一種電流輸出型安全隔離柵的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種電流輸出型安全隔離柵，該電流輸出型安全隔離柵包括相互隔離的電源區(qū)、安全區(qū)和危險區(qū)、輸入端以及輸出端，輸入端與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)，電源區(qū)用于產(chǎn)生供給安全區(qū)和危險區(qū)的隔離電源，安全區(qū)和危險區(qū)之間通過隔離變壓器進行隔離，輸出端與執(zhí)行器連接，用于將輸出電流傳輸給執(zhí)行器。在本發(fā)明公開的電流輸出型安全隔離柵中，通過使用隔離變壓器作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警在安全區(qū)就能實現(xiàn)，不用形成途經(jīng)安全區(qū)和危險區(qū)的信號耦合通道，進而能降低供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
【專利說明】—種電流輸出型安全隔離柵
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自動化及儀器儀表領(lǐng)域，更具體的說，是涉及一種電流輸出型安全隔離柵。
【背景技術(shù)】
[0002]安全隔離柵是一種接在本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間，將供給本質(zhì)安全電路的能量限制在一定安全范圍內(nèi)的裝置。其中，本質(zhì)安全電路連接危險區(qū)，非本質(zhì)安全電路連接安全區(qū)?？刂葡到y(tǒng)包含于非本質(zhì)安全電路中，執(zhí)行器包含于本質(zhì)安全電路中。
[0003]電流輸出型安全隔離柵是一種將控制系統(tǒng)的電流型標(biāo)準工業(yè)信號(4?20mA)傳遞給執(zhí)行器(例如，閥門)的設(shè)備。其主要按照電源區(qū)、安全區(qū)、危險區(qū)三區(qū)隔離的模式進行設(shè)計，其中，安全區(qū)連接控制系統(tǒng)形成輸入電流環(huán)路，危險區(qū)連接執(zhí)行器形成輸出電流環(huán)路，正常狀態(tài)下，輸出電流環(huán)路可以完全復(fù)制輸入電流環(huán)路的電流。
[0004]危險區(qū)斷線是一種常見的故障，因此，在電流輸出型安全隔離柵上都有斷線檢測及報警功能電路。斷線檢測及報警功能電路檢測危險區(qū)斷線的方式有多種，目前普遍采用的是通過對輸出電流環(huán)路的電流信號進行采樣，然后傳到安全區(qū)，當(dāng)采樣電流小于4mA時，控制系統(tǒng)將該電流信號轉(zhuǎn)換后，進行報警。
[0005]上述方式中，斷線檢測及報警功能電路將危險區(qū)是否斷線的信息傳遞給安全區(qū)，涉及兩個隔離區(qū)之間信息的傳遞，為了保證供給本質(zhì)安全電路的能量在一定安全范圍內(nèi)，斷線檢測及報警功能電路需要滿足本質(zhì)安全電路的相關(guān)規(guī)范要求，現(xiàn)有技術(shù)中，一種方法是，采用普通光耦作為附加的隔離器件，并采用符合本質(zhì)安全要求的熔斷絲、限流電阻、齊納管組成能量限制單元，限制電路的輸出能量；另一種方法是選擇符合本質(zhì)安全規(guī)范要求的特殊光耦作為附加的隔離器件。
[0006]但是，上述兩種方法中，都需要增加額外的光耦作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警電路是一個單獨的信號傳遞回路，這將直接導(dǎo)致安全區(qū)和危險區(qū)的耦合通道增多，大大增加了供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]有鑒于此，本發(fā)明提供了一種電流輸出型安全隔離柵，以克服現(xiàn)有技術(shù)中在進行危險區(qū)斷線檢測時，由于需要增加額外的光耦作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，進而導(dǎo)致安全區(qū)和危險區(qū)的耦合通道增多，大大增加了供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險的問題。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0009]一種電流輸出型安全隔離柵，包括:電源區(qū)、安全區(qū)、危險區(qū)、輸入端以及輸出端；
[0010]所述輸入端與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)；
[0011]所述電源區(qū)用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)和所述危險區(qū)的隔離電源；[0012]所述安全區(qū)和所述危險區(qū)之間通過隔離變壓器進行隔離；
[0013]所述輸出端與執(zhí)行器連接，用于將通過隔離變壓器耦合產(chǎn)生的輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。
