PL224082B1

PL224082B1 - Measuring system with galvanic isolation for devices with intrinsically safe circuits

Info

Publication number: PL224082B1
Application number: PL401605A
Authority: PL
Inventors: Piotr Prystupiuk
Original assignee: Inst Tele I Radiotechniczny
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2016-11-30
Also published as: PL401605A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ pomiarowy z separacją galwaniczną do urządzeń z obwodami iskrobezpiecznymi, stosowanymi w przestrzeniach zagrożonych wybuchem, np. w kopalniach.The subject of the invention is a measuring system with galvanic separation for devices with intrinsically safe circuits, used in potentially explosive atmospheres, e.g. in mines.

W znanych rozwiązaniach układów pomiarowych z separacją galwaniczną do urządzeń z obwodami iskrobezpiecznymi stosuje się układy zbudowane z przetwornika napięcia na częstotliwość, transoptora zapewniającego izolację oraz przetwornika częstotliwości na napięcie. Wadą tego rozwiązania jest stosunkowo duży pobór prądu oraz złożoność układu.In the known solutions of measuring systems with galvanic separation for devices with intrinsically safe circuits, systems consisting of a voltage-to-frequency converter, an optocoupler providing insulation and a frequency-to-voltage converter are used. The disadvantage of this solution is the relatively high power consumption and the complexity of the system.

Inne znane układy zbudowane są z mikrokontrolerów połączonych z przetwornikami analogowo cyfrowymi, które przetwarzają sygnał analogowy na postać cyfrową i przez transoptor zapewniający izolację przesyłają informację o sygnale do procesora nadrzędnego po stronie obwodów nieiskrobezpiecznych urządzenia elektronicznej automatyki zabezpieczeniowej EAZ. Wadą tego rozwiązania jest złożoność układu i konieczność programowania.Other known systems consist of microcontrollers connected with analog-to-digital converters, which convert the analog signal into digital form and, through an optocoupler providing isolation, send information about the signal to the master processor on the circuit side of the non-intrinsically safe electronic protection devices EAZ. The disadvantage of this solution is the complexity of the system and the need for programming.

Znane są też z opisów patentowych układy pomiarowe z separacją galwaniczną, zbudowane w oparciu o transoptory analogowe. Układy te są dostępne w notach aplikacyjnych transoptorów analogowych, oraz przedstawione w opisach patentowych nr EP0875765A1, nr US5517154A, nr CN102305890A, nr CN101923111A i nr CM 102062799A, lecz nie mogą być one stosowane do separacji galwanicznej między obwodami iskrobezbiecznymi i nieiskrobezpiecznymi, ponieważ nie spełniają odpowiedniego poziomu zabezpieczenia transoptora przed nadmiernym wydzielaniem mocy w przypadku uszkodzenia elementów uszkadzalnych układu pomiarowego, według normy PN-EN 60079-11.Also known from patents are measuring systems with galvanic separation, built on the basis of analog optocouplers. These systems are available in the application notes of analog optocouplers and presented in the patent descriptions No. EP0875765A1, No. US5517154A, No. CN102305890A, No. CN101923111A and No. CM 102062799A, but they cannot be used for galvanic separation between intrinsically safe and non-intrinsically safe circuits. the level of protection of the optocoupler against excessive power dissipation in the event of damage to the damaged components of the measuring system, according to the PN-EN 60079-11 standard.

