安全檢測技術(shù)課件第7章

第7章檢測儀表與系統(tǒng)的防爆7.1檢測儀表與系統(tǒng)防爆概述7.2檢測儀表的本質(zhì)安全防爆7.3防爆檢測儀表的選擇與應(yīng)用7.1檢測儀表與系統(tǒng)防爆概述

7.1.1檢測儀表的安全特性在工業(yè)生產(chǎn)，尤其是石化生產(chǎn)中，許多生產(chǎn)過程具有易燃、易爆、高溫、高壓和有毒等特點(diǎn)，許多工藝介質(zhì)具有強(qiáng)烈的腐蝕性，有些介質(zhì)易結(jié)晶和堵塞管道。測量儀表在這些特殊的場所中使用時必須采取相應(yīng)的技術(shù)措施，解決儀表的防護(hù)問題。

為了使檢測儀表，尤其是電動測量儀表、電動執(zhí)行器等直接靠近生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)環(huán)境的儀表單元，能夠適用于具有火災(zāi)及爆炸危險的生產(chǎn)現(xiàn)場，對檢測儀表提出的安全要求通常有如下兩種類型。(1)檢測儀表自身具有本質(zhì)安全特性，即使在具有爆炸危險的環(huán)境中使用，也不會產(chǎn)生可燃物質(zhì)或可燃性混合物燃燒爆炸所需要的有效點(diǎn)火源或危險火花。(2)檢測儀表自身具有一定的防爆、隔爆特性，能將檢測儀表內(nèi)部與其外部的易燃、易爆危險環(huán)境進(jìn)行有效的隔離，限制從電動儀表內(nèi)部進(jìn)入到危險現(xiàn)場中的火花能量，不向儀表外部的易燃、易爆危險環(huán)境提供足以引起燃燒、爆炸的危險火花。

一般地，具有本質(zhì)安全特性的檢測儀表稱為本質(zhì)安全型儀表，也稱為安全火花型儀表，其主要特點(diǎn)是儀表自身不會產(chǎn)生危險火花。而具有一定防爆、隔爆特性的檢測儀表稱為防爆型或隔爆型儀表，它的主要特點(diǎn)是在儀表內(nèi)部仍有可能產(chǎn)生危險火花，并且該火花能夠點(diǎn)燃由儀表縫隙進(jìn)入其內(nèi)部的可燃混合氣體，但卻能阻止儀表內(nèi)部的燃燒或爆炸通過縫隙傳至外部的危險環(huán)境。必須指出，防爆或隔爆型的結(jié)構(gòu)不但適用于檢測儀表，也適用于電氣設(shè)備或電動機(jī)的安全要求，是先于本質(zhì)安全型結(jié)構(gòu)之前應(yīng)用的傳統(tǒng)防爆類型。

7.1.2檢測儀表的防爆結(jié)構(gòu)1．隔爆型隔爆型將檢測儀表及配線完全裝在儀表盒、設(shè)備盒或管內(nèi)進(jìn)行密封，但是無論怎樣密封，內(nèi)外的溫差照樣能使內(nèi)部空氣膨脹和收縮，通過間隙進(jìn)行呼吸，因而不可能完全防止爆炸性氣體從外部進(jìn)入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。所以，像隔爆儀表箱、電動機(jī)外殼、開關(guān)箱、照明燈具玻璃罩等，除了要做成完全密封的結(jié)構(gòu)之外，還要做成即使在結(jié)構(gòu)內(nèi)部發(fā)生電火花引起可燃性氣體爆炸，也能耐得住爆炸的結(jié)構(gòu)(其耐壓大約為0.8MPa)。同時，爆炸生成的氣體通過間隙出來時，還要能夠冷卻到不致對密封結(jié)構(gòu)外部的爆炸性混合氣體構(gòu)成點(diǎn)火源。

必須指出，如果在隔爆型結(jié)構(gòu)的結(jié)合面上使用密封填料封閉，那么在隔爆容器內(nèi)發(fā)生爆炸時，爆炸壓力會將密封填料擠出去，使它起不到隔爆的作用。因此，通常是將結(jié)合面全部加工成光潔面或螺紋進(jìn)行連接。這樣的話，爆炸產(chǎn)生的氣體通過金屬光潔面或螺紋時，能被冷卻到爆炸性混合氣體的燃點(diǎn)溫度以下，從而阻止燃燒波的傳播。這時的氣路長度(即金屬光潔結(jié)合面的間隙深度或者螺紋峰谷面的總長)與間隙或縫隙大小必須符合最大安全縫隙或火焰蔓延極限所規(guī)定的具體值。

