工業(yè)儀表中的構(gòu)成和隔離變送器的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)中存在多種類型的電氣干擾，工業(yè)現(xiàn)場儀表在設(shè)計上要考慮各電氣端口的干擾處理，這里針對工業(yè)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(yè)儀表的通信總線接口的抗干擾處理推薦了總線隔離收發(fā)器的解決方案。

生產(chǎn)過程監(jiān)視和控制要用到多種自動化儀表、計算機及相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)。過程中的信號既有微弱到毫伏級的小信號，又有數(shù)十伏的大信號，甚至還有高達數(shù)千伏、數(shù)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(shè)備儀表間的互相干擾就成為系統(tǒng)調(diào)試中必須要解決的問題。除了電磁屏蔽之外，解決各種設(shè)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(shè)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(shè)備儀表的信號有一個共同的參考點，即所有設(shè)備儀表信號的參考點之間電位差為“零”。但是在實際環(huán)境中，這一點幾乎是不可能的，這里面除了各個設(shè)備儀表“地”之間的連線電阻產(chǎn)生的電壓降之外，尚有各種設(shè)備儀表在不同環(huán)境受到的干擾不同，以及導(dǎo)線接點經(jīng)受風(fēng)吹雨淋導(dǎo)致接點質(zhì)量下降等諸多因素，致使各個“地”之間有差別。

工業(yè)現(xiàn)場儀表在工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，既需要監(jiān)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?shù)目煽颗c穩(wěn)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(tǒng)后的地電位差問題。

工業(yè)現(xiàn)場儀表應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，其作用是，采樣現(xiàn)場傳感器信號，根據(jù)預(yù)設(shè)定的算法，計算采樣值獲得實際現(xiàn)場被監(jiān)視物理量的值，并將實際現(xiàn)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(tǒng)構(gòu)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(yè)儀表，首先是EMC防護電路，因工業(yè)現(xiàn)場的電氣環(huán)境復(fù)雜，存在強電設(shè)備（如大功率電機）、高頻開關(guān)設(shè)備（如變頻器），這些設(shè)備在啟停動作時會產(chǎn)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(jīng)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(diào)理，信號隔離能保證儀表內(nèi)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(huán)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(nèi)部MCU系統(tǒng)不會因大的共模電壓造成器件的損壞；信號調(diào)理，通過信號類型的轉(zhuǎn)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(diào)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(jīng)過ADC數(shù)字量化后的傳感器信號進行數(shù)字運算，經(jīng)過數(shù)字濾波，線性化運算等一系列的運算后獲得現(xiàn)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(xiàn)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(jīng)過輸出端的隔離放大器將電壓信號隔離調(diào)理成4~20mA的電流信號輸出。當(dāng)然信號輸出端也需要設(shè)計EMC防護電路。

工業(yè)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(xiàn)場物理量值以數(shù)字方式上傳，同時還能通過總線接口完成如儀表參數(shù)設(shè)置、儀表運行狀態(tài)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(shè)計，以提高系統(tǒng)可靠性。