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安全检测技术课件第7章_图文

安全检测技术课件第7章_图文

第7章 检测仪表与系统的防爆

第7章 检测仪表与系统的防爆
7.1 检测仪表与系统防爆概述 7.2 检测仪表的本质安全防爆 7.3 防爆检测仪表的选择与应用

第7章 检测仪表与系统的防爆

7.1 检测仪表与系统防爆概述
7.1.1 检测仪表的安全特性 在工业生产,尤其是石化生产中,许多生产过程具有易

燃、易爆、高温、高压和有毒等特点, 许多工艺介质具有强
烈的腐蚀性,有些介质易结晶和堵塞管道。测量仪表在这些 特殊的场所中使用时必须采取相应的技术措施,解决仪表的

防护问题。

第7章 检测仪表与系统的防爆

为了使检测仪表,尤其是电动测量仪表、电动执行器等 直接靠近生产设备或生产环境的仪表单元,能够适用于具有 火灾及爆炸危险的生产现场,对检测仪表提出的安全要求通 常有如下两种类型。?
(1)检测仪表自身具有本质安全特性,即使在具有爆炸 危险的环境中使用,也不会产生可燃物质或可燃性混合物燃 烧爆炸所需要的有效点火源或危险火花。? (2)检测仪表自身具有一定的防爆、隔爆特性,能将检 测仪表内部与其外部的易燃、易爆危险环境进行有效的隔离, 限制从电动仪表内部进入到危险现场中的火花能量,不向仪 表外部的易燃、易爆危险环境提供足以引起燃烧、爆炸的危 险火花。

第7章 检测仪表与系统的防爆 一般地,具有本质安全特性的检测仪表称为本质安全型 仪表,也称为安全火花型仪表,其主要特点是仪表自身不会 产生危险火花。而具有一定防爆、隔爆特性的检测仪表称为 防爆型或隔爆型仪表,它的主要特点是在仪表内部仍有可能

产生危险火花,并且该火花能够点燃由仪表缝隙进入其内部
的可燃混合气体,但却能阻止仪表内部的燃烧或爆炸通过缝 隙传至外部的危险环境。必须指出,防爆或隔爆型的结构不

但适用于检测仪表,也适用于电气设备或电动机的安全要求,
是先于本质安全型结构之前应用的传统防爆类型。

第7章 检测仪表与系统的防爆 7.1.2检测仪表的防爆结构

1.隔爆型
隔爆型将检测仪表及配线完全装在仪表盒、设备盒或管 内进行密封,但是无论怎样密封,内外的温差照样能使内部 空气膨胀和收缩,通过间隙进行呼吸,因而不可能完全防止 爆炸性气体从外部进入结构内部。所以,像隔爆仪表箱、电 动机外壳、开关箱、照明灯具玻璃罩等,除了要做成完全密 封的结构之外,还要做成即使在结构内部发生电火花引起可 燃性气体爆炸,也能耐得住爆炸的结构(其耐压大约为 0.8MPa)。同时,爆炸生成的气体通过间隙出来时,还要能够 冷却到不致对密封结构外部的爆炸性混合气体构成点火源。

第7章 检测仪表与系统的防爆 必须指出,如果在隔爆型结构的结合面上使用密封填 料封闭,那么在隔爆容器内发生爆炸时,爆炸压力会将密 封填料挤出去,使它起不到隔爆的作用。因此,通常是将 结合面全部加工成光洁面或螺纹进行连接。这样的话,爆 炸产生的气体通过金属光洁面或螺纹时,能被冷却到爆炸

性混合气体的燃点温度以下,从而阻止燃烧波的传播。这
时的气路长度(即金属光洁结合面的间隙深度或者螺纹峰谷 面的总长)与间隙或缝隙大小必须符合最大安全缝隙或火焰

蔓延极限所规定的具体值。

第7章 检测仪表与系统的防爆 根据国际电工委员会79-1A号文件规定,最大安全缝隙

是指受试设备两部分壳体?间,在缝隙深度(即气路长度)为
25mm时,能够阻止其内部可燃性混合气体被点燃后,通过 壳体结合面而将爆炸传至外部可燃混合气的最大间隙值。对

