DE1811823A1

DE1811823A1 - Aktiver Leistungsbegrenzer zur Energiebegrenzung

Info

Publication number: DE1811823A1
Application number: DE19681811823
Authority: DE
Inventors: Hickes Willis Fowler; Flanagan Allan Lawrence
Original assignee: Foxboro Co
Current assignee: Schneider Electric Systems USA Inc
Priority date: 1967-12-01
Filing date: 1968-11-29
Publication date: 1969-07-17
Also published as: JPS4827942B1; FR1599089A; US3527984A; GB1238198A; NL6816660A

Description

Z 9. NOV. 1988

The Poxboro Company 1 ft 1 1 ft ? Q

!Foxboro, Mass., V.St.A.

Aktiver Leistungsbegrenzer zur Energiebegrenzung

Die Erfindung betrifft eine als aktiver Leistungsbegrenzer oder Trennstufe arbeitende elektronische Schaltung zur Trennung von in einem mit z.B. explosivem Medium angereicherten, abgegrenzten Gefahrenbereich befindlichen Instrumenten und Geräten von der Hochspannungsenergieversorgung und den Stromkreisen der Zusatzgeräte, wobei die in diesem Gefahrenbereich maximal zulässige elektrische Leistung bzw. Energie strengen Begrenzungen unterworfen ist. Der erfindungsgemäße Leistungsbegrenzer kann beispielsweise in Verbindung mit im Gefahrenbereich befindlichen Meßgeräten oder anderen elektrischen Vorrichtungen verwendet werden, wozu beispielsweise auch. Stellglieder gehören können.

Bei bestimmten Verfahren finden brennfähige Gase, Dämpfe oder Staubgemische Anwendung. In diesen !Fällen gilt die Forderung, daß an bestimmten Punkten im Verfahrensablauf, an denen elektrische Pühler oder Stellglieder erforderlioh sind, geschützte Geräte verwendet werden, welche diese brennfähigen Stoffe nicht zu entzünden vermögen. Derartige geschützte Geräte müssen in ihrer Schaltung und anderweitigen Konstruktion so ausgelegt sein, daß in jedem möglichen Betriebs- oder Störungszustand nur eine begrenzte Leistung zum Gefahrenbereich übertragen wird, um eine Entzündung durch Umsetzung von elektrischer Energie in Wärme zu verhindern. Wenn im Gefahrenbereich beispielsweise Wasserstoff

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vorhanden ist, muß die maximale leistungsübertragung zu diesem Bereich unter allen Bedingungen strengsten Begrenzungen unterworfen werden. Es hat sich herausgestellt, daß unter gewissen Umständen eine Energiemenge (leistung mal Zeit) von 30 Mikrojoule in Form eines Funkens Wasserstoff zu entzünden vermag. Bei anderen, weniger leicht entzündbaren Stoffen stellt eine Energiemenge von 100 Mikrojoule einen entsprechenden Grenzwert dar. Diese Energiewerte sind jedoch nur "beispielhaft und variieren innerhalb weiter Grenzen je nach der Art ihres Auftretens und der speziellen Schaltungsanordnung. Die Sicherheit einer bestimmten Schaltung wird üblicherweise durch Versuchsreihen bestimmt, denen die wirklichkeitsgetreu aufgebaute Vorrichtung unter sorgfältig überwachten und registrierten Bedingungen unterworfen wird.

Für den Verwendungszweck, für welchen die Erfindung vorgesehen ist, ist ein passiver leistungsbegrehzer nicht ausreichend. Wenn z.B. der Vorschrift genüge getan werden muß, daß der Begrenzer eine Speise- oder Steuerspannung im Niederspannungsbereich bei einem Strom bis zu 50 mA an eine im Gefahrenbereich installierte Last von 300 SL abgibt, so ist eine aktive leistungsbegrenzerschaltung erforderlich, um den notwendigen Ausgang zur Verarbeitung der Signalspannung in gewünschter Amplitude zu erhalten.

