Реле часу

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для применения во взрывоопасной среде, например, в системах автоматизации технологических процессов угольных ша хт, опасных по газу и пыли. Известно реле времени, основанное на использовании элементов дискретной электроники, в котором выдержка времени формируется с момента подачи входного запускающего сигнала путем обнуления счетчика при считывании от генератора числа импульсов, соответствующе го заданной уставке [1]. Низкая надежность работы известного реле времени в шахтны х усло виях эксплуатации связана с потерей информации о величине заданной уставки выдержки времени, хранящейся в блоке триггеров, при отключениях напряжения питающей сети, что может привести к включению шахтного объекта контроля без выдержки времени при последующем запуске и т.п. Кроме того, для восстановления заданной величины уставки необходимо нахождение обслуживающего персонала непосредственно в месте установки реле времени. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является искробезопасное реле времени типа РВИ.1М [2], которое не имеет указанных выше недостатков и получило широкое распространение в схемах автоматизации технологических процессов угольных ша хт. Оно содержит узел формирования выдержки времени в виде времязадающего моста, состоящего из включенных параллельно выводам дополнительных источников питания RC-цепи и первого резистивного делителя, узла сравнения в виде компаратора на дифференциальном усилителе, входы которого подключены к измерительной диагонали времязадающего моста, два усилительных транзистора, каждый с резистивным делителем в базе и электромагнитным реле в цепи коллектора, вход первого из которых связан с выходом компаратора, а база второго - с коллектором первого ключевого транзистора, база которого соединена с выходом резистивного делителя, включенного между выходом компаратора и отрицательным выходом дополнительного источника питания, а также трансформатор с дополнительной обмоткой и гальванически развязанными между собой первым и вторым выпрямителями, искробезопасный блок запуска реле времени, включающий состоящую из последовательно включенных первого диода и замыкающего пускового контакта цепь управления, третий усилительный транзистор, узел гальванической развязки искробезопасных и искроопасных электрических цепей в виде оптрона, дополнительную обмотку и первый выпрямитель трансформатора, при этом положительный вывод первого выпрямителя через узел гальванической развязки соединен с коллектором третьего усилительного транзистора, эмиттер которого через второй диод соединен с первым выводом первого резистора, первой обкладкой первого конденсатора, с отрицательным выводом первого выпрямителями и с первым выводом цепи управления, второй вывод которой через дополнительную обмотку трансформатора соединен со вторым выводом первого резистора и с первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с второй обкладкой первого конденсатора и через третий резистор - с базой третьего усилительного транзистора, а выводы второго выпрямителя связаны с искроопасными цепями питания первого и второго усилительных транзисторов, дополнительного источника питания и первым выводом выходного коммутирующего элемента узла гальванической развязки (тиристор оптрона) искробезопасного блока запуска реле времени, второй вывод которого через четвертый резистор соединен с зашунтированным вторым конденсатором входом четвертого усилительного транзистора с резистивным делителем в базе, коллектор которого через последовательную цепочку из пятого резистора и третьего диода соединен с базой второго ключевого транзистора, коллектор которого через шестой резистор подключен к общей точке соединения вывода времязадающего конденсатора и неинвертирующего входа компаратора, а эмиттер - к отрицательному выводу дополнительного источника питания. Такое реле позволяет формировать выдержки времени как на включение, так и на отключение шахтных объектов контроля в ограниченном диапазоне 0,5-300 секунд. Его недостатком, снижающим надежность работы в более широком диапазоне выдержки времени, является резкое уменьшение устойчивости к воздействию дестабилизирующих факторов в шахтных условиях эксплуатации, отличающихся агрессивностью и повышенной влажностью окружающей среды. В частности, при формировании выдержек времени, исчисляемых десятками минут, что требуется, например, в схемах автоматического управления вентиляторами местного проветривания для разгазирования тупиковых выработок перед осуществлением автоматической подачи электроэнергии на электрооборудование этих выработок, наблюдается резкое увеличение нестабильности выдержек времени, а также увеличение времени готовности к повторному запуску. Связано это с тем, что узел формирования выдержки времени в прототипе выполнен в виде времязадающего моста с использованием