標題ATE信號隔離器原理

    只有當控制裝置和分布在現場的傳感器和執行器之間的模擬信號傳輸無故障并且不失真時，具體地說。才干保證過程控制平安可靠。尤其是小功率的模擬信號在干擾大的工業環境中傳輸時受各種外部干擾信號的影響，需要一條可靠的傳輸通道。日常工作經驗標明，受設備要求的制約，必需謹慎小心的處置和傳輸模擬信號。而現場和控制層之間以模擬信號形式傳輸的丈量和控制參數，傳輸工程中常處于較惡劣的工業環境中，很可能會造成這些信號的失真。

造成模擬信號失真的原因

      當過程環路中有兩處或兩處以上接地電阻不相等時，1. 接地環路問題：如下圖所示。就會發生接地環路，過程信號就會失真。

這些回路中，2. 丈量回路相互連接問題：如下圖所示。參考點要將因為接通多個信號回路而升高。

這種相互連接的丈量回路中，

特別是長距離或者干擾較大的工業環境中，3. 電磁干擾問題：這是比較罕見的干擾。很難防止感性和容性干擾在丈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：

     使過程環路中只有一個接地點，第一種方案是現場儀表不接地。但在實際應用中，這種方案往往難以實現，因為某些設備必需接地才干保證丈量精度或確保人身平安，某些設備可能因為臨時遭到腐蝕和磨損后或氣候影響而形成新的接地點。

但由于接地點的電阻受地質條件及氣候變化等眾多因素的影響，第二種方案是使兩接地點的電勢相同。這種方案通常是很難實現的

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，第三種方案是過程環路中使用信號隔離器。信號隔離器采用隔離技術。從而完全解決了上述問題。如下圖：

也可以用 DCS 隔離卡鍵或帶隔離能力的變送器實現信號隔離，

信號隔離器原理

信號隔離（變換）器從隔離方式上主要分為：變壓器隔離方式，目前。光電隔離方式和變壓器與光電聯合隔離方式等幾種。

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，信號隔離器至今已有 40 多年的歷史。特點是性能穩定，壽命長（比方：日本 M-SYSTEM 公司的 M2 系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，但電路復雜，制作工藝要求更高。

近些年來逐漸出現了利用光耦合器（ optic coupler 生產的光電式隔離器，隨著電子技術的發展。特點是性能穩定，抗干擾能力強，而且線路簡單，利息低廉，但相對于變壓器隔離方式壽命略短。

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，一些現場干擾較大。隔離能力、抗無限射頻和電磁干擾能力更強。比如日本 M-SYSTEM 公司生產的遠程數據采集系統 R5 系列的模擬量采集模塊就應用了變壓器和光電聯合隔離方式。

信號隔離器的原理圖如下：

隔離器實現了輸入對輸出對電源對地的四端三重隔離電路設計，

隔離器主要技術指標

這是衡量信號隔離器的主要參數之一。單位：伏特 @1 分鐘。指的輸入與輸出，1. 隔離強度：也叫隔離能力、耐壓強度或測試耐壓。輸入與電源，輸出與電源之間的耐壓能力。數值越大說明耐壓能力越好，隔離能力越強，濾波性能越高。一般的這種耐壓測試是通過一次性樣品的耐壓檢驗來確定的該測試過程中，將繼續若干分鐘地分別在輸入與輸出、輸入與電源、輸出與電源之間加載 50Hz 工頻電壓，以便得出器件同另一個電勢面之間不會發生擊穿的電壓數值。

市場上的信號隔離器的隔離強度分為 2000V@1 分鐘，目前。 1500V@1 分鐘， 1000V@1 分鐘， 500V@1 分鐘等幾個級別。比方：日本 M-SYSTEM 和美國 ACI 信號隔離器隔離強度為 2000V@1 分鐘；其他國外品牌能做到 1500V@1 分鐘；而目前國內的幾個品牌也能做到 1000V@1 分鐘，甚至 1500V@1 分鐘的隔離強度。

