JP2012039861A - エネルギー供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】損失電力のできるだけ小さいエネルギー供給装置を提供することである。
【解決手段】本質安全な負荷電流回路（２）に本質安全なエネルギーを供給するためのエネルギー供給装置（１）であって、電圧源（１）と、電力制限回路と、電流制限回路と、負荷電流回路端子（４）とを備え、ここでは、負荷電流回路端子（４）に負荷電流回路（２）が接続され、電力制限回路と電流制限回路は、電圧源（３）と負荷電流回路端子（４）との間で作用し、電力制限回路は、少なくとも二つの制御可能な半導体構成素子（５）によって形成されているエネルギー供給装置において、電流制限回路が少なくとも一つの抵抗（６）によって形成され、該抵抗（６）は、火花点火の危険性が生じない電流強度に短絡電流を制限するのにちょうど十分である抵抗値を有していることを特徴とするエネルギー供給装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、本質安全な負荷電流回路に本質安全なエネルギーを供給するためのエネルギー供給装置に関するものであり、このエネルギー供給装置は、電圧源と、電力制限回路と、電流制限回路と、負荷電流回路端子とを備え、ここでは、負荷電流回路端子に負荷電流回路が接続され、電力制限回路と電流制限回路は、電圧源と負荷電流回路端子との間で作用し、電力制限回路は、少なくとも二つの制御可能な半導体構成素子によって形成されている。

ガス爆発危険領域で使用するために規定されている本質安全駆動手段の構造および検査についての規則、ならびにそのような領域に導入される本質安全電流回路への端子にための所属の駆動手段についての規則は、規格ＩＥＣ−６００７９−１１に定められている。この規格は、ガス爆発危険領域の外にあり、ＩＥＣ６００７９−０による他の点火保護形式によって保護されている他の電気駆動手段または電気駆動手段の一部に対しても、ガス爆発危険領域にある電流回路の本質安全性が、この電気駆動手段の設計および構造形式に、またはこの駆動手段の一部に依存する場合には適用される。

点火保護形式「本質安全性」は、爆発危険性のある雰囲気に曝されている駆動手段と接続手段内での電気エネルギーを、点火が火花形成によっても加熱によってももはや引き起こし得なくなるレベル以下に制限することに基づく。

とくに重要なのは、該当する規格内での「エラー」の概念である。これは、任意の構成部品、分離部、絶縁体、または構成部品間の接続のいずれかの欠陥であって、ＩＥＣ６００７９−１１により障害に脆弱でないとして規定されおり、電流回路の本質安全性に依存する欠陥を意味する。

このエラーは、数えられるエラーと数えられないエラーに区別される。数えられるエラーとは、ＩＥＣ６００７９−１１の構造要求と一致する電気駆動手段の一部で発生するエラーである。他のエラーは数えられないエラーと称される。

規格から、たとえば保護レベル「ｉａ」の電気駆動手段に対しては、電圧が規定どおり設定されている場合には、障害を受けない運転時に、二つの数えられるエラーが不利な条件で生じる数えられないエラーに加わっても、駆動手段の本質安全電流回路が点火の原因となってはならないという要求が生じる。

熱的点火を回避するためには、爆発危険性のあるガス雰囲気と関連することのある構成部品、ハウジングおよび配線のすべての表面が、高温に関して判定され、検査される。そこから構成素子に対して、表面の大きさと最大環境温度に依存して、許容損失電力に対する上限が得られる。したがってこの構成素子が最大で使用する電力を制限する必要がある。

しかし電流制限のために認容される構成素子の選択も制限されている。制御可能な半導体構成素子は、直列に接続された電流制限素子としては、保護レベル「ｉｂ」および「ｉｃ」の電気駆動手段でだけしか使用してはならない。しかし保護レベル「ｉａ」の駆動手段のための電力制限には、制御可能な半導体構成素子と制御可能でない半導体構成素子からなる直列接続電流制限器を使用することができる。

