專利名稱：電阻輸入電阻輸出型安全柵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及了一種工業(yè)現(xiàn)場二次儀表，特別是一種采用線性光耦實現(xiàn)的電阻
輸入電阻輸出型安全柵，更具體說是一種將來自危險場合的電阻信號，經(jīng)過限能電路，輸入 電路對信號處理，再通過線性光耦進行隔離，最后轉(zhuǎn)換成電阻信號輸出至安全區(qū)的電阻輸 入電阻輸出型安全柵。
背景技術(shù)：
安全柵是本安系統(tǒng)中危險區(qū)電器儀表設(shè)備的關(guān)聯(lián)設(shè)備，用以限制危險場所電路能 量，來實現(xiàn)危險設(shè)備的防爆作用。當(dāng)本安防爆系統(tǒng)的本安儀表發(fā)生故障時，安全柵能將串入 到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，從而確?，F(xiàn)場設(shè)備、人員和生產(chǎn)的安全。安全柵廣泛 應(yīng)用于防爆領(lǐng)域的工業(yè)儀表前端信號處理，對提高工業(yè)生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)的抗干擾能 力，保證控制系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性有非常重要的作用。 現(xiàn)在越來越多的用戶采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，要求安全柵具有快速響應(yīng)的功能， 而現(xiàn)有的來實現(xiàn)電阻信號輸入電阻信號輸出的智能數(shù)字型安全柵響應(yīng)時間比較慢，智能數(shù) 字型安全柵與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)二者工作時間不匹配，滿足不了現(xiàn)場的需要，因此安全柵具有 快速響應(yīng)功能勢在必行。

發(fā)明內(nèi)容發(fā)明目的本實用新型所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具 有快速響應(yīng)功能的電阻輸入電阻輸出型安全柵。
技術(shù)方案本實用新型公開了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，其包括 限能電路，用于將安全柵內(nèi)輸入到儀表的能量限制在安全值以內(nèi)； 供電單元，用于為安全柵供電； 含有被測電阻的輸入信號處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差； 輸出信號處理單元，用于反饋信號到輸入信號處理單元； 還包括線性光耦隔離單元，用于在輸入信號處理單元與輸出信號處理單元之間進 行信號隔離；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管、反饋光電二極管、輸出光電二極管組 成的線性光耦。 本實用新型中，優(yōu)選地，所述輸入信號處理單元采用三線制輸入，第一輸入端和第 二輸入端短接被測電阻一端，第三輸入端接被測電阻的另一端。 本實用新型中，優(yōu)選地，所述輸出信號處理單元包括取樣電阻、線性光耦、晶閘管， 從取樣電阻取出的電流信號，通過線性光耦進行信號隔離，反饋到輸入信號處理單元，用于 輸入電流激勵源形成正反饋閉環(huán)控制；其中輸入信號處理單元的被測電阻的激勵源電流值 與晶閘管回路中的電流值相同。 本實用新型的原理是先將現(xiàn)場電阻信號，通過硬件電路將引入的引線電阻消除， 將一個只與現(xiàn)場電阻成比例的電壓信號通過光電隔離器件線性光耦進行1:1隔離轉(zhuǎn)換，輸出信號處理單元再將隔離后的電壓信號還原成電阻信號，取用外部輸出端口的電流信號進行1:1隔離，其中輸入激勵電流源的建立，是通過將輸出信號隔離后反饋而來的，輸入、輸出電路整體是個閉環(huán)反饋，同時對輸入、輸出信號處理單元的供電電源進行隔離處理。保證變換后的信號、電源、地之間絕對獨立。 有益效果本實用新型所述電阻輸入電阻輸出型安全柵具有以下優(yōu)點(l)具有快速響應(yīng)功能；(2)輸出非線性??；(3)輸出穩(wěn)定性好；(4)溫度特性好。本實用新型最大的特點就是快速響應(yīng)，具有微秒級的響應(yīng)速度，特別是在高速數(shù)據(jù)采集DCS和PLC系統(tǒng)的接口應(yīng)用中具有廣泛的實用性和技術(shù)優(yōu)勢，另外本實用新型將輸出信號反饋到輸入端，用于電流激勵源的建立，這一閉環(huán)設(shè)計使得其輸出非線性小，穩(wěn)定性好，溫度特性好，從而能更好的保證工業(yè)現(xiàn)場控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
