专利名称：具有易燃电弧保护装置的电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有易燃电弧保护装置的电路，特别但并不专用于易燃环境，特别是气体组分类IIC，氢和乙烯，以及以下，如气体组IIB和IIA，用于气体和/或粉尘。
用于这种环境的常规内在安全的电源通过持续限制给系统的能量来工作，使得任何潜在的易燃故障总是被充分地限能在一个安全等级。这个限制被持续地施加，即使负载或电缆能够以非易燃方式工作，例如在正常运行期间，处于安全温度并且没有任何电弧放电。
图1是一个已知的内在安全的电源的简单图示。线性内在安全的电源包括一个箝位电压源V和一个限流电阻R。由于对电源的电流和电压限制，一个潜在的易燃故障4r，4是非易燃的。
图2和3是可选的已知内在安全的电源的简单图示。图2示出了一个包括梯形型的限流电路的非线性电源，图3示出了一个矩形型的限流电路。在这些实例中，电流被以紧得多的方式被控制，因此产生了一个较高的工作电流和一个较低的短路电流，它们提供了一个高得多的电感性负载。
这些类型的系统的主要缺点是它们持续限制给电路的能量，即使附属设备能够以安全的或非易燃的方式运行。结果，这些电路被限制到一个低功率。
一个可选方法是使用一个反应性的电源，如美国专利No.5982594中所披露的，但是该系统的应用有些受到限制。
电源只对特定类型形成的具有可重复和可辨识特性的电弧做出反应，该特性不同于电阻故障或负载，通常属于低于IIC的气体组。在“非矿业”气体组IIC中发现的电弧特性不能被充分地检测。
其它已知的系统能够检测电气路径中的串联闭合或断路，但只能在该路径是非电感性的并且是受机械保护装置保护以防止输出产生分流型故障的情况下。而且，一些其它已知的系统对电源输出使用连续中断(CIS)，其中中断脉冲间隔率有一定的大小和时间限制以防止任何传播电弧在任何时间变得易燃。但是，该技术限制了双重低频信令的使用，并在建议的功率电平上具有一种对能够使用的电缆长度的频率规定限制。
本发明的目的是为了解决上述的各种问题并提供一种对可能变得易燃的电弧和可能形成电弧的短路电路都能动态反应的新颖的方法。
因此，根据本发明的一种电路包括一个电源、一个负载和一个易燃电弧保护装置，该装置包括一个监视装置和一个隔离装置，其中该监视装置通过一个反应器装置监视该电路，如果一个可能引起易燃电弧的短路发生在该电路中，则该反应器装置的反应被该监视装置检测到，并且该隔离装置全部或部分地将该电源与所述短路电路隔离开，这样就不会发生易燃电弧，其中如果一个具有传播非易燃电弧特性的电流和/或电压模式的故障发生在该电路的电源和负载之间，该反应器装置的反应被该监视装置检测到，并且该隔离装置全部或部分将该电源与所述的故障隔离开，这样就不会发生易燃电弧。
因此，本发明不同于常规的限制电路能量的方法，而代之以对所有的或可能的故障进行反应。因此，本发明的电路可以是一个比已知的固有安全电路更高功率的电路。本发明的易燃电弧保护装置也不同于已知的反应系统，其是由电路本身的行为而不是由实际的故障所驱动的。这使得它内在上更为安全。
(短语“全部或部分隔离”在上面以及这里被进一步使用。该短语用于上下文的阅读中，意思是电源(或负载)被完全与电路的其它部分隔离，或只是被隔离到一个危险被避免的点。本发明包括这两种情况。)本发明取决于非易燃电弧效应的特性，以及短路或连接电路效应的特性。
简单而言，通过两个导体之间的气体加热一个路径的方式，形成在气体组IIA，IIB和IIC中的易燃或非易燃电弧通过两个导体之间的易燃气体传播。换句话说，该电弧通过气体的路径具有一个阻抗，该阻抗将电能转化为热能。事实上，易燃电弧的传播比这稍微复杂一点，因为它依赖于它两端的电压电势以及散入的能量。
但是，这样的电孤的第一和最重要的特性是对于第一个十微秒左右，它们表现出20欧姆和50欧姆之间的一种近似电阻，典型的是25到30欧姆。这是一种可重复和定义的特性，可在电弧形成时插入电路中。之后，电弧开始获得无穷大的阻抗特性，该特性频繁地获得在最高电流和电压时提供最大能量转化的电阻，该电流或电压可从给定的电源处获得。
图4是一个表示正在传播中的电弧的属性的示图。如图4所示，在第一个十微秒左右，电弧的能量保持在一个非易燃区35，十微秒左右之后，该电弧进入一个易燃区34。图19的电弧故障具有气体组IIC条件的特性。一旦该电孤转入易燃区34，需要时间来发展到足够的能量来变得易燃，根据以下公式E=∫0tVIδt]]>其中E是对于一个给定的化学计量氧化剂/燃料燃烧，激励一个易燃反应所需的能量，或对于一个氧化剂/燃料率所需的最少的点火能量。(一些火花测试或者需要使用氧和氢的混合物，这是最容易起火的组合，使得简单的测试具有内含的安全因数且不需要测试电路调整，如电压和/或电流以产生一个安全因数。)因此，在大约0到10微秒附近有一个时间窗，以在任何电弧变得易燃之前执行一种规避动作。
图5是一个简单的电弧图示。在图5中，电弧17在火花隙18a到18b间产生，该电弧17具有一个表面电阻Rarc。在第一个10微秒，该电弧电阻Rarc的值典型的为25到30欧姆。该特性符合闭合型电弧和断路型电弧。图6和7是一个闭合型电弧和一个断路型电弧的简单示图。在图6中，一个闭合型电弧闭合3c具有一个内部电阻Rarc，在图7中，一个断路型电弧断路3o也具有一个内部电阻Rarc。
除了漏电型电孤，其是固有安全设计中的主要因素，这两种类型的故障是可能发生的唯一故障情况，并且可通过本发明的反应器装置的反应进行电子或电气检测。
有不同类型的故障能够导致闭合型电孤或断路型电弧。图8和9是具有多种可能的故障情况的电路的简单示图，其中所有的故障情况都能被本发明检测和处理。
图8示出了四个分路型故障，其中包括一个闭合型的电弧fa，在该处形成了一个实际电弧，一个物理触点fb，在该处形成了一个可能产生易燃电孤的短路电路，一个之后的断路型电弧fc，在该处形成了一个实际电弧，以及一个之后的物理断路fd，其中形成了一个可能的易燃电弧。能够导致这些故障发生的可能是一个抗氧化的金属片沿供电轨滑落。显然，要发生一种如fc或fd的“断路”，一种“闭合”必须先发生。当然，如果任何如图8所示这样的电阻或电导故障具有足够高的电阻或电导来阻止任何电弧易燃，则该电路将是内在安全的，该电弧可被避免。
但是，本发明目的是用于更高功率的电路，该电路没有足够的电阻或电导来阻止电弧变得易燃，并且因此所有的故障，或者任何看上去是一个故障的事件都必须被处理。
这类分路型故障是容易根据本发明的反应器装置的反应所检测的，因为电路中的电压值下降。
图9示出了四种串联型故障，包括一个闭合型电弧fa，在该处形成了一个实际电弧，一个物理触点fb，在该处形成了一个可能的易燃电弧，一个之后的断路型电弧fc，在该处形成了一个实际电弧，以及一个之后的物理断路fd，其中形成了一个可能的易燃电弧。这些“故障”中的任何一个可能是普通的操作故障，如连接或开关行为。这类串联型故障也可以很容易地根据本发明的反应器装置的反应所检测，或者通过穿过反应器装置的压升或压降来检测。
这些故障都是可检测的，但是很重要的一点是，本发明将只在电弧保护装置能够在任何电弧变得易燃前隔离电源的情况下发生作用。这在一个小电路的限制范围内显然是可能的，但本发明的目的是与以大滴注(instillations)为特征的非常长的电缆一起使用。
