сигнальный интерфейс с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь"

Формула изобретения

1. Сигнальный интерфейс с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь", содержащий источники питания, многоуровневый компаратор, преобразователь, предназначенный для запитывания напряжением источника питания и имеющий на парафазных выходах переменное напряжение, разделительный узел и искрозащитный узел, причем искрозащитный узел соединен с разделительным узлом, к которому посредством указанного преобразователя подключен источник питания, питающий также компаратор, входы которого соединены с выходом указанного преобразователя, при этом разделительный узел обладает энергоограничивающими свойствами, обусловленными его максимальной выходной мощностью и частотно-избирательными свойствами, определяемыми преобразованием по частоте.

2. Сигнальный интерфейс по п. 1, отличающийся тем, что выход указанного преобразователя соединен дополнительно цепью обратной связи с входами многоуровневого компаратора, выходы которого оснащены транзисторными ключами, переключающимися в соответствии с извещениями в искробезопасной электрической цепи, при этом передачу извещений в указанную искробезопасную цепь осуществляют путем изменения питающего напряжения одновременно и независимо от приема извещений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к системам тревожной сигнализации, а именно к приемно-контрольным охранно-пожарным устройствам, и может быть использовано в пожарных, охранных и охранно-пожарных системах, монтируемых во взрывопожароопасных помещениях.

Сигнальный интерфейс - это (по ГОСТ Р 50775-95) устройство, обеспечивающее передачу извещений между техническими средствами охранной и/или охранно-пожарной сигнализации. Сигнальный интерфейс с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь" (в дальнейшем "сигнальный интерфейс") - это устройство, обеспечивающее за счет своего особого конструктивного исполнения безопасную передачу извещений между извещателями, расположенными во взрывопожароопасной зоне, и приемно-контрольным прибором, расположенным вместе с данным интерфейсом вне взрывопожароопасной зоны.

В технике известно, что для обеспечения вида взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь" используют

- гальваническое разделение искробезопасных цепей от цепей искроопасных;

- искрозащитные узлы, ограничивающие поступление электроэнергии в искробезопасные цепи.

Известен прибор приемно-контрольный охранно-пожарный ППКОП 041-1-1 "Сигнал-44" (ТУ 25.0953.0004-90), выбранный в качестве прототипа. Конструктивно прибор состоит из последовательно соединенных

- искрозащитного узла, выполненного в виде отдельного модуля в оболочке, под которой расположены два токоограничительных резистора и стабилитрон;

- компаратора, выполненного на дискретных элементах (транзисторах, резисторах, диодах;

- командно-временного узла, выполненного на дискретных элементах, имеющего светодиодный индикатор контроля состояния шлейфа и релейный выход;

- блока питания с резервным источником тока и разделительным узлом в виде трансформатора, обеспечивающего питание гальванически связанных между собой искробезопасной цепи и электрической схемы прибора и гальванически развязывающего данные цепи от промышленной сети переменного тока.

К недостаткам прототипа следует отнести

- наличие между искрозащитным и разделительным узлами электрической схемы, содержащей конденсаторы, транзисторы и резервный источник питания, которая в аварийном режиме может служить несанкционированным источником электроэнергии, что ведет к снижению уровня защиты искробезопасных цепей;

- разделительный узел (трансформатор) работает на переменном токе с частотой промышленной сети, обеспечивает питание гальванически связанных искробезопасной цепи и электрической схемы прибора, вследствие чего он должен быть рассчитан на максимальную мощность, во много раз большую, чем мощность, необходимая для питания только искробезопасных цепей, таким образом, трансформированная энергия может быть значительно большей, чем это необходимо для искробезопасных цепей, что снижает уровень защиты искробезопасных цепей;

- невозможность осуществлять прием-передачу извещений между техническими средствами в обоих направлениях одновременно (от искробезопасных цепей к искроопасным и в обратном направлении).

