隔離變送器在工業儀表中的應用
摘要：工業生產過程自動化系統中，存在多種類型的電氣干擾，工業現場儀表在設計上要考慮各電氣端口的干擾處理，這里針對工業儀表的模擬信號輸入輸出端口的信號抗干擾處理推薦了隔離變送器的解決方案，針對工業儀表的通信總線接口的抗干擾處理推薦了總線隔離收發器的解決方案。
引言
生產過程監視和控制要用到多種自動化儀表、計算機及相應執行機構。過程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號,又有數十伏的大信號，甚至還有高達數千伏、數百安培的信號要處理。從頻率上講，有直流低頻范圍的，也有高頻/脈沖尖峰。設備儀表間的互相干擾就成為系統調試中必須要解決的問題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設備儀表的“地”，即信號參考點的電位差，將成為重要課題。因為不同設備、儀表的信號要互傳互送，那就存在信號參考點問題。換句話說，要使信號完整傳送，理想化的情況是所有設備儀表的信號有一個共同的參考點，即所有設備儀表信號的參考點之間電位差為“零”。但是在實際環境中，這一點幾乎是不可能的，這里面除了各個設備儀表“地”之間的連線電阻產生的電壓降之外，尚有各種設備儀表在不同環境受到的干擾不同，以及導線接點經受風吹雨淋導致接點質量下降等諸多因素，致使各個“地”之間有差別。
工業現場儀表在工業生產過程控制系統中，既需要監視前端傳感器傳遞的電信號，同時也需要將處理后的信號傳遞給控制中心主機，為了信號傳輸的可靠與穩定，必須要考慮各信號端口的隔離處理，以消除儀表接入系統后的地電位差問題。
二、工業現場儀表的一般構成。
工業現場儀表應用于工業生產過程控制系統中，其作用是，采樣現場傳感器信號，根據預設定的算法，計算采樣值獲得實際現場被監視物理量的值，并將實際現場物理狀況通過通信總線或者4~20mA電流信號輸出到主控制中心。其一般的系統構成圖如下圖所示。
圖1
從上圖可以看到，傳感器信號輸入到工業儀表，首先是EMC防護電路，因工業現場的電氣環境復雜，存在強電設備（如大功率電機）、高頻開關設備（如變頻器），這些設備在啟停動作時會產生較大的浪涌及尖峰脈沖，這類的干擾包含比較大的能量，通過EMC防護器件，如壓敏電阻、TVS管等器件吸收這類干擾，保護后級的電路不會因這類干擾造成損壞。傳感器信號經EMC防護電路后輸入到輸入端的隔離放大器進行信號的隔離、調理，信號隔離能保證儀表內部電路與外部傳感器形成地線阻斷，消除共模干擾，從而消除地電位差引起的地線環流，一方面可以確保傳感器信號的采樣精度不受干擾的影響，一方面可以保護內部MCU系統不會因大的共模電壓造成器件的損壞；信號調理，通過信號類型的轉換及信號放大將傳感器信號線性放大成滿足ADC采樣的信號類型及范圍，保證調理后的信號范圍和ADC信號輸入范圍匹配，從而保證ADC采樣精度。MCU將經過ADC數字量化后的傳感器信號進行數字運算，經過數字濾波，線性化運算等一系列的運算后獲得現場物理量的實際狀況，然后輸出到顯示面板，同時將獲得的現場物理量值按照線性比例輸出到DAC電路，DAC電路輸出電壓信號，要想形成4~20mA電流信號，還需要經過輸出端的隔離放大器將電壓信號隔離調理成4~20mA的電流信號輸出。當然信號輸出端也需要設計EMC防護電路。
工業智能儀表一般都帶有通信接口，目前常見的有485通信接口，CAN通信接口，可以通過通信總線直接將現場物理量值以數字方式上傳，同時還能通過總線接口完成如儀表參數設置、儀表運行狀態查詢、儀表的自校準等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信號通信，本身有較強的抗干擾能力，但通信接口IC能承受的共模輸入電壓范圍都有限，尤其是485的接口IC，一般在-7V~+12V之間，在較長距離的通信中，地電位差形成的共模干擾很容易造成通信接口IC的損壞，所以通信接口也必須進行隔離設計，以提高系統可靠性。
三、隔離變送器的應用。
針對工業現場儀表的模擬信號的輸入輸出端口的隔離調理設計，廣州金升陽科技有限公司推出了專門的解決方案。 
1、輸入型隔離變送器TE_N系列。
輸入型隔離變送器的原理框圖如圖2所示。該系列產品具有以下特點：
內部自帶隔離電源，無需外部DC/DC隔離電源，簡化用戶電源配置設計 ；
多種信號類型的隔離轉換 ；
小體積：DIP封裝（26*9.5*12.5mm），超小的占板面積，可靠的焊接可靠性 ；
高精度等級（0.1%F.S.） ；
寬工作溫度范圍：- 40～+85℃ ；
調節功能：信號滿度調節及零點調節。
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