CN101755374B - 本质安全通信电路 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种电气电路，包括：电源、负载、在电源和负载之间的一对平行正电缆、在负载和电源之间的一对平行负电缆、和易燃电弧预防装置，所述易燃电弧预防装置包括：监测装置，适用于检测电缆对中的一条的电流和/或电压是否与另一条的偏离；以及控制装置，适用于如果监测装置检测到电缆对中的一条的电流和/或电压与另一条的偏离则将电源与电缆对完全或部分地隔离，其特征在于：电气电路在电源和正电缆对之间包括共用正段，在负电缆对和电源之间包括共用负段，其中第一调制装置适用于产生调制通信信号。

Description

本质安全通信电路

技术领域

本发明涉及本质安全通信电路，具体用于但不限于用于易燃环境，尤其是气体群组类别IIC、氢气和乙炔，以及下面的，例如，针对气体和/或灰尘的气体群组IIB和IIA。

背景技术

经由电气通信电路来远程地控制本质安全环境中的场仪器(fieldinstrument)和设备。传统地，在与驱动场仪器的电源相同的电气电路中提供通信。本申请人的WO2006/003445公开了这种构造的现代版本，其中沿两个金属线现场总线段传递信令。

然而，诸如以太网的新技术提供了具有与电源电路捆绑在一起的单独的通信电路的可能性。这提供了更大的灵活性和通信速度，这允许在现场使用更现代和复杂的设备。

以太网不是为了在本质安全环境中使用而被设计的，然而本申请人的WO2007/088387公开了与加电的以太网电缆一起使用的易燃电弧预防系统，所述系统仅允许这样的特殊使用。还是本申请人的WO2007/129031公开了允许在本质安全环境中使用以太网信号的又一发明。

然而，这两种在先的情况仅涉及使得以太网电源线或以太网信号线本质安全，并且他们没有公开其中以太网类型的电缆可同时用于电源和通信的任何方式。这样的组合电路将提供甚至更大的灵活性和能力。

具体地讲，WO2007/088387中的公开特定于功率分布，并公开了适用于监测一对正电缆和一对负电缆的易燃电弧预防装置，并检测正电缆对中的一个电缆中的电流和/或电压是否与另一个电缆中的偏离，以及负电缆对中的一个电缆中的电流和/或电压是否与另一个电缆中的偏离。如果发生了上述情况，则控制装置将电源与电缆隔离。如果向正或负电缆对中的一个电缆施加传统信令，则将导致电流和/或电压的偏离，并且电源将被隔离。实际上，向正电缆对和负电缆对提供单独但相同的信号是非常难的，所述单独但相同的信号应相似到易燃电弧预防装置不反应。

WO2007/129031涉及电数据信号到光信号的变换，并将那些信号越过电气隔离间隙传输至本质安全媒体变换器。显然，不可能以该方式使得电源电路本质安全。

发明内容

本发明旨在克服上述问题中的一些问题。

因此，根据本发明，电气电路包括电源、负载、在电源和负载之间的一对平行正电缆、在负载和电源之间的一对平行负电缆、和易燃电弧预防装置，其中易燃电弧预防装置包括监测装置，所述监测装置适用于监测正电缆对和负电缆对，并检测正电缆对中的一个电缆的电流和/或电压是否与另一个的偏离，以及负电缆对中的一个电缆的电流和/或电压是否与另一个的偏离，并且其中所述易燃电弧预防装置包括控制装置，所述控制装置适用于如果所述监测装置检测到正电缆对中的一个电缆的电流和/或电压与另一个的偏离，或负电缆对中的一个电缆的电流和/或电压与另一个的偏离，则将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离，其特征在于：电气电路在电源和正电缆对之间包括共用正段，而在负电缆对和电源之间包括共用负段，其中在共用正段或共用负段中设置第一调制装置，其中在电源和第一调制装置之间设置阻抗装置，并且其中所述第一调制装置适用于产生调制过的通信信号。

因此，本发明提供的本质安全电气电路与WO2007/088387中描述的相似，但其中可用正电缆对发送，而不会使易燃电弧预防装置出差错。通信信号被监测装置忽略，因为净效应是与负载变化相似的共模影响。

第一调制装置在共用正段或负段中、或跨越二者来调制电路的电源端的功率，并且所产生的调制以完全相同的方式影响正电缆对的两条电缆和负电缆对的两条电缆，从而不存在使易燃电弧预防装置出差错的差异。

因此，本发明提供了一种传输电流和/或电压和/或速度和/或类型高的通信系统，并且肯定比WO2007/088387中公开的电气电路承受的要高得多。

本发明的电气电路受益于WO2007/088387的权宜性易燃电弧预防装置，所述装置使用四条电缆来辨别负载附加或变化和具有成为易燃电弧的潜力的故障之间的区别。负载附加或变化将以相同的方式影响两条或一对电缆，而故障不会，从而可忽略负载影响而仅考虑电缆故障。