Задачей изобретения является повышение уровня взрывозащиты искробезопасных цепей с приданием устройству дополнительных функций по обеспечению одновременного приема-передачи извещений от искробезопасных цепей к искроопасным и в обратном направлении (от источника питания к искробезопасной цепи) за счет иного выполнения разделительного узла, иной взаимосвязи разделительного и искрозащитного узлов и за счет применения многофункционального преобразователя, выполняющего преобразование электроэнергии из постоянного тока в переменный и преобразование извещений, направляемых от искроопасных цепей к искробезопасным в прямом и обратном направлениях одновременно и независимо друг от друга, и выполняющего также компенсацию искажений извещений, получаемых от искробезопасных цепей, обусловленных изменениями питающего напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что разработан сигнальный интерфейс с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь", содержащий источник питания, компаратор, искрозащитный узел, разделительный узел, причем дополнительно имеется многофункциональный преобразователь, искрозащитный узел соединен с разделительным узлом, к которому посредством преобразователя подключен источник питания, питающий также компаратор, входы компаратора соединены с выходом многофункционального преобразователя, причем разделительный узел дополнительно обладает энергоограничивающими свойствами, обусловленными его максимальной выходной мощностью и частотно-избирательными свойствами, определяемыми преобразованием по частоте.

Кроме того, многофункциональный преобразователь сигнального интерфейса с видом взрывозащиты "искробезопасная электрическая цепь" выполнен на основе двухтактного ШИМ-контроллера, выход которого соединен дополнительно цепью обратной связи с входами многоуровневого компаратора, выходы многоуровневого компаратора оснащены транзисторными ключами, причем переключение ключей осуществляется в соответствии с извещениями в искробезопасной цепи и не зависит от изменений напряжения источника питания благодаря компенсации напряжением обратной связи изменений опорных напряжений для компаратора, вызванных изменениями питающего напряжения, при этом передача извещений в искробезопасную цепь осуществляется путем изменения питающего напряжения одновременно и независимо от приема извещений от искробезопасной цепи.

Энергоограничивающие свойства разделительного узла обусловлены максимальной энергией передачи. При увеличении энергии, подводимой к разделительному узлу, выше максимальной, происходит его насыщение и энергопропускная способность узла ограничивается тем самым на расчетном уровне.

Рабочая (номинальная) частота, на которой работает разделительный узел, выбирается на порядок выше промышленной частоты, при этом коэффициент передачи между входом и выходом разделительного узла на частотах, значительно отличающихся от номинальной частоты, ничтожно мал. Поэтому, в случае аварийного подключения несанкционированных источников энергии постоянного тока и токов промышленной частоты к искроопасным цепям сигнального интерфейса, в разделительном узле благодаря его частотным свойствам происходит ограничение энергии на заданном уровне.

Кроме того, наличие цепи обратной связи между многофункциональным преобразователем и многоуровневым компаратором, выходы которого оснащены транзисторными ключами, переключающимися в соответствии с извещениями в искробезопасной цепи вне зависимости от изменения напряжения источника питания, позволяет осуществлять одновременный и независимый прием и передачу извещений от искробезопасных цепей к искроопасным и в обратном направлении (от источника питания к искробезопасной цепи).

Таким образом, создан последовательный двойной искрозащитный барьер для опасных электрических потенциалов между искробезопасной и искроопасной цепями, состоящий из искрозащитного узла и разделительного узла с дополнительными искрозащитными функциями, с приданием заявляемому устройству дополнительных функций по обеспечению одновременного приема-передачи извещений от искробезопасных цепей к искроопасным и в обратном направлении (от источника питания к искробезопасной цепи), что позволяет говорить о достижении заявляемого технического результата.

Конструктивно сигнальный интерфейс выполнен таким образом, что выход искрозащитного узла соединен непосредственно со входом разделительного узла, то есть имеет место непосредственная гальваническая связь искрозащитного и разделительного узлов и устраняется возможность появления перед искрозащитным узлом любых несанкционированных источников электроэнергии, минуя разделительный узел.