[0014]優(yōu)選的，所述安全區(qū)包括斷線檢測報警單元和所述隔離變壓器的一次側(cè)；
[0015]其中，所述斷線檢測報警單元用于接收所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸出給所述隔離變壓器的一次側(cè)。
[0016]優(yōu)選的，所述危險區(qū)包括限能單元、電流復(fù)制單元和所述隔離變壓器的二次側(cè)；
[0017]其中，所述限能單元，用于保證傳輸給執(zhí)行器的電源在預(yù)設(shè)安全范圍內(nèi)；
[0018]所述電流復(fù)制單元，用于通過所述隔離變壓器的二次側(cè)與所述隔離變壓器的一次側(cè)耦合產(chǎn)生所述輸出電流。
[0019]優(yōu)選的，所述隔離變壓器的一次側(cè)包括:第一開關(guān)、第一繞組、第二開關(guān)、第二繞組以及第一電容；
[0020]其中，所述第一開關(guān)的第一端與所述第一繞組的第一端連接；
[0021]所述第一繞組的第二端與所述第二繞組的第一端連接；
[0022]所述第二繞組的第二端與所述第二開關(guān)的第二端連接；
[0023]所述第二開關(guān)的第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接；
[0024]所述第一電容第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接；
[0025]所述第一電容的第二端與所述第一繞組的第二端連接；
[0026]所述隔離變壓器一次側(cè)接收的電流型標(biāo)準工業(yè)信號由所述第一繞組的第二端流入。
[0027]優(yōu)選的，所述隔離變壓器的二次側(cè)包括:第三繞組、第三開關(guān)、第四繞組、第四開關(guān)以及第二電容；
[0028]其中，所述第三繞組的第一端與所述第三開關(guān)的第一端連接；
[0029]所述第三開關(guān)的第二端與所述第四開關(guān)的第一端連接；
[0030]所述第四開關(guān)的第二端與所述第四繞組的第二端連接；
[0031]所述第四繞組的第一端與所述第三繞組的第一端連接；
[0032]所述第二電容的第一端與所述第三開關(guān)的第二端連接并接地；
[0033]所述第二電容的第二端與所述第三繞組的第二端連接；
[0034]所述隔離變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的所述輸出電流由所述第三繞組的第二端流出。
[0035]優(yōu)選的，所述斷線檢測報警單元包括:第一比較器、第一開關(guān)管和第一限流電阻；
[0036]其中，所述第一比較器的第一端連接基準電壓，所述第一比較器的第二端連接所述第一電容的第二端，當(dāng)所述第一電容的電壓小于基準電壓時，第一開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)所述第一電容的電壓大于基準電壓時，第一限流電阻導(dǎo)通，所述斷線檢測報警單元報警。
[0037]優(yōu)選的，所述第一電容和所述第二電容均為0.1微法。
[0038]優(yōu)選的，所述電流型安全隔離柵，還包括:
[0039]所述隔離電壓器一次側(cè)接收的電流型標(biāo)準工業(yè)信號由所述第二繞組的第一端流入。
[0040]優(yōu)選的，所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號為4?20毫安的電流。
[0041]經(jīng)由上述的技術(shù)方案可知，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明公開了一種電流輸出型安全隔離柵，該電流輸出型安全隔離柵包括相互隔離的電源區(qū)、安全區(qū)和危險區(qū)、輸入端以及輸出端，所述輸入端與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)，所述電源區(qū)用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)和所述危險區(qū)的隔離電源，所述安全區(qū)和所述危險區(qū)之間通過隔離變壓器進行隔離，所述輸出端與執(zhí)行器連接，用于將輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。在本發(fā)明公開的電流輸出型安全隔離柵中，通過使用隔離變壓器作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警在安全區(qū)就能實現(xiàn)，不用形成途經(jīng)安全區(qū)和危險區(qū)的信號耦合通道，進而能降低供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0042]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。
