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信号隔离器原理及应用


信号隔离器原理及应用 2009-09-12 13:13

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, 2#设备比它们的“地” 而 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信号隔离器。 从信 号隔离器的原理图可以看出, 它具有使输入/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)的信号容易与电压信号叠加,所以 该连接易受无线射频/电磁干扰。 解决以上问题的理想方案就是使用信号(隔离)分配器!它精度高、隔离能 力强,可以解决以上各种问题,以下图为例:

上图中,两输出信号既可相同也可互异,变送器、RCVR(接收设备)间完全 隔离;任一接收设备出现故障,不会影响整个环路及另一套设备。 3. 避免电源冲突 有时现场仪表在配套时,由于协调不利,产生了如下情况:接收设备(如某 些 DCS 输入卡键)的信号接入端带有 24V 电源(即我们常说的两线制接口),而 现场为 4 线制变送器,输出信号为有源信号,因此,来自于现场的 4 线制变送器 输出信号与来自于接收装置的两线制电源信号就会发生冲突。 解决的方法是:接入输出环路供电型隔离器,它通过信号输出线由接收设备 供电,并将现场 4 线制变送器的有源信号经隔离后输出给接收设备,这样不仅避 免了电源冲突,而且还对信号实行了隔离。如图:

4. 提供电源并隔离 4 线制外部供电型信号隔离器,又叫隔离配电器(如:日本 M-SYSTEM 的 M5DY 系列,美国 ACI 的 SBDY 系列等),具有向 2 线制变送器供电的功能,由此可以 免去为变送器再配置电源的麻烦。并且也提供了信号隔离功能。如下图:

5. 信号转换并隔离 上述介绍的所有隔离器都带有信号转换功能, 可接受如直流标准 (或非标准) 信号、热电偶信号、热电阻信号、电位计信号,甚至交流信号等,并可以输出用 户需要的各种信号。 6. 智能型信号隔离器 随着技术的不断进步,市场上出现了许多智能型信号隔离器,它除具有常规 信号隔离器的优异性能外,特加入了 CPU 控制单元,具有现场可编程功能(即万 能输入型)及通信功能。如美国 ACI 系列产品,日本 M-SYSTEM 的 M3 系列,日本 FUJI 的 PWB 系列等。这种高智能的信号隔离器有很高的应用灵活性,可以有效 地减少库存数量,降低资金积压。这种智能型的信号隔离器必将成为这一领域的 主流。


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