過程控制裝備-安全柵

1、4.2 安全柵安全柵機制136 宗瑋昊2什么是安全柵？什么是安全柵？安全柵（又稱防爆柵）是防止電能從控制系統(tǒng)信號進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。在某些企業(yè)生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)原料中含有易燃，易爆的氣體，粉塵等危險物質(zhì)，使生產(chǎn)現(xiàn)場成為爆炸危險區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)使用的電器儀表的電火花或電氣元件的發(fā)熱可能會引起火災(zāi)爆炸事故。因此，在危險區(qū)域使用的電氣儀表必須是安全防爆的，不會給現(xiàn)場帶來危險。盤點不用安全柵造成的鍋爐爆炸事件盤點不用安全柵造成的鍋爐爆炸事件由于歷史原因，我國鍋爐，壓力容器的安全狀況在七十年代后期曾經(jīng)到了非常嚴(yán)重的地步，年均爆炸事故率高達萬分之七，是當(dāng)時發(fā)達國家的40倍

2、。不過近年來情況有所好轉(zhuǎn)050100150200250300五五期間六五期間七五期間年事故發(fā)生數(shù)量012345678五五期間六五期間七五期間年事故發(fā)生率據(jù)不完全統(tǒng)計，我國在1976-1991年這年期間，鍋爐壓力容器共發(fā)生3200多起不同程度的爆炸事故。4.2.1 安全防爆安全防爆根據(jù)不同的爆炸性混合物以及不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同I類設(shè)備：煤礦井下用電氣設(shè)備。II類設(shè)備：有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備。III類設(shè)備：有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備。4.2.2 安全火花防爆系統(tǒng)安全火花防爆系統(tǒng)如果在危險現(xiàn)場使用的儀表安全火花防爆儀表，并且危險現(xiàn)場儀表與非危險場所儀表的電路連接之間設(shè)置了安

3、全柵，這樣的控制系統(tǒng)稱為安全火花防爆系統(tǒng)。安全火花防爆儀表與安全柵是構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的兩要素，且兩者缺一不可安全火花防爆系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖安全火花防爆系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖其中；安全火花防爆儀表：變送器，執(zhí)行器4.2.3安全柵的工作原理安全柵的工作原理安全柵的種類 電阻式安全柵 中繼放大式安全柵 齊納式安全柵 光電隔離式安全柵 變壓器式安全柵4.2.3.1 齊納式安全柵齊納式安全柵4.2.3.1 齊納式安全柵齊納式安全柵工作原理：利用齊納二級管的反向擊穿特性進行限壓，用電阻進行限流。當(dāng)輸入電壓Vi在正常范圍內(nèi)，齊納二極管不作用，當(dāng)電壓Vi過高時，齊納二極管被擊穿，將電壓牽制在安全值以下，此時電流急劇增

4、大，快速熔斷器F熔斷，從而將高壓與危險現(xiàn)場隔離。當(dāng)輸出電流過大時，電阻R限制了電流。4.2.3.1 齊納式安全柵齊納式安全柵改進限流電阻限流電阻R由固定電阻改為阻值可變的限流電路由固定電阻改為阻值可變的限流電路 限流電阻R 串聯(lián)在信號通路中，阻值取小了起不了限流作用，大了對正常通過的信號衰減過多因此理想的限流電阻再通過正常信號時阻值為0，當(dāng)電流一旦超出安全范圍，其阻值增大，起強烈的限制作用。電路沒有進入保護電路時，接地不起作用電路沒有進入保護電路時，接地不起作用 通常一個信號回路只允許一點接地，若有兩點以上接地會造成信號通過大地短路或形成干擾，因此，安全柵上的接地點必須在正常通過信號時對地斷開

5、。4.2.3.1 齊納式安全柵齊納式安全柵二極管VD1-VD4，快速熔斷絲F1-F4. 構(gòu)成雙重限壓電路（針對接地的改進）用雙重晶體管限流電路取代基本電路中的固定電阻（針對阻值的改進）改進后的齊納式安全柵改進后的齊納式安全柵4.2.3.1 齊納式安全柵齊納式安全柵1.正常時正常時VT1飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通（安全不通（安全柵限流電阻很?。〇畔蘖麟娮韬苄。?.過流時過流時VR 1 0.6V VT2導(dǎo)通，分流導(dǎo)通，分流VT3的電流的電流 VT1退飽退飽和和 Vce1呈現(xiàn)較高的電阻呈現(xiàn)較高的電阻 （安全柵限流電阻很大）（安全柵限流電阻很大）二極管二極管VD1-4

