ЦЕПЬ ИСКРОБЕЗОПАСНОГО ОГРАНИЧИВАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СТАБИЛИЗАТОРА
INTRINSICALLY SAFE VOLTAGE LIMITING SHUNT REGULATOR CIRCUIT

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к искробезопасным цепям устройств и, в частности, к цепи искробезопасного ограничивающего напряжение параллельного стабилизатора для устройств в опасных средах.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Некоторые производственные процессы, такие как в нефтедобывающей промышленности, требуют эксплуатации устройств в опасных атмосферах или других опасных условиях. Такие устройства часто руководствуются стандартом "искробезопасности", таким как стандарт ISA-60079-11, определяющим конкретные условия для устройств в опасных атмосферах. Условия требуют либо ограничения количества энергии, сохраняемой в цепи устройства (например, ограничения напряжения на конденсаторах или токов посредством индукторов), либо ограничения разряда аккумулированной энергии (например, ограничения размещения компонентов) таким образом, чтобы разряд энергии не вызывал возгораний. В случае стандарта ISA-60079-11, определенные показатели устройства могут считаться "надежными", если соблюдаются определенные условия, описанные в стандарте. В общем, цепь устройства считается "искробезопасной", если цепь остается безопасной при двух "зачисляемых" отказах.
[0003] Как правило, цепи устройства используют стабилитроны в качестве параллельных ограничителей напряжения для ограничения напряжения, которое может подводиться к конкретному компоненту устройства. Однако, хотя такое ограничение напряжения является эффективным, стабилитроны должны эксплуатироваться при напряжении значительно более низком, чем напряжение туннельного пробоя, для предотвращения утечки тока при напряжении, близком к напряжению туннельного пробоя. В применениях, чувствительных к мощности (например, приборы, питаемые 4-20 мА сигналами), такая утечка тока является значительной проблемой. С другой стороны, если более высоковольтный стабилитрон соответствующим образом выбран для предотвращения утечки тока, увеличивается ограничение напряжения, что может вызвать проблемы с искробезопасностью.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Искробезопасное устройство управления технологическим процессом содержит: стабилизируемую шину, шину заземления и компонент устройства, электрически соединенный со стабилизируемой шиной и шиной заземления, причем напряжение, приложенное между стабилизируемой шиной и шиной заземления, приводит к сохранению энергии в компоненте устройства. Кроме того, искробезопасное устройство управления технологическим процессом содержит три или более ограничивающих напряжение стабилизаторов, причем каждый ограничивающий напряжение стабилизатор включен параллельно компоненту устройства и каждый ограничивающий напряжение стабилизатор содержит: параллельный стабилизирующий компонент, выполненный с возможностью стабилизации напряжения между стабилизируемой шиной и шиной заземления вплоть до безопасного значения напряжения стабилизации, и один или более компонентов, причем характеристики одного или более компонентов выбираются для настройки безопасного значения напряжения стабилизации.
[0005] Цепь резервного искробезопасного стабилизатора содержит: множество ограничивающих напряжение стабилизаторов между стабилизируемой шиной и шиной заземления. Каждый из множества ограничивающих напряжение стабилизаторов содержит: параллельный стабилизирующий компонент, выполненный с возможностью стабилизации напряжения между стабилизируемой шиной и шиной заземления вплоть до безопасного значения напряжения стабилизации; и один или более компонентов, причем характеристики одного или более компонентов выбираются для настройки безопасного значения напряжения стабилизации.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
[0006] Фиг. 1 является блок-схемой, иллюстрирующей примерную систему, содержащую искробезопасное устройство управления технологическим процессом, эксплуатирующее цепь резервного стабилизатора.
[0007] Фиг. 2 является блок-схемой, иллюстрирующей другую примерную систему, содержащую искробезопасное устройство управления технологическим процессом, эксплуатирующее множество компонентов устройства, соединенных параллельно с цепью резервного стабилизатора.
[0008] Фиг. 3 является блок-схемой, иллюстрирующей еще одну примерную систему, содержащую искробезопасное устройство управления технологическим процессом, эксплуатирующее как энергосберегающие, так и не энергосберегающие компоненты, соединенные параллельно с цепью резервного стабилизатора.
[0009] Фиг. 4 иллюстрирует примерную цепь, которая может быть использована как часть одной из цепей резервного стабилизатора, проиллюстрированных на Фиг. 1-3.
[0010] Фиг. 5 иллюстрирует другую примерную цепь, которая может быть использована как часть одной из цепей резервного стабилизатора, проиллюстрированных на Фиг. 1-3.
