正確隔離，可靠運行——信號隔離器的選擇和安裝技巧

         儀表電路中可能導(dǎo)致出現(xiàn)接地回路的原因很多。當(dāng)出現(xiàn)接地回路時，即使您采取了措施，例如使用適當(dāng)?shù)碾娎|屏蔽雙絞線和預(yù)防措施，它們?nèi)詫楣I(yè)現(xiàn)場帶來很大的問題。一個消除接地回路的可靠方法是正確使用信號隔離器，下面提供了選擇和安裝信號隔離器的一些實用技巧。
接地回路問題
         當(dāng)信號傳輸和接收裝置連接到不同的接地點時，會出現(xiàn)對地回路。這些不同的接地點可能是由于設(shè)備連接到不同的電源所產(chǎn)生的，這在長距離電纜傳輸時很常見。它們也可能是由于設(shè)備的金屬外殼與地面發(fā)生了物理接觸。這導(dǎo)致了一個不被人注意的電氣回路，從而產(chǎn)生了一個誤差源。
         任何時候，如果導(dǎo)線連接了兩個不同的電位（例如地電位），將產(chǎn)生電流。在實踐中，這往往包括了一個儀表回路中的信號線和屏蔽線。只在一端接地將避免產(chǎn)生對地環(huán)流，但這通常很難實現(xiàn)和維護(hù)。
         由于無法在信號的接收端通過簡單的觀測來測定信號的精度，因此不同接地電位產(chǎn)生的對地環(huán)流將為信號回路引入無法檢測的誤差。如果您發(fā)現(xiàn)了不明原因的信號噪聲、誤差、沖擊或鎖死，您可能有一個對地環(huán)流的問題。
         交流或直流回路都可能產(chǎn)生對地環(huán)流。在絕大多數(shù)的電氣設(shè)備中，交流供電的中線只在用戶引入線的部分接地。任何在電氣系統(tǒng)中別處產(chǎn)生的中線對地連接，都將可能引入60Hz的電流入地。由于中線對地連接引入的電流將隨著設(shè)備的電氣負(fù)載而改變，用戶引入線的接地和遠(yuǎn)程設(shè)備之間的電位差將導(dǎo)致對地環(huán)流的產(chǎn)生（圖1）。

圖1-1 有接地故障

圖1-2  無接地故障

         當(dāng)多個直流電壓源有一個公共連接時將出現(xiàn)一個直流回路。由于它們是連在一起的，當(dāng)一個地方產(chǎn)生電壓，將會改變另一個地方的電壓。這些電壓也會隨著負(fù)載而改變，同時無法通過傳感器或接收器的簡單調(diào)節(jié)進(jìn)行預(yù)測和補(bǔ)償。

[DividePage:NextPage]

如何才能防止接地回路？
        信號隔離器提供了防止接地回路問題的高度可靠和易于維護(hù)的方式。信號隔離器安裝在傳感器和接收器之間，并將他們隔離。一旦安裝，它們幾乎不需要維護(hù)和調(diào)試。
         信號隔離器通過隔離變壓器或光耦隔離器將傳感儀表和接收儀表接地連接切斷。這兩種器件都提供了高水平的隔離。
         隔離器還包括了一個低通濾波器，消除高頻EMI/RFI噪聲和60Hz的電源電壓產(chǎn)生的干擾信號。一個截止頻率為30Hz的隔離器響應(yīng)時間為11.4ms，這個速度足以滿足絕大多數(shù)的過程測量的需要。制造商可以根據(jù)需求提供更快響應(yīng)速度的產(chǎn)品，但是這些模塊也更容易受到噪聲的影響。
如何選擇一個隔離器？
         信號隔離器是確保信號傳輸準(zhǔn)確性的最簡便方法（在總的維護(hù)成本上花費最少）。但是一些誤區(qū)必須避免，防止誤用和為控制系統(tǒng)帶來問題。
         這些誤用的主要原因之一是對于如何給一個特定的回路供電的不當(dāng)理解。供電可以被并入一個儀表回路中的不同位置，例如傳感器、接收器，或信號回路。由于在很多運行系統(tǒng)中需要采用隔離器，工程師在訂購隔離器之前必須知道回路中這些設(shè)備如何供電。
         隔離器的供電可以有三個來源：獨立電源，輸入回路，或輸出回路。無論采用何種方法，都必須妥善設(shè)計，以免干擾傳感器和接收器所需要的電力。下面詳細(xì)討論每種方法：
有源隔離器
         所有隔離器當(dāng)中最流行的也許是有源隔離器。有源隔離器通過連接了一個230/120VAC或更通用的24VDC電源來提供負(fù)載功率并為輸出回路供電（圖2）。

圖2 有源隔離器

[DividePage:NextPage]