根據(jù)國際電工委員會79-1A號文件規(guī)定，最大安全縫隙是指受試設(shè)備兩部分殼體間，在縫隙深度(即氣路長度)為25mm時，能夠阻止其內(nèi)部可燃性混合氣體被點(diǎn)燃后，通過殼體結(jié)合面而將爆炸傳至外部可燃混合氣的最大間隙值。對各種爆炸性氣體混合物而言，都具有其最大安全縫隙，一些可燃物質(zhì)的最大安全縫隙數(shù)據(jù)見表7－1。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB1336—77中，最大安全縫隙大小δ分別為：δ>1.0mm、0.6mm<δ≤1.0mm、0.4mm<δ≤0.6mm和δ≤0.4mm四種情況。將可燃?xì)夂涂諝鈽?gòu)成的爆炸性混合物按傳播爆炸的危險性依次分為1、2、3、4級。若再將爆炸性物質(zhì)按自燃點(diǎn)分組情況給予綜合考慮，就可得出可燃?xì)怏w或蒸汽的分級、分組標(biāo)準(zhǔn)。依照國家標(biāo)準(zhǔn)GB1336-77，一些可燃?xì)怏w或易燃液體蒸汽的級別、組別情況見表7－2。這一標(biāo)準(zhǔn)(GB1336-77)以往是作為可燃?xì)怏w或易燃液體蒸汽與空氣混合物環(huán)境中，選用防爆、隔爆檢測儀表的主要依據(jù)。隔爆型產(chǎn)品中有適合于爆炸等級1、2、3、4級和燃點(diǎn)組別a、b、c、d的，但對爆炸等級4和燃點(diǎn)組別c的情況仍有一定困難。需說明，當(dāng)前執(zhí)行的國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836-2000采取與國際標(biāo)準(zhǔn)接軌的原則，對爆炸性氣體混合物的分級、分組規(guī)定進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。表7-1可燃物質(zhì)的最大安全縫隙

表7-1可燃物質(zhì)的最大安全縫隙

表7-1可燃物質(zhì)的最大安全縫隙

表7-2爆炸性混合氣體的分級分組規(guī)定

表7-2爆炸性混合氣體的分級分組規(guī)定

2．防爆通風(fēng)充氣型

防爆通風(fēng)充氣型也稱為正壓型，它與隔爆型一樣，需將檢測儀表裝入全封閉的容器內(nèi)或外殼中，同時里面充入清潔空氣或惰性氣體，以稍微提高內(nèi)部壓力來防止危險性氣體進(jìn)入。如果內(nèi)部壓力下降，外部的爆炸性氣體有可能進(jìn)入而發(fā)生危險，故一般設(shè)有內(nèi)部壓力監(jiān)測及自動報警或自動停車等裝置，監(jiān)控內(nèi)部壓力下降情況。對于爆炸危險等級較高(如危險性級別在3和4)和自燃點(diǎn)組別較低的可燃性氣體或蒸氣，往往隔爆結(jié)構(gòu)制造有困難，對此，采用通風(fēng)充氣型結(jié)構(gòu)是合適的，可以有效地提高儀表和電氣設(shè)備的安全性。所以，在電動儀表、電氣自動控制裝置等設(shè)備上常采用通風(fēng)充氣型防爆結(jié)構(gòu)。防爆通風(fēng)充氣型電設(shè)備的標(biāo)志為p。

3．防爆充油型

防爆充油型簡稱充油型，這種結(jié)構(gòu)主要用于電氣設(shè)備的防爆。它是將開關(guān)、制動器、變壓器、整流器等電氣主體浸沒在絕緣油中，而且從油面高出危險部位的距離至少要保證在10mm以上。在這種防爆結(jié)構(gòu)中，漏油引起的油面下降是十分危險的。因此，必須用油面計(jì)來經(jīng)常監(jiān)測油面位置，以確保安全性。此外，在充油型開關(guān)中，開關(guān)開閉時產(chǎn)生的弧光能使絕緣油熱分解，產(chǎn)生以氫氣為主的可燃?xì)怏w，所以要設(shè)排氣孔以防止由于其中積累分解氣體而成為混合氣體發(fā)生爆炸。防爆充油型結(jié)構(gòu)標(biāo)志為o。

