CN204179660U - 石油钻井现场传感器电源隔离保护装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，它包括一个低压直流供电模块和与低压直流供电模块连接的多个通道的保护模块，所述的保护模块包括供电保护模块、DC-DC隔离模块和输出保护模块，所述的供电保护模块包括防反接保护电路、过压过流自恢复保护电路和瞬态抑制保护电路，所述的DC-DC隔离模块包括集成开关电源调整芯片、脉冲变压器和稳压滤波单元，所述的输出保护模块包括输出滤波电路、过流过载短路保护模块和过电压保护模块。本实用新型能很好的预防钻井现场的连环事故发生，降低石油钻井作业的风险，提高石油钻井的效益，具有安全性强、可靠性高等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种石油钻井现场传感器电源隔离保护装置。
背景技术
随着科学技术的发展，在石油钻井作业的过程中，越来越多的使用智能仪表检测钻井作业过程中涉及的参数。在智能仪表的使用上，又不得不考虑仪表的供电问题。现场仪表的供电方式，大致有以下3种：（一）、现场蓄电池供电，包含太阳能电池供电，（二）、现场传感器独立电源供电，（三）、石油钻井控制系统直接供电。在以上方案中，方案一，存在电池寿命短，可提供功率低等缺点，方案二，需要为每路传感器单独设立供电设备，成本高，维护难度大，方案三，石油钻井控制系统和所有的传感器共用电源，电源分配属并联关系，各设备之间相互影响，一路设备损坏，整个系统瘫痪。因此，针对在石油钻井作业过程中传感器供电存在的诸多问题，需要一种有效的解决办法。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，解决在石油钻井过程中，容易因局部传感器的损坏导致整个系统瘫痪而出现故障的问题。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，它包括一个低压直流供电模块和与低压直流供电模块连接的多个通道的保护模块，所述的保护模块包括供电保护模块、DC-DC隔离模块和输出保护模块，供电保护电路的两端分别与低压直流供电模块和DC-DC隔离电路连接，DC-DC隔离电路与输出保护电路连接。
所述的供电保护模块包括防反接保护电路、过压过流自恢复保护电路和瞬态抑制保护电路，防反接保护电路和过压过流自恢复保护电路串接在正极输入电压上，瞬态抑制保护电路并联在电源线上。
所述的防反接保护电路为电源的极性保护功能块，它包括连接成桥式电路的4个肖特基二极管，相邻桥臂二极管极性不同的接24V电源输入，相邻桥臂二级管极性相同的负极端接输出负载的正端，相邻桥臂二级管极性相同的正极端接输出负载的负端；这样，无论电源是否按照正确的极性接入，在传感器负载上得到的电压都是正确的极性。这里选择肖特基二极管的原因是因为其正向压降较低，经过桥电路处理后，电压降的损耗很小，相对于24V几乎可以忽略，肖特基二极管的正向电流根据通道的功耗来选择，对于小功率通道选择正向电流1安培的二极管，对于大功率通道选择正向电流为3安培的二极管。
所述的过压过流自恢复保护电路用于电路在过压、过流的情况下实现持续的保护动作，它包括两个开关三极管、保护二极管和相应的匹配电阻，其中一个开关三极管串联保护二极管和匹配电阻，与另一个开关三极管并联；该电路在工作时，两只三极管可以等效的看成一只串联在电路的开关和一只并联在电路的开关。正常工作情况下，串联的开关三极管导通，电流流过形成通路，为后级电路提供能量，当电压过高时，串联的开关三极管截止断开，切断供电回路，保护后级电路和负载不受损坏；当由于负载短路造成大电流时，并联的开关三极管导通条件满足，它与保护二极管形成回路，同时让串联的开关三极管导通条件消失，切断后级电路的供电回路，保护后级电路。
