Шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля двухпозиционных датчиков Советский патент 1992 года по МПК E21F9/00 

Изобретение относится к автоматизации шахтных производственных процессов, а именно к устройствам контроля и управления, работающим в условиях взрывоопасной газовой среды.

Известно шахтное искробезопасное устройство контроля датчиков,которое содержит в каждом канале контроля элемент гальванической развязки, во входную цепь которого включен контактный двухпозици- онный датчик.

Недостатком устройства является то, что элементы гальванической развязки (в данном случае оптроны) непрерывно потребляют мощность от внешнего искробе- зопасного источника питания .во всем входным каналам, если контакты датчика находятся в замкнутом состоянии. При большом количестве контролируемых датчиков за счет повышения потребления све- тоизлучающими элементами оптронов искробезопасной мощности источника снижается искробезопасность устройства.

Известно также шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля датчиков в котором каждый канал контроля датчика содержит два оптрона, причем первый оптрон является опросным, он включает цепь светоизлучающего элемента, второго оптрона, с выхода которого снимается сигнал. За счет поочередного опроса датчиков потребляемая искробезопасная мощность источника не увеличивается в зависимости от числа контролируемых датчиков.

Однако существенным недостатком его является то, что количество элементов гальванической развязки должно в два раза пре- вышать число контролируемых датчиков, что не экономично, а кроме того, снижается надежность устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля состояния двухпозиционных датчиков, которое содержит два искробезопасных источника питания, входы опроса датчиков, опросные оптроны по числу контролируемых датчиков и один выходной оптрон, контакты контролируемых датчиков и выход устройства. Первый вывод светоизлучающего элемента первого (выходного) оптрона объединен с первыми выводами фотоприемников опросных оптронов, второй вывод светоизлучающего элемента первого оптрона соединен с положительным полюсом второго источника питания, отрицательный полюс которого через контакты контролируемых датчиков подключен к вторым выводам фотоприемников соответствующих опросных оптронов, первые выводы светоиз- лучающих элементов которых объединены и подключены к отрицательному полюсу первого источника питания, вторые выводы которых являются входами опроса датчиков. Первый вывод фотоприемника выходного оптрона соединен с положительным полюсом первого источника питания, второй вы0 вод фотоприемника выходного оптрона является выходом устройства.

Сигналы опроса поочередно подаются на светоизлучающие элементы опросных оптронов и открывают их фотоприемники,

5 которые соединены последовательно с соответствующими датчиками. Если датчик включен, то собирается цепь данного опросного сигнала и зажигается светоизлучаю- щий элемент выходного оптрона. На

0 следующем такте опроса (опросный сигнал на следующем входе) снимается информация, соответствующая положению следующего датчика и т.д. Таким образом, с выхода устройства снимается последовательный

5 информационный код состояния датчиков, соответствующий тактовой опросной частоте, т.е. в каждом такте опроса датчиков на выходе устройства присутствует сигнал о состоянии опрашиваемого через соответст0 вующий вход опроса датчика.

Основной недостаток устройства состоит в том, что известное устройство может функционировать только в присутствии человека (оператора), который подает опрос5 ный сигнал на соответствующий вход и фиксирует состояние выходного оптрона. Кроме того, недостатком устройства является, во-первых, повышенное количество необходимых элементов гальванического

0 разделения (оптронов), которое увеличивается с увеличением числа контролируемых датчиков и равно п + 1, где п - число датчиков. Оптроны являются достаточно дорогими элементами специального

5 назначения и использовать их вместо обычных электронных ключей или схем совпадения нецелесообразно. Во-вторых, первый искробезопасный источник, обеспечивающий опрос датчиков и выход устрой0 ства, имеет повышенную искробезопасную мощность по сравнению с вторым источником за счет одновременного включения его двух параллелльных цепей - цепи светоизлучающего элемента любого опросного опт5 рона и выходной цепи при включении любого датчика. Особое значение это имеет, если выходной сигнал передается на большое расстояние по длинной линии связи. В этом случае к искробезопасному источ- нику предъявляются более жесткие

требования по мощности за счет индуктивности и электрической емкости двухпроводной линии связи.

