[科普中国]-隔离器

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。

作用原理系统产生干扰的原因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。出现这种情况除了每个仪表、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响外，还有一个十分重要的因素就是由于仪表和设备之间的信号参考点之间存在电势差，因而形成“接地环路”造成信号传输过程中失真。因此，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。1

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。1

抗干扰1、供电系统的抗干扰设计 对传感器、仪器仪表正常工作危害最严重的是电网尖峰脉冲干扰，产生尖峰干扰的用电设备有：电焊机、大电机、可控机、继电接触器、带镇流器的充气照明灯等。尖峰干扰可用硬件、软件结合的办法来抑制。

干扰控制器

（1）用硬件线路抑制尖峰干扰的影响。常用办法主要有三种：①在仪器交流电源输入端串入按频谱均衡的原理设计的干扰控制器，将尖峰电压集中的能量分配到不同的频段上，从而减弱其破坏性；②在仪器交流电源输入端加超级隔离变压器，利用铁磁共振原理抑制尖峰脉冲；③在仪器交流电源的输入端并联压敏电阻，利用尖峰脉冲到来时电阻值减小以降低仪器从电源分得的电压，从而削弱干扰的影响。

（2）利用软件方法抑制尖峰干扰。对于周期性干扰，可以采用编程进行时间滤波，也就是用程序控制可控硅导通瞬间不采样，从而有效地消除干扰。

（3）采用硬、软件结合的看门狗（watchdog）技术抑制尖峰脉冲的影响。软件：在定时器定时到之前，CPU访问一次定时器，让定时器重新开始计时，正常程序运行，该定时器不会产生溢出脉冲，watchdog也就不会起作用。一旦尖峰干扰出现了“飞程序”，则CPU就不会在定时到之前访问定时器，因而定时信号就会出现，从而引起系统复位中断，保证智能仪器回到正常程序上来。

（4）实行电源分组供电，例如：将执行电机的驱动电源与控制电源分开，以防止设备间的干扰。

（5）采用噪声滤波器也可以有效地抑制交流伺服驱动器对其它设备的干扰。该措施对以上几种干扰现象都可以有效地抑制。

（6）采用隔离变压器。考虑到高频噪声通过变压器主要不是靠初、次级线圈的互感耦合，而是靠初、次级寄生电容耦合的，因此隔离变压器的初、次级之间均用屏蔽层隔离，减少其分布电容，以提高抵抗共模干扰能力。

（7）采用高抗干扰性能的电源，如利用频谱均衡法设计的高抗干扰电源。这种电源抵抗随机干扰非常有效，它能把高尖峰的扰动电压脉冲转换成低电压峰值（电压峰值小于TTL电平）的电压，但干扰脉冲的能量不变，从而可以提高传感器、仪器仪表的抗干扰能力。1

低功耗产品的功耗是各个功能单元功耗的总和，只有降低各个功能单元的功耗才能使得总得功耗降低，增加产品的热稳定性和寿命。隔离器主要在输入、输出、电源、隔离四个单元进行技术改进。

1、 输出单元模块的自适应负载技术

输出模块可以根据负载的大小动态调整输出模块的输出功率，从而减少自身的发热。传统的负载设计是根据额定负载的大小设计输出功率，当输出负载非常小时，多余的负载功率就耗散在仪表内部，从而时仪表自身发热。假设一台隔离器的输出负载设计为750欧姆，那么输出驱动功率一般设计为0.5W。如果在实际应用中此隔离器的负载使用在50欧姆的环境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率转换为仪表自身的发热。如果时多路输出将产生更多的热量，而降低输出模块的额定功率在实际应用中又难以应付市场的复杂状况。

2、隔离单元模块的低功耗改进

隔离单元是决定产品技术指标的重要单元。

隔离技术主要有磁隔离与光隔离两大类。隔离电路形式有直接调制耦合，反馈调制耦合等多种形式，具体采用什么形式要根据产品的技术指标而定。总的来讲可以大致分为开关量信号采用光隔离，模拟量信号采用磁隔离的方式。从技术复杂程度来看，磁隔离比光隔离处理技术复杂，采用磁隔离技术，设计者可以根据技术指标采用合适的设计方案，隔离的线性、精度可以根据产品的要求灵活控制。而光隔离的线性、精度只能依赖器件厂家提供的技术指标，设计人员可以调整的方式很少，也不可能超过厂家提供的技术指标。由于功耗大，光电隔离也不能实现无源隔离。磁隔离模式有电流互感模式、电流互感反馈模式、电压互感模式、电压互感反馈模式、电流互感功率补偿模式等，电流互感功率补偿模式是相对来说功耗最低的模式。

3、电源模块

电源的技术指标是基础，决定产品的性能。流行的电源拓扑形式虽然非常多，也很成熟。2

优越性在各个过程环路中使用信号隔离办法可以用DCS或PLC等隔离卡件或者现场带隔离的变送器（部分设备可以做到），也可以使用信号隔离器来实现。比较起来，用信号隔离器有以下优点：

