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| 共模噪音消除 |
| 通常感測器發送的都是較小的訊號，因而易受容性或感性設備的干擾，例如電動馬達、變頻器或是其他功率切換設備。幅射噪音經常會干擾測量值，並且會損壞控制系統中敏感的I/O卡，使用類比訊號隔離器後，就可以透過零電位差輸入有效地消除產生在兩條訊號線間的共模噪聲。 |
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| 有源隔離器/無源隔離器 |
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• 主動隔離器由獨立的電源供電，以確保隔離器出色運作。依應用情況輸入/輸出與電源之間相互隔離。三端隔離只需要一個電源，這個電源與量測電路隔離。由於輸入與輸出迴路隔離，因此即使在短路、突波或極性顛倒的情況下，隔離器後端的電子設備也不會被損壞。輸入與輸出之間的隔離方式取決於傳輸率，一般採用光隔離或是磁隔離方式。有源隔離器的輸入/輸出不是相互作用的。例如：輸出端的負載變化不會影響輸入迴路。 • 被動隔離器的工作電流由量測訊號提供，其內部消耗電流極小，不影響訊號的傳遞 • 無論輸入側或輸出側都會對其供電產生影響。隔離是透過磁隔離來實現的，其優點在於：不受網路影響、精確度很高、訊號 延遲短及耗電小。被動隔離器的輸出端負載的變化會影響輸入端電路。 |
| 接地回路 |
| 電源的負端通常會接地。如果輸入訊號是由另外的電源供電或是感測器本身已經接地，瞬態電流將流過沿接地導體之間產生的地電位差所形成的迴路，從而干擾正常訊號。 類比訊號隔離器放大器可以消除接地迴路對測量訊號的干擾與影響。 |
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| 兩端隔離 |
| ① 最簡單的類比訊號隔離形式是兩端隔離，它隔離輸入迴路與輸出迴路，同時有兩端輔助電源分別加在這兩側。根據隔離器的設計及測量的隔離參數決定了這種方式實現電氣隔離或安全隔離。 ② 對於4~20mA的電流訊號，隔離器具有輸入迴路供電模組。因此無需在輸入側施加額外的電源。 如果輸入/輸出迴路施加相同電源，兩端隔離器可以被當作一個簡單的訊號轉換器。對於無需隔離，只要訊號轉換的場合，這是很有用的功能。 |
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| 三端隔離 |
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• 最通用的訊號隔離形式是三端隔離。 • 透過光耦合或磁耦合的形式將輸入與輸出隔離。根據電氣 間隙、爬電距離和隔離器技術參數確定隔離電平。舉例來說，輸入訊號透過脈寬調變器轉換成頻率訊號，在輸出側解調為類比量，經過放大器產生一個標準的類比訊號。 外部電源由一個電氣隔離的DC/DC轉換器向輸入和輸出迴路供電。它的參數、間隙和爬電距離也決定了隔離電平。這種輸入/輸出、輸入/電源、輸出/電源相互隔離的路徑就是所謂的三端隔離。 |
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| 溫度測量 — 熱電阻 RTD resistance temperature sensor |
| • 溫度測量使用熱電阻(RTD)來偵測溫度，電流只有1.5mA左右，透過放大器測量電阻上的壓降(二線制)。 為了彌補導線長度造成的影響可使用三線制(有返回補償導線)來測量。 為了使測量更為精確可使用四線制(把供電/返回導線的壓降都考慮到測算中)。 |
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| 溫度測量 — 熱電偶 (TC) Thermocouple |
| •溫度測量也可使用熱電偶，透過兩種不同合金的接觸而產生電位，並透過微分放大器修正訊號。 最經濟的方式是將訊號透過後續放大電路轉換為標準輸出。高階的測量模組是透過微處理器來處理量測訊號，同時修正訊號(通過濾波、線性化)。 |
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| 熱電偶 (TC) - 冷端補償 |