此外，由于易燃电弧预防装置基于检测有源电缆之间的差别的原理进行操作，与仅在一个点处监测一条电缆相反，所述装置可依赖于电缆之间的相对测量而不是绝对测量来辨别故障。这样，可使电气电路对于潜在的易燃故障测量更敏感，而不使用更高的静态或线路电流。

此外，四线系统具有本质保护，因为一旦一条极线断开，另一条相同极性的线将需要总电流的大部分，因为它具有比断开的线更低的电阻，从而有效地避开了易燃能量的大部分—如果不是全部的话—故障。这是在1区(Zone one)或等同环境内，在更加安全的应用中用于非电弧连接的双管脚的实质。

在优选的构造中，电气电路可在正电缆对和负载之间包括负载端共用正段，并在负载和负电缆对之间包括负载端共用负段。可在负载端共用正段或负载端共用负段中设置第二调制装置，所述第二调制装置适用于对所述调制通信信号解调。这样，可在现场接收调制信号并相应地使用。

第二调制装置可适用于产生返回调制通信信号，并且第一调制装置可适用于解调所述返回调制通信信号。因此，第一和第二调制装置实质上用作可彼此通信的“调制解调器”。

电气电路可适用于承载任何类型的模拟或数字信号，例如以太网、以太网供电(PoE)、现场总线、HART或Modbus等类型的信号。然而，在优选的实施例中，通信信号可以是DSL信号，而第一调制装置和第二调制装置可按照DSL协议彼此通信。信号可以是ADSL、SDSL或任何其他变形。

电气电路可具有媒体变换器，所述媒体变换器适用于按照需要将通过电路承载的信号变换为其他媒体，并将来自其他媒体的到来信号变换为该电气电路所使用的信号。具体地讲，媒体变换器可适用于将信号变换为任何类型的模拟或数字通信信号(例如，以太网、以太网供电(PoE)、现场总线、无线电、4-20mA数字I/O、HART、RTD、T/C、应变计、Modbus或光类型的信号)，或从任何类型的模拟或数字通信信号来变换到该信号。

应理解本发明的电气电路可仅用作本质安全通信电路，所述电路主要使用WO2007/088387的发明来提供本质安全性。在本发明的这种版本中，第二调制装置将包括负载。

然而，在优选的应用中，本发明的电气电路被用于功率分配和通信，在该情况下，负载可包括一个或多个现场装置，并且电气电路可为所述一个或多个现场装置提供功率。

在允许调制功率方面，可在共用正段或共用负段中设置阻抗装置。然而，在优选的实施例中，阻抗装置可包括共用正段中的第一阻抗装置，和在共用负段中包括第二阻抗装置。这样，将平衡电气电路。

第一阻抗装置和第二阻抗装置可包括平衡的电感反应器(inductivereactor)。

应理解第一和第二调制装置可以是可分别在电源端调制共用正或负段中的功率，并且可调制负载端共用正或负段中的功率的任何元件。这可以通过到用作单独阻抗装置的隔离反应器的电感耦合来实现。

然而，在优选的构造中，第一和第二调制装置可分别包括在共用正段和共用负段之间跨电路安装的电容耦合调制器、和在负载端正段和负载端负段之间跨电路安装的电容耦合调制器。作为替换，调制器可以是耦合的变压器。

在本发明的一个版本中，正电缆对可被形成为第一双绞线。负电缆对可被形成为第二双绞线，并且第一双绞线和第二双绞线可被捆绑在同一个外电缆中。可替换地，第一正电缆和第一负电缆可形成为第一双绞线，第二正电缆和第二负电缆可被形成为第二双绞线，并且第一双绞线和第二双绞线可被捆绑在同一个外电缆中。

如上所述，本发明的易燃电弧预防装置可以与WO2007/088387中公开的相同。

因此，监测装置可包括位于正电缆对的每一个的两端处、和负电缆对的每一个的两端处的电感反应器。在正电缆对的第一端处的两个电感反应器可共享第一共用芯线，而在负电缆对的第一端处的两个电感反应器可共享第二共用芯线。在正电缆对的第二端处的两个电感反应器可共享第三共用芯线，而在负电缆对的第二端处的两个电感反应器可共享第四共用芯线。

这些电感反应器对可沿相反方向绕它们的共用芯线缠绕，从而在正常使用中不使芯线磁化。

因此，易燃电弧预防装置依赖于共用电感反应器芯线的磁化来检测电缆中的差异。当电缆中的电流和/或电压保持相等时，共用芯线将保持非磁化状态，但只要存在任何差别，芯线将迅速变得磁化，并且可由缠绕在四个共用芯线上的传感器线圈来检测该磁化。

