阅读说明：本技术 一种安全释放静电的电路及方法及其应用 (Circuit and method for safely releasing static electricity and application thereof ) 是由 金宇轩 陆志仁 吴东辉 于 2020-04-24 设计创作，主要内容包括：本发明涉及静电释放消除的技术领域,特别是一种安全释放静电的电路及其应用。其特征是：包括电压检测单元、计算单元、压控变阻单元,压控变阻单元两端的电阻值由控制极G上的电压控制,压控变阻单元一端接地,另一端为静电释放端,当静电释放端触碰静电体,电压检测单元对静电体的电压进行检测,计算单元根据检测的电压按设定参数进行电阻值计算,所述电阻值由压控变阻单元实现,实现限定放电功率条件下快速安全释放静电体的静电,或实现限定放电电流条件下快速安全释放静电体的静电。有益效果是：在限定放电功率条件下快速安全释放静电体的静电实现本质安全型产品要求,或在限定放电电流条件下快速安全释放人体静电以避免静电对人体的电击。(The invention relates to the technical field of static electricity discharge elimination, in particular to a circuit for safely discharging static electricity and application thereof. The method is characterized in that: the voltage-controlled variable resistance unit is grounded at one end, the other end is an electrostatic discharge end, when the electrostatic discharge end touches the electrostatic body, the voltage detection unit detects the voltage of the electrostatic body, the calculation unit calculates the resistance value according to the detected voltage and set parameters, the resistance value is realized by the voltage-controlled variable resistance unit, and the static electricity of the electrostatic body is quickly and safely released under the condition of limiting discharge power or the static electricity of the electrostatic body is quickly and safely released under the condition of limiting discharge current. The beneficial effects are that: the static electricity of the static body is quickly and safely released under the condition of limited discharge power to meet the requirement of an intrinsically safe product, or the static electricity of the human body is quickly and safely released under the condition of limited discharge current to avoid the electric shock of the static electricity to the human body.)

一种安全释放静电的电路及方法及其应用

技术领域

本发明涉及静电释放消除的技术领域，特别是一种安全释放静电的电路及其应用。

背景技术

静电包括人体运动产生的静电和生产过程中物料、油料移动所产生的静电，对于人体静电，在易燃、易爆和防静电场所使用人体静电释放球释放人体静电，现有的人体静电释放球用不锈钢制作，球体（触摸球）连接大地，当手接触球体后将人体静电迅速引入大地，在此过程中，当手接触球体的瞬间有可能产生放电火花，该火花对于易燃，易爆场所是不安全的，另外人体也会有电击感而产生不适。对于生产中产生的静电，如一辆满载的油槽车在卸油时，它自身携带的静电(油槽车一般对地电容为1500PF左右，经车轮与地摩擦产生的静电)有2-3KV左右，因此卸油前必须采用静电接地钳进行连接以释放静电，在静电接地钳咬合导体的一瞬间可能产生静电火花，静电火花在爆炸区足以造成危害。

为了避免静电体（带电物体或人体）的静电突然释放，可以在静电体和地线之间跨接一电阻，但静电体的静电电压、电容不确定，所以很难用一确定的电阻来满足安全放电的要求。

发明内容

本质安全源于按GB3836.4—201标准，防爆电器分为隔爆型、增安型、本质安全型等种类，本质安全型电器设备的特征是其全部电路均为本质安全电路，即在正常工作或规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃规定的爆炸性混合物的电路。也就是说该类电器不是靠外壳防爆和充填物防爆，而是其电路在正常使用或出现故障时产生的电火花或热效应的能量小于0.28mJ，即瓦斯浓度为8.5%（最易爆炸的浓度）最小点燃能量。

