儀表電路中可能導(dǎo)致出現(xiàn)接地回路的原因很多。當(dāng)出現(xiàn)接地回路時(shí)，即使您采取了措施，例如使用適當(dāng)?shù)碾娎|屏蔽雙絞線和預(yù)防措施，它們?nèi)詫楣I(yè)現(xiàn)場(chǎng)帶來很大的問題。一個(gè)消除接地回路的可靠方法是正確使用信號(hào)隔離器，下面提供了選擇和安裝信號(hào)隔離器的一些實(shí)用技巧。
接地回路問題
當(dāng)信號(hào)傳輸和接收裝置連接到不同的接地點(diǎn)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)對(duì)地回路。這些不同的接地點(diǎn)可能是由于設(shè)備連接到不同的電源所產(chǎn)生的，這在長距離電纜傳輸時(shí)很常見。它們也可能是由于設(shè)備的金屬外殼與地面發(fā)生了物理接觸。這導(dǎo)致了一個(gè)不被人注意的電氣回路，從而產(chǎn)生了一個(gè)誤差源。
任何時(shí)候，如果導(dǎo)線連接了兩個(gè)不同的電位（例如地電位），將產(chǎn)生電流。在實(shí)踐中，這往往包括了一個(gè)儀表回路中的信號(hào)線和屏蔽線。只在一端接地將避免產(chǎn)生對(duì)地環(huán)流，但這通常很難實(shí)現(xiàn)和維護(hù)。
由于無法在信號(hào)的接收端通過簡(jiǎn)單的觀測(cè)來測(cè)定信號(hào)的精度，因此不同接地電位產(chǎn)生的對(duì)地環(huán)流將為信號(hào)回路引入無法檢測(cè)的誤差。如果您發(fā)現(xiàn)了不明原因的信號(hào)噪聲、誤差、沖擊或鎖死，您可能有一個(gè)對(duì)地環(huán)流的問題。
交流或直流回路都可能產(chǎn)生對(duì)地環(huán)流。在絕大多數(shù)的電氣設(shè)備中，交流供電的中線只在用戶引入線的部分接地。任何在電氣系統(tǒng)中別處產(chǎn)生的中線對(duì)地連接，都將可能引入60Hz的電流入地。由于中線對(duì)地連接引入的電流將隨著設(shè)備的電氣負(fù)載而改變，用戶引入線的接地和遠(yuǎn)程設(shè)備之間的電位差將導(dǎo)致對(duì)地環(huán)流的產(chǎn)生（圖1）。
圖1-1 有接地故障
圖1-2 無接地故障
當(dāng)多個(gè)直流電壓源有一個(gè)公共連接時(shí)將出現(xiàn)一個(gè)直流回路。由于它們是連在一起的，當(dāng)一個(gè)地方產(chǎn)生電壓，將會(huì)改變另一個(gè)地方的電壓。這些電壓也會(huì)隨著負(fù)載而改變，同時(shí)無法通過傳感器或接收器的簡(jiǎn)單調(diào)節(jié)進(jìn)行預(yù)測(cè)和補(bǔ)償。
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如何才能防止接地回路？
信號(hào)隔離器提供了防止接地回路問題的高度可靠和易于維護(hù)的方式。信號(hào)隔離器安裝在傳感器和接收器之間，并將他們隔離。一旦安裝，它們幾乎不需要維護(hù)和調(diào)試。
信號(hào)隔離器通過隔離變壓器或光耦隔離器將傳感儀表和接收儀表接地連接切斷。這兩種器件都提供了高水平的隔離。
隔離器還包括了一個(gè)低通濾波器，消除高頻EMI/RFI噪聲和60Hz的電源電壓產(chǎn)生的干擾信號(hào)。一個(gè)截止頻率為30Hz的隔離器響應(yīng)時(shí)間為，這個(gè)速度足以滿足絕大多數(shù)的過程測(cè)量的需要。制造商可以根據(jù)需求提供更快響應(yīng)速度的產(chǎn)品，但是這些模塊也更容易受到噪聲的影響。
如何選擇一個(gè)隔離器？
信號(hào)隔離器是確保信號(hào)傳輸準(zhǔn)確性的最簡(jiǎn)便方法（在總的維護(hù)成本上花費(fèi)最少）。但是一些誤區(qū)必須避免，防止誤用和為控制系統(tǒng)帶來問題。
這些誤用的主要原因之一是對(duì)于如何給一個(gè)特定的回路供電的不當(dāng)理解。供電可以被并入一個(gè)儀表回路中的不同位置，例如傳感器、接收器，或信號(hào)回路。由于在很多運(yùn)行系統(tǒng)中需要采用隔離器，工程師在訂購隔離器之前必須知道回路中這些設(shè)備如何供電。
隔離器的供電可以有三個(gè)來源：獨(dú)立電源，輸入回路，或輸出回路。無論采用何種方法，都必須妥善設(shè)計(jì)，以免干擾傳感器和接收器所需要的電力。下面詳細(xì)討論每種方法：
有源隔離器
所有隔離器當(dāng)中最流行的也許是有源隔離器。有源隔離器通過連接了一個(gè)230/120VAC或更通用的24VDC電源來提供負(fù)載功率并為輸出回路供電（圖2）。
圖2 有源隔離器
在此應(yīng)用中，需要兩個(gè)電源，一個(gè)用于傳感器和輸入回路，一個(gè)用于隔離器和輸出回路。同時(shí)接收器（通常是PLC卡）和輸出回路兩者都不能獨(dú)立供電，并且要采用一個(gè)三端隔離器放大器（三端隔離指輸入/輸出，輸入/供電，輸出/供電之間的隔離）。
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這類模塊的主要特點(diǎn)：