[0043]圖1為本發(fā)明實施例一公開的一種電流輸出型安全隔離柵具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為本發(fā)明實施例二公開的另一種電流輸出型安全隔離柵具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0045]圖3為本發(fā)明實施例三公開的再一種電流輸出型安全隔離柵具體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0046]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0047]由【背景技術(shù)】可知，現(xiàn)有的電流輸出型安全隔離柵中的斷線檢測及報警功能電路都需要增加額外的光耦作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警電路是一個單獨的信號傳遞回路，這將直接導(dǎo)致安全區(qū)和危險區(qū)的耦合通道增多，大大增加了供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
[0048]因此，本發(fā)明公開了一種電流輸出型安全隔離柵，該電流輸出型安全隔離柵包括相互隔離的電源區(qū)、安全區(qū)和危險區(qū)、輸入端以及輸出端，所述輸入端與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)，所述電源區(qū)用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)和所述危險區(qū)的隔離電源，所述安全區(qū)和所述危險區(qū)之間通過隔離變壓器進行隔離，所述輸出端與執(zhí)行器連接，用于將輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。在本發(fā)明公開的電流輸出型安全隔離柵中，通過使用隔離變壓器作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警在安全區(qū)就能實現(xiàn)，不用形成途經(jīng)安全區(qū)和危險區(qū)的信號耦合通道，進而能降低供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
[0049]有關(guān)于該電流輸出型安全隔離柵的具體結(jié)構(gòu)及功能實現(xiàn)原理將通過以下實施例進行詳細說明。
[0050]實施例一
[0051]請參閱附圖1，為本發(fā)明公開的一種電流輸出型安全隔離柵具體結(jié)構(gòu)示意圖。[0052]該電流輸出型安全隔離柵由電源區(qū)10、安全區(qū)11、危險區(qū)12、輸入端13以及輸出端14組成。其連接關(guān)系具體如下:
[0053]所述輸入端13與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)11。
[0054]需要說明的是，本實施例中公開的電流輸出型安全隔離柵的電源區(qū)10、安全區(qū)11以及危險區(qū)12之間在電氣上是完全隔離的，輸入端13從控制系統(tǒng)(如DCS)獲取的控制信號為4?20mA的電流型標(biāo)準工業(yè)信號，該電流型標(biāo)準工業(yè)信號直接進入電流輸出型安全隔離柵的安全區(qū)11，危險區(qū)12可以復(fù)制安全區(qū)11輸出的電流，正常情況下，誤差一般可以控制到千分之一以下。
[0055]所述電源區(qū)10用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)11和所述危險區(qū)12的隔離電源。
[0056]所述安全區(qū)11和所述危險區(qū)12之間通過隔離變壓器15進行隔離。
[0057]本實施例中安全區(qū)11和危險區(qū)12之間通過一個隔離變壓器15相連，二者彼此之間電氣隔離，基于隔離變壓器15產(chǎn)生的磁場傳遞電流信號。當(dāng)危險區(qū)斷線的時候，那么危險區(qū)電流就始終為0，而安全區(qū)維持有電流，隔離變壓器兩端出現(xiàn)電流差，這時，隔離變壓器線圈兩端的感應(yīng)電動勢就會迅速增大，因此就可以通過從安全區(qū)檢測感應(yīng)電動勢的大小來判斷危險區(qū)是否發(fā)生了斷線。
[0058]所述輸出端14與執(zhí)行器連接，用于將通過隔離變壓器15耦合產(chǎn)生的輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。
[0059]本實施例公開了一種電流輸出型安全隔離柵，該電流輸出型安全隔離柵包括相互隔離的電源區(qū)、安全區(qū)和危險區(qū)、輸入端以及輸出端，所述輸入端與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)，所述電源區(qū)用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)和所述危險區(qū)的隔離電源，所述安全區(qū)和所述危險區(qū)之間通過隔離變壓器進行隔離，所述輸出端與執(zhí)行器連接，用于將輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。在本實施例公開的電流輸出型安全隔離柵中，通過使用隔離變壓器作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警在安全區(qū)就能實現(xiàn)，不用形成途經(jīng)安全區(qū)和危險區(qū)的信號耦合通道，進而能降低供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