任何长度的电缆都具有一个与其长度、电感、电阻和电容成正比的传播时延。通常，一千米双绞线电缆将延迟一个事件将近6微秒。因此，如果一个正在传播的非易燃电弧发生在一个一千米长的电缆的一端，该事件将直到6微秒之后才能在另一端被检测到。检测到之后，该非易燃电弧必须被消除以防止它变得易燃，这样做的时候电源被全部或部分隔离。但是在电源被隔离之后电缆中仍然有能量存在，该能量继续供应该电弧因为它必须被耗尽。因此，从电源被隔离到电缆中的该能量被全部耗尽还有一个传播时间。该传播时间也与该电缆的参数成正比，并且又将是另一个6微秒，从电弧故障的开始到该电弧消除，总的时间将近12微秒。另外，该电弧保护装置的检测和反应时间也不是瞬时的，也通常会持续长达1到2微秒。而且，该电弧保护装置由使用一个静噪带以避免与线上的噪声发生反应，可能具有一个提高的检测阈值(进一步的细节在下面描述)，这也增加了反应的延迟时间。另外，实际中在电缆中可能有附加的电容负载或阻尼，这也将增加延迟时间。
因此，如果该电弧保护装置根据电源来定位，对能够使用的电缆的长度和属性将会有一个限制。
因此，在本发明的一个优选实施方式中，所述的监视装置和所述的隔离装置可以放置在电路的电源端，该易燃电弧保护装置还可进一步包括一个负载端监视装置和一个负载端隔离装置。
在一个实施方式中，如果电压降到一个预定的阈值以下，该负载端隔离装置可以全部或部分隔离该负载与该电路。利用这种结构，如果一个可能引起易燃电弧的短路发生在该电路中，该负载被隔离了，并且电源端隔离装置全部或部分隔离了电源，因为在这样的情况下电压会下降。如果电路中的电压因为其它原因而下降，这种结构也将隔离负载。该实施方式可通过包含参考一个参考电压的比较器的电压坍塌电路来实现。
该结构还进一步增加了系统的安全性，因为负载在短路故障时被全部或部分隔离。还使得下面描述的其它特征发挥作用。该结构是一种相对简单的隔离负载的方式，如下所述具有多种实际应用。
然而，在其它实施方式中，可以使用一个更为复杂和动态的结构，其中如果电路中在电源和负载间发生一个以传播非易燃电弧为特征的电流和/或电压模式的故障，负载端监视装置能够检测到这个故障并且负载端隔离装置能够全部或部分将负载与所述故障隔离开。
该结构有效地使可使用的电缆长度增加一倍。但是，在本发明的一个实施例中，电源端监视装置和隔离装置可以与负载端监视装置和隔离装置分开设置一定距离，以使得它们中的任何一个都能检测并消除在它们之间的电路上的任何点所发生的非易燃电孤。该实施例使安全性加倍，因为该电路具有了一个内置的冗余系统。
但在一个优选实施方式中，电源端监视装置和隔离装置以及负载端监视装置和隔离装置可以被分开放置这样一个距离，以使得每一个都能够检测和消除在它们的位置与它们的位置中点间的任一点处发生的非易燃电孤。该实施例使得电缆的长度增加了近一倍。
应该理解，如果一个如上所述的功能性电路碰到一个故障，可能需要采取补救行为。但是，为了避免不得不手动重新开启电路的必要性，可以提供一个故障探测电路，其能够探测到故障，并在故障结束时重新连接电源。
因此，在一个优选实施方式中，该电路可以提供一个非易燃故障探测电路。如果电源和负载在使用中被全部或部分隔离，该非易燃故障探测电路能够将非易燃电平的电流和/或电压传递到该电路中。该非易燃故障探测电路还可用于在电路中的电阻上升到短路出现点以上时，取消电源的全部或部分隔离。
该故障探测电路使得电缆可以针对可能的易燃故障进行评估，而不允许该故障(如果存在的话)获得足够的能量来变得可能易燃。例如，如果一个电阻故障发生在电缆的电极间，并且它至少低于一个能够导致易燃电弧的电阻，则该故障探测电路不会允许任何易燃能量到达该电缆，而不考虑该故障发生的可能性。
应该理解，如果电路中发生断路，该故障探测电路将取消电源的全部或部分隔离，因为没有短路或电阻易燃故障存在。但是，在这些情况下，闭合型电弧不可能变得易燃，因为该易燃电弧保护装置会重新隔离该电源。
在一个实施方式中，如果一个可能导致易燃电弧的短路或一个以传播非易燃电弧为特征的电流和/或电压模式故障发生在电路中，该电源端隔离装置可以全部隔离该电源。在该实施方式中，该非易燃故障探测电路可通过一个不同于该电路电源的第二电源来供电。
但是，在一个优选实施方式中，如果一个可能造成易燃电弧的短路或一个以传播非易燃电孤为特征的电流和/或电压模式故障发生在电路中，该电源端隔离装置可以部分隔离该电源至一个非易燃电平。因此，该非易燃故障探测电路可由所述的部分隔离的电源供电。
应该理解，电缆中的故障可以包括类似于负载的特性，因此如果该负载仍然连接至该电缆，该故障探测电路可以将其识别为一个故障。这是为什么该负载端隔离装置在电压降到预定的阈值以下时全部或部分将该负载与该电路隔离开的原因。该行为使得该电缆能够独立于负载而被评估。
该电路可提供恢复控制设备。在一个故障结束后，该恢复控制设备可以在一段时间内逐渐为该电路通电，该时间足以阻止电源端监视装置和/或负载端监视装置将该电路的通电解释为一种以传播非易燃电孤为特征的电流和/或电压模式故障。
最好该恢复控制设备可以包括一个函数发生器，其能够直接或间接可变地调节电源的输出电压和/或电流。同样的部件也可以在负载端提供。
实际中，本发明的电路可被用于双线通信系统，并且在电路中可以有中断、信令或噪声。该噪声不能重复地触发系统以隔离电源或负载。
因此当噪声或信令在静噪带内被检测为大约一个平均电流或电压电平时，该电源端监视装置和隔离装置可用来不全部或部分隔离电源与电路。
同样，当噪声或信令在静噪带被检测到大约一个平均电流或电压电平时，负载端监视装置和隔离装置也可以用来不全部或部分隔离负载与电路。
上面描述的反应器装置可以是在上面描述的任何故障发生时以可检测的方式做出反应的任意设备。
有几种已知的电路可以用来检测上面描述的故障。因此，在一个实施方式中，该反应器装置可以是一个有源电子回转器，用于仿真电感的行为。在另一实施方式中，该反应器装置可以是一个电阻器。
但是，在一个优选实施方式中，该反应器装置是一个电感，由监视装置检测到的该电感对一个短路的反应是电感两端产生的电压变化。在本发明的一个实施例中，一个分路电阻可以跨接在该电感两端。
使用一个电感的优点是电感的阻抗将限制或抑制闭合型电孤在带电电路中发生。因此，如果电路中发生断路，该故障探测电路随后会取消电源的全部或部分隔离，因为没有短路或电阻易燃故障存在，由于该电感的阻抗，不能形成闭合型电弧。
该电感可以用一个“窗口”型比较测量法进行监视。因此，电源端监视装置和隔离装置可包括一个正参考的比较器装置和一个负参考的比较器装置。所述比较器的输出可被用来全部或部分隔离电源与电路。该正参考的比较器和该负参考的比较器可参照电源电压。(本发明还包括那些只使用一个正参考或只有一个负参考的比较器装置的实施方式)负载端监视装置也可使用一个有源电子回转器形式的反应器装置，用来仿真电感或电阻的行为。
然而，在一个优选实施方式中使用了一个电感，该电感两端跨接或不跨接一个分路电阻。如上，该电感可以用一种“窗口”型比较测量法进行监视。因此，该负载端监视装置和隔离装置可包括一个正参考的比较器装置和一个负参考的比较器装置。所述比较器的输出可用来全部或部分隔离负载与电路。该正参考的比较器和该负参考的比较器可参照输入电压。
