專利名稱：集成電流源反饋和限流元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及本質(zhì)安全負(fù)載的電源。更具體地說，本發(fā)明涉及為符合本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)而限制輸送到負(fù)載的電流的電路系統(tǒng)。
一種這類保護(hù)方式是建立電路的本質(zhì)(或固有)安全性。制訂本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的管理協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)是比如美國的保險商試驗室(UL)、歐洲的歐洲電工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(CENELEC)、加拿大的加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(CSA)以及日本的勞動省產(chǎn)業(yè)安全研究所(TIIS)。為了達(dá)到本質(zhì)安全性，電路的電流、功率和電壓被限定在一定的電平，以避免電路產(chǎn)生的火花或者發(fā)熱引燃爆炸物。
向本質(zhì)安全電路供電是一個問題。電功率、電壓和電流被限定在不至于引燃爆炸物的電平。因此，電源中需要有用來限制輸送給本質(zhì)安全裝置的功率、電壓和電流的部件。
在傳統(tǒng)的電源中，通過在把電源連接到輸出端的供電線路的兩端連接一個或多個穩(wěn)壓二極管來限制電壓。穩(wěn)壓二極管把電壓限定在V。由串聯(lián)在高壓輸出端的阻值為R的電阻提供限流。該電阻把電流限定在V/R。功率受控于對電流和電壓的限制。
提供限制的部件，即這些二極管和電阻，必須受到保護(hù)以避免故障發(fā)生時超過其標(biāo)定的額定值。通常在電路中加熔絲來限定可能輸送給這些部件的電流量。選定的熔絲的額定值使得功耗不會超過額定值。
雖然本質(zhì)安全性標(biāo)準(zhǔn)沒有要求，但是在電源電路中常加入限流電路以避免熔絲受沖擊。限流電路結(jié)構(gòu)可能在電源的高壓側(cè)也可能在低壓側(cè)。許多限流電路的結(jié)構(gòu)包括把電流轉(zhuǎn)換成電壓的電阻以提供與電流成比例的反饋。進(jìn)行與參考電壓的比較。該比較用于調(diào)節(jié)串聯(lián)元件的阻抗。增加限流電路帶來的一個問題是，電流到電壓的轉(zhuǎn)換增加了輸出電阻，在為符合本質(zhì)安全性標(biāo)準(zhǔn)而損失必要的電壓之后又增加了電壓損失。
解決方案本發(fā)明解決上述及其它問題，并且用具備本發(fā)明的集成電流源反饋和限流元件的電源改善了先有技術(shù)。集成電流源反饋和限流元件的一個優(yōu)點(diǎn)是，對于對本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)來說必須受到限制的電壓，將電壓損失減至最小。第二優(yōu)點(diǎn)是減少了電源的元件數(shù)，即降低了制造電源的成本。
根據(jù)本發(fā)明，把功率限制電路中的電流轉(zhuǎn)換電阻的功能和隔離輸出電阻的功能結(jié)合在一起。這使得輸出電阻不會超過避免引燃爆炸物所需的電阻。通過把限流電路部分移到所述隔離電阻之后的某點(diǎn)以建立組合功能。具體地說，把變阻抗器件移到隔離電阻之后的某點(diǎn)。變阻抗器件的一個例子是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
當(dāng)移動MOSFET晶體管時，有兩個到輸出端的新通路。一個是運(yùn)算放大器控制輸出，一個是來自隔離電阻的反饋。在每個通路上，高阻抗的運(yùn)算放大器以及MOSFET晶體管柵極具有比隔離電阻相對大的阻值。整個隔離電阻是通路上電阻的組合，它們輸入到MOSFET晶體管柵極和運(yùn)算放大器輸入端。這限定了電源的輸出電阻，它小到與單獨(dú)的隔離電阻相比可以忽略不計。
