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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(diǎn)、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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(gè)過程環(huán)節(jié)有效隔離，保證信號傳輸精度的同時(shí)，解決接地環(huán)路電流和信號隔離保護(hù)等問題。
②濾波
工業(yè)現(xiàn)場廣泛使用變頻器及電機(jī)設(shè)備等，強(qiáng)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(yuǎn)距離傳輸過程中，加裝隔離器，對信號進(jìn)行放大，可有效提高信號負(fù)載能力保證傳輸信號的準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)信號，對信號進(jìn)行隔離的同時(shí)，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(shí)兼容信號隔離器和配電器功能，一臺儀表就可實(shí)現(xiàn)所用功能，用戶也不需要獨(dú)立組態(tài)，僅接線在不同端子即實(shí)現(xiàn)所需要功能；隔離器做信號分配使用時(shí)，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(diǎn)
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(jī)柜空間，降低機(jī)柜成本。
②高精度及可靠電氣隔離
≤0.1%的傳輸誤差，高達(dá)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(hù)
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(shí)，支持隔離器熱插拔，便于后期維護(hù)；直插測量技術(shù)，無需切斷回路即可進(jìn)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?jǐn)嘟泳€回路。
④清晰的指示
每個(gè)信號隔離器均集成獨(dú)立的LED指示，可清晰指示隔離器當(dāng)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(shí)，LED打開，邏輯低狀態(tài)時(shí)，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(shí)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(jì)中，但是基于過時(shí)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(shí)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(shí)序規(guī)格。
⑦高穩(wěn)定性和可靠性
功能安全設(shè)計(jì)理念貫穿于隔離器產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)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(yùn)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(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。
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(shí)省經(jīng)費(fèi)。因此儀控君建議還是需要根據(jù)實(shí)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(dú)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(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。
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。
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。
◆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(shí)，這些無源信號隔離器從有源輸入回路(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)。
②輸出側(cè)供電
采用這種隔離技術(shù)時(shí)，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(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。
5、隔離器如何選擇
隔離器位于兩個(gè)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(shí)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(qiáng)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。