圖1 接地回路

 

②輻射噪聲

來自空間的輻射電磁場主要是由電力網(wǎng)絡(luò)、電氣設(shè)備等的暫態(tài)過程、雷電、無線電廣播、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，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。太陽噪音則隨著太陽活動情況的劇烈變化。感應(yīng)電動機(jī)、變頻器或者是其他功率切換設(shè)備。輻射噪聲經(jīng)常會干擾測量值，并且會損壞控制系統(tǒng)中敏感的I/O卡。如圖2所示。

 

圖2  輻射噪聲

 

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，開關(guān)操作浪涌、大型電力設(shè)備起停、交直流轉(zhuǎn)動裝置引起的諧波、電網(wǎng)短路暫態(tài)沖擊等，都會通過輸電線路到電源。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，絕對隔離是不可能實(shí)現(xiàn)的。

 

2、隔離器原理

信號隔離器工作原理: 是將變送器或儀表的信號，通過半導(dǎo)體器件調(diào)制轉(zhuǎn)化，然后通過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，同時(shí)對隔離后信號的供電電源實(shí)行隔離處理，保證轉(zhuǎn)換后的信號、電源、地之間絕對獨(dú)立。同時(shí)對疊加在測量值上的干擾信號進(jìn)行濾波，以及根據(jù)控制系統(tǒng)輸入、輸出要求對信號進(jìn)行匹配，因此， 隔離、放大、濾波和匹配是信號隔離器所起的作用。高品質(zhì)信號隔離器性能判別指標(biāo)主要有八個(gè)，本文介紹部分參數(shù)。

 

①最大輸入信號

最大輸入信號是指尚不至于損壞模塊以及信號發(fā)生器的數(shù)值。如果超過這些數(shù)值，限壓二極管則可以在系統(tǒng)識別出過電壓的基礎(chǔ)上使這個(gè)輸入端短路，使模擬信號的傳輸范圍僅在給定的輸入范圍內(nèi)。

 

②共模抑制比

隔離放大器內(nèi)部用運(yùn)算放大器來傳輸信號，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地電壓時(shí)，它將引起一個(gè)不希望出現(xiàn)的輸出信號，從理論上來說，此時(shí)理想運(yùn)算放大器上不該出現(xiàn)輸出信號，因?yàn)檩斎攵瞬钪敌盘枮?ldquo;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負(fù)載阻抗

輸出側(cè)的負(fù)載阻抗是衡量一個(gè)測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。

 

④線性度

通過信號的線性度，可以對過程從零點(diǎn)到最大值進(jìn)行評價(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。

 

⑤極限頻率

隔離放大器一般是用來傳輸直流信號的，但是信號的變化卻要求模塊具有動態(tài)特性，這種動態(tài)特性是由極限頻率來確定的。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。

 

3、隔離器分類與應(yīng)用

信號隔離器分有源信號隔離器和無源信號隔離器。

 

①有源信號隔離器

有源信號隔離器由獨(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，在輸出測它們則提供經(jīng)過過濾和放大的信號，根據(jù)應(yīng)用情況輸入/輸出與電源之間相互隔離。

 

a、三端隔離

三端隔離只需要一個(gè)電源，這個(gè)電源與測量電路隔離，采用這種技術(shù)隔離的信號隔離器，它們所有連接在輸入端、輸出端或者電源上的組件皆不會互相干擾，三端之間也相應(yīng)地互相電隔離。如圖3所示。

 

圖3 信號隔離器的三端隔離

 

三端隔離的信號隔離器在工業(yè)現(xiàn)場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。

 

b、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。這種信號隔離器在輸入側(cè)需要有源信號(例如來自壓力變送器)，它們在輸出側(cè)(例如控制器)提供一個(gè)經(jīng)過濾波和放大信號。

 

圖4  隔離器的輸入端隔離

 

c、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(例如控制器的輸出卡)，它們在輸出側(cè)發(fā)出經(jīng)過處理和發(fā)大的信號(例如提供給調(diào)節(jié)閥)。

 

圖5  隔離器的輸出端隔離

 

②無源信號隔離器

無源信號隔離器提供了一種附加和實(shí)質(zhì)性的便利，它無需額外的電源供電，模塊的的工作電源是通過輸入或輸出回路提供，其內(nèi)部電路消耗的電流極小，不影響信號的正確傳輸。根據(jù)信號隔離器的供電方式分以下幾種：

 

a、輸入側(cè)供電

采用這種輸入側(cè)供電隔離技術(shù)的輸入側(cè)獲取能量無源信號隔離器(比如YR9101A)，這些輸入側(cè)獲取能量無源信號隔離器從有源輸入回路(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4-20mA信號傳輸和電隔離，輸出側(cè)提供經(jīng)過處理的電流信號用于控制或調(diào)節(jié)。如圖6所示。這種無源隔離方式適用于信號處理(同接地回路分開)和濾波。而無需附加的輔助電源。

 

圖6  輸入側(cè)獲取能量無源信號隔離器的輸入端隔離

 

b、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傳輸和電隔離。如圖7所示。

 

圖7   輸出端隔離

 

這種從輸出側(cè)獲取能量的無源隔離器(比如YR9201A)在輸入側(cè)可以處理各種有源信號(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。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(例如控制系統(tǒng)輸入卡)即可以給無源隔離器供電也可以帶動負(fù)載(例如控制系統(tǒng)輸入卡的輸入電阻)。

 

c、無源饋電隔離器

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傳輸和電隔離，無源配電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)的二線制變送器(例如壓力變送器)，二線制變送器借助于無源配電器提供的能量發(fā)出一個(gè)有源信號，通過無源配電器電隔離并且從輸出側(cè)輸出。如圖8所示。因此，信號和能量流在無源配電器方式時(shí)原則上是逆向進(jìn)行的。

 

圖8  無源饋電隔離

 

信號隔離器除了電隔離外， 在隔離放大器中信號還得到了放大，以便實(shí)現(xiàn)長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)場合中需要電子測量和控制的系統(tǒng)中，諸如過程控制中電廠、冶金廠、自來水廠和污水處理廠，石油天然氣生產(chǎn)廠以及化工生產(chǎn)廠中。