专利名称：电气或者电子安全电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电气或者电子安全电路，该电气或者电子安全电路经由至少一条供应线路与在爆炸危及区域中在下游连接的至少一个构件连接并且通过作为在爆炸危及区域中要求的点火保护类型的函数监控经由供应线路供应的功率而保护这种构件，其中通过以如此方式定时而操作该至少一个下游构件，使得它的接通时间小于定时周期。
背景技术：
特别地在自动化技术领域中，无论工厂还是过程自动化技术，在爆炸危及区域中安装的装置的点火保护类型扮演重要的角色。点火保护类型应该排除在爆炸性或者爆炸危及的环境中能够触发爆炸的点火源发生的风险。在测量和自动化技术中使用的点火保护类型例如通过利用封装或者罐封化合物屏蔽装置阻挡爆炸性环境或者消除点火源。在自动化技术中，特别地在化学和石化工业中，一种极其重要的点火保护类型是点火保护类型Ex i。带有点火保护类型Ex i的装置被构建成是本质上安全的，即通过特殊的构造原理确保了即使在发生缺陷时，在爆炸性环境中也不存在任何爆炸危险。在本质上安全的装置中，所供应的电流和施加的电压和由此所供应的功率的大小被确定为足够地小，使得在开关的情形中或者在短路的情形中的火花形成不足以引燃爆炸性环境。本质上安全的装置的优点包·括:复杂的容纳构造变得是不必要的并且即使在正在进行操作期间也能够执行维护任务。点火保护类型Ex i的一个特殊的特征在于，在这种情形中，Ex保护通常是在Ex区域外侧实现的。特别地，利用所谓的Ex屏障而使得引入Ex区域中的线路是安全的。Ex屏障限制电流和电压并且大小被如此确定，使得电路不能够引燃爆炸性环境并且仅仅向将使其安全的下游构件供应适当地受到限制的功率。而且，在本质上安全的装置的情形中，应该确保与爆炸性环境形成接触的构件的表面温度被限制为预定的最大值。对于电子设备，这意味着各个构件的表面温度或者当电子设备被封装时，封装电子设备的表面温度必须受到限制。为了满足这个要求，长期以来的实践在于限制各个构件或者还有能够将多个构件组合到其中的各个区域的功率。而且，邻接的构件或者区域被相互间隔开，其中在构件和/或区域之间的分离程度被如此确定，使得防止了相互影响。通过适当大小的上游或者限流电阻器确保了对表面温度的限制。限制表面温度的上述方式原则上具有以下缺点，S卩，各个构件或者区域的功率必须作为上游或者限流电阻器的函数而强烈地受到限制。因此，在点火保护类型Ex i的情形中，当构件需要高功率时利用大的上游或者限流电阻器操作构件是不可能的。在已知方案的情形中，当以定时方式操作本质上安全的装置，特别地因此现场设备时，存在相同的问题。在这方面，定时意味着接通时间小于定时周期。在通过定时操作的构件的情形中，一个选项是为了计算表面温度而对于装置的平均功率消耗加以考虑。平均功率Pav利用以下公式计算，PAV=Pmax X (接通时间 / 周期)+P*
并且由此能够经由接通时间与周期的比率而调节。在该公式中，P*表示经由进一步的连接线路传输的功率之和，所述连接线路诸如信号线路、控制线路和通信线路。在图2a和2b中图示了对应的情况。在实践中，当接通时间和周期的比率相应地受到限制时，定时因此还提供将非常大量的能量传输到Ex区域中的机会。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种在爆炸危及区域中保证正确的功率传输的电气或者电子安全电路。利用如此特征实现了该目的，其中电气或者电子安全电路包括至少一个时间触发消弧电路(crowbar)或者时间触发短路开关，其中消弧电路被实施为，使得它以使得不超过的至少一个下游构件在爆炸危及区域中的预定最大容许表面温度的方式监控该至少一个下游电子构件的接通时间和定时周期并由此监控功率供应。根据本发明，如 此进行下游定时构件的预定接通时间和预定定时周期的安全性监控。