4．防爆安全型

防爆安全型結(jié)構(gòu)并不是真正的防爆結(jié)構(gòu)，只是采用輔助性措施，將正常運(yùn)行中容易過熱或產(chǎn)生電火花的儀表或設(shè)備部件，在絕緣、溫升等方面加以處理，使之比一般要求的部件做得可靠。同時對儀表或設(shè)備中的氣隙、端子板、連接點(diǎn)等部位嚴(yán)格要求，增加安全度。因此，防爆安全型有時也稱為增安型。防爆安全型結(jié)構(gòu)的標(biāo)志為e。

5．特殊防爆型通常，特殊防爆型結(jié)構(gòu)多用在實(shí)驗(yàn)測試儀器和安全性檢查儀器中，其防爆性能要通過實(shí)驗(yàn)被確認(rèn)之后，才能付諸使用。以上五種結(jié)構(gòu)防爆形式在檢測儀表和電氣設(shè)備的安全防護(hù)中有著廣泛的應(yīng)用。對于檢測測量儀表來講，其中隔爆型、防爆通風(fēng)充氣型(即正壓型)和防爆安全型(增安型)用得更多一些，是主要采用的結(jié)構(gòu)防爆類型。但是，在石油、化學(xué)工業(yè)中，隨著自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，利用電子設(shè)備、微電子設(shè)備進(jìn)行各種工藝計(jì)量、參數(shù)監(jiān)測和控制愈來愈多，如果原封不動地采用上述防爆結(jié)構(gòu)，則在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都造成一定的困難，因而發(fā)展形成了適于低電壓、弱電流電子設(shè)備和微電子設(shè)備的安全防爆型式——本質(zhì)安全型防爆結(jié)構(gòu)，亦稱為安全火花型結(jié)構(gòu)(標(biāo)志為ia和ib)。

凡具有本質(zhì)安全型防爆結(jié)構(gòu)的檢測儀表，都是安全火花防爆儀表。在這種防爆結(jié)構(gòu)中，儀表的各個電氣回路中使用的都是一些很微弱的電壓和電流，即使斷開通電中的電感回路時，在斷開處產(chǎn)生火花或者在間歇接觸電容回路或電阻回路時產(chǎn)生小火花和電弧，但這些火花或電弧已經(jīng)完全小到不能成為爆炸性混合氣體的點(diǎn)火源，其極限能量無論如何也達(dá)不到可燃?xì)怏w在空氣中最適宜濃度下的最小點(diǎn)火能量，所以，安全火花防爆儀表具有本質(zhì)安全特性。安全火花(本質(zhì)安全型)防爆儀表在防爆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用的安全防護(hù)措施有兩方面：一是對送往易燃、易爆危險現(xiàn)場的電信號，經(jīng)專門的安全保持器，進(jìn)行嚴(yán)格的限壓、限流和電路隔離；二是對危險現(xiàn)場中儀表的高儲能危險元件，在線路設(shè)計(jì)上對其自身能量進(jìn)行限制，嚴(yán)格防止危險火花的出現(xiàn)。

7.2檢測儀表的本質(zhì)安全防爆

7.2.1本質(zhì)安全防爆的基本原理與措施從危險火花的分析可得，設(shè)計(jì)本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)就是要合理地選擇電氣參數(shù)，使系統(tǒng)和設(shè)備在正?；蚬收蠣顟B(tài)下發(fā)生的電火花變得相當(dāng)小，不會點(diǎn)燃周圍環(huán)境的可燃性氣體混合物。由于本質(zhì)安全防爆是利用系統(tǒng)或電路的電氣參數(shù)達(dá)到防爆要求的，因而是一種非常可靠的防爆手段。鑒于此，確定什么樣的電火花標(biāo)準(zhǔn)才能不點(diǎn)燃周圍環(huán)境中可燃性氣體混合物即成為關(guān)鍵性問題。標(biāo)準(zhǔn)確定得當(dāng)，既保證了安全，又利于設(shè)計(jì)制造;標(biāo)準(zhǔn)確定得過嚴(yán)，安全固然得到保證，但設(shè)計(jì)制造方面會存在困難；標(biāo)準(zhǔn)確定得過寬，安全得不到保證，顯然也不合適。因此，必須在實(shí)驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的基礎(chǔ)上認(rèn)識電火花在可燃性氣體混合物中的點(diǎn)燃特性，認(rèn)識影響電火花點(diǎn)燃特性的各種因素。

