CN107079202A - 具有阻抗匹配的防爆电路 - Google Patents

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Abstract

用于监测至少一个物理或化学过程变量的装置，包括至少一个传感器单元(2)和用于信号检测、评估和/或馈电的电子单元(4)，其中以交流电流来驱动传感器单元(2)并且/或者以交流电流和/或交流电压来实现电子单元(4)和传感器单元(2)之间的通信，并且包括具有内在安全性的防爆电路(3)，该防爆电路(3)包括具有至少一个用于电流限制和/或电压限制的单元的安全屏障，其中在防爆电路(3)内部提供用于阻抗匹配的单元，该单元包括至少一个变压器(12)用于阻抗匹配。

Description

具有阻抗匹配的防爆电路
本发明涉及一种用于监测至少一个物理或化学过程变量的设备，其包括至少一个传感器单元和用于信号记录、评估和/或馈电的电子单元，其中该设备适用于有爆炸危险的区域。
为了在爆炸性环境中操作现场设备，需要各种措施。这些措施具有如下目的：防止火花的形成或避免在封闭空间的内部的火花的产生对环境造成影响，在给定情况下，火花的形成可能引发爆炸。在这方面，区分不同的保护区域，并且相应地对于不同的环境条件和应用存在不同的标准。标准DIN EN60079-11通过内在安全性定义了设备保护的必要安全性要求，缩写为Ex-i。这是点火保护类型，其基于将暴露于可能的爆炸性环境的装置和/或连接线内的电能限制到低于通过火花形成或通过热可引起点火的水平。此外，在该保护等级内区分不同的保护等级，即Ex-ia、Ex-ib和Ex-ic。这些等级定义了各个部件和连接线的现有故障安全性。
对于等级Ex-I下的防爆，必须特别确保装置中的电气变量、电流、电压和功率始终处于相应的预定极限值之下。这些极限值被选择为使得在例如，由于短路的故障的情况下，最大发热不足以产生点火火花。在这方面，电流通常通过电阻保持低于其预定极限值，电压通过二极管，特别是齐纳二极管，低于其预定极限值，并且功率通过电流和电压限制部件的适当组合低于其预定极限值。这样的保护电路可以作为可插拔设备例如从公司PhoenixContact购买到，名称为MCR-PLUGTRAB PT。此外，关于现场设备，例如在EP0882955A1、DE29809853U1或WO2004/098014A1中已知多个示例，在这些示例中，防爆要求由特定电路布置实现。WO2004/098014A1描述了串联电阻器的布置，特别是用于电流-和电压限制的单元，而DE29809853U1提供了齐纳二极管的应用。然而，二极管的应用具有应用限于某一温度范围的缺点。
此外，上述防爆电路的示例没有阻抗匹配。这尤其涉及其中电子单元和传感器元件之间的通信通过交流电流或交流电压来实现的现场设备。典型频率在10kHz至50MHz的范围内。问题是传感器元件的负载阻抗通常不与线路或电子单元匹配。这导致了线路上的驻波。因此，不能传输全部的电能。这种现场设备的示例包括传感器元件驱动至少一个压电元件或由至少一个压电元件驱动的那些示例。其中，这些涉及超声波流量测量装置或电子振动式料位测量装置，例如由申请人以多种方式出售的，在名称为Prosonic DDU10、ProsonicProline P或Prosonic Flow的第一种例子中，以及在名称为Solifant和Liquifant的第二种例子中。
用于确保阻抗匹配，特别是针对压电元件，的典型方法是应用线圈或变压器。各个部件必须基于它们的特性与线路、与电子单元、和与压电元件匹配，在这种情况下，电子单元通常具有放大器。
本发明的目的是提供一种具有防爆电路的现场设备，其能够在爆炸性环境中操作现场设备，外加以最小的功率损失同步传输信号。
根据本发明，通过一种用于监测至少一个物理或化学过程变量的装置来实现该目标，该装置包括至少一个传感器单元和用于信号记录、评估和/或馈电的电子单元，其中传感器单元以交流电流来操作和/或以交流电流和/或交流电压来实现传感器单元和电子设备单元之间的通信，并且具有内在安全性的防爆电路，其包括安全屏障，其具有至少一个用于电流-和/或电压限制的单元，其中在防爆电路中提供用于阻抗匹配的单元，该用于阻抗匹配的单元包括至少一个变压器。在这种情况下，阻抗匹配允许尽可能无损耗地传输信号，并且相应地为传感器单元提供更多的能量，因为在传感器单元和电子设备的阻抗之间的大间隔上可以实现通用匹配。
