儀器儀表儀安防爆技術(shù)及其應(yīng)用

儀器儀表本安防爆技術(shù)
在許多工業(yè)過(guò)程中，需要處理一些易燃易爆的工藝介質(zhì)，為確保人員生命和生產(chǎn)裝置的財(cái)產(chǎn)**，防爆技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)及相關(guān)，形成一系列的行業(yè)、和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，并隨著工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。對(duì)于自動(dòng)化儀表，常用的防爆型式是本安型、隔爆型和增安型。由于電子技術(shù)的飛速發(fā)展和低功耗電子器件的不斷誕生，本安防爆技術(shù)得到了更為廣泛的推廣和應(yīng)用。特別是由于本質(zhì)**型(也稱“本安型”)防爆型式與其他防爆型式相比，不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適用范圍廣，而且還具有易操作和維護(hù)方便等特點(diǎn)，因此這種以抑制點(diǎn)火源能量為防爆手段的本安型防爆儀表已被制造商和用戶接受。
（圖中所示：HEP-16本安型電氣閥門定位器）

1 本質(zhì)**防爆技術(shù)的原理

本安防爆技術(shù)實(shí)際上是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)。通常對(duì)于氫氣(ⅡC)環(huán)境，必須將電路功率限制在1.3W 左右。由此可見，本安技術(shù)能很好地適用于工業(yè)自動(dòng)化儀表。

針對(duì)電火花和熱效應(yīng)是引起性危險(xiǎn)氣體的主要引爆源，本質(zhì)**技術(shù)通過(guò)限制電火花和熱效應(yīng)這兩個(gè)可能的引爆源來(lái)實(shí)現(xiàn)防爆。在正常工作和故障狀態(tài)下，當(dāng)儀表產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)的能量小于一定程度時(shí)，電度表不可能點(diǎn)燃性危險(xiǎn)氣體而產(chǎn)生。它實(shí)際上是一種低功率設(shè)計(jì)技術(shù)。原理是從限制能量入手，可靠地將電路中的電壓和電流限制在一個(gè)允許的范圍內(nèi)，以保證儀表在正常工作或發(fā)生短接和元器件損壞等故障情況下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)不致于引起其周圍可能存在的危險(xiǎn)氣體的。通常對(duì)于氫氣環(huán)境，也就是危險(xiǎn)程度高、易爆的環(huán)境，必須將功率限制在1.3W 以下。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)規(guī)定，在危險(xiǎn)程度高的危險(xiǎn)場(chǎng)所0區(qū)，只能采用Ex ia 等級(jí)的本安防爆技術(shù)。因此，本安防爆技術(shù)是一種**、可靠、適用范圍廣的防爆技術(shù)。本質(zhì)**型儀表設(shè)備按**程度和使用場(chǎng)所不同，可分為Ex ia 和Ex ib。Ex ia 的防爆級(jí)別高于Ex ib。

① Ex ia 級(jí)本質(zhì)**儀表在正常工作狀態(tài)下以及電路中存在一個(gè)或兩個(gè)故障時(shí)，均不能點(diǎn)燃性氣體混合物。ia 型儀表可適用于0 區(qū)、1 區(qū)和2 區(qū)。

② Ex ib 級(jí)本質(zhì)**儀表在正常工作狀態(tài)下以及電路中存在一起故障時(shí)，不能點(diǎn)燃性氣體混合物。ib 型儀表可適用于1 區(qū)和2 區(qū)。

2 本質(zhì)**防爆技術(shù)的特點(diǎn)

與其他任何防爆型式相比，采用本安防爆技術(shù)的工業(yè)自動(dòng)化儀表具有以下技術(shù)和商務(wù)上的特點(diǎn)。

① 不需要設(shè)計(jì)制造工藝復(fù)雜、體積龐大且又笨重的隔爆外殼，因此，本安儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕和造價(jià)低等特點(diǎn)。據(jù)資料，建立一個(gè)本安型和隔爆型開關(guān)傳輸回路的費(fèi)用之比約為1：4.

② 可在帶電情況下進(jìn)行維護(hù)、標(biāo)定和更換儀表的部分零件等。

③ **可靠性高。本安儀表不會(huì)因?yàn)榫o固螺栓的丟失或外殼結(jié)合面銹蝕、劃傷等人為原因而降低儀表的**可靠性。

④ 由于本安防爆技術(shù)是一種“弱電”技術(shù)，因此，本安儀表的使用可以避免現(xiàn)場(chǎng)工程技術(shù)人員的觸電傷亡事故。

⑤ 適用范圍廣。本安技術(shù)是*可適用于0 區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所的防爆技術(shù)。

