CN101702507A - 基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆方法与装置 - Google Patents
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Abstract
基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆方法与装置，属于本质安全防爆技术领域。该装置含有用于动态监测电火花产生条件的电流变化率监测电路、信号保持电路和电源高速关断电路。电流变化率监测电路的作用是实时监测电流上升率与下降率，并在电流陡升或陡降的瞬间产生关断信号并将其传递给信号保持电路，由关断信号驱动电源高速切断电路，在电火花产生后的数微秒内切断电源，将电火花能量控制在不足以点燃危险爆炸性气体的水平。本发明具有响应速度快，危险阈值可调，耐电压冲击能力强等优点，可以应用在危险爆炸性气体现场仪表设备的本质安全防爆领域。
Description
技术领域
本发明属于本质安全防爆技术领域，可以应用在危险爆炸性气体现场仪表设备的本质安全防爆领域。
背景技术
本安防爆技术是一种非常有发展前景的防爆技术。目前所广泛采用的本安防爆技术，如申请号92109151.6本质安全防爆直流电源，公开日94年2月16日以及专利号200620093434.1(公开日，发明名称)等专利技术的防爆原理是采用低功耗的设计方法，通过可靠的将电路中的功率限制在一个较低的水平(如：2W)从而保证本质安全。这种本安防爆技术所固有的缺陷在于其可用功耗太低。随着工业自动化水平的不断提高，应用于危险爆炸性气体的现场设备也得到了快速的发展，但是本安防爆技术的低功耗要求却极大束缚了现场设备的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆方法与装置，以提高爆炸性危险气体现场设备的可用功率并保证本质安全。
本发明的技术方案如下：
一种基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述装置含有用于电火花动态监测的电流变化率监测电路、信号保持电路和电源高速关断电路；所述电流变化率监测电路串接在负载电源回路中，含有电流上升率监测电路和电流下降率监测电路；所述电流上升率监测电路的信号输出端和电流下降率监测电路的信号输出端分别与所述信号保持电路的两个输入端连接；所述信号保持电路的输出端与所述电源高速关断电路的关断信号输入端连接；所述电源高速关断电路串接在负载电源回路中，电源高速关断电路的关断信号输入端与所述信号保持电流的输出端连接，当接收到关断信号时，所述电源高速关断电路快速切断负载电源回路。
本发明所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述的电流上升率监测电路含有串接在负载电源回路中的取样电感L和运算放大器U1，所述取样电感L的两端分别经电容C1与C2连接到运算放大器U1的正向输入端与反向输入端；该电流上升率监测电路还含有一个用于设置运算放大器U1的输入电路初始工作点的第一桥式电路，所述第一桥式电路含有电阻R1、R2、R3以及可变电阻Rvar1，所述电阻R1与R2所在桥臂的一端与高电平VCC相连，另一端分别与运算放大器U1的正向输入端和反向输入端相连，所述电阻R3与可变电阻Rvar1所在桥臂一端分别与运算放大器U1的正向输入端和反向输入端相连，另一端接地；所述运算放大器U1的输出端与信号保持电路的输入端连接。
本发明所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述电流下降率监测电路含有串接在负载电源回路中的取样电感L和运算放大器U2，所述取样电感L的两端分别经电容C3与C4连接到运算放大器U2的反向输入端与正向输入端；该电流下降率监测电路还含有一个用于设置运算放大器U2的输入电路初始工作点的第二桥式电路，所述第二桥式电路含有电阻R4、R5、R6以及可变电阻Rvar2，所述电阻R4与R5所在桥臂一端与高电平VCC相连，另一端分别与运算放大器U2的正向输入端和反向输入端相连，所述电阻R6与可变电阻Rvar2所在桥臂一端分别与运算放大器U2的正向输入端和反向输入端相连，另一端接地；所述运算放大器U2的输出端与信号保持电路的输入端连接。
本发明所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述信号保持电路含有一个D触发器，所述D触发器的D端接地，CLK端与一个或门U3的输出端连接，所述或门U3的一个输入端与所述电流上升率监测电路的信号输出端连接，所述或门U3的另一个输入端与所述电流下降率监测电路的信号输出端连接；所述D触发器的信号输出端与所述电源高速关断电路的关断信号输入端连接。