该布置也可用于向电气电路提供电流补偿。

传感器线圈可被给送至适用于当检测到故障时将电源或负载隔离的处理器。然而，在其替换中，可将第一传感器线圈和第二传感器线圈给送至适用于驱动第一隔离装置的窗口比较器，所述第一隔离装置适用于如果从第一传感器线圈或第二传感器线圈接收到信号，则将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离。同样地，可将第三传感器线圈和第四传感器线圈给送至适用于驱动第二隔离装置的窗口比较器，所述第二隔离装置适用于如果从第三传感器线圈或第四传感器线圈接收到信号，则将负载与第一正电缆对和第一负电缆对完全或部分地隔离。

第一和第二隔离装置可包括简单的串联元件，或者它们可包括提供一定功率中断(power dumping)优点的分路(shunt)元件。可替换地可使用这两者。

上面描述的所有电感反应器可具有电阻分路。

将调制通信信号并入具有与如上所述的类似的易燃电弧预防装置的电路中的一个另外的优点是还可检测到发展中的故障。如果一个电缆对产生了发展中的故障，则当调制通过该电缆的功率时传感器线圈将检测到该故障。通常在本质安全领域中不考虑发展中的故障，因为超出了功率匹配之外。

然而，本发明的电气电路能够检测这样的故障。在本发明的一个版本中，处理器可以适用于如果检测到发展类型的故障，则在隔离电源或负载之前发出警报，如果故障发展超过了预定阈值的话。这样，警报将在故障之前响起，这提供了额外的安全性。为了使其有效，通信必须是连续或规律的。

存在可监测电缆对以检测发生在它们之间的差别的几种其它方法。例如，在本发明的一个实施例中，监测装置可适用于分别地监测两条正电缆和两条负电缆中的电流和/或电压，以辨别是否第一正电缆对中的一条电缆或第一负电缆对中的一条电缆的电流和/或电压与另一条的偏离。这样的分别监测可以现有方式用反应器来实现。

作为该布置的替换，监测装置可适用于分别地监测正电缆中的一条电缆、负电缆中的一条电缆、和共用正段、共用负段、负载端共用正段或负载端共用负段中的至少一个中的电流和/或电压。然后，如果一条正电缆或一条负电缆中的电流和/或电压与共用正段、共用负段、负载端共用正段或负载端共用负段(其中任一个被监测)中大致一半的电流和/或电压偏离，则采用控制装置来将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离。该布置将需要的监测点的数量减小至3个。

在本发明的这些版本中，正电缆对中的每一条电缆在其负载端可具有二极管，负电缆对中的每一条电缆在其负载端可具有二极管。该布置防止了来自任何电感和/或电容负载或其他能量存储负载的反向电流注入，这有效地将每条线彼此相隔离以便检测。

在优选的构造中，电路可具有控制装置，所述控制装置适用于在其在使用中将电源与电缆隔离之后的预定时间将电源与电缆重新连接。该布置允许识别电路中的事件的安全性。具体地讲，一旦检测到任何事件，控制装置就可将电源与电缆隔离，然后当电源重新连接时辨别该事件的性质。如果每条线中的电流测量表现共模或均等的变化率，这表示负载需求或平衡的充电元件，则电源保持连接，然而，如果电流变化不平衡，这表示电缆故障，则电源将被再次隔离。周期地重复该处理直到电缆故障被清除。

在诊断故障方面，调制通信信号可用于监测电源被重新连接之前的电缆的状态。这是在WO2007/088387中公开的电气电路中引入通信元件的又一优点。

要考虑的一个问题区域是其中使用连接器来将电缆耦合至现场装置的地方。在断开处，两个电路可以同时断开，这可以导致两个同时的易燃电弧，其表现出相同的电阻特性。如果是这样的情况，则两个电弧可被误解为共同的负载变化，因此将不能安全地隔离电源。

为了避免该情况的出现存在许多解决方案，但在本发明的一个版本中，正电缆对和/或负电缆对可在一端具有包括两个管脚(一个管脚用于一个电缆)的连接器，并且所述两个管脚可以是不同的长度。利用该布置，在断开/连接时，将永远存在表示故障的不平衡，并且这样，控制装置将反应或关闭直到处理了两个管脚并且所有故障都已清除。该技术可包括不同方案，例如，当向多条线之一移除/施加干扰时以请求电源关闭时可存在连锁。

如WO2007/088387中那样，电气电路可与在电源和负载之间的一个或多个第二平行正电缆对，在负载和电源之间的一个或多个第二平行负电缆对一起使用。在这样的构造中，可采用监测装置来监测所有电缆并在使用中按照需要将其隔离。

