隔離變送器入門知識

   在工業生產過程中，生成過程的監視和控製中要用到各種各樣的儀器儀表
，會產生各種各樣的信號：既有微弱的毫伏級的小信號
，又有數十伏的大信號

，甚至還有高達數千伏和數百安培的強信號；既有直流低頻信號，也有高頻或脈衝尖峰信號；而er這zhe些xie信xin號hao都dou要yao經jing過guo互hu相xiang傳chuan遞di和he輸shu送song的de過guo程cheng，因yin此ci如ru何he保bao證zheng這zhe些xie信xin號hao，特te別bie是shi模mo擬ni信xin號hao在zai傳chuan輸shu過guo程cheng中zhong不bu失shi真zhen將jiang成cheng為wei係xi統tong調tiao試shi中zhong必bi須xu解jie決jue的de問wen題ti。
jutidishuo，zhiyoudangkongzhizhuangzhihefenbuzaixianchangdechuanganqihezhixingqizhijiandemonixinhaochuanshuwuguzhangbingqiebushizhenshi，cainengbaozhengguochengkongzhianquankekao。youqishixiaogonglvdemonixinhaozaiganraodadegongyehuanjingzhongchuanshushishougezhongwaibuganraoxinhaodeyingxiang，tamenxuyaoyitiaokekaodechuanshutongdao。richanggongzuojingyanbiaoming
，shoushebeiyaoqiudezhiyue，bixujinshenxiaoxindechulihechuanshumonixinhao。erxianchanghekongzhicengzhijianyimonixinhaoxingshichuanshudecelianghekongzhicanshu
，zaichuanshugongchengzhongchangchuyujiaoeliedegongyehuanjingzhong，henkenenghuizaochengzhexiexinhaodeshizhen。
造成模擬信號失真的原因
1. 接地環路問題：如下圖所示，當過程環路中有兩處或兩處以上接地電阻不相等時，就會產生接地環路，過程信號就會失真。要使信號完整而不失真地傳輸，理想化的情況是所有設備、儀表中的信號都有一個共同的參考點
，也就是有一個共同的“地”。隻有這樣，所有的設備、儀表的信號參考點之間電位差才能為“零”。很顯然，不同設備的接地電阻很難保證都相等，接地電阻也會隨著傳輸距離的增加而升高，有時甚至產生高達200V的電位差。
2. 測量回路相互連接問題：如下圖所示，在這些回路中，參考點要將因為接通多個信號回路而升高。

如上圖
，在這種相互連接的測量回路中，由於線間電阻的不斷增加
，必然會引起參考電壓的不斷升高。
3. 電磁幹擾問題：這是比較常見的幹擾，特別是在長距離或者幹擾較大的工業環境中，很難避免感性和容性幹擾在測量回路中相互參雜的情況。
解決這些問題的方案主要有三種：
diyizhongfanganshixianchangyibiaobujiedi
，shiguochenghuanluzhongzhiyouyigejiedidian
，danzaishijiyingyongzhong，zhezhongfanganwangwangnanyishixian，yinweimouxieshebeibixujiedicainengbaozhengceliangjingduhuoquebaorenshenanquan，mouxieshebeikenengyinweichangqizaodaofushihemosunhouhuoqihouyingxiangerxingchengxindejiedidian。
第二種方案是使兩接地點的電勢相同，但由於接地點的電阻受地質條件及氣候變化等眾多因素的影響，這種方案通常是很難實現的。
第三種方案是在過程環路中使用信號隔離器。信號隔離器采用隔離技術
，斷開過程環路中的直接電路（直流通路）但又不影響過程信號的正常傳輸，從而徹底解決了上述問題。如下圖： 