本发明可以各种方式来实施，现在将以示例的方式结合附图描述多个实施方式，其中图1是一种现有的内在安全的电路的图示；图2是另一现有的内在安全的电路的图示；图3是另一现有的内在安全的电路的图示；图4是表示一个电弧的传播特性的曲线图；图5是一个电弧的图示；图6是一个闭合型电孤的图示；图7是一个断路型电弧的图示；图8是多个分路型故障情况的图示；图9是多个串联型故障情况的图示；图10是根据本发明的一个电路的图示；图11是根据本发明的另一个电路的图示；图12是根据本发明的另一个电路的电源端的图示；图13是表示伴随图10所示的闭合触点3c和打开触点3o的电流和电压变化的曲线图；图14是根据本发明的另一个电路的电源端的图示；图15是根据本发明的另一个电路的负载端的图示；图16是表示一个低电流电缆探测区和一个高电流供应区之间的关系曲线图；图17是表示根据本发明的电路中包括的一个静噪带的曲线图；图18是表示根据本发明的一个电路的电压跟踪特性的曲线图；图19是根据本发明的另一个电路的电源端的图示；图20是根据本发明的另一个电路的电源端的图示；
图21是根据本发明的另一个电路的电源端的图示；图22是表示图21所示的部分电路的电压和电流特性的曲线图；图23是表示图21所示的部分电路的恢复特性的曲线图；图24是根据本发明的另一个电路的负载端的图示；图25是图24所示的电路的关于时间的特性的曲线图；图26是根据本发明的另一个电路的负载端的图示；图27是根据本发明的另一个电路中沿电缆的一个点处的故障发生的图示；图28是图27所示的电路中的电弧检测和消除的时间线(timeline)的曲线图；图29是根据本发明的另一个电路的负载端的图示；图30是根据本发明的另一个电路的电源端的图示；图31是根据本发明的另一个电路的负载端的图示。
如图10中所示，电路包括一个电源6、一个负载10和一个易燃电弧保护装置，该装置包括比较器形式的监视装置43，和开关形式的隔离装置42。监视装置43利用电感器5形式的电抗器装置监视电路。如果在电路中出现可能引起易燃电弧的短路111，在这种情况下沿电缆C，监视装置43检测到电抗器装置5的反应，隔离装置42完全或部分地将电源6与所述短路111隔离开，使得易燃电弧无法出现。在这种情况下电源6被开关42完全隔离。如果具有电流和/或电压模式的事件在电路的电源6和负载10之间出现(即在电缆C中)，其中的电流和/或电压模式的特征是传播非易燃电弧，可能是串联断路108、串联闭合109或分路闭合110，以及与之类似的任何事件，则监视装置43检测到电抗器装置5的反应，隔离装置42完全或部分也将电源6与所述事件108、109、110隔离开，使得易燃电孤无法出现。在这种情况下电源6被开关42完全隔离。
图11示出了根据本发明的另一个电路，它与图10中所示的电路类似，只是易燃电弧保护装置还包括与电源端结构上类似的负载端监视装置和隔离装置。因此，如果以传播非易燃电弧以特征的电流和/或电压模式的事件在电源6和负载10之间出现，则负载端监视装置检测到它，负载端隔离装置完全或部分地将负载与所述事件隔离开。
图10和11以最简单的形式示出了本发明。下面的描述示出了本发明怎样在实际中应用。(图12向前示出了根据本发明的电路的电源端和负载端的各种可选配置或特性，应该理解电路的这些部分的某些特征可以与其它特征互换，并且这些不同的电源端和负载端的配置可被适当地彼此间组合使用。在与前面的图中相同的组件处使用了相同的附图标记。)图12示出了根据本发明的电路的电源端。一个电感器5被放置在电路中电源6与故障3c、3o之间。当作为易燃电弧、潜在的易燃电弧、闭合触点故障3c或断路触点3o的结果，电路中的阻抗增加或减小时，电路中的电流梯级的变化生成一个可被检测到的电感器两端的电压变化2。
(应该理解，负载的连接或断开可能具有与上述故障中的一个或其它故障相同的效果，因此它将以相同的方式被对待。在某些情况下，负载的连接或断开产生一个可以很安全地忽略的非易燃电流梯级变化。下面将描述用于区别这些事件的装置的详细内容。)提供分路电阻7以最小化电感器5两端的电压摆动。如果使用高容量电感器来获得一个较长的更容易检测到的反应时间，这种分路电阻还可以帮助获得一个较低的阻抗。
与常规的电流感应电阻相比，电感器5和电阻7放大了电路中的电流和/或电压变化的作用。
当有对电流的任何中断时，它可以由串联阻抗4r和/或电弧阻抗(未显示)控制，电感器5两端的电压2和/或流过电阻7和电感器5的电流与电路组件的值成正比变化。
图13示出了在事件3c和3o后电路的电流和电压的变化。图13还示出了由分路电阻7所控制的电压极值9c和9o。具有闭合触点3c的理想电感性电路趋近于零伏特，具有断路触点3o的电路趋近于无限大伏特。但是在图12的实际电路中，电感器5具有2毫亨的电感，电阻7具有6欧姆的电阻。在所示的实施例中，故障阻抗4r也是6欧姆。因此，闭合电压9c大约是源电压的一半，断路电压9o大约是源电压的1.5倍。电源6为24伏，因此闭合电压9c大概为12伏，断路电压大概为36伏。基于上述准则，电流可以变化最多2安培。
如果触点4包括一个电弧，与图8和图9的fa和fc处所述的类似，并且电弧的初始值为25欧姆，则电流和/或电压中的梯级变化将遵从上述相同的理论，尽管它们被较少地提到。
图13示出了梯级变化怎样被容易地检测到。应该理解，本发明将在较少提到的梯级变化下工作，假设它们仍然是可测量的。
电感器5的另一个属性是对电流的DC阻抗非常低，因此当考虑电源时效率非常高。如果仅使用如电阻7的电阻，对许多电源，它会引起无法接受的电压或能量损失。当然，使用较高电压的较低电流系统，电阻两端的损失可能是可以接受的。所以可以使用一个独立的电阻，假设检测技术仍可适用于至少检测潜在的易燃情况。
图12中所示的电路的另一个特征是电感器5具有足够大的尺寸以提供足够阻抗来减少或抑制任何闭合类型的故障或电孤，3c。电感器5的阻抗足够高，以防止火花隙激起或传播电弧cornel，因为流过理想电感器的初始事件电流是零，或者对于具有可忽略寄生旁路的适当设计的现代日常电感器来说是无关紧要的。
但是，分路电阻7的路径可在某种程度上抑制这种效果，其中旁路电流可引起易燃电弧。因此，需要足够的梯级来最小化旁路电流和/或检测流过电阻7的电流，并在需要时采取行动。在稳态电流期间，电流需求的任何增加都是可容忍的，因为从稳态条件的一个小的梯级变化并不倾向于易燃或获得易燃电势。
当然，如同任何承载电流的无源电感器一样，如果在闭合类型的故障或负载后面的断路类型的故障的电流中有梯级减小，则存储在电感器中的能量被释放掉。当能量被释放时，它生成电感器两端的电压，并且如果电感器是未受到保护的，则这将导致一个继发的电孤，具有很高的概率成为易燃的。
如上所述，有模拟电感器行为的有源电路，不存在通常在无源铁氧体电感器中遇到的存储能量的问题。这种电路可替代电感器5而使用。
因此，如果图12中的电路经过一个来自电源的电流需求的正的或负的梯级变化或中断，则可以检测到它，其中电源的特征是具有针对易燃电弧的电势，或者其特征是一个电弧。这与故障是否是一个电弧或具有类似特性的另一种无关故障无关。在电弧形成以及类似的典型非电弧中断间没有区别。另外，通过使用正电流梯级变化阻抗提供了额外的保护，它提供了抑制“闭合”型故障的能量。两个电极连在一起将不会导致电弧形成，直至并包括触点的形成。
