隔离变送器在工业仪表中的应用
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一、 引言 生产过程监视和控制要用到多种自动化仪表、计算机及相应执行机构。过程中的信号既有微弱到毫伏级的小信号,又有数十伏的大信号，甚至还有高达数千伏、数百安培的信号要处理。从频率上讲，有直流低频范围的，也有高频/脉冲尖峰。设备仪表间的互相干扰就成为系统调试中必须要解决的问题。除了电磁屏蔽之外，解决各种设备仪表的“地”，即信号参考点的电位差，将成为重要课题。因为不同设备、仪表的信号要互传互送，那就存在信号参考点问题。换句话说，要使信号完整传送，理想化的情况是所有设备仪表的信号有一个共同的参考点，即所有设备仪表信号的参考点之间电位差为“零”。但是在实际环境中，这一点几乎是不可能的，这里面除了各个设备仪表“地”之间的连线电阻产生的电压降之外，尚有各种设备仪表在不同环境受到的干扰不同，以及导线接点经受风吹雨淋导致接点质量下降等诸多因素，致使各个“地”之间有差别。 工业现场仪表在工业生产过程控制系统中，既需要监视前端传感器传递的电信号，同时也需要将处理后的信号传递给控制中心主机，为了信号传输的可靠与稳定，必须要考虑各信号端口的隔离处理，以消除仪表接入系统后的地电位差问题。 二、工业现场仪表的一般构成。 工业现场仪表应用于工业生产过程控制系统中，其作用是，采样现场传感器信号，根据预设定的算法，计算采样值获得实际现场被监视物理量的值，并将实际现场物理状况通过通信总线或者4~20mA电流信号输出到主控制中心。其一般的系统构成图如下图所示。 从上图可以看到，传感器信号输入到工业仪表，首先是EMC防护电路，因工业现场的电气环境复杂，存在强电设备(如大功率电机)、高频开关设备(如变频器)，这些设备在启停动作时会产生较大的浪涌及尖峰脉冲，这类的干扰包含比较大的能量，通过EMC防护器件，如压敏电阻、TVS管等器件吸收这类干扰，保护后级的电路不会因这类干扰造成损坏。传感器信号经EMC防护电路后输入到输入端的隔离放大器进行信号的隔离、调理，信号隔离能保证仪表内部电路与外部传感器形成地线阻断，消除共模干扰，从而消除地电位差引起的地线环流，一方面可以确保传感器信号的采样精度不受干扰的影响，一方面可以保护内部MCU系统不会因大的共模电压造成器件的损坏;信号调理，通过信号类型的转换及信号放大将传感器信号线性放大成满足ADC采样的信号类型及范围，保证调理后的信号范围和ADC信号输入范围匹配，从而保证ADC采样精度。MCU将经过ADC数字量化后的传感器信号进行数字运算，经过数字滤波，线性化运算等一系列的运算后获得现场物理量的实际状况，然后输出到显示面板，同时将获得的现场物理量值按照线性比例输出到DAC电路，DAC电路输出电压信号，要想形成4~20mA电流信号，还需要经过输出端的隔离放大器将电压信号隔离调理成4~20mA的电流信号输出。当然信号输出端也需要设计EMC防护电路。 工业智能仪表一般都带有通信接口，目前常见的有485通信接口，CAN通信接口，可以通过通信总线直接将现场物理量值以数字方式上传，同时还能通过总线接口完成如仪表参数设置、仪表运行状态查询、仪表的自校准等工作。485通信、CAN通信采用的都是差分信号通信，本身有较强的抗干扰能力，但通信接口IC能承受的共模输入电压范围都有限，尤其是485的接口IC，一般在-7V~ 12V之间，在较长距离的通信中，地电位差形成的共模干扰很容易造成通信接口IC的损坏，所以通信接口也必须进行隔离设计，以提高系统可靠性。 三、隔离变送器的应用。 针对工业现场仪表的模拟信号的输入输出端口的隔离调理设计，广州金升阳科技有限公司推出了专门的解决方案。 1、输入型隔离变送器TE_N系列。 输入型隔离变送器的原理框图如图2所示。该系列产品具有以下特点： l 内部自带隔离电源，无需外部DC/DC隔离电源，简化用户电源配置设计 ; l 多种信号类型的隔离转换 ; l 小体积：DIP封装(26*9.5*12.5mm)，超小的占板面积，可靠的焊接可靠性 ; l 高精度等级(0.1%F.S.) ; l 宽工作温度范围：- 40～ 85℃ ; l 调节功能：信号满度调节及零点调节。 输入型的隔离变送器产品针对模拟信号的输入端口设计，产品内部自带隔离电源，无需外部DC/DC隔离电源，产品的供电端与信号输出端共地，可以很方便的从MCU系统侧取电，简化了用户电源配置设计;TE_N产品具有很高的传输精度，出厂精度为0.1%FS，并且带有满度调节和零点调节引脚，当产品应用于系统中，系统中的其它部分的信号线性度需要调整时，可以很方便的通过TE_N产品满度调节和零点调节引脚实现;TE_N产品的小体积可以满足工业仪表小体积的需求，并且采用双列直插的引脚排布方式，有着良好的焊接可靠性及抗振性能;TE_N产品在信号输入侧还提供一组隔离电源输出，与信号输入端共地，当隔离变送器无法满足实际转换调理需求时，可以利用隔离电源搭建简单的信号调理电路，满足实际调理需求;TE_N系列产品可以提供工业常规信号(0~20mA、4~20mA、0~5V、0~10V)的相互隔离转换，还可以为客户的实际量程定制相应的输入输出量程范围，还可以提供常规的24V、15V、12V、5V等多种电源范围的产品。具有高精度、小体积、低功耗、低成本等特点。
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