Кроме того, устойчивая и надежная передача информации по проводной линии требует минимального внутреннего сопротивления как приемника, так и передатчика, т.е. передача должна осуществляться на полном токе источника, мощность которого ограничена условиями искробезопасности. Если предположить, что приемником выходного сигнала является светоизлучающий элемент оптрона на противоположном конце линии связи, то мощность первого источ- ника должна быть в два раза выше мощности второго за счет необходимости обеспечить одновременную работу двух светоизлучающих элементов приемного и опросного оптронов.

Цель изобретения - повышение надежности путем сокращения элементов гальва- нической развязки и снижение искробезопасной мощности.

Поставленная цель достигается тем, что шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля двухпозиционных датчиков, содержащее два искробезопасных источника питания, положительная шина первого из которых подключена к первому выводу светоприемника первого оптрона, отрицательная шина первого искробезо- пасного источника питания подключена к катоду светодиода второго оптрона, положительная шина второго искробезопасно- го источника питания подключена к первым выводам двухпозиционных датчиков, а катод третьего оптрона подключен к первому выводу светоприемника четвертого оптрона, снабжено ключевыми элементами и блоками совпадения по числу двухпозиционных датчиков, инвертором, резистором, элементом И, выходным ключом опроса, двумя распределителями импульсов и генератором тактовой частоты, выход которого подключен к входу первого распределителя импульсов и к входу ключа опроса, выход которого подключен к катоду светодиода первого оптрона, анод которого подключен к первому выводу светоприемника третьего оптрона, второй вывод которого подключен к управляющим входам блоков совпадения, входы которых подключены к соответствующим выходам первого распределителя импульсов, а второй вывод светоприемника первого оптрона подключен к аноду светодиода второго оптрона, а первый вывод светоприемника второго оптрона подключен к аноду светодиода четвер- того оптрона и к первым выводам двухпозиционных датчиков, вторые выводы

которых подключены к входам ключей, отрицательная шина первого искробезопасного источника подключена к второму выводу светоприемника четвертого оптрона, катод

светодиода которого подключен к входу выходного ключа, выход которого подключен к отрицательной шине второго источника питания непосредственно и через резистор - к второму выводу светоприемника второго

0 оптрона и к входу инвертора, выход которого подключен к управляющему входу второго распределителя тактовых импульсов и к первому входу элемента И, к второму выходу которого подключены вторые выходы

5 ключей, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам второго распределителя тактовых импульсов, а выход элемента И подключен к управляющему входу выходного ключа.

0 Введение в устройство ключевых элементов и блоков совпадения по числу двух- позиционных датчиков, инвертора, резистора, элемента И, выходного ключа, ключа опроса, двух распределителей им5 пульсов и генератора тактовой частоты в совокупности с соединением данных элементов по описанной схеме приводит к тому, что всю информацию с датчиков можно снять и передать на расстояние потребите0 лю по гальванически развязанной цепи с помощью четырех оптронов независимо от числа датчиков за счет передачи от потребителя тактовой частоты опроса с помощью двух оптронов, преобразования параллель5 ного позиционного кода состояния датчиков в последовательный код с помощью ключевых элементов и передающего распределителя импульсов, работающего синхронно с приемным распределителем

0 импульсов, который проводит обратное преобразование информационного кода. Введение схемы И и инвертора дает возможность снизить искробезопаснукГ мощность выходного источника в два раза при

5 работе на длинную линию связи за счет поочередного включения цепи оптронов, передающих тактовую частоту, и оптронов, передающих в обратном направлении информационный код состояния датчиков.

0 . На чертеже приведена схема шахтного искробезопасного устройства дискретного контроля двухпозиционных датчиков.

Устройство содержит два искробезопасных источника 1 и 2 питания, элементы

5 гальванического разделения, например оп- троны 3-6, двухпозиционные датчики 7, ключевые элементы 8, блоки 9 совпадения по числу двухпозиционных датчиков, инвертор 10, резистор 11, элемент А 12, выходной ключ 13, ключ 14 опроса, распределители 15

и 16 импульсов и генератор 17 тактовой частоты. На схеме положительные и отрицательные полюсы источников обозначены знаками + .

