CN1430804A - 集成电流源反馈和限流元件 - Google Patents

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Abstract

一种用于向本质安全负载供电的电路(200)，所述电路具有集成电流源反馈和限流元件。所述电路(200)包括电源(PS)和把所述电路连接到本质安全负载的输出端(T1－T2)。所述电源(PS)和输出端(T1－T2)之间的限压电路(Z1)限制负载两端的电压。限流电路(202)包括隔离电阻，后者把电流转换成电压以便在运算放大器(OA)中进行比较、以调节可变阻抗器件(Q1)的阻抗，从而限制加到所述负载的电流。

Description

集成电流源反馈和限流元件
发明领域
本发明涉及本质安全负载的电源。更具体地说，本发明涉及为符合本质安全标准而限制输送到负载的电流的电路系统。
先有技术的问题
电子装置常用在有爆炸物的危险环境。一个常见的问题是来自电子装置的火花或发热可能引燃爆炸物。因此，制造用于这类危险环境的电子装置的人必须提供一些保护以避免这类电子装置引燃爆炸物。
一种这类保护方式是建立电路的本质(或固有)安全性。制订本质安全标准的管理协调机构是比如美国的保险商试验室(UL)、欧洲的欧洲电工技术标准化委员会(CENELEC)、加拿大的加拿大标准协会(CSA)以及日本的劳动省产业安全研究所(TIIS)。为了达到本质安全性，电路的电流、功率和电压被限定在一定的电平，以避免电路产生的火花或者发热引燃爆炸物。
向本质安全电路供电是一个问题。电功率、电压和电流被限定在不至于引燃爆炸物的电平。因此，电源中需要有用来限制输送给本质安全装置的功率、电压和电流的部件。
在传统的电源中，通过在把电源连接到输出端的供电线路的两端连接一个或多个稳压二极管来限制电压。稳压二极管把电压限定在V。由串联在高压输出端的阻值为R的电阻提供限流。该电阻把电流限定在V/R。功率受控于对电流和电压的限制。
提供限制的部件，即这些二极管和电阻，必须受到保护以避免故障发生时超过其标定的额定值。通常在电路中加熔丝来限定可能输送给这些部件的电流量。选定的熔丝的额定值使得功耗不会超过额定值。
虽然本质安全性标准没有要求，但是在电源电路中常加入限流电路以避免熔丝受冲击。限流电路结构可能在电源的高压侧也可能在低压侧。许多限流电路的结构包括把电流转换成电压的电阻以提供与电流成比例的反馈。进行与参考电压的比较。该比较用于调节串联元件的阻抗。增加限流电路带来的一个问题是，电流到电压的转换增加了输出电阻，在为符合本质安全性标准而损失必要的电压之后又增加了电压损失。
解决方案
本发明解决上述及其它问题，并且用具备本发明的集成电流源反馈和限流元件的电源改善了先有技术。集成电流源反馈和限流元件的一个优点是，对于对本质安全标准来说必须受到限制的电压，将电压损失减至最小。第二优点是减少了电源的元件数，即降低了制造电源的成本。
根据本发明，把功率限制电路中的电流转换电阻的功能和隔离输出电阻的功能结合在一起。这使得输出电阻不会超过避免引燃爆炸物所需的电阻。通过把限流电路部分移到所述隔离电阻之后的某点以建立组合功能。具体地说，把变阻抗器件移到隔离电阻之后的某点。变阻抗器件的一个例子是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
当移动MOSFET晶体管时，有两个到输出端的新通路。一个是运算放大器控制输出，一个是来自隔离电阻的反馈。在每个通路上，高阻抗的运算放大器以及MOSFET晶体管栅极具有比隔离电阻相对大的阻值。整个隔离电阻是通路上电阻的组合，它们输入到MOSFET晶体管栅极和运算放大器输入端。这限定了电源的输出电阻，它小到与单独的隔离电阻相比可以忽略不计。
本发明的一个方面是向本质安全电路供电的电路，它包括电源、连接到所述负载的输出端、在所述电源和所述结点之间的限压电路、以及包括隔离电阻的限流电路，该隔离电阻把电流转换成电压、用于在运算放大器中进行比较并且限制加到所述负载的电流。
本发明的第二方面是熔丝，它限制由所述电源加到所述限压电路和所述限流电路的电流的大小。