Так как разделительный узел питает через искрозащитный узел только слаботочные искробезопасные цепи, требуемая для них энергия во много раз меньше, чем энергия, необходимая для питания всего устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый сигнальный интерфейс отличается от прототипа наличием многофункционального преобразователя, иной взаимосвязью между разделительным и искрозащитным узлами, наличием у разделительного узла дополнительных искрозащитных свойств, а также отличается расположением искрозащитного узла по отношению к электрической схеме, в составе которой имеются преобразователь, компаратор и источник питания. В прототипе между разделительным узлом и искробезопасной цепью находятся компаратор, командно-временной блок, источник питания. В заявляемом устройстве последовательно соединены искрозащитный узел, разделительный узел, многофункциональный преобразователь, к которому подключен источник питания, питающий далее искробезопасную цепь через разделительный и искрозащитный узлы, а также многоуровневый компаратор, причем входы компаратора соединены с выходом преобразователя. В прототипе разделительный узел связан непосредственно с источником питания, а в заявляемом устройстве разделительный узел связан с источником питания посредством преобразователя.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что разделительные элементы и узлы, применяемые для гальванической развязки искробезопасных и искроопасных цепей, широко известны. Однако только заявляемое конструктивное решение, когда разделительный узел непосредственно электрически связан с искрозащитным узлом и наделен дополнительно частотно-избирательными и энергоограничивающими свойствами, а источник питания и многоуровневый компаратор как потенциальные несанкционированные источники электроэнергии соединены с искрозащитным узлом посредством многофункционального преобразователя и разделительного узла, что не только повышает взрывозащиту, но и придает устройству дополнительные возможности, дает новое качество, а именно повышение уровня искробезопасности защищаемых электрических цепей за счет исключения любых несанкционированных источников и ограничения энергии перед искрозащитным блоком. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "изобретательский уровень".

Более подробно изобретение поясняется с помощью чертежа, на котором представлен предпочтительный вариант принципиальной электрической схемы устройства.

На чертеже показана практически реализуемая принципиальная электрическая схема сигнального интерфейса, обеспечивающая прием не менее трех извещений от искробезопасной цепи к искроопасным цепям приемно-контрольного прибора и передачу информационных сигналов в искробезопасную цепь от источника питания.

Сигнальный интерфейс состоит из

- искрозащитного узла А2, содержащего резисторы R2, R3, стабилитрон VD1;

- разделительного узла A3, выполненного на трансформаторе Т1, конденсаторе С1 и диодах VD2, VD3;

- многофункционального преобразователя А4, выполненного на основе двухтактного ШИМ-контроллера D1 (микросхема КР1114 ЕУ4 ТУ КО.348.901-02), на резисторах R4, R5, R6, R7 и на конденсаторах С2, С3, С4, С5;

- многоуровневого компаратора А5 на основе микросхемы D2 (микросхема К1401 СА1 ТУ КО.348.561-04), содержащего транзисторные ключи VT1, VT2, резисторы R8, R9, R10, R11, R12, R13, конденсатор С6, светодиодный индикатор VD4;

- источника питания А7 с батареей G1 и защитным диодом VD5;

Разделительный элемент предлагаемого сигнального интерфейса может быть выполнен не только на трансформаторе, но и, например, на электрооптронных и других элементах, что никоим образом не ограничивает изобретение.

Сигнальный интерфейс работает следующим образом:

через диод VD6 от искроопасных цепей приемно-контрольного прибора поступает напряжение на ключи VT1, VT2 и при подключении батареи G1 через диод VD5 запитываются микросхема D1 преобразователя, микросхема D2 компаратора, резистивные делители R8, R9, R10, формирующие опорные напряжения для компаратора.

