淺談隔離器的三端隔離與信號隔離器分類
發布時間:2020-03-13 責任編輯:lina
【導讀】文章闡述信號幹擾產生的原因及隔離器的抗幹擾作用,結合隔離器原理普及信號隔離器的分類及應用,幫助儀表工提高信號隔離器選用技能。
文(wen)章(zhang)闡(chan)述(shu)信(xin)號(hao)幹(gan)擾(rao)產(chan)生(sheng)的(de)原(yuan)因(yin)及(ji)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)抗(kang)幹(gan)擾(rao)作(zuo)用(yong),結(jie)合(he)隔(ge)離(li)器(qi)原(yuan)理(li)普(pu)及(ji)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)的(de)分(fen)類(lei)及(ji)應(ying)用(yong),幫(bang)助(zhu)儀(yi)表(biao)工(gong)提(ti)高(gao)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)選(xuan)用(yong)技(ji)能(neng)。
控製係統中需要監視和控製各類物理量,例如:溫度、濕度、壓(ya)力(li)等(deng),這(zhe)些(xie)不(bu)同(tong)的(de)物(wu)理(li)量(liang)總(zong)是(shi)不(bu)斷(duan)的(de)變(bian)化(hua)。用(yong)於(yu)檢(jian)測(ce)這(zhe)些(xie)狀(zhuang)態(tai)和(he)變(bian)化(hua)的(de)器(qi)件(jian)必(bi)須(xu)如(ru)實(shi)反(fan)映(ying)這(zhe)些(xie)變(bian)化(hua),這(zhe)些(xie)參(can)數(shu)被(bei)精(jing)確(que)地(di)測(ce)量(liang)後(hou),盡(jin)管(guan)要(yao)受(shou)到(dao)諸(zhu)如(ru)大(da)氣(qi)和(he)安(an)裝(zhuang)等(deng)外(wai)部(bu)因(yin)素(su)的(de)影(ying)響(xiang),也(ye)必(bi)須(xu)保(bao)證(zheng)在(zai)從(cong)現(xian)場(chang)傳(chuan)輸(shu)到(dao)控(kong)製(zhi)室(shi)的(de)過(guo)程(cheng)不(bu)被(bei)消(xiao)減(jian)或(huo)幹(gan)擾(rao)。信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)能(neng)將(jiang)這(zhe)些(xie)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)或(huo)變(bian)送(song)需(xu)要(yao)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)電(dian)子(zi)係(xi)統(tong),它(ta)們(men)能(neng)適(shi)應(ying)或(huo)抵(di)禦(yu)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing),諸(zhu)如(ru)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)、電磁幹擾、振動、腐蝕或爆炸等因素的幹擾或影響。
1、幹擾產生的原因
在工業生產過程中對信號傳輸的幹擾多種多樣,絕對隔離是不可能實現的。通常幹擾主要由以下幾個原因產生:
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,係統需要有公共參考點;為了抑製幹擾加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由於儀表和設備之間的參考點之間存在電勢差,因而形成“接地環流”。控製係統直流電源的負端通常會接地,如果輸入信號是由另外的電源供電或是傳感器本身已經接地,瞬態電流將流過沿△接地導體之間產生的地電位差所形成的回路, 從而幹擾正常信號。如圖1所示。
圖1 接地回路
②輻射噪聲
來自空間的輻射電磁場主要是由電力網絡、電氣設備等的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高gao頻pin感gan應ying加jia熱re設she備bei等deng產chan生sheng的de,通tong常chang稱cheng又you稱cheng為wei為wei輻fu射she幹gan擾rao。通tong常chang傳chuan感gan器qi發fa出chu的de都dou是shi較jiao小xiao的de信xin號hao,因yin而er容rong易yi受shou容rong性xing或huo感gan性xing設she備bei的de幹gan擾rao,例li如ru雷lei電dian幹gan擾rao的de時shi域yu波bo形xing是shi疊die加jia在zai一yi串chuan隨sui機ji脈mai衝chong背bei景jing上shang的de一yi個ge大da尖jian峰feng脈mai衝chong。宇yu宙zhou噪zao音yin是shi電dian離li輻fu射she產chan生sheng的de,在zai一yi天tian中zhong不bu斷duan變bian化hua。太tai陽yang噪zao音yin則ze隨sui著zhe太tai陽yang活huo動dong情qing況kuang的de劇ju烈lie變bian化hua。感gan應ying電dian動dong機ji、變頻器或者是其他功率切換設備。輻射噪聲經常會幹擾測量值,並且會損壞控製係統中敏感的I/O卡。如圖2所示。