Элементы схемы соединены следующим образом: положительная шина первого искробезопасного источника 1 питания подключена к первому выводу светоприемника первого оптрона 3, отрицательная шина первого искробезопасного источника 1 питания подключена к катоду светодиода второго оптрона 4, а положительная шина второго искробезопасного источника 2 питания подключена к первым выводам двух- позиционных датчиков 7, а катод третьего оптрона 5 подключен к первому выводу светоприемника четвертого оптрона 6, выход генератора 17 тактовой частоты подключен к входу первого распределителя 15 импульсов и к входу ключа 14 опроса, выход которого подключен к катоду светодиода первого оптрона 3, анод которого подключен к первому выводу светоприемника третьего оптрона 5, второй вывод которого подключен к управляющим входам блоков 9 совпадения, входы которых подключены к соответствующим выходам первого распределителя 15 импульсов, а второй вывод светоприемника первого оптрона 3 подключен к аноду светодиода второго оптрона 4, а первый вывод светоприемника второго оптрона 4 подключен к аноду светодиода четвертого оптрона 6 и к первым выводам двухпозиционных датчиков 7, вторые выводы которых подключены к входам ключей 8, а отрицательная шина первого искробезопасного источника 1 подключена к второму выводу светоприемника четвертого оптрона 6, катод светодиода которого подключен к входу выходного ключа 13, выход которого подключен к отрицательной шине второго источника 2 питания непосредственно и через резистор 11 - к второму выводу светоприемника второго оптрона 4 и к входу инвертора 10, выход которого подключен к управляющему входу второго распределителя 16 тактовых импульсов и к первому входу элемента И 12, к второму входу которого подключены вторые выходы ключей 8, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам второго распределителя 16 тактовых импульсов, а выход элемента И 12 подключен к управляющему входу выходного ключа 13.

Устройство работает в автоматическом режиме при передаче информации в цепь дополнительного источника питания, например в цепь искробезопасного источника, расположенного на поверхности шахты. В этом случае тактовая частота опроса, вырабатываемая генератором 17, с помощью ключа 14 и светоизлучающего элемента первого оптрона 3 передается в цепь искробезопасного источника 1. Фотоприем- ник первого оптрона 3 периодически замыкается и передает тактовую частоту в виде последовательности симметричных импульсов тока по линии связи на вход второго оптрона 4. Импульс тока, протекающий

0 в данной цепи от положительного полюса источника 1 до его отрицательного полюса, вызывает свечение светоизлучающего элемента второго оптрона 4.

Срабатывает фотоприемник данного

5 оптрона 4, который замыкает цепь второго источника питания 2 от его положительного до отрицательного полюса через резистор 11, который необходим для согласования токового сигнала с высокоомным входом

0 электронных схем. От точки, объединяющей первый вывод фотоприемника второго оптрона 4 и первый вывод резистора 11, импульс напряжения подается на инвертор 10, где меняет свою фазу на 180°. Полученная

5 последовательность импульсов, подаваемая на вход распределителя 16, управляет его работой.

Распределитель 16 формирует последовательно на своих выходах сигналы опроса,

0 которые по длительности равны такту (периоду) последовательности импульсов на его входе. Указанные опросные сигналы открывают соответствующие ключи 8, число которых равно количеству контролируемых

5 двухпозицонных датчиков 7, через которые положительный потенциал второго источника 2 подается на вторые входы ключей 8.

Таким образом, сочетание распределителя 16 и ключей 8 представляет собой пре0 образователь параллельного кода состояния датчиков 7 в последовательный код, где каждому датчику отводится определенная временная позиция. Данный последовательный код формируется на общей

5 шине с выходов ключей 8. Указанный последовательный код является нормальным двоичным последовательным кодом, т.е. сигнальные импульсы с двух включенных соседних датчиков не разделяются.

