CN117280558A - 用于负载的本质安全电路 - Google Patents

Abstract

本公开的实施例涉及一种用于负载的本质安全电路。本质安全电路包括：能量输入端口和能量输出端口；第一电力线和第二电力线，被并联连接在能量输入端口与能量输出端口之间，并且被配置为将能量从能量输入端口递送到能量输出端口；信号输入端口和信号输出端口；第一信号线和第二信号线，被并联连接在信号输入端口与信号输出端口之间，并且被配置为在信号输入端口与信号输出端口之间递送信号；电压箝制单元，被连接在第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线之间，并且被配置为箝制第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线中的任意两者之间的电压；以及限流单元，被连接在第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线中的至少三者中，并且被配置为限制流过第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线的电流。

Description

用于负载的本质安全电路

技术领域

本公开的实施例总体上涉及本质安全电路领域，并且更具体地涉及用于具有通信功能的负载的本质安全电路。

背景技术

本质安全电路通常与在爆炸性环境中运行的负载一起使用以通过将传感器中的能量限制于一定水平来防止爆炸，低于该水平时，能够通过电火花或热效应而导致起火。常规本质安全电路(诸如本质安全屏障)通常只是为能量递送信道而设计的。对于包括能量递送信道和信号传输信道的负载，诸如遵守Modbus协议的负载，常规本质安全电路无法限制信号传输信道中或能量递送信道与信号传输信道之间的能量递送。因此，常规本质安全电路不再适用于具有通信功能的负载。因此，需要一种能够限制包括能量递送信道和信号传输信道的负载中的能量的本质安全电路。

发明内容

鉴于前述问题，本公开的各种示例实施例提供了一种用于负载的本质安全电路和包括该本质安全电路的传感器电路来以高可靠性和高安全性的方式更好地限制能量。

在本公开的第一方面中，本公开的示例实施例提供了一种用于负载的本质安全电路。该本质安全电路包括：能量输入端口和能量输出端口；第一电力线和第二电力线，被并联连接在能量输入端口与能量输出端口之间，并且被配置为将能量从能量输入端口递送到能量输出端口；信号输入端口和信号输出端口；第一信号线和第二信号线，被并联连接在信号输入端口与信号输出端口之间，并且被配置为在信号输入端口与信号输出端口之间递送信号；电压箝制单元，被连接在第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线之间，并且被配置为箝制第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线中的任意两者之间的电压；以及限流单元，被连接在第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线中的至少三者中，并且被配置为限制流过第一电力线、第二电力线、第一信号线和第二信号线的电流。利用这些实施例，由四条线中的任意两条线构成的回路中的本质安全电路的电压和电流受到限制，使得能量被限制于预定能量水平。

在一些实施例中，该本质安全电路还包括：电压转换器，被连接在能量输入端口与第一电力线和第二电力线之间，并且被配置为调整要由本质安全电路输出的电压。利用这些实施例，能够将合适电压施加至负载。

在一些实施例中，电压转换器是降压转换器。利用这些实施例，节省了电力。

在一些实施例中，电压箝制单元包括齐纳二极管。利用这些实施例，能够以低成本实现电压箝制。

在一些实施例中，第一电力线是正电压线，而第二电力线是负电压线；电压箝制单元包括第一齐纳二极管、第二齐纳二极管和第三齐纳二极管；第一齐纳二极管的阳极被连接到第二电力线，而第一齐纳二极管的阴极被连接到第一电力线；第二齐纳二极管的阳极被连接到第二电力线，而第二齐纳二极管的阴极被连接到第一信号线；第三齐纳二极管的阳极被连接到第二电力线，而第三齐纳二极管的阴极被连接到第二信号线。利用这些实施例，使用三个齐纳二极管可以实现任意两条线之间的电压箝制。

在一些实施例中，限流单元包括保险丝。利用这些实施例，能够以低成本实现限流。

在一些实施例中，该本质安全电路还包括：电力线浪涌单元，被连接在电源与能量输入端口之间，并且被配置为针对第一电力线和第二电力线提供浪涌保护。利用这些实施例，该本质安全电路能够实现更好的能量限制效果。

