CN201450323U - 电阻输入电阻输出型安全栅 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电阻输入电阻输出型安全栅，其包括：限能电路，用于将安全栅内串入到仪表的能量限制在安全值以内；供电单元，用于为安全栅供电；包括被测电阻的输入信号处理单元，用于消除输入引线电阻误差；线性光耦隔离单元，用于在输入信号处理单元与输出信号处理单元之间进行信号隔离；输出信号处理单元，用于反馈信号到输入信号处理单元；所述线性光耦隔离单元包括发光二极管、反馈光电二极管、输出光电二极管。本实用新型所述电阻输入电阻输出型安全栅具有以下优点：(1)具有快速响应功能；(2)输出非线性小；(3)输出稳定性好；(4)温度特性好。

Description

电阻输入电阻输出型安全栅

技术领域

本实用新型涉及了一种工业现场二次仪表，特别是一种采用线性光耦实现的电阻输入电阻输出型安全栅，更具体说是一种将来自危险场合的电阻信号，经过限能电路，输入电路对信号处理，再通过线性光耦进行隔离，最后转换成电阻信号输出至安全区的电阻输入电阻输出型安全栅。

背景技术

安全栅是本安系统中危险区电器仪表设备的关联设备，用以限制危险场所电路能量，来实现危险设备的防爆作用。当本安防爆系统的本安仪表发生故障时，安全栅能将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内，从而确保现场设备、人员和生产的安全。安全栅广泛应用于防爆领域的工业仪表前端信号处理，对提高工业生产过程自动控制系统的抗干扰能力，保证控制系统稳定性和可靠性有非常重要的作用。

现在越来越多的用户采用高速数据采集系统，要求安全栅具有快速响应的功能，而现有的来实现电阻信号输入电阻信号输出的智能数字型安全栅响应时间比较慢，智能数字型安全栅与数据采集系统二者工作时间不匹配，满足不了现场的需要，因此安全栅具有快速响应功能势在必行。

发明内容

发明目的：本实用新型所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有快速响应功能的电阻输入电阻输出型安全栅。

技术方案：本实用新型公开了一种电阻输入电阻输出型安全栅，其包括：

限能电路，用于将安全栅内输入到仪表的能量限制在安全值以内；

供电单元，用于为安全栅供电；

含有被测电阻的输入信号处理单元，用于消除输入引线电阻误差；

输出信号处理单元，用于反馈信号到输入信号处理单元；

还包括线性光耦隔离单元，用于在输入信号处理单元与输出信号处理单元之间进行信号隔离；所述线性光耦隔离单元包括发光二极管、反馈光电二极管、输出光电二极管组成的线性光耦。

本实用新型中，优选地，所述输入信号处理单元采用三线制输入，第一输入端和第二输入端短接被测电阻一端，第三输入端接被测电阻的另一端。

本实用新型中，优选地，所述输出信号处理单元包括取样电阻、线性光耦、晶闸管，从取样电阻取出的电流信号，通过线性光耦进行信号隔离，反馈到输入信号处理单元，用于输入电流激励源形成正反馈闭环控制；其中输入信号处理单元的被测电阻的激励源电流值与晶闸管回路中的电流值相同。

本实用新型的原理是先将现场电阻信号，通过硬件电路将引入的引线电阻消除，将一个只与现场电阻成比例的电压信号通过光电隔离器件线性光耦进行1:1隔离转换，输出信号处理单元再将隔离后的电压信号还原成电阻信号，取用外部输出端口的电流信号进行1:1隔离，其中输入激励电流源的建立，是通过将输出信号隔离后反馈而来的，输入、输出电路整体是个闭环反馈，同时对输入、输出信号处理单元的供电电源进行隔离处理.保证变换后的信号、电源、地之间绝对独立.

有益效果：本实用新型所述电阻输入电阻输出型安全栅具有以下优点：(1)具有快速响应功能；(2)输出非线性小；(3)输出稳定性好；(4)温度特性好。本实用新型最大的特点就是快速响应，具有微秒级的响应速度，特别是在高速数据采集DCS和PLC系统的接口应用中具有广泛的实用性和技术优势，另外本实用新型将输出信号反馈到输入端，用于电流激励源的建立，这一闭环设计使得其输出非线性小，稳定性好，温度特性好，从而能更好的保证工业现场控制系统的稳定性和可靠性。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做更进一步的具体说明，本实用新型的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图示为本实用新型所述安全栅电路原理图。