[0060]以上實施例一僅僅簡單給出了本申請公開的一種電流輸出型安全隔離柵的模塊組成，在上述實施例一的基礎(chǔ)上，有關(guān)于各個模塊的具體電路結(jié)構(gòu)，將通過以下實施例進行詳細描述。
[0061]實施例二
[0062]請參閱附圖2，為本發(fā)明實施例中公開的另一種電流輸出型安全隔離柵具體結(jié)構(gòu)示意圖，該電流輸出型安全隔離柵具體由電源區(qū)10、安全區(qū)11、危險區(qū)12、輸入端13以及輸出端14組成。其中，安全區(qū)11包括斷線檢測報警單元110和所述隔離變壓器15的一次側(cè)；危險區(qū)12包括限能單元120、電流復(fù)制單元121和所述隔離變壓器15的二次側(cè)；
[0063]其連接關(guān)系具體如下:
[0064]所述輸入端13與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)11。
[0065]需要說明的是，本實施例中公開的電流輸出型安全隔離柵的電源區(qū)10、安全區(qū)11以及危險區(qū)12之間在電氣上是完全隔離的，輸入端13從控制系統(tǒng)(如DCS)獲取的控制信號為4?20mA的電流型標(biāo)準工業(yè)信號，該電流型標(biāo)準工業(yè)信號直接進入電流輸出型安全隔離柵的安全區(qū)11，危險區(qū)12可以復(fù)制安全區(qū)11輸出的電流，正常情況下，誤差一般可以控制到千分之一以下。
[0066]所述電源區(qū)10用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)11和所述危險區(qū)12的隔離電源。
[0067]所述安全區(qū)11和所述危險區(qū)12之間通過隔離變壓器15進行隔離。
[0068]本實施例中安全區(qū)11和危險區(qū)12之間通過一個隔離變壓器15相連，二者彼此之間電氣隔離，基于隔離變壓器15產(chǎn)生的磁場傳遞電流信號。
[0069]所述斷線檢測報警單元110用于接收所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸出給所述隔離變壓器的一次側(cè)。
[0070]斷線檢測報警單元110能夠檢測危險區(qū)的輸出線路的斷線狀態(tài)。報警的方式可以多種多樣，如邏輯信號報警、指示燈報警等，但是一般可以用限制安全區(qū)電流環(huán)電流小于4mA的方式進行報警，可以節(jié)省線纜及方便控制系統(tǒng)(如DCS)檢測。在本實施例中，斷線檢測報警單元結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，采取限流電路，將輸入電流限制在4?20mA標(biāo)準工業(yè)電流范圍以外的方式進行報警，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到安全區(qū)電流環(huán)電流小于4mA時，可得知危險區(qū)斷線，此時即可通過各種聲光報警器進行報警。
[0071]所述隔離變壓器15的一次側(cè)包括:第一開關(guān)K1、第一繞組Tl、第二開關(guān)K2、第二繞組T2以及第一電容Cl ；
[0072]其中，所述第一開關(guān)的第一端與所述第一繞組的第一端連接；
[0073]所述第一繞組的第二端與所述第二繞組的第一端連接；
[0074]所述第二繞組的第二端與所述第二開關(guān)的第二端連接；
[0075]所述第二開關(guān)的第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接；
[0076]所述第一電容第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接；
[0077]所述第一電容的第二端與所述第一繞組的第二端連接；
[0078]所述隔離變壓器一次側(cè)接收的電流型標(biāo)準工業(yè)信號由所述第一繞組的第二端流入。
[0079]所述限能單元120，用于保證傳輸給執(zhí)行器的電源在預(yù)設(shè)安全范圍內(nèi)；
[0080]所述電流復(fù)制單元121，用于通過所述隔離變壓器的二次側(cè)與所述隔離變壓器的一次側(cè)耦合產(chǎn)生所述輸出電流。
[0081]需要說明的是，本實施例公開的危險區(qū)的具體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)中危險區(qū)相比，僅僅是增加了隔離變壓器的二次側(cè)，其他結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，故有關(guān)于限能單元120以及電流復(fù)制單元121的具體電路及相關(guān)功能將不再詳細說明。
[0082]具體的，所述隔離變壓器的二次側(cè)包括:第三繞組T3、第三開關(guān)K3、第四繞組T4、第四開關(guān)K4以及第二電容C2 ；