[0011] Фиг. 6 иллюстрирует примерную цепь резервного стабилизатора, которая может быть использована как цепь резервного стабилизатора, проиллюстрированная на Фиг. 1-3.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0012] Настоящее изобретение относится к цепи резервного стабилизатора для искробезопасного устройства управления технологическим процессом, такого как, например, переключатель, соленоид или передатчик, и, в частности, к стабилизации напряжений в компонентах искробезопасного устройства управления технологическим процессом с помощью цепи резервного стабилизатора. В частности, цепь резервного стабилизатора в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает эксплуатацию устройства управления технологическим процессом с безопасным напряжением стабилизации или с приблизительно с таким напряжением параллельного ограничителя напряжения, в то же время, считающегося "надежным" параллельным ограничителем напряжения.
[0013] Обратимся к Фиг. 1, в которой примерная система 100 сконструирована в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения и содержит искробезопасное (ИБ) устройство управлении технологическим процессом 102, питаемое от источника питания 104. ИБ устройство управления технологическим процессом 102 может содержать переключатель, передатчик, термоэлектрический элемент, электромагнитный клапан и т.д. Дополнительно, ИБ устройство управления технологическим процессом 102 может быть частью технологической установки, установки для добычи нефти или газа, нефтеперегонного завода, системы HVAC (нагревание, вентиляция и кондиционирование воздуха) и т.д. в которых ИБ устройство управления технологическим процессом 102 находится в опасной среде, такой как среда с опасными газами, химическими веществами, парами, пылью, волокнами и т.д.
[0014] Источник питания 104 обеспечивает питанием различные компоненты, в том числе некоторые цепи или компоненты, такие как выходная цепь рабочего напряжения 106, которая обеспечивает рабочими напряжениями другие цепи или компоненты. Например, источник питания 104 может обеспечивать питанием выходную цепь рабочего напряжения 106, которая может давать на выходе позитивные и негативные напряжения, которые, в свою очередь, прилагаются к шинам цепи резервного стабилизатора 108 и компоненту устройства 110. Позитивные и негативные напряжения обозначены на Фиг. 1 как +V и -V, соответственно, но следует понимать, что позитивное напряжение может прилагаться к одной из шин цепи резервного стабилизатора 108 и компоненту устройства 110, а другие шины могут быть заземлены.
[0015] Источник питания 104 может содержать блок питания, подключенный к сети питания, например, если сетевое питание подключено к ИБ устройству управления технологическим процессом 102 с помощью адаптера переменного тока (АС), или источник питания 104 может содержать блок питания, подключенный к аккумуляторному источнику питания (который, в таком случае, может быть расположен внутри ИБ устройства управления технологическим процессом 102). Источник питания 104 может, в некоторых случаях, электрически соединяться с выходной цепью рабочего напряжения 106, такой как блок питания или цепь стабилизатора, которая может преобразовывать сигнал питания (например, 24 В) в определенные напряжения (например, ±3,3 В, ±10 В), причем определенные напряжения могут прилагаться к шинам цепи резервного стабилизатора 108 и компоненту устройства 110.
[0016] ИБ устройство управления технологическим процессом 102 может квалифицироваться как искробезопасное при эксплуатации с определенными параметрами объекта применения. При таком типе квалификации объекта ИБ устройство управления технологическим процессом 102 может квалифицироваться как искробезопасное, при условии, что другие устройства, к которым присоединяется ИБ устройство управления технологическим процессом 102, удовлетворяют соответствующему набору параметров объекта. Кроме того, технологическая установка может содержать множество других устройств, присоединенных к ИБ устройству управления технологическим процессом 102, и по-прежнему поддерживать искробезопасность, при условии, что множество других устройств (например, во всех рассматриваемых комбинациях и сценариях отказов) совместимы с набором параметров объекта, соответствующего ИБ устройству управления технологическим процессом 102.
[0017] В качестве примера, параметры объекта, соответствующие ИБ устройству управления технологическим процессом 102, могут включать максимально допустимое напряжение, максимально допустимый ток, внутреннюю емкость, внутреннюю индуктивность, максимальные не защищенные емкости/индуктивности, индуктивность/емкость соединительных проводов или максимальную мощность. В одном из вариантов параметры объекта могут включать, например, максимально допустимое напряжение в 30 В, максимально допустимый ток в 130 мА и максимально допустимое значение мощности в 1 Вт.
