УСТРОЙСТВО ИСКРОЗАЩИТЫ Российский патент 1997 года по МПК H02H9/04 G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для искробезопасного питания двухпроводных объектов, например, датчиков, работающих во взрывоопасной среде.

Известно устройство искрозащиты, в том числе и для двухпроводных датчиков, включающее последовательно соединенные предохранитель, ограничивающий и балластный резисторы с искробезопасным выходом и шунтирующий стабилитрон [1]
Недостатком указанного устройства является его низкая надежность искрозащиты при достаточно высокой точности или низкая точность при высокой надежности искрозащиты.

Наиболее близким к изобретению является устройство искрозащиты, содержащее цепочку из последовательно соединенных предохранителя, ограничивающего и балластного резисторов с искробезопасным выходом и отрицательным напряжением на входе и стабилитрон [2] В указанном устройстве функцию ограничивающего резистора выполняет предохранитель.

Недостатком данного устройства является появление обратного тока в цепи стабилитрона в условиях нормальной работы, что приводит к резкому снижению точности при использовании устройства для питания и съема сигнала с двухпроводных датчиков, выходным параметром которых является потребляемый по цепи питания ток. Если для снижения этой погрешности выбирать стабилитрон с высоким напряжением стабилизации, то снижается надежность искрозащиты.

Технический эффект изобретения состоит в повышении надежности искрозащиты и/или повышении точности съема сигнала при использовании устройства для искробезопасного питания и съема сигнала с двухпроводных датчиков.

Указанный эффект достигается тем, что устройство искрозащиты, содержащее цепочку из последовательно соединенных предохранителя, ограничивающего и балластного резисторов с искробезопасным выходом и отрицательным напряжением на входе и стабилитрон, снабжено двумя дополнительными диодами и последовательно соединенными дополнительными предохранителем и резистором, анод первого диода соединен с входом цепочки, анод второго диода связан с анодом стабилитрона, а катод с цепочкой между балластным и ограничивающим резисторами, выход дополнительного резистора связан с анодом второго диода и стабилитрона, катод стабилитрона заземлен, а свободный конец дополнительного предохранителя предназначен для соединения с дополнительным отрицательным напряжением.

На чертеже приведена схема предложенного устройства для искробезопасного питания и съема сигнала в двухпроводных датчиках.

Устройство содержит диод 1 и связанную с анодом диода 1 цепочку из последовательно соединенных предохранителя 2, ограничивающего резистора 3 и балластного резистора 4. Выход цепочки является искробезопасным. Катод диода 1 связан с отрицательным выходом источника питания, при этом положительный выход источника питания заземлен через резистор нагрузки (на чертеже источник питания и резистор нагрузки не показаны). Устройство содержит также последовательно соединенные дополнительный предохранитель 5 и дополнительный резистор 6. Свободный конец дополнительно предохранителя связан с дополнительным отрицательным напряжением источника питания. Кроме того, устройство содержит стабилитрон 7 и второй диод 8, аноды которых соединены между собой и со свободным концом дополнительного резистора 6. Катод диода 8 связан с цепочкой между балластным и ограничивающим резисторами 4 и 3, а катод стабилитрона 7 заземлен. Датчик 9 связан одним своим входом со свободным концом балластного резистора 4 (искробезопасным выходом цепочки), а второй вход датчика заземлен.

В предложенном устройстве ограничивающий резистор 3 вместе с предохранителем 2 обеспечивают максимальный ток стабилитрона 7 в аварийном режиме на уровне, который не может вывести из строя до срабатывания предохранителя 3. Стабилитрон 7 ограничивает напряжение холостого хода во взрывоопасной среде. Балластный резистор 4 ограничивает ток короткого замыкания во взрывоопасной среде. Дополнительное отрицательное напряжение источника питания, дополнительный резистор 6 и дополнительный предохранитель 5 обеспечивают напряжение на стабилитроне в нормальном режиме на уровне, несколько большем потенциала в точке соединения ограничивающего и балластного резисторов. Второй диод 8 предотвращает ответвление части тока датчика 9 в стабилитрон в нормальном режиме. Первый диод 1 ограничивает ток короткого замыкания во взрывоопасной среде в аварийном режиме в случае изменения полярности отрицательного источника питания.

В нормальном режиме устройство работает следующим образом. Датчик 9, функционально представляющий собой источник тока, управляемый измеряемым параметром, запитан от искробезопасной цепи устройства. Ток потребления датчика 9 проходит через цепочку последовательно соединенных предохранителя 2, ограничивающего резистора 3 и балластного резистора 4. Тип стабилитрона 7 и его обратный ток, задаваемый дополнительным резистором 6 и дополнительным отрицательным напряжением источника питания, выбирается так, чтобы при минимальном выходном токе с датчика 9 второй диод 8 работал при обратном смещении. При этом обратный ток стабилитрона 7 не влияет на точность съема выходного сигнала датчика 9 с резистора нагрузки.

Параметры первого диода не влияют на точность устройства, поскольку он включен в цепь источника тока, а влияние второго диода может проявиться только через его обратный ток. Однако этот ток определяется очень малым обратным напряжением (обычно от нуля до двух вольт) и поэтому оказывает пренебрежимо малое влияние на точность устройства.

Обеспечение искробезопасности электрических цепей, питающих датчик 9, происходит, таким образом, за счет ограничения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания до безопасных значений.

В нормальном режиме работы диод 8 заперт, а отрицательное напряжение на входе обеспечивает питание датчика 9.

