СИСТЕМА ИСКРОБЕЗОПАСНОГО ПИТАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ДАТЧИКОВ
SYSTEM FOR SPARK-PROOF POWER SUPPLY TO MEASUREMENT SENSORS

На предприятиях химической, угольной, нефтехимической, газовой промышленности, на автозаправочных станциях и нефтебазах для сопряжения контрольно-измерительного оборудования, размещенного вне взрывобезопасной зоны, с датчиками, устройствами и приборами, установленными во взрывоопасных зонах, в качестве разделительных элементов между искробезопасными и искроопасными цепями применяются барьеры искрозащиты.
Барьеры искрозащиты наиболее часто выполняются на стабилитронах, ограничительных резисторах и предохранителях.
Одним из наиболее простых барьеров искрозащиты является барьер искрозащиты по патенту Великобритании №977,913 H02J, 1964 г. Однако на последовательных резисторах теряется значительная часть полезного сигнала, собственная емкость стабилитронов приводит к шунтированию высокочастотных сигналов датчиков, ограничена величина подключаемой емкости.
Несколько улучшены характеристики искрозащитных барьеров с использованием балластных резисторов, например, по патенту Великобритании №1,333,750, H02h 7/00, патентам США №3,527,985 US C1. 317-16 и №3,614,539 US C1. 317/99. Однако они не позволили решить проблему питания датчиков, если защищаемая цепь питается двуполярным напряжением и имеет соединенную с землей точку (что соответствует часто встречающемуся случаю применения емкостного, дифференциально-трансформаторного и других датчиков, а также датчиков с большой собственной емкостью.
Решение по уменьшению падения напряжения на ограничительных резисторах за счет использования транзисторных ограничителей тока было предложено в патенте Франции №2.086.298 C1. H02h 3/00, а проблема с использованием заземленных датчиков успешно решена в схеме по авторскому свидетельству СССР №515873; E21f 5/00 и с еще более технически красивым решением по авторскому свидетельству СССР №924408, E21f 9/00, H02h 7/00, которое было рекомендовано Государственными стандартами для широкого использования.
Искрозащитные барьеры обеспечивают ограничение напряжения и тока до безопасной величины, в настоящее время очень широко используются и являются основным элементом вида взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь», которая обозначается «Ex i».
Подробно материал по этому виду взрывозащиты изложен в ГОСТ Р МЭК 60079-11 «Взрывоопасные среды. Часть 11. Искробезопасная электрическая цепь “i”».
Существуют 3 уровня взрывозащиты «Ех i»:
«Ex ia» - особовзрывобезопасный,
«Ex ib» - взрывобезопасный,
«Ex ic» - повышенная надежность против взрыва.
В зависимости от уровня искробезопасной цепи ia, ib, ic ветвь цепи, содержащая ограничивающий напряжение диод или стабилитрон, должна параллельно троироваться (для ia) или дублироваться (для ib). Уровень «Ех ia» предполагает сохранение условий безопасности даже в случае одновременных и независимых повреждений, поэтому этот уровень взрывозащиты обеспечивает наибольшую безопасность.
Однако все эти технические решения имеют ограничения по величине подключаемой емкости датчиков. Весьма часто потребляемая мощность датчиков весьма мала, а величина собственной емкости велика, и этот фактор не позволяет подключить несколько датчиков к одному искрозащитному барьеру, хотя параметры цепи искрозащитного барьера в части допустимой мощности это позволяют. Величина допустимой подключаемой емкости в зависимости от напряжения и группы электрооборудования ограничена и приведена в приложении А к ГОСТ Р МЭК 60079-11.
Ввиду того, что от места расположения датчика до выхода барьера искрозащиты зачастую бывают большие расстояния, то выбирается увеличенное значение напряжения питания датчиков с учетом падения его на линии подключения, а датчики снабжаются стабилизаторами напряжения, которые обеспечивают стабильное питание датчиков и, тем самым, высокую точность измерений необходимых параметров. Но стабилизаторы напряжения не являются элементами защиты и могут оказаться пробитыми. В связи с этим сами датчики шунтируются тиристорами, диодами или стабилитронами, которые ограничивают напряжение до безопасной величины. Пример шунтирования тиристором описан в изобретении по авторскому свидетельству СССР №512299; E21f 9/00; H02h 7/10, а пример шунтирования стабилитронами и диодами описан в изобретении по авторскому свидетельству СССР №411572; Кл. H02J 1/00; E21f 5/00, которое является ближайшим аналогом к заявляемому изобретению. В данном изобретении представлена система источников питания, содержащая искробезопасные источники постоянного тока с различными выходными напряжениями и подключаемые к ним нагрузки, в которых с целью увеличения искробезопасной мощности зажимы одной полярности источников питания соединены в общую точку, выходы всех источников питания, кроме источника с наибольшим выходным напряжением, зашунтированы стабилитронами, а их нагрузки - диодами.
Однако эти меры даже при увеличении искробезопасной мощности не позволяют подключить к искрозащитному барьеру нагрузки с большой величиной собственной емкости, например, несколько параллельно включенных датчиков, что, в свою очередь, ограничивает возможность использования барьеров искрозащиты, которые обеспечивают искробезопасность источников питания, с максимально возможной мощностью.
Следует отметить, что в настоящее время для блокировки нагрузок от попадания опасного напряжения нашли широкое распространение диоды-супрессоры, которые очень быстро реагируют на импульсные помехи, которые могут возникнуть в линиях питания датчиков. Время включения супрессора составляет единицы пикосекунд, что дает огромное преимущество в части искрозащиты по сравнению с тиристорами и стабилитронами. Однако диоды-супрессоры обладают относительно высокой собственной емкостью, что ограничивает их область применения из-за дополнительной емкостной нагрузки на источник питания.
