什么是信号隔离器？

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第一部分

随着工业自动化的发展，工业现场不同的自动化仪表、执行机构和检测设备等组成大大小小的检测与控制系统，它们之间需传递各种各样信号。系统工作过程中，会出现信号传输失真、不同信号之间的相互干扰、信号不匹配、高频脉冲信号导致的电磁干扰等问题。这些问题会导致系统不稳定、误操作、甚至无法工作。为了有效解决上述问题，系统中通常需要使用信号隔离器。

信号隔离器是一种利用光电隔离或电磁隔离器切断输入信号与输出信号之间的电气连接的一种设备，起到电气隔离的作用，同时不影响信号的传输。信号隔离器往往会根据要求，增加很多其他功能，如信号运算，信号分配，信号转换等，信号隔离器在系统中的具体应用如下：

当系统中多点接地时，不同设备之间参考点存在电势差，从而形成地环路，会产生干扰，导致信号传输失真（如图一）。如果在信号传输环路中增加一个隔离器，切断地环路，可彻底解决这个问题（如图二）。

图一

图二

某些设备工作时会产生高频电磁干扰，如变频器。变频器产生的干扰将通过连接线进入其他设备，如DCS系统，会导致信号不稳定，严重时可能导致DCS系统不能正常工作（如图三）。在这二者之间增加一个隔离器，利用隔离器对高频信号的抑制作用，可以将信号滤波后送到DCS系统（如图四）。

图三

图四

若两个需要互联的仪表之间信号不匹配，则需要用隔离器来实现信号转换功能，从而保证仪表的互连，如图五，隔离器将4-20mA信号转换为0-10V信号后接入DCS/PLC输入板卡。

图五

隔离器系列中的配电器可以向现场的二线制变送器提供工作电源，同时可以采样二线制变送器的输出信号（变送器的工作电源和输出信号共用一个回来），如图六。

图六

有时变送器输出的信号是有源的信号（电流源），而DCS/PLC的采集板卡只能输入二线制信号（即DCS/PLC板卡可配电），此时需要隔离器来实现这样的转换，如图七。

图七

我们知道，热电偶和热电阻的输出信号与温度之间成一定的函数关系，然而并不是线性关系，当系统需要跟温度成线性关系的信号时，用XP-TP或XP-K系列隔离器采样热电偶和热电阻的信号，并进行线性化处理，输出与温度成线性关系的标准模拟量信号（如图八）。

图八

一些场合，我们需要将一个信号同时送给多个系统，如分别送到DCS和显示仪表，通过信号隔离器可实现信号分配功能（如图九）。为了满足这些应用，XP系列隔离器大多数可以选择一入二出、一入三出、一进四出功能。

图九

输入多路信号选择其中一路输出，多路信号之间进行加减乘除等数学运算，这些特殊的应用偶尔会出现，有一些特殊的隔离器产品可以满足。

第二部分

信号隔离安全栅与信号隔离器的区别

信号隔离模块

信号隔离安全栅

一、定义

1、信号隔离器（isolator ）：一般指弱电系统中的信号隔离器，既保护下级信号系统不受上级系统影响和干扰。

2、信号隔离安全栅（safetybarrier）：接在本质安全电路和非本质安全电路之间。将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置。安全栅是一种统称，分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅，隔离式安全栅简称隔离栅。

二、工作原理

1、信号隔离器工作原理：首先将变送器或仪表的信号，通过半导体器件调制变换，然后通过光感或磁感器件进行隔离转换，然后再进行解调变换回隔离前原信号，同时对隔离后信号的供电电源进行隔离处理。保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立。

2、齐纳式安全栅的工作原理

　　安全栅的主要功能就是限制安全场所的危险能量进入危险场所，及限制送往危险场所的电压和电流。

　　齐纳管Z用于限制电压。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管导通，使齐纳管两端的电压始终保持在安全限压值以下。

　　电阻R用于限制电流。当电压被限制后，适当选择电阻值，可将回路电流限制在安全限流值以下。

　　保险丝F的作用是防止因齐纳管被长时间流过的大电流烧断而导致回路限压失效。当超过安全限压值的电压加在回路上时，齐纳管导通，如果没有保险丝，流经齐纳管的电流将无限上升，最终烧断齐纳管，使回路失去限压。为确保回路限压安全，保险丝的熔断速度要比齐纳管可能被烧断的速度快十倍。

　　采用图一所示的三冗余齐纳管的安全栅基本限能电路结构，能够确保安全栅在正常工作、一个故障点和两个故障点时均能将安全栅的输出能量限制在安全参数规定的范围之内，从而满足ia级本质安全电路的要求。

3、隔离式信号隔离安全栅的工作原理

　　与齐纳安全栅相比，隔离式安全栅除具有限压与限流的作用之外，还带有电流隔离的功能。隔离栅通常由回路限能单元、电流隔离单元和信号处理单元三部分组成，基本功能电路如图二所示。回路限能单元为安全栅的核心部分。此外，辅助有用于驱动现场仪表的回路供电电路和用于仪表信号采集的检测电路。信号处理单元则根据安全栅的功能要求进行信号处理

三、功能与优点

　1、信号隔离器功能：

a保护下级的控制回路；

b：消弱环境噪声对测试电路的影响；

c：抑制公共接地、变频器、电磁阀及不明脉冲对设备的干扰；同时对下级设备具有限压、额流的功能是变送器、仪表、变频器、电磁阀、PLC/DCS输入输出及通讯接口的忠实防护。

2、隔离式安全栅：采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。与齐纳式安全相比，虽然价格较贵，但它性能上的突出优点却为用户应用带来了更大的受益：

　1.由于采用了三方隔离方式，因此无需系统接地线路，给设计及现场施工带来极大方便。

　2.对危险区的仪表要求大幅度降低，现场无需采用隔离式的仪表。

　3.由于信号线路无需共地，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。

　4.隔离式安全栅具备更强的输入信号处理能力，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号，这是齐纳式安全栅所无法做到的。

　5.隔离式安全栅可输出两路相互隔离的信号，以提供给使用同一信号源的两台设备使用，并保证两设备信号不互相干扰，同时提高所连接设备相互之间的电气安全绝缘性能。

　 因此，对比齐纳式和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出，隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛用途，虽然其价格略高于齐纳式安全栅，但从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑，其综合成本可能反而低于齐纳式安全栅。在要求较高的工程现场几乎无一例外地采用了隔离式安全栅作为主要本安防爆仪表，隔离式安全栅已逐渐取代了齐纳式安全栅，在安全防爆领域得到了日益广泛的应用。

应用例子

应用原理图示