圖2 輻射噪聲
③線路引入
控製係統在正常情況下供電電源均由電網供電。由於電網覆蓋範圍廣, 將受到所有空間電磁幹擾而在線路上感應電壓和電路。特別是電網內部的變化,開關操作浪湧、大型電力設備起停、交直流轉動裝置引起的諧波、電(dian)網(wang)短(duan)路(lu)暫(zan)態(tai)衝(chong)擊(ji)等(deng),都(dou)會(hui)通(tong)過(guo)輸(shu)電(dian)線(xian)路(lu)到(dao)電(dian)源(yuan)。控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)的(de)電(dian)源(yuan)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)隔(ge)離(li)電(dian)源(yuan),但(dan)它(ta)的(de)機(ji)構(gou)及(ji)製(zhi)造(zao)工(gong)藝(yi)因(yin)素(su)使(shi)其(qi)隔(ge)離(li)性(xing)並(bing)不(bu)理(li)想(xiang)。實(shi)際(ji)上(shang),由(you)於(yu)分(fen)布(bu)參(can)數(shu)特(te)別(bie)是(shi)分(fen)布(bu)電(dian)容(rong)的(de)存(cun)在(zai),絕(jue)對(dui)隔(ge)離(li)是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)實(shi)現(xian)的(de)。
2、隔離器原理
信號隔離器工作原理: 是(shi)將(jiang)變(bian)送(song)器(qi)或(huo)儀(yi)表(biao)的(de)信(xin)號(hao),通(tong)過(guo)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)調(tiao)製(zhi)轉(zhuan)化(hua),然(ran)後(hou)通(tong)過(guo)光(guang)感(gan)或(huo)是(shi)磁(ci)感(gan)器(qi)件(jian)實(shi)現(xian)隔(ge)離(li)轉(zhuan)換(huan),然(ran)後(hou)再(zai)實(shi)行(xing)解(jie)調(tiao)轉(zhuan)換(huan)回(hui)隔(ge)離(li)前(qian)原(yuan)信(xin)號(hao),同(tong)時(shi)對(dui)隔(ge)離(li)後(hou)信(xin)號(hao)的(de)供(gong)電(dian)電(dian)源(yuan)實(shi)行(xing)隔(ge)離(li)處(chu)理(li),保(bao)證(zheng)轉(zhuan)換(huan)後(hou)的(de)信(xin)號(hao)、電源、地之間絕對獨立。同時對疊加在測量值上的幹擾信號進行濾波,以及根據控製係統輸入、輸出要求對信號進行匹配,因此, 隔離、放大、濾波和匹配是信號隔離器所起的作用。高品質信號隔離器性能判別指標主要有八個,本文介紹部分參數。
①最大輸入信號
最zui大da輸shu入ru信xin號hao是shi指zhi尚shang不bu至zhi於yu損sun壞huai模mo塊kuai以yi及ji信xin號hao發fa生sheng器qi的de數shu值zhi。如ru果guo超chao過guo這zhe些xie數shu值zhi,限xian壓ya二er極ji管guan則ze可ke以yi在zai係xi統tong識shi別bie出chu過guo電dian壓ya的de基ji礎chu上shang使shi這zhe個ge輸shu入ru端duan短duan路lu,使shi模mo擬ni信xin號hao的de傳chuan輸shu範fan圍wei僅jin在zai給gei定ding的de輸shu入ru範fan圍wei內nei。
②共模抑製比
隔ge離li放fang大da器qi內nei部bu用yong運yun算suan放fang大da器qi來lai傳chuan輸shu信xin號hao,運yun算suan放fang大da器qi從cong理li論lun上shang而er言yan擁yong有you理li想xiang的de傳chuan輸shu和he放fang大da性xing能neng,但dan是shi實shi際ji上shang並bing不bu是shi如ru此ci。當dang兩liang個ge輸shu入ru段duan電dian壓ya發fa生sheng同tong向xiang變bian化hua,即ji在zai兩liang個ge輸shu入ru端duan子zi上shang加jia有you完wan全quan相xiang同tong的de對dui地di電dian壓ya時shi,它ta將jiang引yin起qi一yi個ge不bu希xi望wang出chu現xian的de輸shu出chu信xin號hao,從cong理li論lun上shang來lai說shuo,此ci時shi理li想xiang運yun算suan放fang大da器qi上shang不bu該gai出chu現xian輸shu出chu信xin號hao,因yin為wei輸shu入ru端duan差cha值zhi信xin號hao為wei“0V”。共模抑製比這個參數表示,共模輸入電壓要比差模輸入電壓少放大多少倍。
③負載阻抗
輸出側的負載阻抗是衡量一個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以內的符合,電壓輸出端通常至少可承受10K的負荷。
④線性度
通過信號的線性度,可以對過程從零點到最大值進行評價,通常情況下線性度誤差表示偏離理想的傳輸特性百分之幾。
⑤極限頻率
隔(ge)離(li)放(fang)大(da)器(qi)一(yi)般(ban)是(shi)用(yong)來(lai)傳(chuan)輸(shu)直(zhi)流(liu)信(xin)號(hao)的(de),但(dan)是(shi)信(xin)號(hao)的(de)變(bian)化(hua)卻(que)要(yao)求(qiu)模(mo)塊(kuai)具(ju)有(you)動(dong)態(tai)特(te)性(xing),這(zhe)種(zhong)動(dong)態(tai)特(te)性(xing)是(shi)由(you)極(ji)限(xian)頻(pin)率(lv)來(lai)確(que)定(ding)的(de)。所(suo)以(yi),即(ji)使(shi)是(shi)微(wei)小(xiao)的(de)交(jiao)流(liu)量(liang)也(ye)能(neng)得(de)到(dao)傳(chuan)輸(shu)。與(yu)此(ci)同(tong)時(shi), 較低的極限頻率將抑製高頻交流成分。
3、隔離器分類與應用
信號隔離器分有源信號隔離器和無源信號隔離器。
①有源信號隔離器
youyuanxinhaogeliqiyoudulidedianyuangongdian,yiquebaogeliqichusegongzuo,mokuaizaishurucexuyaoyouyuanxinhao,zaishuchucetamenzetigongjingguoguolvhefangdadexinhao,genjuyingyongqingkuangshuru/輸出與電源之間相互隔離。
a、三端隔離
三端隔離隻需要一個電源,這個電源與測量電路隔離,采用這種技術隔離的信號隔離器,它們所有連接在輸入端、輸出端或者電源上的組件皆不會互相幹擾,三端之間也相應地互相電隔離。如圖3所示。