本發(fā)明的一個方面是向本質(zhì)安全電路供電的電路，它包括電源、連接到所述負(fù)載的輸出端、在所述電源和所述結(jié)點(diǎn)之間的限壓電路、以及包括隔離電阻的限流電路，該隔離電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓、用于在運(yùn)算放大器中進(jìn)行比較并且限制加到所述負(fù)載的電流。
本發(fā)明的第二方面是熔絲，它限制由所述電源加到所述限壓電路和所述限流電路的電流的大小。
本發(fā)明的第三方面是齊納二極管，它連接在從所述電源到所述接線端的供電線路之間。
本發(fā)明的第四方面是所述限流電路包括可變阻抗器件，它連接到所述運(yùn)算放大器的輸出端。
本發(fā)明的第五方面是可變阻抗器件是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
本發(fā)明的第六方面是所述MOSFET的一個柵極連接到所述輸出端，而第二柵極連接到所述電源。
本發(fā)明的第七方面是所述限流電路還包括第一電阻，它連接在所述運(yùn)算放大器的輸出端和所述MOSFET晶體管之間。
本發(fā)明的第八方面是所述限流電路還包括第二電阻，它連接在所述電源和所述MOSFET晶體管之間。
本發(fā)明的第九方面是所述限流電路還包括第三電阻，它連接在所述MOSFET晶體管和所述運(yùn)算放大器的輸入端之間。
詳細(xì)描述本發(fā)明的電源使得總輸出電阻不會超過危險環(huán)境中不致引燃爆炸物所需的電阻。一般的本質(zhì)安全電源100圖示于

圖1，以說明依據(jù)本發(fā)明的電源和一般本質(zhì)安全電源之間的區(qū)別。
本質(zhì)安全電源100是一種電源，它輸送給負(fù)載足夠的功率使其可以正常工作，同時限定最壞情況下的電壓、電流和功率電平不至于引燃危險物料。限壓電路101限定負(fù)載電壓。電源100中，限壓電路是連接在通路110和120之間的齊納二極管Z1。本專業(yè)的技術(shù)人員會意識到可以在通路110和120之間連接一個以上的齊納二極管來限制電壓。為了討論，限壓電路101把負(fù)載(未示出)兩端的電壓限制為Vz。
瞬時電流限制電路102限制負(fù)載的瞬時電流。在電源100中，瞬時電流限制電路包括與輸出端T1和T2串聯(lián)的電阻Rb。在這個實(shí)施例中，電阻Rb沿通路110連接在正輸出端T1和電源PS之間。這就把瞬時電流在限制Vz/Rb，這里Rb是電阻Rb的阻值。輸送給(未標(biāo)示出的)負(fù)載的功率由電壓和電流的限定值來限定。
熔絲F1連接在電源PS和正輸出端T1之間，以便在電路故障時保護(hù)限壓電路101和瞬時電流限制電路102。熔絲F1避免限壓電路101和瞬時電流限制電路102超過標(biāo)定的器件額定值。
平均電流限制電路103避免輸出端T1和T2短路時熔絲F1熔斷。有許多眾所周知的限流結(jié)構(gòu)可以用來建立平均電流限制電路103。在電源100中，平均電流限制電路由下列器件構(gòu)成。晶體管Q1的集電極連接到負(fù)輸出端T2。晶體管Q1的發(fā)射極連接到電阻Rv。電阻Rv把自身電流轉(zhuǎn)換成電壓以提供與電流成正比的反饋。運(yùn)算放大器OA的一個輸入端連接到晶體管Q1的發(fā)射極和電阻Rv之間。參考電壓ref也加到運(yùn)算放大器OA以進(jìn)行比較。然后運(yùn)算放大器OA的輸出連接到晶體管Q1的柵極，基于比較結(jié)果的電流加到柵極以調(diào)節(jié)晶體管Q1的阻抗。其限制電流設(shè)在Ilim＝Vref/Rv，其中Ilim是限制電流，Vref是參考電壓REF，Rv是電阻Rv的阻值。
本專業(yè)的技術(shù)人員會意識到，通過表征引發(fā)爆炸物的功率和能量的表格和計算式來限制電源100中器件的值。通常情況下，負(fù)載(未標(biāo)出)連接到輸出端T1和T2，傳輸?shù)碾娏骱碗妷簱p失在輸出電阻上。為使功率傳輸最大化，要求把輸出電阻限制在避免引燃爆炸物的必要值。