特許文献１から、爆発危険領域にある負荷および／または測定値発生器を保護するための電気的保安バリアが公知であり、これは線路を介して、爆発危険領域の外にある回路部分と接続されている。この保安バリアでは、直列に接続され、制御回路によって制御される二つの縦制御素子が使用される。ここで制御回路のための制御電圧は、電流測定素子の出力電圧の少なくとも一部と、縦制御素子での電圧降下の少なくとも一部の和に対応する電圧である。とりわけ電流測定素子はオーム抵抗であり、縦制御素子と制御回路はトランジスタによって形成される。ここでオーム抵抗は、所望の限界電流において電圧降下がこの抵抗で形成され、これにより制御電圧が、たとえば０．６Ｖの十分に高い値に達し、これにより制御回路のトランジスタが導通切り換えされるように選択されている。これによって所属の縦制御素子のトランジスタが再び非導通状態に切り換えられる。ここでオーム抵抗は、接続された負荷での短絡電流の制限には用いられず、半導体構成素子の対応する制御につながる所望の限界電流の調整に用いられる。電気的保安バリアが保護レベル「ｉａ」に十分でない場合には、二つの縦制御素子が短絡するか、または所属の制御回路の第１の縦制御素子とトランジスタが短絡するため、接続された付加での短絡電流の十分な制限が保証されない。

従来技術から、溶融安全器を電流および電力制限のために使用することが公知である。しかし溶融安全器の作動と溶融を引き起こすエラーの場合には、溶融安全器を交換しなければならず、このことはアクセスの困難なエネルギー供給装置の場合には、甚だしいコストにつながる。同様に従来技術から、抵抗を電力制限のために使用することが公知である。たとえば熱的点火を回避するために必要な１Ｗの値に電力を制限するためには、電圧が１２Ｖの場合には少なくとも１４４Ωの抵抗が必要である。しかし電力制限のために抵抗を使用することには、この抵抗において望ましくない大きな電力損失が発生するという欠点がある。

ＤＥ３６２２２６８Ｃ１

したがって本発明の課題は、損失電力のできるだけ小さいエネルギー供給装置を提供することである。

前記課題は、冒頭に記載したエネルギー供給装置から出発して、電流制限回路が少なくとも一つの抵抗によって形成され、この抵抗が、火花点火の危険が発生しない電流強度に短絡電流を制限するのにちょうど十分な抵抗値を有することによって解決される。

ＩＥＣ６００７９−１１の表Ａ．１から、１２Ｖの所定電圧において駆動手段群ＩＩＣに対して許容される最大値に短絡電流だけを制限するためには、約３．６Ωの抵抗ですでに十分であることが分かる。それゆえこの抵抗では、電力制限のために抵抗を使用する場合によりも格段に小さな損失電力しか生じない。さらなる利点は、本発明のエネルギー供給装置では、原理的に一度作動すると交換しなければならない溶融安全器が使用されないことである。本発明のエネルギー供給装置では、抵抗が、保護レベル「ｉａ」および「ｉｂ」に必要なように、ＩＥＣ６００７９−１１による障害に脆弱でない抵抗として構成されている。複数の抵抗による抵抗構成体、すなわち抵抗網も、本質安全性がこれによって保証されるならば本発明の枠内である。

一般的に本発明によれば、エネルギー供給装置が、ＩＥＣ６００７９−１１の要求を満たすように構成されている。とりわけエネルギー供給装置は、これが保護レベル「ｉａ」または「ｉｂ」に対して設けられている場合には、次のように構成されている。
すなわち、障害を受けない運転時にも、対応する保護レベルに対して設定されたエラー条件への適用後でも、点火保護形式の依存する残りの構成部品が、変圧器、ヒューズ、熱的トリガ、リレー、ホトカップラおよびスイッチのような構成部品は除いて、その最大電流、最大電圧、および最大電力の三分の二以上では駆動されず、
このとき最大電流、最大電圧、および最大電力は、構成部品の設定値、組み込み条件、および設定された温度領域に関連している。