图14示出了根据本发明的电路的另一种电源端。该电路以与图12中所示电路相同的方式工作，除了图14示出了电路用以对故障做出反应的装置。在包括电感器5和分路电阻7的动态电流检测电路两端设置了一个电压检测23，以及一个控制装置21控制串联元件19。如果在检测点23电压以一种特征为形成如上所述的易燃故障4r的电势或电弧的方式降低或升高了，则串联元件产生一个隔离动作以通过减小电流和/或电压的方式，充分地消除该电弧或者将故障4r转变为非易燃电势。
因此，图14示出了一个非常简单的反应电路，其可被配置以足够快地做出反应来在非易燃时间区域内消除电弧，考虑到电缆长度。
在隔离之后，在故障被清除或清除任何易燃电势后电源需要恢复到正常工作。这通过一个故障探测电路来实现。
但是，应该理解电缆上的故障可能包含与负载类似的特性。一般说来，电缆仅包括并联或分路电容性属性，它不同于典型的电阻性或显然为电阻性的一般负载。如果施加了电阻性故障，则负载和故障间的差异是无法区分的。因此，如果负载保持连接在电路上，则任何故障探测电路都不能区分故障和负载间的差异。在这种情况下，电路不能再被供电。因此，唯一的选择是彼此独立地评估负载和电缆。
图15示出了怎样使用简单的装置来隔离负载10。电压检测26被连接至其本身被连接至串联元件28的控制装置25。如果输入端BB处的电压下降到低于一个给定值，例如10伏，则串联元件28将负载10从电路隔离。
如果图15中所示的负载端被连接至图14所示的电源端，并且其中所示的控制装置21隔离电源6，以使得压降低于10伏，则电压检测26将之记录，并且控制装置25可以隔离负载10。这样，不仅负载10可以被从任何潜在的易燃故障隔离，而且它也出于故障探测的目的而被隔离。
图16示出了包括图14中所示的电源端以及图15中的负载端的电路怎样被配置以适应实际容差。要隔离的电源的电压阈值21thr被设置得低于要隔离的负载的电压阈值25thr，因此存在一个跨越余量。低于电源阈值21thr，提供给电缆和负载的能量被限制为非易燃电平，高于该阈值，允许能量增加以适应负载需求，这将仅出现在阈值之上。低于阈值21thr的区域被归类为电缆探测或起动区域，其中仅电缆被连接至系统，并且在其中可以探测电缆的任何故障。
在实际的电路中，以及对于两线通信系统，存在必须容忍的或忽略的操作中断。电源必须继续保持正常而没有任何有害的中断。实际上，类似现场总线信号的东西不必重复地触发电弧保护装置来完全或部分隔离电源和/或负载。
图17示出了静噪带怎样被用于一个装置16来区分潜在的易燃故障和正常的工作噪声。潜在的易燃中断3c和3o延伸超过了静噪带并将触发电弧保护装置来完全或部分隔离电源，而噪声11和总线信令12则不会。该装置可以是固定的或可变的。如果它可变，则静噪带14和15的阈值必须跟踪该阈值。如果需要，具有短持续时间的高电平尖峰信号也可被滤波到一定程度，假设中断不具有潜在易燃性。
图18示出了静噪带怎样跟踪一个变化的装置，在这种情况下是在负载端BB。正阈值78和负阈值68以自适应方式跟踪电压V BB，直到电压V BB的变化快于跟踪所能补偿的，例如当电弧形成时。实际电压的瞬变85突破了阈值84，因此被检测到。这种跟踪类型使得慢电压变化和电缆损耗可以被补偿，并使得电弧特性可以被检测到。其它技术如高通窗口比较器滤波可以代替上述方法而使用。
应该理解，实际中，静噪带增加了任何电孤保护装置的反应时间。因此，如果使用了这种静噪带，则它必须成为整个电路的因子，特别是可以使用的电缆的长度的因子。
图19示出了如上所述的电路的电源端，但是更具体。在图19中，内在安全的嵌位电压源6为电路AA供电。电压嵌位可以在电源处，或直到电源输出AA的任何点。如上所述，电路中的潜在的易燃闭合或断路型故障将引起电压输出AA的电压和/或电流的变化。闭合型故障将引起电压下降，和/或电流上升，断路型故障将引起电压上升和/或电流下降。
根据本发明的反应装置包括电感器5和分路电阻7，被监视的属性是受电流变化影响的电感器5两端的电压。
根据本发明的监视装置包括一个窗口比较器电路，它能够检测压升和压降以检测任何类型的故障。通过正参考41比较器43a检测电压的上升，通过负参考40比较器43b检测电压的下降。(类似的线性或非线性系统可以用来替换比较器。)参考值的选择要可忽略噪声或信令，如上所述。比较器的输出被用于在开关42处隔离输出AA，从而有效地阻止或去除给输出电路的能量。如果故障是电弧，则它会因为没有能量而失效，并被有效地消除而防止其成为易燃的。假设隔离保持在原地，则输出保持内在安全。现在电缆可被探测故障，如下所述。
另外，比较器抑制43i被提供，它取代或补充安全隔离42，而不考虑比较器输入测量的状态。抑制被显示为下降到一个低状态。该配置允许了与用于起动或电缆探测的隔离的提供相关的额外的反馈或控制，如下所述。抑制43i还可用于以与常规的“消孤电路”类似的方式进行电压嵌位。
在图19所示的电路中，参考以源电压为参照，但是也可以可选地以地或绝对点为参照。参考源电压的好处是如果在正常负载过程中源电压产生偏差、波动或跳变(ramp)，消除恢复或起动，则它被检测到或者它不会影响操作阈值。
如果需要，传感输入还可被进一步滤波或限定条件，从而可以减小检测窗口的跨度。
一旦电源6被隔离，则电缆可被探测故障，假设负载已被如上所述隔离。图20示出了根据本发明的电路的电源端，其中提供了一个非易燃故障探测电路，包括电流44、齐纳二极管45、输出46和串联电阻47。
当电源6被开关42隔离时，以如上所述与图19中所示电路相关的相同方式，AA处的输出下降到电流44的非易燃电平。如果有一个足够低的电阻性故障仍保留在受探测电路44所控制的电缆上，则齐纳二极管45两端的电压将下降到一个停止传导的点，这引起串联电阻47两端的电压下降到低状态，这引起输出46产生一个用于保持开关42打开的低抑制信号。如果故障清除了这个一系列的停止操作，并且开关42闭合，则输出AA可以返回到正常电流和/或电压。
但是，当电源被再连接至电路时，它不能以矩形方式完成，因为负载的再连接会引起一个压降，这将引起如上所述的监视装置和隔离装置再次完全或部分隔离电源。因此，提供了恢复控制装置以通过以摆动方式再连接电源6来防止这种情况的发生。
图21示出了根据本发明的另一种电路的电源端。图21中的电路使用一个电感器5和分路电阻7作为本发明的反应器装置，并使用一个监视电感器5两端的电压的窗口比较器作为本发明的监视装置，它包括一个“低”触发比较器43b和一个“高”触发比较器43a。本发明的隔离装置包括串联元件42，但是可以在使用中以动态方式来控制它。
当检测到故障，窗口比较器电路的输出被用于触发一个函数48，以根据需要间接地调节输出电压和/或电流。
图21中的电路具有常规矩形限流器形式的静态限流，其中限流器包括一个电流传感电阻Rsense，它馈入放大器49，该放大器49控制具有从函数发生器48获得的电流参考的串联元件42。因此，对于没有表明潜在的易燃电弧的DC和慢渐进电流变化，电源的电流特性可被理解，并且电流上限以及嵌位电压源6定义了电路的最大工作电压Uo和电流Io参数。
因此，通过调节参考电流，输出电压和/或电流可间接地在使用中被调节。如果参考下降，则限流也下降。
因此，如果窗口比较器电路的输出以表明闭合型电弧或断路型电路的方式下降或上升，并且如果参考40和41被用于检测该上升或下降以及以忽略寄生干扰，则电弧或类似类型的故障将被检测到，函数48将触发一次关闭。