RC-цепи, параметры которой исчисляются соответственно десятками мегом и микрофарад для диапазона 0,5-300 с, и при расширении диапазона формируемых выдержек до требуемых величин должны быть существенно увеличены. Однако при увеличении сопротивления времязадающего резистора его величина становится сравнимой с сопротивлением по путям утечек этих времязадающих элементов и достижение поставленной задачи в прототипе становится проблематичным, К тому же сопротивление утечки значительно зависит от изменения влажности окружающей среды, что увеличивает нестабильность заданной выдержки времени и этим также снижает надежность его работы. С увеличением емкости времязадающего конденсатора в прототипе увеличивается и постоянная времени цепи его разряда через ограничивающий резистор и второй ключевой транзистор, определяющая готовность схемы к повторному включению, что также снижает надежность работы прототипа в ряде случаев его применения, когда выдержка времени исчисляется долями или единицами секунд, например, при осуществлении сдвига запуска мощных многоприводных станций управления конвейерных установок и т.п. объектов. Кроме того, увеличение емкости времязадающего конденсатора при сохранении высокой стабильности выдержек времени связано с увеличением массы и габаритов конденсаторов. Недостатком прототипа является также отсутствие индикации о величине заданной уставки выдержки времени, что затрудняет своевременное обнаружение нарушений в функционировании реле времени и снижает его эксплуатационную надежность работы, т.к. увеличивает вероятность включения шахтного объекта контроля с укороченной выдержкой времени или вовсе без нее. В основу изобретения поставлена задача создать такое реле времени, которое позволяло бы формировать значительные по величине выдержки времени без использования в узле и х формирования времязадающих резисторов и конденсаторов, что обеспечивается введением в схему реле времени последовательно включенных генератора импульсов и формирователя тактовых импульсов, выполнением узла формирования выдержки времени в виде блока из соединенных последовательно двоично-десятичных счетчиков, совмещением узла сравнения с узлом задания уставки и его выполнением в виде блока программных двоично-десятичных переключателей, а также введением ряда других новых элементов и их связями между собой и с другими элементами реле времени, и вследствие этого существенно повысить надежность работы при одновременном расширении диапазона формируемых выдержек времени. Поставленная задача решается тем, что в реле времени, содержащем узел формирования выдержки времени и соединенные с ним узлы сравнения и задания уставки, первый и второй усилительные транзисторы с резистивным делителем в базе и электромагнитным реле в цепи коллектора каждый, трансформатор с дополнительной обмоткой и гальванически развязанными между собой первым и вторым выпрямителями, искробезопасный блок запуска, включающий состоящую из последовательно включенных первого диода и замыкающего пускового контакта цепь управления, третий усилительный транзистор, узел гальванической развязки искробезопасных иискроопасных цепей, дополнительную обмотку и первый выпрямитель трансформатора, при этом положительный вывод первого выпрямителя через узел гальванической развязки соединен с коллектором третьего усилительного транзистора, эмиттер которого через второй диод соединен с первым выводом резистора, первой обкладкой первого конденсатора, с отрицательными выводами первого выпрямителя и с первым выводом цепи управления, второй вывод которой через дополнительную обмотку трансформатора соединен со вторым выводом первого резистора и первым выводом второго резистора, второй вывод которого соединен с второй обкладкой первого конденсатора и через третий резистор - с базой третьего усилительного транзистора, а выводы второго выпрямителя соединены с искроопасными цепями питания первого и второго усилительных транзисторов и дополнительного источника питания, причем один из выводов второго выпрямителя, кроме того, связан с первым выводом выходного коммутирующего элемента узла гальванической развязки искробезопасного блока запуска, а также третий, четвертый диоды и четвертый, пятый и шестой резисторы, согласно изобретению, дополнительно введены последовательно соединенные генератор импульсов и формирователь тактовых импульсов, первый и второй логические элементы И, первый и второй инверторы, логический элемент И-НЕ, соединенный с выводами дополнительного источника питания делителя напряжения из последовательно включенных четвертого резистора, третьего диода и пятого резистора, а также пятый и шестой диоды, при этом узел формирования выдержки времени выполнен в виде блока, например, из трех соединенных последовательно двоично-десятичных четырехразрядных счетчиков, каждый из которых является соответствующим десятичным