本発明のエネルギー供給装置の電圧源も同様に、本質安全性に対する要求に対応して構成されており、とりわけ電圧源によりすでに調節された入力電圧がたとえばツェナーダイオードによって最高電圧に制限される。

本発明のエネルギー供給装置は、とりわけ流量測定装置、たとえばコリオリ質量流量測定装置または電磁誘導式流量測定装置の本質安全なエネルギー供給に適する。

本発明の有利な改善形態では、電力制限回路と電流制限回路が直列にカスケード接続されており、とりわけ電流制限回路は負荷電流回路端子と接続されている。これによっていずれの場合でも、負荷電流回路端子が電流制限回路によっても、電力制限回路によっても保護されることが保証される。その代わりに直列カスケード接続を、電力制限回路が負荷電流回路端子と接続されているようにして行うこともできる。

本発明の別の有利な改善形態では、負荷電流回路端子から取り出された負荷電流が電流測定手段によって測定され、少なくとも一つの制御可能な半導体構成素子が、測定された負荷電流に基づいて電力制御部によって制御される。この電力制御により簡単かつ効率的に、負荷電流回路の電力消費が本質安全性を脅かすほど大きい場合、制御可能な半導体構成素子が、電力消費が維持すべき上限を上回らないように制御されることが保証される。とりわけ有利には制御可能な半導体構成素子は、負荷電流回路の電力消費が本質安全性を脅かすほど大きい場合に、制御可能な半導体構成素子によって電流が完全に阻止されるように制御される。この場合、制御可能な半導体構成素子は電力制御部によって、スイッチングモードで駆動される。

本発明の好ましい構成では、制御可能な二つの半導体構成素子の少なくとも一方が、タイムスイッチとして構成された少なくとも一つの電力制御部によって制御される。ここでタイムスイッチとは、所定の時間に対応する作動信号によって作動された後に、規定の出力信号を送出する電子構成部材を意味する。本発明によればこの種のタイムスイッチは、制御可能な二つの半導体構成素子の少なくとも一つを制御するために使用される。とりわけ各タイムスイッチにはコンパレータが配設されており、このコンパレータによってさらにタイムスイッチが制御される。

本発明のまったく有利な改善形態では二つのタイムスイッチが設けられており、それらのそれぞれ一つが、制御可能な二つの半導体構成素子のそれぞれ一つを制御する。とりわけ、本質安全性を脅かすほど負荷電流回路の電流消費が大きい場合に、両方の制御可能な半導体構成素子が所定の時間の間、電流を完全に遮断するように制御する。所定の時間の経過後、両方の制御可能な半導体構成素子は、本質安全性を脅かすほど大きな負荷電流回路の電力消費がもはや存在していなければ、再び導通状態に切り替わる。これに基づいて、通常の運転を継続することができる。

本発明の有利な改善形態によれば、負荷電流を測定するための電流測定手段が少なくとも部分的に抵抗によって形成されている。抵抗での負荷電流測定は、負荷電流を監視するのに簡単で安価な手段である。なぜなら負荷電流を測定するための追加の抵抗を設けなくてもよいからである。

本発明の好ましい改善形態は、抵抗を介する電圧降下が、差動増幅器として接続された少なくとも一つの演算増幅器の入力信号として用いられ、この演算増幅器の出力信号は、負荷電流に対する尺度として機能する。この負荷電流に対する尺度として機能する出力信号は、本発明のエネルギー供給装置では好ましくは、電力制御部の対応する回路接続部に供給される。