在本发明的一个版本中，如果监测装置检测到电缆对中的任何一对中的一个电缆的电流和/或电压与另一个的偏离，则控制装置可仅将电源与该电缆对及其相应的相反极性的电缆对完全或部分地隔离。这样，如果以太网电缆的主电源电缆中出现故障，则功率可保持流向信号/幻路(phantom)电源线，反之亦然。可替换地，控制装置可将电源与所有电缆完全或部分地隔离。

在本发明的一个版本中，电气电路可具有连接器，所述连接器包括来自两个或更多正电缆和两个或更多负电缆的管脚，并且来自两个或更多正电缆的管脚可被分组在一起，来自两个或更多负电缆的管脚可被分组在一起。这样的布置减小了易燃电弧的可能性，因为在相同极性的管脚之间不能形成易燃电弧。

附图说明

现在将通过例子并参照附图来描述本发明，其中：

图1是根据本发明的电气电路的示意图。

图2是本发明的电气电路所使用的第一电缆配置的示意图。以及

图3是本发明的电气电路所使用的第二电缆配置的示意图。

具体实施方式

如图1所示，电气电路1包括电源2、负载3、在电源2和负载3之间的平行正电缆对4和5、在负载3和电源2之间的平行负电缆对6和7、以及通常被表示为8的易燃电弧预防装置。

如下所述，易燃电弧预防装置8包括监测装置，其形式为位于正电缆对4和5中的每一电缆的两端和位于负电缆对6和7中的每一电缆的两端的电感反应器9、10、11、12、13、14、15和16。监测装置9-16适用于监测正电缆对4和5和负电缆对6和7，并检测正电缆对中的一个电缆4或5中的电流和/或电压是否与另一个偏离，以及负电缆对中的一个电缆6或7中的电流和/或电压是否与另一个偏离。

易燃电弧预防装置8包括其形式为处理器17和18的控制装置，其适用于如果监测装置9-16检测到正电缆对中的一个电缆4或5的电流和/或电压与另一个偏离，或负电缆对中的一个电缆6或7的电流和/或电压与另一个偏离，则将电源2与正电缆对4和5和负电缆对6和7完全或部分地隔离。

迄今为止，电气电路1与WO2007/088387中公开的相同。然而，电气电路1还在电源2和正电缆对4和5之间包括共用正段19，在负电缆对6和7和电源2之间包括共用负段20。在共用正段19和共用负段20之间跨电气电路1设置第一调制装置，所述第一调制装置的形式为耦接到调制器21的电容。在电源2和第一调制装置21之间设置其形式为电感反应器22和23的阻抗装置，并且第一调制装置21适用于产生调制通信信号。

两个电感反应器9和10在正电缆对4和5的第一端24处共享第一共用芯线(未示出)，两个电感反应器15和16在负电缆对6和7的第一端25处共享第二共用芯线(未示出)。两个电感反应器11和12在正电缆对4和5的第二端26处共享第三共用芯线(未示出)，两个电感反应器13和14在负电缆对6和7的第二端27处共享第四共用芯线。

如图1所示，这些电感反应器对9和10、11和12、13和14、以及15和16沿相反方向绕它们的共用芯线缠绕，从而在正常使用中不使芯线磁化。这样，当电缆4和5以及6和7中的电流和/或电压保持相同时，共用芯线保持非磁化状态，但只要存在任何差异，芯线将迅速变得磁化，并且可由缠绕在四个共用芯线上的传感器线圈28、29、30和31来检测该磁化。

传感器线圈28和31被连接至处理器17，并且如果接收到表示故障的信号，则处理器17通过分路开关32将电源2与电缆4-7隔离。同样地，传感器线圈29和30被连接至处理器18，并且如果接收到表示故障的信号，则处理器18通过分路开关33将负载3与电缆4-7隔离。所有的电感反应器9-16具有电阻分路(resistive shunt)(未示出)。

电源2具有其它使其“本质安全”地被隔离的元件(未示出)，以提供易燃电弧预防装置8不能提供的抵抗事件—例如接地的短路—的本质安全性。这样的其它元件是已知的。(除此之外，电压和/或电流有可能限制电源2来提供其它安全性。这样的考虑将被调整以适合应用)。

因此，易燃电弧预防装置8以与WO2007/088387中描述的相同的方式工作。该专利申请中描述的易燃电弧预防装置具有各种可替换实施例，所述可替换实施例也可在本文中应用，但由于它们在该文献中公开了，将不在此处进一步描述。然而，本文通过引用而将WO2007/088387全部包括，以使得在本申请的审查过程中，该文献中公开的任何特征将被并入任一权利要求中。