本发明所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述电源高速关断电路含有串接在负载电源回路中的一个PNP型三极管T1，所述PNP型三极管T1的集电极与负载端连接，发射极与电源端连接，基极通过一个限流电阻R7与一个NPN型三极管T3的集电极连接；所述NPN型三极管T3的发射极接地，基极与所述信号保持电路的关断信号输出端连接；所述电源高速关断电路还含有一个NPN型达林顿管T2，所述NPN型达林顿管T2的集电极与所述NPN型三极管T1的集电极连接，发射极接地，基极与所述信号保持电路输出的关断信号的反信号连接。
本发明提供的一种基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆方法，其特征在于，含有以下步骤：
1)电流变化率监测电路实时监测负载电源回路中的电流变化情况，即利用电阻R1、R2、R3以及可变电阻Rvar1组成的桥式电路设置运算放大器U1输入电路的初始工作点，其中可变电阻Rvar1设置危险阈值，在正常工作状态下，通过调节可变电阻Rvar1，使得运算放大器U1的反向输入端电平高于正向输入端电平，运算放大器U1输出低电平；电流发生陡升时，取样电感L产生感应电压U，然后通过C1与C2的电容耦合作用将感应电压U传递给运算放大器U1的输入端，使得运算放大器U1的正向输入端电平高于反向输入端电平，运算放大器U1输出高电平，即产生电流突变信号；利用电阻R4、R5、R6以及可变电阻Rvar2组成的桥式电路设置运算放大器U2输入电路的初始工作点，其中可变电阻Rvar2设置危险阈值，在正常工作状态下，通过调节可变电阻Rvar2，使得运算放大器U2的反向输入端电平高于正向输入端电平，运算放大器U2输出低电平；电流发生陡降时，取样电感L产生感应电压U，然后通过C3与C4的电容耦合作用将感应电压U传递给运算放大器U2的输入端，使得运算放大器U2的正向输入端电平高于反向输入端电平，运算放大器U2输出高电平，即产生电流突变信号；
2)所述信号保持电路将所述电流突变信号转换为低电平关断信号，输出给电源高速关断电路；
3)所述电源高速关断电路接收到低电平关断信号后，快速关断三极管T3，导通三极管T2，从而快速关断T1，迅速切断负载电源回路。
本发明具有响应速度快，危险阈值可调，耐电压冲击能力强等优点，能为较大功率的爆炸性气体现场设备提供本质安全保护。通过采用高速运算放大器、三极管以及逻辑门电路，本发明可以达到不超过5μs的响应时间，确保电火花释放的能量不足以点燃爆炸性气体。通过调节可变电阻Rvar的电阻值，可以调节危险阈值，避免电源电压的纹波等干扰因素的影响。
附图说明
图1是本发明的电路原理框图。
图2是本发明的电流变化率监测电路的原理框图。
图3是本发明的电流上升率监测电路原理图。
图4是本发明的电流下降率监测电路原理图。
图5是本发明的信号保持部分的电路原理图。
图6是本发明的电源高速切断部分的电路原理图。
具体实施方式
本发明可实现本质安全防爆基于如下原理。
电火花是引起危险爆炸性气体爆炸的主要原因，而电路的换接，即断路和短路又是产生电火花的主要原因。电路换接时电气放电形式主要是弧光放电，放电过程可以分为三个主要阶段：弧光形成期、弧光电压维持期、弧光熄灭期。电火花能量的释放主要集中在前两个阶段尤其是弧光电压维持阶段，因此若能在弧光形成期(一般在前5μs)准确识别出火花并快速切断电源，就能保证本质安全。本发明能够利用电流变化率监测电路快速识别火花，并利用电源切断电路高速关断供电电源，实现现场仪表设备的本质安全保护。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明主要由三个部分组成：电流变化率监测电路，信号保持电路，高速关断电路，主要功能包括两个方面：电火花的快速识别与电源的高速切断。电流变化率监测电路串接在负载电源回路中，实时监测负载电源回路中的电流变化情况，即监测电流上升或下降突变，将突变信号传给信号保持电路，信号保持电路进行信号保持，并输出低电平关断信号，将该信号传给电源高速关断电路，电源高速关断电路也串接在负载电源回路中，当接收到关断信号后迅速关断电源。
如图2、图3、图4所示，图2是电流变化率监测电路的原理框图，图3是电流上升率监测电路原理图，图4是电流下降率监测电路原理图。电流变化率监测电路的作用是实时监测电流上升率与下降率，并在电流陡升或是陡降的瞬间产生关断信号并将其传递给信号保持电路。