本質安全な負荷電流回路の電力消費が別の電力制御部によって直接制御されると、とくに有利であることが判明した。この追加された直接に作用する別の電力制御部は、エネルギー供給装置から見て、すなわち負荷電流回路端子の負荷側から負荷電流回路自体に制御介入する。この制御により、電力消費が負荷電流回路の側ですでに制限され、したがって通常動作時には本発明のエネルギー供給装置の電力制限回路はトリガされない。なぜなら、負荷電流回路に直接作用する別の電力制御装置によって、本質安全な負荷電流回路の電力消費がすでに本質安全な値に制限されているからである。

本発明の別の構成によれば、別の電力制御装置はデジタル／アナログ変換器を有する。これはとりわけ本発明の別の構成と関連して有利である。本発明の別の構成では、デジタル／アナログ変換器にデジタル入力信号がマイクロプロセッサから供給され、デジタル／アナログ変換器のアナログ出力信号が、本質安全な負荷電流回路の電力消費を制御するために、本質安全な負荷電流回路で使用される。デジタル／アナログ変換器をマイクロプロセッサと関連して使用することにより、本質安全な負荷電流回路の電力消費を、爆発危険領域の外から自動制御することができる。別の電力制御部は負荷電流回路と導電接続しているから、別の電力制御部もＩＥＣ６００７９−１１の要求を満たすと有利である。

ここに説明する本発明の最後の改善形態によれば、電流源は、パワー・ｉ・テクノロジーに基づく。

詳細には、本発明のエネルギー供給装置を構成および改善するのに多数の手段が存在する。これについては、請求項１の従属請求項、ならびに図面に基づいた本発明の好ましい実施形態の以下の説明を参照されたい。

別の電力制御部によって制御される負荷電流回路と関連する本発明のエネルギー供給装置の概略図である。

図１では、エネルギー供給装置１に本質安全な負荷電流回路２が接続されている。エネルギー供給装置１は、本質安全に制限された入力電圧を供給する電圧源３を有する。エネルギー供給装置１はさらに、電力制限回路、電流制限回路および負荷電流回路端子４を有し、負荷電流回路端子には負荷電流回路２が接続されている。電力制限回路は、二つの制御可能な半導体構成素子５によって形成される。電流制限回路は抵抗６によって形成される。二つの制御可能な半導体構成素子５は直列にカスケード接続されており、電圧源３と抵抗６の間に配置されている。制御可能な半導体構成素子５に接続されていない方の抵抗６の端子は、負荷電流回路端子４を形成する。

図示のエネルギー供給装置１に対して重要なことは、電流制限回路を形成する抵抗６が、火花点火の危険性が生じない電流強度に短絡電流を制限するのにちょうど十分である抵抗値を有していることである。抵抗値のこの選定によって、抵抗６を電流制限と電力制限の両方に使用する場合よりも格段に小さい損失電力しか生じない。

エネルギー供給装置１の特別の性質は、所要の電力制限が制御可能な半導体構成素子５によって行われることである。二つの制御可能な半導体構成素子５の制御端子には、それぞれ安全確保抵抗７を介してタイムスイッチ８が接続されている。タイムスイッチ８に対する入力信号は、差動増幅器として接続された演算増幅器９によって調製される。二つの演算増幅器９は、抵抗６を介する電圧降下を入力信号として用い、二つの演算増幅器９は負荷電流に対する尺度として機能する出力信号を送出する。この回路によって、負荷電流回路端子４から取り出される負荷電流の電力制御が、測定された負荷電流に基づいて行われる。

別の安全確保抵抗７により、エネルギー供給装置１全体が本質安全に分離された領域で分割される。とりわけ爆発危険領域に配置された負荷電流回路２は、爆発危険領域の外にある本質安全な駆動手段と接続されている。このように分離された領域間の境界は、図１では破線によって示されている。

