如下圖：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