0 На схеме И 12 совпадения данный последовательный код сравнивается с тактовой последовательностью импульсов, управляющей распределителем 16. При помощи этой операции осуществляется разде5 ление соседних сигнальных импульсов кода за счет закрытия схемы совпадения на второй половине каждого такта. Таким образом, на управляющий вход выходного ключа 13 подается последовательный код состоя- ния датчиков 7, где сигнальные импульсы

занимают первую половину своего тактового интервала. А так как для формирования данного кода используется инверсная тактовая частота, то указанный последовательный код сдвинут по фазе на 180° относительно исходной тактовой частоты, проходящей через второй оптрон 4, что по времени составляет половину тактового интервала.

В результате оптроны 6 и 4 включаются в разные моменты времени: в первой половине тактового интервала исходной частоты, подаваемой на светоизлучающий элемент оптрона 4, через него передается тактовый импульс, а во второй половине данного интервала времени передается в обратном направлении через оптрон 6 сигнальный импульс включенного состояния соответствующего датчика 7.

Таким образом, с выхода фотоприемника четвертого оптрона 6 получаем последовательный код состояния двухпозиционных датчиков, где каждый сигнальный импульс соответствует тактовому интервалу. При подключении выхода фотоприемника оптрона 6 через другой провод линии связи и светоизлучающий элемент третьего оптрона 5 к положительному полюсу источника 1 информацию о состоянии 7 можно передать в искроопасную цепь, где расположен преобразователь последовательного информационного кода в параллельный.

Данный преобразователь состоит из распределителя импульсов 15 и схем 9 совпадения, каждая из которых одним входом подключена к соответствующему выходу распределителя 15. На вход данного распределителя 15 подается с генератора 17 та же тактовая опросная частота, что и на вход распределителя 16, т.е. последовательный информационный код засинхронизирован с распределителем 15.

Последовательный информационный код с выхода фотоприемника третьего оптрона 5 подается на все вторые входы схем 9 совпадения, которые по первым входам управляются с соответствующих выходов распределителя 15. Таким образом на выходах схем 9 совпадения получаем параллельный позиционный код состояния датчиков 7.

Основными недостатками оптронов, предназначенных для гальванического разделения цепей, является их достаточно высокая стоимость по сравнению с обычными электронными ключами (с биполярными или полевыми транзисторами) без гальванического разделения управляющих и исполнительных цепей, пониженная надежность и значительное потребление электрической

мощности светоизлучающими элементами оптронов по сравнению с известными элементами микроэлектронной техники, например микросхемы КМОП-структуры. Все

это существенно влияет на стоимость и надежность выпускаемой аппаратуры, а с другой стороны ограничивает разработку и применение маломощной искробезопасной аппаратуры шахтной автоматики.

0 Предлагаемое устройство в значительной степени уменьшает указанные недостатки. Количество опросных оптронов, которое в известном устройстве равно п, где п -число контролируемых датчиков, замене5 но одним оптроном, передающим тактовую частоту, а вместо остальных оптронов применяются обычные электронные ключи в количестве п, где п - число контролируемых датчиков.

0 Кроме того, для функционирования предлагаемой схемы опроса датчиков, которая питается полностью от второго иск- робезопасного источника, практически не требуется введения дополнительных эле5 ментов, кроме п указанных ключей. Для работы в автоматическом режиме известного устройства также необходимы источник тактовой частоты и распределитель импульсов.

0 Таким образом, замена дорогостоящих элементов специального назначения (оптронов) обычными электронными ключами общего назначения в пропорции 1:1 дает прямой экономический эффект, который на5 иболее существенен при повышенном числе контролируемых датчиков, например более 10.

Предлагаемая схема дает возможность снизить искробезопасную мощность источ0 ника выходной цепи - первого искробезо- пасного источника, за счет поочередного включения двух его параллельных цепей: цепи светоизлучающего элемента опросного оптрона и цепи фотоприемника выходно5 го оптрона. Это наиболее существенно при передаче выходного сигнала на расстояние по двухпроводной линии связи, что вносит дополнительныеограничения по искробезопасной мощности источника. При нагрузке

0 выходной цепи устройства на приемник сигналов с низкоомным входом, например светоизлучающий элемент дополнительного приемного оптрона, мощность выходного источника затрачивается только на включе5 ние одного оптрона, независимо от количества включенных контролируемых датчиков. Таким образом, в данном случае мощность выходного источника (первого искробезо- пасного источника) можно снизить примерно в два раза.

