CN103261990A - 安全区电压和电流接口 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种安全区电压和电流接口，其包括天线及模式选择单元、天线调谐器单元和接口单元。天线及模式选择单元确定输出信号的频率模式和天线模式。天线调谐器单元直接连接至天线及模式选择单元，用于基于由天线及模式选择单元确定的频率模式和天线模式对输出信号进行调谐。接口单元直接连接至天线调谐器单元，用于确保输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使输出信号的峰值电流水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

Description

安全区电压和电流接口

技术领域

本发明涉及安全区电子系统领域。更具体地，本发明涉及一种安全区电压和电流接口。

背景技术

在不安全环境、尤其是爆炸性环境，如煤矿环境或油井环境中，有必要使不安全环境中的电子元件向周围空气耗散的能量保持在特定水平以下（例如300微焦），以避免引燃能导致爆炸的甲烷与空气的混合物。为确保任何位于不安全环境中的电子元件都不具有引起爆炸的危险，需要使用安全区电子系统来驱动电子元件以输出信号，所述信号要确保低于特定电压和电流水平。

发明内容

本申请描述了用于向位于不安全环境中的电子元件提供受控电压和电流的安全区电子系统。特别地，在此描述的实施例与爆炸性环境中用的安全区电子系统有关，例如煤矿环境，其中，需要使从电子元件向周围空气耗散的能量保持在特定水平以下，以避免引燃能导致爆炸的甲烷与空气的混合物。尽管如此，此处的实施例也可用在那些需要控制向电子元件提供的电压和电流量的其他情况下。

安全区电压和电流接口输出安全水平的电流和电压，以确保由该安全区电压和电流接口的输出驱动的外部电子元件不能耗散高于安全水平（例如小于300μJ）的能量，同时还确保安全区电压和电流接口输出的电压和电流非常接近驱动外部电子元件所需的电压和电流水平。在一些实施例中，安全区电压和电流接口设计为进行调谐并驱动位于不安全环境中的磁性天线单元。特别地，安全区电压和电流接口设计为用于确保从安全区电子系统输出至磁性天线单元的输出信号的峰值电压和电流水平保持在如美国矿山安全健康局（MSHA）现行的本质安全电流和电压水平以下，同时仍提供足够大的电流来驱动磁性天线（即，在约1-2安培之间）。

在一个实施例中，提供了安全区电压和电流接口，其包括天线及模式选择单元、天线调谐器单元和接口单元。天线及模式选择单元为输出信号确定频率模式和天线模式。天线调谐器单元直接连接至天线及模式选择单元，且用于基于天线及模式选择单元所确定的频率模式和天线模式来对输出信号进行调谐。接口单元直接连接至天线调谐器单元，且用于确保输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使输出信号的峰值电流水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

在另一实施例中，提供了一种安全区电子系统，其包括信号功率源、安全区电压调节器、安全区电压和电流接口。所述信号功率源产生电压信号。所述安全区电压调节器接收所产生的电压信号，并输出具有不超过安全区电压阈值的调节过的峰值电压的电压信号。安全区电压和电流接口接收具有调节过的峰值电压的电压信号，并输出用于驱动位于不安全环境中的电子元件的输出信号。安全区电压和电流接口包括天线及模式选择单元、天线调谐器单元和接口单元。天线及模式选择单元为输出信号确定频率模式和天线模式。天线调谐器单元直接连接至天线及模式选择单元，用于基于天线及模式选择单元所确定的频率模式和天线模式对输出信号进行调谐。接口单元直接连接至天线调谐器单元，用于确保输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使输出信号的峰值电流水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的、用于向位于不安全环境中的外部电子元件提供受控电压和电流的安全区电子系统的框图；

图2为根据本发明一个实施例的安全区电子接口部件的框图；

图3提供了根据一个实施例的安全区电压和电流接口部件的电路示意图，其设计为满足MSHA安全需求；

图4提供了根据一个实施例的天线及模式选择单元的电流示意图。

具体实施方式

在此提供的实施例与安全区电子系统相关。特别地，此处的实施例提供了安全区电子系统，所述安全区电子系统确保向位于不安全环境中的电子元件提供受控的电压和电流。

在此提供的实施例提供了一种安全区电压和电流接口部件，其确保对外部电子元件输出的输出信号的电压和电流水平保持在本质安全电流和电压水平以下，同时仍提供足够大的电流来驱动外部部件。