В аварийном режиме предложенного устройства отрицательное напряжение на входе и дополнительное отрицательное напряжение могут возраста по модулю, а также изменить знак, то есть трансформироваться в положительное напряжение.

Рассмотрим аварийный режим, когда оба напряжения возрастают по модулю, но не изменяют знака. В этом режиме оба дополнительных диода смещены в прямом направлении, а стабилитрон в обратном. Сопротивления ограничивающего резистора 3, предохранителей 2 и 5 и дополнительного резистора 6 должны быть выбраны таким образом, чтобы ток стабилитрона 7 не превысил безопасного для него уровня за интервал времени от начала аварийного режима до срабатывания предохранителей. Напряжение холостого хода во взрывоопасной среде равняется сумме обратного напряжения на стабилитроне 7 и прямого напряжения на втором диоде 8. Ток короткого замыкания ограничивается балластным резистором 4 на уровне, который не должен вызвать воспламенения во взрывоопасной среде.

Рассмотрим аварийный режим, когда напряжения питания изменяют знак. При этом напряжение холостого хода во взрывоопасной среде в худшем случае может достигнуть потенциала катода первого диода 1. В этом режиме ток короткого замыкания, определяемый суммой обратного тока диода 1 и незначительного прямого тока второго диода 8, оказывается на несколько порядков меньше, чем в предыдущем случае, а потому не должен вызвать воспламенения во взрывоопасной среде.

Отрицательное напряжение на входе цепочки выбирается типично около 20 В с тем, чтобы при протекании тока датчика, равного верхнему пределу его изменения (типично 20 мА), напряжение на контактах датчика 9 (напряжение в искробезопасной цепи) было бы больше нижнего предела напряжения питания датчика. Дополнительное отрицательное напряжение и дополнительный резистор 6 подбирают так, чтобы обеспечить определенный начальный ток стабилизации стабилитрона 7 (типично около 25 мА). Стабилитрон 7 выбирают такого типа, чтобы при выбранном начальном токе стабилизации обеспечить напряжение стабилизации (типично около 22 В), которое бы запирало второй диод 8 в нормальном режиме. В качестве стабилитрона 7 могут быть использованы два последовательно включенных стабилитрона, например, типа Д815Д. Второй диод 8 выбирают таким образом, чтобы его обратный ток при напряжении в несколько вольт не влиял на точность работы в нормальном режиме. Первый диод 1 должен обеспечивать достаточно малый обратный ток при максимальном напряжении на его катоде (типично до 50 В). В качестве диодов 1 и 8 могут быть выбраны приборы типа Д229. Ограничительный резистор 8 и дополнительный резистор 6 должны быть выбраны таким образом, чтобы максимальный ток стабилитрона 7 в аварийном режиме (типично около 0,5 А) не превышал бы допустимого для этого прибора значения. Балластный резистор 4 (типично около 300 Ом) выбирают так, чтобы в аварийном режиме ток короткого замыкания не превышал бы допустимого значения с точки зрения исключения воспламенения.

При учете приведенных выше рекомендаций погрешность съема сигнала датчика определяется обратным током диода 8 и не превышает единиц микроампер или сотых долей процента от диапазона изменения тока датчика. В аварийном режиме напряжение холостого хода не превышает 26 В, а ток короткого замыкания 90 мА, что обеспечивает надежную искрозащиту. Если обеспечить те же значения напряжения холостого хода и тока короткого замыкания в аварийном режиме в устройстве прототипе при том же типе стабилитрона, то ток стабилитрона составил бы единицы миллиампер, что соответствует погрешности около 10% Для снижения этой погрешности до уровня сотых долей процента пришлось бы использовать стабилитрон с напряжением стабилизации примерно на 7 В больше, что увеличило бы напряжение холостого хода и ток короткого замыкания в аварийном режиме, то есть резко снизило бы надежность искрозащиты.

На вход цепочки с диодом 1 можно подавать и положительные напряжения. При этом необходимо поменять местами полярность стабилитрона 7, диодов 1 и 8, а работоспособность устройства не изменится.

Использование: в измерительной технике. Сущность: устройство состоит из цепочки последовательно соединенных диода, предохранителя, ограничивающего и балластного резисторов с искробезопасным выходом и отрицательным напряжением на входе, стабилитрона, начальное смещение которого обеспечивается дополнительным напряжением питания через предохранитель и резистор. Для исключения попадания тока стабилитрона в измерительную цепь в нормальном режиме используют запертый второй диод, включенный последовательно со стабилитроном. В аварийном режиме без изменения полярности напряжения питания напряжение холостого хода ограничивается стабилитроном и вторым диодом, а ток короткого замыкания-балластным резистором. В аварийном режиме при изменении полярности напряжения питания ток короткого замыкания определяется суммой токов запертого диода цепочки и незначительного прямого тока второго диода и легко может быть обеспечен ниже тока воспламенения. 1 ил.

Устройство искрозащиты, содержащее цепочку из последовательно соединенных предохранителя, балластного и ограничивающего резисторов с искробезопасным выходом, подключенным к датчику, и отрицательным напряжением источника питания на входе, стабилитрон, катодом подключенный к заземленному входу датчика, отличающееся тем, что оно снабжено двумя диодами и последовательно соединенными дополнительными предохранителем и резистором, анод первого диода соединен с входом цепочки, анод второго диода связан с анодом стабилитрона, а катод второго диода связан с цепочкой между балластным и ограничивающим резисторами, свободный конец дополнительного резистора связан с анодами второго диода и стабилитрона, свободный конец дополнительного предохранителя соединен с дополнительным отрицательным напряжением источника питания.