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深度理解輸入阻抗及輸出阻抗,輕松解決儀表阻抗匹配問題

2023年01月16日 11:28:32      來源：云南昌暉儀表制造有限公司 >> 進(jìn)入該公司展臺      閱讀量：26

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儀表信號回路需要考慮阻抗匹配的問題，昌暉儀表通過阻抗匹配問題導(dǎo)致所有無法開到位故障處理案例，讓大家深入理解儀表輸入阻抗、輸出阻抗和阻抗匹配知識。

一、阻抗匹配故障處理案例
1、故障現(xiàn)象
某新建項目中所有氣動調(diào)節(jié)閥無法開到位。具體現(xiàn)象為在現(xiàn)場接線完成及軟件組態(tài)完成遠(yuǎn)程調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)閥門均只能開到60%至70%。

2、使用工況介紹
歐冶爐頂煤氣噴吹新建項目，遠(yuǎn)程調(diào)試過程中。歐冶爐：創(chuàng)非高爐熔融還原煉鐵技術(shù)。

3、處理前安全措施
該系統(tǒng)處于施工試車階段，應(yīng)先開工作票，由工藝人員確認(rèn)交出后再進(jìn)行檢修調(diào)試。調(diào)試過程須有工藝人員監(jiān)護(hù)，經(jīng)工藝人員確認(rèn)后關(guān)閉氣動調(diào)節(jié)閥前后工藝閥，把調(diào)節(jié)閥切到檢修位。

4、故障原因分析及判斷思路
由于故障是普遍問題，昌暉儀表從閥門本體-閥門定位器本體及傳輸信號兩個方面入手查找故障，具體如下：
a、閥門及閥門定位器本身質(zhì)量問題；
b、系統(tǒng)輸出信號異常；
c、信號隔離器問題。

①排查定位器步驟
拆開閥門定位器信號線，用過程家演藝在閥門定位器信號端子直接送4-20mA有源信號，分別給0%、25%、50%、75%、99%閥位信號，閥門動作靈活并且各個閥位定位精確，故排除閥門和定位器故障。

②系統(tǒng)輸出信號排查步驟
a、將萬用表串聯(lián)到信號回路中，在系統(tǒng)中手動給定99%閥位信號，測量4-20mA電流明顯小于標(biāo)準(zhǔn)輸出值，由此初步判斷該故障是PLC卡件輸出電流過低造成。
b、針對這一情況深入分析：拆掉AO模塊至閥門定位器信號線；用萬用表毫安檔位直接測量模塊輸出電流為20mA。繼續(xù)對比測試其它模塊發(fā)現(xiàn)也是同樣的結(jié)果。

③原因分析
該閥門原設(shè)計氣動閥均配置的是西門子智能定位器，由于貨期原因，與廠家溝通將定位器更換為KOSO KGP5000智能閥門定位器。查閱定位器說明書，發(fā)現(xiàn)KOSO KGP5000定位器阻抗為650Ω，而控制信號隔離器帶載能力為580Ω(絕大多智能儀表的阻抗一般不會超過550Ω)。因此可以確定為信號隔離器的帶載能力與定位器不匹配，在閥門開至60%以后控制信號無法驅(qū)動定位器動作。

5、故障有效處理辦法
更換帶載能力為750Ω的YR9034A-0-GNNN-N后，該系統(tǒng)氣動調(diào)節(jié)閥均正常。

6、故障防范措施及改進(jìn)
信號匹配故障一般在新建項目中可能才會遇到。一般設(shè)計院在設(shè)計階段有可能存在考慮不周全或?qū)嶋H供貨設(shè)備參數(shù)與原設(shè)計內(nèi)容發(fā)生了變動，但在物資內(nèi)容確認(rèn)上又容易被疏忽。在運行過程中，如果需要更換信號隔離器或閥門定位器時，要注意儀表帶載能力與閥門定位器阻抗相匹配。

7、阻抗匹配故障處理經(jīng)驗談
在排查4-20mA信號時可以采用對比的方法：
①將萬用表打在直流mA檔位，將萬用表串聯(lián)到回路中，在PLC操作員站給定閥位和最小閥位電流值并記錄。
②將信號線在模塊端子上拆除，用萬用表直接測量模塊端子，測得的數(shù)據(jù)與①進(jìn)行比較。即可判斷信號是否正常(如果采用具備在線測量功能的底板式隔離器或安全柵模塊，則測量電流時可不必拆除端子)。
③在新建項目調(diào)試階段，特別是所有閥門都存有相同故障問題時，不應(yīng)按常規(guī)思路考慮是單臺閥門或系統(tǒng)單通道問題，應(yīng)首先考慮外部共因，方能更快更準(zhǔn)的分析問題處理問題。

二、什么是輸入阻抗和輸出阻抗
1、什么是輸入阻抗(input impedance)
輸入阻抗是指一個電路輸入端的等效阻抗。在輸入端上加上一個電壓源U，測量輸入端的電流I，則輸入阻抗Rin就是U/I。你可以把輸入端想象成一個電阻的兩端，這個電阻的阻值，就是輸入阻抗。

在輸入電壓不變的情況下，若輸入阻抗低則流過電流大，要求電路中前級的電流輸出能力強；反之，若輸入阻抗高則流過電流小，這就為前級的電流輸出能力減輕很大負(fù)擔(dān)。所以儀表電路設(shè)計中應(yīng)盡量提高輸入阻抗。

