CN105556322A - 电压限制器监测 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种电路布置以及相关方法，用于监测诸如例如浪涌放电器的电压限制器设备的操作状态，且以一种方式识别流过该设备的错误电流，并且其可证明该设备的状态劣化的指示以及证明特别有利于在即使可能仅有小错误电流时提供这种监测，但是以一种例如在避免电流浪涌的电路保护期间其仍然允许运输(portage)限制器设备的所需操作的方式。

Description

电压限制器监测

技术领域

本发明涉及限电压设备的监测，并且特别地涉及被布置为提供防止潜在有损害性的高电压和/或电流电平(诸如例如浪涌电流)的电路保护的设备的监测。

背景技术

限电压设备通常用于避免在电路或特定设备内产生的非期望的电压值。在下面进一步描述的一种布置中，电压限制器可包括诸如浪涌放电器的电路/设备保护设备，其被布置为吸收浪涌电流(能量)以防止受保护电路经受高电压。以这种方式，该保护设备对浪涌电流的吸收限制了在电路其它部分中产生的电压。也就是说，该设备通常由在其端子处的触发电压值的出现而触发，然后试图通过转移通过其自身的可用的浪涌电流来限制在电路中产生的电压。

存在需要电路运行在超过电路和/或电路设备的期望运行范围的电压和电流值可能产生的环境中的许多情形。这种过电压/电流可能通过电路设备或元件故障而可能在内部产生，或在外部产生，并可能提供损害或实际损毁电路/设备的电压/电流中的这种浪涌。这种起源于外部的浪涌的示例是从电路上的雷击产生的浪涌。这些危险在至少部分在外部环境运行的电路/设备中特别普遍。

许多形式的限电压设备是可用的，且其用于对敏感电路和电路元件提供至少某种程度的保护。这些设备用于“吸收”过电压/电流，并从而防止过电压/电流损害敏感电路和设备/元件。这种设备的示例包括浪涌放电器，诸如瞬态电压抑制器(TVS)(即所谓的瞬态吸收器(Transorb))设备，以及还有压敏电阻器设备。

例如，关于TVS设备的技术文献表明，除非由于例如经受超过其设计限制的峰值浪涌或出现阻止热能扩散的频繁浪涌使得TVS设备通过变成受压而被驱动为故障，否则即使在退化状态中TVS设备将继续起作用。

限电压设备本质上可以是牺牲的，且由此通过使用将趋于劣化，且在吸收一系列浪涌之后其可能最终完全故障。在该劣化期间，以及当然在该劣化之后，设备可对它们所保护的电路/设备的运行具有非期望的影响。例如，当在过程控制回路中使用时，劣化的浪涌放电器可导致产生错误读数。

对浪涌放电器设备的运行状态的监测被认为是一种识别潜在劣化的方法。大多数现有监测布置试图通过测量浪涌放电器在其劣化时由于其传导的电流发生的发热来提供这种监测。但是，由于这种已知布置对劣化设备内的散热的信任，这些已知布置的敏感度受到局限，且这还可用于限制这些已知布置可被可靠使用的情形的范围。

同样已知借助于在浪涌放电器设备处的电压感测进行某种形式的设备监测。但是，这种已知设备的敏感度以及还有精确度被不利地限制，且当在诸如控制回路的电路中部署时，电压将随着测量电流而变化。外部电源也被用于这种已知的监测布置/设备，且这可证明商业上的限制因数，其增加已知监测布置的复杂度。

发明内容

本发明试图通过提供与已知这种布置和方法相比具有优点的监测布置和相关方法而提出对限电压设备的监测。

根据本发明的第一方面，提供了电压限制器监测器，其被布置为通过感测经过被布置为串联连接到电压限制器的电阻的电流来监测经过电压限制器的电流，以及其中监测器进一步包括限电压部件，该限电压部件可操作地连接到电阻器以限制电阻器两端产生的电压。