具体实施方式：

如图所示，本实用新型公开了一种电阻输入电阻输出型安全栅，包括：限能电路，用于限制安全栅内输入到仪表的能量值；供电单元，用于为安全栅供电；含有被测电阻Ri的输入信号处理单元，用于消除输入引线电阻误差；线性光耦隔离单元，用于在输入信号处理单元与输出信号处理单元之间进行信号隔离；输出信号处理单元，用于反馈信号到输入信号处理单元；所述线性光耦隔离单元包括发光二极管Da、反馈光电二极管Db、输出光电二极管Dc组成的线性光耦U7。所述输入信号处理单元采用三线制输入，第一输入端1RIn和第二输入端2RIn连接被测电阻Ri一端，第三输入端3RIn连接被测电阻Ri的另一端。所述输出信号处理单元包括取样电阻R5、线性光耦U8、晶闸管Q2，从取样电阻R5取出的电流信号，通过线性光耦U8进行信号隔离，反馈到输入信号处理单元，用于输入电流激励源形成正反馈闭环控制；其中输入信号处理单元的被测电阻Ri的激励源电流值与晶闸管Q2回路中的电流值相同。

根据具体地说，本实用新型包括限能电路、输入信号处理单元、线性光耦信号隔离单元、输出信号处理单元和电源部分。

1、限能电路

限能电路就是个限压限流网络，将串入到故障仪表的能量限制在安全值以内，该安全栅经国家级仪器仪表防爆安全监督检验站审查，防爆安全性能符合GB3836.1和GB3836.4国家标准的有关要求，防爆标志为Ex(ia)II C，具体电路这里就不多赘叙。

2、电源部分

电源输入时先经过滤波，过滤掉电源上的干扰，同时也过滤掉安全栅对外部的干扰.电源采用开关电源，开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止.将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，输出部分通过一定的电路反馈给控制电路，控制PWM占空比，以达到稳定输出的目的，从而次级可以产生所需要的多组隔离电压，通过整流、滤波后分别供给输入信号处理单元、输出信号处理单元，实现输入、输出、电源三部分之间绝对隔离.

3、输入信号处理单元

直接测量并传输电阻信号的安全栅现场使用很方便，但会带来引线误差，所以首先应该采取办法消除这个测量误差。

如图所示，本实用新型采用三线制输入，输入的1RIn、2RIn端短接被测电阻Ri一端，3RIn端接电阻的另一端，引线电阻为r，激励电流为Ii，运算放大器U1正输入端电压为Ua’，运算放大器U2正输入端电压为Ua，负输入端电压为Ub，输出端电压为Uo，电阻R1、电阻R2、电阻R3配合使用，使得运放对输入信号进行1:1跟随变化，可知：Ua’＝Ua

Ua-Ub＝Ub-Uo

而Ua’＝2Ii·r+Ii·Ri

Ub＝Ii·r+Ii·Ri

则Uo＝Ii·Ri

此时，Uo的大小只与被测量电阻值Ri成正比例关系，与引线电阻r无关，也就是采用了硬件方法将引线电阻消除了。将此电压信号Uo送往后继隔离单元。运算放大器U1与负输入端与运算放大器U2的负输入端之间连接电阻R1，运算放大器U2的输出端与负输入端之间连接电阻R2，输出端与线性光耦隔离单元之间连接电阻R3。

4、线性光耦隔离单元

隔离单元是决定产品技术指标的重要单元。

智能数字型安全栅采用单片机对输入数据进行采集、转换、输出等操作需要工作时间，输入到输出的阶跃响应时间至少300ms，若后继是高速数据采集DCS和PLC系统的接口，系统采样时间最多在100ms左右，此时智能数字型安全栅的输出信号尚未完全建立，势必造成系统采样值不准确；而线性光耦的响应速度极快，其响应延迟时间只有10μs左右，采用线性光耦实现电阻输入电阻输出型安全栅输入到输出的阶跃响应时间小于0.5ms，非常适于对响应速度要求很高的场合。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性是相同的，这样就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。

三极管Q1和运放U3用来调节驱动电流I_f的大小，线性光耦U7由发光二极管Da、反馈光电二极管Db、输出光电二极管Dc组成。当Da通过驱动电流I_f时，发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在Db、Dc上，反馈光电二极管吸收Db光通量的一部分，从而产生控制电流I_i(I₁＝0.005I_f)。该电流用来调节I_f以补偿Da的非线性。输出光电二极管Dc产生的输出电流I₂与Da发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K₁＝I₁/I_f，正向增益K₂＝I₂/I_f，则传输增益K₃＝K₂/K₁＝I₂/I₁，K₃的典型值为1，即进行1:1信号隔离传输。

另外线性光耦的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到线性光耦输入端的噪声电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极管发光，从而被抑制掉.