本发明的目的是提供一种安全释放静电的电路，对于人体静电释放要求对人体不产生点击感，对安全生产中的静电体的静电释放要求满足GB3836.4—201标准本质安全要求，在正常使用或出现故障时产生的电火花或热效应的能量小于0.28mJ，该标准只给出了能量值，但没有考虑能量释放时间，实际过程是单位热效应放出的能量加热单位质量的物质Q=C*M*△T,Q为热效应的能量，M为物质质量，C为物质比热，△T为温度变化，当温度变化的最高值达到物质的燃点即发生爆炸，而在此过程中还伴随散热（在此忽略），所以点燃物质的指标是单位时间释放的能量，本案引入点燃功率P的概念，即即时能量释放不大于0.28mJ，换算为P=0.28mJ/s。通过实验测试，人体不产生电击感的电流为不大于1mA。如此设定两个参数：1、人体静电释放电流I＜＝1mA，根据欧姆定律，过流电阻R为R=U/I；安全生产中的过流电阻R =U²/ P，P＜＝0.28mJ/s（以GB3836.4—201标准进行推导，本质安全要求一次放电能量小于0.28mJ，该放电时间小于1秒，所以P＜＝0.28mJ/s足以覆盖一次放电能量小于0.28mJ的本质要求）。由于静电体的静电电压、电容不确定，同时随着静电电量的释放其电压也随之下降（U=Q/C），所以很难用一确定的电阻来满足安全放电的要求，所以本案采用实时动态变化的电阻来满足任一时刻的安全放电要求，即不断地跟踪静电体的实时电压，计算满足安全放电的实时电阻值，实现快速安全释放静电的要求。

本发明的技术方案是：

一种安全释放静电的电路，其特征是：包括电压检测单元、计算单元、压控变阻单元，压控变阻单元两端的电阻值由控制极G上的电压控制，压控变阻单元一端接地，另一端为静电释放端，当静电释放端触碰静电体，电压检测单元对静电体的电压进行检测，计算单元根据检测的电压按设定参数进行电阻值计算，所述电阻值由压控变阻单元实现，实现限定放电功率条件下快速安全释放静电体的静电，或实现限定放电电流条件下快速安全释放静电体的静电。

一种安全释放静电的电路，其特征是：由半导体材料制成，包括源极S、栅极G、漏极D、源极S、栅极G、电压检测单元、计算单元，当静电释放端触碰静电体，电压检测单元对静电体的电压进行检测，计算单元根据检测的电压按设定参数进行电阻值计算，所述电阻值由栅极G控制漏极D和源极S间的电阻实现，实现限定放电功率条件下快速安全释放静电体的静电，或实现限定放电电流条件下快速安全释放静电体的静电。

一种安全释放静电的电路，其特征是：包括场效应管、电压检测单元、计算单元，当静电释放端触碰静电体，电压检测单元对静电体的电压进行检测，计算单元根据检测的电压按设定参数进行电阻值计算，所述电阻值由场效应管的栅极G控制漏极D和源极S间的电阻实现，实现限定放电功率条件下快速安全释放静电体的静电，或实现限定放电电流条件下快速安全释放静电体的静电。