在一些实施例中，该本质安全电路还包括：信号线浪涌单元，被连接在信号源与信号输入端口之间，并且被配置为针对第一信号线和第二信号线提供浪涌保护。利用这些实施例，能够可靠地实施信号传输。

在一些实施例中，该本质安全电路还包括：通信单元，被连接到能量输出端口和信号输出端口，并且被配置为在传感器与信号源之间交换信号。利用这些实施例，能量和信号能够在被递送给负载之前进行调制。

在一些实施例中，通信单元包括Modbus设备。利用这些实施例，Modbus协议能够用于负载中。

在本公开的第二方面中，本公开的示例实施例提供了一种传感器电路。其中该传感器电路包括：柔性探头，被配置为测量液位的高度；以及根据权利要求1至10中任一项所述的本质安全电路，该本质安全电路被电连接到柔性探头，并且被配置为将能量供应给柔性探头。该传感器电路包括根据本公开的第一方面的本质安全电路，因此可以提供相同的优点。

在一些实施例中，柔性探头包括由热塑性构造或柔性膜制成的外壳。利用这些实施例，能够降低传感器电路的材料和安装成本。

应理解，发明内容部分不旨在标识本公开的实施例的关键或必要特征，也不旨在用于限制本公开的范围。本公开的其他特征将通过以下描述而变得易于理解。

附图说明

通过下面参考附图进行的详细描述，本文中所公开的示例实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，本文中所公开的若干示例实施例将在示例中以非限制性方式进行说明，其中：

图1是图示了常规本质安全电路的工作场景的示意图；

图2是根据本公开的实施例的本质安全电路的示意性框图；

图3是根据本公开的另一实施例的本质安全电路的示意性框图；以及

图4是根据本公开的实施例的传感器电路的示意性框图。

贯穿附图，相同或相似的附图标记用于指示相同或相似的元件。

具体实施方式

现在将参考附图中所示的若干示例实施例对本公开的原理进行描述。尽管本公开的示例实施例在附图中进行了说明，但应理解，实施例的描述仅仅是为了帮助本领域的技术人员更好地理解和实施本公开，而非以任何方式限制本公开的范围。

术语“包括”及其变型应被理解为开放式术语，其意指“包括，但不限于”。除非上下文另外明确表明，否则术语“或”应被理解为“和/或”。术语“基于”应被理解为“至少部分地基于”。术语“可操作以”是指能够通过用户或外部机构所引起的操作来实现的功能、动作、运动或状态。术语“一个实施例”和“实施例”应被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”应被理解为“至少另一个实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指不同或相同的物体。其他明确的和隐含的定义可以被包括在下面。除非上下文另外明确表明，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。

根据本公开的实施例，向负载的任何端口提供电压箝制单元和限流单元，以便限制输出给负载的能量。上述构思可以按多种方式实施，如将在以下段落中详细描述的。

首先，将参考图1详细描述常规本质安全电路的操作原理和问题。图1是图示了常规本质安全电路的工作场景的示意图。如图1所示，本质安全电路由本质安全屏障101形成。本质安全屏障101被连接在电源102与负载103(诸如传感器)之间，以限制从电源102递送到负载103的能量。

如图1所示，本质安全屏障101包括保险丝F0、三个齐纳二极管Z0和电阻器R0。保险丝F0用于防止过电流流入负载103中，并且齐纳二极管Z0用于箝制施加至负载103的电压。当电流超过预定电流位准时，保险丝F0可以断开，并且向负载103提供的电流将变为0。当电源102的电压超过预定电压位准时，齐纳二极管Z0导通，并且施加至负载103的电压可以被箝制于齐纳二极管Z0的击穿电压。通过箝制电压并且限制电流，可以限制递送给负载103的能量