就本发明的优点而言，通过使用与经过电压限制器的电流相关的电流监测，证明即使在仅小电流经过设备时也可能检测电压限制器设备的劣化。这特别有利于扩展在其中可以可靠识别电压限制器的劣化的运行状况的范围。本发明可有利地运行在甚至经过电压限制器的小电流可对电路和/或在电路内产生的信号有不利影响的情形下，其中在该电路中使用电压限制器。

特别地，针对电流感测需要使用与限制设备串联的有合理值的电阻，但是这带来了问题和限制，因为该电阻将防止限制设备执行其功能。通过允许使用这种合理值的电阻，电流感测的这种问题和限制被本发明有利地克服，但不影响限制设备的运行，也不使电路设备暴露于具有潜在损害性的电压电平。

又进一步，就本发明证明的优点而言，通过使用被可操作地连接以限制在电阻两端产生的电压的限电压部件，可以使用高值电阻。这证明特别有利于涉及小电流值的使用，并且例如确保信噪比水平保持足以用于检测的所需水平。

有利地，限电压部件可包括切换部件。特别地，该切换部件可包括与电阻器并联的二极管开关部件。

在一个特定示例中，限电压部件可包括与电阻并联连接的背对背式二极管对。

这种电路布置为本发明面临的问题提供特别简单和可靠的解决方案。

如所理解，电压限制器监测器可被布置为监测任意合适的限电压设备的运行，诸如但不限于诸如例如瞬态电压抑制器的浪涌放电器。

又进一步，监测器可包括感测电路，该感测电路被布置为感测通过串联连接的电阻的电流。感测电路可有利地包括高输入阻抗的运算放大器或其它复杂集成电路。

作为本发明的进一步有利特征，监测器可被布置为从其中使用电压限制器的电路接收电力。

因此有利地，本发明的监测器可被布置为从电路提取其需要的电力，由此不需要单独的外部电源。

在这种示例中，可在被保护的电路中使用降电压设备，从而提供对感测电路供电所需的电压差。作为一个示例，降电压设备可包括至少两个串联连接的二极管设备。但是应当理解在需要时可使用任意合适数量的这种设备以及其它电压降低部件。

进一步，通过这种降电压设备的合适选择和选取，传感器可被布置为提取其所需电力而无需对使用限电压设备的电路的运行有任何不利影响。

特别地，为电压降低提供的电流路径可有利地从没有杂散泄漏(strayleakage)的电流回路中被提供。

当然电阻可采用任何合适的形式，且在特定实施例中包括用于监测小电流的有利地具有合适高值的电阻器。

作为进一步特征，指示器部件可被包括在传感器内以提供关于当感测到用于指示限制器部件的劣化的通过电压限制器的电流时的可视指示。指示器可包括提供任意合适信号的任意合适的布置/设备，该任意合适信号诸如但不限于视觉信号、声音信号、电信号、无线电信号等。

进一步，额外的或替代的，可以提供指示电压限制器的最终故障的指示器部件。

在优选实施例中，这种指示器部件可包括一个或多个视觉指示器部件，诸如例如发光二极管设备。

根据本发明的另一方面，提供了一种监测被可操作地连接在电路内的电压限制器的方法，并且该方法包括通过感测经过串联连接到电压限制器的电阻的电流来感测经过该电压限制器的电流的步骤，且进一步包括在电压超过阈值时限制在电阻两端产生的电压的步骤。

如上，且借助于本发明的方法通过使用与经过电压限制器的电流相关的电流监测，证明即使在由于其开始劣化且可能继续劣化而仅传递小电流时也可能检测电压限制器设备的劣化。

同样，通过在本发明的方法中使用可操作地连接的限电压部件以限制在电阻两端产生的电压，可在证明特别有利于涉及小电流值的使用并确保信噪比水平保持足以用于检测的所需水平的方法中使用高值电阻。