(串联元件42可被分路元件替换或补充。这种配置可用于通过短路电源电压的方式来减小供给电路的功率。)图21中的电路还具有一个与图20中所示类似的非易燃故障探测电路，但它由电源6驱动，而不是它自己的电源，如图20中。抑制46将函数48保持在一个非易燃电平，使得电源6提供一个非易燃探测电流和/或电压，该电流和/或电压被保持，直到电缆上的电阻性故障增加到一个高于易燃电势的给定电平。
图21中的电路还具有一个在矩形限流过程中用于检测慢压降，以及当电压通过坍塌阈值时隔离电源6的电压坍塌功能。缓慢的压降可被窗口比较器检测到并起作用，因为电感器5将表现出非常低的阻抗，从而引起非常小的电压波动，通常处于正常工作噪声或信令区域内，如上参考图18所述。因此，电压的缓慢变化不会被窗口比较器检测到，或者可检测到。
电压坍塌功能由齐纳二极管45和电阻47提供。如果压降低于抑制46，则函数48隔离电源6。因此，图21中的电路具有一个在全电流下它所能具有的内置最小可容许内部电阻，所述全电流生成一个最小内部电阻Ri。例如，如果抑制46在8伏触发关断，并且限流被设置为500毫安，则最小内部电阻为16欧姆。
图22示出了图21中所示电路中的电压电流关系。在图22中，正常输出电压在56处，缓慢变化的电流或低干扰电流可以从零增大到最大电平58。如果它达到该电平，则它被矩形限流，如60处所指示，直到它下降到抑制电平46inhibit。它将继续下降到一个更低的非易燃或零电流电平62。该电流处的电压被输出负载特性所支配。只有当故障或负载被清除后电流才恢复到正常电平，获得通过抑制电压的全电流容量。
如果在任何高于抑制电流和/或电压区域的阶段中出现了中断，它突破了由高41high和低40low触发点所限定的静噪带，则电流和/或电压被以事件定时方式转变到低于抑制46inhibit电平的区域，如上面参考图21所述。
图22假定当它下降到低于抑制电压46inhibit，并且全电流在先前被提供给负载，或者在负载被再次连接的时候，负载被从电源断开。区域间的转换被控制以帮助消除潜在的电孤，虚线表示的转换线形成部分消除动作。
图23示出了上述函数48怎样以摆动方式再次连接电源，以在恢复过程中防止电路无意地隔离电源。
图23示出了对事件51的电流I/时间t反应，其中事件51可以是任何被窗口比较电路或电压坍塌功能检测到的电路中的故障。从一个正常电流电平50，事件51触发输出下降到一个非易燃的电流电平54。故障探测功能在此电平上工作，电流电平54将保持在此电平，直到故障清除。当故障被清除后，在点55处电源被再次连接，并且它以摆动方式52返回到正常电流电平53。
通过其它的串联电感可以实现摆动恢复52，但是在这种情况下通过函数发生器48的控制来实现。选择恢复52可以是如所示线性的，或者也可以是指数或类似的非线性恢复。
如上所述，摆动恢复52的主要优点是消弱了任何在反应器装置上的干扰，使得负载恢复可以在不触发任何隔离事件的情况下发生。
但是，摆动恢复52也限制了任何能量流入试图形成的电孤，尽管如果在恢复中或者在恢复的关键部分中发生任何故障，它将仍然被检测到并采取适当的措施。
当故障被消除后摆动恢复就可以开始，如上所述，或者在预定持续时间之后开始。例如，可以调节函数发生器48以保持电源处于安全电平54一毫秒。这种保持周期可允许从系统的更完全的能量释放，并允许为系统设定时间，在中断之后以及返回全功率之前。这在某种程度上降低了易燃发生的概率。
作为替代，摆动恢复可以集成在故障探测动作中。当存在故障时，摆动恢复就可以开始，并且功率可以增大到非易燃故障探测电平。功率不能上升超过此电平，并可以保持稳定或者下降和上升，以产生锯齿形故障探测电压和/或电流。
当然，在摆动恢复阶段，本发明的监视装置和隔离装置必须是工作的，或者处于潜在易燃区域中的其任何部分，以检测潜在的易燃故障。
上述电源恢复由一个恒流串联元件控制，但是反应不一定是理想的恒流模型。如果在恒流摆动恢复中形成了一个断路型电弧，则它必须被检测到，这可以通过多种方法来实现。
在摆动恢复过程中的串联元件的理想恒流操作允许串联元件接管或补偿由电弧所产生的附加阻抗，因而监视装置将不能检测到该故障。除非串联元件的两端电压也被用于电弧检测。
但是，如果串联元件本身被充分地摆动，则特征为传播电孤的任何梯级变化将通过该串联元件而转移，并被检测到。当然，在传播电弧的检测中串联元件以及时的方式被关闭，表明串联元件摆动占优。
作为替代，串联元件可以被调整为向负向阻抗变化摆动，但是允许足够快的正向阻抗变化。这可以被本领域中的技术人员简单地实现。该技术以电路的感应系数为条件，因为闭合型电弧的尝试将被电路感应系数满足。串联元件还可以被电容器等分路，以允许串联元件的动态旁路。但是，需要控制电容值，因为它将旁路掉串联元件的关断能力。
最后，控制函数48本身可被用于为串联元件提供如上所述的方向性的阻抗摆动。
可以以各种方式修改图21中所示的电路，例如窗口比较器电路可包括滤波，其滤除摆动恢复中以及任何其它特征不为传播电弧但仍可检测传播电弧的事件上的串联元件的效果。
图24示出了根据本发明的另一个电路的负载端。在图24中，电路的负载端具有一个简单的静态电压坍塌电路，其中负载10被比较器68强制到一个最小阻抗，比较器68比较输入BB处的电压和参考电压70。如果输入电压下降到低于参考电压，则利用开关69将负载隔离到高阻抗。例如，如果参考被设置为10伏，电源被限制在500毫安，则负载10可达到的最小电阻是20欧姆。
尽管对于在电弧形成过程中的内在安全限流来说，最小电阻是一个非常有用的属性，因为它提供了一个恒流或无限大阻抗负载，但它对预期的高电流和高电压是不够的。(它在某些电压和电流应用中可能是足够的，其中最小负载电阻和电源的最小内部电阻足够高，并且反应时间和电缆传播时间足够低。)但是，任何电弧形成都具有一个电压，它是电源电压和负载侧坍塌电压之间的差值。例如，如果电源输出是20伏，负载坍塌电压是10伏，则电孤不能获得一个大于10伏的电势，它大概为3安左右，保持非易燃。
但是，实际中当电感接口，例如电缆，被用在电路中时，电孤两端的电压可以获得成为易燃的更高的电势。因此，仅可依赖于电源与负载间的非电感性连接，如果它们彼此非常接近的话。然而电源本身是内在安全的，因此该结构不同于现有技术，因为电源与负载间的连接不需要对分路型短路的机械保护。
在任何事件中，图24中所示的静态坍塌电路的主要优点是它给予了负载10一个低中断特性，因此电源恢复过程中的负载10的自动连接将不会再次触发隔离装置再次完全或部分隔离电源。保护电路与上述摆动恢复一起工作。因为恢复是摆动的，恒定负载不会触发监视装置隔离电源直到出现中断，中断例如是具有电路转换起动的负载到达它的转换点，在此例中表示为设置为10伏的负载侧坍塌电路。在该转换点，负载要求全电流，或者一个高于电源所能提供的电流，因此电源下降到坍塌电路将坍塌的点。这再次将电流需求减小到电源电压可以增加的点。该循环一直进行直到负载被完全充电。
该循环包括一个平稳状态，或者一个逐渐上升，它不是一个典型的潜在易燃电弧。因此，它不会引起本发明的监视装置隔离电源。但是，负载的坍塌电路的任何上游干扰将仍然会引起监视装置以正常方式做出反应，这是贯穿整个负载恢复阶段的情况。
图25示出了在上述摆动的电压恢复过程中的负载电流的转换。在恢复时来自电源的电流与电源输出端见到的电容量成正比跳变71，直到它到达负载侧的静态坍塌电路的坍塌电压73。在该平稳状态，在负载连接点需要充电的电流保持一段与任何感应系数成正比的时间。一旦被初始充电，电流就以与电源的感应系数和/或负载电容量成正比的速率增大到全电流需求，如72所示。