当负载103是具有通信功能的传感器(例如遵守Modbus协议的传感器)时，负载103通常包括能量递送信道、信号传输信道和至少四个端口。两个端口用于能量递送，而两个端口用于信号传输。通常，本质安全屏障101被连接到传感器的能量递送端口。然而，由于端口的数量多于两个，因此本质安全屏障101和传感器可能会被错接。在一些情况下，不存在电压箝制单元或限流单元。因此，可能会出现过电压或过电流的情况。

因此，需要一种本质安全电路，无论负载如何被连接到本质安全电路，该本质安全电路都能够限制包括能量递送信道和信号传输信道的负载中的能量。

在下文中，将参考图2至图3详细描述根据本公开的实施例的本质安全电路的原理。首先参考图2。图2是根据本公开的实施例的本质安全电路的示意性框图。如图2所示，本质安全电路200通常包括第一电力线211、第二电力线212、第一信号线221、第二信号线222、电压箝制单元231和限流单元241。

如图2所示，第一电力线211和第二电力线212被并联连接在本质安全电路200的能量输入端口EIN与能量输出端口EOUT之间，以将能量从能量输入端口EIN递送到能量输出端口EOUT。

在一些实施例中，第一电力线211是正电压线，而第二电力线212是负电压线。在其他实施例中，第一电力线211能够为负电压线，而第二电力线212能够为正电压线。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

如图2所示，第一信号线221和第二信号线222被并联连接在本质安全电路200的信号输入端口SIN与信号输出端口SOUT之间，以在信号输入端口SIN与信号输出端口SOUT之间递送信号。

在一些实施例中，第一信号线221和第二信号线222是双绞线。在其他实施例中，第一信号线221和第二信号线222能够为其他类型的线。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

如图2所示，电压箝制单元231被连接在第一电力线211、第二电力线212、第一信号线221和第二信号线222之间。电压箝制单元231用于箝制第一电力线211、第二电力线212、第一信号线221和第二信号线222中的任意两者之间的电压。

在一些实施例中，电压箝制单元231包括第一齐纳二极管Z1、第二齐纳二极管Z2和第三齐纳二极管Z3。第一齐纳二极管Z1的阳极被连接到第二电力线212，而第一齐纳二极管Z1的阴极被连接到第一电力线211。第二齐纳二极管Z2的阳极被连接到第二电力线212，而第二齐纳二极管Z2的阴极被连接到第一信号线221。第三齐纳二极管Z3的阳极被连接到第二电力线212，而第三齐纳二极管Z3的阴极被连接到第二信号线222。在其他实施例中，电压箝制单元231能够包括其他组件。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

在一些实施例中，齐纳二极管Z1至Z3的击穿电压为5V。在其他实施例中，齐纳二极管Z1至Z3的击穿电压能够为其他值，例如10V、24V。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

如果在第一电力线211与第二电力线212之间出现了过电压情况，那么第一齐纳二极管Z1被反向导通，并且施加至负载的电压被箝制在第一齐纳二极管Z1的击穿电压下。如果在第一电力线211与第一信号线221之间出现了过电压情况，那么第一齐纳二极管Z1被反向导通，并且施加至负载的电压被箝制在等于第一齐纳二极管Z1的击穿电压加上第二齐纳二极管Z2的正向电压的电压下。如果在第一电力线211与第二信号线222之间出现了过电压情况，那么第一齐纳二极管Z1被反向导通，并且施加至负载的电压被箝制在等于第一齐纳二极管Z1的击穿电压加上第三齐纳二极管Z3的正向电压的电压下。如果在第一信号线221与第一信号线221之间出现了过电压情况，那么第二齐纳二极管Z2被反向导通，并且施加至负载的电压被箝制在等于第二齐纳二极管Z2的击穿电压加上第三齐纳二极管Z3的正向电压的电压下。

利用上述布置，无论负载如何被连接到本质安全电路200，当出现过电压情况时，施加至负载的电压始终都能够被箝制。

如图2所示，限流单元241被连接在第一电力线211、第二电力线212、第一信号线221和第二信号线222中的至少三者中。限流单元241用于限制流过第一电力线211、第二电力线212、第一信号线221和第二信号线222的电流。