| • 熱電偶測量溫度時要求其冷端(測量端為熱端，透過引線與測量電路連接的端稱為冷端)的溫度保持不變(熱電位以0度為標準測量)，其熱電位大小才與測量溫度是一定比例關係：若測量時，冷端的(環境)溫度變化，將影響測量準確度。為了彌補這樣產生的誤差，需要同時測量變送器連接點的溫度。微處理器在計算測量值的時候可以作出補償。 |
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| 使用電流互感器進行電流測量 |
| • 互感器檢測的原理，通電的導線周圍會感應出強度與電流成比例的磁場H，這個磁場在鐵芯中產生磁通量B，因此適合於檢測電流。採用互感器原理的變送器是針對簡單的正弦波經濟的檢測方法。被偵測的電流直接流過互感器的初級繞阻。次級繞阻產生一個比例輸出的電流。由於功率損耗，此方法二次側的電流最大至5A，且變送器對尖峰電流非常敏感，因此在初級應安裝熔斷器。 |
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| 線性化 |
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• 溫度元件通常不是線性的，為了維持訊號處理必要的精度，將溫度曲線作某種程度的線性化。 PT100的線性化可以採用簡單的放大電路來實現。首先是矯正峰值，再是訊號偏移的矯正。這樣所殘餘的尖峰脈衝與負脈衝都是極為輕微的，在模組的容差範圍之內 |
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| 透過霍爾感測器測量電流 |
| • 霍爾感測器其基本原理也是透過偵測磁通量B來產生一個成比例的電壓輸出，這個值將透過放大電路產生一個標準的訊號。 • 霍爾感測器通常用來測量大電流，任何可能出現的大電流如：馬達啟動電流或其他峰值電流都不會損壞霍爾元件。另外它是理想的非正弦電流的測量元件(交、直流皆可測量)。 |
| 均方根测量(RMS) / 峰值系数 |
| • 正弦交流電流的有效值等於一個使純電阻產生的相同熱量的一個直流電流值。 • 非正弦波訊號僅能由具有「真均方根(TRMS)」功能的儀器來偵測或更進一步的處理。 • TRUE RMS = True Root Mean Square真均方根值 • RMS量測方法用於輸出量為交流電壓或電流偵測的情況 • 峰值係數是峰值與有效值的比值。 |
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| 負載/負載電阻 |
| • 負載是指在變送器或隔離放大器輸出側的阻值，對於電流輸出負載一般為500Ω，對於電壓輸出負載一般為10KΩ。 |
| 電氣隔離/安全隔離 |
| • 電氣隔離可理解成在輸入迴路、輸出迴路、電源之間的電氣隔離，可透過變壓器形式或光耦形式來實現。隔離能防止對測量電路的衝擊，並且能夠消除接地迴路的影響，使訊號不失真。 • 安全隔離是基於德國標準DINVDE 0106/第101部分。這個基本的標準是防止人身受到危險電流的傷害，同時描述了對電氣設備的安全要求。 |
| 開關頻率 |
| • 開關頻率反映的是隔離放大器的動態傳輸特性 • 給定頻率(-3dB)是個極限值，此處會有一個訊號的突變 • 開關頻率升高會導致一個瞬時的高頻傳輸，這將破壞真實訊號 |
| 遲滯 |
| • 遲滯指的是ON與OFF切換值的百分比差異，它不能低於給定的最小值，否則指定的切換無法實現。 |
| 斷線檢出 |
| • 如果使用了有斷線檢出功能的變送器，輸入訊號將處於被監視狀態。當故障(斷線)產生時輸出超過額定範圍，下游的控制電路就能分析到這個故障。 |
| 響應時間 |
| • 反應時間是指輸入訊號從10%跳變到90%時輸出對應變化的時間。它與開關頻率直接相關(反比關係) |
| 精度/溫度係數 |
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• 精度是指測量儀器盡可能準確地傳輸資料的能力，它跟最終值有關，並以環境溫度為條件(23˚C)而給定數值。 例如： 一個RTD 給定的精度是1 % ， 測量範圍為0~200˚C，那麼在其整個測量範圍內的有效誤差就為：200 * 1% = +/-2K |
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• 溫度係數反映了測量儀器因環境溫度變化而產生的偏移。它以百分比或是ppm/K的形式給出 例如：一個RTD的精度是1%，測量範圍是0~200˚C，溫度係數是250ppm/K，假如儀器工作在40 ˚C的環境之中，那麼它的絕對誤差在其整個測量範圍內為：[(40˚C - 23˚C) * 250ppm/K+1%] * 200K= +/-2.85K |