电流上升率监测电路，主回路取样电感L的A、B两端分别经电容C1与C2分别连接到运算放大器U1的正向输入端与反向输入端；电阻R1、R2、R3以及可变电阻Rvar1组成一个桥式电路，R1与R2所在桥臂一端都与高电平(VCC)相连，另一端分别与运算放大器U1的正向输入端和反向输入端相连，R3与Rvar1所在桥臂一端分别与运算放大器U1的两个输入端相连，另一端都与地(GND)相连。在正常工作状态下，通过调节可变电阻Rvar，使得运算放大器U1的反向输入端电平高于正向输入端电平，运算放大器U1输出低电平。
电阻R1、R2、R3以及可变电阻Rvar1组成的桥式电路的主要作用是设置运算放大器U1输入电路的初始工作点，其中可变电阻Rvar1可以设置危险阈值，在正常工作状态下，通过调节可变电阻Rvar1，使得运算放大器U1的反向输入端电平高于正向输入端电平，运算放大器U1输出低电平；电流发生陡变时，取样电感L起到产生感应电压U的作用，然后通过C1与C2的电容耦合作用将感应电压U传递给运算放大器U1的输入端，使得运算放大器U1的正向输入端电平高于反向输入端电平，运算放大器U1输出高电平；运算放大器U1将差动电压信号转变成逻辑电平信号，并将危险信号传递给下一级的信号保持电路。
电流下降率监测电路与上升率监测电路基本相同，不同点在于，取样电感L感应电压的连接与电流上升率电路的连接方式相反。如图4，主回路取样电感L的A、B两端分别经电容C3与C4分别连接到运算放大器U2的反向输入端与正向输入端；电阻R4、R5、R6以及可变电阻Rvar2组成一个桥式电路，R4与R5所在桥臂一端都与高电平(VCC)相连，另一端分别与运算放大器U2的正向输入端和反向输入端相连，R6与Rvar2所在桥臂一端分别与运算放大器U2的两个输入端相连，另一端都与地(GND)相连。在正常工作状态下，通过调节可变电阻Rvar2，使得运算放大器U2的反向输入端电平高于正向输入端电平，运算放大器U2输出低电平。
上述运算放大器U1与U2可以采用AD8052AR型芯片。
如图5所示，信号保持电路起到传递与保持信号的作用。主要包括一个逻辑电路“或门”U3，一个D触发器U4。或门的两个输入端分别接电流上升率监测电路与电流下降率监测电路的输出。D触发器CLK端接或门输出，D端接地，输出Q端为关断信号，正常状态下Q端输出为高电平。当两个监测电路有任意一个的输出由正常状态下的低电平变为高电平时，或门输出端产生一个上升沿，由于D端接地，故而D触发器的Q端输出低电平的关断信号。或门U3可以采用74HC32系列芯片，D触发器可以采用74S74系列芯片。如图，信号保持电路的或门U3的输入端分别与U1和U2的输出端相连，D触发器U4的CLK端接或门U3的输出，D端接地，输出端Q的输出信号即为关断信号。
如图6所示高速关断电路，主回路串联一个PNP型的三极管，其发射极与电源端相连，集电极与负载端相连，基极通过限流电阻R7与一个NPN型驱动三极管T3的集电极相连。驱动三极管的基极接关断信号，发射极接地。另外还有一个NPN型达林顿管T2，其集电极接T1的集电极，发射极接地，基极接T3基极信号即关断信号的反信号。本电路的作用是在接收到关断信号的瞬时可靠彻底地切断电源。PNP型三极管T1起到切断电路的作用，NPN型三极管T3起到驱动三极管T1的作用，当T3的基极接收到关断信号的瞬时，T3截止，从而导致T1截止；NPN型达林顿管T2基极接收到信号的瞬时，T2快速导通。T1的截止与T2的导通能够可靠的实现快速切断电源的功能。三极管T1可以采用2SA1516，T2可以采用2SD560，T3可以采用TIP8050。
本发明具有响应速度快，危险阈值可调，耐电压冲击能力强等优点，能为工作在爆炸性气体现场的较大功率的仪表设备提供本质安全保护。通过采用高速运算放大器、三极管以及逻辑门电路，本发明可以达到不超过5μs的响应时间，确保电火花释放的能量不足以点燃爆炸性气体。通过调节可变电阻Rvar的电阻值，可以调节危险阈值，避免电源电压的纹波等干扰因素的影响。
Claims (6)
1.基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述装置含有用于动态监测电火花产生条件的电流变化率监测电路、信号保持电路和电源高速关断电路；
所述电流变化率监测电路串接在负载电源回路中，含有电流上升率监测电路和电流下降率监测电路；所述电流上升率监测电路的信号输出端和电流下降率监测电路的信号输出端分别与所述信号保持电路的两个输入端连接；
所述信号保持电路的输出端与所述电源高速关断电路的关断信号输入端连接；