разрядом формируемой выдержки времени, узел сравнения совмещен с узлом задания уставки и выполнен в виде блока программных двоично-десятичных переключателей с числом секций - по числу счетчиков, общие выводы одной группы из четырех контактов каждой из секций которого через соответствующие резисторы связаны с положительным выводом дополнительного источника питания и являются выходами узла сравнения, а обособленные выводы задействованной группы из четырех контактов каждой секции связаны с первыми выводами соответствующи х дисков, вторые выводы которых являются информационными входами узла сравнения, причем информационные входы узла сравнения связаны с соответствующими информационными выходами узла формирования выдержки времени, а информационные выходы - с входами первого логического элемента И, выход которого через четвертый диод в прямом включении связан с первым входом логического элемента И-НЕ, катодом пятого диода и первым выводом шестого резистора, второй вывод которого соединен с уровнем напряжения логического "0", выход формирователя тактовых импульсов связан с счетным входом счетчика младшего разряда узла формирования выдержки времени, входы предварительной установки счетчиков связаны с уровнем логического "0", а их разрешающие входы - с общей точкой соединения третьего диода и пятого резистора делителя напряжения, вторым входом формирователя тактовых импульсов, катодом шестого диода и входом первого инвертора, выход которого соединен с вторым входом логического элемента И-НЕ и первым входом второго логического элемента И, второй вход которого соединен с выходом логического элемента И-НЕ и входом второго инвертора, выход которого связан с анодами пятого и шестого диодов и входом первого усилительного транзистора, выход второго логического элемента И связан с входом второго усилительного транзистора, а второй вывод выходного коммутирующего элемента узла гальванической развязки - с общей точкой соединения третьего диода и четвертого резистора делителя напряжения. Кроме того, формирователь тактовых импульсов выполнен в виде последовательной цепочки из двоичного счетчика, коммутирующего устройства и третьего инвертора, выход которого является выходом формирователя тактовых импульсов, первый вход которого соединен с тактовым входом, а второй - со входом установки начального состояния двоичного счетчика. На чертеже приведена функциональная схема реле времени. Реле времени содержит первый 1 и второй 2 усилительные транзисторы с резистивным делителем в базе и электромагнитным реле в цепи коллектора каждый, искробезопасный блок 3 запуска, включающий состоящую из последовательно, соединенных первого диода 4 и замыкающего пускового контакта 5 цепь управления 6, узел 7 гальванической развязки искробезопасных и искроопасных электрических цепей в виде электромагнитного реле 8 с выходным коммутирующим элементом 9 в виде замыкающего контакта, третий 10 усилительный транзистор, первый 11, второй 12 и третий 13 резисторы, первый 14 конденсатор, второй диод 15, а также дополнительную обмотку 16 и первый 17 выпрямитель входящего в состав реле времени трансформатора 18, который снабжен также вторым 19 выпрямителем, дополнительный источник питания 20, делитель напряжения из последовательно включенных четвертого резистора 21, третьего диода 22 и пятого резистора 23, узел 24 формирования выдержки времени на базе соединенных последовательно первого 25, второго 26 и третьего 27 двоично-десятичных счетчиков, узел 28 сравнения и задания уставки на базе блока программных двоичнодесятичных переключателей, например, из трех секций 29, 30 и 31, а также на базе резисторов 32 и четырех диодов 33 на каждую из секций, первый 34 и второй 35 логические элементы И, первый 36 и второй 37 инверторы, логический элемент И-НЕ 38, шестой резистор 39, четвертый 40, пятый 41 и шестой 42 диоды, генератор импульсов 43 и формирователь 44 тактовых импульсов. Формирователь 44 тактовых импульсов содержит последовательную цепочку из двоичного счетчика 45, коммутирующего устройства 46 и третьего инвертора 47. Выход третьего инвертора 47 является выходом формирователя 44 тактовых импульсов и связан со счетным входом счетчика 25 младшего разряда узла 24 формирования выдержки времени, информационные выходы которого связаны с соответствующими входами узла 28 сравнения и задания уставки, выходы которого связаны с входами первого 34 логического элемента И, выход которого через четвертый диод 40 в прямом включении связан с первым входом логического элемента И-НЕ, катодом пятого диода 41 и первым выводом шестого резистора 39, второй вывод которого связан с уровнем напряжения логического нуля, входы установки счетчиков 25, 26, 27 также связаны с уровнем логического нуля, а и х разрешающие входы и вход установки двоичного счетчика 45 формирователя 44 тактовых импульсов - с общей точкой соединения третьего