1. 相對(duì)于系統(tǒng)中大量儀表和長距離電纜產(chǎn)生的沉重負(fù)載，模塊在輸入回路中的負(fù)載很低，通常只有50W。這會(huì)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。
2. 輸出回路獨(dú)立于輸入回路，成為一個(gè)新的回路。這使得輸出回路可以傳輸更長的距離，并為更多的設(shè)備提供過程信息。
3. 通用模塊可提供信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，允許客戶自行配置輸入/輸出信號(hào)，減少庫存（圖3）。
圖3 DIP開關(guān)組態(tài)
輸入回路供電隔離器
輸入回路供電隔離器廣泛用于獨(dú)立供電傳感器和無源PLC卡件。他們通過輸入回路獲得所需用電。通常供電直接來自于傳感器。一個(gè)單獨(dú)的電源不應(yīng)該連接到隔離器、接收器或輸出回路。（圖4）
圖4 輸入回路供電隔離器
這種回路供電隔離器通過輸入回路的供電驅(qū)動(dòng)自身內(nèi)部的電氣電路和輸出回路。因此，它增加了輸入回路的負(fù)載。必須納入功率計(jì)算，以確保傳感器有足夠的電壓去驅(qū)動(dòng)所有連接的設(shè)備。（制造廠商可以提供隔離器的壓降，值越低越好）
另外，輸出回路的負(fù)載電阻也必須是已知的，以計(jì)算總壓降，因?yàn)檩斎牖芈返碾妷涸匆脖挥糜谳敵龌芈饭╇姟航悼梢酝ㄟ^以下公式計(jì)算：Vdrop =Visolator + (20 mA x Routput loop)。
我們需要確保輸入回路的電源供應(yīng)至少可以滿足輸出回路所需的電量。
輸入回路供電隔離器通常隔離電流信號(hào)，而不是電壓信號(hào)。輸入側(cè)回路電流驅(qū)動(dòng)隔離器。輸入回路供電隔離器提供輸入和輸入之間的電氣隔離。產(chǎn)品種類可選擇一，二，四通道模塊，增強(qiáng)靈活性和節(jié)省空間。
輸出回路供電隔離器
在某些情況下，尤其是設(shè)計(jì)傳感器或接收器（控制系統(tǒng)）的改造，輸出回路供電隔離器是必要的。這些設(shè)備可用于回路中存在多個(gè)電源的情況。例如，當(dāng)傳感器和接收器（PLC有源卡件）都是獨(dú)立供電時(shí)，它們都將試圖給回路供電，而這樣是不允許的。這時(shí)，我們可以通過一個(gè)輸出回路供電隔離器將它們分開（圖5）。
圖5 輸出回路供電隔離器
由于隔離器從輸出回路得電，它們可以用在回路中用于電流信號(hào)輸出，例如4~20mA。但是不能輸出電壓信號(hào)。輸入側(cè)可以和三端隔離放大器一樣傳輸電壓或電流信號(hào)。值得注意的是，如果輸出回路的總負(fù)載很大，輸出回路的壓降仍需考慮在內(nèi)。
輸出回路供電隔離器提供輸入和輸出之間的電氣隔離。它們采用DIN導(dǎo)軌安裝的外殼設(shè)計(jì)，可以節(jié)約寶貴的控制柜內(nèi)軌道空間。
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饋電隔離器
饋電隔離器在今天也不是一個(gè)陌生的名稱。在某些應(yīng)用中，得到了大量的使用。本質(zhì)上，饋電隔離器是一個(gè)輸入和輸出側(cè)都往外供電的三端隔離放大器。饋電隔離放大器仍然提供輸入/輸出，輸入/供電，和輸出/供電之間的電氣隔離（圖6）。
圖6 饋電隔離器
供電電源通常是24Vdc，并直接連接到隔離器。隔離器給輸入回路和24Vdc的傳感器供電。通常電流可以達(dá)到30mA。輸入回路和輸出回路都必須是電流信號(hào)，例如4~20mA信號(hào)或智能信號(hào)。
在這里，智能信號(hào)指的是疊加在4~20mA信號(hào)波形上的數(shù)字信號(hào)。一個(gè)典型的例子是在很多設(shè)備中使用到的HART協(xié)議。它通過在緩慢變化的電流信號(hào)上疊加一個(gè)的正弦波來工作。正弦波工作在1200和2200Hz，并傳輸來自于傳感器的操作信息。這使得用戶可以自動(dòng)重新校準(zhǔn)傳感器或遠(yuǎn)程改變量程范圍。
一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的隔離器會(huì)將這種高頻信號(hào)認(rèn)為是一種噪聲，并通過低通濾波器進(jìn)行消除。而智能隔離器會(huì)通過額外的電路接收并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)字信號(hào)。模塊上附加的端口可以用于手操通訊設(shè)備方便的接入回路當(dāng)中。
正確的選擇帶來維護(hù)工作的最小化
正確的選擇和使用隔離器可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和提高可靠性。了解電源的安裝定位和選擇正確的隔離器將有助于最大限度的降低運(yùn)營問題和維護(hù)需求。菲尼克斯電氣的MINI MCR系列和MACX MCR系列不僅能夠滿足客戶所有功能需求，同時(shí)還具有超薄外型，低功耗，底部橋接供電，多種國際認(rèn)證（UL ，GL，CE，Ex，SIL），高電氣隔離等特點(diǎn)。為您現(xiàn)場(chǎng)的可靠運(yùn)行，提供助力。
（菲尼克斯電氣中國公司 繆嘉鵬）