[0083]其中，所述第三繞組的第一端與所述第三開關(guān)的第一端連接；
[0084]所述第三開關(guān)的第二端與所述第四開關(guān)的第一端連接；
[0085]所述第四開關(guān)的第二端與所述第四繞組的第二端連接；
[0086]所述第四繞組的第一端與所述第三繞組的第一端連接；
[0087]所述第二電容的第一端與所述第三開關(guān)的第二端連接并接地；
[0088]所述第二電容的第二端與所述第三繞組的第二端連接；[0089]所述隔離變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的所述輸出電流由所述第三繞組的第二端流出。
[0090]所述輸出端14與執(zhí)行器連接，用于將通過隔離變壓器耦合產(chǎn)生的輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。
[0091]在本實施例中，隔離變壓器的四個繞組匝數(shù)完全一致，其方向按照附圖2中隔離變壓器的同名端標(biāo)識進行繞制，KU K2分別和K3、K4同步交替開關(guān)，即預(yù)先設(shè)置一固定頻率控制K1、K2、K3、K4的開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)固定頻率，能夠得出一固定的時間周期，在某一時間點，Kl和K3閉合，K2和K4斷開，在上述時間周期之后，Kl和K3斷開，同時，K2和K4閉合。由此可以使安全區(qū)輸入電流(稱為II)和危險區(qū)輸出電流(稱為12)在隔離變壓器磁芯中產(chǎn)生的磁通方向始終相反，若Il大小等于12，那么磁通完全抵消，隔離變壓器線圈兩端沒有感應(yīng)電壓產(chǎn)生，若Il大小不等于12，則磁通不能完全抵消，剩余的磁通總量為Φ4(11-12);根據(jù)電磁感應(yīng)定律，隔離變壓器線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓ε=ΛΦ/ΛΤ=2? (11-12)/AT，也即:隔離變壓器線圈兩端的感應(yīng)電動勢和安全區(qū)及危險區(qū)電流差值成正比。
[0092]本實施例中，基于隔離變壓器傳遞信號的電流輸出型安全隔離柵正是應(yīng)用上述原理，通過控制ε的大小來使Il和12相匹配，ε越小則Il和12之間的誤差越小。
[0093]當(dāng)危險區(qū)斷線的時候，那么危險區(qū)電流就始終為0，而安全區(qū)維持有電流，隔離變壓器線圈兩邊出現(xiàn)電流差，這時變壓器線圈兩端的感應(yīng)電動勢ε會迅速增大，因此可以從安全區(qū)檢測感應(yīng)電動勢的大小來判斷危險區(qū)是否發(fā)生了斷線。
[0094]本實施例公開的一種電流輸出型安全隔離柵，在實施例一公開的電流輸出型安全隔離柵的基礎(chǔ)上，進一步描述了該電流輸出型安全隔離柵的電路結(jié)構(gòu)及具體實現(xiàn)原理。在本實施例公開的電流輸出型安全隔離柵中，通過使用隔離變壓器作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警在安全區(qū)就能實現(xiàn)，不用形成途經(jīng)安全區(qū)和危險區(qū)的信號耦合通道，進而能降低供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
[0095]為了進一步描述上 述實施例公開的電流輸出型安全隔離柵是如何檢測危險區(qū)斷線及進行報警的，本申請還給出以下實施例進行詳細說明。
[0096]實施例三
[0097]請參閱附圖3，為本發(fā)明實施例中公開的再一種電流輸出型安全隔離柵具體結(jié)構(gòu)示意圖，該電流輸出型安全隔離柵具體由電源區(qū)10、安全區(qū)11、危險區(qū)12、輸入端13以及輸出端14組成。其中，安全區(qū)11包括斷線檢測報警單元110和所述隔離變壓器15的一次側(cè)；危險區(qū)12包括限能單元120、電流復(fù)制單元121和所述隔離變壓器15的二次側(cè)；
[0098]其連接關(guān)系具體如下:
[0099]所述輸入端13與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)11。
[0100]需要說明的是，本實施例中公開的電流輸出型安全隔離柵的電源區(qū)10、安全區(qū)11以及危險區(qū)12之間在電氣上是完全隔離的，輸入端13從控制系統(tǒng)(如DCS)獲取的控制信號為4~20mA的電流型標(biāo)準工業(yè)信號，該電流型標(biāo)準工業(yè)信號直接進入電流輸出型安全隔離柵的安全區(qū)11，危險區(qū)12可以復(fù)制安全區(qū)11輸出的電流，正常情況下，誤差一般可以控制到千分之一以下。
[0101]所述電源區(qū)10用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)11和所述危險區(qū)12的隔離電源。
[0102]所述安全區(qū)11和所述危險區(qū)12之間通過隔離變壓器15進行隔離。[0103]本實施例中安全區(qū)11和危險區(qū)12之間通過一個隔離變壓器15相連，二者彼此之間電氣隔離，基于隔離變壓器15產(chǎn)生的磁場傳遞電流信號。