[0018] Компонент устройства 110 может содержать энергосберегающий компонент устройства ПО, такой как емкость или индуктор, или любое устройство, обладающее внутренней емкостью или индуктивностью. В некоторых вариантах применения напряжение, подаваемое на компонент устройства 110, можно регулировать посредством цепи резервного стабилизатора 108, подключенного параллельно с компонентом устройства 110. Таким образом, энергия, сохраняемая в компоненте устройства 110, или потенциальная энергия, связанная с разрядом энергии, ограничивается, и ИБ устройство управления технологическим процессом 102 может быть квалифицировано как искробезопасное (например, согласно стандарту ISA-60079-11). Например, цепь резервного стабилизатора 108 может содержать один или более параллельных стабилизаторных компонентов 112, таких как низковольтные 3-выводные настраиваемые опорные напряжения, и один или более резисторов 114, выполненных так, что, например, цепь резервного стабилизатора является "надежным" параллельным ограничителем напряжения. Дополнительные особенности цепи резервного стабилизатора 108 обсуждаются со ссылками на Фиг. 4, Фиг. 5 и Фиг. 6.
[0019] Хотя примерная система 100 содержит одно ИБ устройство управления технологическим процессом 102, одну резервную стабилизаторную цепь 108, одну выходную цепь рабочего напряжения 106 и один компонент устройства 110, источник питания 104 может обеспечивать питанием любое количество ИБ устройств управления технологическим процессом с любым количеством цепей резервных стабилизаторов, компонентов устройства и выходных цепей рабочего напряжения. Например, Фиг. 2 иллюстрирует примерную систему 200, содержащую ИБ устройство управления технологическим процессом 201, эксплуатирующее множество компонентов устройства 202 и 203.
[0020] Подобно системе 100, система 200 содержит источник питания 204. выходную цепь рабочего напряжения 206 и цепь резервного стабилизатора 208, причем в варианте реализации изобретения цепь резервного стабилизатора 208 содержит один или более параллельных стабилизаторных компонентов 210 и один или более резисторов 212. Однако, в отличие от системы 100, система 200 содержит два компонента устройства 202 и 203, функционально соединенные параллельно с цепью резервного стабилизатора 208. Компоненты устройства 202 и 203 могут содержать, например, два конденсатора ли два индуктора.
[0021] В общем, ИБ устройство управления технологическим процессом может содержать любое подходящее количество энергосберегающих компонентов, соединенных параллельно с цепью резервного стабилизатора. Однако следует понимать, что ИБ устройство управления технологическим процессом может также содержать множество резервных стабилизаторов. Например, ИБ устройство управления технологическим процессом может содержать две цепи резервных стабилизаторов, причем каждая из цепей резервных стабилизаторов функционально соединена с соответствующим одним из двух компонентов устройства. Дополнительно, множество цепей резервных стабилизаторов могут функционально соединяться с множеством выходных цепей рабочего напряжения, позволяя ИБ устройству управления технологическим процессом обеспечивать различными напряжениями компоненты устройства.
[0022] Фиг. 3 иллюстрирует другую примерную систему 300, в которой ИБ устройство управления технологическим процессом 302 содержит энергосберегающий компонент устройства 304 и не энергосберегающий компонент устройства 306. Опять, ИБ устройство управления технологическим процессом 302 питается от источника питания 308 и содержит выходную цепь рабочего напряжения 310. Однако, в этом примерном варианте реализации изобретения, цепь резервного стабилизатора (например, содержащая один или более параллельных стабилизирующих компонентов 314 и один или более резисторов 316) ограничивает напряжение, приложенное как к энергосберегающему компоненту устройства 304, так и к не энергосберегающим компонентам устройства 306. Энергосберегающий компонент устройства может содержать конденсатор или индуктор, а не энергосберегающие компоненты устройства 306 могут содержать множество резисторов. В общем, ИБ устройство управления технологическим процессом может содержать любое количество и комбинацию энергосберегающих и не энергосберегающих компонентов устройства, параллельных цепи резервного стабилизатора.
[0023] Теперь обратимся к Фиг. 4, примерной цепи 400, которая может быть частью цепи резервного стабилизатора, содержащей параллельный стабилизирующий компонент 402 и один или более резисторов 403. В некоторых вариантах реализации изобретения множество экземпляров примерной цепи 400 могут подключаться параллельно для создания "надежного" параллельного ограничивающего напряжение стабилизатора. Например, три экземпляра цепи 400 могут соединяться параллельно так, что в результате "резервная" комбинация ограничивает напряжение параллельно подключенного компонента устройства даже при условии отказа двух других экземпляров цепи 400. Примерная цепь резервного стабилизатора дополнительно обсуждается со ссылкой на Фиг. 6.
