CN103368134B - 一种实现本质安全关联设备输出最大功率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，本质安全关联设备正常工作时，通过限流电阻输出,当限流电阻上电压超过预设值，说明负载正常连接时，快速关断电路导通，本质安全关联设备主回路不通过限流电阻限流，以最大输出功率供电，当电压变化率检测电路检测采样电阻电压变化信号到达预先设定的阈值时，即电路工作异常时关断快速关断电路，使限流电阻重新投入电路限流。按此方法设计的本质安全关联设备能够提供大功率电源输出；在负载故障发生时，本质安全关联设备能够快速检测并关断回路电源，保障现场负载故障不会引燃爆炸性混合物；在故障排除后，实现保护电路自恢复功能。

Description

一种实现本质安全关联设备输出最大功率的方法

技术领域

本发明涉及一种电气安全设备实现方法，特别涉及一种实现本质安全关联设备输出最大功率的方法。

背景技术

爆炸性危险区域使用的电气设备应是依据国家防爆标准GB3836系列设计并认可的防爆电气设备。电气设备实现防爆功能的保护方法有很多种，这些方法都是通过限制爆炸三要素（点燃源、助燃物、爆炸性物质）的某一个要素来实现防爆的。常见的防爆型式（即保护方法）是隔爆型和本质安全型两种。其中本质安全型是通过限制三要素中的点燃源来实现防爆。

对于任何一种爆炸性物质，要点燃它必须有足够的能量（这个能量可以是电火花能量，或热表面能量）。而任何一种爆炸性物质都有对应的临界点燃能量，超过这个临界点燃能量则点燃发生，不超过则不发生。本质安全型就是通过限制电气能量至临界点燃能量以下，来实现“绝对安全”。

通过认证的本质安全电气设备安装在爆炸性危险区域中，但是其前端必须要加关联设备，如图1所示现有技术本质安全关联设备原理图，现有技术隔离式安全栅由隔离电路、限能电路构成。输出功率取决于负载，其最大值P=0.25*U*I，其中U取决于稳压管稳压值Vz，I=U/R。关联设备就是一个限制能量的装置（限电压电流），相当于一个接口电路。安全区的预期大电压、大电流通过关联设备之后，进入危险区域的本质安全设备中的能量就是安全的。

但是由于爆炸性物质的临界点燃能量是固定的，而且通常很低，加了关联设备以后，电气能量为了低于临界点燃能量，会被关联设备箝制在一个很低的水平，这样一来造成的后果是有效功率太低，对于爆炸性危险区域中本安设备的功率限制得太多，很多功能无法实现；另外对于现场总线来讲，可以带的设备数量也被大大限制了。

发明内容

本发明是针对现有限能电路导致提供给电气设备的安全电能过低的问题，提出一种实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，按此方法设计的电路应用于危险区域和非危险区域之间的接口设备中，提供一种故障保护电路，替换现有技术关联设备的限流电阻，实现了大功率输出。

   本发明的技术方案为：一种实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，具体包括如下步骤:

1)搭建故障保护电路：实现本质安全关联设备的隔离电路经过稳压管接故障保护电路中限流电阻后输出,故障保护电路中快速关断电路和限流电阻并联, 故障保护电路中限流电阻电压检测电路采集限流电阻的电压，电压变化率检测电路采集主回路中的采样电阻电压变化率, 限流电阻电压检测电路和电压变化率检测电路信号输出经处理转换输出接快速关断电路；

2）快速关断电路断开，本质安全关联设备采用限流电阻限流，当限流电阻电压检测电路检测限流电阻电压值大于设定值，快速关断电路导通，限流电阻被短路，本质安全关联设备主回路不通过限流电阻直接输出供电，当电压变化率检测电路检测到采样电阻电压变化率到达预先设定的阈值时，电压变化率检测电路输出信号关断快速关断电路，快速关断电路断开后使限流电阻投入工作，本质安全关联设备通过限流电路限流后输出供电。

所述故障保护电路中限流电阻为欧姆级。

所述主回路中的采样电阻为毫欧级。

所述故障保护电路中限流电阻电压检测电路通过延时电路后输出导通快速关断电路。

所述步骤2）中故障保护电路中电压变化率检测电路检测到采样电阻电压变化率到达预先设定的阈值时，通过单稳态触发电路关断快速关断电路。

所述快速关断电路为开关管或继电器开关。

   本发明的有益效果在于：本发明实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，按此方法设计的本质安全关联设备能够提供大功率电源输出；在负载故障发生时，本质安全关联设备能够快速检测并关断回路电源，保障现场负载故障不会引燃爆炸性混合物；在故障排除后，实现保护电路自恢复功能。

附图说明

图1为现有技术本质安全关联设备原理图；

图2为本发明实现本质安全关联设备输出最大功率的方法流程图；

图3为本发明故障保护电路的原理框图；

图4为本发明本质安全关联设备实施例电路图。

具体实施方式

采用一种故障保护电路代替现有技术本质安全关联设备的输出端限流电阻，负载正常工作时该限流电阻被快速关断电路短路，实现大功率输出；通过检测主回路采样电阻电压变化率判断出负载故障，断开快速关断电路并重新接入限流电阻，实现本安输出，从检测到电压变化率到快速关断不超过2μs；故障排除后，通过检测限流电阻电压及延时启动电路重新导通快速关断电路。