电气电路1还在正电缆对4和5和负载3之间包括负载端共用正段34，在负载3和负电缆对6和7之间包括负载端共用负段35。在负载端共用正段34和负载端共用负段35之间跨电气电路1设置第二电容耦合调制器36。

第一和第二调制器21和36具有调制解调器功能，这样，它们都可产生调制信号以跨电气电路1发送至对方，并当它们接收到这样的信号时对其解调。调制器21和33向彼此发送DSL信号。应理解，如果需要，则调制器21和33可发送和接收其它类型的信号，例如以太网、以太网供电(PoE)、现场总线、HART或Modbus等类型的信号。

调制器21和36具有适用于按照需要将通过电气电路1承载的DSL信号变换为其他媒体，并将来自其他媒体的到来信号变换为DSL的媒体变换器(未示出)。具体地讲，媒体变换器可适用于将信号变换为任何类型的模拟或数字通信信号(例如，以太网、以太网供电(PoE)、现场总线、无线电、4-20mA数字I/O、HART、RTD、T/C、应变计、Modbus或光信号，任何具体设施中需要的类型的信号)，或从任何类型的模拟或数字通信信号变换为该信号。

这样，根据调制器21和36的所需通信介质，调制器21和36可分别连接至任何类型的控制装置和现场装置。可将PC等连接至第一调制器21，用以在电路1的电源端处将来自控制室环境的控制或监测信号发送至在电路1的负载端处的现场(in the field)仪器。第二调制器36可连接至如负载3的现场装置，从而可向其提供接收到的控制信号，并从其接收监测数据以将其发送回第一调制器21。

功率的调制是可能的，因为低阻抗电源2被平衡的电感反应器22和23隔离以进行通信。

电气电路1用于功率分配和通信。仅示出了一个负载3用于示例，但应理解，实际上，其可以是以任何已知方式，在重复的电缆或支线(spur)的任何配置中布置的许多现场装置。尽管与用于功率和通信的电气电路1直接相连接现场装置的数量及其类型将由电气电路1的功率分配和通信能力限制。

(可设置另外的电源或通信源来增加灵活性。此外，电气电路1可具有另外的冗余电路，本质安全电路和/或已知的保护电路，诸如反电动势保护二极管和电阻器，如果认为是必需的。)

因为调制器21和33将DSL信号发送至彼此，所以电气电路1可被视为允许通过宽带发送高功率的电路，尽管电气电路1使用预定的高功率容量电缆而不是电话线。(本发明可以使用经典DLS配置的电话线，但其通过长距离的电缆仅可传送几瓦，从而具有有限的功率容量。在这样的配置中，可提供外场功率。)

因此，电气电路1是与WO2007/088387中描述的相类似的本质安全功率分配电路，但其中可用电缆4-7发送通信信号，而不使易燃电弧预防装置8出差错。不用传感器线圈28-31检测通信信号，因为它们对于所有电感反应器对9和10、11和12、13和14以及15和16是完全共模的，并且这样，共用芯线永远不会被多个对之间的电流或电压的任何偏差所磁化。以该方式使用调制器有效地使电缆对4和5、6和7呈现为单线。

此外，调制通信信号的使用意味着还可检测发展中的故障并采取措施。如果正电缆对中的一条4或5、或负电缆对中的一条6或7出现了发展中的故障，当调制通过电缆4-7的功率时传感器线圈28-31将检测到该发展性故障，因为存在可检测的不平衡。

处理器17和18具有警报功能，如果从传感器线圈28-31接收到表示由发展中的故障引起的轻微不平衡则所述警报功能激活。如果来自传感器线圈28-31的信号表示严重的发展中的故障，换句话说，如果故障发展超过了预定阈值，则处理器17和18将分别隔离电源2或负载3。这样，警报将在故障之前响起，这提供了额外的安全性。为了使其有效，调制通信信号将必须是连续或规律的。

电气电路1比现有布置更有优势，因为四个电缆被用于通信和功率，这为电流提供了较低的电阻路径，并允许相似/均匀的导体大小来代替混合型的电缆，就象用于高功率或以太网供电的电缆那样，这种电缆具有受限的电缆长度并且制造更加昂贵。

在使用中可以不同的方式将平行电缆对4和5和6和7捆绑在一起，并且这对上述功能没有实际影响。例如，图2示出了被形成为第一双绞线37的正电缆对4和5、被形成为第二双绞线38的负电缆对6和7。作为替换，图3示出了被形成为第一双绞线39的第一正电缆4和第一负电缆6，以及被形成为第二双绞线40的第二正电缆5和第二负电缆7。