1．影響電火花點(diǎn)燃能力的因素

利用電火花發(fā)生裝置產(chǎn)生的電火花，在各種爆炸性混合物中進(jìn)行一系列點(diǎn)燃試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，爆炸性混合物能否被點(diǎn)燃，與下列各種因素有關(guān)。(1)可燃性氣體或蒸汽本身的因素，如氣體或蒸汽的種類、濃度、溫度和壓力等；(2)電氣回路存在的因素，如直流、交流電路，高頻、低頻信號，電壓、電流大小，電路的電感性、電容性和電阻性等；(3)產(chǎn)生電火花方面的因素，如產(chǎn)生火花的兩個導(dǎo)電極的形狀、尺寸、材料、開閉速度、開閉方式和極性等；(4)火花次數(shù)的影響。

2．實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的基本措施1）合理選擇元件的額定參數(shù)

本質(zhì)安全電路中元件的額定參數(shù)，需根據(jù)爆炸性混合物的級別和組別進(jìn)行選擇，既應(yīng)滿足電路的本質(zhì)安全性能設(shè)計(jì)要求，使電路在任何工作狀態(tài)下發(fā)生的電火花的能量均小于爆炸性混合物分級點(diǎn)燃的最小點(diǎn)燃能量，還應(yīng)考慮一定的裕量，使電路中所有元件工作時的表面溫度低于爆炸性混合物按自燃溫度分組所允許的最高表面溫度。所以，與本質(zhì)安全性能有關(guān)的元件(變壓器除外)在正常工作狀態(tài)時，其電流、電壓或功率不得大于其額定值的2/3。

當(dāng)電路中由于電流太大而不能達(dá)到本質(zhì)安全性能時，可采用保護(hù)性元件串接限流。一般，串接限流用電阻元件的選擇，應(yīng)使其使用功率在正常工作狀態(tài)下不大于其額定值的2/3，故障狀態(tài)下不大于其額定值。金屬膜電阻、線繞被覆層電阻等可作為限流電阻，不宜采用碳膜電阻，而且限流電阻的裝配應(yīng)防止電阻兩端短路，線繞電阻需有防止松脫措施。

當(dāng)電路中由于電感、電容元件儲能太大而不能達(dá)到本質(zhì)安全性能時，可在其兩端加保護(hù)性元件或組件。根據(jù)電容火花和電感火花放電過程的分析結(jié)果，電容儲能經(jīng)串聯(lián)電阻放電可以減小電火花，這時串聯(lián)放電用電阻的額定功率應(yīng)符合限流用電阻元件的要求。而電感火花放電能量的減小，可通過對電感元件兩端并接分流元件加以實(shí)現(xiàn)。電感線圈兩端常用的保護(hù)性元件或組件(即并接分流元件)是經(jīng)過老化篩選的電容器和二極管或齊納二極管，并且需采用雙重化措施。橋式連接的二極管組件可作為雙重化分流元件。一般，二極管作分流元件時，其承受的最大電壓應(yīng)不大于其額定反向電壓的2/3，承受的最大電流應(yīng)不大于其額定值的2/3；電容器作分流元件時，其所承受的最高電壓應(yīng)不大于其額定值的2/3，且不宜采用電解電容和鉭電容。此外，分流元件與被保護(hù)元件應(yīng)連接可靠，當(dāng)其處于危險環(huán)境時應(yīng)膠封為一體，特殊情況可采用相應(yīng)的措施。

2）降低電源的容量一般降低電壓或電流，是減小電路火花，提高本質(zhì)安全性能的普遍有效的方法。因此，為使爆炸性危險環(huán)境所用電氣設(shè)備達(dá)到本質(zhì)安全型，應(yīng)在滿足電路或電氣設(shè)備的工作功率和工作性能要求的條件下，把電壓、電流或二者都設(shè)計(jì)成較小的值。換言之，就是要降低電路或電氣設(shè)備電源的容量，防止電路中出現(xiàn)過高的電壓或過大的電流。這也正是本質(zhì)安全型防爆結(jié)構(gòu)只能適用于測量、監(jiān)視、通信及控制等弱電設(shè)備和系統(tǒng)的原因所在。

