信号隔离器原理及应用

在工业生产过程中，生成过程的监视和控制中要用到各种各样的仪器仪表，会产生各种各样的信号：既有微弱的毫伏级的小信号，又有数十伏的大信号，甚至还有高达数千伏和数百安培的强信号；既有直流低频信号，也有高频或脉冲尖峰信号；而这些信号都要经过互相传递和输送的过程，因此如何保证这些信号，特别是模拟信号在传输过程中不失真将成为系统调试中必须解决的问题。 具体地说，只有当控制装置和分布在现场的传感器和执行器之间的模拟信号传输无故障并且不失真时，才能保证过程控制安全可靠。尤其是小功率的模拟信号在干扰大的工业环境中传输时受各种外部干扰信号的影响，它们需要一条可靠的传输通道。日常工作经验表明，受设备要求的制约，必须谨慎小心的处理和传输模拟信号。而现场和控制层之间以模拟信号形式传输的测量和控制参数，在传输工程中常处于较恶劣的工业环境中，很可能会造成这些信号的失真。  造成模拟信号失真的原因 1. 接地环路问题：如下图所示，当过程环路中有两处或两处以上接地电阻不相等时，就会产生接地环路，过程信号就会失真。 要使信号完整而不失真地传输，理想化的情况是所有设备、仪表中的信号都有一个共同的参考点，也就是有一个共同的“地”。只有这样，所有的设备、仪表的信号参考点之间电位差才能为“零”。很显然，不同设备的接地电阻很难保证都相等，接地电阻也会随着传输距离的增加而升高，有时甚至产生高达200V的电位差。 2. 测量回路相互连接问题：如下图所示，在这些回路中，参考点要将因为接通多个信号回路而升高。 如上图，在这种相互连接的测量回路中，由于线间电阻的不断增加，必然会引起参考电压的不断升高。 3. 电磁干扰问题：这是比较常见的干扰，特别是在长距离或者干扰较大的工业环境中，很难避免感性和容性干扰在测量回路中相互参杂的情况。 解决这些问题的方案主要有三种： 第一种方案是现场仪表不接地，使过程环路中只有一个接地点，但在实际应用中，这种方案往往难以实现，因为某些设备必须接地才能保证测量精度或确保人身安全，某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点。 第二种方案是使两接地点的电势相同，但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响，这种方案通常是很难实现的。 第三种方案是在过程环路中使用信号隔离器。信号隔离器采用隔离技术，断开过程环路中的直接电路（直流通路）但又不影响过程信号的正常传输，从而彻底解决了上述问题。如下图： 当然，我们也可以用DCS的隔离卡键或带隔离能力的变送器实现信号隔离，但它们价格昂贵，而且他们的隔离强度、抗无限射频/电磁干扰（RFI/EMI）指标及应用灵活性比信号隔离器差，更不可能像信号隔离器那样还可解决信号转换及信号分配等问题。  信号隔离器原理 目前，信号隔离（变换）器从隔离方式上主要分为：变压器隔离方式，光电隔离方式和变压器与光电联合隔离方式等几种。 信号隔离器至今已有40多年的历史，早期的信号隔离器（如美国MOORE，日本M-SYSTEM等）都是采用变压器隔离方式，它的特点是：性能稳定，寿命长（比如：日本M-SYSTEM公司的M2系列隔离变换器标称的使用寿命长达70年！），带负载能力强，隔离强度高，但电路复杂，制作工艺要求更高。 随着电子技术的发展，近些年来逐渐出现了利用光耦合器（optical coupler）生产的光电式隔离器，它的特点是：性能稳定，抗干扰能力强，而且线路简单，成本低廉，但相对于变压器隔离方式寿命略短。 在一些现场干扰较大，工艺要求较高场合出现了变压器与光电联合方式的信号隔离器，它的隔离能力、抗无限射频和电磁干扰能力更强。比如日本M-SYSTEM公司生产的远程数据采集系统R5系列的模拟量采集模块就应用了变压器和光电联合隔离方式。 信号隔离器的原理图如下： 图中可以看出，隔离器实现了输入对输出对电源对地的四端三重隔离电路设计，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。也正是由于这种信号线路无需共地的设计，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。另外，这种隔离器产品除具备极强的滤波能力外，还有更强的信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等各种信号。  隔离器主要技术指标： 1. 隔离强度：也叫隔离能力、耐压强度或测试耐压，这是衡量信号隔离器的主要参数之一。单位：伏特@1分钟。