當然
，我們也可以用DCS的隔離卡鍵或帶隔離能力的變送器實現信號隔離，但它們價格昂貴，而且他們的隔離強度

、抗無限射頻/電磁幹擾（RFI/EMI）指標及應用靈活性比信號隔離器差，更不可能像信號隔離器那樣還可解決信號轉換及信號分配等問題。

二、信號隔離器原理
    目前，信號隔離（變換）器從隔離方式上主要分為：變壓器隔離方式，光電隔離方式和變壓器與光電聯合隔離方式等幾種。
信號隔離器至今已有40多年的曆史，早期的信號隔離器（如美國MOORE，日本M-SYSTEM等）都是采用變壓器隔離方式
，它的特點是：性能穩定

，壽命長（比如：日本M-SYSTEM公司的M2係列隔離變換器標稱的使用壽命長達70年！），帶負載能力強，隔離強度高，但電路複雜，製作工藝要求更高。
隨著電子技術的發展，近些年來逐漸出現了利用光耦合器（optical coupler）生產的光電式隔離器
，它的特點是：性能穩定，抗幹擾能力強
，而且線路簡單，成本低廉，但相對於變壓器隔離方式壽命略短。
在一些現場幹擾較大，工藝要求較高場合出現了變壓器與光電聯合方式的信號隔離器，它的隔離能力、抗無限射頻和電磁幹擾能力更強。信號隔離器的原理圖如下：

圖(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，隔(ge)離(li)器(qi)實(shi)現(xian)了(le)輸(shu)入(ru)對(dui)輸(shu)出(chu)對(dui)電(dian)源(yuan)對(dui)地(di)的(de)四(si)端(duan)三(san)重(zhong)隔(ge)離(li)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)，因(yin)此(ci)無(wu)需(xu)係(xi)統(tong)接(jie)地(di)線(xian)路(lu)，給(gei)設(she)計(ji)及(ji)現(xian)場(chang)施(shi)工(gong)帶(dai)來(lai)極(ji)大(da)方(fang)便(bian)。也(ye)正(zheng)是(shi)由(you)於(yu)這(zhe)種(zhong)信(xin)號(hao)線(xian)路(lu)無(wu)需(xu)共(gong)地(di)的(de)設(she)計(ji)

，使(shi)得(de)檢(jian)測(ce)和(he)控(kong)製(zhi)回(hui)路(lu)信(xin)號(hao)的(de)穩(wen)定(ding)性(xing)和(he)抗(kang)幹(gan)擾(rao)能(neng)力(li)大(da)大(da)增(zeng)強(qiang)，從(cong)而(er)提(ti)高(gao)了(le)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。另(ling)外(wai)，這(zhe)種(zhong)隔(ge)離(li)器(qi)產(chan)品(pin)除(chu)具(ju)備(bei)極(ji)強(qiang)的(de)濾(lv)波(bo)能(neng)力(li)外(wai)，還(hai)有(you)更(geng)強(qiang)的(de)信(xin)號(hao)處(chu)理(li)能(neng)力(li)
，能(neng)夠(gou)接(jie)受(shou)並(bing)處(chu)理(li)熱(re)電(dian)偶(ou)、熱電阻、頻率等各種信號。

三、隔離器主要技術指標
1. 隔離強度：也叫隔離能力、耐壓強度或測試耐壓，這是衡量信號隔離器的主要參數之一。單位：伏fu。它ta指zhi的de是shi輸shu入ru與yu輸shu出chu，輸shu入ru與yu電dian源yuan，輸shu出chu與yu電dian源yuan之zhi間jian的de耐nai壓ya能neng力li。它ta的de數shu值zhi越yue大da說shuo明ming耐nai壓ya能neng力li越yue好hao，隔ge離li能neng力li越yue強qiang，濾lv波bo性xing能neng越yue高gao。一yi般ban的de，這zhe種zhong耐nai壓ya測ce試shi是shi通tong過guo一yi次ci性xing樣yang品pin的de耐nai壓ya檢jian驗yan來lai確que定ding的de。在zai該gai測ce試shi過guo程cheng中zhong，將jiang持chi續xu若ruo幹gan分fen鍾zhong地di分fen別bie在zai輸shu入ru與yu輸shu出chu、輸入與電源、輸出與電源之間加載50Hz的工頻電壓，以便得出器件同另一個電勢麵之間不會發生擊穿的電壓數值。
目前，市場上的信號隔離器的隔離強度分為6000V，4000V，3000V，2000V等幾個級別。比如：深圳科立恒公司的SC係列信號隔離器隔離強度為3000V；