增加平均電流限制電路103帶來的問題是，在避免引爆的電壓限定值之外附加了電壓損失。因為電壓轉(zhuǎn)換電阻加在總輸出電阻上，所以電壓有損失。
圖示于圖2的電源200根據(jù)本發(fā)明解決了這個問題。電源200是本質(zhì)安全電源，它限制向(未標(biāo)示出的)負(fù)載輸送的電流、功率和電壓。限壓電路201限制負(fù)載的電壓。在電源200中，限壓電路201是跨接在通路210和220之間的齊納二極管Z1。本專業(yè)的技術(shù)人員會意識到可以在通路210和220之間連接多個齊納二極管來限定電壓。為了討論，限壓電路限定的(未標(biāo)示出的)負(fù)載的電壓是Vz。
根據(jù)本發(fā)明，限定瞬時和平均電流的功能組合在一個電路。兩個功能用一個電路使得總輸出電阻減少到避免引燃爆炸物所需的阻值。這是通過把平均電流限制電路的器件移到瞬時電流限制電路之后而實(shí)現(xiàn)的。具體地說，可變阻抗器件，即晶體管Q1移到隔離電路之后的某點(diǎn)。移動可變阻抗器件形成到輸出端T1和T2的兩個新通路。這些新通路是運(yùn)算放大器OA的輸出和來自轉(zhuǎn)換電阻的反饋。因此，總輸出電阻是沿著這兩個新通路和到電源PS的通路210的各電阻的并聯(lián)組合。
在電源200中，根據(jù)本發(fā)明的限流電路202是以下列方式建立的。MOSFET晶體管Q1的發(fā)射極連接到負(fù)輸出端T2。隔離電阻R3沿通路220在晶體管Q1和電源PS之間。第二電阻R2連接在晶體管Q1的發(fā)射極和運(yùn)算放大器OA的輸入端之間以產(chǎn)生比較電壓。運(yùn)算放大器OA的輸入端連接到電阻R2，同時運(yùn)算放大器還接收參考電壓REF。運(yùn)算放大器OA完成比較，輸出電流到晶體管Q1的柵極以調(diào)節(jié)晶體管Q1的阻抗。電阻R1連接在運(yùn)算放大器OA和晶體管Q1的柵極之間。本專業(yè)的技術(shù)人員會意識到，電阻R1、R2和R3的值可以很大，而總輸出電阻是這三個電阻的并聯(lián)組合，它小到和隔離電阻相比可以忽略。因此功率傳輸?shù)玫絻?yōu)化。
一種需要電源200作電源的電子裝置是運(yùn)行在危險環(huán)境下的科里奧利流量計。圖3圖示配備電源200的科里奧利流量計300?？评飱W利流量計300包括儀表裝置310和儀表電子線路350。儀表電子線路350通過引線320連接到儀表裝置310，以便經(jīng)由通路375例如提供(但不限于)密度、質(zhì)量流速、體積流速和總質(zhì)量流速信息。盡管本專業(yè)的技術(shù)人員可清楚地看到本發(fā)明可以用于其本質(zhì)安全電路需要本質(zhì)安全電源的任何裝置，但這里只說明科里奧利流量計結(jié)構(gòu)。
盡管本專業(yè)的技術(shù)人員可清楚地看到本發(fā)明可以用于具有振動管路以便測量流經(jīng)該管路的物質(zhì)的特性的任何裝置，但這里只說明科里奧利流量計結(jié)構(gòu)。這類裝置的第二例子是振動管路比重計，它沒有科里奧利質(zhì)量流量計提供的附加測量功能。
計量裝置310包括一對法蘭301和301′、分接頭302及管路303A和303B。驅(qū)動器304、拾取傳感器306和306′以及溫度傳感器307連接到管路303A和303B。支撐板塊305和305′用于確定每個管路振蕩的軸線W和W′。
當(dāng)把科里奧利流量計300接入傳送待測量物質(zhì)的(未標(biāo)示出的)管路系統(tǒng)時，待測量物質(zhì)由法蘭301進(jìn)入儀表裝置310，通過分接頭302進(jìn)入管路303A和303B。然后待測量物質(zhì)流過管路303A和303B返回分接頭302，并在此經(jīng)法蘭301′退出儀表裝置310。
選擇管路303A和303B并適當(dāng)安裝在分接頭302上，以便使其對曲軸W-W和W＇-W′分別具備相同的質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)動慣量和彈性模量。管路303A-303B從分接頭以必要的并列方式向外伸展。