Układ pomiarowy z separacją galwaniczną do urządzeń z obwodami iskrobezpiecznymi według wynalazku, zbudowany jest w oparciu o transoptor analogowy. Dioda nadawcza transoptora jest połączona katodą z masą nieiskrobezpiecznej części obwodu iskrobezpiecznego, a anodą poprzez pierwszy rezystor z wyjściem pierwszego wzmacniacza. Na wejście nieodwracające pierwszego wzmacniacza podawany jest sygnał pomiarowy. Pierwsza dioda odbiorcza transoptora analogowego jest podłączona katodą do napięcia zasilającego nieiskrobezpieczną część obwodu iskrobezpiecznego, a anodą poprzez drugi rezystor do masy nieiskrobezpiecznej części obwodu iskrobezpiecznego i trzeci rezystor do wejścia odwracającego pierwszego wzmacniacza. Pomiędzy wejście odwracające i wyjście pierwszego wzmacniacza włączony jest kondensator. Druga dioda odbiorcza transoptora analogowego jest podłączona katodą do napięcia zasilającego obwód nieiskrobezpieczny, a anodą przez dzielnik rezystancyjny zbudowany z rezystora czwartego i piątego z wejściem nieodwracającym drugiego wzmacniacza, pracującego w układzie wtórnika. Wyjście drugiego wzmacniacza jest wyjściem układu pomiarowego.The measuring system with galvanic separation for devices with intrinsically safe circuits according to the invention is built on the basis of an analog optocoupler. The transmitting diode of the optocoupler is connected by a cathode to the ground of the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit, and to the anode through the first resistor to the output of the first amplifier. A measuring signal is fed to the non-inverting input of the first amplifier. The first receiving diode of the analog optocoupler is connected with a cathode to the voltage supplying the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit, and with the anode through the second resistor to the ground of the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit and the third resistor to the inverting input of the first amplifier. A capacitor is connected between the inverting input and the output of the first amplifier. The second receiving diode of the analog optocoupler is connected with a cathode to the voltage supplying the non-intrinsically safe circuit, and with the anode through a resistive divider made of the fourth and fifth resistor with the non-inverting input of the second amplifier, operating in the repeater circuit. The output of the second amplifier is the output of the measuring circuit.

Układ według wynalazku ma szereg zalet. Zastosowanie transoptora analogowego pozwoliło na zmniejszenie złożoności układu, a więc zajmowanej przez niego powierzchni, ograniczyło moc pobieraną przez układ pomiarowy, o której decyduje głównie prąd diody nadawczej, mniejszy jest również koszt takiego rozwiązania w porównaniu z rozwiązaniami alternatywnymi.The system according to the invention has a number of advantages. The use of an analog optocoupler made it possible to reduce the complexity of the system, and thus the area it occupies, limited the power consumed by the measuring system, which is mainly determined by the current of the transmitting diode, and the cost of such a solution is lower compared to alternative solutions.

Najistotniejszą zaletą układu jest możliwość stosowania go do separacji galwanicznej między obwodami iskrobezbiecznymi i nieiskrobezpiecznymi zgodnie z normą PN-EN 60079-11. Wg wymagań normy element separujący - transoptor musi być zabezpieczony przed nadmiernym wydzielaniem mocy w przypadku uszkodzeń elementów uszkadzanych układu pomiarowego. Jeśli wartości rezystorów pierwszego, drugiego, trzeciego i czwartego są dobrane w taki sposób, że spełniają warunek nieuszkadzalności wg normy, to zabezpieczają one transoptor przed nadmiernym wydzielaniem mocy w przypadku uszkodzeń elementów uszkadzalnych w układzie pomiarowym, bądź obwodach połączonych z nim i w konsekwencji może być stosowany do separacji galwanicznej między obwodami iskrobezbiecznymi i nieiskrobezpiecznymi. Układ charakteryzuje się szerokim pasmem pomiaru, do 200kHz przy obecnie produkowanych transoptorach.The most important advantage of the system is the possibility of using it for galvanic separation between intrinsically safe and non-intrinsically safe circuits in accordance with the PN-EN 60079-11 standard. According to the standard requirements, the separating element - optocoupler must be protected against excessive power dissipation in the case of damage to the damaged elements of the measuring system. If the values of the first, second, third and fourth resistors are selected in such a way that they meet the reliability condition according to the standard, they protect the optocoupler against excessive power dissipation in the event of damage to damaged components in the measuring system or circuits connected to it and, consequently, can be used for galvanic separation between intrinsically safe and non-intrinsically safe circuits. The system is characterized by a wide measurement bandwidth, up to 200kHz with currently manufactured optocouplers.

Przedmiot wynalazku zostanie przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, który stanowi schemat ideowy układu.The subject of the invention will be presented in the embodiment in the drawing, which is a schematic diagram of the system.