特别地，在此描述的实施例讨论的是爆炸性环境中用的安全区电子系统，例如煤矿环境或油井环境，其中，需要使电子元件向周围空气耗散的能量保持在特定水平以下（例如300微焦），以避免引燃能导致爆炸的甲烷与空气的混合物。尽管如此，此处的实施例也可用在那些需要控制向电子元件提供的电压和电流的其他情况下。

在此提供的实施例提供了一种安全区电压和电流接口部件，其确保对外部电子元件输出的输出信号的电压和电流水平保持在本质安全电流和电压水平以下，同时仍提供足够大的电流来驱动外部部件。

图1为安全区电子系统100的一个实施例的框图，该安全区电子系统100用于向位于不安全环境中的外部电子元件140提供电压和电流。系统100的部件容纳在防爆箱105内。特别地，防爆箱105容纳有信号功率源部件110、安全区电压调节器部件120和安全区电压和电流接口部件130。

尽管未图示，还有其他电子元件和电池部件可位于防爆箱105内。在一个实施例中，防爆箱105的设计约束条件是基于健康和安全组织、例如MSHA规定的安全准则来确定的。

信号功率源110提供电压信号，用于驱动安全区电压和电流接口部件130。电压信号由安全区电压调节器部件120进行调节，以使其不超过特定值（例如，安全区电压限制），并确保安全区电压和电流接口部件130向位于不安全环境中的电子元件140提供本质安全电压和电流输出信号。在一个实施例中，信号功率源是例如音频功率放大器，其能产生28V的最大电压有效值信号，以及故障条件下的正负45V直流电压。

安全区电压调节器120设计为用于将信号功率源110产生的电压信号的峰值电压限制为最大电压阈值，无论是否处于信号功率源110提供的故障模式下。安全区电压调节器120还设计为用于确保安全区电压调节器部件120对安全区电压和电流接口部件130输出的输出电压信号的峰值电压保持在最大电压阈值附近、但不超过最大电压阈值，即便当信号功率源110或安全区电压调节器120发生一个或多个故障时亦是如此。

在此描述的“故障”定义为：安全区电子系统内的电路元件或安全区电子系统所驱动的外部电子元件产生的任何失灵状况。故障的例子包括但不限于：损耗元件或分路调节器短路或开路、安全区电子系统和外部电子元件之间的连接断开或短路、外部电子元件断开或短路等。

在一个实施例中，安全区电压调节器120将向电压调节器120输入的峰值电压限制为电压有效值为12V，从安全区电压调节器120输出。特别地，安全区电压调节器120设计为安全地进行操作或产生故障。即，为安全区电压调节器120提供有多重后备，以确保从安全区电压调节器120出来的任何电压信号的峰值电压保持在最大电压阈值附近，但不超过最大电压阈值。例如，即便是电压有效值为250 V的信号（当允许主电力信号（例如在美国是60Hz）经信号功率源110进入电压调节器120的故障产生时，会发生这种情形），电压调节器120将依然输出有限时长的电压有效值为12 V的信号，随后安全地产生故障（即，安全地防止安全区电压调节器120输出电压信号）。

可与在此提供的实施例配合使用的安全区电压调节器的例子公开于美国专利申请12/979,708中，该申请于2010年12月28日提交，名称为“安全区电压调节器”（SAFE AREA VOLTAGE REGULATOR）。

安全区电压和电流接口130设计为确保系统100向外部电子元件140的输出信号的峰值电压和电流水平保持在本质安全水平以下，同时仍提供足够大的电流来驱动外部部件140。

安全区电压和电流接口130驱动外部电子元件140，并用于向外部电子元件140提供接近最大电流和电压安全阈值的足够大电压和电流，同时确保不超过最大电流和电压安全阈值。在一些实施例中，外部电子元件140为用于传输音频信号的磁性天线。在其他实施例中，安全区电压和电流接口130用于驱动其他设备，例如继电器执行机构、螺线管执行机构、交流电机和直流电机。

