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信號隔離器的工作原理及應用場合有哪些?
來源: 關鍵詞:信號隔離器 發布時間:2020-05-20
信號隔離器的工作原理及應用范圍
在工業生產過程中,生成過程的監視和控制中要用到各種各樣的儀器儀表,會產生各種各樣的信號:既有微弱的毫伏級的小信號,又有數十伏的大信號,甚至還有高達數千伏和數百安培的強信號;既有直流低頻信號,也有高頻或脈沖尖峰信號;而這些信號都要經過互相傳遞和輸送的過程,因此如何保證這些信號,特別是模擬信號在傳輸過程中不失真將成為系統調試中必須解決的問題。
具體地說,只有當控制裝置和分布在現場的傳感器和執行器之間的模擬信號傳輸無故障并且不失真時,才能保證過程控制安全可靠。尤其是小功率的模擬信號在干擾大的工業環境中傳輸時受各種外部干擾信號的影響,它們需要一條可靠的傳輸通道。日常工作經驗表明,受設備要求的制約,必須謹慎小心的處理和傳輸模擬信號。而現場和控制層之間以模擬信號形式傳輸的測量和控制參數,在傳輸工程中常處于較惡劣的工業環境中,很可能會造成這些信號的失真。
一、造成模擬信號失真的原因
1.接地環路問題:如下圖所示,當過程環路中有兩處或兩處以上接地電阻不相等時,就會產生接地環路,過程信號就會失
要使信號完整而不失真地傳輸,理想化的情況是所有設備、儀表中的信號都有一個共同的參考點,也就是有一個共同的“地”。只有這樣,所有的設備、儀表的信號參考點之間電位差才能為“零”。很顯然,不同設備的接地電阻很難保證都相等,接地電阻也會隨著傳輸距離的增加而升高,有時甚至產生高達200V的電位差。
2.測量回路相互連接問題:如下圖所示,在這些回路中,參考點要將因為接通多個信號回路而升高。
如上圖,在這種相互連接的測量回路中,由于線間電阻的不斷增加,必然會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,特別是在長距離或者干擾較大的工業環境中,很難避免感性和容性干擾在測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:
第一種方案是現場儀表不接地,使過程環路中只有一個接地點,但在實際應用中,這種方案往往難以實現,因為某些設備必須接地才能保證測量精度或確保人身安全,某些設備可能因為長期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點。
第二種方案是使兩接地點的電勢相同,但由于接地點的電阻受地質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現的。
第三種方案是在過程環路中使用信號隔離器。信號隔離器采用隔離技術,斷開過程環路中的直接電路(直流通路)但又不影響過程信號的正常傳輸,從而徹底解決了上述問題。
當然,我們也可以用DCS的隔離卡鍵或帶隔離能力的變送器實現信號隔離,但它們價格昂貴,而且他們的隔離強度、抗無限射頻/電磁干擾(RFI/EMI)指標及應用靈活性比信號隔離器差,更不可能像信號隔離器那樣還可解決信號轉換及信號分配等問題。
二、信號隔離器原理
目前,信號隔離(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合隔離方式等幾種。
信號隔離器至今已有40多年的歷史,早期的信號隔離器都是采用變壓器隔離方式,它的特點是:性能穩定,壽命長,帶負載能力強,隔離強度高,但電路復雜,制作工藝要求更高。
隨著電子技術的發展,近些年來逐漸出現了利用光耦合器(optical coupler)生產的光電式隔離器,它的特點是:性能穩定,抗干擾能力強,而且線路簡單,成本低廉,但相對于變壓器隔離方式壽命略短。
在一些現場干擾較大,工藝要求較高場合出現了變壓器與光電聯合方式的信號隔離器,它的隔離能力、抗無限射頻和電磁干擾能力更強。
隔離器實現了輸入對輸出對電源對地的四端三重隔離電路設計,因此無需系統接地線路,給設計及現場施工帶來極大方便。也正是由于這種信號線路無需共地的設計,使得檢測和控制回路信號的穩定性和抗干擾能力大大增強,從而提高了整個系統的可靠性。另外,這種隔離器產品除具備極強的濾波能力外,還有更強的信號處理能力,能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等各種信號。
三、隔離器主要技術指標:
1.隔離強度:也叫隔離能力、耐壓強度或測試耐壓,這是衡量信號隔離器的主要參數之一。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。它的數值越大說明耐壓能力越好,隔離能力越強,濾波性能越高。一般的,這種耐壓測試是通過一次性樣品的耐壓檢驗來確定的。在該測試過程中,將持續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電勢面之間不會發生擊穿的電壓數值。
目前,市場上的信號隔離器的隔離強度分為2000V@1分鐘,1500V@1分鐘,1000V@1分鐘,500V@1分鐘等幾個級別。
2.精度:這是衡量一個信號隔離變送器質量的標尺。業內一般能做到量程的±0.2%
3.溫度系數:表示隔離器等儀表在環境溫度發生變化時,精度的變化情況。大多情況下用百分數表示(也有用單位250ppm/K表示的),比如:美國麥德勝(Madshen)品牌的MDSC系列信號隔離器溫度系數為±0.015%/℃(相當于150ppm/K)。
4.響應時間:表征信號隔離器的反應速度。
5.絕緣電阻:內部電源與外殼之間隔離直流作用的數值化表征。
6.負載電阻:反映了信號隔離器的帶載能力。
四、信號隔離(變換)器的應用舉例
1.隔離輸入/輸出信號
這是信號隔離器最主要的功能。信號隔離器一方面能解決接地環路和設備互聯時產生的地線參考點不同的問題,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。
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