驅(qū)動器304以相對于它們各自的曲軸W和W′的相反方向驅(qū)動管路303A-303B，此方式稱為流量計的第一異相彎模式(the first outof phase bending mode of the flowmeter)。驅(qū)動器304可以包括任何一種眾所周知的結(jié)構(gòu)，比如安裝在管路303A的磁體和安裝在管路303B的反向線圈并由此通入交流電流以振動兩管路。恰當(dāng)?shù)尿?qū)動信號由儀表電子線路350通過線路312加到驅(qū)動器304。
在管路相反的兩端，管路303A和303B至少一個固定了拾取傳感器306和306′，以測量管路的振動。當(dāng)管路303A-303B振動時，拾取傳感器306-306′產(chǎn)生第一拾取信號和第二拾取信號。第一拾取信號和第二拾取信號加到線路311和311′。驅(qū)動器速度信號加到通路310。
溫度傳感器307固定在至少一根管道即303A以及/或者303B上。溫度傳感器307測量管道的溫度以調(diào)節(jié)系統(tǒng)溫度的平衡。線路311″從溫度傳感器307向儀表電子線路350傳送溫度信號。
儀表電子線路350接收出現(xiàn)在線路311和311′上的第一和第二拾取信號。儀表電子線路350處理所述第一和第二速度信號以計算通過儀表裝置310的物資的質(zhì)量流速、比重或其它特性。計算信息由儀表電子線路350通過線路375提供給(未標(biāo)示出的)應(yīng)用裝置。
本專業(yè)的技術(shù)人員會知道所述科里奧利流量計300在結(jié)構(gòu)上很類似于振動管比重計。振動管比重計也使用振動管，管內(nèi)有液體流動，或者取樣型比重計的情況，其中管內(nèi)有液體。振動管比重計也使用驅(qū)動系統(tǒng)以驅(qū)動管道振動。因為比重測量只需要頻率測量而不需要相位測量，所以通常振動管比重計只需要一路反饋信號。本發(fā)明這里的說明同樣適用于振動管比重計。
在科里奧利流量計300中，儀表電子線路350物理上分成兩部分主系統(tǒng)370和信號調(diào)節(jié)器360。傳統(tǒng)的儀表電子線路中，這些部分裝在一個單元里。
信號調(diào)節(jié)器360包括驅(qū)動電路363和拾取調(diào)節(jié)電路361。本專業(yè)的技術(shù)人員會認(rèn)識到，實(shí)際的驅(qū)動電路363和拾取調(diào)節(jié)電路361可以是分立的模擬電路，也可以是由數(shù)字信號處理器或者其它數(shù)字器件組成的分立功能塊。驅(qū)動電路363產(chǎn)生驅(qū)動信號并且通過通路320的通路312把驅(qū)動信號加到驅(qū)動器304。實(shí)際上通路312是第一和第二引線。驅(qū)動電路363通過通路362以通信聯(lián)絡(luò)的方式連接到拾取信號調(diào)節(jié)電路361。通路362使驅(qū)動電路得以監(jiān)控進(jìn)來的拾取信號以調(diào)節(jié)驅(qū)動信號。驅(qū)動電路363和拾取信號調(diào)節(jié)電路361的功率由主系統(tǒng)370通過第一線路373和第二線路374提供。第一線路373和第二線路374可以是部分傳統(tǒng)的2芯、3芯電纜或者部分多芯電纜。
拾取信號調(diào)節(jié)電路361經(jīng)由通路311、311′和311″接收來自第一傳感器305、第二傳感器305′和溫度傳感器307的輸入信號。拾取電路361確定拾取信號的頻率，也可以確定流過管道303A-303B的物資的特性。在確定了拾取傳感器305-305′的輸入信號頻率和物資特性后，產(chǎn)生包含這些信息的參數(shù)信號并通過通路376將其傳送給主系統(tǒng)370的二次處理單元371。在優(yōu)選實(shí)施例中，通路376包括2根線。然而，本專業(yè)的技術(shù)人員會看出，通路376可以由第一線路373和第二線路374或者任何其它數(shù)目的線路來實(shí)現(xiàn)。