Generell beschrieben, verwendet der erfindungsgemäße Leistungsbegrenzer eine Spannungsteileranordnung am Eingang eines Impedanzwandlers, die aus zwei an die Eingänge des Impedanzwandlers angeschlossenen hochohmigen Widerständen besteht, während ein niederohmiger Widerstand die beiden hochohmigen Widerstände an der den Impedanzwandler abgewandten Seite verbindet. Die Eingangssignale für den Impedanzwandler treten dabei am niederohmigen Widerstand auf.

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In der folgenden Beschreibung ist eine bevorzugte AuBführungsform der Erfindung anhand der· Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 eine teilweise schematisch und teilweise als Blockschaltbild dargestellte Ansicht einer in einem Regelbzw. Steuersystem verwendeten Vorrichtung mit den Merkmalen der Erfindung und

flg. 2 ein teilweise schematisches Blockschaltbild einer Stromversorgung zur Verwendung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 trennt eine linie 11 symbolisch einen in der Gefahrenzone liegenden Bereich 12 von einem allgemeinen Bereich 13 ab, welcher eine Verfahrensinstrumentierung enthält. Alle im Bereich 12 befindlichen Instrumente, Geräte und dgl. Ausrüstungen müssen durch Eigenschutzvorrichtungen abgesichert sein, und die Energieübertragung in den Bereich 12 von den zugeordneten Instrumenten aus ist auf beispielsweise 1/10 Millijoule begrenzt. Im Bereich 12 befindet sich ein Fühler 14 zur Übertragung des Betrags der Regelgröße, wie Druck, Temperatur, Durchsatz o.dgl.. Außerdem befindet sich im Bereich 12 ein Stellglied 15, beispielsweise ein in einen Verfahrensablauf eingreifendes Ventil, welches z.B. durch ein Stellsignal von 10 - 50 mA betätigt wird.

Der Fühler 14 stellt einen veränderlichen Widerstand dar, welcher den Strom im zugehörigen Eingangskreis eines Begrenzers 26 in Abhängigkeit von der zu überwachenden Regelgröße in einem Bereich von 10 - 50 mA regelt. Eine Stromquelle 20 dient der Spannungsversorgung für den Fühler Hi wobei der Stromkreis von einer Klemme 21, über eine Durchführung

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22, eine Leitung 25, den Fühler 14 mit Anschlüssen 17, 16, eine Leitung 24, eine Durchführung 25, einen Verbindungspunkt. 27, einen Widerstand 30, einen Verbindungspunkt 28 und eine Klemme 29 zurück zur Stromquelle 20 geschlossen ist. Die Stromquelle gibt maximal 70 V sowie eine unter dem zulässigen Wert liegende Leistung ab. Der Widerstand 30 ist mit einem Wert von 100 Ct verhältnismäßig niederohmig.

Der eben beschriebene Eingangskreis ist über Widerstände an den Eingang eines Verstärkers bzw. Impedanzwandlers 35 angeschlossen, indem der Verbindungspunkt 27 über einen Widerstand 31 an den einen Eingang 33 und/VerbindungB-

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punkt 28 über einen Widerstand 32/den anderen Eingang 34 des Impedanzwandlers 35 angeschlossen ist. Die Widerstände 31 und 32 sind mit 10.000 41 hochohmig genug, um eine siohere Trennung zwischen der Spannungsversorgung des Impedanzwandlers 35 sowie seines Ausgangskreises und dem mit den Gefahrenbereich verbundenen Eingangskreis zu gewährleisten.

Die Ausgänge 36 und 37 des Verstärkers 35 sind, an Klemmen 39 und 40 des Begrenzers 26 geschaltet, welche beim Aueführungsbeispiel an eine Reihenschaltung aus einem Alarmgerät 41, einem Registriergerät 42 und einem Regler 43 mit zwei Klemmen 44 und 45 angeschlossen sind. Das Alarmgerät 41, das Registriergerät 42 und der Regler 43 werden mit einer Speisespannung von 1.15 - 120 V betrieben. Dabei ist es unter bestimmten Betriebsbedingungen oder in einem Schadensfall möglich, daß diese Spannung zwischen den Ausgängen 36 und 37 oder zwischen einem der Ausgänge und Erde anliegt. Auch wenn die Spannung dabei durch den Impedanzwandler 35 auf dessen Eingang 33, 34 übertragen werden sollte, wird durch die Spannungsteileranordnung 30, 31, 32 die an , den fühler.14 in den Gefahrenbereich 12 gelangende Spannung

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• auf einen absolut sicheren Wert begrenzt.