在这种情况下，当用于阻抗匹配的单元被实施为使得传感器单元和电子单元彼此流电隔离时，是有利的。变压器的相应实施方式另外提供区域隔离。这对于具有金属壳体的和输送介质的管道的阴极保护的介质接触传感器单元是特别有利的。在这种应用中，阴极保护意味着通过电压源管道相对于接地连接的电位被保持在特定值，特别是例如U＝5V，以便防止管道的腐蚀。在这种情况下，在传感器单元和电子单元之间具有流电隔离的防爆电路的应用，能够使电路独立操作。传统防爆电路通常不是这种情况。
为此，当变压器被实施为确保流电隔离时，特别是通过确保足够大的间隔和适当选择诸如漆和绝缘膜的材料来确保电隔离时，是有利的。
在优选实施例中，用于电流限制的单元包括至少一个电阻器。同样有利的是，用于电压限制的单元包括至少一个线圈。电压限制部件的这种选择允许在宽的温度范围内应用本发明的装置，特别是可能的温度范围大于应用二极管的情况下的温度范围。
在这种情况下，此外，当以使得它们具有双重功能的方式设计用于电流限制、电压限制和阻抗匹配的单元中各自的等效部件时是有利的。因此，例如，用于电压限制的单元和用于阻抗匹配的单元可以通过变压器被组合在一起。此外，线圈的绕组的欧姆电阻同样可用于电流限制。
在另一优选实施例中，传感器单元包括至少一个压电元件。在将本发明的装置应用于超声波流量测量装置或用于电子振动式料位测量装置时尤其如此。因而，所述至少一个过程变量是例如介质通过管道的流量或容器中介质的料位或相应介质的密度或粘度。
此外，当防爆电路固定地设置在传感器单元和电子单元之间时是有利的。可选择地，防爆电路也可以布置在单独的插头适配器中，该插头适配器可改装地固定在传感器单元和电子单元之间。在这种情况下，已经存在的设备可以随后用防爆电路和/或阻抗匹配来改装。
在特别优选的实施例中，并联分支的数量决定故障安全性，特别是当防爆电路具有至少两个并联分支时，存在至少一个单故障安全性，并且在至少三个并联分支的情况下存在至少一个双重故障安全性。这对应于标准Ex-ib。在三个并联分支的情况下实现的双重故障安全性的情况下，甚至满足标准Ex-ia。
在这种情况下，当设置在用于电流-和/或电压限制的单元内的至少一个部件被多次实施时是有利的。这特别涉及在防爆电路内具有两个并联分支的情况，因为那时两个分支等同地实施。在单故障安全性的情况下，例如，冗余地实施两个电流限制电阻和两个电压限制线圈，而在双重故障安全性的情况下，在每种情况中，将冗余地实施三个线圈和三个电阻。
此外，当至少一个部件被故障安全地设计时是有利的。这可以例如通过具有的线规和根据2级的IEC的最小故障电压的线圈、通过被设计为导线电阻并且其具有足够的耐热性的电阻，和/或通过相应横截面，特别是高度和宽度的导电迹线来实现。
在另一个特别优选的实施例中，防爆电路包括开关功能。利用该开关功能，至少一个用于确保内在安全性的单元，特别是用于电流限制的单元可以被分流，特别是被短路。因此，在非-Ex区域中，可以在没有电流限制的情况下使用变压器，而在Ex区域中提供具有电流限制和区域隔离的变型。
在这种情况下，当开关功能仅可以利用专用工具，特别是利用钥匙操作的开关来改变时，或者当其位于设备的仅可通过专用工具访问的区域时，是特别有利的。
当设备的可能暴露于爆炸性环境的区域是可封闭和/或封闭的时，是有利的。
此外，当在防爆电路和装置的至少一个附加部件之间存在至少一个连接，并且当每个连接仅通过工具可中断或不可中断时，是有利的。
现在将通过基于多个实施例的示例的附图更详细地描述本发明。附图的描述显示如下：
图1是根据现有技术的现场设备的框图；
图2是具有单故障安全性的本发明的防爆电路的电路图；
图3是本发明的具有本发明的开关功能的防爆电路的电路图；以及
图4是具有双重故障安全性的本发明的防爆电路的电路图。
图1示出了根据现有技术的装置1，例如现场设备的简化框图。现场设备例如可以是根据超声波原理工作的流量测量设备。这样的现场设备由申请人以各种各样的方式生产和销售，例如名称为Prosonic DDU10或Prosonic Proline P。其他类型的现场设备也在本发明的范围内。如图所示，设备1包括传感器单元2和电子单元4，在它们之间集成了本发明的防爆电路3。防爆电路3可以固定地设置或提供在单独的插头适配器中，该插头适配器可拆卸地放置在电子单元3和传感器单元2之间。
用于防爆电路的选项包括不同的变型，其中下面将详细解释三个不同的示例。当然，可以提供许多其他布置，其也落入本发明的范围内。