图2到4提供了安全区电压和电流接口部件200的一个实施例，其设计为用于调谐和驱动位于不安全环境中的磁性天线单元500。安全区电压和电流接口部件200用于确保从安全区电子系统输出至磁性天线单元500的输出信号的峰值电压和电流水平保持在MSHA现行的本质安全电流和电压水平以下，同时仍提供足够大的电流来驱动磁性天线单元500（即，约1到2安培）。另外，在本实施例中，安全区电压和电流接口200包括用于经磁性天线单元500传输磁通信的附加天线调谐电路。

图2为安全区电压和电流接口部件200的一个实施例的框图。安全区电压和电流接口部件200包括输入终端205、天线及模式选择单元210、天线调谐器单元220、接口单元230以及输出终端240和245。安全区电压和电流接口部件200设计为用于确保从防爆箱（例如图1所示的防爆箱105）输出的输出信号的峰值电压和电流保持在MSHA现行的本质安全电流和电压水平以下，同时仍提供足够大的电流（例如，约1-2安培）来驱动磁性天线单元。

如图3所示，安全区电压和电流接口部件200设计为用于驱动磁性天线单元500，所述磁性天线单元500包括长环磁性天线510和介质环磁性天线520。在一个实施例中，长环磁性天线510为400英尺的磁性环天线，而介质环磁性天线520为23圈磁性环天线。在一个实施例中，介质环磁性天线520的尺寸可以是例如41英寸×41英寸×10英寸。

另外，安全区电压和电流接口部件200进一步设计为对通过长环磁性天线510或介质环磁性天线520传输的高中心频率信道或低中心频率信道上的信号进行调谐。在一个实施例中，高中心频率信道是3200Hz信道，低中心频率信道是330Hz信道。

具有调节过的峰值信号的电压信号经输入终端205输入安全区电压和电流接口部件200，并直接输入天线及模式选择单元210。天线及模式选择单元210选择是否将电压和电流接口部件200输出的输出信号经输出终端240发送至长环磁性天线510，或经输出终端250发送至介质环磁性天线520。天线及模式选择单元210也确定是否将电压和电流接口部件200的输出信号调谐至高中心频率信道或低中心频率信道。

图4提供了由继电器410构成的天线及模式选择单元210的一个实施例的示意框图。继电器410可以是标准式的市售继电器电路。安全区电压和电流接口200如此配置，以使得继电器410的任意故障组合以及在安全区电压和电流接口200中多至两个额外故障将不会导致安全区电压和电流接口200输出的电流和电压超过最大电流和电压安全阈值。在其他实施例中，天线及模式选择单元210由功率场效应晶体管（未图示）构成。

天线及模式选择单元210直接连接至天线调谐器单元220。如图3所示，天线调谐器单元220由四个不同的调谐器电路222、224、226和228构成。特定调谐器电路222、224、226和228的使用是基于天线及模式选择单元210确定的磁性天线和频率来进行的。

当安全区电压和电流接口部件200经输出终端240连接至磁性天线510时，磁性天线510呈现出对安全区电压和电流接口部件200的感抗512和阻抗514。类似地，当安全区压电和电流接口部件200经输出终端245连接至磁性天线520时，磁性天线520呈现出对安全区电压和电流接口部件200的感抗522和阻抗524。另外，不同的频率信道导致感抗512、522在安全区电压和电流接口部件200中产生不同等级的电感性谐振。相应地，每个调谐器电路222、224、226和228用于对特定频率的特定磁性天线的输出信号进行调谐。

特别地，调谐器电路222用于将要经介质环磁性天线520发送的输出信号调谐到低中心频率信道。调谐器电路224用于将要经介质环磁性天线520发送的输出信号调谐到高中心频率信道。调谐器电路226用于调谐低中心频率信道用输出信号，且用于经长环磁性天线510发送该输出信号。调谐器电路228用于调谐高中心频率信道用输出信号，且用于经长环磁性天线510发送该输出信号。

