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(1)地环流干扰
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,他们之间的号传输既有弱到毫伏级、毫安级的小号;又有几十伏,数千伏、数百安培的大号;既有低频直流号,也有高频脉冲号等等,构成系统后往往发现在仪表和设备之间传输相互干扰,造成系统不稳定甚至误操作,出现这种情况除了每个仪器、设备本身的性能原因如抗电磁干扰影响,还有一个十分重要的原因就是各种仪器设备根据要求和目的都需要接地,例如为了,机壳需要接大地;为了使电路正常工作,系统需要有公共参考点;为了抑制干扰加屏蔽罩,屏蔽罩也需要接地,但是由于仪表和设备之间的参考点之间存在电势差(也就是各设备的共地点不同)因而形成“地环流”、“接地环流”问题是在系统处理号过程中必须解决的问题。
(2)自然干扰
雷电是一种主要的自然干扰源,雷电产生的干扰可以传输到数千公里以外的地方。雷电干扰的时域波形是叠加在一串随机脉冲背景上的一个大尖峰脉冲。宇宙噪音是电离辐射产生的,在一天中不断变化。太阳噪音则随着太阳活动情况的剧烈变化。自然界噪声主要会对通讯产生干扰,而雷电能量尖蜂脉冲可以对很多设备造成损坏,应该加以避免或降低损坏程度,减少损失。
(3)人为干扰
电磁干扰产生的根本原因是导体中有电压或电流的变化,即较大dv/dt或di/dt.dv/dt或di/dt能够使导体产生电磁波辐射。一方面,人们可以利用这一特点实现特定功能,例如,无限通、雷达或其他功能,另一方面,电子设备在工作时,由于导体中的dv/dt或di/dt会产生伴随电磁辐射。无论主观上出于什么目的,客观上对电磁环境造成了污染。还有工厂企业在生产过程中会经常有一些大型的设备(电机、 变频器 )频繁开关,他们也会造成一些容性、感性的干扰,也将影响仪器仪表正常显示或采集。凡是有电压电流突变的场合,肯定会有电磁干扰存在。数字脉冲电路就是一种典型的干扰源,随着电子技术的广泛应用,电磁污染情况会越来越严重.
优越性
在各个过程环路中使用号隔离器办法可以用DCS或 PLC 等隔离卡件或者现场带的隔离的变送器(部分设备可以做到),也可以用号隔离器来实现。比较起来,用号隔离器有以下优点:
·绝大部分情况,采用号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜
·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
·号隔离器应用灵活,而且它还有号转换和号分配及接口转换等功能,使用起来更加方便
·号隔离器通常有单通道、双通道、通道间相互完全独立、构成系统的配置、日常维护更加方便。
操作原则
经典案例可以说明号隔离的重要性:某大型公司的生产线调试中。控制系统的号输入板有八个通道,八个通道共用一个A/D转换器,经过变换后,由光电耦合元件实现与主机电路的隔离。但它的八个通道输入之间并没有隔离,八个通道输入号每个单独接入控制系统均正常,接入多于两个外部号时,控制系统显示数字乱跳,故障无法排除。
又如某锅炉控制系统检测锅炉各点温度,使用K分度热电偶作为传感器,同上述相似,仅检测一点均正常,但是向控制系统接入两点以上热电偶时,控制系统显示的温度明显错误。
原因如下:两个现场仪表(A,B)向控制系统传送号以及控制系统向两台现场仪表发出号。假定传送的均为1~5VDC号。理想情况,控制系统及两个现场仪表“地”电位完全相等,传送过程中又没有其他干扰,从控制系统输入来看,接收的号正确。但实际上现场仪表不可能做到地电位完全相等,通常存在“地”电位差,若A仪表“地”与控制系统"地"同电位,B仪表比它们的“地”电位高0.1V,A仪表传送给控制系统的号为1~5VDC,而B仪表传送给控制系统的号则为1.1~5.1VDC,这样控制系统的误差就产生了。同时A、B仪表的“地”线在控制系统处汇合联接。将0.1V电压加在控制系统的地线上,有可能损坏控制系统的局部器件,同时在控制系统上显示错误数据。由此引起了上述现场调试中出现的问题,这两种情况在接入隔离器后均完全正常。
隔离器之所以能起到这个作用,就是它具有使输入/输出/电源在电气上完全隔离的功能,即在输入/输出/电源之间没有公共的“地”。输入号无论是否受到接“地”的干扰,经隔离处理后的输出号“地”与现场仪表“地”完全隔离没关系。正是由于这个原因,实现了输入到控制系统输入板的多个现场仪表号之间隔离,了这些号之间“地”的联系。
由于隔离器的工作电源是为隔离器的输入、输出两部份同时供电,要保证隔离器输入/输出号隔离,也必须确保隔离器的工作电源在电气上与这两个部分完全隔离。这种输入/输出/电源之间相互隔离的隔离器常称为三隔离或全隔离隔离器。 这种供电方式,在供电电源功率许可的情况下无论隔离器数量多少,均可使用一台电源供电,不会产生相互干扰。若隔离器的工作电源没有与隔离器的输入/输出部分隔离,严格地说隔离器的输入/输出号也没有被隔离,因为隔离器的输入/输出号“地”可以通过工作电源连接到一起。