主系統(tǒng)370包括電源372和處理系統(tǒng)371。電源372從能源接收電力并將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的合適功率。處理系統(tǒng)371從拾取信號調(diào)節(jié)電路361接收參數(shù)信號，然后可以處理用戶需要的流經(jīng)管道303A-303B的物質(zhì)的特性。這些特性可以包括但不限于比重、質(zhì)量流速和體積流速。
在本實(shí)施例中，電源372包括圖2所示的電源200的電路系統(tǒng)。這使電源372得以提供符合對信號調(diào)節(jié)器360本質(zhì)安全限制的功率，它包括符合本質(zhì)安全標(biāo)準(zhǔn)的電路。
以上是對本發(fā)明的電源電路的說明，該電路具有集成電流源反饋和限流元件。預(yù)期本專業(yè)的技術(shù)人員會直接或通過推論設(shè)計出違背以下權(quán)利要求書中闡明的本發(fā)明的另外的系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種用于向本質(zhì)安全負(fù)載供電的電路(200)，它包括電源(PS)；連接到所述本質(zhì)安全負(fù)載的輸出端(T1-T2)；在所述電源和所述輸出端之間的限壓電路(Z1)；以及包括隔離電阻的限流電路(202)，該隔離電阻把電流轉(zhuǎn)換成電壓，用于在運(yùn)算放大器(OA)中進(jìn)行比較，從而限制加到所述負(fù)載的電流。
2.如權(quán)利要求1所述的電路(200)，其特征在于還包括熔絲(F1)，它限制由所述電源加到所述限壓電路和所述限流電路的電流的大小。
3.如權(quán)利要求1所述的電路(200)，其特征在于所述限壓電路包括二極管(Z1)，它連接在從所述電源到所述接線端的供電線路(210)之間。
4.如權(quán)利要求1所述的電路(200)，其特征在于所述限流電路(202)包括可變阻抗器件(Q1)，它連接到所述運(yùn)算放大器(OA)的輸出端。
5.如權(quán)利要求4所述的電路(200)，其特征在于所述可變阻抗器件(Q1)是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。
6.如權(quán)利要求5所述的電路(200)，其特征在于所述MOSFET的一個柵極連接到所述輸出端，第二柵極連接到所述電源。
7.如權(quán)利要求6所述的電路，其特征在于所述限流電路還包括第一電阻(R1)，它連接在所述運(yùn)算放大器的輸出端和所述MOSFET晶體管之間。
8.如權(quán)利要求7所述的電路，其特征在于所述限流電路還包括第二電阻(R3)，它連接在所述電源和所述MOSFET晶體管之間。
9.如權(quán)利要求8所述的電路，其特征在于所述限流電路還包括第三電阻(R2)，它連接在所述MOSFET晶體管和所述運(yùn)算放大器的輸入端之間。
10.如權(quán)利要求9所述的電路，其特征在于所述負(fù)載是用于科里奧利流量計的儀表電子線路。
全文摘要
一種用于向本質(zhì)安全負(fù)載供電的電路(200)，所述電路具有集成電流源反饋和限流元件。所述電路(200)包括電源(PS)和把所述電路連接到本質(zhì)安全負(fù)載的輸出端(T1－T2)。所述電源(PS)和輸出端(T1－T2)之間的限壓電路(Z1)限制負(fù)載兩端的電壓。限流電路(202)包括隔離電阻，后者把電流轉(zhuǎn)換成電壓以便在運(yùn)算放大器(OA)中進(jìn)行比較、以調(diào)節(jié)可變阻抗器件(Q1)的阻抗，從而限制加到所述負(fù)載的電流。
文檔編號H02H9/00GK1430804SQ01810183
公開日2003年7月16日 申請日期2001年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月31日
發(fā)明者W·M·曼斯菲爾德 申請人:微動公司