各种爆炸性气体混合物而言,都具有其最大安全缝隙,一些
可燃物质的最大安全缝隙数据见表7-1。在国家标准 GB1336—77 中 , 最大 安全缝隙 大小 δ分别 为: δ>1.0mm、 0.6mm<δ≤1.0mm、0.4mm<δ≤0.6mm和δ≤0.4mm四种情况。

第7章 检测仪表与系统的防爆 将可燃气和空气构成的爆炸性混合物按传播爆炸的危险 性依次分为1、2、3、4级。若再将爆炸性物质按自燃点分组 情况给予综合考虑,就可得出可燃气体或蒸汽的分级、分组 标准。依照国家标准GB1336-77,一些可燃气体或易燃液体 蒸汽的级别、组别情况见表7-2。这一标准(GB1336-77)以往 是作为可燃气体或易燃液体蒸汽与空气混合物环境中,选用 防爆、隔爆检测仪表的主要依据。隔爆型产品中有适合于爆 炸等级1、2、3、4级和燃点组别a、b、c、d的,但对爆炸等 级4和燃点组别c的情况仍有一定困难。需说明,当前执行的 国家标准GB3836-2000采取与国际标准接轨的原则,对爆炸 性气体混合物的分级、分组规定进行了适当的调整。

第7章 检测仪表与系统的防爆 表7-1可燃物质的最大安全缝隙
可燃物质名称 氢(H2) 氢氰酸 一氧化碳 甲烷 乙烷 丙烷 丁烷 戊烷 异戊烷 可燃物含量 最大安全缝隙 可燃物质名 可燃物含量 最大安全缝隙 /mm /mm (体积)/% 称 (体积)/% 27.0 18.4 10.8 8.2 5.9 4.2 3.2 2.55 2.45 0.29 0.80 0.94 1.14 0.91 0.92 0.98 0.93 0.98 二硫化碳 乙炔 甲醚 乙醚 丙醚 甲醇 乙醇 丙醇 己醇 8.5 8.5 7.0 3.47 2.6 11.0 6.5 5.1 3.0 0.34 0.37 0.84 0.87 0.94 0.92 0.89 0.99 0.94

第7章 检测仪表与系统的防爆 表7-1可燃物质的最大安全缝隙
已烷 庚烷 辛烷 异辛烷 环已烷 环氧乙烷 环氧两烷 二氧杂环己烷 乙烯 丙烯 丁二烯 氯乙烯 二氯乙烯 1,2 一二氯乙烯 2.5 2.3 1.94 2.0 90mg/L 8.0 4.55 4.75 6.5 4.8 3.9 7.3 10.5 9.5 0.93 0.91 0.94 1.04 0.94 0.59 0.70 0.70 0.65 0.91 0.79 0.99 3.91 1.80 甲基异丁基 酮 丁酮 环己酮 乙腈 丙烯腈 乙酸乙酯 乙酸丙酯 乙酸丁酯 乙酸戊酯 丙烯酸甲酯 丙烯酸乙酯 乙烯酸丁酯 氯丁烷 三氯甲苯 3.0 4.8 3.0 7.2 7.1 4.7 135mg/L 130mg/L 110mg/L 4.3 5.6 4.2 3.9 19.3 ' 0.94 0.92 0.95 1.50 0.87 0.99 1.04 1.02 0.99 0.86 0.85 0.88 1.06 1.40

第7章 检测仪表与系统的防爆

表7-1可燃物质的最大安全缝隙
将传播爆炸 危险性分级 的级别 1 按自燃温度分组的组别 a 甲烷、氮、乙酸 b 丁醇、乙酸酐、 环己酮、甲基丙 烯酸甲酯 c 环己烷 d e

