1 引言
控制系统中需要监视和控制各类物理量,例如:温度、湿度、压力等,这些不同的物理量总是不断的变化[1]。用于检测这些状态和变化的器件必须如实反映这些变化,这些参数被精确地测量后,尽管要受到诸如大气和安装等外部因素的影响,也必须保证在从现场传输到控制室的过程不被消减或干扰。信号隔离器能将这些信号转换或变送需要高质量的电子系统,它们能适应或抵御恶劣环境,诸如温度变化、电磁干扰、振动、腐蚀或爆炸等因素的干扰或影响。
2 干扰产生的原因
在工业生产过程中对信号传输的干扰多种多样,绝对隔离是不可能实现的。通常干扰主要由以下几个原因产生:
2.1 接地回路
各种仪器设备根据要求和目的都需要接地,例如为了安全,机壳需要接大地;为了使电路正常工作,系统需要有公共参考点;为了抑制干扰加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由于仪表和设备之间的参考点之间存在电势差,因而形成 “接地环流。控制系统直流电源的负端通常会接地,如果输入信号是由另外的电源供电或是传感器本身已经接地,瞬态电流将流过沿△接地导体之间产生的地电位差所形成的回路,从而干扰正常信号[2]。如图1所示。
2.2 辐射噪声
来自空间的辐射电磁场主要是由电力网络、电气设备等的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的,通常称又称为为辐射干扰。通常传感器发出的都是较小的信号,因而容易受容性或感性设备的干扰,例如雷电干扰的时域波形是叠加在一串随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲。宇宙噪音是电离辐射产生的,在一天中不断变化。太阳噪音则随着太阳活动情况的剧烈变化。感应电动机、变频器或者是其他功率切换设备。辐射噪声经常会干扰测量值,并且会损坏控制系统中敏感的I/O卡。如图2所示。
2.3 线路引入
控制系统在正常情况下供电电源均由电网供电。由于电网覆盖范围广,将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电路。特别是电网内部的变化,开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流转动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等,都会通过输电线路到电源。控制系统的电源通常采用隔离电源,但它的机构及制造工艺因素使其隔离性并不理想。实际上,由于分布参数特别是分布电容的存在,绝对隔离是不可能实现的。
3 隔离器原理
信号隔离器工作原理:是将变送器或仪表的信号,通过半导体器件调制转化,然后通过光感或是磁感器件实现隔离转换,然后再实行解调转换回隔离前原信号,同时对隔离后信号的供电电源实行隔离处理,保证转换后的信号、电源、地之间绝对独立。同时对叠加在测量值上的干扰信号进行滤波,以及根据控制系统输入、输出要求对信号进行匹配,因此,隔离、放大、滤波和匹配是信号隔离器所起的作用。信号隔离器有以下几个参数[3]。
3.1 最大输入信号
最大输入信号是指尚不至于损坏模块以及信号发生器的数值。如果超过这些数值,限压二极管则可以在系统识别出过电压的基础上使这个输入端短路,使模拟信号的传输范围仅在给定的输入范围内。
3.2 共模抑制比
隔离放大器内部用运算放大器来传输信号,运算放大器从理论上而言拥有理想的传输和放大性能,但是实际上并不是如此。当两个输入段电压发生同向变化,即在两个输入端子上加有完全相同的对地电压时,它将引起一个不希望出现的输出信号,从理论上来说,此时理想运算放大器上不该出现输出信号,因为输入端差值信号为“0V”。共模抑制比这个参数表示,共模输入电压要比差模输入电压少放大多少倍。
3.3 负载阻抗
输出侧的负载阻抗是衡量一个测量变送器或者隔离放大器负荷能力的标准,电流输出端在大多数情况下可以承受500以内的符合,电压输出端通常至少可承受10K的负荷。
3.4 线性度