Układ pomiarowy z separacją galwaniczną do urządzeń z obwodami iskrobezpiecznymi jest zbudowany w oparciu o transoptor analogowy. Dioda nadawcza DN1 jest sterowana poprzez rezystor R1 sygnałem wyjściowym pierwszego wzmacniacza W1. Do wejścia nieodwracającego pierwszego wzmacniacza W1 podłączony jest sygnał pomiarowy. Pierwsza dioda odbiorcza DO1 transoptora analogowego U2 jest podłączona katodą do napięcia zasilającego część nieiskrobezpieczną obwodu iskrobezpiecznego UZAS1, anodą poprzez rezystor R2 do masy części nieiskrobezpiecznej obwoduThe measuring system with galvanic separation for devices with intrinsically safe circuits is built on the basis of an analog optocoupler. The transmitting diode DN1 is driven by the resistor R1 by the output signal of the first amplifier W1. The measuring signal is connected to the non-inverting input of the first amplifier W1. The first receiving diode DO1 of the analog optocoupler U2 is connected with a cathode to the voltage supplying the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit UZAS1, with an anode through the resistor R2 to the ground of the non-intrinsically safe part of the circuit

PL 224 082 B1 iskrobezpiecznego GND1 i poprzez rezystor R3 włączona w pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego pierwszego wzmacniacza W1. Pomiędzy wejście odwracające i wyjście pierwszego wzmacniacza W1 włączony jest kondensator C1. Druga dioda odbiorcza DO2 transoptora analogowego U1 jest podłączona katodą do napięcia zasilającego obwód nieiskrobezpieczny UZAS2, a anodą do dzielnika zbudowanego z rezystorów R4 i R5, którego wyjście jest połączone z wejściem drugiego wzmacniacza W2, pracującego w układzie wtórnika. Wyjście wtórnika jest wyjściem układu pomiarowego. Wzmocnienie całego układu wynosi:PL 224 082 B1 of intrinsically safe GND1 and connected to the negative feedback loop of the first amplifier W1 through the resistor R3. A capacitor C1 is connected between the inverting input and the output of the first amplifier W1. The second receiving diode DO2 of the analog optocoupler U1 is connected with the cathode to the voltage supplying the non-intrinsically safe circuit UZAS2, and with the anode to the divider built of the resistors R4 and R5, the output of which is connected to the input of the second amplifier W2 operating in the repeater circuit. The duplicate output is the output of the measuring system. The gain of the entire system is:

_ K2 R5 ^UwY ~ ^UwE ' Ki' R2 gdzie K1 i K2 są współczynniki sprzężenia diody nadawczej DN1 z diodami odbiorczymi DO1 i DO2. Układ może być wykorzystany do pomiarów wielkości analogowych i wbudowany do urządzeń automatyki zabezpieczeniowej EAZ, przewidzianej do zastosowań górniczych. Układ zapewnia separację galwaniczną i umożliwia spełnienie wymagań normy PN-EN 60079-11 w zakresie połączenia obwodu nieiskrobezpiecznego z nieiskrobezpieczną częścią obwodu iskrobezpiecznego._ K2 R5 ^UwY ~ ^UwE 'Ki' R2 where K1 and K2 are the coupling coefficients of the transmitting diode DN1 with the receiving diodes DO1 and DO2. The system can be used to measure analog values and built into the EAZ protection automation devices intended for mining applications. The system provides galvanic separation and enables meeting the requirements of the PN-EN 60079-11 standard for the connection of the non-intrinsically safe circuit with the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit.

Claims

Patent claim

Measuring system with galvanic separation for devices with intrinsically safe circuits, built on the basis of an analog optocoupler (U1), whose transmitting diode (DN1) is connected by a cathode with the ground of the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit (GND1) and the anode through a resistor (R1) with the output of the first amplifier (W1), to which the non-inverting input is applied a measuring signal, and the first receiving diode (DO1) of the analog optocoupler (U1) is connected with the cathode to the voltage supplying the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit (UZAS1), and with the anode through the resistor (R2) to the ground of the non-intrinsically safe part of the intrinsically safe circuit (GND1), where the capacitor (C1) is connected between the inverting input and the output of the first amplifier (W1), while the second receiving diode (DO2) of the analog optocoupler (U1) is connected by a cathode to the voltage supplying the non-intrinsically safe circuit (UZAS2), and the output amplifier (W2) is connected to its inverting input and the output of the amplifier circuit iris circuit, where the non-inverting input of the second amplifier (W2) is connected via a resistor (R5) to the ground of the non-intrinsically safe circuit (GND2), characterized in that the resistor (R3) is connected with one lead to the inverting input of the first amplifier (W1), and with the second lead to the resistor node (R2) and the diode anode (DO1), and the resistor (R4) is connected with one lead to the diode anode (DO2) and the other to the resistor node (R5) and the non-inverting input of the second amplifier (W2).