這類模塊的主要特點：
        1. 相對于系統(tǒng)中大量儀表和長距離電纜產(chǎn)生的沉重負(fù)載，模塊在輸入回路中的負(fù)載很低，通常只有50W。這會是一個優(yōu)勢。
         2. 輸出回路獨立于輸入回路，成為一個新的回路。這使得輸出回路可以傳輸更長的距離，并為更多的設(shè)備提供過程信息。
         3. 通用模塊可提供信號轉(zhuǎn)換的功能，允許客戶自行配置輸入/輸出信號，減少庫存（圖3）。

         這種回路供電隔離器通過輸入回路的供電驅(qū)動自身內(nèi)部的電氣電路和輸出回路。因此，它增加了輸入回路的負(fù)載。必須納入功率計算，以確保傳感器有足夠的電壓去驅(qū)動所有連接的設(shè)備。（制造廠商可以提供隔離器的壓降，值越低越好）
         另外，輸出回路的負(fù)載電阻也必須是已知的，以計算總壓降，因為輸入回路的電壓源也被用于輸出回路供電。壓降可以通過以下公式計算：Vdrop =Visolator + (20 mA x Routput loop)。
         我們需要確保輸入回路的電源供應(yīng)至少可以滿足輸出回路所需的電量。
         輸入回路供電隔離器通常隔離電流信號，而不是電壓信號。輸入側(cè)回路電流驅(qū)動隔離器。輸入回路供電隔離器提供輸入和輸入之間的電氣隔離。產(chǎn)品種類可選擇一，二，四通道模塊，增強(qiáng)靈活性和節(jié)省空間。

輸出回路供電隔離器
         在某些情況下，尤其是設(shè)計傳感器或接收器（控制系統(tǒng)）的改造，輸出回路供電隔離器是必要的。這些設(shè)備可用于回路中存在多個電源的情況。例如，當(dāng)傳感器和接收器（PLC有源卡件）都是獨立供電時，它們都將試圖給回路供電，而這樣是不允許的。這時，我們可以通過一個輸出回路供電隔離器將它們分開（圖5）。

圖5  輸出回路供電隔離器

         由于隔離器從輸出回路得電，它們可以用在回路中用于電流信號輸出，例如4~20mA。但是不能輸出電壓信號。輸入側(cè)可以和三端隔離放大器一樣傳輸電壓或電流信號。值得注意的是，如果輸出回路的總負(fù)載很大，輸出回路的壓降仍需考慮在內(nèi)。
         輸出回路供電隔離器提供輸入和輸出之間的電氣隔離。它們采用DIN導(dǎo)軌安裝的外殼設(shè)計，可以節(jié)約寶貴的控制柜內(nèi)軌道空間。

[DividePage:NextPage]

饋電隔離器
         饋電隔離器在今天也不是一個陌生的名稱。在某些應(yīng)用中，得到了大量的使用。本質(zhì)上，饋電隔離器是一個輸入和輸出側(cè)都往外供電的三端隔離放大器。饋電隔離放大器仍然提供輸入/輸出，輸入/供電，和輸出/供電之間的電氣隔離（圖6）。

圖6 饋電隔離器

         供電電源通常是24Vdc，并直接連接到隔離器。隔離器給輸入回路和24Vdc的傳感器供電。通常電流可以達(dá)到30mA。輸入回路和輸出回路都必須是電流信號，例如4~20mA信號或智能信號。
         在這里，智能信號指的是疊加在4~20mA信號波形上的數(shù)字信號。一個典型的例子是在很多設(shè)備中使用到的HART協(xié)議。它通過在緩慢變化的電流信號上疊加一個0.5mA的正弦波來工作。正弦波工作在1200和2200Hz，并傳輸來自于傳感器的操作信息。這使得用戶可以自動重新校準(zhǔn)傳感器或遠(yuǎn)程改變量程范圍。
         一個標(biāo)準(zhǔn)的隔離器會將這種高頻信號認(rèn)為是一種噪聲，并通過低通濾波器進(jìn)行消除。而智能隔離器會通過額外的電路接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)字信號。模塊上附加的端口可以用于手操通訊設(shè)備方便的接入回路當(dāng)中。

正確的選擇帶來維護(hù)工作的最小化
         正確的選擇和使用隔離器可以簡化系統(tǒng)設(shè)計和提高可靠性。了解電源的安裝定位和選擇正確的隔離器將有助于最大限度的降低運營問題和維護(hù)需求。菲尼克斯電氣的MINI MCR系列和MACX MCR系列不僅能夠滿足客戶所有功能需求，同時還具有超薄外型，低功耗，底部橋接供電，多種國際認(rèn)證（UL ，GL，CE，Ex，SIL），高電氣隔離等特點。為您現(xiàn)場的可靠運行，提供助力。