有利地，电阻两端的电压可由切换部件来限制。特别地，该切换部件可包括与电阻并联的二极管开关部件。

如将理解，电压限制器监测可被布置为监测任意合适的限电压设备的运行，诸如但不限于诸如例如TVS的浪涌放电器。

方法可包括借助于来自使用电压限制器的电路的电力为监测器供电的步骤。

进一步，方法可包括提取其所需的运行电力以使得不需要单独的外部电源的步骤。

然后方法可包括降低使用电压限制器的电路中的电压以提供所需电力的步骤。

还可由任意合适的电源为监测器供电，该合适的电源可包括单独的电源，诸如例如其自己的电池电源。此外，方法可包括步骤：提供关于当识别到用于指示设备劣化的通过电压限制器设备的电流时的指示，优选视觉指示。

此外或替代地，方法可包括提供电压限制器故障的指示，优选为视觉指示。

因此如将理解，本发明可包括在电路内限制电压且包括诸如上面概述的监测步骤的方法。

可提供特别涉及诸如过程控制回路和紧急关闭系统的控制电路的方法。

此外，本发明通过在限制设备中错误电流的出现而允许稳定检测有效“回路值”的劣化，并还提供故障设备的一般运行状态“健康”的指示。这种指示可有利地以用于指示故障何时可能发生的预测方式被使用。因此如将理解，监测器布置和相关方法(诸如本发明的监测器布置和相关方法)可以有利地被布置，以使得限电压部件用于在电压限制器处的浪涌事件中旁通电阻。

该旁通有助于使得电压限制器执行其功能，并且防止在电阻器两端形成的具有潜在损害性的电压。

附图说明

下面仅借助于示例，参考附图来进一步描述本发明，在附图中：

图1包括根据本发明的实施例的简化电路布置的示意性示图；

图2包括根据本发明的第二实施例的简化电路布置的示意性示图，并包括从电路和控制设备提取用于监测的电力；以及

图3包括根据本发明的另一实施例的简化电路布置的示意性示图，并包括从电路和控制设备提取用于监测的电力。

具体实施方式

如下所述，图1和2中示出的本发明的实施例的操作为在以浪涌放电器形式的限电压设备的上下文中，诸如在过程控制电路布置的4-20mA的模拟输入和输出回路内采用的浪涌放电器。这种布置可允许提供用于数字输入/输出信号的电池电力。但是应当理解这仅是本发明的许多示例之一的示出，且本发明背后的概念可用于其它配置且实际上用在各种其它电路的保护情形中。

但是采用4-20mA回路的所示实施例特别示出由本发明提供的有利的敏感度和精确度。在这种示例中，监测设备可被布置为指示一旦在限电压设备中流过的电流超过阈值时的错误电流。对于这种回路，该阈值(即监测的警报点)可以是下至例如100μA的任意点。这种电平可有利地被选择以代表回路的操作范围的大约1％。操作范围的这种百分比值通常对应于回路控制设备的容差。优选的值是100μA。进一步，鉴于在这种环境中劣化的检测将在100μA的错误电流值处发生，则热学分析当然也不是轻易可用的，因为这种值的错误电流不太可能散热多过25mW。

通过感测经过故障设备的电流值的监测有利地不受到该限制。

首先转向图1，示出了控制回路10，布置为在由于例如雷击在回路10中可能产生浪涌电流/电压的环境中运行的现场设备12和控制设备14之间控制/数据信号的交换。回路10用于将控制设备14接合到现场设备12，并且该控制设备14可通常包括可编程逻辑控制器(PLC)、分布式控制系统(DCS)或紧急关闭(ESD)系统。

为了保护不受这种浪涌电流的影响，浪涌放电器(在本示例中以瞬态电压抑制器(TVS)16的形式)被用于吸收回路10中的任意该浪涌中的能量并因此避免在现场设备12或控制设备14处出现浪涌，并避免可能损害或损毁现场设备12或控制设备14。电压限制器16及其相关监测器因此可位于所示实施例的现场设备12或控制设备14的附近，或如果需要位于这两者附近。

