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更新時間
2023-10-15 15:05:02
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信號隔離器的作用簡單說就是將輸入信號隔離、濾波、放大、轉(zhuǎn)換和分配后輸出給其他儀表或系統(tǒng)，以提高信號抗電磁干擾能力。本文對信號隔離器功能、特點、原理和分類做簡單介紹。
1、信號隔離變送器功能
信號隔離變送器主要通過內(nèi)部半導(dǎo)體器件對輸入信號進行調(diào)制變換，通過光電耦合器件或數(shù)字隔離器件對信號進行隔離、傳輸，然后再解調(diào)轉(zhuǎn)換為隔離前原信號。主要功能如下：
①隔離
工業(yè)現(xiàn)場儀器儀表、執(zhí)行器等設(shè)備，基本都做了接地，設(shè)備之間的電勢差將致使接地環(huán)流出現(xiàn)，從而導(dǎo)致信號傳輸過程被干擾。此外，一旦控制回路出現(xiàn)強電壓沖擊，回路中關(guān)聯(lián)設(shè)備將無一幸免。信號隔離器一般采用三端隔離技術(shù)，各個過程環(huán)節(jié)有效隔離，保證信號傳輸精度的同時，解決接地環(huán)路電流和信號隔離保護等問題。
②濾波
工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用變頻器及電機設(shè)備等，強電磁輻射導(dǎo)致的耦合干擾常導(dǎo)致信號失真出現(xiàn)“毛刺”，部分信號采用屏蔽電纜仍無法有效解決該問題。對一些重要的模擬量信號，采用隔離器能夠保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。
③放大
模擬量信號遠距離傳輸過程中，加裝隔離器，對信號進行放大，可有效提高信號負載能力保證傳輸信號的準確可靠。
④轉(zhuǎn)換
信號隔離器能夠?qū)⒏鞣N類型模擬量信號如電壓、電流、熱電阻、熱電偶、頻率、電位等信號轉(zhuǎn)換為標準信號，對信號進行隔離的同時，解決信號匹配問題。
⑤信號分配和給二線制、三線制變送器提供電源
對4-20mA輸入的隔離器，隔離器同時兼容信號隔離器和配電器功能，一臺儀表就可實現(xiàn)所用功能，用戶也不需要獨立組態(tài)，僅接線在不同端子即實現(xiàn)所需要功能；隔離器做信號分配使用時，有一入一出、一入二出、一入三出、一入四出和一入五出幾種類型
2、信號隔離器特點
①高度緊湊、薄
12.5mm厚度允許產(chǎn)品在控制柜內(nèi)密集安裝，有效節(jié)約機柜空間，降低機柜成本。
②高精度及可靠電氣隔離
≤0.1%的傳輸誤差，高達2.5kV的隔離耐壓值保證了信號的傳輸精度以及產(chǎn)品的可靠性。
③易于使用、維護
產(chǎn)品支持底部橋接供電，減少接線工作、節(jié)省電纜成本的同時，支持隔離器熱插拔，便于后期維護；直插測量技術(shù)，無需切斷回路即可進行電流信號測量；在12.5mm厚度范圍內(nèi)集成了端子可插拔技術(shù)的隔離器，可便捷的分斷接線回路。
④清晰的指示
每個信號隔離器均集成獨立的LED指示，可清晰指示隔離器當前工作狀態(tài)。
⑤寬域供電及工作溫度
支持9.6-31.2V DC靈活供電，-40~80℃寬域工作溫度。
⑥*數(shù)字隔離技術(shù)
目前多數(shù)信號隔離器廠家在使用光電耦合器來滿足隔離要求，信號隔離器已采用CMOS的數(shù)字隔離技術(shù)，單純從技術(shù)側(cè)面說，光電耦合器和數(shù)字隔離之間還是存在明顯差別：
簡單來說，光電耦合器是一種混合設(shè)備，使用LED發(fā)出的光將數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁綦x柵另一端的光檢測器。邏輯高狀態(tài)時，LED打開，邏輯低狀態(tài)時，LED關(guān)閉。光電耦合器功耗高，易于老化和受溫度影響，并提供有限的數(shù)據(jù)速率，通常低于1Mb/s。但是，數(shù)字隔離設(shè)備是為符合安全規(guī)定而創(chuàng)建的，同時可*限度地發(fā)揮現(xiàn)代化CMOS技術(shù)的優(yōu)勢。為此，數(shù)字隔離設(shè)備使用半導(dǎo)體工藝技術(shù)來創(chuàng)建變壓器或電容器，以便傳輸數(shù)據(jù)而不是傳輸光，通過使用這種技術(shù)，性能和功能集成都得到了改善。
光電耦合器雖然已并入許多設(shè)計中，但是基于過時的LED技術(shù)，其輸出因輸入電流、溫度和老化而有顯著變化。這降低了設(shè)備在生命周期內(nèi)的性能。數(shù)字隔離組件可輕松提供占用空間更小的多通道隔離解決方案，由于故障率更低可提高系統(tǒng)可靠性，可提供兩倍的電氣噪聲抗擾度，可在更寬的溫度范圍(-40℃～125℃)內(nèi)工作，而且不會隨著時間的推移老化或降低性能。通常，使用高頻載波代替光能夠?qū)崿F(xiàn)低操作功率和高速操作，這可支持的時序規(guī)格。
⑦高穩(wěn)定性和可靠性
功能安全設(shè)計理念貫穿于隔離器產(chǎn)品的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和生產(chǎn)管理全過程，使產(chǎn)品符合相關(guān)安全完整性等級的要求，在多年持續(xù)運行中保持高精度、高可靠性和長使用壽命。
3、信號隔離器的原理
信號隔離器的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行濾波，以及根據(jù)控制系統(tǒng)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。
一些DCS模塊自帶光電隔離功能，在一些系統(tǒng)中完全可以滿足正常工作需求；但系統(tǒng)不可能始終處于正常工作狀態(tài)，一旦發(fā)生事故造成器件損壞，更換隔離器比更換DCS模塊更加省時省經(jīng)費。因此儀控君建議還是需要根據(jù)實際情況確定是否安裝隔離器。
4、信號隔離器的分類
信號隔離器分有源信號隔離器和無源信號隔離器。
◆ 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*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。有源信號隔離器包括三端隔離、輸入端隔離與輸出端隔離。
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。
②輸入端隔離
采用這種隔離技術(shù)的模塊應(yīng)該保護輸出側(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。
③輸出端隔離
采用這種隔離技術(shù)的模塊應(yīng)該保護輸入側(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。
◆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輸入側(cè)供電、輸出側(cè)供電、無源饋電等。
①輸入側(cè)供電
采用這種隔離技術(shù)時，這些無源信號隔離器從有源輸入回路(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)。
②輸出側(cè)供電
采用這種隔離技術(shù)時，這些無源信號隔離器(輸出側(cè)獲取能量)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。
◆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。
5、隔離器如何選擇
隔離器位于兩個系統(tǒng)通道之間，所以選擇隔離器首先要確定輸入輸出功能，同時要使隔離器輸入輸出模式(電壓型、電流型、環(huán)路供電型等)適應(yīng)前后端通道接1:3模式。此外，尚有精度、功耗、噪音、絕緣強度、總線通信功能等許多重要參數(shù)涉及產(chǎn)品性能，例如：噪音與精度有關(guān)、功耗熱量與可靠性有關(guān)，這些需要使用者慎選。之，適用、可靠、產(chǎn)品是選擇隔離器的主要原則。