被用于此的是时间触发消弧电路。根据本发明的方案，因为不再执行用于到爆炸危及区域中的受控功率供应的电压和电流监控，而是替代地，根据本发明，因为预定最大接通时间和分别地预定最小周期的维持受到监控，所以一个选项在于，只是短时间地将增加的功率传输到爆炸危及区域中。因为消弧电路监控两个时间周期的维持，所以排除了以下危险，即，在缺陷的情形中，可能超过受到监控的下游构件的最大表面温度。在这方面特别地有利的是，当下游构件对于或者随着温度跳变相对缓慢地作出反应时，即下游构件具有相对高的热惯性。以此方式，确保了在不超过最大容许表面温度的情况下在爆炸危及区域中短时间增加的功率传输是可能的。在图2c中示出了与功率供应相关联的表面温度的曲线图。本发明的方案的一个优点在于，到爆炸危及区域中的短时间增加的功率供应能够发生。在这种情形中，“短时间”意味着接通时间和周期的比率的大小被如此确定，使得不超过下游构件的最大容许表面温度。经由时间触发消弧电路确保了接通时间和周期的维持。因此，例如随后仍然将更加详细地描述的，微波填充水平测量装置要求用于操作的、I瓦特的短时间功率。通过功率的时间监控、定时供应，还能够在爆炸危及区域中提供这些高功率。在要求更少的操作能量的现场设备的情形中，本发明的方案使得增加测量速度和由此测量准确度成为可能。此外，下游构件的热惯性越高，无论是否利用罐封化合物，脉动功率供应能够越高。关于本发明以下要求应当注意:a)必须在类型测试中通过适当的温度测量确认下游构件或者下游区域的热惯性。在这种情形中，一方面，允许下游构件或者下游区域的表面温度仅仅在接通时间期间稍微地增加；另一方面，必须不超过下游构件或者下游区域的最大容许表面温度。b)通过至少一个时间触发消弧电路或者时间触发短路开关确保了接通时间和周期的监控。根据本发明，确保了即使在定时中发生例如由微处理器引起的缺陷的情形中，也不超过允许的表面温度。在本发明的有利的实施例中，设置了一种外部控制单元，该外部控制单元以使得下游构件的接通时间最大，而周期最小的方式控制经由该至少一条供应线路供应并且受到该至少一个时间触发消弧电路监控的功率。在这种情形中，时间触发消弧电路不工作，使得功率供应不被关闭。仅仅在缺陷的情形中，当超过最大允许接通时间时，消弧电路才实现短路并且从而防止将爆炸引发功率供应到爆炸危及区域中。消弧电路能够被实施为或者可逆的或者不可逆的。一个有利的实施例提出，通过控制单元记录缺陷的发生。由此生成例如向操作人员显示的错误报告。特别地，消弧电路是一种安全电路，该安全电路被如此设计，使得它用于限制具有例如点火保护类型Ex ia的最高点火保护类型的本质上安全的电流电路。而且，结合以上讨论，当多重地冗余地实施消弧电路时是有利的或者有必要的，其中作为对于爆炸危及区域而言成立的点火保护类型的函数来选择每条供应线路的冗余消弧电路的数目。在高安全性要求的情形中，通常为每条需要保护的线路设置三重冗余。本发明的安全电路的有利的实施例，分别地，本发明的时间触发消弧电路提出，消弧电路包括拥有它在在栅极和源极之间的电压为零的情形中在漏极和源极之间具有低电阻的性质的晶体管或者半导体闸流管。由此，除了缺陷的情形，消弧电路的功率消耗是非常小的。特别地重要的是，即使在低操作电压的情形中，电路也能够采取安全状态。本发明的方案的有利的实施例提出，受到监控的下游构件或者受到监控的多个下游构件与用于确定和/或监控物理或者化学工艺变量的现场设备相关联。诸如、例如记录对应的工艺变量、填充水平、流量、压力、温度、PH值和传导率的填充水平测量装置、流量测量装置、压力和温度测量装置、PH氧化还原电位测量装置、传导率测量装置等的传感器用于记录工艺变量。诸如、例如能够经由其改变在管段中的液体的流量或者在容器中的填充水平的阀或者泵的致动器用于影响工艺变量。原则上，靠近在工厂中的工作或者工艺安装应用并且给付或者处理工艺相关信息的所有装置均被称作现场设备。