隔離器

隔離器是一種採用線性光耦隔離原理，將輸入信號進行轉換輸出。輸入，輸出和工作電源三者相互隔離，特別適合與需要電隔離的設備儀表配用。隔離器又名信號隔離器，是工業控制系統中重要組成部分。

基本介紹

• 中文名：隔離器
• 外文名：isolater
• 又名：信號隔離器
• 安裝方式：導軌安裝
• 測量精度：0.2%
• 工作溫度：0~50攝氏度

作用原理

系統產生干擾的原因

在工業生產過程中實現監視和控制需要用到各種自動化儀表、控制系統和執行機構，它們之間的信號傳輸既有微弱到毫伏級、微安級的小信號，又有幾十伏，甚至數千伏、數百安培的大信號；既有低頻直流信號，也有高頻脈衝信號等等，構成系統後往往發現在儀表和設備之間信號傳輸互相干擾，造成系統不穩定甚至誤操作。出現這種情況除了每個儀表、設備本身的性能原因如抗電磁干擾影響外，還有一個十分重要的因素就是由於儀表和設備之間的信號參考點之間存在電勢差，因而形成“接地環路”造成信號傳輸過程中失真。因此，要保證系統穩定和可靠的運行，“接地環路”問題是在系統信號處理過程中必須解決的問題。

解決“接地環路”的方法

根據理論和實踐分析，有三種解決方案：

第一種方案：所有現場設備不接地，使所有過程環路只有一個接地點，不能形成迴路，這種方法看似簡單，但在實際套用中往往很難實現，因為某些設備要求必須接地才能保證測量精度或確保人身安全，某些設備可能因為長期遭到腐蝕和磨損後或氣候影響而形成新的接地點。

第二種方案：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，這種方案其實在實際中無法完全做到。

第三種方案：在各個過程環路中使用信號隔離方法，斷開過程環路，同時又不影響過程信號的正常傳輸，從而徹底解決接地環路問題。

抗干擾

1、供電系統的抗干擾設計　對感測器、儀器儀表正常工作危害最嚴重的是電網尖峰脈衝干擾，產生尖峰干擾的用電設備有：電焊機、大電機、可控機、繼電接觸器、帶鎮流器的充氣照明燈等。尖峰干擾可用硬體、軟體結合的辦法來抑制。

干擾控制器

（1）用硬體線路抑制尖峰干擾的影響。常用辦法主要有三種：①在儀器交流電源輸入端串入按頻譜均衡的原理設計的干擾控制器，將尖峰電壓集中的能量分配到不同的頻段上，從而減弱其破壞性；②在儀器交流電源輸入端加超級隔離變壓器，利用鐵磁共振原理抑制尖峰脈衝；③在儀器交流電源的輸入端並聯壓敏電阻，利用尖峰脈衝到來時電阻值減小以降低儀器從電源分得的電壓，從而削弱干擾的影響。

（2）利用軟體方法抑制尖峰干擾。對於周期性干擾，可以採用編程進行時間濾波，也就是用程式控制可控矽導通瞬間不採樣，從而有效地消除干擾。

（3）採用硬、軟體結合的看門狗（watchdog）技術抑制尖峰脈衝的影響。軟體：在定時器定時到之前，CPU訪問一次定時器，讓定時器重新開始計時，正常程式運行，該定時器不會產生溢出脈衝，watchdog也就不會起作用。一旦尖峰干擾出現了“飛程式”，則CPU就不會在定時到之前訪問定時器，因而定時信號就會出現，從而引起系統復位中斷，保證智慧型儀器回到正常程式上來。

（4）實行電源分組供電，例如：將執行電機的驅動電源與控制電源分開，以防止設備間的干擾。

（5）採用噪聲濾波器也可以有效地抑制交流伺服驅動器對其它設備的干擾。該措施對以上幾種干擾現象都可以有效地抑制。

（6）採用隔離變壓器。考慮到高頻噪聲通過變壓器主要不是靠初、次級線圈的互感耦合，而是靠初、次級寄生電容耦合的，因此隔離變壓器的初、次級之間均用禁止層隔離，減少其分布電容，以提高抵抗共模干擾能力。

（7）採用高抗干擾性能的電源，如利用頻譜均衡法設計的高抗干擾電源。這種電源抵抗隨機干擾非常有效，它能把高尖峰的擾動電壓脈衝轉換成低電壓峰值（電壓峰值小於TTL電平）的電壓，但干擾脈衝的能量不變，從而可以提高感測器、儀器儀表的抗干擾能力。