在一些实施例中，限流单元241包括三个保险丝F1、F2和F3。保险丝F1被连接在第二电力线212中，保险丝F2被连接在第一信号线221中，并且保险丝F3被连接在第二信号线222中。在其他实施例中，限流单元241能够包括其他组件。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

在一些实施例中，保险丝Z1至Z3的熔断电流是28mA。在其他实施例中，保险丝的熔断电流能够为其他值，例如26mA、30mA。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

利用上述布置，流过第一电力线211、第二电力线212、第一信号线221和第二信号线222中的任意两者的电流受到限制。

在一些实施例中，本质安全电路200还包括电压转换器215。电压转换器215被连接在能量输入端口EIN与第一电力线211和第二电力线212之间。电压转换器215用于提供适用于负载(例如传感器)的调节电压。由于电压被调节，因此过电压情况发生的机会明显减少。

在一些实施例中，电压转换器215是降压转换器，并且降压转换器的输出电压约为4.5V。在其他实施例中，电压转换器215能够为其他类型的转换器，例如升压转换器。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

利用如图2所示的本质安全电路，电力线和信号线中的任意两者之间的电流受到限制，并且由电力线和信号线中的任意两者施加至传感器的电压被箝制。因此，无论负载如何被连接到能量限制设备，能量都受到良好限制。

图3是根据本公开的另一实施例的本质安全电路的示意性框图。如图3所示，除了电压转换器215、电压箝制单元231和限流单元241之外，本质安全电路200还包括电力线浪涌单元210、信号线浪涌单元220和通信单元230。

电力线浪涌单元210被连接在电源与能量输入端口EIN之间并且用于为第一电力线211和第二电力线212提供浪涌保护。电力线浪涌单元210还能够提供电压稳定功能。电力线浪涌单元210能够为任何类型的浪涌设备。

信号线浪涌单元220被连接在信号源与信号输入端口SIN之间，并且被配置为针对第一信号线221和第二信号线222提供浪涌保护。信号线浪涌单元220能够提供更好的信号传输。信号线浪涌单元220能够为任何类型的浪涌设备。

通信单元230被连接到能量输出端口EOUT和信号输出端口SOUT，并且用于在负载与信号源之间交换信号。在一些实施例中，通信单元230包括Modbus设备。在其他实施例中，通信单元230可以包括其他类型的设备。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

在下文中，将参考图4详细描述传感器电路的原理。图4是根据本公开的实施例的传感器电路的示意性框图。如图4所示，根据本公开的实施例，传感器电路400通常包括柔性探头410和本质安全电路200。

如图4所示，本质安全电路200被电连接到柔性探头410并且用于将能量供应给柔性探头410。柔性探头410用于测量例如气体的液位的高度。由柔性探头410输出的不同电流值指示液位的不同高度。在一些实施例中，柔性探头410包括由热塑性构造或柔性膜制成的外壳。在其他实施例中，柔性探头包括其他类型的外壳。本公开的范围不旨在就此方面受到限制。

利用如图4所示的传感器电路，由于柔性探头410的能量受到本质安全电路200的良好限制，因此柔性探头410能够用于爆炸性环境中。与带有防爆(XP)或防火(Exd)保护类型的传感器相比，传感器电路400能够在满足本质安全的要求的同时降低材料和安装成本。

虽然在本文中已经描述和说明了若干发明性实施例，但本领域的普通技术人员将容易地设想用于执行功能和/或获得本文中所描述的结果和/或优点中的一个或多个优点的各种其他部件和/或结构，并且此类变型和/或修改中的每种变型和/或修改都被视为在本文中所描述的发明性实施例的范围内。更一般而言，本领域的技术人员将容易地理解，本文中所描述的所有参数、尺寸、材料和配置都意在作为示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明教导的一个或多个具体应用。本领域的技术人员将会认识到或能够仅仅使用常规实验来确定本文中所描述的具体发明性实施例的许多等效物。因此，应理解，前述实施例仅通过示例的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等效物的范围内，发明性实施例可以按不同于具体描述和要求的方式实践。本公开的发明性实施例涉及本文中所描述的每个单独的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多个此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任何组合在此类特征、系统、物品、材料、套件和/或方法并非相互矛盾的情况下被包括在本公开的发明范围内。

