隔離器作用原理

隔離器, 信號(hào)隔離器; signal isolator, signal converter

系統(tǒng)產(chǎn)生干擾的原因

在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)監(jiān)視和控制需要用到各種自動(dòng)化儀表、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們之間的信號(hào)傳輸既有微弱到毫伏級(jí)、微安級(jí)的小信號(hào)，又有幾十伏，甚至數(shù)千伏、數(shù)百安培的大信號(hào);既有低頻直流信號(hào)，也有高頻脈沖信號(hào)等等，構(gòu)成系統(tǒng)后往往發(fā)現(xiàn)在儀表和設(shè)備之間信號(hào)傳輸互相干擾，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至誤操作。出現(xiàn)這種情況除了每個(gè)儀表、設(shè)備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外，還有一個(gè)十分重要的因素就是由于儀表和設(shè)備之間的信號(hào)參考點(diǎn)之間存在電勢(shì)差，因而形成"接地環(huán)路"造成信號(hào)傳輸過(guò)程中失真。因此，要保證系統(tǒng)穩(wěn)定和可靠的運(yùn)行，"接地環(huán)路"問(wèn)題是在系統(tǒng)信號(hào)處理過(guò)程中必須解決的問(wèn)題。

解決"接地環(huán)路"的方法

根據(jù)理論和實(shí)踐分析，有三種解決方案:

第一種方案:所有現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備不接地，使所有過(guò)程環(huán)路只有一個(gè)接地點(diǎn)，不能形成回路，這種方法看似簡(jiǎn)單，但在實(shí)際應(yīng)用中往往很難實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟承┰O(shè)備要求必須接地才能保證測(cè)量精度或確保人身安全，某些設(shè)備可能因?yàn)殚L(zhǎng)期遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點(diǎn)。

第二種方案:使兩接地點(diǎn)的電勢(shì)相同，但由于接地點(diǎn)的電阻受地質(zhì)條件及氣候變化等眾多因素的影響，這種方案其實(shí)在實(shí)際中無(wú)法完全做到。

第三種方案:在各個(gè)過(guò)程環(huán)路中使用信號(hào)隔離方法，斷開過(guò)程環(huán)路，同時(shí)又不影響過(guò)程信號(hào)的正常傳輸，從而徹底解決接地環(huán)路問(wèn)題。

本產(chǎn)品采用了先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，在對(duì)高、低頻干擾信號(hào)的抑制方面均有著優(yōu)異表現(xiàn)，即使在大功率變頻控制系統(tǒng)中依然能夠可靠應(yīng)用，內(nèi)部采用數(shù)字化調(diào)校、無(wú)零點(diǎn)及滿度電位器、自動(dòng)動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)零點(diǎn)、溫度漂移自動(dòng)補(bǔ)償?shù)戎T多先進(jìn)技術(shù)，并符合IEC61000-4-4:這一系列技術(shù)的應(yīng)用使產(chǎn)品的穩(wěn)定性及可靠性得到科學(xué)的保證。

以上各項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)先國(guó)際先進(jìn)水平。

適用性:

智能隔離器可以與單元組合儀表及DCS、PLC等系統(tǒng)配套使用，在油田、石化、制造、電力、冶金等行業(yè)的重大工程中有著廣泛應(yīng)用。

1、供電系統(tǒng)的抗干擾設(shè)計(jì) 對(duì)傳感器、儀器儀表正常工作危害最嚴(yán)重的是電網(wǎng)尖峰脈沖干擾，產(chǎn)生尖峰干擾的用電設(shè)備有:電焊機(jī)、大電機(jī)、可控機(jī)、繼電接觸器、帶鎮(zhèn)流器的充氣照明燈等。尖峰干擾可用硬件、軟件結(jié)合的辦法來(lái)抑制。

干擾控制器

(1)用硬件線路抑制尖峰干擾的影響 常用辦法主要有三種: ①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設(shè)計(jì)的干擾控制器，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性; ②在儀器交流電源輸入端加超級(jí)隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈沖; ③在儀器交流電源的輸入端并聯(lián)壓敏電阻，利用尖峰脈沖到來(lái)時(shí)電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。