2

丁烷、异戊烷、 乙烷、丙烷、苯、丙 丙烯、甲醇、乙 戊烷、已烷、庚 乙醚、 酮、苯乙烯,氯苯、醇、乙酸乙酯、 烷、 辛烷、 癸烷、 氯乙烯、 丁酮、 甲苯、 乙酸丁酯、乙酸 硫化氢、汽油、 乙醛 一氧化碳、 乙酸乙酯 戊酯、二甲胺、 松节油 丙烯酸甲酯 二氯乙烯、煤气 水煤气,氢气 环氧乙烷、环氧 丙烷、丁二烯 乙炔 异戊二烯 二硫化碳

3 4

第7章 检测仪表与系统的防爆

表7-2爆炸性混合气体的分级分组规定
检 参数 测 方 式类 别 节 流 式 孔板 喷嘴 被测 介质 管径 /mm 流量

/ m 3 ? h ?1

工作 工作 精度 最低雷 量程 压力 诺数/粘 压力 温度 比例 损失 /% 度界限 /MPa /℃ 500 ±1~2

安装 要求

体 使 积 价 用 质 格 寿 量 命

液体气 1.5~9000 50~1000 20 16~100000 体蒸汽 液体气 5~2500 150~400 20 50~2600 体蒸汽

5000~80 小于 需安装 3︰1 小 低 中 00 2000 直管段 较 大于 小于 需安装 500 ±1~2 3︰1 中 长 20000 2000 直管段 低 150 ±2 >100 10︰1 300~ 要垂直 中 中 长 600 安装

转 金属管 液体气 0.012~100 15~150 6.4 子 转子流 0.4~3000 体 式 量计 椭圆齿 6.4 轮流量 液体 10~250 0.005~500 ~10 计 容 积 腰轮流 液体 15~300 0.8~1000 6.4 气体 式 量计 旋转活 塞流量 计 液体 15~100 0.2~90 6.4

60

±0.5 ±0.2 ~0.5 ±0.2 ~0.5

500

要安装 10︰1 <200 重 中 中 过滤器 0 要安装 <200 重 高 中 10︰1 过滤器 0 10︰1 <200 要安装 小 低 中 0 过滤器

60

500 500

120

第7章 检测仪表与系统的防爆 表7-2爆炸性混合气体的分级分组规定
水表 漩涡流 量计 液体 液体 气体 15~600 4~500 10~50 0.045~300 0 1 大于 <200 水平安 较 中 10︰1 0 装 低 有直管 <250 ± 120 20 10︰1 段并装 小 中 0 0.5~1 过滤器 较 <250 需装直 2000 ±1~4 >2000 3︰1 中 0 管段 低 40~ 100 ±2 100 ±1 中 较 短 长

0.04~6000 6.4 0.2~200 0.8~400 0.1 ~20000 10~5000 6.4 1

靶式流 液体气 15~200 量计 体蒸汽 电磁流 量计 旋进漩 涡型 导电 液体 气体 6~900

无限制 10︰1 极小 无要求 大 高 长 需较短 中 中 长 直管段

50~150

1.6

60

±1

30︰1

11

注:①液体流量范围是以 20℃水计算的,气体流量范围是以 20℃及 0.1 MPa 时的空气计算的。 ②节流装置流量范围及压力损失是以液压差选 2500Pa、气体压差选 1600Pa 计算的。 ③表内温度和压力是基本型品种数值。