Для взрывобезопасной развязки информационных цепей используется оптоэлектронная развязка. Оптоэлектронная развязка известна и широко используется, в том числе и в блоках питания (например, описана в книге «300 схем источников питания», автор Германн Шрайбер, издательство ДМК, год издания 2000).
Целью предлагаемого изобретения является возможность увеличения емкостной нагрузки источников питания, защищенных барьерами искрозащиты, и возможность их использования с максимальной нагрузкой при использовании в качестве нагрузки нескольких параллельно включенных датчиков с большой собственной емкостью.
Поставленная цель достигается за счет того, что в системе искробезопасного питания измерительных датчиков, содержащей искробезопасные источники постоянного тока с различными выходными напряжениями и барьерами искрозащиты, зажимы одной полярности источников питания соединены в общую точку, цепи питания датчиков, выполненные на стабилизаторах напряжения, зашунтированы супрессорами в количестве от одного до трех, количество которых определяется уровнем взрывозащиты, для связи с информационными магистральными выходами датчиков используется приемопередающее устройство (ППУ), отделенное от регистрирующей аппаратуры оптоэлектронной развязкой, дополнительно в цепь питания каждого из параллельно включенных датчиков введены последовательные цепочки диодов от одного до трех, количество которых определяется уровнем взрывозащиты, каждый из двух информационных выходов датчиков зашунтирован на общую шину источников питания одним, двумя или тремя супрессорами, количество которых определяется уровнем взрывозащиты, а приемопередающее устройство с оптоэлектронной развязкой запитывается от искробезопасной цепи соответствующего источника питания с барьером искрозащиты.
Техническим результатом является создание системы искробезопасного питания измерительных датчиков, позволяющей подключать к рассмотренным выше искрозащитным барьерам несколько датчиков с большой собственной емкостью.
На чертеже представлена электрическая схема системы искробезопасного питания измерительных датчиков, которая разделена на две части: взрывобезопасная зона и взрывоопасная зона. Во взрывобезопасной зоне находятся N источников питания с барьером искрозащиты 1, зажимы одной полярности источников питания соединены в общую точку, к барьеру искрозащиты каждого источника питания 1 подключено ППУ 2 и оптоэлектронная развязка 3, которые также расположены во взрывобезопасной зоне. Через оптоэлектронную развязку 3 осуществлена связь с регистрирующей аппаратурой. С помощью линий связи указанные выше устройства соединены с датчиками, расположенными во взравоопасной зоне. К каждому источнику питания с барьером искрозащиты подключены P датчиков, количество которых определяется потребляемой мощностью. Питающее напряжение поступает на цепи питания датчика. В каждом датчике напряжение питание через диоды 4, 5, 6 подается на стабилизатор напряжения 7. Параллельно входу стабилизатора подключена емкость 8, условно обозначающая емкость входных цепей и собственную емкость стабилизатора напряжения 7. К выходу стабилизатора напряжения подключены супрессоры 9, 10, 11, емкость 12, условно обозначающая собственную емкость датчика 13, и измерительная схема датчика 13. Информационный магистральный выход датчика соединен с ППУ 2, при этом оба информационных выхода через супрессоры 14, 15, 16, 17, 18 и 19 соединены с общим проводом.
Работает система искробезопасного питания измерительных датчиков следующим образом. Напряжение питания от источника питания с барьером искрозащиты 1 из взрывобезопасной зоны через линии связи поступает во взравоопасную зону через последовательно включенные диоды 4, 5, 6 на вход стабилизатора напряжения 7. При этом благодаря маленькой собственной емкости диодов суммарная емкость на выходе барьера искрозащиты оказывается маленькой, что позволяет подключить к источнику питания с барьером искрозащиты P датчиков. В случае пробоя стабилизатора напряжения 7 входная емкость 8 стабилизатора напряжения 7 и собственная емкость 12 датчика 13 суммируются. Однако благодаря параллельно включенным супрессорам 9, 10 и 11 напряжение на емкости не превысит опасную величину, а собственная емкость последовательно включенных диодов 4, 5, 6 не позволит увеличить емкость на выходе источника питания с барьером искрозащиты до опасной величины. В случае возникновения опасного напряжения на информационном магистральном выходе датчика из-за наводок на линиях связи (например, при грозе) происходит открывание супрессоров 14, 15, 16, 17, 18 и 19, что позволит ограничить величину наводимого напряжения до безопасной величины. При этом со стороны регистрирующей аппаратуры измерительная схема датчика 13 и ППУ 2 защищены оптоэлектронной развязкой 3.
Следует отметить, что на выходе источника питания с барьером искрозащиты 1, как ранее рассматривалось, величина напряжения и тока ограничены до безопасной величины за счет барьера искрозащиты, и в результате получается надежная и безопасная система питания измерительных датчиков с большой собственной емкостью во взрывоопасной зоне.
Количество диодов и супрессоров при снижении уровня взрывозащиты может быть уменьшено. Изображенный на рисунке вариант схемы соответствует уровню взрывозащиты «Ex ia», для уровня взрывозащиты «Ex ib» количество диодов и супрессоров в каждом месте установки может быть уменьшено до двух, а для уровня взрывозащиты «Ex ic» количество диодов и супрессоров в каждом месте установки может быть уменьшено до одного. Это количество элементов соответствует требованиям ГОСТ РМЭК 60079-11.
На предприятии были изготовлены опытные образцы аппаратуры с использованием описанной системы питания измерительных датчиков и проведены испытания по взрывобезопасности в НАНИО «ЦСВЭ» (г. Люберцы, Московская область), которые подтвердили взрывобезопасность предлагаемого технического решения при увеличении количества датчиков, подключаемых параллельно к одному барьеру искрозащиты.