深度理解输入阻抗及输出阻抗,轻松解决仪表阻抗匹配问题

2020/5/28 1:14:33 人评论 次浏览 分类:电子技术  文章地址:http://yunrun.com.cn/tech/3079.html

仪表信号回路需要考虑阻抗匹配的问题,昌晖仪表通过阻抗匹配问题导致所有调节阀无法开到位故障处理案例,让大家深入理解仪表输入阻抗、输出阻抗和阻抗匹配知识。

一、阻抗匹配故障处理案例

1、故障现象
某新建项目中所有气动调节阀无法开到位。具体现象为在现场接线完成及软件组态完成远程调试时,发现阀门均只能开到60%至70%。

2、使用工况介绍

欧冶炉顶煤气喷吹新建项目,远程调试过程中。欧冶炉:国内首创非高炉熔融还原炼铁技术。

3、处理前安全措施

该系统处于施工试车阶段,应先开工作票,由工艺人员确认交出后再进行检修调试。调试过程须有工艺人员监护,经工艺人员确认后关闭气动调节阀前后工艺阀,把调节阀切到检修位。

4、故障原因分析及判断思路

由于故障是普遍问题,昌晖仪表从阀门本体-阀门定位器本体及传输信号两个方面入手查找故障,具体如下:
a、阀门及阀门定位器本身质量问题;
b、系统输出信号异常;
c、信号隔离器问题。

①排查定位器步骤

拆开阀门定位器信号线,用过程家演艺在阀门定位器信号端子直接送4-20mA有源信号,分别给0%、25%、50%、75%、100%阀位信号,阀门动作灵活并且各个阀位定位精确,故排除阀门和定位器故障。

②系统输出信号排查步骤

a、将万用表串联到信号回路中,在系统中手动给定100%阀位信号,测量4-20mA电流明显小于标准输出值,由此初步判断该故障是PLC卡件输出电流过低造成。
b、针对这一情况深入分析:拆掉AO模块至阀门定位器信号线;用万用表毫安档位直接测量模块输出电流为20mA。继续对比测试其它模块发现也是同样的结果。

③原因分析

该阀门原设计气动阀均配置的是西门子智能定位器,由于货期原因,与厂家沟通将定位器更换为KOSO KGP5000智能阀门定位器。查阅定位器说明书,发现KOSO KGP5000定位器阻抗为650Ω,而控制信号隔离器带载能力为580Ω(绝大多智能仪表的阻抗一般不会超过550Ω)。因此可以确定为信号隔离器的带载能力与定位器不匹配,在阀门开至60%以后控制信号无法驱动定位器动作。

5、故障有效处理办法

更换带载能力为750Ω的YR9034A-0-GNNN-N信号隔离器后,该系统气动调节阀均正常。

6、故障防范措施及改进

信号匹配故障一般在新建项目中可能才会遇到。一般设计院在设计阶段有可能存在考虑不周全或实际供货设备参数与原设计内容发生了变动,但在物资内容确认上又容易被疏忽。在运行过程中,如果需要更换信号隔离器或阀门定位器时,要注意仪表带载能力与阀门定位器阻抗相匹配。

7、阻抗匹配故障处理经验谈

在排查4-20mA信号时可以采用对比的方法:
①将万用表打在直流mA档位,将万用表串联到回路中,在PLC操作员站给定最大阀位和最小阀位电流值并记录。
②将信号线在模块端子上拆除,用万用表直接测量模块端子,测得的数据与①进行比较。即可判断信号是否正常(如果采用具备在线测量功能的底板式隔离器或安全栅模块,则测量电流时可不必拆除端子)。
③在新建项目调试阶段,特别是所有阀门都存有相同故障问题时,不应按常规思路考虑是单台阀门或系统单通道问题,应首先考虑外部共因,方能更快更准的分析问题处理问题。

二、什么是输入阻抗和输出阻抗

1、什么是输入阻抗(input impedance)
输入阻抗是指一个电路输入端的等效阻抗。在输入端上加上一个电压源U,测量输入端的电流I,则输入阻抗Rin就是U/I。你可以把输入端想象成一个电阻的两端,这个电阻的阻值,就是输入阻抗。

在输入电压不变的情况下,若输入阻抗低则流过电流大,要求电路中前级的电流输出能力强;反之,若输入阻抗高则流过电流小,这就为前级的电流输出能力减轻很大负担。所以仪表电路设计中应尽量提高输入阻抗。