在本发明方面，现场设备因此特别地还包括远程I/O、无线电适配器或者通常地被布置在现场级处的装置。Endress+Hauser公司生产并且能够从那里获得很多的这种现场设备。而且，本发明的方案还良好地适合于在全数字移动无线电通信的情形中使得功率供应在爆炸危及区域中安全·。在这方面需要特意地述及的是经常应用的标准GSM-全球移动通信系统。当然，只要在爆炸危及区域中存在构件的定时操作，便能够一般地应用本发明。本发明的方案与微波雷达测量装置相组合是特别地有利的。已知的、这种类型的填充水平测量装置根据传播时间方法工作。传播时间方法利用物理定律，根据该定律，传播距离等于传播时间和传播速率的乘积。在填充水平测量的情形中，传播距离对应于在天线和填充物质的表面之间的间隔的两倍。所希望的回波信号，因此在填充物质的表面上反射的信号及其传播时间是基于所谓的回波函数和数字化包络曲线而确定的，其中该包络曲线表示作为在天线和填充物质的表面之间的间隔的函数的回波信号的幅值。然后根据在天线从容器底板的已知间隔和通过测量确定的、填充物质表面与天线的间隔之间的差来确定填充水平。能够应用使得能够借助于反射测量信号确定相对短的距离的、所有的已知方法。如果测量信号包括微波，则能够使用脉冲雷达以及还有调频连续波雷达(FMCW雷达)。使用脉冲雷达的微波测量装置能够例如根据商标MICR0PIL0T从受让人获得。能够例如根据商标PR0S0NIC从本受让人获得利用超声波信号工作的装置类型。图1示出在使用中的填充水平测量装置。本发明的方案的进一步的改进提出，该微波雷达测量装置具有天线单元、高频�？楹痛衅鞯缱由璞福渲懈酶咂的？椴咂挡饬啃藕牛渲芯商煜叩ピ⑸涓酶咂挡饬啃藕牛陀商煜呓邮赵谔畛湮镏时砻嫔戏瓷涞母咂挡饬啃藕牛⑶移渲写衅鞯缱由璞富谠诜⑸浜徒邮盏母咂挡饬啃藕胖涞拇ナ奔洳罾慈啡显谌萜髦械奶畛湮镏实奶畛渌�。在这种情形中，传感器电子设备和高频�？楸幌嗷ゼ涓艨渲写哟衅鞯缱由璞赶蚋咂的？榈哪芰看渚筛弥辽僖惶豕┯ο呗贩⑸�。经由至少一条信号线路传输在传感器电子设备和高频�？橹涞耐ㄐ攀�。在这种情形中，传感器电子设备被实施用于本质上安全性。本发明的填充水平测量装置的一个有利的实施例提出，经由至少一个受控消弧电路或者经由至少一个受控短路开关使得该至少一个供应线路是安全的，而经由在信号线路和传输线路中置放的电阻器关于最大供应功率限制存在的其它信号线路和在给定情形中其它传输线路。在这种情形中，应该确保被供应到爆炸危及区域中的最大允许平均功率被如此确定大小，使得用于预定点火保护类型的准则得以满足。
现在将基于附图更加详细地解释本发明，其中的图如下地示出:图1是填充水平测量装置的概略表示；图2a是在图3的供应线路8上的操作电压的曲线
图2b是与图2a的操作电压的曲线图相对应的功率的曲线图；图2c是图3中所示的构件13的表面温度的典型曲线图；图3是安全电路的概略表示，其中每一条供应线路具有它自身的、本发明的时间触发消弧电路；以及图4是本发明的时间触发消弧电路的框图。
具体实施例方式图1示出填充水平测量装置6的概略表示，在此情形中优选地应用本发明的方案。填充物质2被存储在容器I中。使用传播时间方法借助于填充水平测量装置6确认填充物质2在容器I中的填充水平3。在所示意的情形中，带有信号产生单元、发送单元和接收单元的天线单元10与控制/评估单元9空间地分离。在一方面产生信号的高频模块12和另一方面传感器电子设备9之间的数据交换和电流供应经由连接线路7、8发生。当然，关于本发明，还能够将紧凑的装置应用作为填充水平测量装置6。天线单元10安装在容器I的盖子4中的开口 5中。经由天线单元10，测量信号Tx，特别地微波，在填充物质2的表面法线的方向上辐射。在天线单元10中接收反射的回波信号Rx。基于测量信号Tx/回波信号Rx的传播时间，除了别的以外，控制/评估单元9确认填充物质2在容器I中的当前填充水平。