[0104]所述斷線檢測報警單元110用于接收所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸出給所述隔離變壓器的一次側(cè)。
[0105]斷線檢測報警單元110能夠檢測危險區(qū)的輸出線路的斷線狀態(tài)。報警的方式可以多種多樣，如邏輯信號報警、指示燈報警等，但是一般可以用限制安全區(qū)電流環(huán)電流小于4mA的方式進行報警，可以節(jié)省線纜及方便控制系統(tǒng)(如DCS)檢測。在本實施例中，斷線檢測報警單元結(jié)合控制系統(tǒng)的特點，采取限流電路，將輸入電流限制在4?20mA標(biāo)準工業(yè)電流范圍以外的方式進行報警，當(dāng)控制系統(tǒng)檢測到安全區(qū)電流環(huán)電流小于4mA時，可得知危險區(qū)斷線，此時即可通過各種聲光報警器進行報警。
[0106]具體的，本實施例中，斷線檢測報警單元110包括:第一比較器U1、第一開關(guān)管Q5和第一限流電阻Rl ；
[0107]其中，所述第一比較器的第一端連接基準電壓Vref，所述第一比較器的第二端連接所述第一電容的第二端，當(dāng)所述第一電容的電壓小于基準電壓Vref時，第一開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)所述第一電容的電壓大于基準電壓Vref時，第一限流電阻導(dǎo)通，所述斷線檢測報警
單元報警。
[0108]所述隔離變壓器15的一次側(cè)包括:第一開關(guān)K1、第一繞組Tl、第二開關(guān)K2、第二繞組T2以及第一電容Cl ;所述第一電容Cl的值可以為0.1微法，也可以根據(jù)實際情況選用其他大小的電容作為第一電容Cl。
[0109]其中，所述第一開關(guān)的第一端與所述第一繞組的第一端連接；
[0110]所述第一繞組的第二端與所述第二繞組的第一端連接；
[0111]所述第二繞組的第二端與所述第二開關(guān)的第二端連接；
[0112]所述第二開關(guān)的第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接；
[0113]所述第一電容第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接；
[0114]所述第一電容的第二端與所述第一繞組的第二端連接；
[0115]所述隔離變壓器一次側(cè)接收的電流型標(biāo)準工業(yè)信號由所述第一繞組的第二端流入。
[0116]所述限能單元120，用于保證傳輸給執(zhí)行器的電源在預(yù)設(shè)安全范圍內(nèi)；
[0117]所述電流復(fù)制單元121，用于通過所述隔離變壓器的二次側(cè)與所述隔離變壓器的一次側(cè)耦合產(chǎn)生所述輸出電流。
[0118]需要說明的是，本實施例公開的危險區(qū)的具體結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有技術(shù)中危險區(qū)相比，僅僅是增加了隔離變壓器的二次側(cè)，其他結(jié)構(gòu)并未發(fā)生變化，故有關(guān)于限能單元120以及電流復(fù)制單元121的具體電路及相關(guān)功能將不再詳細說明。
[0119]具體的，所述隔離變壓器的二次側(cè)包括:第三繞組T3、第三開關(guān)K3、第四繞組T4、第四開關(guān)K4以及第二電容C2 ;所述第二電容C2的值可以為0.1微法，也可以根據(jù)實際情況選用其他大小的電容作為第二電容C2。
[0120]其中，所述第三繞組的第一端與所述第三開關(guān)的第一端連接；
[0121]所述第三開關(guān)的第二端與所述第四開關(guān)的第一端連接；
[0122]所述第四開關(guān)的第二端與所述第四繞組的第二端連接；[0123]所述第四繞組的第一端與所述第三繞組的第一端連接；
[0124]所述第二電容的第一端與所述第三開關(guān)的第二端連接并接地；
[0125]所述第二電容的第二端與所述第三繞組的第二端連接；
[0126]所述隔離變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的所述輸出電流由所述第三繞組的第二端流出。
[0127]所述輸出端14與執(zhí)行器連接，用于將通過隔離變壓器耦合產(chǎn)生的輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。
[0128]在本實施例中，隔離變壓器的四個繞組匝數(shù)完全一致，其方向按照附圖2中隔離變壓器的同名端標(biāo)識進行繞制，KU K2分別和K3、K4同步交替開關(guān)，即預(yù)先設(shè)置一固定頻率控制K1、K2、K3、K4的開關(guān)狀態(tài)，根據(jù)固定頻率，能夠得出一固定的時間周期，在某一時間點，Kl和K3閉合，K2和K4斷開，在上述時間周期之后，Kl和K3斷開，同時，K2和K4閉合。由此可以使安全區(qū)輸入電流(稱為II)和危險區(qū)輸出電流(稱為12)在隔離變壓器磁芯中產(chǎn)生的磁通方向始終相反，若I1大小等于12，那么磁通完全抵消，隔離變壓器線圈兩端沒有感應(yīng)電壓產(chǎn)生，若I1大小不等于12，則磁通不能完全抵消，剩余的磁通總量為Φ4(11-12);根據(jù)電磁感應(yīng)定律，隔離變壓器線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓ε=ΔΦ/ΔΤ=2? (11-12)/AT，也即:隔離變壓器線圈兩端的感應(yīng)電動勢和安全區(qū)及危險區(qū)電流差值成正比。