但是，且特别在本发明的上下文中，可以理解诸如TVS16的限电压设备可以是牺牲设备，其将在吸收一个或多个浪涌之后在最终故障之前随时间劣化。这种劣化和部分故障的结果是TVS16将易于传导小错误电流。这种电流的存在可对回路10的所需操作有不利影响，以使得应当理想地识别出小错误电流的存在。

当TVS16开始泄漏时，其从回路10偷取电流但是该泄漏误差在回路内可能带来的影响由于过程闭合回路内的补偿而不会立即被注意到。当考虑不同的可能控制设备时，诸如例如但不限于上面被提到的这些，DCS用户将通常接收回路控制点已经被移动的警报，但是示出现场设备的装置(plant)将继续运行并且然后通常在该装置处必须发起识别所感知到的问题的调查。

但是PLC用户通常不会注意到这种错误，直到回路停止工作，或已经劣化到失灵程度。

对于模拟输入回路，该错误可能更快速被发现，且例如对于DCS用户，可以发生超出范围的警报。但是更有问题的是关于ESD的使用，因为装置关闭过程可能被启动。这种关闭可证明是灾难性和/或成本高的，从而使用由本发明提供的诊断可证明是特别有吸引力的。

为了提供这种诊断感测，图1的本发明所示实施例提供监测/感测布置18，用于确定一旦TVS16开始故障时在TVS16中流过的可能相当小的错误电流。为了以特别有利且简单的方式实现该目的，本发明的感测布置18采用与TVS16串联连接的诸如电阻器20的电阻，以使得当错误电流在TVS16中流动时，该错误电流还流过电阻器20。

但是应当理解，鉴于涉及小错误电流值且特别涉及相关信噪比的所需敏感度和精确度，将为电阻器20将选择高值。但是，这种高值反过来可证明当就发生浪涌而言浪涌电流将经过串联连接的电阻器20和TVS16时是有问题的。由于高电阻值，将在电阻器20两端形成大电压，这可能不仅损害该电阻器和/或连接到电阻器的感测布置的其余部分，而且与电涌相关联的大部分能量然后将被简单地传递给现场设备12，而不是在TVS16中被吸收。

但是选择小值电阻器不是可行的替换方式，尽管其将允许在TVS16内对浪涌能量的所需吸收，并且在其自己的端子两端形成小电压(且因此不会损害感测布置的其余部分)，对于确定在劣化的TVS16内的错误电流的初始阶段，小电阻值将是完全不适合的。

通过采用在电阻器20的端子两端的限电压开关布置22、24，且因此与该限电压开关布置22、24并联操作，本发明有利地允许高值电阻器20的使用。在图1示出的实施例中，该限电压开关布置包括一对背对背式二极管22、24。如下所述，二极管对22、24被布置为在电阻器20两端形成浪涌电压时开启，且一旦开启(正向偏置)浪涌电流的绝大部分将经由二极管22或24之一被转移并进入到TVS16，其中与浪涌相关联的能量如需要可被吸收而不是被传递到现场设备。二极管对22、24用于将电阻器20两端出现的电压限制到该正向偏置电压(0.7V至1.2V)且因此还防止对感测布置的其余部分的损害。将理解的是二极管22被布置为当浪涌电流处于与通过二极管20操作的电流相比的反向时运行。

因此通过监测本发明的布置，可向回路10提供对例如潜在浪涌的合适保护，而甚至在无浪涌(即正常工作)期间感测布置也足够敏感以检测通过电压限制器的小错误电流，从而提供TVS16劣化的早期指示。

如所示，通过优选地采用高输入阻抗运算放大器的电流传感器26感测在电阻器20中流过的错误电流。如下面进一步描述，感测布置用于提供一旦TVS16中的错误电流超过例如100μA的阈值时的劣化的指示。

现在转向图2，示出了本发明的第二实施例，其包括用于从回路自身且特别是从控制设备提取用于感测布置的所需输入电力的特征。在该实施例中，在所示的电路的上部分处提供感测。