输入阻抗跟电抗元件无异,输入阻抗反映了对电流阻碍作用的大小。对于电压驱动的电路,输入阻抗越大,则对电压源的负载就越轻,因而就越容易驱动,也不会对信号源有影响;而对于电流驱动型的电路,输入阻抗越小,则对电流源的负载就越轻。因此,我们可以这样认为:如果是用电压源来驱动的,则输入阻抗越大越好;如果是用电流源来驱动的,则阻抗越小越好(注:只适合于低频电路,在高频电路中,还要考虑阻抗匹配问题)。另外如果要获取最大输出功率时,也要考虑阻抗匹配问题。


①电压源驱动的电路

所谓电压源驱动,可以理解为没有内阻且总是充满能量的恒压电池作为能量源,给负载供电。
电压源驱动的电路的输入阻抗
一个类似于能量源的电压源U,加到负载的两端,产生的电流I,那么负载的阻抗Rin就是U/I。负载上消耗的功率P=UI=U/Rin,由公式可知,这里的Rin总是起到减少电流I的作用,Rin越大,负载消耗的能量就越小;这里负载的阻抗就是负载的输入阻抗。


②电流源驱动的电路

与电压源驱动的电路正好相反,电流源驱动可以理解为一个电流恒定的能量源I,给负载供电。
由欧姆定律可知,产生的电压为U=I×Rin,负载消耗的功率为P=UI=I×I×Rin,由公式可知,这里负载输入阻抗Rin起到增大功率的作用,恒流源驱动的电路,电阻越大,负载两端电压越高,消耗的功率越大。

2、什么是输出阻抗(output impedance)

输出阻抗含独立电源网络输出端口的等效电压源(戴维南等效电路)或等效电流源(诺顿等效电路)的内阻抗。其值等于独立电源置零时,从输出端口视入的输入阻抗。

无论信号源或放大器还有电源,都有输出阻抗的问题。输出阻抗就是一个信号源的内阻。本来,对于一个理想的电压源(包括电源),内阻应该为0,或理想电流源的阻抗应当为无穷大。输出阻抗在电路设计最特别需要注意。


现实中的电压源做不到内阻为0,常用一个理想电压源串联一个电阻r的方式来等效一个实际的电压源。这个跟理想电压源串联的电阻r就是信号源/放大器输出/电源的内阻了。当这个电压源给负载供电时,就会有电流I从这个负载上流过,并在这个电阻上产生I×r的电压降。这将导致电源输出电压的下降,从而限制了最大输出功率。同样的,一个理想的电流源,输出阻抗应该是无穷大,但实际的电路是不可能的。


输出阻抗是指电路负载从电路输出端口反着看进电路时电路所等效的阻抗,其实主要是针对能量源或者输出电路来说的,是能量源在输出端测到的阻抗,俗称内阻。


①电压源驱动的电路

电压源驱动的电路的输出阻抗
电压源在加到负载上时,除了在负载端消耗能量,自身也会产生能量的消耗,这里是因为电压源在输出能量的时候,内部存在阻碍能量输出的阻抗,比如电池的内阻。比如恒压源U,输出阻抗为Rout,负载端电压为Ur,负载R,电流为I=U/(Rout+R),负载端电压Ur=I×R=U×R/(Rout+R),负载产生的功率为P=Ur×I=U2×R/(Rout+R)2。由此公式可知,输出阻抗越小,带负载的能力越大。


②电流源驱动的电路
电流源驱动的电路的输入阻抗

对于电流源驱动的电路,也存在输出阻抗,输出阻抗并联在恒流源两端。电流源输出恒定电流I,一部分In消耗在内阻Rout上,剩余的电流Ir消耗在负载R上,由此可知,负载R上电压为Ur=Ir×R,和内阻Rout两端电压一致,即Ur=Ir×R=In×Rout,又因为I=Ir+In通过推导可知Ur=I×Rout×R/(Rout+R),负载端功率:P=Ur×Ir=Ur2/Rout=I2×Rout×R2/(Rout+R)2=I2×R2/(Rout+R2/Rout+2R)。

由此可知,在Rout=R时,外端负载P最大。因此,对于恒流源负载,要想获得最大功率,需要将负载的电阻值和电流源的内阻匹配一致,即尽量趋近同一个值。


本文昌晖仪表深度介绍了输入阻抗、输出阻抗和阻抗匹配相关知识,如果你有不明白之处,欢迎在评论区留言讨论。

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