Der Regler 43 gibt über seine Ausgänge 46 und 47 und Durchführungen 48 und 49 des Begrenzers 26, eine Spannungsteilerkombination aus einem niederohmigen Widerstand 50 von 200£ sowie zwei hochohmigen Widerständen 51 und 52 von beispielsweise 10.000 A, eine Stellgröße in der Höhe von 10 - 50 mA an die Eingänge 53 und 54 eines Verstärkers 55 ab, welcher ein entsprechendes Stellsignal in der Größenordnung von 10 - 50 mA zur Betätigung des Stellglieds 15 liefert, wobei der Stromkreis von der einen Ausgangsklemme 56 des Verstärkers 55 über eine Durchführung 5⁸ und eine leitung 60 zum Stellglied 15 mit Klemmen 18 und 19 sowie eine leitung 61 und eine Durchführung 59 zur Ausgangskiemme 57 des Verstärkers 55 geschlossen ist.

Durch diesen Schaltungsaufbau wird die maximale Leistung, die vom Regler 43 über den Verstärker 55 zum Stellglied 15 in den Gefahrenbereich übertragen werden kann, unter allen Betriebsbedingungen auf einen Wert begrenzt, der sich bei Versuchen als ungefährlich erwiesen hat.

Zur weiteren Gewährleistung einer Begrenzung der Energiebzw. Leistungsübertragung aufgrund einer Störung oder sonstiger außergewöhnlicher Umstände an der Stromquelle 20 kann eine spezielle Konstruktion vorgesehen sein, wie sie in Mg. 2 dargestellt ist. Dabei ist eine Wechselstromquelle an Anschlüsse 70 und 71 der Primärwicklung 73 eines Transformators 74 angeschlossen, dessen Sekundärwicklung 75 an einen Brückengleichrichter 80 mit vier Dioden 76, 78 und 79 angeschlossen ist. Der Brückenausgang ist mit den Eingangsklemmen 81 und 82 eines Puters 83 verbunden, wofür an sich eine beliebige Glättungsanordnujag vorgesehen sein

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kann, vorzugsweise jedoch eine induktionsfreie Anordnung · verwendet wird, um beispielsweise durch die Gegen-EMK bei starken Feldänderungen hervorgerufene Spannungaspitzen zu vermeiden. Die Ausgänge 84, 85 des filters 83 sind an die Eingangsklemmen 86 und 87 eines Strom-Konstanthalters 88 angeschlossen, welcher beispielsweise 55 mA konstant abgibt und dessen Ausgängen 89, 90 über eine Reihenschaltung aus einem Widerstand 91 und einer Zenerdiode $2 mit einander verbunden sind«. Die Hemmen 21 und 29 der Stromquelle 20 sind über die Zenerdioöe 92 geschaltet, welche beispielsweise eine Zenerspannung von 45 V hat* Bei der beschriebenen Schaltung der Stromquelle 20 gemäß ELg. 1 wird dadurch die Leistung, die maximal an den Klemmen 21 und 29 abgegeben werden kann, auf das Produkt aus 55 mA und 45 V begrenzt. Dies bedeutet, daß bei einem Ausfall entweder des Widerstands 91 oder der Zenerdiode 92 durch die Stromquelle 20 entweder ein Höchststrom von 55 mA oder eine Höchst spannung von 45 V Gleichstrom an den Fühler 14 in den Gefahrenbereich abgegeben wird»

Zusammengefaßt schafft die Erfindung also eine Spannungsteileranordnung mit einem Impedanzwandler"zur absolut zuverlässigen Trennung eines Eingangskreises von einem Ausgangskreis, wobei ein Teil eines: Kreises in einem Gefahrenbereich liegt, wobei die maximale Leistung} welche der Schaltung im Gefahrenbereich unter ungünstigen Betriebsbedingungen zugeführt werden kann₉ auf einen sicheren Wert begrenzt wird. Ein zusätzliches Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer dem Eingangskreis zugeordneten Xonstant-Stromquelle zur Speisung einer Vorrichtung im Gefahrenbereich, wobei diese Kombination eine sichere Überwachung durch einen Fühler, wie ein. in einem Gefahrenbereich angeordnetes Meßgerät, und die sichere Zuführung einer Stell- -

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größe zu einem zugeordneten Stellglied im Gefahrenbereich. ermöglicht.

