防爆電子稱系統(tǒng)的設(shè)計與選用
防爆電子稱系統(tǒng)的設(shè)計與選用
1. 本質(zhì)安 全電氣設(shè)備及系統(tǒng)
本質(zhì)安 全電氣設(shè)備指其內(nèi)部所有電路在規(guī)定的條件下，產(chǎn)生的火花或熱效應(yīng)均不可能引爆。本質(zhì)安 全防爆系統(tǒng)由以下三部分組成：A 現(xiàn)場本質(zhì)安 全設(shè)備——按本安防爆要求，對儲能元件回路作特殊設(shè)計，使現(xiàn)場設(shè)備下會產(chǎn)生由火花或熱源引起爆炸。
B 連接電纜——避免外界電磁場干擾影響，限制電纜分布參數(shù)。
C 關(guān)聯(lián)設(shè)備——安 全柵，將從安 全區(qū)的非本安回路傳到危險區(qū)的本安設(shè)備的能量限制在點火極限范圍內(nèi)。
2. 安 全柵
2.1 基本形式
以功能可分為四種：模擬信號用、開關(guān)/數(shù)宇信號用、通訊功能用、現(xiàn)場總線用安 全柵。
以結(jié)構(gòu)形式可分為兩種：齊納式安 全柵、隔離式安 全柵。安 全柵是充當(dāng)危險區(qū)儀表和控制室儀表之間的“界面”。安 全柵本身并不是本質(zhì)安 全的，不可以直接安裝在危險區(qū)。安 全柵必須安裝在安 全區(qū)或采用隔爆裝置進行保護后安裝在危險區(qū)。
2.2 齊納式安 全柵
齊納安 全柵工作原理如下：齊納安 全基本電路由快速熔斷器FAI，限壓元件VDl、VD2（齊納二極管或二極管），限梳電阻R1（電阻器或非線性元件）三部分組成。
正常操作條件下，非本安端1．2之間所加的電壓低于至高電壓Vmax，此時VDl、VD2處于下導(dǎo)通狀態(tài)，是“開路”狀態(tài)，只要漏電流小于規(guī)定值，安 全柵電路下會影響系統(tǒng)的正常工作。當(dāng)非本安端發(fā)生故障，例如在非本安端1、2之間混入高電壓，使齊納二極管VDl，VD2反向擊穿，呈“導(dǎo)通”狀態(tài)，此時齊納：極管VDl、VD2把混入的高電壓限制在齊納電壓上，在安 全柵的本安端3、4上下會出現(xiàn)高電壓。齊納二極管一旦導(dǎo)通后，其電流急劇上升把串聯(lián)在電路中的熔斷器FAl瞬時熔斷，切斷了至現(xiàn)場的高電壓，防止了高電壓引爆的危險，從而保護了現(xiàn)場設(shè)備及人目的安 全。當(dāng)現(xiàn)場（危險區(qū)）發(fā)生故障，
例如負載短路了，安 全柵電路中的限梳電阻R1立即起限流作用，把短路電流限制在某一個電流值以內(nèi)，這個電流值是安 全值，現(xiàn)場也是安 全的。
齊納安 全柵的特點是電路簡單、安 全可靠，模擬量精度損失極小，因可用于有精度要求的場合，例如稱重傳感器系統(tǒng)。其缺點是：現(xiàn)場必須要有可靠的接地；一旦異常故障隋況下，熔斷器熔斷使安 全柵失效，造成更換頻繁。
2.3 隔離式安 全柵
隔離式安 全柵基本電路由快速熔斷器及其它保護元件或電路、可靠隔離元件以及一個相當(dāng)于具有限壓、限梳功能的二極管安 全柵網(wǎng)絡(luò)所組成。
隔離式安 全柵通過光、電、磁隔離技術(shù)來實現(xiàn)開關(guān)量、模擬量以及數(shù)字通信的電氣隔離。主要包括電源隔離和信號隔離兩部分，其中電源隔離是由高效率DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的，而信號隔離固信號的種類不同有不同的實現(xiàn)方法，開關(guān)量信號由光電耦合器進行隔離；模擬量信號隔離通過模擬信號的調(diào)制解調(diào)來實現(xiàn)；高速數(shù)據(jù)通信隔離則由高速的磁隔離器件及相應(yīng)的電子線路來實現(xiàn)。隔離式安 全柵的特點是不需要本安接地；三端口電隔離可構(gòu)成全浮空系統(tǒng)，抗干擾能力極強；可將兩線制變送器或操作器的4-20mA電流信號轉(zhuǎn)換成與之隔離的4-20mA電流信號，或1=5v的電壓信號輸出。其缺點是電路復(fù)雜、造價高，精度至高為0.1%，不適用于高精度的稱重系統(tǒng)。