以下結(jié)合附圖
和具體實施方式
對本實用新型做更進一步的具體說明，本實用新型的上述和/或其他方面的優(yōu)點將會變得更加清楚。[0016] 圖示為本實用新型所述安全柵電路原理圖。
具體實施方式
如圖所示，本實用新型公開了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，包括限能電路，用于限制安全柵內(nèi)輸入到儀表的能量值；供電單元，用于為安全柵供電；含有被測電阻Ri的輸入信號處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差；線性光耦隔離單元，用于在輸入信號處理單元與輸出信號處理單元之間進行信號隔離；輸出信號處理單元，用于反饋信號到輸入信號處理單元；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管Da、反饋光電二極管Db、輸出光電二極管Dc組成的線性光耦U7。所述輸入信號處理單元采用三線制輸入，第一輸入端lRIn和第二輸入端2RIn連接被測電阻Ri —端，第三輸入端3RIn連接被測電阻Ri的另一端。所述輸出信號處理單元包括取樣電阻R5、線性光耦U8、晶閘管Q2，從取樣電阻R5取出的電流信號，通過線性光耦U8進行信號隔離，反饋到輸入信號處理單元，用于輸入電流激勵源形成正反饋閉環(huán)控制；其中輸入信號處理單元的被測電阻Ri的激勵源電流值與晶閘管Q2回路中的電流值相同。 根據(jù)具體地說，本實用新型包括限能電路、輸入信號處理單元、線性光耦信號隔離
單元、輸出信號處理單元和電源部分。 1、限能電路 限能電路就是個限壓限流網(wǎng)絡(luò)，將串入到故障儀表的能量限制在安全值以內(nèi)，該安全柵經(jīng)國家級儀器儀表防爆安全監(jiān)督檢驗站審查，防爆安全性能符合GB3836. 1和GB3836. 4國家標準的有關(guān)要求，防爆標志為Ex(ia) II C，具體電路這里就不多贅敘。[0021] 2、電源部分 電源輸入時先經(jīng)過濾波，過濾掉電源上的干擾，同時也過濾掉安全柵對外部的干擾。電源采用開關(guān)電源，開關(guān)電源就是用通過電路控制開關(guān)管進行高速的道通與截止.將直流電轉(zhuǎn)化為高頻率的交流電提供給變壓器進行變壓，輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路，控制P麗占空比，以達到穩(wěn)定輸出的目的，從而次級可以產(chǎn)生所需要的多組隔離電壓，通過整流、濾波后分別供給輸入信號處理單元、輸出信號處理單元，實現(xiàn)輸入、輸出、電
源三部分之間絕對隔離。 3、輸入信號處理單元 直接測量并傳輸電阻信號的安全柵現(xiàn)場使用很方便，但會帶來引線誤差，所以首先應(yīng)該采取辦法消除這個測量誤差。 如圖所示，本實用新型采用三線制輸入，輸入的lRIn、2RIn端短接被測電阻Ri —端，3RIn端接電阻的另一端，引線電阻為r，激勵電流為Ii，運算放大器Ul正輸入端電壓為Ua'，運算放大器U2正輸入端電壓為Ua，負輸入端電壓為Ub，輸出端電壓為Uo，電阻R1、電阻R2、電阻R3配合使用，使得運放對輸入信號進行1:1跟隨變化，可知Ua' = Ua[0026] Ua-Ub = Ub-Uo[0027] 而Ua， = 2Ii r+Ii Ri[0028]Ub = Ii r+Ii Ri[0029] 則Uo二Ii'Ri 此時，Uo的大小只與被測量電阻值Ri成正比例關(guān)系，與引線電阻r無關(guān)，也就是采用了硬件方法將引線電阻消除了。將此電壓信號Uo送往后繼隔離單元。運算放大器U1與負輸入端與運算放大器U2的負輸入端之間連接電阻R1，運算放大器U2的輸出端與負輸入端之間連接電阻R2，輸出端與線性光耦隔離單元之間連接電阻R3。[0031] 4、線性光耦隔離單元 隔離單元是決定產(chǎn)品技術(shù)指標的重要單元。 