根據(jù)電火花放電過程分析，對于電感性負(fù)載，減小電流比降低電壓作用更大，更有利于實(shí)現(xiàn)安全火花；同理，對于電容性負(fù)載，降低電壓比減小電流更有利；對于電阻性負(fù)載，多數(shù)場合是降低電壓。然而，隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展和電子元、器件及電動儀表等在爆炸危險環(huán)境中的廣泛應(yīng)用，電路、儀表等的功能增多，電路趨于復(fù)雜，對電源容量的要求越來越高，電源容量和電源的本質(zhì)安全性能之間的矛盾越來越突出。當(dāng)電路為完成其基本功能而需要較大的電源容量，同時又要考慮其本質(zhì)安全性能時，解決的辦法是在電路中設(shè)計(jì)并采用專用的裝置快速切斷負(fù)載，人為地縮小電路放電時間，以利于提高電源容量。有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)電路放電時間縮短后，電源電壓、電流都可以得到很大提高，即允許的安全火花電源容量可以提高很多。而且電路放電時間的縮短，可通過提高保護(hù)電路的動作速度加以實(shí)現(xiàn)。

3）機(jī)械隔離與電氣隔離對于本質(zhì)安全型電氣設(shè)備來講，要求其中全部電路都是由本質(zhì)安全型電路組成的，電路中所有的元件應(yīng)符合本質(zhì)安全性能所要求的額定參數(shù)值，或者元件本身就是可靠元件或組件，在使用中不會影響本質(zhì)安全電路的防爆性能。對于直接向本質(zhì)安全型電氣設(shè)備供電用的電源變壓器等，由于很難做成本質(zhì)安全型的，因而要制成可靠元件或組件，這樣就在電氣設(shè)備的本質(zhì)安全電路部分與非本質(zhì)安全電路回路之間有許多電的、磁的聯(lián)系。在正常情況下，電氣設(shè)備的本質(zhì)安全與非本質(zhì)安全兩種回路之間不會短接，但萬一發(fā)生短接則十分危險，故必須采取可靠措施，對設(shè)備的連接部分、端子、導(dǎo)線引入部分、印刷線路板等實(shí)現(xiàn)機(jī)械隔離，防止非本質(zhì)安全電路的危險能量竄入本質(zhì)安全電路中。機(jī)械隔離還不能完全解決時，應(yīng)實(shí)行電氣隔離，即加設(shè)安全柵。

為了防止安全場所中非本質(zhì)安全電路的能量竄入危險環(huán)境中的本質(zhì)安全電路，確保危險環(huán)境中本質(zhì)安全電路的安全，在本質(zhì)安全電路與非本質(zhì)安全電路之間設(shè)置一個由保護(hù)性元件制成的裝置，這種裝置就叫做安全柵。本質(zhì)安全型電氣設(shè)備中最常用的是二極管安全柵。它是一種可靠組件，由限流元件(金屬膜電阻、非線性電阻等)、限壓元件(二極管、齊納二極管等)和特殊保護(hù)元件(快速熔斷器等)組成，其中，晶體管元件須雙重化。有關(guān)安全柵的分類及工作原理見后述。

4）關(guān)鍵部位采用不出故障元件設(shè)計(jì)本質(zhì)安全電氣設(shè)備的一個要點(diǎn)是在關(guān)鍵部位配置不出故障的部件，即可靠元件或組件，如不會短接的電源變壓器、具有防止限流電阻短路的措施和隔爆外殼的電池或蓄電池、不會開路的電容器、不會短路的電阻等，其他部件即使出了故障，也無損于電氣設(shè)備的本質(zhì)安全性能。有關(guān)可靠元件和組件的設(shè)計(jì)、選型及參數(shù)選擇等，可根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.4-2000《本質(zhì)安全型電路和電氣設(shè)備制造和檢驗(yàn)規(guī)程》中的有關(guān)要求確定。

7.2.2本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)