本发明的第三方面是齐纳二极管，它连接在从所述电源到所述接线端的供电线路之间。
本发明的第四方面是所述限流电路包括可变阻抗器件，它连接到所述运算放大器的输出端。
本发明的第五方面是可变阻抗器件是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
本发明的第六方面是所述MOSFET的一个栅极连接到所述输出端，而第二栅极连接到所述电源。
本发明的第七方面是所述限流电路还包括第一电阻，它连接在所述运算放大器的输出端和所述MOSFET晶体管之间。
本发明的第八方面是所述限流电路还包括第二电阻，它连接在所述电源和所述MOSFET晶体管之间。
本发明的第九方面是所述限流电路还包括第三电阻，它连接在所述MOSFET晶体管和所述运算放大器的输入端之间。
附图说明
根据以下的详细说明和附图可以理解本发明的以上及其它特征，附图中：
图1图示先有技术中用于本质安全负载的电源；
图2图示根据本发明的用于本质安全负载的电源；以及
图3图示将本发明的电源包括在仪表电子线路中的科里奥利流量计。
详细描述
本发明的电源使得总输出电阻不会超过危险环境中不致引燃爆炸物所需的电阻。一般的本质安全电源100图示于图1，以说明依据本发明的电源和一般本质安全电源之间的区别。
本质安全电源100是一种电源，它输送给负载足够的功率使其可以正常工作，同时限定最坏情况下的电压、电流和功率电平不至于引燃危险物料。限压电路101限定负载电压。电源100中，限压电路是连接在通路110和120之间的齐纳二极管Z1。本专业的技术人员会意识到可以在通路110和120之间连接一个以上的齐纳二极管来限制电压。为了讨论，限压电路101把负载(未示出)两端的电压限制为Vz。
瞬时电流限制电路102限制负载的瞬时电流。在电源100中，瞬时电流限制电路包括与输出端T1和T2串联的电阻Rb。在这个实施例中，电阻Rb沿通路110连接在正输出端T1和电源PS之间。这就把瞬时电流在限制Vz/Rb，这里Rb是电阻Rb的阻值。输送给(未标示出的)负载的功率由电压和电流的限定值来限定。
熔丝F1连接在电源PS和正输出端T1之间，以便在电路故障时保护限压电路101和瞬时电流限制电路102。熔丝F1避免限压电路101和瞬时电流限制电路102超过标定的器件额定值。
平均电流限制电路103避免输出端T1和T2短路时熔丝F1熔断。有许多众所周知的限流结构可以用来建立平均电流限制电路103。在电源100中，平均电流限制电路由下列器件构成。晶体管Q1的集电极连接到负输出端T2。晶体管Q1的发射极连接到电阻Rv。电阻Rv把自身电流转换成电压以提供与电流成正比的反馈。运算放大器OA的一个输入端连接到晶体管Q1的发射极和电阻Rv之间。参考电压ref也加到运算放大器OA以进行比较。然后运算放大器OA的输出连接到晶体管Q1的栅极，基于比较结果的电流加到栅极以调节晶体管Q1的阻抗。其限制电流设在Ilim＝Vref/Rv，其中Ilim是限制电流，Vref是参考电压REF，Rv是电阻Rv的阻值。
本专业的技术人员会意识到，通过表征引发爆炸物的功率和能量的表格和计算式来限制电源100中器件的值。通常情况下，负载(未标出)连接到输出端T1和T2，传输的电流和电压损失在输出电阻上。为使功率传输最大化，要求把输出电阻限制在避免引燃爆炸物的必要值。
增加平均电流限制电路103带来的问题是，在避免引爆的电压限定值之外附加了电压损失。因为电压转换电阻加在总输出电阻上，所以电压有损失。
图示于图2的电源200根据本发明解决了这个问题。电源200是本质安全电源，它限制向(未标示出的)负载输送的电流、功率和电压。限压电路201限制负载的电压。在电源200中，限压电路201是跨接在通路210和220之间的齐纳二极管Z1。本专业的技术人员会意识到可以在通路210和220之间连接多个齐纳二极管来限定电压。为了讨论，限压电路限定的(未标示出的)负载的电压是Vz。
根据本发明，限定瞬时和平均电流的功能组合在一个电路。两个功能用一个电路使得总输出电阻减少到避免引燃爆炸物所需的阻值。这是通过把平均电流限制电路的器件移到瞬时电流限制电路之后而实现的。具体地说，可变阻抗器件，即晶体管Q1移到隔离电路之后的某点。移动可变阻抗器件形成到输出端T1和T2的两个新通路。这些新通路是运算放大器OA的输出和来自转换电阻的反馈。因此，总输出电阻是沿着这两个新通路和到电源PS的通路210的各电阻的并联组合。