低功耗

產品的功耗是各個功能單元功耗的總和，只有降低各個功能單元的功耗才能使得總得功耗降低，增加產品的熱穩定性和壽命。隔離器主要在輸入、輸出、電源、隔離四個單元進行技術改進。

1、 輸出單元模組的自適應負載技術

輸出模組可以根據負載的大小動態調整輸出模組的輸出功率，從而減少自身的發熱。傳統的負載設計是根據額定負載的大小設計輸出功率，當輸出負載非常小時，多餘的負載功率就耗散在儀表內部，從而時儀表自身發熱。假設一台隔離器的輸出負載設計為750歐姆，那么輸出驅動功率一般設計為0.5W。如果在實際套用中此隔離器的負載使用在50歐姆的環境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率轉換為儀表自身的發熱。如果時多路輸出將產生更多的熱量，而降低輸出模組的額定功率在實際套用中又難以應付市場的複雜狀況。

2、隔離單元模組的低功耗改進

隔離單元是決定產品技術指標的重要單元。

隔離技術主要有磁隔離與光隔離兩大類。隔離電路形式有直接調製耦合，反饋調製耦合等多種形式，具體採用什麼形式要根據產品的技術指標而定。總的來講可以大致分為開關量信號採用光隔離，模擬量信號採用磁隔離的方式。從技術複雜程度來看，磁隔離比光隔離處理技術複雜，採用磁隔離技術，設計者可以根據技術指標採用合適的設計方案，隔離的線性、精度可以根據產品的要求靈活控制。而光隔離的線性、精度只能依賴器件廠家提供的技術指標，設計人員可以調整的方式很少，也不可能超過廠家提供的技術指標。由於功耗大，光電隔離也不能實現無源隔離。磁隔離模式有電流互感模式、電流互感反饋模式、電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補償模式等，電流互感功率補償模式是相對來說功耗最低的模式。

3、電源模組

電源的技術指標是基礎，決定產品的性能。流行的電源拓撲形式雖然非常多，也很成熟。

優越性

在各個過程環路中使用信號隔離辦法可以用DCS或PLC等隔離卡件或者現場帶隔離的變送器（部分設備可以做到），也可以使用信號隔離器來實現。比較起來，用信號隔離器有以下優點：

● 絕大部分情況，採用信號隔離器+非隔離卡件比採用隔離卡件便宜。

● 信號隔離器比隔離卡件在隔離能力、抗電磁干擾等方面性能更加優越。

● 信號隔離器套用靈活，而且它還有型號轉換和 信號分配功能，使用起來更加方便。

● 信號隔離器通常有單通道、雙通道、一入二出等通道形式，通道間相互完全獨立，構成系統的配置、日常維護更加方便。

智慧型隔離器的說明：

SKGL型智慧型隔離器是將輸入單路或雙路的電流或電壓信號，變送輸出隔離的單路或雙路線性的電流或電壓信號，並提高輸入、輸出、電源之間的電氣隔離性能。

供電方式

隔離器常見的供電方式有獨立供電、迴路供電和輸出迴路供電。

獨立供電的隔離器：

需要配備獨立20~35VDC的直流電源。這種方式的優點是隔離傳輸精度高；電源、輸入、輸出之間完全隔離，多路系統供電電源不需隔離，可保證高抗干擾性能，輸入信號可以變換為其它類型的型號。

迴路供電的隔離器：

在實際工業監控系統中，DCS、PLC或其他顯示儀表具有卡件內部供電的使用越來越廣泛。迴路供電型隔離器又往往不能滿足這些卡件對信號隔離傳輸精度要求高和二線制變送器配電電壓要求高的條件。因此，輸出迴路供電型的隔離器既保留了獨立供電型隔離器的優越性能，又滿足輸出迴路供電接口的要求。

