工业仪表中的构成和隔离变送器的应用

工业生产过程自动化系统中存在多种类型的电气干扰，工业现场仪表在设计上要考虑各电气端口的干扰处理，这里针对工业仪表的模拟信号输入输出端口的信号抗干扰处理推荐了隔离变送器的解决方案，针对工业仪表的通信总线接口的抗干扰处理推荐了总线隔离收发器的解决方案。

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。

图1

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。