中智聯儀表集團重慶宇通儀器儀表有限公司 馮 偉
作為工業現場與控制室儀表之間的信號隔離變送器設備，信號隔離器和安全柵一直發揮著重要的作用，是工業控制系統中重要的組成部分。隨著技術的進步，無論是現場的一次儀表，還是控制系統，都發生了變化，信號隔離器和安全柵也需要進一步發展適應更高的要求。宇通公司總結多年來的實踐經驗，對產品進行了改進，對隔離器和安全柵的性能進行了提升，以滿足市場的需求。新型的隔離器和安全柵在性能和技術指標上都較過去有了更大的進步。
一、 模塊化的設計保證對市場的快速響應
隔離器和安全柵一般由輸入信號處理單元、隔離單元、輸出信號處理單元、電源等4部份構成。根據信號的流向在輸入或輸出單元增加本質安全設計，從而構成隔離器和安全柵。
雖然實際應用中的隔離器和安全柵基本上都是由上述四個單元構成，但輸入、輸出的類型和數量的不同，組成了種類繁多的型號，為了滿足市場的需求，越來越多的型號使得企業的生產負擔加重，數量少品種多使得交貨周期越來越長，也使得調試檢驗的成本增加。這些情況已經嚴重的阻礙了產品的市場推廣。針對這種情況，宇通公司通過仔細的分析，采用模塊化的設計方法，將隔離器和安全柵劃分為七種功能模塊，從而比較好的解決了上述問題。模塊化的設計方法極大的解決了產品加工、調試、老化、庫存的壓力，產品的一致性好，質量得到提高。從根本上解決了品種多數量少給生產環節帶來的壓力，極大的縮短了交貨周期。
二、低功耗設計
低功耗是電子產品設計永無止境的追求，伴隨技術的發展，目前隔離器和安全柵的功耗與過去相比，已經減小許多，性能和技術指標也得到提高。以宇通公司一臺標準的隔離安全柵為例來說明功耗的變化。 電源：24DC 負載：750歐姆
代表型號 電流 耗散功率 備注
第一代產品 RPA1100A 75mA 1W～1.3W 目前國內主流產品功耗
第二代產品 RPA1100B 57mA 0.5W～1W 目前國內主流產品功耗
第三代產品 TM6041S 40mA 0.1W～0.2W
產品的功耗是各個功能單元功耗的總和，只有降低各個功能單元的功耗才能使得總得功耗降低，增加產品的熱穩定性和壽命。隔離器和安全柵由輸入、輸出、隔離、電源、安全等單元構成，其中安全單元是無源的限壓限流網絡，技術上進行低功耗改進的可能性非常小。主要在輸入、輸出、電源、隔離四個單元進行技術改進。
1、 輸出單元模塊的自適應負載技術
輸出模塊可以根據負載的大小動態調整輸出模塊的輸出功率，從而減少自身的發熱。傳統的負載設計是根據額定負載的大小設計輸出功率，當輸出負載非常小時，多余的負載功率就耗散在儀表內部，從而時儀表自身發熱。假設一臺隔離器的輸出負載設計為750歐姆，那么輸出驅動功率一般設計為0.5W。如果在實際應用中此隔離器的負載使用在50歐姆的環境下，那么就有 0.5W – 0.02W = 0.48W的功率轉換為儀表自身的發熱。如果時多路輸出將產生更多的熱量，而降低輸出模塊的額定功率在實際應用中又難以應付市場的復雜狀況。
自適應負載技術很好的解決了這個矛盾，此技術的原理圖示如下：
下表是對比的測試數據: 測試條件：電源24DC；負載變化 50歐姆～750歐姆
輸出模塊類型 標準輸出模塊 自適應負載輸出模塊
模塊的耗散功率（50Ω） 320mW 10mW
模塊的耗散功率（250Ω） 220mW 10mW
模塊的耗散功率（500Ω） 120mW 10mW
模塊的耗散功率（750Ω） 20mW 10mW
從上表可以看到：自適應負載技術使得模塊的耗散功率是恒定在一個很低的水平，不會受到負載變化的影響。
負荷檢測可以根據負載的大小調整輸出功率，極大的減少了輸出模塊的發熱，用戶在定貨時無須說明負載大小，極大的方便了用戶的使用和緩解了庫存壓力
2、 隔離單元模塊的低功耗改進
隔離單元是決定產品技術指標的重要單元。