диода 22 и пятого резистора 23 делителя напряжения, катодом шестого диода 42 и входом первого 36 инвертора, выход которого связан с вторым входом логического элемента И-НЕ 38 и первым входом второго 35 логического элемента И, второй вход которого связан с выходом логического элемента И-НЕ 38 и входом второго 37 инвертора, выход которого связан с анодами пятого 41 и шестого 42 диодов и входом первого 1 усилительного транзистора, выход второго 35 логического элемента И связан с входом второго 2 усилительного транзистора, а вывод коммутирующего элемента 9 узла 7 гальванической развязки - с отрицательным выводом дополнительного источника питания 20 и общей точкой соединения четвертого 21 резистора и третьего диода 22 соответственно. Работает реле времени следующим образом. В исходном состоянии, когда разомкнут замыкающий пусковой контакт 5 цепи управления 6 искробезопасного блока 3 запуска, замыкающий контакт 9 электромагнитного реле 8 узла 7 гальванической развязки искробезопасных и искроопасных электрических цепей разомкнут и напряжение высокого уровня (логическая "1") с делителя на элементах 21,22 и 23 поступает на разрешающие входы счетчиков 25, 26 и 27 узла 24 формирования выдержки времени и на вход установки начального состояния двоичного счетчика 45 формирователя 44 тактовых импульсов, запрещая их работу. На информационных выходах счетчиков 25, 26, 27 установлено напряжение низкого уровня (логический "0"), т.к. входы предварительной установки этих счетчиков связаны с уровнем напряжения логического "0". Уставка формируемой узлом 24 выдержки времени задается обслуживающим персоналом вручную механическим поворотом лимба с цифрами в десятичном коде на каждой из секций 29, 30 и 31 блока программных двоично-десятичных переключателей узла 28 сравнения и задания уставки. Так как двоично-десятичные переключатели 29, 30 и 31 обособленными выводами своих контактов через соответствующие диоды 33 подключены к информационным выходам счетчиков 25, 26, 27 узла 24 формирования выдержки времени, а общий вывод всех контактов каждого из переключателей связан через соответствующий резистор 32 с напряжением высокого уровня (логическая "1"), то на вы ходе каждого из переключателей 29, 30 и 31 высокий уровень напряжения (логическая "1") появится только тогда, когда на выходе счетчиков 25, 26, 27 число в двоичном коде будет соответствовать цифре в десятичном коде, установленной на лимбе переключателя соответствующего разряда. Таким образом, до замыкания пускового контакта 5 цепи управления 6. на выходах счетчиков 25, 26, 27, а, следовательно, и переключателей 29, 30 и 31, а также первого 34 логического элемента И будет сохраняться низкий уровень напряжения (логический "0"), на выходе элемента И-НЕ 38 - логическая "1", т.к. резистор 39 шунтирует на общую шин у питания (уровень логического "0") первый вход указанного элемента. На выходе инвертора 37 и второго 35 логического элемента И сохраняется уровень логического "0", в связи с чем электромагнитные реле первого 1 и второго 2 усилительных транзисторов, формирующих соответственно выдержку времени на включение и отключение исполнительных устройств автоматики, в исходном состоянии находятся в отключенном состоянии. Причем логический "0" на выходе второго 35 логического элемента И обеспечивается отсутствием уровня логической " 1" на его втором входе, связанном через первый 36 инвертор с высоким уровнем напряжения с делителя на элементах 21, 22, 23, а наличие шестого диода 42 препятствует изменению от второго инвертора 37 высокого уровня напряжения на разрешающих входах счетчиков. При замыкании пускового контакта 5 цепи управления 6 положительной полуволной напряжения дополнительной обмотки 16 открывается транзистор 10 и включает электромагнитное реле 8, замыкающий контакт 9 которого шунтирует элементы 22, 23 делителя напряжения, в результате чего на разрешающие входы счетчиков 25, 26, 27 и вход установки начального состояния двоичного счетчика 45 поступает низкий уровень напряжения. Начинается счет импульсов указанными счетчиками. В момент включения пускового контакта 5 состояние на выходах счетчиков 25, 26, 27, переключателей 29, 30 и 31, первого 34 логического элемента И, элемента И-НЕ 38 и второго 37 инвертора остается неизменным, т.