圖3 信號隔離器的三端隔離
三(san)端(duan)隔(ge)離(li)的(de)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)在(zai)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)中(zhong)可(ke)直(zhi)接(jie)用(yong)於(yu)分(fen)散(san)的(de)端(duan)子(zi)盒(he),並(bing)且(qie)在(zai)控(kong)製(zhi)櫃(gui)中(zhong)的(de)控(kong)製(zhi)部(bu)分(fen)旁(pang)邊(bian)進(jin)行(xing)電(dian)隔(ge)離(li)。三(san)端(duan)隔(ge)離(li)不(bu)僅(jin)在(zai)檢(jian)測(ce)探(tan)頭(tou)和(he)控(kong)製(zhi)部(bu)分(fen),而(er)且(qie)也(ye)在(zai)控(kong)製(zhi)部(bu)分(fen)和(he)調(tiao)節(jie)部(bu)分(fen)之(zhi)間(jian)起(qi)到(dao)電(dian)隔(ge)離(li)作(zuo)用(yong)。
b、輸入端隔離
采用這種隔離技術的模塊應該保護輸出側連接的電子設備(例如控製器的輸入卡)不受現場的各種幹擾。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。這種信號隔離器在輸入側需要有源信號(例如來自壓力變送器),它們在輸出側(例如控製器)提供一個經過濾波和放大信號。