Obgleich vorstehend nur bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, sind dem 2?achmann selbstverständlich zahlreiche Änderungen und Abwandlungen möglich, ohne daß der Rahmen der Erfindung verlassen wird. Aus diesem Grund soll der erweiterte Schutzumfang alle innerhalb des Rahmens und des Grundgedankens der Erfindung liegenden Änderungen "und Abwandlungen mit umfassen.

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Claims

Patentansprüche

1. Aktiver Leistmigsbegrenzer zur Energiebegrenzung zur Überwachung oder Regelung bestimmter Verfahrens-^ Betriebs- oder Zustandspärameter in einem Cfefahrenbe- · reich, dadurch gekennzeichnet!, daß ein Verstärker für einem Parameter zugeordnete Signale vorgesehen ist ₉ dessen Eingangskreis eine Reihenschaltung von Impedanzen enthält, welche die Eingangsklemmen des Yerstärkers überbrückt, daß diese Reihenschaltung mindestens zwei hochohmige Impedanzen, die jeweils an eine Eingangsklemme des Yerstärkers angeschlossen sind, und eine niederohmige Impedanz aufweist, welche die hochohmigen Impedanzen an den von Verstärker abgewandten Anschlüssen verbindet und welche den Arbeitswiderstand für das Eingangssignal darstellt, und daß die Leistungsübertragung zwischen dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis des Yerstärkers durch die Impedanz-Reihenschaltung in der Weise begrenzt wird, daß entweder der Eingangs™ oder der Ausgangskreie des Verstärkers ohne Gefährdung mit im Gefahrenbereich angeordneten Geräten bzw* Gliedern verbunden werden kann_e-

2. Aktiver Leistungsbegrenzer nach Anspruch 1$ dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzung der Leistungsübertragung in erster Linie durch die Werte der"hochohmigen Impedanzen bestimmt ist.

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3> Aktiver Leistungsbegrenzer nach. Anspruch. 1, dadurch, gekennzeichnet, daß die Werte der hochohmigen Impedanzen im kiX-Bereich liegen und der Wert der nieder-

ohmigen Impedanz im Bereich, von 10 liegt.

4. Aktiver Leistungsbegrenzer nach. Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal in einem Gleichstrom-Bereich liegt, welcher für die entsprechenden Verfahrensparameter repräsentativ ist.

5. Aktiver Leistungsbegrenzer nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrom-Bereich Werte von 10 - 50 mA umfaßt.

6. Aktiver Leistungsbegrenzer nach Anspruch 1 zur Verwendung mit einem Hegler zur Verfahrensregelung, dadurch gekennzeichnet, daß ein üeistungsbegrenzer sowohl zwi- K₁ sehen einem !Fühler und dem Hegler als auch sswischen einem Stellglied und dem Hegler vorgesehen ist und sowohl der Fühler als auch das Stellglied in einem abzusichernden Bereich befinden, während sich der Verfahrreneregler in einem nicht gefährdeten Bereich befindet.

7. Aktiver leietungebegrenzer nach Anspruch 6, daduroh gekennzeichnet, daß die für den Fühler erforderliche äußere Stromversorgung sich in einem Bereich befindet, welcher nicht abgesichert au sein brauoht, und daß die Stromversorgung für den Fühler und die von ihm ζμ übertragenden Meßwerte so ausgelegt iet, dal die von ihr unter allen Bedingungen abgegeben« .maximale leistung in der Größenordnung ihrer Betriebe-Iieirfeung·- abgabe liegt.

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SUSPECTED

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8. Aktiver Leistungsbegrenzer naoh einem der vorangehenden Ansprücheι dadurch gekennzeichnet, daß der Regler eine Speisespannung von 120 Y Wechselstrom benötigt*·

9· Aktiver leistungsbegrenzer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis für die Meßwerte ein Regler sowie Alarm- oder Registriergeräte mit 120 V Wechselstromversorgung vorgesehen sind«, , .

ORIGINAL !MSPECTED

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