1．本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的組成根據(jù)石油、化工生產(chǎn)過程控制要求和儀表的概念，本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)(或組成)如圖7-1所示。圖中，現(xiàn)場儀表與控制室儀表之間通過安全柵相連，對送往現(xiàn)場的電壓和電流進(jìn)行嚴(yán)格的限制，確保各種事故狀態(tài)下進(jìn)入危險現(xiàn)場的電功率在安全范圍內(nèi)。安全柵也稱為防爆柵或安全保持器，是本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)必不可少的環(huán)節(jié)。但是，安全柵只能限制進(jìn)入現(xiàn)場的瞬時功率，如果現(xiàn)場儀表不是本質(zhì)安全型儀表，其中將有較大的電感或電容儲能元件，那么當(dāng)儀表內(nèi)發(fā)生短路、開路等故障時，儲能元件上長期積累的電磁能量完全可能產(chǎn)生危險火花，引起爆炸。圖7-1本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

按照本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)所應(yīng)具備的充要條件，在自動化儀表的分類生產(chǎn)中，按功能劃分,除設(shè)計(jì)和生產(chǎn)具有本質(zhì)安全性能的測量儀表和執(zhí)行儀表,以適應(yīng)爆炸性危險場所生產(chǎn)過程控制的需要之外，將安全柵也作為獨(dú)立的安全單元來設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，從而使組合式生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)模式同樣可以應(yīng)用于有爆炸危險的生產(chǎn)控制中。對于具有本質(zhì)安全性能的測量儀表和執(zhí)行儀表的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)問題已在前面給予討論，這里不再贅述。但從儀表角度考慮，作為獨(dú)立組合單元的安全柵則有必要進(jìn)一步分析，以解決生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中危險現(xiàn)場與安全場所關(guān)聯(lián)部分的本質(zhì)安全性能問題，確保系統(tǒng)具有本質(zhì)安全性能。確保本質(zhì)安全電路安全性的裝置，可以說它是在危險場所與非危險場所線路中間的能量限制器，防止非危險場所的危險能量流到危險場所去，其原理如圖7-2所示。

圖7-2本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的原理框圖

2．隔離式安全柵及其工作原理在目前我國生產(chǎn)的單元組合式儀表中，安全柵是獨(dú)立的儀表單元，用于接收危險場所防爆儀表的標(biāo)準(zhǔn)傳輸信號，轉(zhuǎn)換產(chǎn)生具有本質(zhì)安全性能要求的同樣的標(biāo)準(zhǔn)傳輸信號：直流4～20mA。在安全柵儀表單元中，一般是采用隔離式的方案，以變壓器作為隔離元件，分別將輸入、輸出和電源電路進(jìn)行隔離，以防止危險能量直接竄入現(xiàn)場。同時，用晶體管限壓、限流電路對事故狀態(tài)下的過電壓或過電流做截止式的控制。雖然采用隔離式方案的安全柵單元線路復(fù)雜、體積較大、成本較高，但不要求特殊元件，便于生產(chǎn)，工作可靠，防爆定額較高，交、直流可達(dá)220V，因此得到廣泛的應(yīng)用。

目前應(yīng)用最多的安全柵有兩種形式：一個是以齊納二極管為主要元件的二極管齊納柵；另一個是隔離型的安全柵，如隔離變壓器、光電耦合器等。在DDZ－Ⅲ型儀表及I系列儀表中,安全柵又分為檢測端和操作端安全柵。本書中研究檢測技術(shù)要使用檢測端安全柵。EK系列儀表、YS系列儀表、S系列儀表則采用齊納安全柵。一般按使用現(xiàn)場儀表來確定安全柵，不做檢測端、操作端之分。由于二線制變送器在大量應(yīng)用，因此用于供電的配電器也在大量應(yīng)用。在DDZ－Ⅲ和Ⅰ系列儀表中如果用了檢測端安全柵，就不再用配電器了。因?yàn)榘踩珫排c配電器是合二為一的。這在選型時要注意。

圖7-3檢測端帶隔離和齊納管的安全柵

圖7-4齊納管安全柵

3．隔離式安全柵的分類

1）檢測端安全柵檢測端安全柵作為現(xiàn)場測量變送器與控制室儀表和電源的聯(lián)系紐帶，一方面要向測量變送器提供電源，一方面要把變送器送來的信號電流經(jīng)隔離變壓器1∶1地傳送給控制室儀表。在上述傳遞過程中，依靠雙重限壓、限流電路，使任何情況下輸往危險場所的電壓和電流不超過直流30V、30mA，從而確保危險場所的儀器儀表安全。