所述的瞬态抑制保护电路包括瞬态抑制二极管。瞬态保护，主要是处理现场的突变尖峰脉冲电压。在石油钻井过程中，系统的供电大部分都是使用柴油发电机发电，因此现场的供电相当不稳定，特别是在系统启动的瞬间，会出现由现场大功率电机引起的瞬间高电压的尖峰脉冲电压，该电压值可能是正常工作的电压值的十几倍，而往往一般的保护器件还来不及动作，这样就会造成供电系统的电源处理部分的损坏，通常会烧坏电源处理芯片，严重者还会引起火灾。利用瞬态抑制二极管的雪崩效应，当电压突变时，能在很短时间内将电压箝位在一个特定的范围中。只要选择合适的瞬态抑制二级管的参数，就能到达对电源瞬态变化的保护作用。将瞬态抑制二极管加在电源线上，还能防止后级电路因瞬间的脉冲（如静电放电效应、交流电源之浪涌）及开关电源的噪音所导致的故障。
所述的DC-DC隔离模块主要是完成能量的隔离传输，将输入的直流电源隔离输出到输出级，主要关心的特性是效率和纹波，效率越高能量的利用就越完全，纹波越好，负载受到的内部干扰就越小。它包括集成开关电源调整芯片、脉冲变压器和稳压滤波单元，集成开关电源调整芯片与脉冲变压器连接，脉冲变压器与稳压滤波单元连接，稳压滤波单元输出电压。
所述的集成开关电源调整芯片为可调整输出型电源调整芯片；通过调节其周边的电阻和电容实现对输出电压等级的调整。同时，脉冲变压器的原边主绕组也作为集成开关电源调整芯片反馈回路的电感使用，利用电感的互感原理实现能量的传输。集成开关电源调整芯片的具体型号要根据该通道中负载的功率大小选择。
所述的脉冲变压器包括主绕组、取样反馈绕组和副边输出绕组，主绕组和取样反馈绕组与集成开关电源调整芯片连接，副边绕组与稳压滤波单元连接。通过磁电耦合原理进行能量的隔离传递，各绕组的设计要根据该通道的输出功率来设计，通过需要设计的额定输出功率和效率可以计算出输入的功率，根据集成开关电源调整芯片的PWM占空比可以进一步计算出原边主绕组的电感量，同理计算得出脉冲变压器的各绕组匝数。选择一定直径的高强度漆包线进行绕制在磁芯上即可设计出特定的脉冲变压器。为了达到高强度的隔离效果，脉冲变压器的原边和副边需要采用聚脂薄膜或者其它绝缘材料来绝缘处理。
所述的稳压滤波单元包括集成稳压芯片和LC滤波处理电路。脉冲变压器的副边绕组输出就是得到的隔离后的电源，但是由于脉冲变压器的工作特性，该电源是脉动直流电，由于负载需要稳定的直流电源，因此需要在脉冲变压器的副边输出端加上稳压和滤波处理电路。该电路的稳压部分采用集成稳压芯片来稳定输出电压，集成稳压芯片具有体积小，稳定性好等优点，稳压后再加上LC滤波处理电路就能得到比较稳定的直流电源了。
所述的输出保护模块主要是对输出级进行保护处理，对于输出的负载的短路、过电流过载、容性负载匹配以及在现场长距离电缆传输中可能引入的雷击作保护处理，它包括输出滤波电路、过流过载短路保护模块和过电压保护模块。
所述的输出滤波电路包括滤波电容和电感；对于一般的开关电源模块都有最大容性负载要求，如果输出滤波电容选择的过小，对负载滤波效果不好，但是滤波电容选择过大，对电路的启动又会带来影响，造成电路无法启动。因此，在本实用新型的输出级需要加上合适的滤波电容，根据各通道功率的不同，按照每安培100uF的电解电容来选择。
所述的过流过载保护电路包括自恢复保险丝。过流过载保护电路主要是针对现场传感器端，由于在安装过程中容易人为的造成电源线正负极短接、正极与外壳短接以及其它造成传感器电源端短路的情况。在本实用新型中该部分采用的是一个自恢复保险丝，自恢复保险丝的额定电流根据各通道的负载功耗来选择,一般以额定电流的1.5倍至2.5倍选择。自恢复保险丝与传感器电源的输入端的连接方式是串联连接，当传感器正常工作时，流过自恢复保险丝的电流在额定电流值的范围内，自恢复保险丝呈现低阻状态，相当于一条导线连通；当传感器发生短路大电流故障时，流过保险丝的电流瞬间增大，自恢复保险丝快速的呈现高电阻状态，几乎消耗全部的电流，保护现场传感器不被大电流损坏；当传感器故障排除后，电流减小时，自恢复保险丝自动恢复到低阻状态，保证电路正常工作。
