1  引言  控制系統(tǒng)中需要監(jiān)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(tài)和變化的器件必須如實(shí)反映這些變化,這些參數(shù)被地測量后,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(xiàn)場傳輸?shù)娇刂剖业倪^程不被消減或干擾。信號隔離器能將這些信號轉(zhuǎn)換或變送需要高質(zhì)量的電子系統(tǒng),它們能適應(yīng)或抵御惡劣環(huán)境,諸如溫度變化、電磁干擾、振動(dòng)、腐蝕或爆炸等因素的干擾或影響。  2  干擾產(chǎn)生的原因  在工業(yè)生產(chǎn)過程中對信號傳輸?shù)母蓴_多種多樣,隔離是不可能實(shí)現(xiàn)的。通常干擾主要由以下幾個(gè)原因產(chǎn)生: 

 2.1  接地回路  各種儀器設(shè)備根據(jù)要求和目的都需要接地,例如為了安全,機(jī)殼需要接大地;為了使電路正常工作,系統(tǒng)需要有公共參考點(diǎn);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(shè)備之間的參考點(diǎn)之間存在電勢差,因而形成 "接地環(huán)流。

2.2  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。

2.3  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。

 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(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。信號隔離器有以下幾個(gè)參數(shù)[3]。  3.1  大輸入信號  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)。  3.2  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*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?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。  3.3  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。  3.4  線性度  通過信號的線性度,可以對過程從零點(diǎn)到大值進(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。  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(dòng)態(tài)特性,這種動(dòng)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。  4  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。  4.1  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[4]。  4.1.1  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(yīng)地互相電隔離。如圖3所示。

 4.1.2  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。

這種模塊在輸入側(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。  4.1.3  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)。  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(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:  4.2.1  輸入側(cè)供電  采用這種隔離技術(shù)時(shí),這些模塊從有源輸入回路(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。  4.2.2  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(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。

這種無源隔離器在輸入側(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)的有源信號源(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(dòng)負(fù)載(例如控制系統(tǒng)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(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(gè)連接在輸入側(cè)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(fā)出一個(gè)有源信號,通過無源饋電隔離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饋電隔離器方式時(shí)原則上是逆向進(jìn)行的。  5  結(jié)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(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。