6、背靠背連接中點接地，這樣正常工作范圍內(nèi)二背靠背連接中點接地，這樣正常工作范圍內(nèi)二極管不導(dǎo)通極管不導(dǎo)通 安全柵不接地。當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)過電壓時，二極安全柵不接地。當(dāng)輸入電壓出現(xiàn)過電壓時，二極管齊納擊穿。起到接地的作用。管齊納擊穿。起到接地的作用。改進后的齊納式安全柵改進后的齊納式安全柵4.2.3.1 齊納式安全柵齊納式安全柵 齊納式安全柵的優(yōu)缺點齊納式安全柵結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。但由于齊納二極管過載能力低，對熔斷絲的熔斷時間和可靠性要求都非常高，要求特殊的快速熔斷絲。一般要求流過的電流為額定電流的10倍時，應(yīng)在1秒的時間內(nèi)熔斷。熔絲是一次性使用的元件，一旦燒斷必須更換后安全柵才能重新工作。4.2.3

7、.2隔離式安全柵隔離式安全柵定義：隔離式安全柵采用變壓器作為隔離元件，分別將輸入，輸出和電路元件進行隔離以防止危險能量直接進入現(xiàn)場。同時用晶體管限壓限流電路，對事故狀況下的過電壓和過電流作截止式的控制4.2.3.2隔離式安全柵隔離式安全柵分類DDZ-III型儀表的隔離式安全柵有兩種一種是和變送器配合使用的檢測端安全柵一種是和執(zhí)行器配合使用的執(zhí)行端安全柵4.2.3.2隔離式安全柵隔離式安全柵檢測端安全柵作為連接現(xiàn)場變送器與控制室儀表的安全柵，要向變送器提供24vDC工作電源，變送器根據(jù)所測參數(shù)的大小從工作電源吸取4-20mA的工作電流。安全柵還要將代表所測參數(shù)大小4-20mA工作電流（信號電流）

8、經(jīng)隔離變壓器傳送給控制室儀表4.2.3.2隔離式安全柵隔離式安全柵 檢測端安全柵 24V直流電源經(jīng)直流交流變換器變成8khz的交流電壓，經(jīng)變壓器T1隔離傳遞，一路經(jīng)整流濾波為解調(diào)放大器供電，另一路經(jīng)整流濾波和限壓限流電路為變送器提供電壓流入變送器的420mA信號電流同時進入調(diào)制器被調(diào)制成交流后，由變壓器T2隔離傳遞給解調(diào)放大器，再經(jīng)解調(diào)放大器恢復(fù)成直流信號，輸出給控制室儀表8KHZT1解調(diào)放大器供電變送器接控制室儀表整流濾波過后在進入調(diào)制器 再通過T2傳遞給解調(diào)放大器4.2.3.2隔離式安全柵隔離式安全柵檢測端安全柵的原理電路4.2.3.2隔離式安全柵隔離式安全柵執(zhí)行端安全柵執(zhí)行端安全柵用于控

9、制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是4-20mA 調(diào)節(jié)信號的安檢通道與檢測端安全柵的區(qū)別：與檢測端安全柵的區(qū)別： 信號傳輸方向相反，信號傳輸方向相反， 不不需給現(xiàn)場供電。需給現(xiàn)場供電。電路原理基本相似。電路原理基本相似。 4.2.3.2隔離式安全柵隔離式安全柵 24V直流電源經(jīng)磁耦合多諧振蕩器變成交流方波電壓，通過隔離變壓器分成兩路，一路供一路供給調(diào)制器作為給調(diào)制器作為420mA信號電信號電流的斬波電壓流的斬波電壓，另一路經(jīng)整流另一路經(jīng)整流濾波給解調(diào)放大器，限壓限流濾波給解調(diào)放大器，限壓限流電路提供電源。電路提供電源。由控制器調(diào)節(jié)來的420mA直流信號電流經(jīng)調(diào)制器變成交流方波通過電感互感器耦合到調(diào)節(jié)放大電路經(jīng)解 調(diào) 恢 復(fù) 到 與 原 來 相 等 的420mA直流電流，經(jīng)限壓限流輸出到執(zhí)行器。執(zhí)行端安全柵框圖4.2.3.2隔離式安全柵隔離式安全柵