2. 變送精度：信號隔離變送器質量的標尺。業內一般能做到量程的±0.2%。個別品牌如M-SYSTEM 
、ACI、深圳科立恒等能做到±0.1%
3. 溫度係數：表示隔離器等儀表在環境溫度發生變化時，精度的變化情況。 大多情況下用PPM表示(如：深圳科立恒SC-VA溫度係數為100PPM/℃

4. 響應時間：表征信號隔離器的反應速度。
5. 絕緣電阻：內部電源與外殼之間隔離直流作用的數值化表征。
6. 負載電阻：反映了信號隔離器的帶載能力。
四、信號隔離（變換）器的主要應用

1. 隔離輸入/輸出信號（對應型號為：SC-VA1，一進一出）
這(zhe)是(shi)信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)功(gong)能(neng)。信(xin)號(hao)隔(ge)離(li)器(qi)一(yi)方(fang)麵(mian)能(neng)解(jie)決(jue)接(jie)地(di)環(huan)路(lu)和(he)設(she)備(bei)互(hu)聯(lian)時(shi)產(chan)生(sheng)的(de)地(di)線(xian)參(can)考(kao)點(dian)不(bu)同(tong)的(de)問(wen)題(ti)
，另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)能(neng)有(you)效(xiao)地(di)去(qu)除(chu)線(xian)路(lu)在(zai)傳(chuan)輸(shu)過(guo)程(cheng)中(zhong)可(ke)能(neng)受(shou)到(dao)的(de)無(wu)限(xian)射(she)頻(pin)和(he)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)問(wen)題(ti)。

在上圖中，兩台現場設備（1#和2#儀表）向PLC/DCS傳送模擬信號

，同時PLC/DCS向另外兩台現場設備（3#和4#儀表）發出模擬信號進行顯示和控製。在這套係統中
，理想的狀態是：位於現場的1#、2#設備與位於主控室的PLC/DCS的參考“地”電位完全相等，而且傳輸過程中不存在任何幹擾，這樣才能保證PLC/DCS接收正確。但現實情況是這種“理想狀態”很難實現。舉例來說，假設1#和2#設備輸入的信號為0-10V DC的模擬信號。我們在現場測量兩者的信號也完全正確。1#設備的“地”與PLC/DCS的“地”相等
，而2#設備比它們的“地”電位高0.1V，這樣PLC/DCS接收到的1#設備的信號為0-10V，而接收到的2#設備的信號為0.1-10.1V，顯然誤差產生了。特別是在多級互連的串聯設備中
，這種誤差會變得非常大！如果我們簡單地把1#，2#設備的“地”線在PLC/DCS處彙合連接，那麼這0.1V的電壓會施加在PLC/DCS的“地”線上
，有可能損壞PLC/DCS的局部“的”線。同樣，在輸出端的3#

，4#設備也會出現類似的情況。由此引起的問題在現場調試中屢見不鮮。
解決上述問題的最好辦法就是在輸入端和輸出端分別加上。從信號隔離器的原理圖可以看出，它信號隔離器具有使輸入/輸出信號在電氣上完全隔離的特點。換句話講，現場輸入設備與主控接收設備間不存在共“地”
，那麼輸入信號不管是0-10V
，或是帶有哪怕+10V幹擾的10V-20V的信號，經過隔離器後均變為0-10V的標準信號。例如某大型水泥廠新建窯爐的生產線調試中，當現場爐溫信號接入國外某著名品牌DCS係統的8通tong道dao模mo擬ni量liang輸shu入ru卡ka鍵jian後hou，溫wen度du數shu據ju亂luan跳tiao，根gen本ben無wu法fa控kong製zhi，但dan在zai現xian場chang進jin行xing單dan點dian測ce試shi時shi又you很hen穩wen定ding也ye很hen準zhun確que。又you如ru某mou電dian廠chang化hua水shui處chu理li工gong程cheng中zhong，當dang現xian場chang各ge種zhong不bu同tong類lei型xing的de壓ya力li變bian送song器qi信xin號hao接jie入ruPLC後
，數據跳動厲害
，而且誤差非常大
，但同樣在現場進行單點測試時很穩定也很準確，可是隻要向PLC接入兩點以上的信號後，信號就發生跳變。這兩種情況在加了信號隔離器後，一切正常！