图26示出了根据本发明的另一种电路的负载侧。图26中所示负载端具有监视装置、隔离装置和反映图21中所示的电源端的电压坍塌电路，其中使用了一些相同的附图标记。
提供了函数83，以及一个串联元件69opt，但没有静态限流器，因为图26中所示的负载端要与图21中所示的电源端一起使用，并且在这里包括了一个静态限流器。
图26中所示的负载端具有一个静态电压坍塌阈值，在82处指示，它包括电阻81和齐纳二极管82z，因为前述的原因，该齐纳二极管82z被设置到一个高于电源抑制电平的值。
图26中所示的负载端还具有一个由正和负参考70b、70a所提供的动态跟随器检测电路，它们有足够的尺寸来执行前述功能，一个测量电感器5两端的电压的窗口比较器68、78，一个包括一个二极管77及一个衰减采样和保持RC电路79、80的轨道电压跟随器。轨道电压跟随器跟踪轨道电压BB，并提供一个高于和低于它的阈值，因此任何慢偏差都可被跟踪和忽略，由此保持了与轨道电压相关的跟踪阈值的位置。(这个完成具有一个警告是，至少特性为传播电弧的中断并没有被跟踪阈值所跟踪，因此可以被检测到，并且函数83可以隔离该负载或施加一个视在最小负载阻抗，用于消除任何传播电弧。)静态坍塌电压提供了一个最小电压电平，以及由此一个最小环路电阻。如果低电流下的电弧的效果没有被检测到，环路(包括任何电源最小电阻和任何负载串联电阻)的低电流，限制了给电弧的功率，将之维持在一个减小的电压。例如，如果电孤是一个8伏的电势，尽管它仍然存在，但比如100毫安的易燃电势被消除了。
因此，在较低电流条件下可以不需要监视装置，假定静态限制被充分调节，并且电弧被限制在电压电势和/或电流上，使得它没有机会，或仅有很小的概率变成易燃的。
上述动态跟随器检测也可被用在电源端以解决电压和/或电流和/或恢复跳变中的任何偏差。
应该理解，上述所有电源端和负载端电路必须能够对故障做出足够快的反应，以在非易燃电弧变成易燃的之前消除它，因为这是本发明的一个重要特征。
如图4中所示，及如上所述，传播电弧将保持非易燃大约10微秒，根据本发明的任何电路必须能够在电孤变成易燃的之前消除它。为了实现此目标，必须考虑各种因素。
最重要的考虑是电源和负载间的电缆的长度。电缆必须足够短，以使得任何故障都可以在电源端通过监视和隔离装置、或者在负载端通过监视和隔离装置检测到并正确地处理。
图27示出了一个根据本发明的基本电路，其中电缆的长度是这样一种长度，其中心处的故障事件可以被电源端和负载端的监视和隔离装置检测到并处理。
故障事件花费给定时间36t沿着电源端传输半个电缆长度36，以及花费特定时间37t沿着负载端传输半个电缆长度37。如果故障处于电缆的中心，传播时间36t和37t是相似的，但是如果故障处于其它点，显然时间是不同的。如果故障靠近电源6，则电源端的监视装置将在负载端的监视装置之前检测到故障中断，因此它将对故障做出更快的反应。
故障最坏的位置是电缆的中心，因为电路的两端中的任一端的隔离装置的反应时间都是它们的最大值，因此故障将具有最大的易燃潜在可能。
本发明还包括仅在电源端提供监视装置和隔离装置的具体实施方式
。如果使用这种版本，则电缆的长度必须大概是图27中所示长度的一半，因为电源端监视装置和隔离装置不能允许易燃电弧形成在直到电缆的最远端的任何点上，在最远点上传播时间将是它的最大值。
当然，电源端监视装置和隔离装置，以及负载端监视装置和隔离装置，可以是上述这些结构中的任何一个。
如图28所示，电缆传播时间必须包括从事件发生到检测的时间段，以及从隔离事件到消除的时间段。图28中，每个事件之间的时间是相等的，但实际可能不是这样，因为易燃电弧的能量可能被限制在过它两端的电压，消除期间的电源电压和电流可能以一种线性或指数的方式下降。已知在大约10到12伏时，电弧具有它在20到24伏时所具有的电弧电压的至少一半。
应该理解不仅是电缆的长度必须要考虑，而且所有的物理特性，特别是电缆中能够承载的故障电流都必须要考虑。这是因为指示存储在电缆中的电感性能量的电流以及馈入电孤的电源电流，指示了电弧中所消耗的能量。该电缆比简单分布的电感更复杂，因为它也具有一个另外存储能量的电容元件，该能量正比于电压。该电缆包括一个阻尼二阶系统，其中阻尼通过电缆电阻和任意寄生元件产生。所有这些都必须被考虑。
对本发明的电路进行数学建模以确保它发挥作用是可能的，但使用真实电缆的计算机化的仿真或物理硬件测试是提供可接受的实验数据的更容易接受的测试方法。
一旦电缆的长度或尺寸以及它所承载的电压和电流已经规定好，则电路的测试必须要设计为定义剩余的参数，特别是电路反应时间和所有的设定点值。当然，该模拟可以从电缆长度开始，其它的计算可相应地进行。如果测试的结果可以重复获得，则可以提供实验数据，但是开始的测试对于涉及火花测试设备和/或示波器数据的众所周知的标准应该足够了。
还有上面没有讨论的一些故障情况，根据本发明的电路也是可能的。但是这些类型的故障发生的可能性非常低以致于可以被安全地忽略，或者这些电路内在地也能够处理。
一种故障情况可能包括一个电弧电阻，其在给定时刻与负载电阻精确匹配，并且需要静态坍塌电压刚好在坍塌电压以上，这样当它附加到该电缆两端时，流过电孤的电流全部不经检测地转移到该电弧中。该坍塌电压然后将被破坏从而隔离该负载。这个电弧必须在其第一次放电时被建立。
但是，该故障可能仅是一个闭合型电弧，其没有断路型电孤发生得更为普遍，在一个感应性电缆电路中，这样的闭合型电孤不容易提升断路电孤电压。
另外，该电弧必须被理想地匹配，并且从而被限制在如10或12伏的坍塌电路上升电压。在10到12伏处，电流可被允许增加到高得多的电平，但由于电源电流的限制这是不可能的。在电弧的发展过程中，它两端的电压将试图增大，但当该坍塌电路的上升电压到达，电流将被分流到负载和/或负载电容或前面描述的储存器(reservoir)电容。电弧形成后，负载连接中可能会发生断路，但这会是一个非常不可能的双重故障，电弧放电作为一种分流以及在和从其第一次放电保持理想的匹配电阻都是不太可能的，因此可以被忽略。
如果一个高电阻氧化层未经任何检测在能量轨迹两端形成，例如阻值为1百万欧姆，可能会发生另一种故障情况。这然后会随时间无需检测地慢慢下降到一个48欧姆和138欧姆之间的精确的易燃阻值，在48欧姆的点上24伏、500毫安的电源将被隔离，而138欧姆处该氧化层的电阻会形成一个线性限流的非易燃电路。该电路可能是易燃的但这里将需要一个更低的接近一百欧姆的氧化电阻限制，该唯一的易燃发生可能是首次和唯一的断路，根据第一区理论，该断路必须是一个可以忍受的易燃电弧放电，并且必须是在易燃的环境中。因此，这种故障情况是非常不可能的，根据电弧形成统计，可能性至多为千分之一。当然，进一步的低电阻探测可能能够检测这样的故障并关闭该系统，这对于特定的应用是有用的。
上面描述的电路可以根据需要进行修改或添加以使它们在实际中发挥作用。例如，不止一个负载可以与电路连接。图29示出了根据本发明的另一个电路的负载端，其中两个或更多个负载10a至10n与该电路连接。每个负载分别具有一个串联元件28a至28n，因为为了安全每个负载必须被限制到一个特定的电流。(例如，电源可额定为24伏，2安，而负载根据IEC61158-2，可能只接受250毫安。因此，在电源和负载间进一步限制电流是需要的)该串联元件28a至28n具有一个常规的矩形限流功能。