在电源200中，根据本发明的限流电路202是以下列方式建立的。MOSFET晶体管Q1的发射极连接到负输出端T2。隔离电阻R3沿通路220在晶体管Q1和电源PS之间。第二电阻R2连接在晶体管Q1的发射极和运算放大器OA的输入端之间以产生比较电压。运算放大器OA的输入端连接到电阻R2，同时运算放大器还接收参考电压REF。运算放大器OA完成比较，输出电流到晶体管Q1的栅极以调节晶体管Q1的阻抗。电阻R1连接在运算放大器OA和晶体管Q1的栅极之间。本专业的技术人员会意识到，电阻R1、R2和R3的值可以很大，而总输出电阻是这三个电阻的并联组合，它小到和隔离电阻相比可以忽略。因此功率传输得到优化。
一种需要电源200作电源的电子装置是运行在危险环境下的科里奥利流量计。图3图示配备电源200的科里奥利流量计300。科里奥利流量计300包括仪表装置310和仪表电子线路350。仪表电子线路350通过引线320连接到仪表装置310，以便经由通路375例如提供(但不限于)密度、质量流速、体积流速和总质量流速信息。尽管本专业的技术人员可清楚地看到本发明可以用于其本质安全电路需要本质安全电源的任何装置，但这里只说明科里奥利流量计结构。
尽管本专业的技术人员可清楚地看到本发明可以用于具有振动管路以便测量流经该管路的物质的特性的任何装置，但这里只说明科里奥利流量计结构。这类装置的第二例子是振动管路比重计，它没有科里奥利质量流量计提供的附加测量功能。
计量装置310包括一对法兰301和301′、分接头302及管路303A和303B。驱动器304、拾取传感器306和306′以及温度传感器307连接到管路303A和303B。支撑板块305和305′用于确定每个管路振荡的轴线W和W′。
当把科里奥利流量计300接入传送待测量物质的(未标示出的)管路系统时，待测量物质由法兰301进入仪表装置310，通过分接头302进入管路303A和303B。然后待测量物质流过管路303A和303B返回分接头302，并在此经法兰301′退出仪表装置310。
选择管路303A和303B并适当安装在分接头302上，以便使其对曲轴W-W和W＇-W′分别具备相同的质量分布、转动惯量和弹性模量。管路303A-303B从分接头以必要的并列方式向外伸展。
驱动器304以相对于它们各自的曲轴W和W′的相反方向驱动管路303A-303B，此方式称为流量计的第一异相弯模式(the first outof phase bending mode of the flowmeter)。驱动器304可以包括任何一种众所周知的结构，比如安装在管路303A的磁体和安装在管路303B的反向线圈并由此通入交流电流以振动两管路。恰当的驱动信号由仪表电子线路350通过线路312加到驱动器304。
在管路相反的两端，管路303A和303B至少一个固定了拾取传感器306和306′，以测量管路的振动。当管路303A-303B振动时，拾取传感器306-306′产生第一拾取信号和第二拾取信号。第一拾取信号和第二拾取信号加到线路311和311′。驱动器速度信号加到通路310。
温度传感器307固定在至少一根管道即303A以及/或者303B上。温度传感器307测量管道的温度以调节系统温度的平衡。线路311″从温度传感器307向仪表电子线路350传送温度信号。
仪表电子线路350接收出现在线路311和311′上的第一和第二拾取信号。仪表电子线路350处理所述第一和第二速度信号以计算通过仪表装置310的物资的质量流速、比重或其它特性。计算信息由仪表电子线路350通过线路375提供给(未标示出的)应用装置。
本专业的技术人员会知道所述科里奥利流量计300在结构上很类似于振动管比重计。振动管比重计也使用振动管，管内有液体流动，或者取样型比重计的情况，其中管内有液体。振动管比重计也使用驱动系统以驱动管道振动。因为比重测量只需要频率测量而不需要相位测量，所以通常振动管比重计只需要一路反馈信号。本发明这里的说明同样适用于振动管比重计。