輸入阻抗跟電抗元件無異，輸入阻抗反映了對電流阻礙作用的大小。對于電壓驅(qū)動的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負(fù)載就越輕，因而就越容易驅(qū)動，也不會對信號源有影響；而對于電流驅(qū)動型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負(fù)載就越輕。因此，我們可以這樣認(rèn)為：如果是用電壓源來驅(qū)動的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅(qū)動的，則阻抗越小越好(注：只適合于低頻電路，在高頻電路中，還要考慮阻抗匹配問題)。另外如果要獲取輸出功率時，也要考慮阻抗匹配問題。

①電壓源驅(qū)動的電路
所謂電壓源驅(qū)動，可以理解為沒有內(nèi)阻且總是充滿能量的恒壓電池作為能量源，給負(fù)載供電。
電壓源驅(qū)動的電路的輸入阻抗
一個類似于能量源的電壓源U，加到負(fù)載的兩端，產(chǎn)生的電流I，那么負(fù)載的阻抗Rin就是U/I。負(fù)載上消耗的功率P=UI=U/Rin，由公式可知，這里的Rin總是起到減少電流I的作用，Rin越大，負(fù)載消耗的能量就越小；這里負(fù)載的阻抗就是負(fù)載的輸入阻抗。

②電流源驅(qū)動的電路
與電壓源驅(qū)動的電路正好相反，電流源驅(qū)動可以理解為一個電流恒定的能量源I，給負(fù)載供電。
由歐姆定律可知，產(chǎn)生的電壓為U=I×Rin，負(fù)載消耗的功率為P=UI=I×I×Rin，由公式可知，這里負(fù)載輸入阻抗Rin起到增大功率的作用，恒流源驅(qū)動的電路，電阻越大，負(fù)載兩端電壓越高，消耗的功率越大。

2、什么是輸出阻抗(output impedance)
輸出阻抗含獨立電源網(wǎng)絡(luò)輸出端口的等效電壓源(戴維南等效電路)或等效電流源(諾頓等效電路)的內(nèi)阻抗。其值等于獨立電源置零時，從輸出端口視入的輸入阻抗。

無論信號源或放大器還有電源，都有輸出阻抗的問題。輸出阻抗就是一個信號源的內(nèi)阻。本來，對于一個理想的電壓源(包括電源)，內(nèi)阻應(yīng)該為0，或理想電流源的阻抗應(yīng)當(dāng)為無窮大。輸出阻抗在電路設(shè)計最特別需要注意。

現(xiàn)實中的電壓源做不到內(nèi)阻為0，常用一個理想電壓源串聯(lián)一個電阻r的方式來等效一個實際的電壓源。這個跟理想電壓源串聯(lián)的電阻r就是信號源/放大器輸出/電源的內(nèi)阻了。當(dāng)這個電壓源給負(fù)載供電時，就會有電流I從這個負(fù)載上流過，并在這個電阻上產(chǎn)生I×r的電壓降。這將導(dǎo)致電源輸出電壓的下降，從而限制了輸出功率。同樣的，一個理想的電流源，輸出阻抗應(yīng)該是無窮大，但實際的電路是不可能的。

輸出阻抗是指電路負(fù)載從電路輸出端口反著看進(jìn)電路時電路所等效的阻抗，其實主要是針對能量源或者輸出電路來說的，是能量源在輸出端測到的阻抗，俗稱內(nèi)阻。

①電壓源驅(qū)動的電路
電壓源驅(qū)動的電路的輸出阻抗
電壓源在加到負(fù)載上時，除了在負(fù)載端消耗能量，自身也會產(chǎn)生能量的消耗，這里是因為電壓源在輸出能量的時候，內(nèi)部存在阻礙能量輸出的阻抗，比如電池的內(nèi)阻。比如恒壓源U，輸出阻抗為Rout，負(fù)載端電壓為Ur，負(fù)載R，電流為I=U/(Rout+R)，負(fù)載端電壓Ur=I×R=U×R/(Rout+R)，負(fù)載產(chǎn)生的功率為P=Ur×I=U2×R/(Rout+R)2。由此公式可知，輸出阻抗越小，帶負(fù)載的能力越大。

②電流源驅(qū)動的電路
電流源驅(qū)動的電路的輸入阻抗
對于電流源驅(qū)動的電路，也存在輸出阻抗，輸出阻抗并聯(lián)在恒流源兩端。電流源輸出恒定電流I，一部分In消耗在內(nèi)阻Rout上，剩余的電流Ir消耗在負(fù)載R上，由此可知，負(fù)載R上電壓為Ur=Ir×R，和內(nèi)阻Rout兩端電壓一致，即Ur=Ir×R=In×Rout，又因為I=Ir+In通過推導(dǎo)可知Ur=I×Rout×R/(Rout+R)，負(fù)載端功率：P=Ur×Ir=Ur2/Rout=I2×Rout×R2/(Rout+R)2=I2×R2/(Rout+R2/Rout+2R)。

由此可知，在Rout=R時，外端負(fù)載P。因此，對于恒流源負(fù)載，要想獲得功率，需要將負(fù)載的電阻值和電流源的內(nèi)阻匹配一致，即盡量趨近同一個值。

本文昌暉儀表深度介紹了輸入阻抗、輸出阻抗和阻抗匹配相關(guān)知識，如果你有不明白之處，歡迎在評論區(qū)留言討論。
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