对于图2和3中所示的不同布置，阻抗或特征阻抗可不同，并且可根据其与所选择的通信格式的兼容性来选择所使用的配置。

处理器17和18适用于在其在使用中将电源2与电缆4-7隔离之后的预定时间将电源2与电缆4-7重新连接。该布置允许电路1中的事件的安全性被识别。具体地讲，一旦检测到任何事件，处理器17和18就可将电源与电缆4-7隔离，然后当电源2重新连接时辨别该事件的性质。如果每条线4-7中的电流测量表现共模或均等变化率，这表示负载需求或平衡充电元件，则电源保持连接，然而，如果电流变化不均衡，则表示电缆故障，然后电源2将被再次隔离。周期地重复该处理直到电缆故障被清除。

要考虑的一个问题区域是其中使用连接器来将电缆耦合至负载3的地方。在断开处，两个电路可以同时断开，这可以导致两个同时的易燃电弧，其表现出相同的电阻特性。如果是这样的情况，则两个电弧可被误解为共用负载变化，因此将不能安全地隔离电源2。

为了避免该情况的出现，正电缆对4和5和/或负电缆对6和7可在一端具有包括两个管脚(一个管脚用于一个电缆)的连接器(未示出)，并且所述两个管脚可以是不同的长度。利用该布置，在断开/连接时，将永远存在表示故障的不平衡，并且这样，处理器17和18将反应或关闭直到处理了两个管脚并且所有故障都已清除。

在不偏离权利要求1的范围的情况下可改变图1所示的电气电路1。

具体地讲，应理解可以按照其它方式来调制用于通信的功率，规定这是在电路的共用正或负部分中完成的。在一个替换实施例(未示出)中，第一和第二调制装置包括到用作单独阻抗装置的隔离反应器的电感耦合。

此外，不是严格地必须使用平衡的电感反应器22和23。因此，在另一个替换实施例(未示出)中，阻抗装置在共用正段或共用负段中包括单个电感反应器。

应理解本发明的电气电路仅可被用作本质安全通信电路，所述本质安全通信电路主要使用WO2007/088387的发明来提供本质安全性。因此，在另一个替换实施例(未示出)中，第二调制装置包括唯一的负载，并且电气电路不用于功率分配。

如上面提及的，易燃电弧预防装置8可以是WO2007/088387中公开的可替换构造中的任何一个。因此，在一个可替换构造(未示出)中，第一传感器线圈和第二传感器线圈被给送至适用于驱动第一隔离装置的窗口比较器，所述第一隔离装置适用于如果从第一传感器线圈或第二传感器线圈接收到信号，则将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离。同样地，可将第三传感器线圈和第四传感器线圈给送至适用于驱动第二隔离装置的窗口比较器，所述第二隔离装置适用于如果从第三传感器线圈或第四传感器线圈接收到信号，则将负载与第一正电缆对和第一负电缆对完全或部分地隔离。

应理解存在监测电缆对以检测它们之间发生的差别的几种其它方式。例如，在另一个可替换实施例(未示出)中，监测装置适用于分别监测两条正电缆和两条负电缆中的电流和/或电压，从而辨别第一正电缆对中的一条电缆或第一负电缆对中的一条电缆的电流和/或电压是否彼此偏离。可以已知方式用反应器来实现这样的分别监测。

作为该布置的替换，在又一可替换实施例(未示出)中，监测装置适用于分别监测正电缆中的一条电缆、负电缆中的一条电缆、和在共用正段、共用负段、负载端共用正段或负载端共用负段中的至少一个中的电流和/或电压。然后，如果一条正电缆或一条负电缆中的电流和/或电压与共用正段、共用负段、负载端共用正段或负载端共用负段(其中任一个被监测)中大致一半的电流和/或电压偏离，则采用控制装置来将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离。该布置将需要的监测点的数量减小至3个。

在最后两个描述的可替换实施例中，正电缆对中的每个电缆在其负载端可具有二极管，负电缆对中的每个电缆在其负载端可具有二极管。该布置防止了来自任何电感和/或电容负载或其他能量存储负载的反向电流注入，这有效地将每条线彼此相隔离以进行检测。

应理解，电气电路1可并入其它电缆对以增加容量。因此，在其它可替换实施例(未示出)中，在电源和负载之间设置一个或多个第二平行正电缆对，在负载和电源之间设置一个或多个第二平行负电缆对。采用像处理器17和18一样的监测装置来监测所有电缆并在使用中按照需要将其隔离。

在一个可替换实施例(未示出)中，当这些监测处理器检测到电缆对中的任何一对的一条电缆的电流和/或电压与另一条偏离，则它们可仅将电源与该电缆对及其相应的相反极性的电缆对完全或部分地隔离。这样，如果以太网电缆的主电源线中出现故障，则电源可保持流向信号/幻路电源线，反之亦然。在不同的可替换实施例(未示出)中，监测装置可将电源与所有电缆完全或部分地隔离。