每个调谐器电路222、224、226和228分别包括独特的比例缩放元件321、323、326和328。每个独特的比例缩放元件321、323、326和328为所使用的特定频率信道和天线而按比例缩放输出信号。另外，每个独特的比例缩放元件321、323、326和328分别由多个串联电阻器322、324、327和329构成。使用多个串联电阻器，而不是单个大的电阻器元件，是为了在一个或多个电阻器短路时提供后备和故障保护，从而使调谐器电路222、224、226和228能继续为所使用的特定频率信道和天线而按比例缩放输出信号。即，组成多个电阻器322、324、327和329的电阻器数量越多，则当组成多个电阻器322、324、327和329的一个或多个电阻器产生故障或短路时，对调谐器电路222、224、226和228所输出的信号的影响就越小。这允许调谐器电路222、224、226和228能在设计安全限度内操作，并确保安全区电压和电流接口部件200的输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使输出信号的峰值水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

调谐器电路224和228都用于对高中心频率信道用输出信号进行调谐，且分别包括由三个串联调谐电容器325和331组成的阵列。提供调谐电容器325和331，以抵消当输出信号经高中心频率信道传输时、磁性天线510和520的感抗512和522所产生的反应电感。使用多个串联电阻器325和331，而不是单个大的电阻器元件，是为了在一个或多个电阻器短路时提供后备和故障保护，从而使调谐器电路224和228能继续抵消反应电感。即，组成多个电容器325和331的电容器的数量越多，则当组成多个电容器325和331的一个或多个电容器产生故障时，对调谐器电路224和228的输出信号的影响就越小。这允许调谐器电路224和228能在设计安全限度内操作，并确保安全区电压和电流接口部件200的输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使输出信号的峰值水平保持为足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

天线调谐器单元220直接连接至接口单元230。接口单元230包括两个接口电路232和234。接口电路232的一端直接连接至调谐器电路222和224的输出，另一端直接连接至输出终端245，从而连接至磁性天线520。接口电路232的一端直接连接至调谐器电路226和228的输出，另一端直接连接至输出终端240，以连接至磁性天线510。

每个接口电路232和234分别包括由并联分路调节器332和336组成的阵列。提供分路调节器332和336，当输出信号调谐至高中心频率信道时、磁性天线510和520产生的反应电感被调谐电容器325和331抵消时，抑制所引起的谐振电压升高。这确保输出信号中提供有足够大的电流水平，以驱动磁性天线510和520。在一个实施例中，分路调节器332和336是双极型分路调节器。

在其他实施例中，当安全区电压和电路接口200用于驱动电容性负载时，调谐电容器325和331与调谐电感器（未图示）设置在一起，且提供所述分路调节器332和336，以抑制当反应电感被调谐电感器抵消时所引起的谐振电压升高。

每个分路调节器332和336分别串联连接至对应的分路调节器稳定元件333和337，随后接地339。分路调节器稳定元件333和337促进分路调节器332和336之间的均流，从而允许每一对相应的分路调节器332和336之间存在微小的差异。

另外，每个接口电路232和234分别包括接口元件334和338。接口元件334由一组串联的电阻器元件335构成。类似地，接口元件338由一组串联的电阻器元件339构成。在另一实施例中，接口元件334和338由一组串联的电感器元件或电容器元件构成。

使用多个串联的电阻器元件，而不是单个大的电阻器元件，是为了一个或多个电阻器短路时提供后备和故障保护。这允许安全区电压和电流接口部件200能依然在特定安全限度水平内操作，即便接口元件334和338中的一个或多个电阻器元件335和339产生故障。即，组成多个电阻器元件335和339的电阻器的数量越多，则当组成电阻器元件335和339的一个或多个电阻器分别发生故障或短路时，对接口电路232和234的输出信号的影响最小。这允许接口电路232和234能在设计安全限度内操作，并确保安全区电压和电流接口部件200的输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使输出信号的峰值水平保持为足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