(2)利用軟件方法抑制尖峰干擾 對(duì)于周期性干擾，可以采用編程進(jìn)行時(shí)間濾波，也就是用程序控制可控硅導(dǎo)通瞬間不采樣，從而有效地消除干擾。

(3)采用硬、軟件結(jié)合的看門狗(watchdog)技術(shù)抑制尖峰脈沖的影響 軟件:在定時(shí)器定時(shí)到之前，CPU訪問(wèn)一次定時(shí)器，讓定時(shí)器重新開始計(jì)時(shí)，正常程序運(yùn)行，該定時(shí)器不會(huì)產(chǎn)生溢出脈沖，watchdog也就不會(huì)起作用。一旦尖峰干擾出現(xiàn)了"飛程序"，則CPU就不會(huì)在定時(shí)到之前訪問(wèn)定時(shí)器，因而定時(shí)信號(hào)就會(huì)出現(xiàn)，從而引起系統(tǒng)復(fù)位中斷，保證智能儀器回到正常程序上來(lái)。

(4)實(shí)行電源分組供電，例如:將執(zhí)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源與控制電源分開，以防止設(shè)備間的干擾。

(5)采用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅(qū)動(dòng)器對(duì)其它設(shè)備的干擾。該措施對(duì)以上幾種干擾現(xiàn)象都可以有效地抑制。

(6)采用隔離變壓器 考慮到高頻噪聲通過(guò)變壓器主要不是靠初、次級(jí)線圈的互感耦合，而是靠初、次級(jí)寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初、次級(jí)之間均用屏蔽層隔離，減少其分布電容，以提高抵抗共模干擾能力。

(7)采用高抗干擾性能的電源，如利用頻譜均衡法設(shè)計(jì)的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機(jī)干擾非常有效，它能把高尖峰的擾動(dòng)電壓脈沖轉(zhuǎn)換成低電壓峰值(電壓峰值小于TTL電平)的電壓，但干擾脈沖的能量不變，從而可以提高傳感器、儀器儀表的抗干擾能力。

隔離器一般由輸入信號(hào)處理單元、隔離單元、輸出信號(hào)處理單元、電源等4部份構(gòu)成。雖然實(shí)際應(yīng)用中的隔離器基本上都是由上述四個(gè)單元構(gòu)成，但輸入、輸出的類型和數(shù)量的不同，組成了種類繁多的型號(hào)，下面的表格大致進(jìn)行了歸納。

輸入處理單元大致類型:

輸出信號(hào)的大致類型

隔離單元的大致類型

電源類型(均為隔離電源)

產(chǎn)品的功耗是各個(gè)功能單元功耗的總和，只有降低各個(gè)功能單元的功耗才能使得總得功耗降低，增加產(chǎn)品的熱穩(wěn)定性和壽命。隔離器主要在輸入、輸出、電源、隔離四個(gè)單元進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)。

1、 輸出單元模塊的自適應(yīng)負(fù)載技術(shù)

輸出模塊可以根據(jù)負(fù)載的大小動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出模塊的輸出功率，從而減少自身的發(fā)熱。傳統(tǒng)的負(fù)載設(shè)計(jì)是根據(jù)額定負(fù)載的大小設(shè)計(jì)輸出功率，當(dāng)輸出負(fù)載非常小時(shí)，多余的負(fù)載功率就耗散在儀表內(nèi)部，從而時(shí)儀表自身發(fā)熱。假設(shè)一臺(tái)隔離器的輸出負(fù)載設(shè)計(jì)為750歐姆，那么輸出驅(qū)動(dòng)功率一般設(shè)計(jì)為0.5W。如果在實(shí)際應(yīng)用中此隔離器的負(fù)載使用在50歐姆的環(huán)境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率轉(zhuǎn)換為儀表自身的發(fā)熱。如果時(shí)多路輸出將產(chǎn)生更多的熱量，而降低輸出模塊的額定功率在實(shí)際應(yīng)用中又難以應(yīng)付市場(chǎng)的復(fù)雜狀況。

2、隔離單元模塊的低功耗改進(jìn)