目前隔離技術主要有磁隔離與光隔離兩大類。隔離電路形式有直接調制耦合，反饋調制耦合等多種形式，具體采用什么形式要根據產品的技術指標而定。 總的來講可以大致分為開關量信號采用光隔離，模擬量信號采用磁隔離的方式。從技術復雜程度來看，磁隔離比光隔離處理技術復雜，采用磁隔離技術， 設計者可以根據技術指標采用合適的設計方案，隔離的線性、精度可以根據產品要求靈活控制。而光隔離的線性、精度只能依賴器件廠家提供的技術指標， 設計人員可以調整的方式很少，也不可能超過廠家提供的技術指標。由于功耗大，光電隔離也不能實現無源隔離。宇通采用電流互感模式、電流互感反饋模式、 電壓互感模式、電壓互感反饋模式、電流互感功率補償模式等多種磁隔離方式。根據產品的特點選擇不同的磁隔離模式。
上述隔離模式中，電流互感功率補償模式是功耗最低的模式，目前在新一代的無源隔離安全柵中使用，在保證技術指標的同時，降低了隔離單元的功耗。
3、電源模塊
電源的技術指標是基礎，決定產品的性能。目前流行的電源拓撲形式雖然非常多，也很成熟。但我們在隔離器和安全柵的電源設計中進行了技術創新，目前采用的參數式開關穩壓電源設計獲得了國家的發明專利。根據隔離器和安全柵的特點，參數式開關穩壓穩壓電源提升了效率，降低了電源的復雜程度。從工藝和成本上得到改進，減少了產品的故障率。
三、無源隔離器和安全柵
傳統的隔離器和安全柵均為有源，需要外接24V直流電源。而無源隔離器和安全柵不需要外接24V直流電源，接線數量減少了三分之一，降低了安裝和維護難度。因此，無源隔離器和安全柵的應用越來越廣泛，特別是在DCS和PLC系統的接口應用中，普遍采用無源隔離器和安全柵的設計模式
無源隔離器和安全柵的示意圖：
無源隔離器和安全柵是指無須外接24V直流電源，其工作所需要的能量來源于表示信號的4 ~ 20mA電流。因此，無源隔離器和安全柵的功耗必須非常小，是一種微功耗的設計應用。更低的功耗和更高的輸入、輸出線性是衡量無源隔離器和安全柵的關鍵指標。
無源隔離模式的輸入、輸出轉移特性示意圖：
從上圖可知；引起輸入、輸出非線性的主要因素是信號電流的變化和負載大小。這種二元變化的影響在有源隔離器和安全柵的設計中可以很好的解決，因為沒有功耗的限制。而在無源隔離器和安全柵的設計應用中，許多成熟的技術都受到功耗的限制而無法采用。通過對電流互感磁隔離改進而創新的電流互感功率補償磁隔離，很好的解決了此問題。
下面的表格是無源磁隔離模式改進前后的輸入、輸出線性指標對比。 磁隔離模式 非線性（50Ω） 非線性（250Ω） 非線性（500Ω)
電流互感功率補償 0.1 0.1 0.1
電流互感 0.1 0.25 0.5
目前國內、外在無源隔離器和安全柵的應用中均采用的是電流互感的磁隔離模式，其線性指標與宇通的第一代產品差不多，其線性指標受到所使用的隔離原理的限制。
宇通公司在無源隔離器和安全柵的設計中采用電流互感功率補償式磁隔離，設計的無源隔離器和安全柵在輸入、輸出線性指標上達到了有源隔離器和安全柵的水平。這樣的線性指標在國內、外都是領先的。
四、小型化、接線少。以適應高密度的安裝要求
隔離器和安全柵作為二次儀表，安裝在控制室內，控制室的環境要求產品盡可能的小以實現高密度的安裝，同時接線的數量應該盡可能的少，從而減少安裝和維護的難度。產品的小型化是隔離器和安全柵的發展趨勢。宇通目前的MS系列產品的厚度只有6.2mm。下表是目前宇通各個系列產品的尺寸規格： 型號 厚度（mm） 標準控制柜（800X800X2100mm）
R系列 22 可以安裝300個
TM系列 16 可以安裝400個
TR、TS系列 12 可以安裝560個
MS系列 6.2 可以安裝980個
低功耗的設計實現體現在產品的外觀上就是產品的小型化，只有低功耗產品才能實現密集安裝。伴隨著技術的進步，我們將設計出功耗更低、性能更好、體積更小的產品。
目前國內的主流產品厚度一般都在20mm～30mm之間，國外最新產品的厚度為6.2mm。宇通公司的MS系列達到了國外最新產品的水平。
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