Энергопотребление предлагаемой схемой от обоих искробезопасных источников, также примерно едва раза уменьшается по сравнению с известной, так как при включении всех датчиков в известном устройстве постоянно включены два оптрона. В предлагаемой схеме опросный и выходной опт- роны включаются поочередно, что по затратам электроэнергии соответствует свечению только одного оптрона. Это имеет большое значение для маломощных автономных искробезопасных источников, например батареи, аккумуляторы.

Формул а и зобретения

Шахтное искробезопасное устройство дискретного контроля двухпозиционных датчиков, содержащее два искробезопасных источника питания, положительная шина первого из которых подключена к первому выводу светоприемника первого оптрона, отрицательная шина первого иск- робезопасного источника питания подключена к катоду светодиода второго оптрона, а положительная шина второго искробезо- пасного источника питания подключена к первым выводам двухпозиционных датчиков, третий оптрон подключен к первому выводу светоприемника четвертого оптрона, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности путем сокращения элементов гальванической развязки и снижения искробезопасной мощности, устройство снабжено ключевыми элементами и блоками совпадения по числу двухпозици- онных датчиков, инвертором, резистором, элементом И, выходным ключом, ключом

опроса, двумя распределителями импульсов и генератором тактовой частоты, выход которого подключен к входу первого распределителя импульсов и к входу ключа опроса, выход которого подключен к катоду светодиода первого оптрона, анод которого подключен к первому выводу светоприемника первого оптрона, а второй вывод которого подключен к управляющим входам блоков совпадения, входы которых подключены к соответствующим выходам первого распределителя импульсов, а второй вывод светоприемника первого оптрона подключен к аноду светодиода второго оптрона, а первый вывод светоприемника второго оптрона подключен к аноду светодиода четвертого оптрона и к первым выводам двухпозиционных датчиков, вторые выводы которых подключены к выходам ключей, а отрицательная шина первого искробезопас- ного источника подключена к второму выводу светоприемника четвертого оптрона, катод светодиода которого подключен к входу выходного ключа, выход которого подключен к отрицательной шине второго источника питания непосредственно и через резистор к второму выводу светоприемника второго оптрона и к входу инвертора, выход подключен к управляющему входу второго распределителя тактовых импульсов и к первому входу элемента И, к второму входу которого подключены вторые выходы ключей, управляющие входы которых подключены к соответствующим выходам второго распределителя импульсов, а выход элемента И подключен к управляющему входу выходного ключа.

Изобретение относится к автоматизации шахтных производственных процессов. Цель изобретения - повышение надежности путем сокращения элементов гальванической развязки и снижение искробезопасности мощности. Устройство содержит два искробезопасных источника питания 1,2, эл-ты гальванического разделения, например оптроны 3, 4, 5, и 6, двухпо- зиционные датчики 7. Введены ключевые эл-ты 8 и блоки совпадения 9 по числу двух- позиционных датчиков, инвертор 10, резистор 11, элемент И 12, выходной ключ опроса 14, распределители импульсов 15 и 16, генератор тактовой частоты 17. Распределитель импульсов 16 для опроса двухпо- зиционных датчиков 7 перенесен в цепь питания контролируемых датчиков от второго искробезопасного источника 2, введены дополнительные п ключи 8, где п - число датчиков 7. Через опросный оптрон 4 тактовая частота подается на вход распределителя 16, а выходной оптрон 6 выдает последовательный код состояния контролируемых датчиков 7, С помощью введенных схемы совпадения И 12 и инвертора 10 последовательный код состояния датчиков 7 преобразуется таким образом, что оптроны 6 и 4 включаются поочередно в разные моменты времени, что способствует снижению ис- кробезопасной мощности источника 1 и энергозатратам обоих искробезопасных источников 1 и 2. 1 ил. J Ё Х| ю го Os VI tf