线性光耦的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。

线性光耦可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为线性光耦的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。本实用新型所述的线性光耦可以在市场购得。

5、输出信号处理单元

输出信号处理单元如附图所示，输入信号Uo通过光电隔离器件线性光耦U7进行1:1隔离转换，电阻R4是用来确定放大倍数的，本实用新型选择放大1倍，运放U5对输出信号进行1:1跟随处理，输出信号：

U1＝Uo＝Ii·Ri

而U1＝U2＝Uout

滤波电容C3设置在输出端Uout与地之间，使得输出信号更平滑。输出信号处理单元的取样电阻R5取用后继输出端口的电流信号Io，通过线性光耦U8进行1:1信号隔离，反馈到输入信号处理单元，用作输入电流激励源的建立，整体相当于是个正反馈闭环控制，这是整个安全栅电路设计的精妙之处，三极管Q3和运放U9用来调节反馈回路的线性光耦的驱动电流I_f，电阻R8是用来确定放大倍数的，本实用新型选择放大1倍，即取R7＝R8，运放U4对信号进行1:1跟随处理，因此流过输入端被测电阻的激励源电流值与晶闸管Q2回路里的电流值大小一致，也与输出回路中的电流值大小一致，即Ii＝Io；输出端口电压为Uout，输出回路电流为Io，则输出端口等效电阻：Ro＝Uout/Io＝Ii·Ri/I＝Ri；输出的电阻值Ro大小等同于输入的电阻值Ri，并且是相互隔离的信号；滤波电容C2设置在电阻R8前端并与地连通；电阻R6为反馈回路的取样电阻，二极管D1可以产生1V左右的压降，减小晶闸管Q2的发热量，电容C1连接在输出信号处理单元与安全栅三线制输入的1Rin端与3Rin端之间，可以使反馈电流更稳定。运放U6和晶闸管Q4组成输出的恒流源，保证负载在允许工作条件内，输出信号不随负载的变化而变化。

该输出信号处理单元的优点是：输出非线性小；输出稳定性好；温度特性好。

本实用新型电路的输出电阻值由采样电阻R5和晶闸管Q2的内阻决定，一般MOS管内阻为10欧，如果采样电阻取50欧，则本实用新型电路的最小输出电阻值为60欧。

电阻输出传输精度和激励电流的大小有关系：

激励电流0.5～5mA时，输出电阻误差小于0.05欧；

激励电流0.2～0.5mA时，输出电阻误差小于0.1欧；

激励电流小于0.2mA时，输出精度随激励电流减小而下降。

本实用新型提供了一种电阻输入电阻输出型安全栅的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。本实施例中未明确的各组成部份均可用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种电阻输入电阻输出型安全栅，包括：

限能电路，用于限制安全栅内输入到仪表的能量值；

供电单元，用于为安全栅供电；

含有被测电阻(Ri)的输入信号处理单元，用于消除输入引线电阻误差；

输出信号处理单元，用于反馈信号到输入信号处理单元；

其特征在于：

还包括线性光耦隔离单元，用于在输入信号处理单元与输出信号处理单元之间进行信号隔离；所述线性光耦隔离单元包括发光二极管(Da)、反馈光电二极管(Db)、输出光电二极管(Dc)组成的线性光耦(U7)。

2.根据权利要求1所述的电阻输入电阻输出型安全栅，其特征在于，所述输入信号处理单元采用三线制输入，第一输入端(1RIn)和第二输入端(2RIn)连接被测电阻(Ri)一端，第三输入端(3RIn)连接被测电阻(Ri)的另一端。

3.根据权利要求1所述的电阻输入电阻输出型安全栅，其特征在于，所述输出信号处理单元包括取样电阻(R5)、线性光耦(U8)、晶闸管(Q2)，从取样电阻(R5)取出的电流信号，通过线性光耦(U8)进行信号隔离，反馈到输入信号处理单元，用于输入电流激励源形成正反馈闭环控制；其中输入信号处理单元的被测电阻(Ri)的激励源电流值与晶闸管(Q2)回路中的电流值相同。

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