Claims (12)

1.一种用于负载的本质安全电路(200)，包括：

能量输入端口和能量输出端口；

第一电力线(211)和第二电力线(212)，被并联连接在所述能量输入端口与所述能量输出端口之间，并且被配置为将能量从所述能量输入端口递送到所述能量输出端口；

信号输入端口和信号输出端口；

第一信号线(221)和第二信号线(222)，被并联连接在所述信号输入端口与所述信号输出端口之间，并且被配置为在所述信号输入端口与所述信号输出端口之间递送信号；

电压箝制单元(231)，被连接在所述第一电力线(211)、所述第二电力线(212)、所述第一信号线(221)和所述第二信号线(222)之间，并且被配置为箝制所述第一电力线(211)、所述第二电力线(212)、所述第一信号线(221)和所述第二信号线(222)中的任意两者之间的电压；以及

限流单元(241)，被连接在所述第一电力线(211)、所述第二电力线(212)、所述第一信号线(221)和所述第二信号线(222)中的至少三者中，并且被配置为限制流过所述第一电力线(211)、所述第二电力线(212)、所述第一信号线(221)和所述第二信号线(222)的电流。

2.根据权利要求1所述的本质安全电路(200)，还包括：

电压转换器(215)，被连接在所述能量输入端口与所述第一电力线(211)和所述第二电力线(212)之间，并且被配置为调整要由所述本质安全电路(200)输出的电压。

3.根据权利要求2所述的本质安全电路(200)，其中所述电压转换器(215)是降压转换器。

4.根据权利要求1所述的本质安全电路(200)，其中所述电压箝制单元(231)包括齐纳二极管。

5.根据权利要求4所述的本质安全电路(200)，其中所述第一电力线(211)是正电压线，而所述第二电力线(212)是负电压线；

所述电压箝制单元(231)包括第一齐纳二极管(Z1)、第二齐纳二极管(Z2)和第三齐纳二极管(Z3)；

所述第一齐纳二极管(Z1)的阳极被连接到所述第二电力线(212)，而所述第一齐纳二极管(Z1)的阴极被连接到所述第一电力线(211)；

所述第二齐纳二极管(Z2)的阳极被连接到所述第二电力线(212)，而所述第二齐纳二极管(Z2)的阴极被连接到所述第一信号线(221)；

所述第三齐纳二极管(Z3)的阳极被连接到所述第二电力线(212)，而所述第三齐纳二极管(Z3)的阴极被连接到所述第二信号线(222)。

6.根据权利要求1所述的本质安全电路(200)，其中所述限流单元(241)包括保险丝。

7.根据权利要求1所述的本质安全电路(200)，还包括：

电力线浪涌单元(210)，被连接在电源与所述能量输入端口之间，并且被配置为针对所述第一电力线(211)和所述第二电力线(212)提供浪涌保护。

8.根据权利要求1所述的本质安全电路(200)，还包括：

信号线浪涌单元(220)，被连接在信号源与所述信号输入端口之间，并且被配置为针对所述第一信号线(221)和所述第二信号线(222)提供浪涌保护。

9.根据权利要求1所述的本质安全电路(200)，还包括：

通信单元(230)，被连接到所述能量输出端口和所述信号输出端口，并且被配置为在所述负载与信号源之间交换信号。

10.根据权利要求9所述的本质安全电路(200)，其中所述通信单元(230)包括Modbus设备。

11.一种传感器电路(400)，包括：

柔性探头(410)，被配置为测量液位的高度；以及

根据权利要求1至10中任一项所述的本质安全电路(200)，所述本质安全电路(200)被电连接到所述柔性探头(410)，并且被配置为将能量供应给所述柔性探头(410)。

12.根据权利要求11所述的传感器电路，其中所述柔性探头(410)包括由热塑性构造或柔性膜制成的外壳。