[0129]本實施例中，基于隔離變壓器傳遞信號的電流輸出型安全隔離柵正是應(yīng)用上述原理，通過控制ε的大小來使Il和12相匹配，ε越小則Il和12之間的誤差越小。
[0130]當(dāng)危險區(qū)斷線的時候，那么危險區(qū)電流就始終為0，而安全區(qū)維持有電流，隔離變壓器線圈兩邊出現(xiàn)電流差，這時變壓器線圈兩端的感應(yīng)電動勢ε會迅速增大，因此可以從安全區(qū)檢測感應(yīng)電動勢的大小來判斷危險區(qū)是否發(fā)生了斷線。
[0131]具體的，當(dāng)電流輸出型安全隔離柵正常工作的時候，安全區(qū)輸入電流I1和危險區(qū)的輸出電流12大小相等，隔離變壓器繞組的感應(yīng)電動勢ε~0，即C1兩端的電壓約為0;而危險區(qū)斷線的情況下，隔離變壓器繞組的感應(yīng)電動勢ε是一個較大的值。
[0132]用Ul對此電壓進行采樣，與一個基準電壓Vref比較，比較的結(jié)果用于控制輸入電流環(huán)的限流電路，具體控制過程如下:
[0133]正常工作時候，感應(yīng)電壓遠遠小于Vref，Ul輸出高電壓，驅(qū)動開關(guān)管Q5完全開通。當(dāng)危險區(qū)斷線的時候，感應(yīng)電壓遠遠大于Vref，U1輸出低電壓，驅(qū)動開關(guān)管Q5完全關(guān)斷，此時電流僅能從R1上流入隔離變壓器，一般根據(jù)控制系統(tǒng)(如DCS)輸出電壓最大為24V，可以設(shè)計適當(dāng)?shù)碾娮鑂1，令此時從R1上流入的電流小于4mA (4mA電流不在標(biāo)準工業(yè)電流4~20mA范圍以內(nèi))，既可以實現(xiàn)報警功能，又可以支持斷線檢測電路的可靠工作。
[0134]需要說明的是，Vref是一個預(yù)設(shè)的電壓值，該電壓值應(yīng)當(dāng)大于正常工作時候變壓器的感應(yīng)電壓，并小于斷線情況下的感應(yīng)電壓，通常都要進行一定的升額或降額設(shè)計以滿足可靠運行的需要，另外，Vref即可以是一個固定的值，也可以是一個變化的值，即可以參與環(huán)路控制。
[0135]進一步需要說明的是，所述隔離電壓器一次側(cè)接收的電流型標(biāo)準工業(yè)信號由所述第二繞組的第一端流入。也就是說，隔離變壓器四個繞組的方向除了按照附圖2中的同名端標(biāo)識進行繞制以外，還可以將一次側(cè)繞組同名端標(biāo)識的方向設(shè)置為與二次側(cè)繞組同名端標(biāo)識的方向相同，此時，在某一時間點K1和K4閉合，K2和K3斷開，在一定時間周期后，Kl和K4斷開，K2和K3閉合，后續(xù)檢測危險區(qū)斷線的原理與之前描述的相似，此處不再贅述。[0136]本實施例公開的一種電流輸出型安全隔離柵，在實施例二公開的電流輸出型安全隔離柵的基礎(chǔ)上，進一步描述了該電流輸出型安全隔離柵的如何通過置于安全區(qū)的斷線檢測及報警單元進行危險區(qū)斷線的檢測。在本實施例公開的電流輸出型安全隔離柵中，通過使用隔離變壓器作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警在安全區(qū)就能實現(xiàn)，不用形成途經(jīng)安全區(qū)和危險區(qū)的信號耦合通道，進而能降低供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
[0137]綜上所述:
[0138]本發(fā)明公開了一種電流輸出型安全隔離柵，該電流輸出型安全隔離柵包括相互隔離的電源區(qū)、安全區(qū)和危險區(qū)、輸入端以及輸出端，所述輸入端與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)，所述電源區(qū)用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)和所述危險區(qū)的隔離電源，所述安全區(qū)和所述危險區(qū)之間通過隔離變壓器進行隔離，所述輸出端與執(zhí)行器連接，用于將輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。在本發(fā)明公開的電流輸出型安全隔離柵中，通過使用隔離變壓器作為隔離器件來實現(xiàn)安全區(qū)和危險區(qū)的連接，使得斷線檢測及報警在安全區(qū)就能實現(xiàn)，不用形成途經(jīng)安全區(qū)和危險區(qū)的信號耦合通道，進而能降低供給本質(zhì)安全電路的能量超出安全范圍的風(fēng)險。
[0139]本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。對于實施例公開的裝置而言，由于其與實施例公開的方法相對應(yīng)，所以描述的比較簡單，相關(guān)之處參見方法部分說明即可。
