1  引言
控制系統中需要監視和控制各類物理量,例如:溫度、濕度、壓力等,這些不同的物理量總是不斷的變化[1]。用于檢測這些狀態和變化的器件必須如實反映這些變化,這些參數被精確地測量后,盡管要受到諸如大氣和安裝等外部因素的影響,也必須保證在從現場傳輸到控制室的過程不被消減或干擾。信號隔離器能將這些信號轉換或變送需要高質量的電子系統,它們能適應或抵御惡劣環境,諸如溫度變化、電磁干擾、振動、腐蝕或爆炸等因素的干擾或影響。

2  干擾產生的原因
在工業生產過程中對信號傳輸的干擾多種多樣,絕對隔離是不可能實現的。通常干擾主要由以下幾個原因產生:
2.1  接地回路
各種儀器設備根據要求和目的都需要接地,例如為了安全,機殼需要接大地;為了使電路正常工作,系統需要有公共參考點;為了抑制干擾加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由于儀表和設備之間的參考點之間存在電勢差,因而形成 “接地環流。控制系統直流電源的負端通常會接地,如果輸入信號是由另外的電源供電或是傳感器本身已經接地,瞬態電流將流過沿△接地導體之間產生的地電位差所形成的回路,從而干擾正常信號[2]。如圖1所示。

2.2  輻射噪聲
來自空間的輻射電磁場主要是由電力網絡、電氣設備等的暫態過程、雷電、無線電廣播、電視、雷達、高頻感應加熱設備等產生的,通常稱又稱為為輻射干擾。通常傳感器發出的都是較小的信號,因而容易受容性或感性設備的干擾,例如雷電干擾的時域波形是疊加在一串隨機脈沖背景上的一個大尖峰脈沖。宇宙噪音是電離輻射產生的,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。感應電動機、變頻器或者是其他功率切換設備。輻射噪聲經常會干擾測量值,并且會損壞控制系統中敏感的I/O卡。如圖2所示。

2.3  線路引入
控制系統在正常情況下供電電源均由電網供電。由于電網覆蓋范圍廣,將受到所有空間電磁干擾而在線路上感應電壓和電路。特別是電網內部的變化,開關操作浪涌、大型電力設備起停、交直流轉動裝置引起的諧波、電網短路暫態沖擊等,都會通過輸電線路到電源。控制系統的電源通常采用隔離電源,但它的機構及制造工藝因素使其隔離性并不理想。實際上,由于分布參數特別是分布電容的存在,絕對隔離是不可能實現的。

3  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,通過半導體器件調制轉化,然后通過光感或是磁感器件實現隔離轉換,然后再實行解調轉換回隔離前原信號,同時對隔離后信號的供電電源實行隔離處理,保證轉換后的信號、電源、地之間絕對獨立。同時對疊加在測量值上的干擾信號進行濾波,以及根據控制系統輸入、輸出要求對信號進行匹配,因此,隔離、放大、濾波和匹配是信號隔離器所起的作用。信號隔離器有以下幾個參數[3]。
3.1  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生器的數值。如果超過這些數值,限壓二極管則可以在系統識別出過電壓的基礎上使這個輸入端短路,使模擬信號的傳輸范圍僅在給定的輸入范圍內。
3.2  共模抑制比
隔離放大器內部用運算放大器來傳輸信號,運算放大器從理論上而言擁有理想的傳輸和放大性能,但是實際上并不是如此。當兩個輸入段電壓發生同向變化,即在兩個輸入端子上加有完全相同的對地電壓時,它將引起一個不希望出現的輸出信號,從理論上來說,此時理想運算放大器上不該出現輸出信號,因為輸入端差值信號為“0V”。共模抑制比這個參數表示,共模輸入電壓要比差模輸入電壓少放大多少倍。
3.3  負載阻抗
輸出側的負載阻抗是衡量一個測量變送器或者隔離放大器負荷能力的標準,電流輸出端在大多數情況下可以承受500以內的符合,電壓輸出端通常至少可承受10K的負荷。
3.4  線性度
通過信號的線性度,可以對過程從零點到最大值進行評價,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。
3.5  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特性,這種動態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,較低的極限頻率將抑制高頻交流成分。

4  隔離器分類與應用
信號隔離器分有源信號隔離器和無源信號隔離器。
4.1  有源信號隔離器
有源信號隔離器由獨立的電源供電,以確保隔離器出色工作,模塊在輸入側需要有源信號,在輸出測它們則提供經過過濾和放大的信號,根據應用情況輸入/輸出與電源之間相互隔離[4]。
4.1.1  三端隔離
三端隔離只需要一個電源,這個電源與測量電路隔離,采用這種技術隔離的模塊,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,三端之間也相應地互相電隔離。如圖3所示。

三端隔離模塊在工業現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節部分之間起到電隔離作用。
4.1.2  輸入端隔離
采用這種隔離技術的模塊應該保護輸出側連接的電子設備(例如控制器的輸入卡)不受現場的各種干擾。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。

這種模塊在輸入側需要有源信號(例如來自壓力變送器),它們在輸出側(例如控制器)提供一個經過濾波和放大信號。
4.1.3  輸出端隔離
采用這種隔離技術的模塊應該保護輸入側連接的電子設備(例如控制器的輸出卡)不受現場的各種干擾。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。

這種模塊在輸入側需要有源信號(例如控制器的輸出卡),它們在輸出側發出經過處理和發大的信號(例如提供給調節閥)。
4.2  無源信號隔離器
無源信號隔離器提供了一種附加和實質性的便利,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,其內部電路消耗的電流極小,不影響信號的正確傳輸。根據信號隔離器的供電方式分以下幾種:
4.2.1  輸入側供電
采用這種隔離技術時,這些模塊從有源輸入回路(例如電磁流量計或控制系統輸出卡)獲取所需的能量用于信號傳輸和電隔離,輸出側提供經過處理的電流信號用于控制或調節。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。
4.2.2  輸出側供電
采用這種隔離技術時,這些模塊從有源輸出回路(最好是從控制系統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。

這種無源隔離器在輸入側可以處理各種有源信號(例如電磁流量計),在輸出側,回路供電的模塊則采用4-20mA的標準信號。用這種隔離技術時必須注意,連接在輸出側的有源信號源(例如控制系統輸入卡)即可以給無源隔離器供電也可以帶動負載(例如控制系統輸入卡的輸入電阻)。
4.2.3  無源饋電隔離器
采用這種隔離技術時,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,無源饋電隔離器把這種從輸出回路獲得的能量另外還供給一個連接在輸入側的無源檢測探頭(例如壓力變送器),檢測探頭借助于提供的能量發出一個有源信號,通過無源饋電隔離器電隔離并且從輸出側輸出。如圖8所示。

因此,信號和能量流在無源饋電隔離器方式時原則上是逆向進行的。

5  結束語
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,以便實現長距離的傳輸或者是連接高阻抗的負載。可應用于所有的工業場合中需要電子測量和控制的系統中,諸如過程控制中電廠、冶金廠、自來水廠和污水處理廠,石油天然氣生產廠以及化工生產廠中。

參考文獻:
[1] Weidmuller公司模擬信號隔離產品詳細目錄[Z],2009.
[2] 周祥才,朱兆武編.檢測技術及應用[M].北京:中國計量出版社,2009.
[3] 楊幫文編.新型傳感器和變送器實用手冊 [M].北京:電子工業出版社,2008.
[4] 菲尼克斯INTERFACE電子接口技術產品[Z],2008.

作者簡介:李喜東(1976-),男,高級工程師,研究方向:主要從事自動化技術開發和應用工作。