[0024] В варианте реализации изобретения параллельный стабилизирующий компонент 402 примерной цепи 400 подключается между стабилизируемой шиной 404 и шиной заземления 406 и стабилизирует напряжение, приложенное между стабилизируемой шиной 404 и шиной заземления, вплоть до безопасного значения напряжения стабилизации. Например, параллельный стабилизирующий компонент 402 может быть интегральной цепью (IC), выполненной как настраиваемое опорное напряжение. Дополнительно, в варианте реализации изобретения, один или более компонентов, таких как резисторы 403, могут устанавливать безопасное значение напряжения стабилизации. Параллельный стабилизирующий компонент 402 в комбинации с резисторами 403 может стабилизировать напряжение между стабилизируемой шиной 404 и шиной заземления 406 до значения 6,317 В. Таким образом, цепь 400 может ограничивать напряжение, прилагаемое к компоненту устройства, такого как конденсатор, подключенный параллельно с цепью 400, даже если приложенное напряжение выше чем 6,317 В. Хотя резисторы 403 проиллюстрированы на Фиг.4 как компоненты, сопротивление которых может выбираться для настройки безопасного напряжения стабилизации, следует понимать, что любые подходящие компоненты или комбинации компонентов могут использоваться для установки безопасного напряжения стабилизации (например, путем выбора характеристик компонентов). Например, сопротивление отдельного резистора может выбираться для настройки безопасного напряжения стабилизации в некоторых вариантах реализации изобретения.
[0025] Как будет очевидно, компоненты цепи резервного стабилизатора, такие как параллельный стабилизирующий компонент 402 и резисторы 403, могут иметь соответствующие значения допусков. Резисторы 403, например, могут иметь соответствующие значения сопротивлений (например, в Омах) в пределах определенного допуска, такого как погрешность в пять процентов или один процент. Кроме того, каждый из участков цепи резервного стабилизатора, таких как участки резервного ограничивающего напряжение стабилизатора, может иметь наихудший разброс параметров, основываемый на компонентах соответствующих участков. Поэтому безопасное напряжение стабилизации каждого из множества участков цепи ограничивающего напряжение стабилизатора могут иметь соответствующие верхнее значение (вверху наихудшего разброса параметров), нижнее значение (внизу наихудшего разброса параметров) и нормальное или среднее значение (в середине наихудшего разброса параметров).
[0026] В некоторых вариантах реализации изобретения параллельный стабилизирующий компонент 402 и резисторы 403 могут физически позиционироваться на платах цепей так, чтобы удовлетворять требованиям надежного соединения согласно стандарту искробезопасности. Например, пунктирные линии 408 отображают "зачисляемые" расстояния параллельного стабилизирующего компонента 402 относительно резисторов 403. Такие зачисляемые расстояния могут гарантировать, что при нехватке расстояния это может быть зачислено как отказ при анализе цепи 400 для удвоенных допусков отказа, необходимых для искробезопасности цепи 400.
[0027] Хотя Фиг. 4 иллюстрирует примерную цепь 400, которая может быть включена как резервный компонент в цепь резервного стабилизатора, параметры объекта, связанные с определенными ИБ устройствами управления технологическим процессом, могут требовать дополнительного распределения энергии, ограничения энергии или усилительных компонентов. Если параметры объекта, например, определяют максимальную мощность выше уровня мощности параллельного стабилизирующего компонента 402, распределяющий мощность резистор может включаться в цепь 400 для предотвращения превышения параллельным стабилизирующим компонентом 402 соответствующего уровня мощности.
[0028] Фиг. 5 иллюстрирует примерную цепь 500, которая может быть частью цепи резервного стабилизатора, содержащей компоненты распределения/ограничения мощности и усилительные компоненты. В одном из вариантов реализации изобретения цепь 500 содержит параллельный стабилизирующий компонент 502, способный стабилизировать напряжение между стабилизируемой шиной 504 и шиной заземления 506 вплоть до безопасного значения напряжения стабилизации, причем безопасное значение напряжения стабилизации устанавливается сопротивлениями одного или более резисторов 508. Дополнительно, мощность, распределяемая по параллельному стабилизирующему компоненту 502, ограничивается ограничивающим мощность резистором 510. Например, параметр максимальной мощности объекта ИБ устройства управления технологическим процессом может превышать уровень мощности параллельного стабилизирующего компонента 502, и сопротивление ограничивающего мощность резистора 510 может выбираться для ограничения мощности, распределяемой по параллельному стабилизирующему компоненту 502, до значения значительно ниже уровня мощности параллельного стабилизирующего компонента 502.