● 绝大部分情况，采用信号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜。

● 信号隔离器比隔离卡件在隔离能力、抗电磁干扰等方面性能更加优越。

● 信号隔离器应用灵活，而且它还有型号转换和 信号分配功能，使用起来更加方便。

● 信号隔离器通常有单通道、双通道、一入二出等通道形式，通道间相互完全独立，构成系统的配置、日常维护更加方便。

智能隔离器的说明：

SKGL型智能隔离器是将输入单路或双路的电流或电压信号，变送输出隔离的单路或双路线性的电流或电压信号，并提高输入、输出、电源之间的电气隔离性能。2

供电方式隔离器常见的供电方式有独立供电、回路供电和输出回路供电。

独立供电的隔离器：

需要配备独立20~35VDC的直流电源。这种方式的优点是隔离传输精度高；电源、输入、输出之间完全隔离，多路系统供电电源不需隔离，可保证高抗干扰性能，输入信号可以变换为其它类型的型号。

回路供电的隔离器：

在实际工业监控系统中，DCS、PLC或其他显示仪表具有卡件内部供电的使用越来越广泛。回路供电型隔离器又往往不能满足这些卡件对信号隔离传输精度要求高和二线制变送器配电电压要求高的条件。因此，输出回路供电型的隔离器既保留了独立供电型隔离器的优越性能，又满足输出回路供电接口的要求。2

技术参数系统传输准确度：±0.2%×F·S

温度漂移：≤0.005%F·S/℃

工作温度：工业级标准 -10～+55℃

输入阻抗：电流：100Ω；电压：500KV

电流输出允许外接的负载阻抗：4-20mA输出时0～500Ω；0-10mA输出时0～1KΩ

电磁兼容：符合IEC61000-4-4：1995中所规定的第四类（恶劣工业现场）环境对产品的抗电磁干扰要求

输入/输出/电源/通讯/双路间绝缘强度：≥1500AAC

储运环境温度：-40～+80℃

相对湿度：10-90%RH（40℃时）

供电电源：交流： AC 95～265V

直流：DC12V～32V（反接保护）

输入功率：0.9～1.8W（与型号有关，详见本手册附录中关于输入功率的计算方法）

通讯接口：RS232 或 RS485，MODBUS软件协议（选配）。

外形尺寸：宽×高×深：22.5×100×115mm2

产品选购在隔离器选型时除了要确定隔离器的功能、适应前后端接口外，还有精度、输出纹波、温度漂移、功耗、响应时间等许多参数需要用户谨慎选择。

精度隔离器的精度是非常重要的参数，精度的高低直接关系到隔离器能否正常使用。隔离器的精度体现了隔离器的设计、制造水平。用户在选用时应该选用精度高的产品。

输出纹波对隔离器精度产生影响的参数还有输出纹波。输出纹波的产生是由于隔离器使用DC/DC电路对隔离器的工作电源进行隔离给隔离器内部电路供电，输入信号也要先使用DC/DC电路调制成交流信号然后经过隔离部分电路进行信号隔离，隔离后的信号经解调后再转换成直流信号输出。以CPU为核心的隔离器也存在脉冲信号。隔离器内部存在的这种高频的交流分量，就是产生输出纹波的原因。这些高频的交流分量它们的频率一般都有几百KHZ、谐波较多，对信号的污染很难完全清除。如果输出纹波较高，控制系统模拟量输入模板采集到信号的误差就大，对于高速输入的模拟量输入模板更是如此。所以选择隔离器时应要求输出纹波的峰-峰值越小越好。顺连电子的各种系列隔离器均采用高效的滤波电路，较好的抑制了输出纹波。用户在选用时应该选用纹波小的产品。2

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，帕罗肯隔离器产品进行了低功耗、微功耗设计，使得隔离器工作时本身的发热量很小甚至于不发热，这样就能防止因产品工作时发热引起所使用元器件的性能指标下降，防止造成温度漂移。用户在选用时应该选用温度漂移小的产品。2

低功耗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。隔离器的电路设计上采用了新技术是：输出部分可以根据负载的大小动态调整输出功率的自适应负载技术；隔离部分的电流互感功率补偿技术；电源部分的参数式开关稳压电源技术。我们公司隔离器的功耗只有世界一流品牌产品功耗的一半以下。
若产品的功耗大，在产品工作时产生的热量就大，造成产品壳体内的温度高。组成产品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。这些问题将使产品性能下降，甚至导致产品故障、失效。
没有低功耗设计的保证，产品就不可能做到隔离器的超薄型、小型化、端子化。我们公司推出了国内最薄的低功耗MZ系列产品、微功耗的MZ二线制系列产品和无源系列产品。国内的主流产品厚度一般都在20mm～30mm之间，国外最新产品的厚度为6.0mm。为了节约控制系统的控制柜、电源、接线端子、连接线和人工成本等工程费用，用户在选用时应该选用低功耗的产品。2

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。2

技术发展随着科技的发展，隔离端子的设计日趋小型化，而小型化的目的就是少占空间。当然应该允许用户密集安装，密集安装则存在散热问题，那么必须降低内部功耗。因此内部功耗的数值在选用时也应注意。

而针对变送器的隔离还有另一种方式，传感器和变送器为一体而又必须放置在现场指定地点。一般把隔离端子安置在中央控制室机柜中，由机柜中的隔离端子为现场变送器配送电源，使用哪一种要根据PLC接口情况决定。现场调试也许会出现仪表和PLC接口不匹配，发送设备为四线制变送器输出4～20mA，而接收端4～20mA的接口为二线回路供电方式，若直接连接将造成电源冲突。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所