实际应用时用故障保护电路取代图1所示的限流电阻R，如图2所示实现本质安全关联设备输出最大功率的方法流程图：首先快速关断电路断开，主回路采用限流电阻限流Ro，当检测限流电阻两端电压到达预先设定的阈值时，快速关断电路缓慢导通，限流电阻被短路，由于没有了限流电阻，整个回路的电流很大，就满足高功耗设备需求，总线的带载能力最大，电路进入大功率输出状态。当电压变化率检测电路检测电压变化超出设定值范围，断开快速关断电路，快速关断电路断开后使限流电阻Ro投入电路工作，电路进入本安状态，等待异常排除。输出功率取决于负载，其最大值Po=0.25*Uo*Io，其中Uo取决于图1中稳压管稳压值Vz，Io=Uo/Ro，该Ro值通常为欧姆级，根据设备配置定。

如图3所示故障保护电路的原理框图，当快速关断电路导通工作输出最大功率时,负载侧发生短路或开路故障时，电压变化率检测电路检测到采样电阻Rs电压变化率，通过单稳态触发电路断开快速关断电路,快速关断电路与限流电阻Ro并联，限流电阻Ro投入工作,从检测到电压变化率到快速关断不超过2μs，电路恢复到本安输出状态；负载故障排除后，快速关断电路导通重新延迟启动。

所述故障保护电路可模块化设计，并可根据实际应用场所危险等级的不同采取双重化或三重化措施。

如图4所示本质安全关联设备实施例电路图。实际应用时用本发明电路取代图1所示的限流电阻R，在正常启动阶段按先后顺序工作：首先MOS管Q5关闭，主回路采用限流电阻Ro限流，所有晶体管截止，从触发器U4的3脚输出的信号为高电平（稳态），如检测限流电阻Ro两端电压到达预先设定的阈值，则限流电阻电压检测电路的输出为高电平，与非门电路U5A的输出为低电平，输入电压Vi通过电阻R6对电容C3充电，电容电压缓慢上升，晶体管Q2饱和导通，晶体管Q4饱和导通，MOS管Q5缓慢开启，限流电阻Ro被短路，电路进入大功率输出状态。

当负载侧发生短路或开路故障时，微分电路检测到采样电阻Rs的电压变化率，输出电压与窗口比较器U2A、U2B的上下限阈值比较，超过设定阈值时U2A、U2B输出切换。U2A、U2B输出的高电平连接至触发器U4的2脚，使得U4 的3脚输出由高电平（稳态）转为低电平（暂态），暂态时间由电阻R3和电容C2控制，该触发器U4的输出信号连接至与非门电路U5A的1脚，与此同时，限流电阻Ro两端电压超过预先设定的阈值，限流电阻电压检测电路的输出为低电平，经过比较器U3A、U3B输出该信号连接至与非门电路U5A的2脚，U5A的输出为高电平，从而晶体管Q1饱和导通，使得电容C3被短路放电，Q2断开为下一次延时启动做准备。同时晶体管Q3饱和导通，将晶体管Q4的基极电位关断，最后晶体管Q5被快速关断，限流电阻Ro重新接入电路主回路，整个系统回归到图1所示现有本质安全状态。此后，单稳态触发器U4的3脚电平在延时一段时间后由低电平（暂态）恢复到高电平（稳态），该信号连接至与非门电路U5A的1脚，此时若负载侧故障仍然存在，则限流电阻电压监视电路输出仍为低电平，与非门U5A输出保持高电平，MOS管Q5保持关断状态；若负载侧故障已经解决，则限流电阻电压监视电路输出转为高电平，与非门U5A输出切换为低电平，电路重新进入延迟启动阶段，实现了故障排除后的自恢复功能。

Claims (6)

1.一种实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，其特征在于， 具体包括如下步骤:

1)搭建故障保护电路：实现本质安全关联设备的隔离电路经过稳压管接故障保护电路中限流电阻后输出,故障保护电路中快速关断电路和限流电阻并联, 故障保护电路中限流电阻电压检测电路采集限流电阻的电压，电压变化率检测电路采集主回路中的采样电阻电压变化率, 限流电阻电压检测电路和电压变化率检测电路信号输出经处理转换输出接快速关断电路；

2）快速关断电路断开，本质安全关联设备采用限流电阻限流，当限流电阻电压检测电路检测限流电阻电压值大于设定值，快速关断电路导通，限流电阻被短路，本质安全关联设备主回路不通过限流电阻直接输出供电，当电压变化率检测电路检测到采样电阻电压变化率到达预先设定的阈值时，电压变化率检测电路输出信号关断快速关断电路，快速关断电路断开后使限流电阻投入工作，本质安全关联设备通过限流电阻限流后输出供电。

2.根据权利要求1所述实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，其特征在于，所述故障保护电路中限流电阻为欧姆级。

3.根据权利要求1所述实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，其特征在于，所述主回路中的采样电阻为毫欧级。

4.根据权利要求1所述实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，其特征在于，所述故障保护电路中限流电阻电压检测电路通过延时电路后输出导通快速关断电路。

5.根据权利要求1所述实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，其特征在于，所述步骤2）中故障保护电路中电压变化率检测电路检测到采样电阻电压变化率到达预先设定的阈值时，通过单稳态触发电路关断快速关断电路。

6.根据权利要求1所述实现本质安全关联设备输出最大功率的方法，其特征在于，所述快速关断电路为开关管或继电器开关。