隔離單元是決定產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的重要單元。

隔離技術(shù)主要有磁隔離與光隔離兩大類。隔離電路形式有直接調(diào)制耦合，反饋調(diào)制耦合等多種形式，具體采用什么形式要根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)而定?？偟膩?lái)講可以大致分為開關(guān)量信號(hào)采用光隔離，模擬量信號(hào)采用磁隔離的方式。從技術(shù)復(fù)雜程度來(lái)看，磁隔離比光隔離處理技術(shù)復(fù)雜，采用磁隔離技術(shù)，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)技術(shù)指標(biāo)采用合適的設(shè)計(jì)方案，隔離的線性、精度可以根據(jù)產(chǎn)品的要求靈活控制。而光隔離的線性、精度只能依賴器件廠家提供的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計(jì)人員可以調(diào)整的方式很少，也不可能超過(guò)廠家提供的技術(shù)指標(biāo)。由于功耗大，光電隔離也不能實(shí)現(xiàn)無(wú)源隔離。磁隔離模式有電流互感模式、電流互感反饋模式、電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補(bǔ)償模式等，電流互感功率補(bǔ)償模式是相對(duì)來(lái)說(shuō)功耗最低的模式。

3、電源模塊

電源的技術(shù)指標(biāo)是基礎(chǔ)，決定產(chǎn)品的性能。流行的電源拓?fù)湫问诫m然非常多，也很成熟。

在各個(gè)過(guò)程環(huán)路中使用信號(hào)隔離辦法可以用DCS或PLC等隔離卡件或者現(xiàn)場(chǎng)帶隔離的變送器(部分設(shè)備可以做到)，也可以使用信號(hào)隔離器來(lái)實(shí)現(xiàn)。比較起來(lái)，用信號(hào)隔離器有以下優(yōu)點(diǎn):

● 絕大部分情況，采用信號(hào)隔離器+非隔離卡件比采用隔離卡件便宜。

● 信號(hào)隔離器比隔離卡件在隔離能力、抗電磁干擾等方面性能更加優(yōu)越。

● 信號(hào)隔離器應(yīng)用靈活，而且它還有型號(hào)轉(zhuǎn)換和 信號(hào)分配功能，使用起來(lái)更加方便。

● 信號(hào)隔離器通常有單通道、雙通道、一入二出等通道形式，通道間相互完全獨(dú)立，構(gòu)成系統(tǒng)的配置、日常維護(hù)更加方便。

智能隔離器的說(shuō)明:

SKGL型智能隔離器是將輸入單路或雙路的電流或電壓信號(hào)，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號(hào)，并提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。

隔離器常見的供電方式有獨(dú)立供電、回路供電和輸出回路供電。

獨(dú)立供電的隔離器:

需要配備獨(dú)立20~35VDC的直流電源。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是隔離傳輸精度高;電源、輸入、輸出之間完全隔離，多路系統(tǒng)供電電源不需隔離，可保證高抗干擾性能，輸入信號(hào)可以變換為其它類型的型號(hào)。

回路供電的隔離器:

在實(shí)際工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)中，DCS、PLC或其他顯示儀表具有卡件內(nèi)部供電的使用越來(lái)越廣泛?；芈饭╇娦透綦x器又往往不能滿足這些卡件對(duì)信號(hào)隔離傳輸精度要求高和二線制變送器配電電壓要求高的條件。因此，輸出回路供電型的隔離器既保留了獨(dú)立供電型隔離器的優(yōu)越性能，又滿足輸出回路供電接口的要求。

系統(tǒng)傳輸準(zhǔn)確度:±0.2%×F·S

溫度漂移:≤0.005%F·S/℃

工作溫度:工業(yè)級(jí)標(biāo)準(zhǔn) -10~+55℃

輸入阻抗:電流:100Ω;電壓:500KV

電流輸出允許外接的負(fù)載阻抗:

4-20mA輸出時(shí)0~500Ω;0-10mA輸出時(shí)0~1KΩ,需要更大的負(fù)載能力請(qǐng)?jiān)谟嗀洉r(shí)說(shuō)明。

電磁兼容:符合IEC61000-4-4:1995中所規(guī)定的第四類(惡劣工業(yè)現(xiàn)場(chǎng))環(huán)境對(duì)產(chǎn)品的抗電磁干擾要求。

輸入/輸出/電源/通訊/雙路間絕緣強(qiáng)度:≥1500AAC

儲(chǔ)運(yùn)環(huán)境溫度:-40~+80℃

相對(duì)濕度:10-90%RH(40℃時(shí))

