一、阻抗匹配故障處理案例
1、故障現象
某新建項目中所有氣動調節閥無法開到位。具體現象為在現場接線完成及軟件組態完成遠程調試時，發現閥門均只能開到60%至70%。
2、使用工況介紹
歐冶爐頂煤氣噴吹新建項目，遠程調試過程中。歐冶爐：國內首創非高爐熔融還原煉鐵技術。
3、處理前安全措施
該系統處于施工試車階段，應先開工作票，由工藝人員確認交出后再進行檢修調試。調試過程須有工藝人員監護，經工藝人員確認后關閉氣動調節閥前后工藝閥，把調節閥切到檢修位。
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量問題；
b、系統輸出信號異常；
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%、100%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系統輸出信號排查步驟
a、將萬用表串聯到信號回路中，在系統中手動給定100%閥位信號，測量4-20mA電流明顯小于標準輸出值，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。繼續對比測試其它模塊發現也是同樣的結果。
③原因分析
該閥門原設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，發現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信號隔離器后，該系統氣動調節閥均正常。
6、故障防范措施及改進
信號匹配故障一般在新建項目中可能才會遇到。一般設計院在設計階段有可能存在考慮不周全或實際供貨設備參數與原設計內容發生了變動，但在物資內容確認上又容易被疏忽。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，將萬用表串聯到回路中，在PLC操作員站給定最大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，測得的數據與①進行比較。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在新建項目調試階段，特別是所有閥門都存有相同故障問題時，不應按常規思路考慮是單臺閥門或系統單通道問題，應首先考慮外部共因，方能更快更準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擔。所以儀表電路設計中應盡量提高輸入阻抗。
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。對于電壓驅動的電路，輸入阻抗越大，則對電壓源的負載就越輕，因而就越容易驅動，也不會對信號源有影響；而對于電流驅動型的電路，輸入阻抗越小，則對電流源的負載就越輕。因此，我們可以這樣認為：如果是用電壓源來驅動的，則輸入阻抗越大越好；如果是用電流源來驅動的，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)。另外如果要獲取最大輸出功率時，也要考慮阻抗匹配問題。
①電壓源驅動的電路
所謂電壓源驅動，可以理解為沒有內阻且總是充滿能量的恒壓電池作為能量源，給負載供電。
一個類似于能量源的電壓源U，加到負載的兩端，產生的電流I，那么負載的阻抗Rin就是U/I。負載上消耗的功率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，負載消耗的能量就越小；這里負載的阻抗就是負載的輸入阻抗。
②電流源驅動的電路
與電壓源驅動的電路正好相反，電流源驅動可以理解為一個電流恒定的能量源I，給負載供電。
由歐姆定律可知，產生的電壓為U=I×Rin，負載消耗的功率為P=UI=I×I×Rin，由公式可知，這里負載輸入阻抗Rin起到增大功率的作用，恒流源驅動的電路，電阻越大，負載兩端電壓越高，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絡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阻。本來，對于一個理想的電壓源(包括電源)，內阻應該為0，或理想電流源的阻抗應當為無窮大。輸出阻抗在電路設計最特別需要注意。
現實中的電壓源做不到內阻為0，常用一個理想電壓源串聯一個電阻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的電阻r就是信號源/放大器輸出/電源的內阻了。當這個電壓源給負載供電時，就會有電流I從這個負載上流過，并在這個電阻上產生I×r的電壓降。這將導致電源輸出電壓的下降，從而限制了最大輸出功率。同樣的，一個理想的電流源，輸出阻抗應該是無窮大，但實際的電路是不可能的。
輸出阻抗是指電路負載從電路輸出端口反著看進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，俗稱內阻。
①電壓源驅動的電路
電壓源在加到負載上時，除了在負載端消耗能量，自身也會產生能量的消耗，這里是因為電壓源在輸出能量的時候，內部存在阻礙能量輸出的阻抗，比如電池的內阻。比如恒壓源U，輸出阻抗為Rout，負載端電壓為Ur，負載R，電流為I=U/(Rout+R)，負載端電壓Ur=I×R=U×R/(Rout+R)，負載產生的功率為P=Ur×I=U2×R/(Rout+R)2。由此公式可知，輸出阻抗越小，帶負載的能力越大。
②電流源驅動的電路
對于電流源驅動的電路，也存在輸出阻抗，輸出阻抗并聯在恒流源兩端。電流源輸出恒定電流I，一部分In消耗在內阻Rout上，剩余的電流Ir消耗在負載R上，由此可知，負載R上電壓為Ur=Ir×R，和內阻Rout兩端電壓一致，即Ur=Ir×R=In×Rout，又因為I=Ir+In通過推導可知Ur=I×Rout×R/(Rout+R)，負載端功率：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，外端負載P最大。因此，對于恒流源負載，要想獲得最大功率，需要將負載的電阻值和電流源的內阻匹配一致，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知識，如果你有不明白之處，歡迎在評論區留言討論。