圖4 隔離器的輸入端隔離
c、輸出端隔離
采用這種隔離技術的模塊應該保護輸入側連接的電子設備(例如控製器的輸出卡)不受現場的各種幹擾。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(例如控製器的輸出卡),它們在輸出側發出經過處理和發大的信號(例如提供給調節閥)。

圖5 隔離器的輸出端隔離
②無源信號隔離器
wuyuanxinhaogeliqitigongleyizhongfujiaheshizhixingdebianli,tawuxuewaidedianyuangongdian,mokuaidedegongzuodianyuanshitongguoshuruhuoshuchuhuilutigong,qineibudianluxiaohaodedianliujixiao,buyingxiangxinhaodezhengquechuanshu。genjuxinhaogeliqidegongdianfangshifenyixiajizhong:
a、輸入側供電
采用這種輸入側供電隔離技術的輸入側獲取能量無源信號隔離器(比如YR9101A),這些輸入側獲取能量無源信號隔離器從有源輸入回路(例如電磁流量計或控製係統輸出卡)獲取所需的能量用於4-20mA信號傳輸和電隔離,輸出側提供經過處理的電流信號用於控製或調節。如圖6所示。這種無源隔離方式適用於信號處理(同接地回路分開)和濾波。而無需附加的輔助電源。

圖6 輸入側獲取能量無源信號隔離器的輸入端隔離
b、輸出側供電
采用這種隔離技術時,這些模塊從有源輸出回路(最好是從控製係統輸入卡用輔助電源供電的)獲取所需的能量用於信號傳輸和電隔離。如圖7所示。

圖7 輸出端隔離
這種從輸出側獲取能量的無源隔離器(比如YR9201A)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。用這種隔離技術時必須注意,連接在輸出側的有源信號(例如控製係統輸入卡)即可以給無源隔離器供電也可以帶動負載(例如控製係統輸入卡的輸入電阻)。
c、無源饋電隔離器
caiyongzhezhonggelijishushi,zhexiemokuaicongyouyuanshuchuhuiluhuoqusuoxudenengliangyongyuxinhaochuanshuhediangeli,wuyuanpeidianqibazhezhongcongshuchuhuiluhuodedenenglianglingwaihaigonggeiyigelianjiezaishurucedeerxianzhibiansongqi(例如壓力變送器),二線製變送器借助於無源配電器提供的能量發出一個有源信號,通過無源配電器電隔離並且從輸出側輸出。如圖8所示。因此,信號和能量流在無源配電器方式時原則上是逆向進行的。

圖8 無源饋電隔離
信號隔離器除了電隔離外, 在(zai)隔(ge)離(li)放(fang)大(da)器(qi)中(zhong)信(xin)號(hao)還(hai)得(de)到(dao)了(le)放(fang)大(da),以(yi)便(bian)實(shi)現(xian)長(chang)距(ju)離(li)的(de)傳(chuan)輸(shu)或(huo)者(zhe)是(shi)連(lian)接(jie)高(gao)阻(zu)抗(kang)的(de)負(fu)載(zai)。可(ke)應(ying)用(yong)於(yu)所(suo)有(you)的(de)工(gong)業(ye)場(chang)合(he)中(zhong)需(xu)要(yao)電(dian)子(zi)測(ce)量(liang)和(he)控(kong)製(zhi)的(de)係(xi)統(tong)中(zhong),諸(zhu)如(ru)過(guo)程(cheng)控(kong)製(zhi)中(zhong)電(dian)廠(chang)、冶金廠、自來水廠和汙水處理廠,石油天然氣生產廠以及化工生產廠中。
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