圖7-5所示是檢測端安全柵單元的原理圖。24V直流電壓經(jīng)直流-交流變換器后變成8kHz的交流電壓，再經(jīng)變壓器B１傳遞。一路經(jīng)整流濾波和限壓、限流電路為測量變送器提供電源(仍為直流24V)；另一路經(jīng)整流濾波為解調(diào)放大器提供電源。而從測量變送器獲得的4～20mA信號電流經(jīng)限壓、限流電路進(jìn)入調(diào)制器，被二極管調(diào)制器調(diào)制成交流后，由變壓器B2耦合到解調(diào)放大器，經(jīng)解調(diào)后恢復(fù)成4～20mA直流信號，輸出給控制室儀表。所以，從信號傳送角度來看，安全柵是一個傳遞系數(shù)為1的傳送器。被傳送信號經(jīng)過調(diào)制-變壓器耦合—解調(diào)的過程后，照原樣送出。而且在傳送過程中，這里的電源、變送器、控制室儀表之間除磁的聯(lián)系之外，電路上是互相絕緣的。

圖7-5檢測端安全柵單元的原理圖

2）執(zhí)行端安全柵單元組合式儀表中執(zhí)行端安全柵單元原理如圖7-6所示。圖中，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B1分成兩路，一路供給調(diào)制器，作為4～20mA信號電流的斬波電壓(調(diào)制電壓)；另一路經(jīng)整流濾波，給解調(diào)放大器，限壓、限流電路，以及執(zhí)行器供給電源。安全柵中信號的通路是：由控制室儀表來的4～20mA直流信號電流經(jīng)調(diào)制器變成交流方波，通過電流互感器B2作用于解調(diào)放大器，經(jīng)解調(diào)恢復(fù)為與原來相等的4～20mA直流電流，以恒流源的形式輸出，且該輸出經(jīng)限壓、限流后供給現(xiàn)場的執(zhí)行器。

圖7-6執(zhí)行端安全柵單元的原理圖

4．外界因素對本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的影響1）導(dǎo)線分布電感與電容的影響在本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)中，從關(guān)聯(lián)設(shè)備到危險場所的本質(zhì)安全設(shè)備之間，往往有很長的連接電纜，從而存在著分布電感和電容，儲有一定的能量。當(dāng)儲能達(dá)到一定程度時，電纜短路火花就會釀成點(diǎn)燃的危險，因此必須控制電纜的分布電感和電容，使其儲能小于爆炸性混合物的最小點(diǎn)燃能量。長電纜的分布電感和電容可作為集中參數(shù)處理，其值可按照下列公式計(jì)算：

（7-1）

式中:A——爆炸性混合物的最小點(diǎn)燃能量，單位為mJ；Uk——安全柵的最高開路電壓，單位為V；Ik——安全柵的最大短路電流，單位為A；L/R——電纜導(dǎo)線單位電阻的電感值。（7-2）

按照式(7-1)或式(7-2)，可根據(jù)關(guān)聯(lián)設(shè)備中安全柵的參數(shù)和危險環(huán)境爆炸性混合物的最小點(diǎn)燃能量來確定電纜導(dǎo)線的允許電感量和電容量或單位電阻的電感量。由于式(7-2)中L/R值是在電纜的最大儲能及點(diǎn)燃能力與其長度無關(guān)的條件下得出的，因此按L/R值選擇電纜時，可不考慮長度的影響。但按式(7－1)選擇電纜時，必須考慮電纜的長度及其結(jié)構(gòu)，并將借助于理論計(jì)算。根據(jù)電磁場理論，計(jì)算電纜等效電感和電容值的公式如下：（7-3）

（7-4）

2）接地的影響接地對本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的防爆安全性影響很大。若不接地或接地方式不對，就會造成隱患，甚至失去防爆能力。接地的目的是消除本質(zhì)安全電路對地的懸浮電位，保持對地(零電位)穩(wěn)定性。但有時也不接地，這就必須全面考慮可能發(fā)生的對地懸浮電位在極端情況下的危險性。本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的接地應(yīng)遵循下列基本原則。(1)安全柵單線限流時，非限流元件端必須接地。隔離變壓器(可靠性元件)的屏蔽及鐵芯在一點(diǎn)接地，且接地點(diǎn)應(yīng)在安全場所內(nèi)，如圖7-7所示。如果圖中4端不接地，而3端在危險區(qū)域接地，則變壓器本質(zhì)安全繞組在安全場所內(nèi)一旦接地，限流電阻將失去作用，破壞本質(zhì)安全性能。