在具有多个正和负电缆对的这些可替换实施例中，电气电路具有连接器，所述连接器包括来自两个或更多个正电缆和两个或更多个负电缆的管脚，并且来自两个或更多个正电缆的管脚可被分组在一起，来自两个或更多个负电缆的管脚可被分组在一起。这样的布置减小了易燃电弧的可能性，因为在相同极性的管脚之间不可能形成易燃电弧。

因此，本发明提供了非常有效和高容量的本质安全功率分配和通信电路。

Claims (27)

1.一种电气电路，包括：电源、负载、在电源和负载之间的一对平行正电缆、在负载和电源之间的一对平行负电缆、和易燃电弧预防装置，

其中易燃电弧预防装置包括监测装置，所述监测装置适用于监测正电缆对和负电缆对，并检测正电缆对中的一条正电缆中的电流和/或电压是否与另一条正电缆中的电流和/或电压偏离，以及负电缆对中的一条负电缆中的电流和/或电压是否与另一条负电缆的电流和/或电压偏离，并且

其中易燃电弧预防装置包括控制装置，所述控制装置适用于如果监测装置检测到正电缆对中的一条正电缆中的电流和/或电压与另一条正电缆中的电流和/或电压偏离，或负电缆对中的一条负电缆中的电流和/或电压与另一条负电缆中的电流和/或电压偏离，则将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离，其特征在于：

电气电路在电源和正电缆对之间包括共用正段，以及在负电缆对和电源之间包括共用负段，其中或者在共用正段中、或者在共用负段中、或者在共用正段与共用负段之间跨所述电气电路设置第一调制装置，其中在电源和第一调制装置之间设置阻抗装置，并且其中所述第一调制装置适用于产生调制通信信号。

2.如权利要求1所述的电气电路，其中电气电路在正电缆对和负载之间包括负载端共用正段，并在负载和负电缆对之间包括负载端共用负段，其中或者在负载端共用正段中、或者在负载端共用负段中、或者在负载端共用正段与负载端共用负段之间跨所述电气电路设置第二调制装置，并且其中所述第二调制装置适用于对所述调制通信信号解调。

3.如权利要求2所述的电气电路，其中第二调制装置适用于产生返回调制通信信号，并且其中第一调制装置适用于解调所述返回调制通信信号。

4.如权利要求1所述的电气电路，其中所述电气电路在所述正电缆对和所述负载之间包含负载端共用正段，在所述负载和所述负电缆对之间包含负载端共用负段，第二调制装置包含所述负载，所述第二调制装置适于对所述调制通信信号解调，并且所述电气电路仅用于通信。

5.如权利要求3所述的电气电路，其中所述负载包括一个或多个现场装置，并且其中电气电路可为所述一个或多个现场装置提供功率。

6.如权利要求4或5所述的电气电路，其中在共用正段中设置阻抗装置。

7.如权利要求4或5所述的电气电路，其中在共用负段中设置阻抗装置。

8.如权利要求4或5所述的电气电路，其中阻抗装置包括共用正段中的第一阻抗装置和共用负段中的第二阻抗装置。

9.如权利要求8所述的电气电路，其中第一阻抗装置和第二阻抗装置均包括平衡的电感反应器。

10.如权利要求9所述的电气电路，其中第一调制装置包括在共用正段和共用负段之间跨所述电气电路安装的电容耦合调制器，并且其中第二调制装置包括在负载端共用正段和负载端共用负段之间跨所述电气电路安装的电容耦合调制器。

11.如权利要求2-5中任一项所述的电气电路，其中电气电路适用于承载DSL信号，并且其中第一调制装置和第二调制装置根据DSL协议彼此通信。

12.如权利要求3或5所述的电气电路，其中电气电路具有媒体变换器，所述媒体变换器适用于将调制通信信号和/或所述返回调制通信信号变换为不同形式的通信信号，以便传输至使用所述电气电路的相关设备，并将作为不同形式的通信信号的来自所述相关设备的到来信号变换为调制通信信号和/或所述返回调制通信信号，并且其中媒体变换器适用于将调制通信信号和/或所述返回调制通信信号变换为下述不同形式的通信信号中的任何一种或多种：以太网、以太网供电(PoE)、现场总线、无线电、4-20mA数字I/O、HART、RTD、T/C、应变计、Modbus或光学的，以及从上述不同形式的通信信号中的任何一种或多种将信号变换为调制通信信号和/或返回调制通信信号。