智能數(shù)字型安全柵采用單片機對輸入數(shù)據(jù)進行采集、轉(zhuǎn)換、輸出等操作需要工作時間，輸入到輸出的階躍響應(yīng)時間至少300ms，若后繼是高速數(shù)據(jù)采集DCS和PLC系統(tǒng)的接口 ，系統(tǒng)采樣時間最多在100ms左右，此時智能數(shù)字型安全柵的輸出信號尚未完全建立，勢必造成系統(tǒng)采樣值不準確；而線性光耦的響應(yīng)速度極快，其響應(yīng)延遲時間只有10 ii s左右，采用線性光耦實現(xiàn)電阻輸入電阻輸出型安全柵輸入到輸出的階躍響應(yīng)時間小于O. 5ms，非常適于對響應(yīng)速度要求很高的場合。 模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發(fā)單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性是相同的，這樣就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達到實現(xiàn)線性隔離的目的。 三極管Ql和運放U3用來調(diào)節(jié)驅(qū)動電流If的大小，線性光耦U7由發(fā)光二極管Da、反饋光電二極管Db、輸出光電二極管Dc組成。當(dāng)Da通過驅(qū)動電流If時，發(fā)出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在Db、 Dc上，反饋光電二極管吸收Db光通量的一部分，從而產(chǎn)生控制電流Ii(^二 0.005If)。該電流用來調(diào)節(jié)If以補償Da的非線性。輸出光電二極管Dc產(chǎn)生的輸出電流^與Da發(fā)出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益I^ = I乂If，正向增益1(2 = 12/%，則傳輸增益1(3 = IV^ = VIA的典型值為1，即進行1:1信號隔離傳輸。 另外線性光耦的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，據(jù)分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到線性光耦輸入端的噪聲電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制掉。 線性光耦的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。 線性光耦可起到很好的安全保障作用，即使當(dāng)外部設(shè)備出現(xiàn)故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為線性光耦的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。本實用新型所述的線性光耦可以在市場購得。[0039] 5、輸出信號處理單元 輸出信號處理單元如附圖所示，輸入信號Uo通過光電隔離器件線性光耦U7進行1:1隔離轉(zhuǎn)換，電阻R4是用來確定放大倍數(shù)的，本實用新型選擇放大1倍，運放U5對輸出信號進行l(wèi):l跟隨處理，輸出信號[0041]Ul = Uo = Ii Ri[0042] 而Ul = U2 = Uout 濾波電容C3設(shè)置在輸出端Uout與地之間，使得輸出信號更平滑。輸出信號處理單元的取樣電阻R5取用后繼輸出端口的電流信號Io，通過線性光耦U8進行1:1信號隔離，反饋到輸入信號處理單元，用作輸入電流激勵源的建立，整體相當(dāng)于是個正反饋閉環(huán)控制，這是整個安全柵電路設(shè)計的精妙之處，三極管Q3和運放U9用來調(diào)節(jié)反饋回路的線性光耦的驅(qū)動電流If，電阻R8是用來確定放大倍數(shù)的，本實用新型選擇放大1倍，即取R7 = R8，運放U4對信號進行1:1跟隨處理，因此流過輸入端被測電阻的激勵源電流值與晶閘管Q2回路里的電流值大小一致，也與輸出回路中的電流值大小一致，即Ii = Io ;輸出端口電壓為Uout，輸出回路電流為Io，則輸出端口等效電阻Ro = Uout/Io = Ii Ri/I = Ri ;輸出的電阻值Ro大小等同于輸入的電阻值Ri，并且是相互隔離的信號；濾波電容C2設(shè)置在電阻R8前端并與地連通；電阻R6為反饋回路的取樣電阻，二極管Dl可以產(chǎn)生IV左右的壓降，減小晶閘管Q2的發(fā)熱量，電容C1連接在輸出信號處理單元與安全柵三線制輸入的1Rin端與3Rin端之間，可以使反饋電流更穩(wěn)定。運放U6和晶閘管Q4組成輸出的恒流源，保證負載在允許工作條件內(nèi)，輸出信號不隨負載的變化而變化。