所述的过电压保护模块包括光耦、与光耦连接的输入级比较电路和调整电路，它是一个负反馈通路。光耦隔离反馈回输出末级的电压值，当输出电压由某种原因造成电压升高时，光耦将该电压按比例取样反馈到输入级，在输入级进行比较后，将输出电压降低，达到输出自动调节到稳定值的状态。当输出电压持续升高无法通过负反馈调节时，在输入端切断供电，达到保护传感器不被损坏的目的。
本实用新型的有益效果是：采用本实用新型对石油钻井现在的各种传感器的供电进行隔离保护，各传感器之间的电源是相互独立的，当某个传感器因为现场短路、雷击引入高压、和交流线路端接等一系列的故障时，该路传感器的供电系统立即切断对该传感器供电，同时切断主控系统对本通道的供电，通道工作指示灯指示故障现象。这样，即便是现场发生故障，只有在发生故障的通道停止工作，其它通道的传感器正常工作，石油钻井控制设备正常工作。有了本装置的使用，不会发生因为单个传感器故障引起系统瘫痪的现象，能很好的预防钻井现场的连环事故发生，降低石油钻井作业的风险，提高石油钻井的效益。
附图说明
图1为本实用新型原理图；
图2为供电保护模块示意图；
图3为DC-DC隔离模块示意图；
图4为输出保护模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本实用新型的技术方案，但本实用新型的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，它包括一个低压直流供电模块和与低压直流供电模块连接的多个通道的保护模块，所述的保护模块包括供电保护模块、DC-DC隔离模块和输出保护模块，供电保护电路的两端分别与低压直流供电模块和DC-DC隔离电路连接，DC-DC隔离电路与输出保护电路连接。
如图2所示，所述的供电保护模块包括防反接保护电路、过压过流自恢复保护电路和瞬态抑制保护电路，防反接保护电路和过压过流自恢复保护电路串接在正极输入电压上，瞬态抑制保护电路并联在电源线上。
所述的防反接保护电路为电源的极性保护功能块，它包括连接成桥式电路的4个肖特基二极管，相邻桥臂二极管极性不同的接24V电源输入，相邻桥臂二级管极性相同的负极端接输出负载的正端，相邻桥臂二级管极性相同的正极端接输出负载的负端；这样，无论电源是否按照正确的极性接入，在传感器负载上得到的电压都是正确的极性。这里选择肖特基二极管的原因是因为其正向压降较低，经过桥电路处理后，电压降的损耗很小，相对于24V几乎可以忽略，肖特基二极管的正向电流根据通道的功耗来选择，对于小功率通道选择正向电流1安培的二极管，对于大功率通道选择正向电流为3安培的二极管。
所述的过压过流自恢复保护电路用于电路在过压、过流的情况下实现持续的保护动作，它包括两个开关三极管、保护二极管和相应的匹配电阻，其中一个开关三极管串联保护二极管和匹配电阻，与另一个开关三极管并联；该电路在工作时，两只三极管可以等效的看成一只串联在电路的开关和一只并联在电路的开关。正常工作情况下，串联的开关三极管导通，电流流过形成通路，为后级电路提供能量，当电压过高时，串联的开关三极管截止断开，切断供电回路，保护后级电路和负载不受损坏；当由于负载短路造成大电流时，并联的开关三极管导通条件满足，它与保护二极管形成回路，同时让串联的开关三极管导通条件消失，切断后级电路的供电回路，保护后级电路。
所述的瞬态抑制保护电路采用瞬态抑制二极管实现。瞬态保护，主要是处理现场的突变尖峰脉冲电压。在石油钻井过程中，系统的供电大部分都是使用柴油发电机发电，因此现场的供电相当不稳定，特别是在系统启动的瞬间，会出现由现场大功率电机引起的瞬间高电压的尖峰脉冲电压，该电压值可能是正常工作的电压值的十几倍，而往往一般的保护器件还来不及动作，这样就会造成供电系统的电源处理部分的损坏，通常会烧坏电源处理芯片，严重者还会引起火灾。利用瞬态抑制二级管的雪崩效应，当电压突变时，能在很短时间内将电压箝位在一个特定的范围中。只要选择合适的瞬态抑制二级管的参数，就能到达对电源瞬态变化的保护作用。将瞬态抑制二极管加在电源线上，还能防止后级电路因瞬间的脉冲（如静电放电效应、交流电源之浪涌）及开关电源的噪音所导致的故障。