| 類比訊號隔離器可以提供哪些功能？ |
| 1. 直流測量和控制訊號的高可靠隔離 |
| 2. 將各種非標準訊號轉換為標準訊號，如0...5V輸入4...20mA輸出。 |
| 3. 將感測器輸入的小訊號，如熱電偶mV訊號放大、線性化並轉換為大的電流訊號輸出以使其能傳輸數百公尺甚至上千公尺的距離 |
| 4. 透過類比輸入訊號產生繼電器觸點警報訊號以完成狀態監控和警報 |
| 為什麼需要分離式的類比訊號隔離器？很顯然控制系統(PLC和DCS)可完成某些相同的功能。 |
| 1. 某種程度上這是事實。可是我們注意到這些現場設備(變送器、感測器、閥門和執行機構)透過電纜要傳輸到各種地方去，通常它們直接進入到控制室，但是也有很多訊號要傳送到就地顯示儀和警報器，而且它們之間需要互相隔離。 |
| 2. 許多感測器— 如熱電偶溫度感測器— 經常需要隔離，轉換和就地線性化後轉為標準大電流訊號(如4...20mA)以適應長距離傳輸— 這樣就可以替代昂貴的熱電偶補償導線傳輸到控制室。 |
| 3. 若控制系統本身沒有隔離功能的類比量輸入卡件，這時候也需要經過獨立的訊號隔離器進行隔離。 |
| 4. 在控制系統無法為感測器/變送器供電時，而隔離器可以非常方便地做到這一點。 |
| 5. 若獨立於控制系統顯示器，需要一個高度整合分離式顯示器，一進多出的訊號分配器可以方便地實現這一點。 |
| 6. 在工廠操作人員需要對訊號就地線性化處理時— 如灌注物料儲存槽時需要有一個物料容積指示儀，但是測量的訊號卻是物位訊號(物位轉換為容積取決於儲存槽的具體結構和形狀)。 |
| 7. 在控制系統只能接收4...20mA類比訊號輸入，但是感測器提供的是其它非常規訊號，如0...20mV，2...10V，0...10kΩ，0... 1mA，4...12KHz，0...5A ac等等。 |
| 8. 在控制系統需要可靠地與類比輸入訊號上疊加的電子雜訊脈衝相隔離時，隔離器可以安全可靠地將其隔離。 |
| 9. 在類比輸入訊號的增加意味著需要一塊新的昂貴的控制系統I/O卡件時，一塊性價比高的隔離器可以很方便地實現擴容。 |
| 電路符號及其意義 | |
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感測器符合 DIN EN 60947-5-6 (NAMUR) |
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對於沒有相應內部電阻的感測器，可以在外部添加以下電阻： • 用於斷線監控的並聯電阻（不適用於 NPN 感測器和推挽放大器） • 用於線路短路監控的串聯電阻。它們應盡可能靠近感測器連接。 |
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感測器類型 • 電流源：感測器是主動電流源 • 3 線感測器：感測器是主動電流源，透過轉換器提供額外電源 • 2 線感測器：感測器是被動電流源，透過 4..20mA 訊號供電 |
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RTD電阻溫度感測器（如PT100）2、3、4線測量方式 |
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可選外部冷端補償電阻的熱電偶 (TC) |
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感測器類型 TX：2 線感測器：感測器是被動電流源，透過 4..20mA 訊號供電 |
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感測器是主動電壓源 |
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感測器是主動電流源 |
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帶電流隔離的轉換器，3 路，位於輸入、輸出和電源單元之間 |
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不含電流隔離的轉換器 |