以上叙述了号输入的隔离情况,同样在控制系统向现场仪表传输号时也存在类似的问题。采用三隔离隔离器就可以解决这样的问题。
隔离方式
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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。
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号采用光隔离,模拟量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。
优越性
在各个过程环路中使用号隔离办法可以用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),也可以使用号隔离器来实现。比较起来,用号隔离器有以下优点:
● 绝大部分情况,采用号隔离器+非隔离卡件比采用隔离卡件便宜。
● 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。
● 号隔离器应用灵活,而且它还有型号转换和 号分配功能,使用起来更加方便。
● 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。
2 仪器结构与测温原理
2·1 测量原理
如图1所示,反射镜与探测器对称地置于待测表面法线的两侧。当反射镜不起作用时,探测器接收到的辐射能P1为
式中:D为光瞳口径,f′为光学接收系统的焦距,τ0为大气的传播系数,A为探测器的灵敏元面积,η为调制盘的调制系数,ελ为温度为T的待测目标在波长λ处的发射率,Lλ为温度为T的黑体在波长λ处的辐射出射度,τλ为光学系统对波长为λ的光的总透过率。
当反射镜起作用时,反射镜将红外辐射反射回待测区域的单色辐射能为
并结合式(1)或式(2),即可求出待测表面的温度。式(6)中,h为Planck常数,k为Boltzmann常数,c为光速。
2·2 仪器结构
该仪器主要由光学接收系统、号放大与处理系统及显示系统三部分组成。工作时,接收镜头接收到的光号(P1、P2),经窄带干涉滤光片滤光后,再经由PIN硅光电二极管构成的光电转换系统转换成电号。该号经前置放大、选频放大、脉宽压缩、模-数转换后送入8031单片机系统进行数据处理,计算出待测表面的发射率及温度。
电路中所需的各种触发与同步号,均由同步光电系统产生:透过调制盘上镶嵌的同步滤光片的光号,先经光电转换系统转变成电号,再经整形放大后送入8031单片机,适当延时后分别去触发、同步各个需要触发和同步的号。
调制盘的结构简图见图2。其中1、2、4号窗口贴的是波长为0·80μm的窄带干涉滤光片(带宽20nm)。3号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片,带宽约0·1μm(无严格要求)。5、6号窗口贴的是波长为1·00μm的滤光片(带宽也无严格要求)。调制盘的转速为1 200 r/min。
调制盘的具体调制情况如下:(1)当待测表面的光辐射透过3号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过3号滤光片回到待测区域时,1号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜不起作用。这是因为透过3号滤光片后又回到待测区域的光的中心波长为1·00μm,带宽约0·1μm。而1号窗口只能通过中心波长为0·80μm、带宽仅20 nm的光,因此探测器接收到的仅是“直射”能(P1);此时,由5号窗口透过的光辐射形成触发、同步号;(2)当待测表面的光辐射透过4号窗口到达反射镜、并由反射镜反射后再次穿过4号窗口回到待测区域时,2号窗口正对探测器。对于这种情况,反射镜起作用。探测器接收到的是“直射”能与“反射”能之和(P2);此时,由6号窗口透过的光辐射形成触发、同步号;(3)当待测表面的光辐射透过1号窗口到达反射镜时,3号窗口正对探测器。情况与(1)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为1·00μm的光辐射。后续电路虽对该号进行放大处理,但因模-数转换电路没有触发号和同步号,因此不对其进行模-数转换;(4)当待测表面的光辐射透过2号窗口到达反射镜时,4号窗口正对探测器。情况与(3)类似,不同的只是探测器接收到的是波长为0·80μm的光辐射。后续电路虽对该号进行放大处理,但同样因模-数转换电路没有触发号和同步号,故不对其进行模-数转换。
【图】信号隔离器批发_盾开电气(深圳市坂田街道分公司),联系人:郑科,浙江省温州市乐清经济技术开发区。