1  引言
控制系統(tǒng)中需要監(jiān)視和控制各類物理量,例如:溫度、濕度、壓力等,這些不同的物理量總是不斷的變化[1]。用于檢測(cè)這些狀態(tài)和變化的器件必須如實(shí)反映這些變化,這些參數(shù)被精確地測(cè)量后,盡管要受到諸如大氣和安裝等外部因素的影響,也必須保證在從現(xiàn)場(chǎng)傳輸?shù)娇刂剖业倪^(guò)程不被消減或干擾。信號(hào)隔離器能將這些信號(hào)轉(zhuǎn)換或變送需要高質(zhì)量的電子系統(tǒng),它們能適應(yīng)或抵御惡劣環(huán)境,諸如溫度變化、電磁干擾、振動(dòng)、腐蝕或爆炸等因素的干擾或影響。

2  干擾產(chǎn)生的原因
在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)信號(hào)傳輸?shù)母蓴_多種多樣,絕對(duì)隔離是不可能實(shí)現(xiàn)的。通常干擾主要由以下幾個(gè)原因產(chǎn)生:
2.1  接地回路
各種儀器設(shè)備根據(jù)要求和目的都需要接地,例如為了安全,機(jī)殼需要接大地;為了使電路正常工作,系統(tǒng)需要有公共參考點(diǎn);為了抑制干擾加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由于儀表和設(shè)備之間的參考點(diǎn)之間存在電勢(shì)差,因而形成 “接地環(huán)流。控制系統(tǒng)直流電源的負(fù)端通常會(huì)接地,如果輸入信號(hào)是由另外的電源供電或是傳感器本身已經(jīng)接地,瞬態(tài)電流將流過(guò)沿△接地導(dǎo)體之間產(chǎn)生的地電位差所形成的回路,從而干擾正常信號(hào)[2]。如圖1所示。

2.2  輻射噪聲
來(lái)自空間的輻射電磁場(chǎng)主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備等的暫態(tài)過(guò)程、雷電、無(wú)線電廣播、電視、雷達(dá)、高頻感應(yīng)加熱設(shè)備等產(chǎn)生的,通常稱又稱為為輻射干擾。通常傳感器發(fā)出的都是較小的信號(hào),因而容易受容性或感性設(shè)備的干擾,例如雷電干擾的時(shí)域波形是疊加在一串隨機(jī)脈沖背景上的一個(gè)大尖峰脈沖。宇宙噪音是電離輻射產(chǎn)生的,在一天中不斷變化。太陽(yáng)噪音則隨著太陽(yáng)活動(dòng)情況的劇烈變化。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、變頻器或者是其他功率切換設(shè)備。輻射噪聲經(jīng)常會(huì)干擾測(cè)量值,并且會(huì)損壞控制系統(tǒng)中敏感的I/O卡。如圖2所示。

2.3  線路引入
控制系統(tǒng)在正常情況下供電電源均由電網(wǎng)供電。由于電網(wǎng)覆蓋范圍廣,將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應(yīng)電壓和電路。特別是電網(wǎng)內(nèi)部的變化,開(kāi)關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流轉(zhuǎn)動(dòng)裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等,都會(huì)通過(guò)輸電線路到電源。控制系統(tǒng)的電源通常采用隔離電源,但它的機(jī)構(gòu)及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實(shí)際上,由于分布參數(shù)特別是分布電容的存在,絕對(duì)隔離是不可能實(shí)現(xiàn)的。

