E0236 关于模拟量与信号隔离器的实际应用

关于模拟量与隔离器的实际应用11/4/2015 1，关于4-20mA.DC电流信号的传输距离

看了标题有的人可能会说:发送4-20mA.DC电流信号的仪表都具有恒流特性，采用电流源传送，其精度与导线的电阻不是无关吗?既然这样还用讨论4-20mA.DC信号的传送距离吗?

但以上的说法是针对特定条件而言的，应看到当仪表供电电源电压低至一定程度或导线电阻大到一定程度时，4-20mA.DC电流传送信号将产生误差。因此我们讨论的是4-20mA.DC 信号在保证规定的精度下的传送距离，讨论传送距离实质就是确定电流源仪表连接导线的最大长度。

决定电流源仪表导线长度的参数有:负载电阻RL及连接导线的电阻r；供电电压Vo及其波动范围△V;仪表的最大输出电流Imax;仪表能维持最大工作电流时的最低供电电压Vmin。

已知:RL=250Ω，

Vo=24V.DC 其允许误差为24V +10% -5%,

电源允许波动△V=24V*5%=1.2V,

Imax=20mA=0.02A,

最低供电电压Vmin各种型号仪表的此值是不相同的，因为这个参数还与电子元件的特性有关系，从产品样本来看，有的仪表最低的可达12V(但是指无负载时)，大多仪表在15--17V 之间的居多；在此取16.28V。

即Vmin=16.28≤24-1.2-0.02(250+r)

则连接导线的电阻r=24-1.2-16.28/0.02-250=76Ω

仪表连接电线用的是铜线，其截面大多选择S=1.5和0.8mm2的居多，在《电工手册》上有铜电线在20℃和75℃时的电阻系数，在选择铜导线时应考虑到使用现场的环境情况，因此最好选择75℃时的电阻系数来计算较妥。已知t=75℃时铜的电阻系数

ρ=0.0217Ω.mm2/m。

根据L=Sr/ρ 就可计算出铜导线的最大长度。

用标称截面1.5mm2导线时L=1.5*76/0.0217=5253m

用标称截面0.8mm2导线时L=0.8*76/0.0217=2801m

因为仪表的接线往返是两根线，所以计算结果应除2即:

用标称截面1.5mm2导线时L1=5253.5／2=2626m

用标称截面0.8mm2导线时L2=2801.8／2=1400m

在实际应用中决定导线的真实长度要比计算值略低才行，因为电线的标称截面几乎都是偏高的。如果遇到现场距离超过上述的长度时，可采取以下措施:增大电线的线径，来减少导线电阻；适当调高仪表的供电电压。

八十年代，上海自动化仪表一厂针对其生产的DDZ-Ⅲ型电动单元组合仪表的变送器、调节器、电气转换器、操作器等单元，在最低供电电压(22.8V)时允许的导线电阻，曾列过一个表格供用户参考，由于其还有现实意义，特把此表格提供如下。

看了以上的计算及表格，有的网友会说，我的现场实际接线长度并不太长，但在使用中仍无法正常使用，哪又是什么原因呢?究其原因，可能是:

1．电流传送信号导线过长时，没有采取必要的屏蔽措施，或者没有遵守一点接地规则而引入了干扰。

2．在一个系统中应选择电位最低的一点作为信号的公共点，在电单仪表中，24V电源的负线电位最低，它就是信号公共线。因此在电流传送的一对信号线中，其电位较低的一根，即信号负线应在发送仪表的输出处与24V负线相连。如果接线错误或漏接而造成信号负线浮空而引入了干扰。

,2，信号隔离器原理及应用

在工业生产过程中，生成过程的监视和控制中要用到各种各样的仪器仪表，会产生各种各样的信号：既有微弱的毫伏级的小信号，又有数十伏的大信号，甚至还有高达数千伏和数百安培的强信号；既有直流低频信号，也有高频或脉冲尖峰信号；而这些信号都要经过互相传递和输送的过程，因此如何保证这些信号，特别是模拟信号在传输过程中不失真将成为系统调试中必须解决的问题。

具体地说，只有当控制装置和分布在现场的传感器和执行器之间的模拟信号传输无故障并且不失真时，才能保证过程控制安全可靠。尤其是小功率的模拟信号在干扰大的工业环境中传输时受各种外部干扰信号的影响，它们需要一条可靠的传输通道。日常工作经验表明，

受设备要求的制约，必须谨慎小心的处理和传输模拟信号。而现场和控制层之间以模拟信号形式传输的测量和控制参数，在传输工程中常处于较恶劣的工业环境中，很可能会造成这些信号的失真。

目前，信号隔离（变换）器从隔离方式上主要分为：变压器隔离方式，光电隔离方式和变压器与光电联合隔离方式等几种。

信号隔离器至今已有40多年的历史，早期的信号隔离器（如美国MOORE，日本M-SYSTEM 等）都是采用变压器隔离方式，它的特点是：性能稳定，寿命长（比如：日本M-SYSTEM公司的M2系列隔离变换器标称的使用寿命长达70年！），带负载能力强，隔离强度高，但电路复杂，制作工艺要求更高。

随着电子技术的发展，近些年来逐渐出现了利用光耦合器（optical coupler）生产的光电式隔离器，它的特点是：性能稳定，抗干扰能力强，而且线路简单，成本低廉，但相对于变压器隔离方式寿命略短。

在一些现场干扰较大，工艺要求较高场合出现了变压器与光电联合方式的信号隔离器，它的隔离能力、抗无限射频和电磁干扰能力更强。比如日本M-SYSTEM公司生产的远程数据采集系统R5系列的模拟量采集模块就应用了变压器和光电联合隔离方式。

信号隔离器的原理图如下：

图中可以看出，隔离器实现了输入对输出对电源对地的四端三重隔离电路设计，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。也正是由于这种信号线路无需共地的设计，使得检测和控制回路信号的稳定性和抗干扰能力大大增强，从而提高了整个系统的可靠性。另外，这种隔离器产品除具备极强的滤波能力外，还有更强的信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等各种信号。

3，造成模拟信号失真的原因与解决方案

1.接地环路问题：如下图所示，当过程环路中有两处或两处以上接地电阻不相等时，就会

产生接地环路，过程信号就会失真。

要使信号完整而不失真地传输，理想化的情况是所有设备、仪表中的信号都有一个共同的参考点，也就是有一个共同的“地”。只有这样，所有的设备、仪表的信号参考点之间电位差才能为“零”。很显然，不同设备的接地电阻很难保证都相等，接地电阻也会随着传输距离的增加而升高，有时甚至产生高达200V的电位差。

2.测量回路相互连接问题：如下图所示，在这些回路中，参考点要将因为接通多个信号回

路而升高。

设备一设备二设备三设备四

U

如上图，在这种相互连接的测量回路中，由于线间电阻的不断增加，必然会引起参考电压的不断升高。

3.电磁干扰问题：这是比较常见的干扰，特别是在长距离或者干扰较大的工业环境中，很

难避免感性和容性干扰在测量回路中相互参杂的情况。

解决这些问题的方案主要有三种：

第一种方案是现场仪表不接地，使过程环路中只有一个接地点，但在实际应用中，这种方案往往难以实现，因为某些设备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。