所述的一种安全释放静电的电路，其特征是：静电体为人体，所述计算的电阻值为R=U/I，I＜＝1mA，U为人体实时电压，I为设定电流。

所述的一种安全释放静电的电路，其特征是：静电体为生产物体，所述计算的电阻值为R =U²/ P，P＜＝0.28mJ/s，U为生产物体的实时电压，P为设定放电功率。

所述的一种安全释放静电的电路，其特征是：D-S间跨接100兆欧姆~1000兆欧姆的电阻。

所述的静电释放电路的应用，其特征是：静电释放电路设置在加油机外壳用于释放人体静电。

所述的静电释放电路的应用，其特征是：静电释放电路设置在加油枪的油嘴管上用于释放人体静电。

所述的静电释放电路的应用，其特征是：静电释放电路设置在加油枪的手柄上用于释放人体静电。

所述的静电释放电路的应用，其特征是：静电释放电路设置在门手把上用于释放人体静电。

所述的静电释放电路的应用，其特征是：静电释放电路设置在静电释放球电路中用于释放人体静电。

所述的静电释放电路的应用，其特征是：静电释放电路设置在静电接地钳中用于释放生产物体的静电。

一种安全释放静电的电路的方法，其特征是，包括如下步骤：

设定参数I，

（1）电压检测单元检测人体实时电压U；

（2）计算单元进行阻值计算，R=U/I，U为人体实时电压，I为设定电流；

（3）压控变阻单元实现阻值R；

（4）以周期T不断地执行步骤（1）~步骤（3）。

进一步，设定参数I＜＝1mA。

一种安全释放静电的电路的方法，其特征是，包括如下步骤：

设定参数P ，

（1）电压检测单元检测静电体实时电压U；

（2）计算单元进行阻值计算，R =U²/ P，U为静电体的实时电压，P为设定功率；

（3）压控变阻单元实现阻值R；

（4）以周期T不断地执行步骤（1）~步骤（3）。

进一步，设定参数P＜＝0.28mJ/s 。

本发明的有益效果是：在限定放电功率条件下快速安全释放静电体的静电实现本质安全型产品要求，或在限定放电电流条件下快速安全释放人体静电以避免静电对人体的电击。

附图说明

图1为本发明原理图。

图2为本发明采用场效应管的电路图。

图3为本发明静电体放电电压时间变化的示意图。

图4为本发明流程图。

图5为本发明应用于静电接地钳的实施方案。

图6为本发明应用于加油站的实施方案。

图7为本发明应用于加油枪的实施方案。

图8为本发明应用在门把手上的实施方案。

图9为本发明应用于静电释放球的实施方案。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明原理图，电路1000包括压控变阻器件101、电压检测单元103、计算单元104，压控变阻器件101两端的电阻由控制极G上的电压控制，压控变阻器件一端接地，另一端为静电释放端102，当静电体（带有静电的物体或人）触碰静电释放端102，电压检测单元以周期T对静电体的带电电压U进行不断地检测，计算单元104根据实时电压U计算获得压控变阻单元101的电阻值R，电阻值R由设定的参数参与确定，静电体为人体时为了避免静电电流对人体的电击感，电阻值为R=U/I，I＜＝1mA，U为人体实时电压，I为设定电流，静电体为生产物体时为了避免静电能量引起可燃气体爆炸，电阻值为R =U²/ P，P＜＝0.28mJ/s，U为生产物体的实时电压，P为设定功率，静电体电通过压控变阻器件101进行放电，实现限定放电电流条件下快速安全释放静电体静电，或实现限定放电功率条件下快速安全释放静电体静电。本发明的实施方式可以是芯片级实施或器件实施，芯片级实施即直接用半导体工艺制成压控变阻模块或压控变阻芯片。

图2为本发明采用场效应管的电路图，包括场效应管、电压检测单元103、计算单元104，电压检测单元103以周期T对静电体的带电电压U进行不断地检测，计算单元104根据实时电压U计算获得场效应管的电阻值R，电阻值R由设定的参数参与确定，静电体为人体时为了避免静电电流对人体的电击感，电阻值为R=U/I，I＜＝1mA，U为人体实时电压，I为设定电流，静电体为生产物体时为了避免静电能量引起可燃气体爆炸，电阻值为R =U²/ P，P＜＝0.28mJ/s，U为生产物体的实时电压，P为设定功率，静电体电通过场效应管进行放电，实现限定放电电流条件下快速安全释放静电体静电，或实现限定放电功率条件下快速安全释放静电体静电。图中为N-MOS管，同理可以推演到P-MOS管，场效应管在源极金属与衬底连在一起时，源极和漏极可以互换使用，且特性变化不大，场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用，耗尽型MOS管的栅-源电压可正可负。