⑥ 對(duì)于像熱電偶等簡(jiǎn)單設(shè)備，不需特別認(rèn)證即可接入本安防爆系統(tǒng)。

3 本質(zhì)**防爆技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用

本質(zhì)**防爆系統(tǒng)由3 部分組成：現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)**儀表設(shè)備、本質(zhì)**系統(tǒng)網(wǎng)電纜及本質(zhì)**關(guān)聯(lián)設(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)儀表包括各種安裝在危險(xiǎn)場(chǎng)所的一次檢測(cè)儀表（如兩線制變送器）；本質(zhì)**系統(tǒng)網(wǎng)電纜一般為藍(lán)色或加藍(lán)色套管與其它電纜相區(qū)別；關(guān)聯(lián)設(shè)備包括齊納式**柵、隔離式**柵以及其他形式的具有限流、限壓功能的保護(hù)裝置，能將竄入到現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備的能量限制在**值內(nèi)，從而確保現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、人員和生產(chǎn)的**。

典型系統(tǒng)回路圖如圖1 所示。系統(tǒng)回路以**柵為界分為本質(zhì)**電路和非本質(zhì)**電路。從**柵通過(guò)本質(zhì)**電纜連接到現(xiàn)場(chǎng)儀表所構(gòu)成的電路為本質(zhì)**電路；從**柵到DCS 以及到供電電源的電路為非本質(zhì)**電路。

4 本質(zhì)**的防爆認(rèn)證

4. 1 本安防爆是整體防爆的概念

對(duì)構(gòu)成系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、**柵必須經(jīng)過(guò)授權(quán)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)的防爆認(rèn)證，同時(shí)需要認(rèn)證機(jī)構(gòu)簽發(fā)本安儀表和**柵的聯(lián)合取證確認(rèn)該本安回路的**性。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備為簡(jiǎn)單設(shè)備時(shí)無(wú)需本安認(rèn)證，即可與已取得本安認(rèn)證的**柵配合構(gòu)成本安防爆回路。簡(jiǎn)單設(shè)備是指觸點(diǎn)開關(guān)、熱電偶、熱電阻、發(fā)光二極管以及橋路等，設(shè)備中不含儲(chǔ)能元件。

4. 2 本質(zhì)**回路防爆認(rèn)證的原則

現(xiàn)場(chǎng)本安設(shè)備，**柵認(rèn)證參數(shù)要匹配，匹配參數(shù)見表1。

Uo：高輸出電壓，在高允許電壓范圍內(nèi)本安端開路時(shí)電壓大值。
Io：大輸出電流，在高允許電壓范圍內(nèi)本安端短路時(shí)電流大值。
Co：大外部電容，保證本質(zhì)**性能情況下本安端大允許外接電容。
Lo：大外部電感，保證本質(zhì)**性能情況下本安端大允許外接電感。
Ui：高輸入電壓，施加到本質(zhì)**現(xiàn)場(chǎng)儀表上，不會(huì)使本質(zhì)**性能失效的高電壓。
Ii：大輸入電流，施加到本質(zhì)**現(xiàn)場(chǎng)儀表上，不會(huì)使本質(zhì)**性能失效的大電流。
Ci：大內(nèi)部電容，現(xiàn)場(chǎng)本安儀表內(nèi)總等效電容。
Li：大內(nèi)部電感，現(xiàn)場(chǎng)本安儀表內(nèi)總等效電感。
Cc：本安電纜的分布電容。
Lc：本安電纜的分布電感。

5 本質(zhì)**儀表及回路的特殊要求

5.1 對(duì)接地的要求

必需時(shí)，本質(zhì)**型儀表系統(tǒng)必須具有可靠的獨(dú)立接地。整個(gè)自動(dòng)化儀表系統(tǒng)有4 種類型的接地：本質(zhì)**型儀表系統(tǒng)接地、信號(hào)回路接地、屏蔽接地和保護(hù)接地。信號(hào)回路接地與屏蔽接地可共用一個(gè)單獨(dú)的接地極，本質(zhì)**儀表系統(tǒng)需獨(dú)立設(shè)置接地系統(tǒng)，與其它接地網(wǎng)相距5m 以上，一般要求本質(zhì)**地的接地電阻小于1Ω。其它兩種接地電阻按設(shè)計(jì)或規(guī)范要求一般在4Ω 以下。保護(hù)接地可接到電氣工程低壓電氣設(shè)備的保護(hù)接地網(wǎng)上。

5.2 對(duì)連接電纜的要求

從系統(tǒng)布線工程角度考慮，由于連接電纜存在分布電容和分布電感，使連接電纜成為儲(chǔ)能元件。它們?cè)谛盘?hào)傳輸過(guò)程不可避免地存儲(chǔ)能量，一旦當(dāng)線路出現(xiàn)開路或短路時(shí)，這些儲(chǔ)能就會(huì)以電火花或熱效應(yīng)的形式釋放出來(lái)，影響系統(tǒng)的本安性能。因此既要保證連接傳輸電纜不會(huì)受到外界電磁場(chǎng)干擾影響及與其他回路混觸，又要限制布線長(zhǎng)度和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所帶來(lái)的附加非本安能量，依此來(lái)確定電纜的允許分布電容和允許分布電感。一般情況下，主要采取以集中參數(shù)的方式考慮電纜分布參數(shù)的。