На противофазных выходах (8,11) микросхемы D1 возникает переменное напряжение (частота выше частоты промышленной сети) и далее через трансформатор Т1 с энергоограничивающими и частотно-избирательными свойствами переменный ток, выпрямляясь через диоды VD2, VD3 и сглаживаясь конденсатором С1, поступает в искрозащитный узел.

Через токоограничивающие резисторы R2, R3 и стабилитрон VD1 выпрямленный ток подается в искробезопасные цепи, при этом величина подаваемого тока зависит от величины сопротивления искробезопасной цепи. В это же время в цепи на резисторе R5 и конденсаторе С4 формируется напряжение обратной связи, пропорциональное току потребления преобразователя, которое поступает на входы 7, 11 микросхемы D2 и сравнивается с опорньми напряжениями (входы 6,10 микросхемы D2), зависящими от напряжения батареи G1, вследствие данной зависимости изменение напряжения обратной связи с цепи R5, С4, вызванное изменением напряжения батареи G1, компенсируется.

На выходах микросхемы D2 формируются бинарные уровни напряжения, обеспечивающие переключения транзисторных ключей VT1, VT2 в соответствии с током потребления через нагрузку R1 и не зависящие от напряжения батареи G1. Результирующее значение тока (извещение), поступающее в искроопасные цепи приемно-контрольного прибора, соответствует суммарной величине токов, проходящих через ключи VT1 и VT2, и зависит от токопотребления в искробезопасной цепи.

При номинальном значении тока в искробезопасной цепи в дежурном режиме напряжение обратной связи в цепи R5, С4, формируемое на выходах 9,10 микросхемы D1 и поступающее на входы 7,11 микросхемы D2, меньше, чем опорное с резистора R10 и больше, чем с резистора R9. В результате ключ VT2 открыт, а ключ VT1 закрыт. Индикатор VD4, включенный последовательно с резистором R13 в цепь стока VT2, светится. Номинальное значение тока в искроопасной цепи приемно-контрольного прибора устанавливается подстроечным резистором R13, при этом в искроопасную цепь поступает извещение "дежурный режим".

При увеличении токопотребления в искробезопасной цепи, например, при коротком замыкании нагрузки R1 возрастает ток потребления микросхемы D1, что приводит к росту напряжения в цепи обратной связи R5-C4 и оно становится больше опорного напряжения на резисторе R10, что вызывает закрытие ключа VT2, при этом светодиод VD4 гаснет и в искроопасную цепь приемно-контрольного прибора поступает извещение "короткое замыкание".

При уменьшении токопотребления в искробезопасной цепи, например при ее обрыве, на цепи обратной связи R5-С4 напряжение уменьшается и оно становится меньше опорного напряжения на резисторе R9, что обеспечивает открытие обоих ключей VT1, VT2, при этом светодиод VD4 не светится и в искроопасную цепь приемно-контрольного прибора поступает извещение "обрыв".

Извещения в обратном направлении подаются путем изменения питающего напряжения источника питания А7. Поскольку изменения тока в искробезопасной цепи пропорциональны изменениям напряжения источника А7 и в тоже время извещения от искробезопасных цепей, поступающие в искроопасные цепи, сохраняют свои значения, т.к. изменения напряжения обратной связи и опорные напряжения, вызванные изменениями напряжения источника А7, компенсируются, то таким образом обеспечиваются прием информационных сигналов в искробезопасную цепь и передача информации от этой цепи одновременно и независимо друг от друга.

Экспериментальные исследования заявляемого сигнального интерфейса показали, что он по сравнению с устройством аналогичного назначения (прототипом) обеспечивает повышение уровня искробезопасности электрических цепей и обеспечивает одновременную прием-передачу информационных сигналов от искробезопасных цепей в искроопасные, и наоборот.

Заявляемый сигнальный интерфейс может быть выполнен из узлов и комплектующих элементов, имеющихся в продаже, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "промышленная применимость".