图3为本发明静电体放电电压时间变化的示意图，静电体放电符合RC放电曲线，假设电阻不变，则曲线符合a，即开始电流大，电压快速下降，后期处于较长时间的平稳放电。如果采用本发明的变电阻放电则曲线符合b，假设第一个周期电阻为R1，电压检测单元检测的第二个周期的电压一定小于第一个周期的电压，因此第二个周期的电阻R2一定小于R1，通过多次周期后静电体电压迅速下降，理想状态为静电体电压迅速下降为零。例如人体电容一般为200pF，假设人体静电为10000V，为了避免静电对人体电击，取I＝1mA， R=U/I=10000V/1mA=10兆欧姆，根据RC放电曲线，完全释放人体电压需要8秒以上（有残留电压），如果采用本发明变电阻释放人体静电2秒即可完全释放人体静电。

图4为本发明流程图，对于人体无电击感放电要求，包括如下步骤：

设定参数I＜＝1mA，

（1）电压检测单元检测人体实时电压U；

（2）计算单元进行阻值计算，R=U/I，U为人体实时电压，I为设定电流；

（3）压控变阻单元实现阻值R；

（4）以周期T不断地执行步骤（1）~步骤（3）。

对于防爆安全生产的放电要求，包括如下步骤：

设定参数P＜＝0.28mJ/s ，

（1）电压检测单元检测静电体实时电压U；

（2）计算单元进行阻值计算，R =U²/ P，U为静电体的实时电压，P为设定功率；

（3）压控变阻单元实现阻值R；

（4）以周期T不断地执行步骤（1）~步骤（3）。

周期T的选择：周期T越小越接近静电释放的理想值，周期T越小越消耗计算单元的计算资源，对电路器件的指标要求越高。对于较大电容的静电体，由于携带的静电量多，所以可以采用较长的周期T，0秒＜T＜＝5秒。当然该周期不能限定本案的技术特征。

图5为本发明应用于静电接地钳的实施方案，对于生产安全的一个应用案例是静电接地钳，在运油车和油库进行装卸油之前必须进行双方电连接接地操作，现有的接地钳有安全隐患，由于在接地钳咬合导体时可能产生电火花，在防爆区域是不安全的，所以本发明的一个应用是将本发明电路1000通过静电接地钳串接在运油车和油库之间，当静电接地钳咬合运油车时发明电路1000对运油车的静电电压进行检测，获得静电电压值后计算静电的安全过流电阻进行静电释放，此过程不断地动态进行实现静电的迅速安全释放。

图6为本发明应用于加油站的实施方案，801为加油机，803为加油枪，在加油机的金属外壳上设置本发明装置802用于释放人体静电。另外，现有的自助加油机上设置金属键盘804并接地，手指接触键盘时可能发生静电火花，为此在该键盘上可以设置本发明装置，当然本发明制品可以制成芯片或嵌入电路。

图7为本发明应用于加油枪的实施方案，在加油枪803上设置本发明电路或芯片1000，可以设置在枪嘴上902，或设置在把手上901。

图8为本发明应用在门把手上的实施方案，考虑到冬季人手接触门把手经常被静电电击，在门把手1001上设置本发明电路1000防止人体被静电电击，门把手当然包括汽车门把手。

图9为本发明应用于静电释放球的实施方案，2000为静电释放球的触摸球体，本发明电路1000的静电释放端102连接在触摸球体球体上，通过人手触摸释放人体静电。

目前人体静电消除采用静电释放球，由于静电释放球有金属制成，当手指触碰静电释放球时可能产生静电火花，在易燃易爆场所有安全隐患，同时对人体也会产生电击感；目前也有采用亚导体材质触摸球体（行业标准SY/T7354-2017，电阻10兆欧姆~1000兆欧姆），降低瞬间人体静电释放能量减少电击感，但需要延长人体静电释放时间，而且由于电阻的存在，不能完全释放人体所带静电，本发明电路可以实现无静电火花、无电击感彻底释放人体静电。

本发明电路可以设置在所有需要释放静电的场所，如车门、防爆设备、仪器等。

另外，还可以在静电释放的回路中设置辉光放电管用以显示静电的释放过程（在满足防爆要求的情况下，如采用防爆氖气泡）。

上述应用模式及规则均不限定本发明的方法及应用的基本特征，并非限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。