它指的是输入与输出，输入与电源，输出与电源之间的耐压能力。它的数值越大说明耐压能力越好，隔离能力越强，滤波性能越高。一般的，这种耐压测试是通过一次性样品的耐压检验来确定的。在该测试过程中，将持续若干分钟地分别在输入与输出、输入与电源、输出与电源之间加载50Hz的工频电压，以便得出器件同另一个电势面之间不会发生击穿的电压数值。 目前，市场上的信号隔离器的隔离强度分为2000V@1分钟，1500V@1分钟，1000V@1分钟，500V@1分钟等几个级别。比如：日本M-SYSTEM和美国ACI的信号隔离器隔离强度为2000V@1分钟；其他国外品牌能做到1500V@1分钟；而目前国内的几个品牌也能做到1000V@1分钟，甚至1500V@1分钟的隔离强度。 2. 精度：这是衡量一个信号隔离变送器质量的标尺。业内一般能做到量程的±0.2%。个别品牌如M-SYSTEM 、ACI等能做到±0.1%。 3. 温度系数：表示隔离器等仪表在环境温度发生变化时，精度的变化情况。 大多情况下用百分数表示(也有用单位250ppm/K表示的)，如：M-SYSTEM温度系数为±0.015%/℃（相当于150ppm/K）。 4. 响应时间：表征信号隔离器的反应速度。 5. 绝缘电阻：内部电源与外壳之间隔离直流作用的数值化表征。 6. 负载电阻：反映了信号隔离器的带载能力。  信号隔离（变换）器的应用举例 1. 隔离输入/输出信号 这是信号隔离器最主要的功能。信号隔离器一方面能解决接地环路和设备互联时产生的地线参考点不同的问题，另一方面能有效地去除线路在传输过程中可能受到的无限射频和电磁干扰问题。 在上图中，两台现场设备（1#和2#仪表）向PLC/DCS传送模拟信号，同时PLC/DCS向另外两台现场设备（3#和4#仪表）发出模拟信号进行显示和控制。在这套系统中，理想的状态是：位于现场的1#、2#设备与位于主控室的PLC/DCS的参考“地”电位完全相等，而且传输过程中不存在任何干扰，这样才能保证PLC/DCS接收正确。但现实情况是这种“理想状态”很难实现。举例来说，假设1#和2#设备输入的信号为0-10V DC的模拟信号。我们在现场测量两者的信号也完全正确。1#设备的“地”与PLC/DCS的“地”相等，而2#设备比它们的“地”电位高0.1V，这样PLC/DCS接收到的1#设备的信号为0-10V，而接收到的2#设备的信号为0.1-10.1V，显然误差产生了。特别是在多级互连的串联设备中，这种误差会变得非常大！如果我们简单地把1#，2#设备的“地”线在PLC/DCS处汇合连接，那么这0.1V的电压会施加在PLC/DCS的“地”线上，有可能损坏PLC/DCS的局部“的”线。同样，在输出端的3#，4#设备也会出现类似的情况。由此引起的问题在现场调试中屡见不鲜。 解决上述问题的最好办法就是在输入端和输出端分别加上。从信号隔离器的原理图可以看出，它信号隔离器具有使输入/输出信号在电气上完全隔离的特点。换句话讲，现场输入设备与主控接收设备间不存在共“地”，那么输入信号不管是0-10V，或是带有哪怕+10V干扰的10V-20V的信号，经过隔离器后均变为0-10V的标准信号。例如某大型水泥厂新建窑炉的生产线调试中，当现场炉温信号接入国外某著名品牌DCS系统的8通道模拟量输入卡键后，温度数据乱跳，根本无法控制，但在现场进行单点测试时又很稳定也很准确。又如某电厂化水处理工程中，当现场各种不同类型的压力变送器信号接入PLC后，数据跳动厉害，而且误差非常大，但同样在现场进行单点测试时很稳定也很准确，可是只要向PLC接入两点以上的信号后，信号就发生跳变。这两种情况在加了信号隔离器后，一切正常！ 2. 信号隔离分配 在实际应用中，我们经常遇到将一个变送器信号接入两个或两个以上接收装置的情况，若采用串联环路，则环路中任一处开路都会造成整个环路上的仪表无信号，同时负载电阻之和很容易超过变送器的负载能力，所以一般不采用这种方式。通常采用的方式是：在环路中串接一个电阻，再将负载并联在电阻上以取得电压信号，如串接一个250Ω电阻将4-20mA电流信号转换成1-5V电压信号。如下图： 这种方式虽然能避开开路及负载能力等问题，但却存在以下不足： ① 由于电阻本身难以达到高精度，加之存在接线端电阻以及电阻发热引起阻抗升高等因素，所以电压信号较难保证高精度； ② 通过串联电阻取电压信号方法是以假定接收设备的输入阻抗无穷大为理想前提的，所以接收设备的输入阻抗必然对信号的测量产生误差，而且，并联设备数目越多，误差越大； ③ 导线越长，电阻的电压降越大，对实际电压信号的影响也越大，因此信号传输距离不能太长； ④ 由于RFI/EMI（无线射频/电磁干扰）的<