图2a示出在图3的供应线路8上的定时操作电压Vop的曲线图。该曲线图示出接通时间t仅仅是周期T的一小部分。图2b的曲线图示出与图2a的操作电压相对应的功率FV等于:PAV=Pmax (接通时间 t/ 周期 T) +P*在这种情形中，P*对应于经由信号线路、控制线路和通信线路7传输的功率的总和。在图2a和2b中图示了这个主题。图2c是图3的构件12的表面温度T的曲线图。Tniax在这种情形中代表在爆炸危及区域中的构件12的最大容许表面温度。虚线代表由平均容许功率Pav引起的平均表面温度。关于构件14的最大容许表面温度，对于最大容许功率Pav以及由消弧电路11监控的最大接通时间t和最小周期T加以考虑。消弧电路11保证了预定最大接通时间t、和最小周期T的维持。在与传感器电子设备9相关联的控制单元缺陷性地使得接通时间t过长，或者周期T过短的情形中，时间触发消弧电路11通过短路防止在爆炸危及区域中超过平均容许功率Pav和允许的表面温度Tmax。图3示出功率限 制的概略表示，其中每一条供应线路8设置有本发明的时间触发消弧电路11。向传感器电子设备9供应了限制功率P_。经由在箝位�？橹谢蛘咴谏嫌瘟拥牡缱由璞�(未在图3中示出)中的对应的电阻实现功率限制。经由接口 17的电阻器15确保了接口 17的本质上安全性。除了供应线路8，六条其它的线路7被设置在传感器电子设备9和HF模块12之间。两条上方的线路7分别地用于传输高频信号HF和中间信号IF。四条另外的线路7是控制线路。电阻器15具有与本质上安全性相对应的高电阻。连接到两条供应线路8的消弧电路11作为时间的函数监控能量供应。由控制单元9预定定时，即，接通时间t与周期T的比率。通常地基于微处理器16，控制单元9是智能的。消弧电路11监控接通时间t与周期T的预定比率得以维持。如果存在故障，并且微处理器16使得接通时间t过长或者周期T过短，则对应的时间触发消弧电路11将供应线路8短路。短路完全地中断功率到爆炸危及区域中的供应。通过消弧电路11的中断能够是可逆的或者不可逆的。图4示出在供应线路8中的本发明的时间触发消弧电路11的操作。能量从爆炸危及区域C4传输到爆炸危及区域C6中。经由控制(转向)电压VSt，该电压在所图示的情形中是矩形电压-直接地在开关S关闭之前，消弧电路11对于下游构件12的接通时间t的持续时间被切换到高电阻模式。借助于以下公式，在限流电阻器Rlim=5ohm、接通时间t=2ms并且周期T=200时，被传输到区域C6中的最大功率被计算为22.5mW。
权利要求
1.一种电气或者电子安全电路(11)，所述电气或者电子安全电路经由至少一条供应线路(8)与在爆炸危及区域中在下游连接的至少一个构件(12)连接并且通过作为在所述爆炸危及区域中要求的点火保护类型的函数监控经由供应线路(8)供应的功率而保护所述构件，其中通过以使得所述至少一个下游构件(12)的接通时间小于所述定时周期的方式定时而操作所述至少一个下游构件(12)， 其特征在于， 所述电气或者电子安全电路(11)包括至少一个时间触发消弧电路或者时间触发短路开关，其中所述消弧电路(11)被实施为:它以使得不超过所述至少一个下游构件(12)在所述爆炸危及区域中的预定最大容许表面温度的方式监控所述至少一个下游电子构件(12)的接通时间和定时周期并由此监控功率供应。
2.根据权利要求1所述的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 设置了外部控制单元(9)，所述外部控制单元以使得所述下游构件(12)的接通时间最大，而所述周期最小的方式控制经由通过所述至少一个时间触发消弧电路(11)转移和监控的所述至少一条供应线路(8)供应的功率，无需所述时间触发消弧电路(11)工作并且关闭功率供应。