技術參數

系統傳輸準確度：±0.2%×F·S

溫度漂移：≤0.005%F·S/℃

工作溫度：工業級標準 -10～+55℃

輸入阻抗：電流：100Ω；電壓：500KV

電流輸出允許外接的負載阻抗：4-20mA輸出時0～500Ω；0-10mA輸出時0～1KΩ

電磁兼容：符合IEC61000-4-4：1995中所規定的第四類（惡劣工業現場）環境對產品的抗電磁干擾要求

輸入/輸出/電源/通訊/雙路間絕緣強度：≥1500AAC

儲運環境溫度：-40～+80℃

相對濕度：10-90%RH（40℃時）

供電電源：交流： AC 95～265V

直流：DC12V～32V（反接保護）

輸入功率：0.9～1.8W（與型號有關，詳見本手冊附錄中關於輸入功率的計算方法）

通訊接口：RS232 或 RS485，MODBUS軟體協定（選配）。

外形尺寸：寬×高×深：22.5×100×115mm

產品選購

在隔離器選型時除了要確定隔離器的功能、適應前後端接口外，還有精度、輸出紋波、溫度漂移、功耗、回響時間等許多參數需要用戶謹慎選擇。

隔離器

精度

隔離器的精度是非常重要的參數，精度的高低直接關係到隔離器能否正常使用。隔離器的精度體現了隔離器的設計、製造水平。用戶在選用時應該選用精度高的產品。

輸出紋波

對隔離器精度產生影響的參數還有輸出紋波。輸出紋波的產生是由於隔離器使用DC/DC電路對隔離器的工作電源進行隔離給隔離器內部電路供電，輸入信號也要先使用DC/DC電路調製成交流信號然後經過隔離部分電路進行信號隔離，隔離後的信號經解調後再轉換成直流信號輸出。以CPU為核心的隔離器也存在脈衝信號。隔離器內部存在的這種高頻的交流分量，就是產生輸出紋波的原因。這些高頻的交流分量它們的頻率一般都有幾百KHZ、諧波較多，對信號的污染很難完全清除。如果輸出紋波較高，控制系統模擬量輸入模板採集到信號的誤差就大，對於高速輸入的模擬量輸入模板更是如此。所以選擇隔離器時應要求輸出紋波的峰-峰值越小越好。順連電子的各種系列隔離器均採用高效的濾波電路，較好的抑制了輸出紋波。用戶在選用時應該選用紋波小的產品。

溫度漂移

溫度漂移是由於隔離器工作時產生熱量，導致隔離器內所使用的電子元器件性能指標下降造成隔離器的輸出值發生變化。選擇隔離器時應要求溫度漂移的值越小越好。為了防止溫度漂移，帕羅肯隔離器產品進行了低功耗、微功耗設計，使得隔離器工作時本身的發熱量很小甚至於不發熱，這樣就能防止因產品工作時發熱引起所使用元器件的性能指標下降，防止造成溫度漂移。用戶在選用時應該選用溫度漂移小的產品。

低功耗

功耗是指隔離器工作時所消耗的電能。它涉及到產品在工作時的發熱量，這個參數與隔離器的使用壽命、可靠性和隔離器的外形、安裝方式都有密切的關係。在選用隔離器時應選擇功耗低的產品。隔離器的電路設計上採用了新技術是：輸出部分可以根據負載的大小動態調整輸出功率的自適應負載技術；隔離部分的電流互感功率補償技術；電源部分的參數式開關穩壓電源技術。我們公司隔離器的功耗只有世界一流品牌產品功耗的一半以下。
若產品的功耗大，在產品工作時產生的熱量就大，造成產品殼體內的溫度高。組成產品的電子元器件長期的處於高溫環境下，會導致運算放大器參數蛻變﹑電阻阻值變化﹑電容漏電增大等。這些問題將使產品性能下降，甚至導致產品故障、失效。
沒有低功耗設計的保證，產品就不可能做到隔離器的超薄型、小型化、端子化。我們公司推出了國內最薄的低功耗MZ系列產品、微功耗的MZ二線制系列產品和無源系列產品。國內的主流產品厚度一般都在20mm～30mm之間，國外最新產品的厚度為6.0mm。為了節約控制系統的控制櫃、電源、接線端子、連線線和人工成本等工程費用，用戶在選用時應該選用低功耗的產品。

回響時間

回響時間是指產品的輸入量發生變化到產品的輸出量正確的將變化量反映的輸出上的時間。回響時間越短，就能夠越真實的正確反映出輸入量的變化，有效的監視和控制生產過程。在選擇隔離器時回響時間要求越短越好。用戶在選用時應該選用回響時間小的產品。

技術發展

隨著科技的發展，隔離端子的設計日趨小型化，而小型化的目的就是少占空間。當然應該允許用戶密集安裝，密集安裝則存在散熱問題，那么必須降低內部功耗。因此內部功耗的數值在選用時也應注意。

而針對變送器的隔離還有另一種方式，感測器和變送器為一體而又必須放置在現場指定地點。一般把隔離端子安置在中央控制室機櫃中，由機櫃中的隔離端子為現場變送器配送電源，使用哪一種要根據PLC接口情況決定。現場調試也許會出現儀表和PLC接口不匹配，傳送設備為四線制變送器輸出4～20mA，而接收端4～20mA的接口為二線迴路供電方式，若直接連線將造成電源衝突。