3  隔離器原理
信號(hào)隔離器工作原理:是將變送器或儀表的信號(hào),通過(guò)半導(dǎo)體器件調(diào)制轉(zhuǎn)化,然后通過(guò)光感或是磁感器件實(shí)現(xiàn)隔離轉(zhuǎn)換,然后再實(shí)行解調(diào)轉(zhuǎn)換回隔離前原信號(hào),同時(shí)對(duì)隔離后信號(hào)的供電電源實(shí)行隔離處理,保證轉(zhuǎn)換后的信號(hào)、電源、地之間絕對(duì)獨(dú)立。同時(shí)對(duì)疊加在測(cè)量值上的干擾信號(hào)進(jìn)行濾波,以及根據(jù)控制系統(tǒng)輸入、輸出要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行匹配,因此,隔離、放大、濾波和匹配是信號(hào)隔離器所起的作用。信號(hào)隔離器有以下幾個(gè)參數(shù)[3]。
3.1  最大輸入信號(hào)
最大輸入信號(hào)是指尚不至于損壞模塊以及信號(hào)發(fā)生器的數(shù)值。如果超過(guò)這些數(shù)值,限壓二極管則可以在系統(tǒng)識(shí)別出過(guò)電壓的基礎(chǔ)上使這個(gè)輸入端短路,使模擬信號(hào)的傳輸范圍僅在給定的輸入范圍內(nèi)。
3.2  共模抑制比
隔離放大器內(nèi)部用運(yùn)算放大器來(lái)傳輸信號(hào),運(yùn)算放大器從理論上而言擁有理想的傳輸和放大性能,但是實(shí)際上并不是如此。當(dāng)兩個(gè)輸入段電壓發(fā)生同向變化,即在兩個(gè)輸入端子上加有完全相同的對(duì)地電壓時(shí),它將引起一個(gè)不希望出現(xiàn)的輸出信號(hào),從理論上來(lái)說(shuō),此時(shí)理想運(yùn)算放大器上不該出現(xiàn)輸出信號(hào),因?yàn)檩斎攵瞬钪敌盘?hào)為“0V”。共模抑制比這個(gè)參數(shù)表示,共模輸入電壓要比差模輸入電壓少放大多少倍。
3.3  負(fù)載阻抗
輸出側(cè)的負(fù)載阻抗是衡量一個(gè)測(cè)量變送器或者隔離放大器負(fù)荷能力的標(biāo)準(zhǔn),電流輸出端在大多數(shù)情況下可以承受500以內(nèi)的符合,電壓輸出端通常至少可承受10K的負(fù)荷。
3.4  線性度
通過(guò)信號(hào)的線性度,可以對(duì)過(guò)程從零點(diǎn)到最大值進(jìn)行評(píng)價(jià),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。
3.5  極限頻率
隔離放大器一般是用來(lái)傳輸直流信號(hào)的,但是信號(hào)的變化卻要求模塊具有動(dòng)態(tài)特性,這種動(dòng)態(tài)特性是由極限頻率來(lái)確定的。所以,即使是微小的交流量也能得到傳輸。與此同時(shí),較低的極限頻率將抑制高頻交流成分。

4  隔離器分類與應(yīng)用
信號(hào)隔離器分有源信號(hào)隔離器和無(wú)源信號(hào)隔離器。
4.1  有源信號(hào)隔離器
有源信號(hào)隔離器由獨(dú)立的電源供電,以確保隔離器出色工作,模塊在輸入側(cè)需要有源信號(hào),在輸出測(cè)它們則提供經(jīng)過(guò)過(guò)濾和放大的信號(hào),根據(jù)應(yīng)用情況輸入/輸出與電源之間相互隔離[4]。
4.1.1  三端隔離
三端隔離只需要一個(gè)電源,這個(gè)電源與測(cè)量電路隔離,采用這種技術(shù)隔離的模塊,它們所有連接在輸入端、輸出端或者電源上的組件皆不會(huì)互相干擾,三端之間也相應(yīng)地互相電隔離。如圖3所示。

三端隔離模塊在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中可直接用于分散的端子盒,并且在控制柜中的控制部分旁邊進(jìn)行電隔離。三端隔離不僅在檢測(cè)探頭和控制部分,而且也在控制部分和調(diào)節(jié)部分之間起到電隔離作用。
4.1.2  輸入端隔離
采用這種隔離技術(shù)的模塊應(yīng)該保護(hù)輸出側(cè)連接的電子設(shè)備(例如控制器的輸入卡)不受現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾。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。