在其他实施例中，接口元件334和338可以是一个或多个串联的电感器元件或电容器元件。

接口元件334和338设计为用于限制发送给输出终端240和245的输出信号的电流和电压水平，以确保输出信号符合本质安全电流和电压水平。接口元件334和338通过在负载（如磁性天线单元500）将能量送回安全区电压和电流接口部件200时限制分路调节器332和336的可用最大电流，来分别逆着分路调节器332和336工作。

本发明公开的例子应当理解为阐述性而非限制性的。本发明的范围由权利要求而不是说明书确定；权利要求的含义及其等同范围内的所有变化都旨在包含在权利要求的范围内。

Claims (16)

1.一种安全区电压和电流接口，包括：

天线及模式选择单元，其确定输出信号的频率模式和天线模式；

天线调谐器单元，其直接连接至所述天线及模式选择单元，所述天线调谐器单元用于基于由所述天线及模式选择单元确定的频率模式和天线模式对输出信号进行调谐；以及

接口单元，其直接连接至所述天线调谐器单元，所述接口单元用于确保所述输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使所述输出信号的峰值电流水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

2.根据权利要求1所述的安全区电压和电流接口，其特征在于，所述天线调谐器单元用于对长环磁性天线或介质环磁性天线的输出信号进行调谐。

3.根据权利要求1所述的安全区电压和电流接口，其特征在于，所述天线调谐器单元用于将所述输出信号调谐到高中心频率信道或调谐到低中心频率信道。

4.根据权利要求1所述的安全区电压和电流接口，其特征在于，所述天线调谐器单元包括比例缩放元件，所述比例缩放元件用于基于由所述天线调谐器单元确定的频率模式对所述输出信号进行调谐。

5.根据权利要求1所述的安全区电压和电流接口，其特征在于，所述天线调谐器单元包括电容器阵列，所述电容器阵列用于抵消当所述输出信号被调谐到高频率信道时来自所述电子元件的反应电感。

6.根据权利要求1所述的安全区电压和电流接口，其特征在于，所述接口单元包括接口元件，该接口元件确保所述输出信号不超过本质安全电流和电压水平。

7.根据权利要求1所述的安全区电压和电流接口，其特征在于，所述接口单元包括分路调节器阵列，该分路调节器阵列用于抑制谐振电压升高，以使所述输出信号的峰值电流水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

8.一种安全区电子系统，包括：

信号功率源，其产生电压信号；

安全区电压调节器，其接收所述电压信号，并输出具有不超过安全区电压阈值的调节过的峰值电压的电压信号；以及

安全区电压和电流接口，其接收所述具有调节过的峰值电压的电压信号，并输出用于驱动位于不安全环境中的电子元件的输出信号，所述安全区电压和电流接口包括：

天线及模式选择单元，其确定所述输出信号的频率模式和天线模式；

天线调谐器单元，其直接连接至所述天线及模式选择单元，所述天线调谐器单元用于基于由所述天线及模式选择单元确定的频率模式和天线模式来对输出信号进行调谐；以及

接口单元，其直接连接至所述天线调谐器单元，所述接口单元用于确保所述输出信号的电流和电压水平不超过本质安全电流和电压水平，同时使所述输出信号的峰值电流水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

9.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述信号功率源、所述安全区电压调节器和所述安全区电压和电流接口位于防爆箱内。

10.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述信号功率源是音频功率放大器。

11.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述天线调谐器单元用于对长环磁性天线或介质环磁性天线用的输出信号进行调谐。

12.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述天线调谐器单元用于将所述输出信号调谐到高中心频率信道或低中心频率信道。

13.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述天线调谐器单元包括比例缩放元件，该比例缩放元件用于基于由所述天线调谐器单元确定的频率模式对输出信号进行调谐。

14.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述天线调谐器单元包括电容器阵列，该电容器阵列用于抵消当所述输出信号被调谐到高中心频率信道时来自所述电子元件的反应电感。

15.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述接口单元包括接口部件，该接口部件确保所述输出信号不超过本质安全电流或电压水平。

16.根据权利要求8所述的安全区电子系统，其特征在于，所述接口单元包括分路调节器阵列，该分路调节器阵列用于抑制谐振电压升高，以使所述输出信号的峰值电流水平保持在足以驱动位于不安全环境中的电子元件的水平。

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