图2示出了具有单故障安全性并且布置在电子单元4和传感器单元2之间的本发明的防爆电路3′的电路图。位于金属屏蔽内的传感器单元2包括压电元件5，并且阻抗与其匹配。信号承载线由三轴电缆6提供，其中一个导体6b与相应的金属壳体连接。用于阻抗匹配的是具有至少三个绕组的变压器12。通常，变压器具有两个绕组。第三绕组在此相应地不用于阻抗匹配，而是用于防爆。因此，在实施例的所示示例中的变压器12具有双重功能。除了至少一个附加绕组之外，当具有压电元件5的一侧上的卷绕方向性(winding handedness)与朝向电子单元4的一侧相反时，是有利的。这在故障的情况下起作用以减少存储的能量。
以下描述专门涉及防爆电路3′。左侧的两个电路分支各自具有线圈7，7a，每个分支各自具有线路电阻9，9a，并且每个分支各自具有用于电流限制的串联电阻8，8a。这种冗余结构提供了防爆电路3′的单故障安全性。在具有压电元件5的一侧上的第三电路分支中是另一线圈7b和相关联的线路电阻8b。通过合适地选择线圈7，7a，7b的电感和机械实施方式，可以适当地变换功率，以及确保区域隔离。电阻8，8a又用于电流限制。如果选择太低的欧姆电阻，则电流不能被充分限制，并且电路仅确保阻抗匹配。如果装置在没有爆炸危险的环境中操作，则这种电阻器8，8a的选择是有利的，因为更多的能量可以被传输到压电元件5。当采用足够高值的欧姆电阻8，8a时，仅能获得防爆效果。因此它取决于相应部件的选择和所需的应用。
在下文中，图2所示的电路的防爆作用将基于具体示例演示。在这方面，为各个部件和执行的两个能量考虑选择特定值。
线圈7，7a，7b中的感应能量由下式给出：
如果考虑电流的标准安全系数为1.5，则在线圈7b具有L＝1500μH和Eind＝20μJ(线圈中的最大允许能量：Eind＝40μJ，考虑安全系数为2)的情况下，导致最大电流为：
并且相应地对于在U＝10V(在故障的情况下的DC)的情况下的电阻：
根据电子单元4内的输出级4a的串联电阻10的选择，因此需要额外的电阻8，8a，以便实现足够的电流限制。输出级4a的限制电阻器的典型值为R10＝50Ω，使得两个电阻8，8a的并联电路Rs将被选择为至少足够高，使得Rs＝61.4Ω-50Ω＝11.4Ω。此外，提供第二电阻器10a，输入级4b的内部电阻。这对于响应信号的无反射传输是必要的。通常选择它与限制电阻器10具有相同的值。在设备工作期间交流电压匹配的情况下，阻抗7，7a，7b和电阻8，8a的总和在理想情况下应该等于R10a＝R10的值，而R10，又对应于三轴电缆6的波阻。类似地，在工作频率下，带有连接的压电元件5的保护电路的相位应当为在电阻8b，9和9a的情况下，这些是绕组的欧姆电阻。
图2的电路的轻微改进是提供连接11。在这种情况下，由于并联电路，导致Rs＝22.8Ω。因此，附加的连接11提供电阻Rs的增加，并且因此电流减小。另一方面，当省略连接11时，在电阻器8，8a上的电压降较小，使得更多的能量可用于压电元件5。
对于在压电元件5上的7J的机械冲击的所谓的冲击试验也是如此。根据标准，不具有电感的能量不应超过50μJ的值。
在电容性的能量的情况下
对于具有C＝600pF的压电元件，电容性的能量Ekap＝20μJ以及考虑到能量的安全系数2.5，导致压电元件上的电压：
因此，在7J的机械冲击的情况下，最大电压将低于Upiezo＝258V。通过应用在具有压电元件的一侧具有L＝1500μH的线圈7b以及其他两个线圈8，8a，不能实现该电压。
图3中示出了第二个示例的防爆电路3″。图3与图2的区别仅在于增加了开关13。这使得能够分流与线圈7，7a串联连接的电阻8，8a，使得可以在具有或不具有防爆作用的情况下选择性地操作该装置，这使得在高或低欧姆电阻8，8a之间的决定是不必要的，因为在任何时候可以通过开关功能来旁路。
最后一个例子如图4所示。在这种情况下，所关注的是具有双重故障安全性的防爆电路3″′。这在本示例中通过在远离压电元件5的一侧上的第三电路分支14来实现。在每个电路分支中，电阻器8，8a，8c与相应的线圈7，7a，7c串联连接。此外，添加了三个电路分支的连接11a。
可选的措施是在包含压电元件5的电路和包含三个电路分支的电路之间提供足够大的间隔。因而，在操作期间可以在压电元件上使用较高电压，具有很小的闪络风险。
当然，三个所示示例的基本功能单元可以自由地彼此组合。这涉及故障安全性类型的选择、诸如图3中的开关功能13的附加开关甚至附加的连接11，11a的集成。然而，参考各个部件，振荡电路必须与特定应用相匹配。
在防爆电路的固定布置的情况下，其可以例如与包含压电元件5的电路一起被布置在封闭壳体中。然而，当然也可以实现其他布置。
参考标记列表
1现场设备
2传感器单元
3防爆电路
4电子单元
4a，4b电子单元的输入级和输出级