再次关于控制回路30示出了该第二实施例，该控制回路30提供了从控制设备32到现场设备34的控制接口，且回路30包括如图1的实施例的浪涌放电器(诸如但不限于TVS36)，TVS36被连接到感测布置，该感测布置包括串联连接到TVS36的电阻器38、与电阻器38并联连接并用于限制在电阻器38两端产生的电压且由此将全部浪涌电流传递到TVS36的背对背式二极管对40、42、以及被布置为确定流过TVS36进而流过电阻器38的错误电流的电流传感器44。该进一步实施例的感测和浪涌保护操作遵循涉及上一实施例描述的感测和浪涌保护操作。

但是且如所示，包括额外的电路元件，感测布置通过该电路元件有效地通过从回路30且特别从回路30的控制设备32侧提取来得到电力。

这些另外的元件包括降电压布置46，该降电压布置包括串联连接的二极管48、50，该二极管用于提供电压降低以产生用于向监测器供电的电势差并被连接在回路30中。包括另外的二极管52，从而在允许任何浪涌电流通过(不管其极性)的同时提供保护且完成提取电路。二极管的这种配置对浪涌放电操作不具有非期望的影响。

指示部件54允许用户监测TVS36的状态。如所指出的，该指示部件可包括任何合适的部件，不论是否提供监测的声音、视觉、无线电、电信号的指示或实际上其任意组合。在一个特定示例中，指示部件可包括被布置为开启、关闭或改变其输出的LED，以提供监测的状态/结果的所需指示。

现在转向图3，示出了本发明的进一步的实施例，再次包括用于从回路自身且特别从控制设备侧提取用于感测布置的所需输入电力的特征。但是，与图2示出的第二实施例相比，图3的实施例采用在所示的电路的较下部分内的感测。

再次关于控制回路60示出该进一步的实施例，该控制回路提供从控制设备62到现场设备64的控制接口，且回路60包括浪涌放电器(诸如但不限于TVS66)，如之前实施例所述该浪涌放电器连接到感测布置，该感测布置包括串联连接到TVS66的电阻器68、与电阻器68并联连接且用于限制在电阻器68两端产生的电压并且由此将全部浪涌电流传递到TVS66的背对背式二极管对70、72，以及被布置为确定流过TVS66进而流过电阻器68的错误电流的电流传感器74。该进一步实施例的感测和浪涌保护操作遵循涉及上一实施例所描述的感测和浪涌保护操作。

但是且如所示，包括额外的电路元件，感测布置通过该电路元件有效地通过从回路60且特别从回路60的控制设备62提取来得到电力。

这些另外的元件包括降电压布置76，该降电压布置包括串联连接的二极管78、80和82，该二极管用于提供电压降低以产生用于向监测器供电的电势差并且被连接在从降电压布置76到电流传感器74的电源线中。包括另外的二极管84和86，以提供反向浪涌保护，并因此提供与极性无关的浪涌保护。二极管的这种配置对浪涌放电操作不具有非期望的影响。

指示部件88允许用户监测TVS66的状态。如所指出的，该指示部件可包括任何合适的部件，不论是否提供监测的声音、视觉、无线电、电信号的指示或实际上其任意组合。在一个特定示例中，指示部件可包括被布置为开启、关闭或改变其输出的LED，以提供监测的状态/结果的所需指示。

但是，应当理解作为一个可能的替换方式，可提供外部电源来向监测器的控制/感测/指示电路供电。

这种设计考虑可证明特别有利于从本发明的诊断电路的回路提取电力，且不会影响控制回路的精确度。

因此将理解的是，本发明提供用于在采用限电压设备中保护电路的实用解决方案，且尤其是以在限电压设备部分故障时检测小错误电流的方式，以及以在例如发生雷击时不会阻止例如浪涌放电吸收显著能量的方式。

本发明因此可用于提供限电压设备劣化以及设备同样随之完全故障的指示。该指示可由合适的部件来提供，诸如但不限于电信号、声音、视觉、无线电和中继方式。一个特定示例包括一个或多个LED指示器。可为每个所需的不同指示(即劣化或故障)提供相应的设备，或公共的设备可被使用和布置为提供响应于设备的状态(即劣化或故障)的不同输出模式。