因此，负载10a至10n以常规的方式是内在安全的，独立于系统的其它部分。
但是，以这种结构，串联元件28a至28n可一起用来全部或部分隔离负载10a至10n，如上关于图15中的串联元件28所述。
(负载10a至10n，或任意其它负载，可以任何已知的方式进行限制以满足任何已知的内在安全系统的需要，都区别于系统的其它部分。例如，在24伏下的实验测试可证明对于气体组IIC环境，电流应该以矩形的方式被限制到50毫安，而对于线性限流，短路电流可被安全地限制到174毫安。该矩形限流元件28a至28n还可由线性元件代替，例如可靠的电阻，或者它们可包括其它非线性功能，如返送限流。而且，可能需要在给定电压处的限流以匹配负载的功率。例如，在24伏和50毫安，输入至设备的功率是1.2瓦，这对于一个供应气体组IIC负载的内在安全的电源是所需的最大功率。
另外，测试显示摆动的输出恢复和/或充分的隔离保持期将耗尽电缆和设备所存储的能量和/或使得能够提供给一个故障的能量增长，从而对于给定的气体组，在点火曲线上范围扩大了将近50％。例如，对于气体组IIC，在24伏可能获得大约50毫安到75毫安的电平。然而，与一个设备匹配的功率是一个进一步考虑的参数，例如在24伏50毫安将输出功率1.2瓦，这是常规的实体仪器的限制。触发器也可包括一个压出状态，类似于电源可能反应的方式，从而如果需要增加输出容量。最后，对设备的电流控制可包括可靠的电阻，其将进一步限制能量并通过降低电源电压和/或正比于该电阻和电流的功率，有助于矩形限流的执行。)本发明可实际用于现场总线系统，例如二或四线IEC61158-2应用等，或二或四线以太网或以太网供电应用等。在这样的结构中，各种因素必须要考虑，如IEC61158-2现场总线应用中，根据本发明的电路需要一个有源或无源的功率调节装置。图30示出了根据本发明的另一个电路的电源端，其中一个包括2到6毫亨之间的电感65的有源功率调节器被增加到电源处，位于监视装置5和7的下行方向。(也可以是监视装置5和7的上行方向)该电源的监视和隔离完全没有受到该功率调节器的影响。
(在图30所示的另一电路中，该功率调节器本身可构成本发明的反应器装置的一部分，因为它具有如之前描述的电感相同的响应于可能的易燃电弧的特性)如果被使用，该功率调节器65能够独立地滤除电弧特性的影响，因此一个包含电阻66和电容67的分路终止器，其通常用于现场总线负载，被用来提供该功率调节器两端的高频分路。这提供了有效的100欧姆左右的分路电阻，该电阻不会导致对典型的电弧信号的不切实际的注意。分路终止器被用作与常规的“沿轨道”终止器相对，因为流入一个故障的电流经过该终止器66，67，并且因此它必须是通过任何静态电流检测或动态检测电路可检测的，并且因为该电容67存储了非常低的能量。当然，将该终止器设置在该静态和/或动态电流控制之前具有相同的作用，但这然后将该功率调节器设置在该终止器之前，可能产生测量困难。
在以太网应用中，任何与该电路连接的以太网设备一定不能干扰该检测方法。而且，在这样的应用中，可能只需要在负载端使用如图15所示的电压坍塌电路，因为以太网的电缆长度足够短，在传播时间方面，对于电源端监视和隔离装置当任何故障发生时足以全部或部分隔离该电源，而无需在负载端动态地做同样的工作。当然，如图19或16所示的所有的监视和隔离装置可以根据需要使用。
实际的电路也可在上面描述那些的基础上具有其它附加的特征或元件，其可能影响上面描述的操作要求。显然，对于任何包含附加特征的电路，强制性的要求是这些电路必须设计得满足这些附加特征不会在任何方面不利于未检测的或已检测的可能的易燃故障，使该故障变得易燃或潜在地易燃。
这样一个特征的例子示于图31，该图示出了根据本发明的另一个电路的负载端。提供了一个现场总线终止器31，如果将其置于电路中一个未保护的、未检测的或未控制的点上，其能够将电流输入至电缆和/或故障。这里通过提供一个串联旁路二极管32来阻止，该二极管32对于信号的传输在32b被偏置。
显然，任何附加的特征也必须不能阻止任何故障的充分检测，因为它们一定不能在电源端或在负载端阻止监视装置以上面描述的方式适当的操作。例如，一个经过该电缆的故障脉冲一定不能被衰减到一个它不能被检测的程度，或者被不利地延迟。
图31也示出了一个电容性存储元件29，其用于在电源或负载保护反应故障中，为负载降压到一个故障或类似的瞬间损失。而且，该电路通过旁路二极管31受到电容的保护，该电容29的衰减效果被来自电路的其它部分隔离29i。
因此，由任何故障引起的任何经过电缆的中断特性是充分可检测的，因为电容29被阻止衰减由为另一负载供电的电缆中的下行方向上的故障引起的正前进脉冲。该绝缘体29i可包括一个被设计成根据负载对电流的要求使之饱和，而在正常操作期间不饱和的电感，或者它可以包括一个电子回转器等。
(如果负载10和/或电缆是电容性的并且总的电容不必受到保护以免受所述绝缘体29的影响，尽管存在旁路二极管31，上述电路将会是错误的。如果是这种情况，将会需要一个监视装置，其不受电容性负载的阻尼效果的影响。)使用中也可能需要断开负载，如图所示的33处，将终止器30置于适当的位置。但是，该终止器不会显著影响任何经过电缆的故障特性。实验已经证明，对于气体组IIC，有效地衰减电阻或阻抗可低至35欧姆，因此一个100欧姆的终止器不会导致不利的衰减。
当然，如果大量的负载与该电路连接，以图31所示的结构，该数量将受到所有的保护系统的总的衰减影响的限制。该总的衰减影响不能阻止任何故障的检测。
根据本发明的任何实际电路将必须满足适当标准的要求，其可能规定要包括冗余系统，或者一些元件必须是无错误的，也就是说它们在故障条件下只能安全地失效或只能被以三分之二的额度施压。
上述所有实例的目的在于说明本发明的简单系统，但是为了具有内在安全系统的资格，许多故障或组件部分必须被在需要的地方做成冗余的。组件定位、以及位置和与其它组件的关系可以是可交换的以实现此目的。例如，串联元件可以在串联电感器的上行方向和/或下行方向，或者它可以分路一个串联电感器，其中这些小的定位或关系变化的任何益处都可以被本领域中的技术人员很简单地理解和实现。其它功能可以共享组件或复制类似类型的组件。例如，用于功能性目的的系统可能仅需要一组组件，而为了内在的安全性可能需要两个或更多个组件。传感组件可包括多个在物理上和电学上没错误的电感器，可能要考虑饱和电流。
此外，上述某些无源电路可以被有源等价物复制和/或代替。另外电压检测和反应可以代替或补充电流检测和反应，或者它们可以互相配合。内在安全系统的主要参考文档是欧州内在安全标准或等价的EN50020，PTB Report W53和物理层现场总线标准IEC61158-2。关于连续中断的其它数据，CIS，可以从Physikalisch-TechnisheBundesanstalt获得。
也应该理解，任何上述特征都可以被等价物所替换。除了上面已经提及的替换物，还有已知的用于本发明的比较器的替换物。另外，上述“函数发生器”的功能可以被分散在电路的其它特征中。例如，可以通过使用电阻来获得摆动，或者高电阻馈入高输入电容量MOSFET的栅极来隔离串联元件。
权利要求