[0029] Примерная цепь 500 может также содержать транзисторный компонент 512 и соответствующий резистор распределения мощности 514 для ограничения мощности, распределяемой по транзисторному компоненту 512. В некоторых вариантах реализации изобретения транзисторный компонент 512 может помогать стабилизировать напряжения усилением утечки тока из стабилизируемой шины 504. Например, в зависимости от параметров объекта, связанных с ИБ устройством управления технологическим процессом (например, в котором установлена цепь 500), транзисторный компонент 512 может отводить или не отводить лишний ток от стабилизируемой шины 504 и предотвращать накопление энергии в компонентах устройства, таких как индукторы. Примерная цепь 500 также содержит управляющий резистор 516, функционально соединенный с транзисторным компонентом 512. Управляющий резистор 516 может избирательно предотвращать активацию транзисторного компонента 512 на основании напряжения, приложенного к стабилизируемой шине 504 и шине заземления 506, и тока, отводимого параллельным стабилизирующим компонентом 502. Таким образом, транзисторный компонент 512 может усиливать ток в случае, если приложенное напряжение превышает пороговое значение, тогда как управляющий резистор 516 обеспечивает отключение транзисторного компонента 512, когда шунтирование тока не требуется, предотвращая таким образом утечку тока.
[0030] Подобно примерной цепи 400, компоненты цепи 500 могут быть физически удалены друг от друга так, чтобы цепь 500 четко соответствовала зачисляемым стандартам промежутков. Такие промежутки между компонентами устройства проиллюстрированы на Фиг. 5 одной или более пунктирными линиями 518.
[0031] В некоторых вариантах реализации изобретения множество цепей ограничивающего напряжение параллельного стабилизатора, таких как цепь 400 и цепь 500, могут соединяться параллельно так, чтобы сформировать "надежный" ограничивающий напряжение узел. Такая цепь соответствует стандарту искробезопасности, требующего безопасности при двух или более отказов цепей (например, "зачисляемых" отказов по стандарту ISA-60079-11). Фиг. 6 иллюстрирует такую цепь "тройного резервного" стабилизатора 600, содержащую три параллельных ограничивающих напряжение стабилизатора (ограничивающие напряжение стабилизаторы 602, 604 и 606), подобно цепи 500. Цепь тройного резервного стабилизатора 600 может быть выполнена, например, как одна из цепей резервного стабилизатора 108, 208 или 312.
[0032] Цепь тройного резервного стабилизатора 600 может считаться надежной, поскольку два из ограничивающих напряжение параллельных стабилизаторов 602, 604 и 606 могут отказать, в то время как оставшийся из трех параллельных ограничивающих напряжение стабилизаторов 602, 604 и 606 может продолжать безопасно стабилизировать напряжение между стабилизируемой шиной 608 и шиной заземления 610. В одном из вариантов реализации изобретения ограничивающие напряжение стабилизаторы 602 и 604 могут отказать (например, из-за поломки или повреждения компонента), в то время как ограничивающий напряжение стабилизатор 606 останется неповрежденным и функционирующим.
[0033] Поскольку каждый из ограничивающих напряжение стабилизаторов может соперничать в стабилизации напряжения между стабилизируемой шиной 608 и шиной заземления 610 в случае, если каждый из них настроен на одинаковое стабилизируемое напряжение, цепь 600 может иметь склонность к колебаниям. Однако, в некоторых вариантах реализации изобретения, безопасное напряжение стабилизации одного из параллельных ограничивающих напряжение стабилизаторов 602, 604 и 606 может устанавливаться ниже, чем безопасное напряжение стабилизации других двух из параллельных ограничивающих напряжение стабилизаторов 602, 604 и 606. Например, наивысшее безопасное значение напряжения стабилизации наихудшего разброса параметров, соответствующего параллельному ограничивающему напряжение стабилизатору 602, может быть установлена ниже, чем наименьшие безопасные значения напряжения стабилизации наихудшего разброса параметров, соответствующего параллельным ограничивающим напряжение стабилизаторам 604 и 606. Таким образом, только один из параллельных ограничивающих напряжение стабилизаторов 602, 604 и 606 будет стабилизировать напряжение между стабилизируемой шиной 608 и шиной заземления 610 во время нормальной работы.
[0034] Дополнительно к компонентам, проиллюстрированным на Фиг. 6, цепь резервного стабилизатора может содержать различные другие не резервные компоненты, обеспечивающими соответствие цепи стандартам искробезопасности. Например, цепь 600 может содержать не резервный выпрямитель питания 620 для предотвращения сохранения энергии в случае обратной полярности входного сигнала.