2. 精度：這是衡量一個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 等能做到 ± 0.1%

精度的變化情況。大多情況下用百分數表示 （ 也有用單位 250ppm/K 表示的如： M-SYSTEM 溫度系數為± 0.015%/ ℃ （相當于 150ppm/K 3. 溫度系數：表示隔離器等儀表在環境溫度發生變化時。

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。

信號隔離（變換）器的應用舉例

1. 隔離輸入 / 輸出信號

另一方面能有效地去除線路在傳輸過程中可能受到無限射頻和電磁干擾問題。 這是信號隔離器最主要的功能。信號隔離器一方面能解決接地環路和設備互聯時產生的地線參考點不同的問題。

兩臺現場設備（ 1# 和 2# 儀表）向 PLC/DCS 傳送模擬信號，

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，解決上述問題的最好方法就是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�，F場輸入設備與主控接收設備間不存在共 “ 地 ” 那么輸入信號不論是 0-10V 或是帶有哪怕 +10V 干擾的 10V-20V 信號，經過隔離器后均變為 0-10V 規范信號。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 系統的 8 通道模擬量輸入卡鍵后，溫度數據亂跳，根本無法控制，但在現場進行單點測試時又很穩定也很準確。又如某電廠化水處置工程中，當現場各種不同類型的壓力變送器信號接入 PLC 后，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，可是只要向 PLC 接入兩點以上的信號后，信號就發生跳變。這兩種情況在加了信號隔離器后，一切正常！

經常遇到將一個變送器信號接入兩個或兩個以上接收裝置的情況，實際應用中。若采用串聯環路，則環路中任一處開路都會造成整個環路上的儀表無信號，同時負載電阻之和很容易逾越變送器的負載能力，所以一般不采用這種方式。通常采用的方式是環路中串接一個電阻，再將負載并聯在電阻上以取得電壓信號，如串接一個 250 Ω電阻將 4-20mA 電流信號轉換成 1-5V 電壓信號。如下圖：

但卻存在以下缺乏：

加之存在接線端電阻以及電阻發熱引起阻抗升高等因素， ① 由于電阻自身難以達到高精度。所以電壓信號較難保證高精度；

而且， ② 通過串聯電阻取電壓信號方法是以假定接收設備的輸入阻抗無窮大為理想前提的所以接收設備的輸入阻抗肯定對信號的丈量發生誤差。并聯設備數目越多，誤差越大；

電阻的電壓降越大， ③ 導線越長。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；

所以該連接易受無限射頻 / 電磁干擾。 ④ 由于 RFI/EMI 無線射頻 / 電磁干擾）信號容易與電壓信號疊加。

可以解決以上各種問題，解決以上問題的理想方案就是使用信號（隔離）分配器！精度高、隔離能力強。以下圖為例：

兩輸出信號既可相同也可互異，

3. 防止電源抵觸

由于協調有利，有時現場儀表在配套時。發生了如下情況：接收設備（如某些 DCS 輸入卡鍵）信號接入端帶有 24V 電源（即我常說的兩線制接口）而現場為 4 線制變送器，輸出信號為有源信號，因此，來自于現場的 4 線制變送器輸出信號與來自于接收裝置的兩線制電源信號就會發生沖突。

通過信號輸出線由接收設備供電，解決的方法是接入輸出環路供電型隔離器。并將現場 4 線制變送器的有源信號經隔離后輸出給接收設備，這樣不只防止了電源抵觸，而且還對信號實行了隔離。如圖：

美國 ACI SBDY 系列等）具有向 2 線制變送器供電的功能，由此可以免去為變送器再配置電源的麻煩。并且也提供了信號隔離功能。如下圖： 4 線制外部供電型信號隔離器 , 又叫隔離配電器（如：日本 M-SYSTEM M5DY 系列。

5. 信號轉換并隔離

可接受如直流標準（或非標準）信號、熱電偶信號、熱電阻信號、電位計信號，上述介紹的所有隔離器都帶有信號轉換功能。甚至交流信號等，并可以輸出用戶需要的各種信號。