本質安全な負荷電流回路２の電力消費は、別の電力制御部１０によって制御される。この別の電力制御部１０は、本質安全な負荷電流回路２の電力消費を、爆発危険領域での熱い表面における発火を除外する値に制限する。別の電力制御部１０は、デジタル入力信号がマイクロプロセッサから供給されるデジタル／アナログ変換器１１を有する。マイクロプロセッサ１２上には、負荷電流回路２の電力消費を制御または調整するためのここに詳細には説明しない方法がソフトウエア的に実現されており、マイクロプロセッサは負荷電流回路２の目標電力消費に対するデジタル設定値を送出する。デジタル設定値に対応するデジタル／アナログ変換器１１のアナログ出力信号は、安全確保抵抗７を介して本質安全な負荷電流回路２で、電力消費の制御のために使用される。

ここに図示した実施例で負荷電流回路２はセンサコイル１３を有する。しかし負荷電流回路は、具体的な適用に応じて任意の他の負荷を有することができる。コイル１３に並列に接続されたツェナーダイオード１４により、センサコイル１３の通常は非常に大きいインダクタンスは作用しない。すなわちセンサコイル１３内で高速の電流変化によって誘導された電圧は、ツェナーダイオード１４により本質安全な値に制限される。

Claims (10)

1. 本質安全な負荷電流回路（２）に本質安全なエネルギーを供給するためのエネルギー供給装置（１）であって、電圧源（１）と、電力制限回路と、電流制限回路と、負荷電流回路端子（４）とを備え、負荷電流回路端子（４）に負荷電流回路（２）が接続され、電力制限回路と電流制限回路は、電圧源（３）と負荷電流回路端子（４）との間で作用し、電力制限回路は、少なくとも二つの制御可能な半導体構成素子（５）によって形成されているエネルギー供給装置において、
   電流制限回路が少なくとも一つの抵抗（６）によって形成され、該抵抗（６）は、火花点火の危険性が生じない電流強度に短絡電流を制限するのにちょうど十分である抵抗値を有していることを特徴とするエネルギー供給装置。
2. 電力制限回路と電流制限回路は、直列にカスケード接続されており、電流制限回路は負荷電流回路端子（４）と接続されている、ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー供給装置（１）。
3. 負荷電流回路端子（４）から取り出された負荷電流が電流測定手段によって測定され、少なくとも一つの制御可能な半導体構成素子（５）が、測定された負荷電流に基づいて電力制御によって制御される、ことを特徴とする請求項１または２記載のエネルギー供給装置（１）。
4. 制御可能な二つの半導体構成素子（５）の少なくとも一つが、タイムスイッチ（８）として構成された少なくとも一つの電力制御部によって制御される、ことを特徴とする請求項３記載のエネルギー供給装置（１）。
5. 負荷電流を測定するための電流測定手段は、少なくとも部分的に抵抗（６）によって形成されている、ことを特徴とする請求項３または４記載のエネルギー供給装置（１）。
6. 抵抗（６）を介する電圧降下が、差動増幅器として接続された少なくとも一つの演算増幅器（９）で入力信号として用いられ、演算増幅器（９）の出力信号は負荷電流に対する尺度として機能する、ことを特徴とする請求項５記載のエネルギー供給装置（１）。
7. 本質安全な負荷電流回路（２）の電力消費は、別の電力制御部（１０）によって直接制御される、ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項記載のエネルギー供給装置（１）。
8. 別の電力制御部（１０）は、デジタル／アナログ変換器（１１）を有する、ことを特徴とする請求項７記載のエネルギー供給装置（１）。
9. デジタル／アナログ変換器（１１）にはデジタル入力信号がマイクロプロセッサ（１２）から供給され、デジタル／アナログ変換器（１１）のアナログ出力信号は、別の電力制御部（１０）による本質安全な負荷電流回路（２）の電力消費の制御のために、本質安全な負荷電流回路（２）で使用される、ことを特徴とする請求項８記載のエネルギー供給装置（１）。
10. 電圧源（３）は、パワー・ｉ・テクノロジーに基づく、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項記載のエネルギー供給装置。

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