1.一种电路，包括一个电源、一个负载和一个易燃电弧保护装置，该装置包括一个监视装置和一个隔离装置，其中该监视装置通过一个反应器装置监视该电路，其中如果一个可能引起易燃电弧的短路发生在该电路中，则该反应器装置的反应被该监视装置检测到，并且该隔离装置全部或部分地将该电源与所述短路电路隔离开，从而不会发生易燃电弧，其中如果一个具有传播非易燃电弧特性的电流和/或电压模式的故障发生在该电路的电源和负载之间，该反应器装置的反应被该监视装置检测到，并且该隔离装置全部或部分将该电源与所述故障隔离开，从而不会发生易燃电弧。
2.如权利要求1所述的电路，其中所述监视装置和所述隔离装置被设置在该电路的电源端，并且其中该易燃电弧保护装置还包括一个负载端监视装置和一个负载端隔离装置。
3.如权利要求2所述的电路，其中如果电压降到一个预定的阈值以下，则该负载端隔离装置全部或部分将该负载与所述电路隔离开。
4.如权利要求2或3所述的电路，其中如果一个具有传播非易燃电弧特征的电流和/或电压模式故障发生在该电路的电源和负载之间，该负载端监视装置检测到它，并且该负载端隔离装置全部或部分将该负载与所述故障隔离开。
5.如权利要求4所述的电路，其中该电路还提供有一个非易燃故障探测电路，其中如果该电源和该负载在使用中被全部或部分隔离，则该非易燃故障探测电路将非易燃电平的电流和/或电压传递到该电路中，并且其中当该电路的电阻上升到短路出现点以上时，该非易燃故障探测电路用于取消该电源的全部或部分隔离。
6.如权利要求5所述的电路，其中如果一个可能导致易燃电弧的短路，或者一个具有传播非易燃电弧特征的电流和/或电压模式故障发生在电路中，该电源端隔离装置全部隔离该电源，并且其中该非易燃故障探测电路通过一个不同与该电路电源的第二电源来供电。
7.如权利要求5所述的电路，其中如果一个可能造成易燃电弧的短路，或者一个具有传播非易燃电弧特征的电流和/或电压模式故障发生在电路中，该电源端隔离装置部分隔离该电源至非易燃电平，并且其中该非易燃故障探测电路通过所述部分隔离的电源供电。
8.如权利要求4至7中任一权利要求所述的电路，其中该电路被提供有恢复控制设备，其中在一个故障结束后，该恢复控制设备在一段时间内逐渐为该电路通电，该时间足以阻止该电源端监视装置和/或负载端监视装置将该电路的通电解释为一种以传播非易燃电弧为特征的电流和/或电压模式故障。
9.如权利要求8所述的电路，其中该恢复控制设备包括一个函数发生器，其直接或间接可变地调节电源的输出电压和/或电流。
10.如权利要求4至9中任一权利要求所述的电路，其中该电源端监视装置和隔离装置以及负载端监视装置和隔离装置分开一定的距离，以使得它们能检测一个具有传播非易燃电弧特征的电流和/或电压模式的故障，并全部或部分隔离该电源，以使得易燃电弧不会在小于易燃电弧能够形成的时间内在它们之间的电路中的任意点上形成。
11.如权利要求4至9中任一权利要求所述的电路，其中该电源端监视装置和隔离装置以及负载端监视装置和隔离装置分开一定的距离，以使得它们每一个都能检测一个具有传播非易燃电弧特征的电流和/或电压模式的故障，并全部或部分隔离该电源或负载，以使得易燃电弧不会在短于易燃电弧能够形成的时间内在该电路中它们的位置处和它们位置的中间点间形成。
12.如前述任一权利要求中所述的电路，其中当噪声或信令在静噪带内被检测到大约一个平均电流或电压电平时，电源端监视装置和隔离装置不全部或部分隔离该电源与该电路。
13.如权利要求4至12中任一权利要求所述的电路，其中当噪声或信号在静噪带内被检测到大约一个平均电流或电压电平时，负载端监视装置和隔离装置不全部或部分隔离负载与电路。
14.如前述任一权利要求中所述的电路，其中该反应器装置是一个有源电子回转器，用于仿真电感的行为。
15.如权利要求1至13中任一权利要求所述的电路，其中该反应器装置是一个电阻器，该电阻器对一个由该监视装置检测的短路的反应是该电阻器两端所产生的电压的变化。
16.如权利要求1至13中任一权利要求所述的电路，其中该反应器装置是一个电感，该电感对一个由该监视装置检测的短路的反应是该电感两端产生的电压变化。
17.如权利要求16所述的电路，其中一个分路电阻跨接在该电感两端。
18.如权利要求16或17所述的电路，其中该电源端监视装置和隔离装置可包括一个正参考的比较器装置和/或一个负参考的比较器装置，其中该正参考的比较器的输出和/或该负参考的比较器的输出被用来全部或部分隔离电源与电路。
19.如权利要求18所述的电路，其中一个正参考的比较器和一个负参考的比较器被使用，并且其中该正参考的比较器和该负参考的比较器参照该电源电压。
20.如权利要求3所述的电路，其中该负载端监视装置和隔离装置包含一个电压坍塌电路，所述电压坍塌电路包括参照一个参考电压的比较器，其中该比较器的输出被用来全部或部分隔离该负载与该电路。
21.如权利要求4至18中任一权利要求所述的电路，其中该负载端监视装置通过一个反应器装置监视该电路。
22.如权利要求21所述的电路，其中该负载端监视装置的反应器装置是一个有源电子回转器，用于仿真电感行为。
23.如权利要求21所述的电路，其中该负载端监视装置的反应器装置是一个电阻，该电阻对一个被该负载端监视装置检测到的短路的反应是该电阻两端所产生的电压变化。
24.如权利要求21所述的电路，其中该负载端监视装置的反应器装置是一个电感，该电感对一个被该负载端监视装置检测到的短路的反应是该电感两端所产生的电压变化。
25.如权利要求24所述的电路，其中一个分路电阻跨接在该电感两端。
26.如权利要求24或25所述的电路，其中该负载端监视装置和隔离装置包括一个正参考的比较器装置和/或一个负参考的比较器装置，其中该正参考的比较器的输出和/或该负参考的比较器的输出被用来全部或部分隔离该负载与电路。
27.如权利要求26所述的电路，其中一个正参考的比较器和一个负参考的比较器被使用，并且其中该正参考的比较器和该负参考的比较器参照输入电压。
28.如权利要求27所述的电路，其中负载端监视装置和隔离装置的该正参考的比较器和/或负参考的比较器用于通过一个摆动装置和/或一个滤波设备忽略DC或低频输入电压变化。
29.如权利要求8至28中任一权利要求所述的电路，其中该恢复控制设备还包括一个函数发生器，其直接或间接可变地调节供给负载的输入电压和/或电流。
30.如前述任一权利要求中所述的电路，其中该负载包括一个或多个负载设备和/或电路。
31.如权利要求30所述的电路，其中该一个或多个负载设备和/或电路中的每一个都被提供有它自己的监视装置和隔离装置。
32.基本上如这里所描述并如图10-12、14、15、19-21、24、26、27和29-31所示的电路。
全文摘要
一种电路，包括一个电源、一个负载和一个易燃电弧保护装置，该装置包括一个监视装置和一个隔离装置，其中该监视装置通过一个反应器装置监视该电路，其中如果一个可能引起易燃电弧的短路发生在该电路中，则该反应器装置的反应被该监视装置检测到，并且该隔离装置全部或部分地将该电源与所述短路电路隔离开，从而不会发生易燃电弧，其中如果一个具有传播非易燃电弧特性的电流和/或电压模式的故障发生在该电路的电源和负载之间，该反应器装置的反应被该监视装置检测到，并且该隔离装置全部或部分将该电源与所述故障隔离开，从而不会发生易燃电弧。
文档编号H02H9/00GK101027823SQ200580029570
公开日2007年8月29日 申请日期2005年7月5日 优先权日2004年7月5日
发明者迈克尔·凯斯勒, 冈瑟尔·罗格尔, 马丁·琼克, 雷纳托·基特切纳尔 申请人:德国倍加福公司