圖7-7安全柵單線限流時接地與不接地示意(a)接地情況示意；(b)不接地情況示意

(2)安全柵雙線限流時可不接地，如圖7-8所示。圖中R1和R2的選擇應(yīng)使每一個電阻都能承受全部限流作用，即使R1因接地短路，R2也能保證3、4端的本質(zhì)安全性能。

圖7-8安全柵雙線限流不接地示意

(3)采用正、負(fù)端安全柵組合使用時，中心點(diǎn)必須接地，如圖7－9所示。如果中心點(diǎn)不接地，處于故障狀態(tài)時，齊納二極管將失掉設(shè)計(jì)規(guī)定的限壓功能，從而發(fā)生危險。

圖7-9組合式安全柵的接地

(4)本質(zhì)安全設(shè)備所用的接地母線不能和其他設(shè)備動力接地線混觸或代替，以避免強(qiáng)電流形成的危險。

(5)關(guān)聯(lián)設(shè)備外殼的保護(hù)接地可以接到一般接地線上，但此時它必須與本質(zhì)安全電路接地端子絕緣。如果外殼與本質(zhì)安全接地端子一起接地時，那么外殼與其他電氣設(shè)備金屬外殼必須絕緣。危險區(qū)域內(nèi)的本質(zhì)安全設(shè)備金屬外殼可以與本質(zhì)安全電路接地端子一起接地?？梢?，在關(guān)聯(lián)設(shè)備制造時，需根據(jù)要求解決其金屬外殼保護(hù)接地端子與本質(zhì)安全電路接地端子是否需要互相絕緣分開設(shè)置的問題。

本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)接地的基本方式主要有下列兩種。(1)單獨(dú)接地。即每個本質(zhì)安全電路各自接地。在這種方式下，為保證安全，要求每個接地點(diǎn)電阻不大于1Ω，否則會在接地電阻上形成較大電位差(事故狀態(tài)下尤其嚴(yán)重)，破壞本質(zhì)安全性能。(2)等電位線接地。即用一根截面積大、機(jī)械強(qiáng)度高、接地可靠的母線將各本質(zhì)安全電路的接地點(diǎn)連成一體，使各點(diǎn)電位一致。這種接地方式可消除單獨(dú)接地時各接地點(diǎn)對地的電位差，是比較可靠的方式。

3）外界電磁場的影響外界的電磁影響主要來自生產(chǎn)設(shè)備的動力線與本質(zhì)安全系統(tǒng)設(shè)備連線混合布置。只要將本質(zhì)安全系統(tǒng)的布線與動力線分開，就可消除由于外界高壓、強(qiáng)電流在空間形成的電磁場對本質(zhì)安全電路的耦合影響。一般消除外界電磁場影響的方法是本質(zhì)安全與非本質(zhì)安全電路分開布線，分開距離應(yīng)大于50mm，或采用金屬隔離層分開的辦法。特別要指出的是，輸送信號用的本質(zhì)安全與非本質(zhì)安全導(dǎo)線不能處在同一多心電纜中或互相捆扎在一起，但當(dāng)采用可靠的金屬屏蔽層將本質(zhì)安全導(dǎo)線全部屏蔽接地之后，則可以將本質(zhì)安全導(dǎo)線與非本質(zhì)安全導(dǎo)線使用于同一電纜中。

4）組合安全柵應(yīng)用當(dāng)許多安全柵組合后對同一個系統(tǒng)共同供電時，應(yīng)考慮各個安全柵之間在故障狀態(tài)下影響系統(tǒng)的本質(zhì)安全性能。如果多個有源本質(zhì)安全電路被連接在一起，則一般應(yīng)根據(jù)所接入的有源本質(zhì)安全電路的短路電流之和及最大空載電壓之和，規(guī)定允許的外部電感和電容；當(dāng)其接有電阻性負(fù)載時，則根據(jù)電壓及電流的總和來確定它的安全性能，例如圖7-10所示電路。

圖7-10安全柵組合后對本質(zhì)安全的影響

7.3防爆檢測儀表的選擇與應(yīng)用

7.3.1防爆檢測儀