е. электромагнитное реле первого 1 усилительного транзистора по-прежнему будет находиться в отключенном состоянии. Однако в связи с изменением на низкий уровень напряжения с выхода делителя напряжения, на выходе первого 36 инвертора появится логическая "1", которая поступит на второй вход второго 35 логического элемента И, который изменит свое выходное состояние на логическую"1". Наличие напряжения высокого уровня на выходе второго 35 логического элемента И приведет к включению электромагнитного реле второго 2 усилительного транзистора, формирующего выдержку времени на отключение. После того, как пройдет время, установленное на переключателях 29, 30 и 31, причем на переключателе 29 устанавливаются единицы секунд, на переключателе 30 - десятки секунд и на переключателе 31 - сотни секунд, на всех трех входах первого 34 логического элемента И, а, следовательно, и на его выходе появляется сигнал логической "1". Указанный сигнал через четвертый диод 40 поступает на первый вход логического элемента ИНЕ 38, на второй вход которого логическая "1" была подана с выхода первого 36 инвертора при включении пускового контакта 5. На выходе элемента И-НЕ 38 появляется логический "0", который поступает на первый вход второго 35 логического элемента И, изменяет его выходное состояние, запирая тем самым второй 2 усилительный транзистор и отключая его электромагнитное реле. В это же время на выходе второго 37 инвертора появляется логическая "1", которая включает электромагнитное реле первого 1 усилительного транзистора, формирующего выдержку времени на включение. Кроме того, логическая "1" с выхода второго 37 инвертора через пятый диод 41 поступает на первый вход логического элемента И-НЕ 38, сохраняя с тех пор неизменным его выходное состояние независимо от уровня сигнала с выхода первого 34 логического элемента И. Одновременно сигнал логической "1" через шестой диод 42 поступает на размещающие входы счетчиков 25, 26, 27 и вход установки начального состояния двоичного счетчика 45. На входах сче тчиков 25, 26, 27 устанавливается низкий уровень и счет импульсов прекращается. Состояние логических элементов И-НЕ 38 и инвертора 37 остается неизменным до тех пор, пока включен пусковой контакт 5, а, следовательно, все это время будет включено электромагнитное реле первого 1 усилительного транзистора. При отключении пускового контакта 5 на второй вход логического элемента И-НЕ 38 и первый вход второй 35 схемы И с выхода первого 36 инвертора поступает низкий уровень напряжения, усилительные транзисторы 1 и 2 оказываются закрытыми, а их электромагнитные реле отключенными -схема возвращается в исходное состояние. В предложенном реле времени сигнал об окончании формирования заданной выдержки времени одновременно является и сигналом о его готовности к последующему запуску, т.е. существенно повышено быстродействие при повторных включениях, что важно при формировании выдержек времени, исчисляемых единицами секунд. Кроме того, формируемая выдержка времени легко может быть увеличена добавлением до нужного числа разрядных счетчиков в узле 24 формирования выдержек времени и числа секций программных переключателей с диодами 33 и резистором 32 в узле 28 сравнения и задания уставки, а также соответствующим увеличением числа входов в первом 34 логическом элементе И. Отсутствие в узле 24 формирования выдержки времени времязадающих RC-цепей существенно повышает его устойчивость к воздействию дестабилизирующих факторов в виде, например, влажности шахтной атмосферы, а также колебаний температуры и напряжения питания. Так, в предложенном реле времени погрешность формируемых выдержек времени, исчисляемых десятками минут, при колебаниях в широких пределах влажности, а также температуры окружающей среды от -40 до +400С и напряжения питания ±20% от номинального в сравнении с прототипом снижена на порядок. Выполнение задатчика уставок с использованием программных переключателей, устанавливаемых внутри взрывозащищенного корпуса на передней части выемной панели, позволяет обслуживающему персоналу в любое время через смотровое окно в передней крышке по цифрам на лимбах переключателей определить соответствие величины заданной требуемой уставки, а также проконтролировать ее отработку, чем своевременно обнаруживаются опасные отказы реле времени, приводящие к включению объекта без выдержки времени и т.п. Выполнение формирователя 44 тактовых импульсов в виде последовательно соединенных через коммутирующее устройство 46 третьего инвертора 47 и двоичного счетчика 45, вход установки начального состояния которого связан с разрешающими входами счетчиков 25, 26, 27 узла 24 формирования выдержки времени и выходным коммутирующим элементом 9 блока 3 запуска реле времени, позволяет исключить появление ошибки в счетчике 25 (в младшем разряде) из-за возможного несоответствия временного положения (в пределах длительности тактового импульса) запускающих тактовы х импульсов с моментом замыкания выходного коммутирующего элемента 9 блока 3 запуска. Сказанное повышает точность отработки заданной уставки, что особенно важно при отработке малых выдержек времени (долей и единиц секунд). Таким образом, реле времени в целом и его основные функциональные узлы обеспечивают существенное повышение надежности работы реле времени в шахтных условиях эксплуатации при одновременном и существенном расширении диапазона формируемых выдержек, сохранении функциональных возможностей и искробезопасности цепей управления.