[0140]結(jié)合本文中所公開的實施例描述的方法或算法的步驟可以直接用硬件、處理器執(zhí)行的軟件模塊，或者二者的結(jié)合來實施。軟件模塊可以置于隨機存儲器(RAM)、內(nèi)存、只讀存儲器(ROM)、電可編程ROM、電可擦除可編程ROM、寄存器、硬盤、可移動磁盤、CD-ROM、或【技術(shù)領(lǐng)域】內(nèi)所公知的任意其它形式的存儲介質(zhì)中。
[0141]對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種電流輸出型安全隔離柵，其特征在于，包括:電源區(qū)、安全區(qū)、危險區(qū)、輸入端以及輸出端； 所述輸入端與控制系統(tǒng)連接，用于獲取電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸入至所述安全區(qū)； 所述電源區(qū)用于產(chǎn)生供給所述安全區(qū)和所述危險區(qū)的隔離電源； 所述安全區(qū)和所述危險區(qū)之間通過隔離變壓器進行隔離； 所述輸出端與執(zhí)行器連接，用于將通過隔離變壓器耦合產(chǎn)生的輸出電流傳輸給所述執(zhí)行器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，所述安全區(qū)包括斷線檢測報警單元和所述隔離變壓器的一次側(cè)； 其中，所述斷線檢測報警單元用于接收所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號，并將所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號輸出給所述隔離變壓器的一次側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，所述危險區(qū)包括限能單元、電流復(fù)制單元和所述隔離變壓器的二次側(cè)； 其中，所述限能單元，用于保證傳輸給執(zhí)行器的電源在預(yù)設(shè)安全范圍內(nèi)； 所述電流復(fù)制單元，用于通過所述隔離變壓器的二次側(cè)與所述隔離變壓器的一次側(cè)耦合產(chǎn)生所述輸出電流。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，所述隔離變壓器的一次側(cè)包括:第一開關(guān)、第一繞組、第二開關(guān)、第二繞組以及第一電容； 其中，所述第一開關(guān)的第一端與所述第一繞組的第一端連接； 所述第一繞組的第二端與所述第二繞組的第一端連接； 所述第二繞組的第二端與所述第二開關(guān)的第二端連接； 所述第二開關(guān)的第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接； 所述第一電容第一端與所述第一開關(guān)的第二端連接； 所述第一電容的第二端與所述第一繞組的第二端連接； 所述隔離變壓器一次側(cè)接收的電流型標(biāo)準工業(yè)信號由所述第一繞組的第二端流入。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，所述隔離變壓器的二次側(cè)包括:第三繞組、第三開關(guān)、第四繞組、第四開關(guān)以及第二電容； 其中，所述第三繞組的第一端與所述第三開關(guān)的第一端連接； 所述第三開關(guān)的第二端與所述第四開關(guān)的第一端連接； 所述第四開關(guān)的第二端與所述第四繞組的第二端連接； 所述第四繞組的第一端與所述第三繞組的第一端連接； 所述第二電容的第一端與所述第三開關(guān)的第二端連接并接地； 所述第二電容的第二端與所述第三繞組的第二端連接； 所述隔離變壓器二次側(cè)產(chǎn)生的所述輸出電流由所述第三繞組的第二端流出。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，所述斷線檢測報警單元包括:第一比較器、第一開關(guān)管和第一限流電阻； 其中，所述第一比較器的第一端連接基準電壓，所述第一比較器的第二端連接所述第一電容的第二端，當(dāng)所述第一電容的電壓小于基準電壓時，第一開關(guān)管導(dǎo)通；當(dāng)所述第一電容的電壓大于基準電壓時，第一限流電阻導(dǎo)通，所述斷線檢測報警單元報警。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，所述第一電容和所述第二電容均為0.1微法。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，還包括: 所述隔離電壓器一次側(cè)接收的電流型標(biāo)準工業(yè)信號由所述第二繞組的第一端流入。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8任意一項所述的電流型安全隔離柵，其特征在于，所述電流型標(biāo)準工業(yè)信號為4~20毫安的電流。`
【文檔編號】G01R31/02GK103490397SQ201310476136
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】陳宇, 王文輝, 段汝良 申請人:浙江中控技術(shù)股份有限公司