所述的DC-DC隔离模块主要是完成能量的隔离传输，将输入的直流电源隔离输出到输出级，主要关心的特性是效率和纹波，效率越高能量的利用就越完全，纹波越好，负载受到的内部干扰就越小。如图3所示，它包括集成开关电源调整芯片、脉冲变压器和稳压滤波单元，集成开关电源调整芯片与脉冲变压器连接，脉冲变压器与稳压滤波单元连接，稳压滤波单元输出电压。
所述的集成开关电源调整芯片为可调整输出型电源调整芯片；通过调节其周边的电阻和电容实现对输出电压等级的调整。同时，脉冲变压器的原边主绕组也作为集成开关电源调整芯片反馈回路的电感使用，利用电感的互感原理实现能量的传输。集成开关电源调整芯片的具体型号要根据该通道中负载的功率大小选择。
所述的脉冲变压器包括主绕组、取样反馈绕组和副边输出绕组，主绕组和取样反馈绕组与集成开关电源调整芯片连接，副边绕组与稳压滤波单元连接。通过磁电耦合原理进行能量的隔离传递，各绕组的设计要根据该通道的输出功率来设计，通过需要设计的额定输出功率和效率可以计算出输入的功率，根据集成开关电源调整芯片的PWM占空比可以进一步计算出原边主绕组的电感量，同理计算得出脉冲变压器的各绕组匝数。选择一定直径的高强度漆包线进行绕制在磁芯上即可设计出特定的脉冲变压器。为了达到高强度的隔离效果，脉冲变压器的原边和副边需要采用聚脂薄膜或者其它绝缘材料来绝缘处理。
所述的稳压滤波单元包括集成稳压芯片和LC滤波处理电路。脉冲变压器的副边绕组输出就是得到的隔离后的电源，但是由于脉冲变压器的工作特性，该电源是脉动直流电，由于负载需要稳定的直流电源，因此需要在脉冲变压器的副边输出端加上稳压和滤波处理电路。该电路的稳压部分采用集成稳压芯片来稳定输出电压，集成稳压芯片具有体积小，稳定性好等优点，稳压后再加上LC滤波处理电路就能得到比较稳定的电源了。
所述的输出保护模块主要是对输出级进行保护处理，对于输出的负载的短路、过电流过载、容性负载匹配以及在现场长距离电缆传输中可能引入的雷击作保护处理，如图4所示，它包括输出滤波电路、过流过载短路保护模块和过电压保护模块。
所述的输出滤波电路包括滤波电容和电感；对于一般的开关电源模块都有最大容性负载要求，如果输出滤波电容选择的过小，对负载滤波效果不好，但是滤波电容选择过大，对电路的启动又会带来影响，造成电路无法启动。因此，在本实用新型的输出级需要加上合适的滤波电容，根据各通道功率的不同，按照每安培100uF的电解电容来选择。
所述的过流过载保护电路包括自恢复保险丝。过流过载保护电路主要是针对现场传感器端，由于在安装过程中容易人为的造成电源线正负极短接、正极与外壳短接以及其它造成传感器电源端短路的情况。在本实用新型中该部分采用的是一个自恢复保险丝，自恢复保险丝的额定电流根据各通道的负载功耗来选择,一般以额定电流的1.5倍至2.5倍选择。自恢复保险丝与传感器电源的输入端的连接方式是串联连接，当传感器正常工作时，流过自恢复保险丝的电流在额定电流值的范围内，自恢复保险丝呈现低阻状态，相当于一条导线连通；当传感器发生短路大电流故障时，流过保险丝的电流瞬间增大，自恢复保险丝快速的呈现高电阻状态，几乎消耗全部的电流，保护现场传感器不被大电流损坏；当传感器故障排除后，电流减小时，自恢复保险丝自动恢复到低阻状态，保证电路正常工作。
所述的过电压保护模块包括光耦、与光耦连接的输入级比较电路和调整电路，它是一个负反馈通路。光耦隔离反馈回输出末级的电压值，当输出电压由某种原因造成电压升高时，光耦将该电压按比例取样反馈到输入级，在输入级进行比较后，将输出电压降低，达到输出自动调节到稳定值的状态。当输出电压持续升高无法通过负反馈调节时，在输入端切断供电，达到保护传感器不被损坏的目的。