5压电元件
6三轴电缆
6b三轴电缆的导体与金属壳体的连接
7，7a，7b线圈
8，8a-f电阻器
9，9a，9b线圈的线路电阻
10，10a输入和输出级的串联电阻器
11，11a连接
12变压器
13开关功能，或开关
14第四电路分支

Claims (16)

1.用于监测至少一个物理或化学过程变量的装置，包括至少一个传感器单元(2)和用于信号记录、评估和/或馈电的电子单元(4)，
其中，以交流电流来操作所述传感器单元(2)并且或者以交流电流和/或交流电压来实现所述电子单元(4)和所述传感器单元(2)之间的通信，
和具有内在安全性的防爆电路(3)，所述防爆电路(3)包括安全屏障，所述安全屏障具有至少一个用于电流-和/或电压限制的单元，
其特征在于，
在所述防爆电路(3)内设置有用于阻抗匹配的单元，所述用于阻抗匹配的单元包括至少一个变压器(12)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述用于阻抗匹配的单元被实施为使得所述传感器单元(2)和所述电子单元(4)彼此流电隔离。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
所述变压器(12)被实施为确保流电隔离，特别是通过确保足够大的间隔和适当选择例如漆和绝缘膜的材料，来确保流电隔离。
4.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
用于电流限制的单元包括至少一个电阻器(8，8a，8c)。
5.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
用于电压限制的单元包括至少一个线圈(7，7a，7b，7c)。
6.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
在用于电流限制、电压限制和阻抗匹配的单元中各自的等效部件被设计为使得它们具有双重功能。
7.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
所述传感器单元具有至少一个压电元件(5)。
8.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
所述防爆电路(3)固定地布置在所述传感器单元(2)和所述电子单元(4)之间。
9.根据权利要求1至7中至少一项所述的装置，其特征在于，
所述防爆电路(3)布置在单独的插头适配器中，所述插头适配器可改装地固定在所述传感器单元(2)和所述电子单元(4)之间。
10.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
所述防爆电路(3)内的并联支路的数量决定故障安全性，特别地，当所述防爆电路(3)具有至少两个并联支路时，存在至少一个单故障安全性，并且在至少三个并联分支的情况下具有至少一个双重故障安全性。
11.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
设置在用于电流-和/或电压限制的单元内的至少一个部件被多次实施。
12.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
至少一个部件被故障安全地设计。
13.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
所述防爆电路(3)包括开关功能(13)，并且利用所述开关功能(13)，至少一个用于确保内在安全性的单元，特别是用于电流限制的单元可以被分流，特别是被短路。
14.根据权利要求13所述的装置，其特征在于，
所述开关功能(13)仅可以使用专用工具，特别是通过钥匙操作的开关来改变，或者所述开关功能(13)位于所述装置的仅可通过专用工具进行访问的区域中。
15.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
可能暴露于爆炸性环境的所述装置(1)的所述区域是可封闭的和/或封闭的。
16.根据前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，
在所述防爆电路(3)和所述装置(1)的至少一个附加部件之间存在至少一个连接，并且每个连接是仅通过工具可拆卸的或不可拆卸的。
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