供電電源:交流: AC 95~265V

直流:DC12V~32V(反接保護(hù))

輸入功率:0.9~1.8W(與型號(hào)有關(guān)，詳見本手冊(cè)附錄中關(guān)于輸入功率的計(jì)算方法)

通訊接口:RS232 或 RS485，MODBUS軟件協(xié)議(選配)。

外形尺寸:寬×高×深:22.5×100×115mm

在隔離器選型時(shí)除了要確定隔離器的功能、適應(yīng)前后端接口外，還有精度、輸出紋波、溫度漂移、功耗、響應(yīng)時(shí)間等許多參數(shù)需要用戶謹(jǐn)慎選擇。

步驟/方法

隔離器的精度是非常重要的參數(shù)，精度的高低直接關(guān)系到隔離器能否正常使用。隔離器的精度體現(xiàn)了隔離器的設(shè)計(jì)、制造水平。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用精度高的產(chǎn)品。

對(duì)隔離器精度產(chǎn)生影響的參數(shù)還有輸出紋波。輸出紋波的產(chǎn)生是由于隔離器使用DC/DC電路對(duì)隔離器的工作電源進(jìn)行隔離給隔離器內(nèi)部電路供電，輸入信號(hào)也要先使用DC/DC電路調(diào)制成交流信號(hào)然后經(jīng)過(guò)隔離部分電路進(jìn)行信號(hào)隔離，隔離后的信號(hào)經(jīng)解調(diào)后再轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)輸出。以CPU為核心的隔離器也存在脈沖信號(hào)。隔離器內(nèi)部存在的這種高頻的交流分量，就是產(chǎn)生輸出紋波的原因。這些高頻的交流分量它們的頻率一般都有幾百KHZ、諧波較多，對(duì)信號(hào)的污染很難完全清除。如果輸出紋波較高，控制系統(tǒng)模擬量輸入模板采集到信號(hào)的誤差就大，對(duì)于高速輸入的模擬量輸入模板更是如此。所以選擇隔離器時(shí)應(yīng)要求輸出紋波的峰-峰值越小越好。順連電子的各種系列隔離器均采用高效的濾波電路，較好的抑制了輸出紋波。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用紋波小的產(chǎn)品。

溫度漂移是由于隔離器工作時(shí)產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致隔離器內(nèi)所使用的電子元器件性能指標(biāo)下降造成隔離器的輸出值發(fā)生變化。選擇隔離器時(shí)應(yīng)要求溫度漂移的值越小越好。為了防止溫度漂移，帕羅肯隔離器產(chǎn)品進(jìn)行了低功耗、微功耗設(shè)計(jì)，使得隔離器工作時(shí)本身的發(fā)熱量很小甚至于不發(fā)熱，這樣就能防止因產(chǎn)品工作時(shí)發(fā)熱引起所使用元器件的性能指標(biāo)下降，防止造成溫度漂移。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用溫度漂移小的產(chǎn)品。

功耗是指隔離器工作時(shí)所消耗的電能。它涉及到產(chǎn)品在工作時(shí)的發(fā)熱量，這個(gè)參數(shù)與隔離器的使用壽命、可靠性和隔離器的外形、安裝方式都有密切的關(guān)系。在選用隔離器時(shí)應(yīng)選擇功耗低的產(chǎn)品。隔離器的電路設(shè)計(jì)上采用了新技術(shù)是:輸出部分可以根據(jù)負(fù)載的大小動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出功率的自適應(yīng)負(fù)載技術(shù);隔離部分的電流互感功率補(bǔ)償技術(shù);電源部分的參數(shù)式開關(guān)穩(wěn)壓電源技術(shù)。我們公司隔離器的功耗只有世界一流品牌產(chǎn)品功耗的一半以下。

若產(chǎn)品的功耗大，在產(chǎn)品工作時(shí)產(chǎn)生的熱量就大，造成產(chǎn)品殼體內(nèi)的溫度高。組成產(chǎn)品的電子元器件長(zhǎng)期的處于高溫環(huán)境下，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)算放大器參數(shù)蛻變﹑電阻阻值變化﹑電容漏電增大等。這些問(wèn)題將使產(chǎn)品性能下降，甚至導(dǎo)致產(chǎn)品故障、失效。