這種模塊在輸入側(cè)需要有源信號(hào)(例如來(lái)自壓力變送器),它們?cè)谳敵鰝?cè)(例如控制器)提供一個(gè)經(jīng)過(guò)濾波和放大信號(hào)。
4.1.3  輸出端隔離
采用這種隔離技術(shù)的模塊應(yīng)該保護(hù)輸入側(cè)連接的電子設(shè)備(例如控制器的輸出卡)不受現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾。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(cè)需要有源信號(hào)(例如控制器的輸出卡),它們?cè)谳敵鰝?cè)發(fā)出經(jīng)過(guò)處理和發(fā)大的信號(hào)(例如提供給調(diào)節(jié)閥)。
4.2  無(wú)源信號(hào)隔離器
無(wú)源信號(hào)隔離器提供了一種附加和實(shí)質(zhì)性的便利,它無(wú)需額外的電源供電,模塊的的工作電源是通過(guò)輸入或輸出回路提供,其內(nèi)部電路消耗的電流極小,不影響信號(hào)的正確傳輸。根據(jù)信號(hào)隔離器的供電方式分以下幾種:
4.2.1  輸入側(cè)供電
采用這種隔離技術(shù)時(shí),這些模塊從有源輸入回路(例如電磁流量計(jì)或控制系統(tǒng)輸出卡)獲取所需的能量用于信號(hào)傳輸和電隔離,輸出側(cè)提供經(jīng)過(guò)處理的電流信號(hào)用于控制或調(diào)節(jié)。如圖6所示。

這種無(wú)源隔離方式適用于信號(hào)處理(同接地回路分開(kāi))和濾波。而無(wú)需附加的輔助電源。
4.2.2  輸出側(cè)供電
采用這種隔離技術(shù)時(shí),這些模塊從有源輸出回路(最好是從控制系統(tǒng)輸入卡用輔助電源供電的)獲取所需的能量用于信號(hào)傳輸和電隔離。如圖7所示。

這種無(wú)源隔離器在輸入側(cè)可以處理各種有源信號(hào)(例如電磁流量計(jì)),在輸出側(cè),回路供電的模塊則采用4-20mA的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。用這種隔離技術(shù)時(shí)必須注意,連接在輸出側(cè)的有源信號(hào)源(例如控制系統(tǒng)輸入卡)即可以給無(wú)源隔離器供電也可以帶動(dòng)負(fù)載(例如控制系統(tǒng)輸入卡的輸入電阻)。
4.2.3  無(wú)源饋電隔離器
采用這種隔離技術(shù)時(shí),這些模塊從有源輸出回路獲取所需的能量用于信號(hào)傳輸和電隔離,無(wú)源饋電隔離器把這種從輸出回路獲得的能量另外還供給一個(gè)連接在輸入側(cè)的無(wú)源檢測(cè)探頭(例如壓力變送器),檢測(cè)探頭借助于提供的能量發(fā)出一個(gè)有源信號(hào),通過(guò)無(wú)源饋電隔離器電隔離并且從輸出側(cè)輸出。如圖8所示。

因此,信號(hào)和能量流在無(wú)源饋電隔離器方式時(shí)原則上是逆向進(jìn)行的。

5  結(jié)束語(yǔ)
信號(hào)隔離器除了電隔離外,在隔離放大器中信號(hào)還得到了放大,以便實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸或者是連接高阻抗的負(fù)載。可應(yīng)用于所有的工業(yè)場(chǎng)合中需要電子測(cè)量和控制的系統(tǒng)中,諸如過(guò)程控制中電廠、冶金廠、自來(lái)水廠和污水處理廠,石油天然氣生產(chǎn)廠以及化工生產(chǎn)廠中。

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[3] 楊幫文編.新型傳感器和變送器實(shí)用手冊(cè) [M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.
[4] 菲尼克斯INTERFACE電子接口技術(shù)產(chǎn)品[Z],2008.

作者簡(jiǎn)介:李喜東(1976-),男,高級(jí)工程師,研究方向:主要從事自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用工作。