該輸出信號處理單元的優(yōu)點是輸出非線性??；輸出穩(wěn)定性好；溫度特性好。[0045] 本實用新型電路的輸出電阻值由采樣電阻R5和晶閘管Q2的內(nèi)阻決定， 一般M0S管內(nèi)阻為10歐，如果采樣電阻取50歐，則本實用新型電路的最小輸出電阻值為60歐。[0046] 電阻輸出傳輸精度和激勵電流的大小有關(guān)系[0047] 激勵電流0. 5 5mA時，輸出電阻誤差小于0. 05歐；[0048] 激勵電流0. 2 0. 5mA時，輸出電阻誤差小于0. 1歐；[0049] 激勵電流小于0. 2mA時，輸出精度隨激勵電流減小而下降。 本實用新型提供了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵的思路及方法，具體實現(xiàn)該技術(shù)方案的方法和途徑很多，以上所述僅是本實用新型的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本實用新型原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本實用新型的保護范圍。本實施例中未明確的各組成部份均可用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn)。
權(quán)利要求一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，包括限能電路，用于限制安全柵內(nèi)輸入到儀表的能量值；供電單元，用于為安全柵供電；含有被測電阻(Ri)的輸入信號處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差；輸出信號處理單元，用于反饋信號到輸入信號處理單元；其特征在于還包括線性光耦隔離單元，用于在輸入信號處理單元與輸出信號處理單元之間進行信號隔離；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管(Da)、反饋光電二極管(Db)、輸出光電二極管(Dc)組成的線性光耦(U7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻輸入電阻輸出型安全柵，其特征在于，所述輸入信號處 理單元采用三線制輸入，第一輸入端(lRIn)和第二輸入端(2RIn)連接被測電阻(Ri) — 端，第三輸入端(3RIn)連接被測電阻(Ri)的另一端。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電阻輸入電阻輸出型安全柵，其特征在于，所述輸出信號處 理單元包括取樣電阻(R5)、線性光耦(U8)、晶閘管(Q2)，從取樣電阻(R5)取出的電流信號， 通過線性光耦(U8)進行信號隔離，反饋到輸入信號處理單元，用于輸入電流激勵源形成正 反饋閉環(huán)控制；其中輸入信號處理單元的被測電阻(Ri)的激勵源電流值與晶閘管(Q2)回 路中的電流值相同。
專利摘要本實用新型公開了一種電阻輸入電阻輸出型安全柵，其包括限能電路，用于將安全柵內(nèi)串入到儀表的能量限制在安全值以內(nèi)；供電單元，用于為安全柵供電；包括被測電阻的輸入信號處理單元，用于消除輸入引線電阻誤差；線性光耦隔離單元，用于在輸入信號處理單元與輸出信號處理單元之間進行信號隔離；輸出信號處理單元，用于反饋信號到輸入信號處理單元；所述線性光耦隔離單元包括發(fā)光二極管、反饋光電二極管、輸出光電二極管。本實用新型所述電阻輸入電阻輸出型安全柵具有以下優(yōu)點(1)具有快速響應(yīng)功能；(2)輸出非線性??；(3)輸出穩(wěn)定性好；(4)溫度特性好。
文檔編號H02H9/00GK201450323SQ20092004072
公開日2010年5月5日 申請日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者董健, 韓紹盈 申請人:南京優(yōu)倍電氣有限公司