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隔离器的原理应用及注意事项


  

导读

 

隔离器是一种采用线性光耦隔离原理,将输入信号进行转换输出。输入,输出和工作电源三者相互隔离,特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。隔离器又名信号隔离器,是工业控制系统中重要组成部分。

 

隔离器的原理

 

隔离器顾名思义主要的功能就是实现信号的隔离,将输入的信号通过半导体器件调制变换,然后通过光感或磁感器件进行隔离转换,然后再进行解调变换回隔离前原信号或不同信号,同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理,保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立,提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。

 

隔离器的发展

 

信号隔离器至今已有将近50年的历史,早期的信号隔离器都是采用变压器隔离方式,即使它的性能稳定,寿命长,带负载能力强,隔离强度高,但是由于变压隔离器电路复杂,制作工艺要求高,同时体积较大,安装不便,渐渐的被现在的光电式隔离器以及电磁式隔离器所取代。它们的特点是:性能稳定,抗干扰能力强,而且线路简单,成本低廉,但相对于变压器隔离方式寿命略短。

 

隔离器类型

 

1.隔离器

 

工业生产中为增加仪表负载能力并保证连接同一信号的仪表之间互不干扰,提高电气安全性能。需要将输入的电压、电流或频率、电阻等信号进行采集、放大、运算、和进行抗干扰处理后,再输出隔离的电流和电压信号,安全的送给二次仪表或PLC/DCS使用。

 

2.配电器

 

  工业现场一般需要采用两线制传输方式,既要为变送器等一次仪表提供24V配电电源,同时又要对输入的电流信号进行采集、放大、运算、和进行抗干扰处理后,再输出隔离的电流和电压信号,供后面的二次仪表或其它仪表使用。  

 

3.安全栅

 

  一些特殊的工业现场(如燃气公司和化工厂)不但需要两线制传输,既提供配电电源又有信号隔离功能,同时还需要具有安全火花防爆的性能,可靠地遏制电源功率、防止电源、信号及地之间的点火,限流、降压双重限制信号及电源回路,把进入危险场所的能量限制在安全定额范围内。

 

隔离器的应用

 

信号在传输过程中会遇到各种各样的干扰,为保证信号稳定,会使用隔离器来进行隔绝干扰,避免信号的失真。在油田、石化、制造、电力、冶金等行业的重大工程中有着广泛应用。

 

1.消除接地环路影响

 

由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差,这两者之间就会形成接地环路,往往会产生干扰,导致信号传输过程中失真,要保证系统稳定和可靠的运行,"接地环路"问题是在系统信号处理过程中必须解决的问题。

 

解决"接地环路"的方法根据理论和实践分析,有三种解决方案:

 

第一种方案

 

所有现场设备不接地,使所有过程环路只有一个接地点,不能形成回路,这种方法看似简单,但在实际应用中往往很难实现,因为某些设备要求必须接地才能保证测量精度或确保人身安全,某些设备可能因为长期遭到腐蚀和磨损后或气候影响而形成新的接地点。

 

第二种方案

 

使两接地点的电势相同,但由于接地点的电阻受地质条件及气候变化等众多因素的影响,这种方案其实在实际中无法完全做到。

 

第三种方案

 

 在各个过程环路中使用信号隔离方法,断开过程环路,同时又不影响过程信号的正常传输,从而彻底解决接地环路问题。

 

参考上述的对比,利用隔离器消除接地环路是最简单粗暴却最有效果的方式。



2.消除高频电磁干扰

 

在工业生产过程中实现监视和控制需要用到各种自动化仪表、控制系统和执行机构,它们之间的信号传输既有微弱到毫伏级、微安级的小信号,又有几十伏,甚至数千伏、数百安培的大信号;既有低频直流信号,也有高频脉冲信号等等,构成系统后往往发现在仪表和设备之间信号传输互相干扰,造成系统不稳定甚至误操作,消除电磁干扰可保证信号的稳定。

 

3.解决设备之前信号不匹配问题

 

两个需要通道信号连接的设备,但是由于信号输出类型和接受信号的不同造成的无法正常连接,这个时候就可以使用信号隔离器实现信号的转换。

 

4.一路信号分配为多路信号

 

在一些场合我们需要将信号输送给多个系统,比如控制系统和显示系统,这时候就可以选择隔离器的一进多出的功能来实现,既保证现场的信号分配,又可以做到信号隔离,简单方便却又不失水准。

 

隔离器的注意事项

 

1.输出的带载能力

 

产品选型技术参数表中都会标注各种输出类型的带载电阻,比如4-20MA输出的带载电阻小等于480欧姆,表示接受设备的输入阻抗不能大于480欧姆,若阻抗大于480欧姆就会出现输出被拉低等异常现象。比如一个阀门输入阻抗是500欧姆,隔离器的输出带载能力是小等于480欧,实际应用时就会出现阀门开度始终到达不了100%

 

2.输出的传输距离

 

实际上隔离器输出的传输距离与输出的带载能力是息息相关的,导线阻抗+接受设备的输入阻抗不大于输出的带载电阻,那么理论上输出就不会出现问题,设备的输入阻抗是恒定的,变化的阻抗就是连接线的电阻,线的电阻取决于导线材质与截面积等因素。

 

3.智能隔离器与模拟隔离器的区别

 

智能隔离器可通过编程器或上位机等手段任意改变输入类型与测量量程等参数;模拟隔离器是通过硬件电路配比实现测量量程的变化,可通过可调电阻对输入与输出的量程进行微调。

 

4.响应时间

 

 响应时间是指产品的输入量发生变化到产品的输出量正确的将变化量反映的输出上的时间。响应时间越短,就能够越真实的正确反映出输入量的变化,有效的监视和控制生产过程。在选择隔离器时响应时间要求越短越好。用户在选用时应该选用响应时间小的产品。

 

5.温度漂移

 

温度漂移是由于隔离器工作时产生热量,导致隔离器内所使用的电子元器件性能指标下降造成隔离器的输出值发生变化。选择隔离器时应要求温度漂移的值越小越好。为了防止温度漂移,用户在选用时应该选用温度漂移小的产品。

 

6.环境温度

 

 若隔离器的功耗大,在隔离器工作时产生的热量就大,造成隔离器壳体内的温度高。组成隔离器的电子元器件长期的处于高温环境下,会导致运算放大器参数蜕变﹑电阻阻值变化﹑电容漏电增大等。功耗是指隔离器工作时所消耗的电能。它涉及到产品在工作时的发热量,这个参数与隔离器的使用寿命、可靠性和隔离器的外形、安装方式都有密切的关系。在选用隔离器时应选择功耗低的产品。