13.如权利要求12所述的电气电路，其中正电缆对被形成为第一双绞线，其中负电缆对被形成为第二双绞线，并且其中第一双绞线和第二双绞线被捆绑在同一个外层电缆中。

14.如权利要求12所述的电气电路，其中一条正电缆和一条负电缆被形成为第一双绞线，其中另一条正电缆和另一条负电缆被形成为第二双绞线，并且其中第一双绞线和第二双绞线被捆绑在同一个外层电缆中。

15.如权利要求1-5中任一项所述的电气电路，其中所述监测装置包括位于正电缆对的每一个电缆的两端处、和负电缆对的每一个电缆的两端处的电感反应器，其中在正电缆对的第一端处的两个电感反应器共享第一共用芯线，其中在负电缆对的第一端处的两个电感反应器共享第二共用芯线，其中在正电缆对的第二端处的两个电感反应器共享第三共用芯线，并且其中在负电缆对的第二端处的两个电感反应器共享第四共用芯线。

16.如权利要求15所述的电气电路，其中正电缆对的第一端处的两个电感反应器沿相反方向绕第一共用芯线缠绕，其中负电缆对的第一端处的两个电感反应器沿相反方向绕第二共用芯线缠绕，其中正电缆对的第二端处的两个电感反应器沿相反方向绕第三共用芯线缠绕，并且其中负电缆对的第二端处的两个电感反应器沿相反方向绕第四共用芯线缠绕。

17.如权利要求16所述的电气电路，其中监测装置包括绕第一共用芯线缠绕的第一传感器线圈、绕第二共用芯线缠绕的第二传感器线圈、绕第三共用芯线缠绕的第三传感器线圈、和绕第四共用芯线缠绕的第四传感器线圈。

18.如权利要求17所述的电气电路，其中第一传感器线圈和第二传感器线圈被送至适用于驱动第一隔离装置的第一处理器，所述第一隔离装置适用于如果从第一传感器线圈或第二传感器线圈接收到信号，则将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离，并且其中将第三传感器线圈和第四传感器线圈送至适用于驱动第二隔离装置的第二处理器，所述第二隔离装置适用于如果从第三传感器线圈或第四传感器线圈接收到信号，则将负载与所述正电缆对和所述负电缆对完全或部分地隔离。

19.如权利要求17所述的电气电路，其中第一传感器线圈和第二传感器线圈被送至适用于驱动第一隔离装置的窗口比较器，所述第一隔离装置适用于如果从第一传感器线圈或第二传感器线圈接收到信号，则将电源与正电缆对和负电缆对完全或部分地隔离，并且其中将第三传感器线圈和第四传感器线圈送至适用于驱动第二隔离装置的窗口比较器，所述第二隔离装置适用于如果从第三传感器线圈或第四传感器线圈接收到信号，则将负载与所述正电缆对和所述负电缆对完全或部分地隔离。

20.如权利要求18或19所述的电气电路，其中第一隔离装置在电源与正电缆对和负电缆对之间包括隔离元件，并且其中第二隔离装置在负载与正电缆对和负电缆对之间包括隔离元件。

21.如权利要求20所述的电气电路，其中所有电感反应器具有电阻分路。

22.如权利要求2-5中任一项所述的电气电路，其中监测装置适用于分别监测正电缆对中的两条电缆和负电缆对中的两条电缆中的电流和/或电压，从而辨别正电缆对中的一条正电缆的电流和/或电压是否偏离另一条正电缆的电流和/或电压、或者辨别负电缆对中的一条负电缆的电流和/或电压是否偏离另一条负电缆的电流和/或电压。

23.如权利要求2-5中任一项所述的电气电路，其中监测装置适用于分别地监测正电缆对中的一条、负电缆对中的一条、和在共用正段、共用负段、负载端共用正段或负载端共用负段中的至少一个中的电流和/或电压，并且其中控制装置适用于如果一条正电缆或一条负电缆中的电流和/或电压与所监测的共用正段、共用负段、负载端共用正段或负载端共用负段中的任一个中的几乎一半的电流和/或电压偏离，则将电源与所述正电缆对和所述负电缆对完全或部分地隔离。

24.如权利要求22所述的电气电路，其中该正电缆对中的每一条在其负载端可具有二极管，并且其中负电缆对中的每一条在其负载端可具有二极管。

25.如权利要求23所述的电气电路，其中该正电缆对中的每一条在其负载端可具有二极管，并且其中负电缆对中的每一条在其负载端可具有二极管。

26.如前述权利要求1-5中任一项所述的电气电路，其中控制装置适用于在其在使用中已将电源与正电缆对和负电缆对隔离之后的预定时间将电源与正电缆对和负电缆对重新连接。

27.如前述权利要求1-5中任一项所述的电气电路，其中正电缆对和/或负电缆对在一端具有包括两个管脚的连接器，一个管脚用于一个电缆，并且其中所述两个管脚具有不同的长度。

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