从系统总体结构框架上说，其主要包含低压直流供电，供电保护，DC/DC隔离,配电保护输出共四个部分。其中从供电保护部分开始，就分成了若干个通道，对后面的每个通道作独立的保护设计，各通道的保护相互独立，互不干扰，根据各通道适用的传感器功率不同，调整各自的输出功率，对于一般的两线制电流型传感器设计的通道功率在1-2瓦，对于三线制的电流型传感器功率在3-6瓦，对于四线制传感器，比如说电磁流量计之类的，由于其功耗较大，设计功率在10-20瓦。这样不同的传感器通道都有2-5倍的功率容限，不会在使用过程中因为某个通道的重载导致其它通道欠压工作。
Claims (7)
1.石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，其特征在于：它包括一个低压直流供电模块和与低压直流供电模块连接的多个通道的保护模块，所述的保护模块包括供电保护电路、DC-DC隔离电路和输出保护电路，供电保护电路的两端分别与低压直流供电模块和DC-DC隔离电路连接，DC-DC隔离电路与输出保护电路连接。
2.根据权利要求1所述的石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，其特征在于：所述的供电保护电路包括防反接保护电路、过压过流自恢复保护电路和瞬态抑制保护电路，防反接保护电路和过压过流自恢复保护电路串接在正极输入电压上，瞬态抑制保护电路并联在电源线上。
3.根据权利要求2所述的石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，其特征在于：所述的防反接保护电路包括连接成桥式电路的4个肖特基二极管，相邻桥臂二极管极性不同的接电源输入，相邻桥臂二级管极性相同的负极端接输出负载的正端，相邻桥臂二级管极性相同的正极端接输出负载的负端；
所述的过压过流自恢复保护电路包括两个开关三极管、保护二极管和相应的匹配电阻，其中一个开关三极管串联保护二极管和匹配电阻，与另一个开关三极管并联；
所述的瞬态抑制保护电路包括瞬态抑制二极管。
4.根据权利要求1所述的石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，其特征在于：所述的DC-DC隔离模块包括集成开关电源调整芯片、脉冲变压器和稳压滤波单元，集成开关电源调整芯片与脉冲变压器连接，脉冲变压器与稳压滤波单元连接，稳压滤波单元输出电压。
5.根据权利要求4所述的石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，其特征在于：所述的集成开关电源调整芯片为可调整输出型电源调整芯片；
所述的脉冲变压器包括主绕组、取样反馈绕组和副边输出绕组，主绕组和取样反馈绕组与集成开关电源调整芯片连接，副边绕组与稳压滤波单元连接，脉冲变压器的原边和副边采用聚脂薄膜或者其它绝缘材料进行绝缘处理；
所述的稳压滤波单元包括集成稳压芯片和LC滤波处理电路。
6.根据权利要求1所述的石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，其特征在于：所述的输出保护模块包括输出滤波电路、过流过载短路保护模块和过电压保护模块，输出滤波电路连接在输入电源回路上，过流过载短路保护模块与输出滤波模块连接，过电压保护模块并联在电源线上。
7.根据权利要求6所述的石油钻井现场传感器电源隔离保护装置，其特征在于：所述的输出滤波电路包括滤波电容和电感；所述的过流过载保护电路包括自恢复保险丝组成；所述的过电压保护模块包括光耦、与光耦连接的输入级比较电路和调整电路。
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