2. 信號隔離分配（對應型號為SC-VA2，一進兩出）
zaishijiyingyongzhong，womenjingchangyudaojiangyigebiansongqixinhaojierulianggehuolianggeyishangjieshouzhuangzhideqingkuang，ruocaiyongchuanlianhuanlu，zehuanluzhongrenyichukailudouhuizaochengzhenggehuanlushangdeyibiaowuxinhao，tongshifuzaidianzuzhihehenrongyichaoguobiansongqidefuzainengli
，suoyiyibanbucaiyongzhezhongfangshi。tongchangcaiyongdefangshishi：在環路中串接一個電阻，再將負載並聯在電阻上以取得電壓信號，如串接一個250Ω電阻將4-20mA電流信號轉換成1-5V電壓信號。如下圖：

這種方式雖然能避開開路及負載能力等問題，但卻存在以下不足：
① 由於電阻本身難以達到高精度，加之存在接線端電阻以及電阻發熱引起阻抗升高等因素，所以電壓信號較難保證高精度；
② 通tong過guo串chuan聯lian電dian阻zu取qu電dian壓ya信xin號hao方fang法fa是shi以yi假jia定ding接jie收shou設she備bei的de輸shu入ru阻zu抗kang無wu窮qiong大da為wei理li想xiang前qian提ti的de
，所suo以yi接jie收shou設she備bei的de輸shu入ru阻zu抗kang必bi然ran對dui信xin號hao的de測ce量liang產chan生sheng誤wu差cha，而er且qie，並bing聯lian設she備bei數shu目mu越yue多duo，誤wu差cha越yue大da；
③ 導線越長，電阻的電壓降越大
，對實際電壓信號的影響也越大，因此信號傳輸距離不能太長；
④ 由於RFI/EMI（無線射頻/電磁幹擾）的信號容易與電壓信號疊加，所以該連接易受無限射頻/電磁幹擾。
解決以上問題的理想方案就是使用信號（隔離）分配器！它精度高、隔離能力強，可以解決以上各種問題，以下圖為例：

上圖中，兩輸出信號既可相同也可互異，變送器、RCVR（接收設備）間完全隔離
；任一接收設備出現故障，不會影響整個環路及另一套設備。

3. 避免電源衝突（對應型號為KCE

，兩線式輸出）
有時現場儀表在配套時
，由於協調不利，產生了如下情況：接收設備（如某些DCS輸入卡鍵）的信號接入端帶有24V電源（即我們常說的兩線製接口），而現場為4線製變送器
，輸出信號為有源信號，因此，來自於現場的4線製變送器輸出信號與來自於接收裝置的兩線製電源信號就會發生衝突。
解決的方法是：接入輸出環路供電型隔離器
，它通過信號輸出線由接收設備供電，並將現場4線製變送器的有源信號經隔離後輸出給接收設備，這樣不僅避免了電源衝突
，而且還對信號實行了隔離。如圖：

4. 提供電源並隔離（對應型號為SC-CL
，輸入端提供24V兩線式配電）
4線製外部供電型信號隔離器,又叫隔離配電器，具有向2線製變送器供電的功能，由此可以免去為變送器再配置電源的麻煩。並且也提供了信號隔離功能。如下圖：