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、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,隔離是不可能實現(xiàn)的。通常干擾主要由以下幾個原因產(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;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現(xiàn)隔離轉(zhuǎn)換,然后再實行解調(diào)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換后的信號、電源、地之間獨立。同時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,但是實際上并不是如此。當(dāng)兩個輸入段電壓發(fā)生同向變化,即在兩個輸入端子上加有*相同的對地電壓時,它將引起一個不希望出現(xiàn)的輸出信號,從理論上來說,此時理想運(yùn)算放大器上不該出現(xiàn)輸出信號,因為輸入端差值信號為"0V"。共模抑制比這個參數(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,可以對過程從零點到大值進(jìn)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(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,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電源,這個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,這些模塊從有源輸入回路(例如電磁流量計或控制系統(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,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),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,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(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,以便實現(xiàn)長距離的傳輸或者是連接高阻抗的負(fù)載?？蓱?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。