沒(méi)有低功耗設(shè)計(jì)的保證，產(chǎn)品就不可能做到隔離器的超薄型、小型化、端子化。我們公司推出了國(guó)內(nèi)最薄的低功耗MZ系列產(chǎn)品、微功耗的MZ二線制系列產(chǎn)品和無(wú)源系列產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)的主流產(chǎn)品厚度一般都在20mm~30mm之間，國(guó)外最新產(chǎn)品的厚度為6.0mm。為了節(jié)約控制系統(tǒng)的控制柜、電源、接線端子、連接線和人工成本等工程費(fèi)用，用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用低功耗的產(chǎn)品。

響應(yīng)時(shí)間是指產(chǎn)品的輸入量發(fā)生變化到產(chǎn)品的輸出量正確的將變化量反映的輸出上的時(shí)間。響應(yīng)時(shí)間越短，就能夠越真實(shí)的正確反映出輸入量的變化，有效的監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程。在選擇隔離器時(shí)響應(yīng)時(shí)間要求越短越好。用戶在選用時(shí)應(yīng)該選用響應(yīng)時(shí)間小的產(chǎn)品。

隨著科技的發(fā)展，隔離端子的設(shè)計(jì)日趨小型化，而小型化的目的就是少占空間。當(dāng)然應(yīng)該允許用戶密集安裝，密集安裝則存在散熱問(wèn)題，那么必須降低內(nèi)部功耗。因此內(nèi)部功耗的數(shù)值在選用時(shí)也應(yīng)注意。

金湖明通相關(guān)人士認(rèn)為，現(xiàn)在市場(chǎng)上出現(xiàn)了許多以CPU為核心的隔離端子，具有現(xiàn)場(chǎng)可編及通信功能，有很高的靈活性，對(duì)顧客來(lái)講可以減少庫(kù)存數(shù)量,降低資金積壓。

以CPU為核心的隔離端子必將成為這個(gè)領(lǐng)域主流。

而針對(duì)變送器的隔離還有另一種方式，傳感器和變送器為一體而又必須放置在現(xiàn)場(chǎng)指定地點(diǎn)。一般把隔離端子安置在中央控制室機(jī)柜中，由機(jī)柜中的隔離端子為現(xiàn)場(chǎng)變送器配送電源，使用哪一種要根據(jù)PLC接口情況決定。

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試也許會(huì)出現(xiàn)儀表和PLC接口不匹配，發(fā)送設(shè)備為四線制變送器輸出4~20mA，而接收端4~20mA的接口為二線回路供電方式，若直接連接將造成電源沖突。

磁光隔離器磁光隔離器又稱光單向器，是一種光非互易傳輸光無(wú)源器件，即沿正向傳輸方向具有較低插入損耗，而對(duì)反向傳輸光有很大衰減作用的無(wú)源器件。磁光隔離器也時(shí)常簡(jiǎn)稱光隔離器，但與電路中利用光隅隔離電聯(lián)系的光隔離器不同，光通信用的光隔離器是隔離光而不是隔離電，且是無(wú)源器件。隨著光通信技術(shù)向高速、大容量方向發(fā)展，光路中的光反射已成為一個(gè)必須解決的重要問(wèn)題，額外的光反射使光通信系統(tǒng)變得不穩(wěn)定，增加誤碼率，限制了長(zhǎng)距離的光信號(hào)傳輸。而只允許光線沿光路正向傳輸，阻隔反向傳輸光線的光隔離器能夠解決反射光這一問(wèn)題。在長(zhǎng)距離或高速率光纖通信系統(tǒng)中，光隔離器是必不可少的器件。

偏振無(wú)關(guān)單級(jí)/雙級(jí)光隔離器

光隔離器是一種只允許光沿一個(gè)方向傳輸，而對(duì)返回的光起到隔離作用的光無(wú)源器件，本產(chǎn)品采用先進(jìn)的封裝工藝，質(zhì)量穩(wěn)定可靠;一般可以分為C波段單級(jí)光隔離器、C波段雙級(jí)光隔離器，可廣泛應(yīng)用于光纖CATV、光纖測(cè)試系統(tǒng)、光纖放大器、光纖局域網(wǎng)，產(chǎn)品符合Telcordia GR-1221-CORE。