3.根据权利要求1所述的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 所述消弧电路(11)是用于限制具有例如点火保护类型Ex ia的最高点火保护类型的本质上安全的电流电路的安全电路。
4.根据权利要求1、2或者3所述的电气或者电子安全电路 其特征在于， 所述消弧电路(11)被实施为多重冗余，其中作为对于所述爆炸危及区域保持的点火保护类型的函数来选择所述冗余消弧电路(11)的数目。
5.根据权利要求1-4之一所述的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 所述消弧电路(11)包括晶体管(13)或者半导体闸流管，所述晶体管(13)或者半导体闸流管具有它在栅极(G)和源极(S)之间的电压为零的情形中在漏极(D)和源极(S)之间具有低电阻的性质。
6.根据权利要求1-5之一所述的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 受到监控的下游构件(12)或者在下游受到监控的多个构件与用于确定和/或监控物理或者化学工艺变量的现场设备(6)相关联。
7.根据权利要求6所述的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 所述现场设备(6)是微波雷达测量装置，所述微波雷达测量装置特别地经由传播时间方法确认填充物质(2 )在容器(I)中的填充水平。
8.根据权利要求6或者7所述的电气或者电子安全电路， 其特征在于，所述微波雷达测量装置(6 )包括天线单元(10 )、高频�？�(12 )和传感器电子设备(9 )，其中所述高频�？椴咂挡饬啃藕牛渲芯伤鎏煜叩ピ�(10)发送所述高频测量信号，相应地在所述填充物质(2)的表面(3)上反射的高频测量信号由天线接收，并且其中所述传感器电子设备(9)基于在发送和接收到的高频测量信号之间的传播时间差来确认填充物质(2 )在容器(I)中的填充水平。
9.根据前面权利要求中的一项或者多项的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 所述传感器电子设备(9)和所述高频�？�(12)被相互间隔开，从所述传感器电子设备(12)到所述高频�？�(9)的能量传输经由所述至少一条供应线路(8)发生，并且经由至少一条信号线路(7)传输在所述传感器电子设备(9)和所述高频�？�(12)之间的通信数据。
10.根据前面权利要求中的一项或者多项的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 所述传感器电子设备(9 )被实施为是本质上安全的。
11.根据前面权利要求中的一项或者多项的电气或者电子安全电路， 其特征在于， 经由至少一个受控消弧电路(11)或者经由至少一个受控短路开关而使得所述至少一条供应线路(8)是安全的，并且经由置于所述信号线路和传输线路(7)中的电阻器(15)，限制信号线路(7)和在给定情形中其它的传输线路提供的最大功率供应，其中到所述爆炸危及区域中的最大功率供应被如此确定大�。沟糜糜谒鲈ざǖ慊鸨；だ嘈偷淖荚虻靡月�。
全文摘要
本发明涉及一种时间触发消弧电路(11)，该消弧电路被设计成它监控至少一个下游电子构件(12)的接通时间(t)和定时周期(T)并由此监控功率供应，使得不超过该至少一个下游构件(12)在爆炸危及区域中的预定最大容许表面温度。
文档编号G01F23/284GK103250034SQ201180044633
公开日2013年8月14日 申请日期2011年8月12日 优先权日2010年9月15日
发明者罗兰·格罗青格, 得特勒夫·拉明 申请人:恩德莱斯和豪瑟尔两合公司
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