連接電纜本安性能的基本參數(shù)如下：

電纜大允許分布電容 Cc=Ck ╳ L
電纜大允許分布電感 Lc=Lk ╳ L

式中：Ck--單位長(zhǎng)度電纜分布電容; Lk--單位長(zhǎng)度電纜分布電感; L--實(shí)際配線長(zhǎng)度。

本質(zhì)**系統(tǒng)網(wǎng)電纜一般是一種低電容、低電感的電纜，與其它電纜相比具有優(yōu)異的屏蔽性能和抗干擾性能，適用于危險(xiǎn)場(chǎng)所及其它防爆**要求較高的場(chǎng)合。在使用中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

① 本安線路內(nèi)的接地線與屏蔽連接線要可靠絕緣；
② 信號(hào)回路的接地點(diǎn)應(yīng)在控制室側(cè)，當(dāng)采用接地型熱電偶和檢測(cè)部分已接地的儀表時(shí)，控制室側(cè)不再接地。此時(shí)，系統(tǒng)中一般配置隔離式**柵。
③ 屏蔽電纜的備用芯線與電纜的屏蔽層，應(yīng)在同一側(cè)接信號(hào)回路地。現(xiàn)場(chǎng)側(cè)應(yīng)作良好的絕緣處理。

5.3 設(shè)備溫度組別

設(shè)備溫度組別規(guī)定了設(shè)備表面的高允許溫度值。這主要基于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的考慮。在絕大部分情況下，有較低溫度組別的設(shè)備購(gòu)買和**方面費(fèi)用較高。通過(guò)比較，選用本安設(shè)備將更加有效和經(jīng)濟(jì)。直接安裝在危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備需要考慮設(shè)備溫度等級(jí)，而安裝在**場(chǎng)所的關(guān)聯(lián)設(shè)備不需要考慮設(shè)備溫度組別。設(shè)備溫度組別一定要小于使用在該危險(xiǎn)場(chǎng)所環(huán)境中可燃物質(zhì)的點(diǎn)燃溫度，否則會(huì)引起燃燒。

溫度組別對(duì)照表見表2。

5.4 本安電氣設(shè)備的選用原則

5.4.1 簡(jiǎn)單設(shè)備

按照GB3836.4-2000 防爆標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，對(duì)于電壓不超過(guò)1.2V、電流不超過(guò)0.1A，其功率不超過(guò)25mW 的電器設(shè)備可視為簡(jiǎn)單設(shè)備，他們的典型特點(diǎn)是儀表設(shè)備的內(nèi)部等效電感Li=0,內(nèi)部等效電容Ci=0。此類設(shè)備可直接應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)，但應(yīng)由主業(yè)人員評(píng)估可能由此產(chǎn)生的不**因素。

5.4.2 本安電氣設(shè)備

安裝于危險(xiǎn)場(chǎng)所的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備必須明確以下問(wèn)題：

① 是否已按照DB3836.1-2000 和GB3836.4-2000 要求設(shè)計(jì)并已被防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)認(rèn)可為本安電氣設(shè)備；
② 防爆標(biāo)志規(guī)定的等級(jí)是否適用于使用的危險(xiǎn)場(chǎng)所的**要求；
③ 本安電路是否接地或接地部分的本安電路是否與**柵接口部分的有源電路加以有效隔離；
④ 信號(hào)傳輸?shù)姆绞郊氨景搽姎庠O(shè)備的低工作電壓和回路正常工作電流。

在明確以上問(wèn)題的基礎(chǔ)上，選擇相對(duì)應(yīng)的**柵。

5.4.3 **柵的選用原則

① **柵的防爆標(biāo)志等級(jí)必須不低于本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆標(biāo)志等級(jí)。
② 確定**柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的低工作電壓。
③ **柵的本安端**參數(shù)能夠滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Co≥Ci+Cc、Lo≥Li+Lc 的要求。
④ **柵要與本安現(xiàn)場(chǎng)儀表的**極性及信號(hào)傳輸方式相匹配。
⑤ 做好相應(yīng)的保護(hù)工作，避免**柵的漏電電流影響本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的正常工作。

6 結(jié)束語(yǔ)

雖然本安型儀表在儀表匹配、電纜的使用和接地等方面有許多特殊的要求，但隨著微電子技術(shù)、微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化儀表已趨于低功耗、電子化、小型化，更加容易實(shí)現(xiàn)本質(zhì)**。綜上所述，對(duì)于自動(dòng)化儀表而言，本安防爆技術(shù)是一種比較理想的防爆技術(shù)，它也必將被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)總線智能化儀表及現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)中.