所述电源高速关断电路串接在负载电源回路中，电源高速关断电路的关断信号输入端与所述信号保持电流的输出端连接，当接收到关断信号时，所述电源高速关断电路快速切断负载电源回路。
2.如权利要求1所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述电流上升率监测电路含有串接在负载电源回路中的取样电感L和运算放大器U1，所述取样电感L的两端分别经电容C1与C2连接到运算放大器U1的正向输入端与反向输入端；该电流上升率监测电路还含有一个用于设置运算放大器U1的输入电路初始工作点的第一桥式电路，所述第一桥式电路含有电阻R1、R2、R3以及可变电阻Rvar1，所述电阻R1与R2所在桥臂的一端与高电平VCC相连，另一端分别与运算放大器U1的正向输入端和反向输入端相连，所述电阻R3与可变电阻Rvar1所在桥臂一端分别与运算放大器U1的正向输入端和反向输入端相连，另一端接地；所述运算放大器U1的输出端与信号保持电路的输入端连接。
3.如权利要求1所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述电流下降率监测电路含有串接在负载电源回路中的取样电感L和运算放大器U2，所述取样电感L的两端分别经电容C3与C4连接到运算放大器U2的反向输入端与正向输入端；该电流下降率监测电路还含有一个用于设置运算放大器U2的输入电路初始工作点的第二桥式电路，所述第二桥式电路含有电阻R4、R5、R6以及可变电阻Rvar2，所述电阻R4与R5所在桥臂一端与高电平VCC相连，另一端分别与运算放大器U2的正向输入端和反向输入端相连，所述电阻R6与可变电阻Rvar2所在桥臂一端分别与运算放大器U2的正向输入端和反向输入端相连，另一端接地；所述运算放大器U2的输出端与信号保持电路的输入端连接。
4.如权利要求1所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述信号保持电路含有一个D触发器，所述D触发器的D端接地，CLK端与一个或门U3的输出端连接，所述或门U3的一个输入端与所述电流上升率监测电路的信号输出端连接，所述或门U3的另一个输入端与所述电流下降率监测电路的信号输出端连接；所述D触发器的信号输出端与所述电源高速关断电路的关断信号输入端连接。
5.如权利要求1所述的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆装置，其特征在于：所述电源高速关断电路含有串接在负载电源回路中的一个PNP型三极管T1，所述PNP型三极管T1的集电极与负载端连接，发射极与电源端连接，基极通过一个限流电阻R7与一个NPN型三极管T3的集电极连接；所述NPN型三极管T3的发射极接地，基极与所述信号保持电路的关断信号输出端连接；所述电源高速关断电路还含有一个NPN型达林顿管T2，所述NPN型达林顿管T2的集电极与所述NPN型三极管T1的集电极连接，发射极接地，基极与所述信号保持电路输出的关断信号的反信号连接。
6.一种采用如权利要求1所述装置的基于电火花动态监测与关断的本质安全防爆方法，其特征在于，含有以下步骤：
1)电流变化率监测电路实时监测负载电源回路中的电流变化情况，即利用电阻R1、R2、R3以及可变电阻Rvar1组成的桥式电路设置运算放大器U1输入电路的初始工作点，其中可变电阻Rvar1设置危险阈值，在正常工作状态下，通过调节可变电阻Rvar1，使得运算放大器U1的反向输入端电平高于正向输入端电平，运算放大器U1输出低电平；电流发生陡升时，取样电感L产生感应电压U，然后通过C1与C2的电容耦合作用将感应电压U传递给运算放大器U1的输入端，使得运算放大器U1的正向输入端电平高于反向输入端电平，运算放大器U1输出高电平，即产生电流突变信号；利用电阻R4、R5、R6以及可变电阻Rvar2组成的桥式电路设置运算放大器U2输入电路的初始工作点，其中可变电阻Rvar2设置危险阈值，在正常工作状态下，通过调节可变电阻Rvar2，使得运算放大器U2的反向输入端电平高于正向输入端电平，运算放大器U2输出低电平；电流发生陡降时，取样电感L产生感应电压U，然后通过C3与C4的电容耦合作用将感应电压U传递给运算放大器U2的输入端，使得运算放大器U2的正向输入端电平高于反向输入端电平，运算放大器U2输出高电平，即产生电流突变信号；
2)所述信号保持电路将所述电流突变信号转换为低电平关断信号，输出给电源高速关断电路；
3)所述电源高速关断电路接收到低电平关断信号后，快速关断三极管T3，导通三极管T2，从而快速关断T1，迅速切断负载电源回路。
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