在科里奥利流量计300中，仪表电子线路350物理上分成两部分：主系统370和信号调节器360。传统的仪表电子线路中，这些部分装在一个单元里。
信号调节器360包括驱动电路363和拾取调节电路361。本专业的技术人员会认识到，实际的驱动电路363和拾取调节电路361可以是分立的模拟电路，也可以是由数字信号处理器或者其它数字器件组成的分立功能块。驱动电路363产生驱动信号并且通过通路320的通路312把驱动信号加到驱动器304。实际上通路312是第一和第二引线。驱动电路363通过通路362以通信联络的方式连接到拾取信号调节电路361。通路362使驱动电路得以监控进来的拾取信号以调节驱动信号。驱动电路363和拾取信号调节电路361的功率由主系统370通过第一线路373和第二线路374提供。第一线路373和第二线路374可以是部分传统的2芯、3芯电缆或者部分多芯电缆。
拾取信号调节电路361经由通路311、311′和311″接收来自第一传感器305、第二传感器305′和温度传感器307的输入信号。拾取电路361确定拾取信号的频率，也可以确定流过管道303A-303B的物资的特性。在确定了拾取传感器305-305′的输入信号频率和物资特性后，产生包含这些信息的参数信号并通过通路376将其传送给主系统370的二次处理单元371。在优选实施例中，通路376包括2根线。然而，本专业的技术人员会看出，通路376可以由第一线路373和第二线路374或者任何其它数目的线路来实现。
主系统370包括电源372和处理系统371。电源372从能源接收电力并将其转换成系统所需的合适功率。处理系统371从拾取信号调节电路361接收参数信号，然后可以处理用户需要的流经管道303A-303B的物质的特性。这些特性可以包括但不限于比重、质量流速和体积流速。
在本实施例中，电源372包括图2所示的电源200的电路系统。这使电源372得以提供符合对信号调节器360本质安全限制的功率，它包括符合本质安全标准的电路。
以上是对本发明的电源电路的说明，该电路具有集成电流源反馈和限流元件。预期本专业的技术人员会直接或通过推论设计出违背以下权利要求书中阐明的本发明的另外的系统。

Claims (10)

1.一种用于向本质安全负载供电的电路(200)，它包括：
电源(PS)；
连接到所述本质安全负载的输出端(T1-T2)；
在所述电源和所述输出端之间的限压电路(Z1)；以及
包括隔离电阻的限流电路(202)，该隔离电阻把电流转换成电压，用于在运算放大器(OA)中进行比较，从而限制加到所述负载的电流。
2.如权利要求1所述的电路(200)，其特征在于还包括：
熔丝(F1)，它限制由所述电源加到所述限压电路和所述限流电路的电流的大小。
3.如权利要求1所述的电路(200)，其特征在于所述限压电路包括：
二极管(Z1)，它连接在从所述电源到所述接线端的供电线路(210)之间。
4.如权利要求1所述的电路(200)，其特征在于所述限流电路(202)包括：
可变阻抗器件(Q1)，它连接到所述运算放大器(OA)的输出端。
5.如权利要求4所述的电路(200)，其特征在于所述可变阻抗器件(Q1)是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。
6.如权利要求5所述的电路(200)，其特征在于所述MOSFET的一个栅极连接到所述输出端，第二栅极连接到所述电源。
7.如权利要求6所述的电路，其特征在于所述限流电路还包括：
第一电阻(R1)，它连接在所述运算放大器的输出端和所述MOSFET晶体管之间。
8.如权利要求7所述的电路，其特征在于所述限流电路还包括：
第二电阻(R3)，它连接在所述电源和所述MOSFET晶体管之间。
9.如权利要求8所述的电路，其特征在于所述限流电路还包括：
第三电阻(R2)，它连接在所述MOSFET晶体管和所述运算放大器的输入端之间。
10.如权利要求9所述的电路，其特征在于所述负载是用于科里奥利流量计的仪表电子线路。
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