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信號(hào)隔離器的工作原理及應(yīng)用場(chǎng)合有哪些？
2021-08-02 來自: 西安世超電氣有限公司 瀏覽次數(shù):1268
信號(hào)隔離器的工作原理及應(yīng)用范圍
在工業(yè)生產(chǎn)過程中，生成過程的監(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)過互相傳遞和輸送的過程，因此如何保證這些信號(hào)，特別是模擬信號(hào)在傳輸過程中不失真將成為系統(tǒng)調(diào)試中需要解決的問題。
具體地說，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)傳輸無故障并且不失真時(shí)，才能保證過程控制安全可靠。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，受設(shè)備要求的制約，需要謹(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。
一、造成模擬信號(hào)失真的原因
1.接地環(huán)路問題：如下圖所示，當(dāng)過程環(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，過程信號(hào)就會(huì)失
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的電位差。
2.測(cè)量回路相互連接問題：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。
如上圖，在這種相互連接的測(cè)量回路中，由于線間電阻的不斷增加，必然會(huì)引起參考電壓的不斷升高。
3.電磁干擾問題：這是比較常見的干擾，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。
解決這些問題的方案主要有三種：
一種方案是現(xiàn)場(chǎng)儀表不接地，使過程環(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)備需要接地才能保證測(cè)量精度或確保人身安全，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)。
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。
三種方案是在過程環(huán)路中使用信號(hào)隔離器。信號(hào)隔離器采用隔離技術(shù)，斷開過程環(huán)路中的直接電路（直流通路）但又不影響過程信號(hào)的正常傳輸，從而完全解決了上述問題。
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)分配等問題。
二、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)，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)，而且線路簡(jiǎn)單，成本低廉，但相對(duì)于變壓器隔離方式壽命略短。
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、抗無限射頻和電磁干擾能力更強(qiáng)。
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)，因此無需系統(tǒng)接地線路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工帶來很大方便。也正是由于這種信號(hào)線路無需共地的設(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)。
三、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)試是通過一次性樣品的耐壓檢驗(yàn)來確定的。在該測(cè)試過程中，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，市場(chǎng)上的信號(hào)隔離器的隔離強(qiáng)度分為2000V@1分鐘，1500V@1分鐘，1000V@1分鐘，500V@1分鐘等幾個(gè)級(jí)別。
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%
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），比如：美國(guó)麥德勝(Madshen)品牌的MDSC系列信號(hào)隔離器溫度系數(shù)為±0.015%/℃（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。
四、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)生的地線參考點(diǎn)不同的問題，另一方面能有效地去除線路在傳輸過程中可能受到的無限射頻和電磁干擾問題。