通过信号的线性度,可以对过程从零点到最大值进行评价,通常情况下线性度误差表示偏离理想的传输特性百分之几。
3.5 极限频率
隔离放大器一般是用来传输直流信号的,但是信号的变化却要求模块具有动态特性,这种动态特性是由极限频率来确定的。所以,即使是微小的交流量也能得到传输。与此同时,较低的极限频率将抑制高频交流成分。
4 隔离器分类与应用
信号隔离器分有源信号隔离器和无源信号隔离器。
4.1 有源信号隔离器
有源信号隔离器由独立的电源供电,以确保隔离器出色工作,模块在输入侧需要有源信号,在输出测它们则提供经过过滤和放大的信号,根据应用情况输入/输出与电源之间相互隔离[4]。
4.1.1 三端隔离
三端隔离只需要一个电源,这个电源与测量电路隔离,采用这种技术隔离的模块,它们所有连接在输入端、输出端或者电源上的组件皆不会互相干扰,三端之间也相应地互相电隔离。如图3所示。
三端隔离模块在工业现场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边进行电隔离。三端隔离不仅在检测探头和控制部分,而且也在控制部分和调节部分之间起到电隔离作用。
4.1.2 输入端隔离
采用这种隔离技术的模块应该保护输出侧连接的电子设备(例如控制器的输入卡)不受现场的各种干扰。所以,输入端和等电位的输出端和电源部分是电隔离的。如图4所示。
这种模块在输入侧需要有源信号(例如来自压力变送器),它们在输出侧(例如控制器)提供一个经过滤波和放大信号。
4.1.3 输出端隔离
采用这种隔离技术的模块应该保护输入侧连接的电子设备(例如控制器的输出卡)不受现场的各种干扰。所以,输出端和等电位的输入端和电源部分是电隔离的。如图5所示。
这种模块在输入侧需要有源信号(例如控制器的输出卡),它们在输出侧发出经过处理和发大的信号(例如提供给调节阀)。
4.2 无源信号隔离器
无源信号隔离器提供了一种附加和实质性的便利,它无需额外的电源供电,模块的的工作电源是通过输入或输出回路提供,其内部电路消耗的电流极小,不影响信号的正确传输。根据信号隔离器的供电方式分以下几种:
4.2.1 输入侧供电
采用这种隔离技术时,这些模块从有源输入回路(例如电磁流量计或控制系统输出卡)获取所需的能量用于信号传输和电隔离,输出侧提供经过处理的电流信号用于控制或调节。如图6所示。
这种无源隔离方式适用于信号处理(同接地回路分开)和滤波。而无需附加的辅助电源。
4.2.2 输出侧供电
采用这种隔离技术时,这些模块从有源输出回路(最好是从控制系统输入卡用辅助电源供电的)获取所需的能量用于信号传输和电隔离。如图7所示。
这种无源隔离器在输入侧可以处理各种有源信号(例如电磁流量计),在输出侧,回路供电的模块则采用4-20mA的标准信号。用这种隔离技术时必须注意,连接在输出侧的有源信号源(例如控制系统输入卡)即可以给无源隔离器供电也可以带动负载(例如控制系统输入卡的输入电阻)。
4.2.3 无源馈电隔离器
采用这种隔离技术时,这些模块从有源输出回路获取所需的能量用于信号传输和电隔离,无源馈电隔离器把这种从输出回路获得的能量另外还供给一个连接在输入侧的无源检测探头(例如压力变送器),检测探头借助于提供的能量发出一个有源信号,通过无源馈电隔离器电隔离并且从输出侧输出。如图8所示。
因此,信号和能量流在无源馈电隔离器方式时原则上是逆向进行的。
5 结束语
信号隔离器除了电隔离外,在隔离放大器中信号还得到了放大,以便实现长距离的传输或者是连接高阻抗的负载。可应用于所有的工业场合中需要电子测量和控制的系统中,诸如过程控制中电厂、冶金厂、自来水厂和污水处理厂,石油天然气生产厂以及化工生产厂中。
参考文献:
[1] Weidmuller公司模拟信号隔离产品详细目录[Z],2009.
[2] 周祥才,朱兆武编.检测技术及应用[M].北京:中国计量出版社,2009.
[3] 杨帮文编.新型传感器和变送器实用手册 [M].北京:电子工业出版社,2008.
[4] 菲尼克斯INTERFACE电子接口技术产品[Z],2008.
作者简介:李喜东(1976-),男,高级工程师,研究方向:主要从事自动化技术开发和应用工作。