3. 本安電氣設(shè)備的選用原則
（1） 防爆標(biāo)志規(guī)定的等級是否適用使用危險場所的安 全要求；
（2） 明確至高輸入電壓、電流、功率和至大內(nèi)部電容、電感等參數(shù)；（3） 接地部分的本安電路是否與安 全柵接口部分的電路加以有效隔離；
（4） 信號傳輸是以何種方式進行；
（5） 本安電氣設(shè)備的至低工作電壓及回路正常工作電流。
4. 關(guān)聯(lián)設(shè)備（安 全柵）的選用原則
（1） 關(guān)聯(lián)設(shè)備的防爆等級必須下低于本安現(xiàn)場設(shè)備的防爆標(biāo)志的等級。（2） 確定關(guān)聯(lián)設(shè)備的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場設(shè)備的至低工作電壓。
（3） 關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的至高開路電壓、至大短路電流、至大功率分別不大于本安設(shè)備故障狀態(tài)下的至高輸入電壓、至大輸入電流、至大輸入功率；而關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的至大外部電容、至大外部電感分別不小于本安設(shè)備至大內(nèi)部等效電容、至大內(nèi)部等效電感的要求。
（4） 確定關(guān)聯(lián)設(shè)備類型，是齊納式安 全柵還是隔離型安 全柵。
（5） 根據(jù)本安現(xiàn)場儀表的電源及信號傳輸方式選擇與之相匹配的關(guān)聯(lián)設(shè)備。
5. 連接電纜的選用原則
（1） 連接電纜為銅芯絞線，且每根芯線的截面積積不小于0.5mm2；
（2） 介電強度應(yīng)能承受2倍本安電路的額定電壓，但下低于500V的耐壓試驗。
（3） 連接電纜長度的限制計算方法如下。
A 電纜至大允許分布電容Cc不大于關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的至大外部電容與本安設(shè)備至大內(nèi)部等效電容之差；電纜至大允許分布電感Lc不大于關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的至大外部電感與本安設(shè)備至大內(nèi)部等效電感之差。
B 按照：
電纜長度L=電纜至大允許分布電容Cc/電纜單位長度分布電容Ck
電纜長度L=電纜至大允許分布電感Lc/電纜單位長度分布電感Lk
取兩者中的小值作為實際配線長度。但多芯電纜，應(yīng)考慮相互疊加影響。
6. 隔爆型電氣設(shè)備
具有隔爆外殼的電氣設(shè)備其外殼能承受內(nèi)部爆炸性氣體棍古物的爆炸壓力，并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼周圍爆炸性棍古物傳播。
產(chǎn)品設(shè)計考核的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為隔爆接合面長度和隔爆接合面的間隙。以往在我國衡器同行中，在隔爆型電氣設(shè)備的內(nèi)腔設(shè)計中，往往分為主腔與接線腔兩部分，現(xiàn)根據(jù)新GB3836.2-2000國家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定只需設(shè)置一個內(nèi)腔，使隔爆型電氣設(shè)備的體積大為減小。
7. 正壓型電氣設(shè)備
設(shè)備外殼保持內(nèi)部氣體的壓力高于周圍爆炸環(huán)境的壓力，且能阻止外部混合物的進入的具有正壓外殼的電氣設(shè)備。
正壓型電氣設(shè)備的特點是，殼體內(nèi)部的氣體壓力高于大氣壓力，使得任何非防爆的設(shè)備均可裝在內(nèi)殼。例如，目前市場上還沒有防爆打印機，則在稱重系統(tǒng)中就可將打印機置于正壓型電氣設(shè)備內(nèi)。
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