Claims (27)

1.一种电压限制器监测器，被布置成通过感测经过电阻的电流来监测经过所述电压限制器的电流，所述电阻被布置为串联连接到所述电压限制器，以及其中所述监测器进一步包括可操作地连接到所述电阻以限制在所述电阻两端产生的电压的限电压部件。

2.如权利要求1所述的监测器，其中所述限电压部件被布置成在所述电压限制器处的浪涌事件中旁路所述电阻。

3.如权利要求1或2所述的监测器，其中所述限电压部件包括切换部件。

4.如权利要求3所述的监测器，其中所述切换部件包括与所述电阻并联的二极管开关部件。

5.如权利要求1、2或3所述的监测器，其中所述限电压部件包括与所述电阻并联连接的背对背式二极管对。

6.如上述权利要求的任意一项或多项所述的监测器，并且被布置成监测浪涌放电器的操作。

7.如上述权利要求的任意一项或多项所述的监测器，并且包括被布置成感测经过所述串联连接的电阻的电流的感测电路。

8.如上述权利要求的任意一项或多项所述的监测器，并且被布置成从在其中采用所述电压限制器的所述电路接收电力。

9.如权利要求8所述的监测器，并且包括在使用所述电压限制器的所述电路中的降电压元件。

10.如权利要求9所述的监测器，其中所述降电压元件包括至少两个串联连接的二极管设备。

11.如上述权利要求的任意一项或多项所述的监测器，并且包括指示部件，所述指示部件被布置成提供关于当识别到用于指示所述限制器劣化的通过所述电压限制器的电流时的指示。

12.如上述权利要求的任意一项或多项所述的监测器，并且包括指示部件，所述指示部件被布置成指示所述电压限制器的故障。

13.如上述权利要求的任意一项或多项所述的监测器，其中所述电阻包括电阻器。

14.一种方法，监测可操作地连接在电路内的电压限制器，并且包括借助于感测经过串联连接到所述电压限制器的电阻的电流来感测经过所述电压限制器的电流的步骤，以及进一步包括在电压超过阈值时限制在所述电阻两端产生的电压的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，并且包括在所述电压限制器处的浪涌事件中借助于所述限电压部件对所述电阻旁路的步骤。

16.如权利要求14或15所述的方法，其包括当所述阈值电压被超过时对位于所述电阻两端的切换设备进行切换的步骤。

17.如权利要求14、15或16所述的方法，并且包括监测以电路保护设备形式的电压限制器。

18.如权利要求17所述的方法，并且包括监测以浪涌放电器形式的电压限制器。

19.如权利要求14至18中任意一项或多项所述的方法，并且包括从在其中采用所述电压限制器的所述电路为监测供电的步骤。

20.如权利要求19所述的方法，并且包括在所述电路内降低电压的步骤，在所述电路中采用所述电压限制器以得到用于所述监测的操作电力。

21.如权利要求14至20中任意一项或多项所述的方法，其中感测通过所述电阻的电流的步骤包括感测当所述电流超过阈值时的电流。

22.如权利要求14至21中任意一项或多项所述的方法，并且包括提供感测到的流过劣化的电压限制器的电流和所述电压限制器的故障中的一者或两者的指示。

23.如权利要求14至22中任意一项或多项所述的方法，其中所述感测电流的步骤包括感测通过串联连接到所述电压限制器的电阻器的电流。

24.一种电路保护布置，包括如权利要求1至13中任意一项或多项所述的限电压设备和监测器。

25.一种电压限制器监测器，其基本参考附图的图1、图2和图3如上文描述，以及如附图的图1、图2和图3所示。

26.一种方法，用于监测基本参考附图的图1、图2和图3的如上文描述的电压限制器监测器。

27.一种电路保护布置，其基本参考附图的图1、图2和图3如上文描述，以及如附图的图1、图2和图3所示。