第7章 检测仪表与系统的防爆 2.防爆通风充气型? 防爆通风充气型也称为正压型,它与隔爆型一样,需将 检测仪表装入全封闭的容器内或外壳中,同时里面充入清洁 空气或惰性气体,以稍微提高内部压力来防止危险性气体进 入。如果内部压力下降,外部的爆炸性气体有可能进入而发 生危险,故一般设有内部压力监测及自动报警或自动停车等 装置,监控内部压力下降情况。? 对于爆炸危险等级较高(如危险性级别在3和4)和自燃点 组别较低的可燃性气体或蒸气,往往隔爆结构制造有困难, 对此,采用通风充气型结构是合适的,可以有效地提高仪表 和电气设备的安全性。所以,在电动仪表、电气自动控制装 置等设备上常采用通风充气型防爆结构。防爆通风充气型电 设备的标志为p。

第7章 检测仪表与系统的防爆 3.防爆充油型? 防爆充油型简称充油型,这种结构主要用于电气设备的 防爆。它是将开关、制动器、变压器、整流器等电气主体浸 没在绝缘油中,而且从油面高出危险部位的距离至少要保证 在10mm以上。在这种防爆结构中,漏油引起的油面下降是十 分危险的。因此,必须用油面计来经常监测油面位置,以确 保安全性。此外,在充油型开关中,开关开闭时产生的弧光 能使绝缘油热分解,产生以氢气为主的可燃气体,所以要设 排气孔以防止由于其中积累分解气体而成为混合气体发生爆 炸。防爆充油型结构标志为o。

第7章 检测仪表与系统的防爆

4.防爆安全型?
防爆安全型结构并不是真正的防爆结构,只是采用辅助

性措施,将正常运行中容易过热或产生电火花的仪表或设备
部件,在绝缘、温升等方面加以处理,使之比一般要求的部 件做得可靠。同时对仪表或设备中的气隙、端子板、连接点

等部位严格要求,增加安全度。因此,防爆安全型有时也称
为增安型。防爆安全型结构的标志为e。?

第7章 检测仪表与系统的防爆 5.特殊防爆型 通常,特殊防爆型结构多用在实验测试仪器和安全性检 查仪器中,其防爆性能要通过实验被确认之后,才能付诸使 用。? 以上五种结构防爆形式在检测仪表和电气设备的安全防 护中有着广泛的应用。对于检测测量仪表来讲,其中隔爆型、 防爆通风充气型(即正压型)和防爆安全型(增安型)用得更多 一些,是主要采用的结构防爆类型。但是,在石油、化学工 业中,随着自动控制技术、计算机技术的广泛应用,利用电 子设备、微电子设备进行各种工艺计量、参数监测和控制愈 来愈多,如果原封不动地采用上述防爆结构,则在技术上和 经济上都造成一定的困难,因而发展形成了适于低电压、弱 电流电子设备和微电子设备的安全防爆型式——本质安全型防 爆结构,亦称为安全火花型结构(标志为ia和ib)。

第7章 检测仪表与系统的防爆

凡具有本质安全型防爆结构的检测仪表,都是安全火花 防爆仪表。在这种防爆结构中,仪表的各个电气回路中使用 的都是一些很微弱的电压和电流,即使断开通电中的电感回 路时,在断开处产生火花或者在间歇接触电容回路或电阻回 路时产生小火花和电弧,但这些火花或电弧已经完全小到不 能成为爆炸性混合气体的点火源,其极限能量无论如何也达 不到可燃气体在空气中最适宜浓度下的最小点火能量,所以, 安全火花防爆仪表具有本质安全特性。安全火花(本质安全 型)防爆仪表在防爆结构设计中采用的安全防护措施有两方 面:一是对送往易燃、易爆危险现场的电信号,经专门的安 全保持器,进行严格的限压、限流和电路隔离;二是对危险 现场中仪表的高储能危险元件,在线路设计上对其自身能量 进行限制,严格防止危险火花的出现。

第7章 检测仪表与系统的防爆

7.2检测仪表的本质安全防爆
7.2.1本质安全防爆的基本原理与措施? 从危险火花的分析可得,设计本质安全防爆系统就是要 合理地选择电气参数,使系统和设备在正常或故障状态下发 生的电火花变得相当小,不会点燃周围环境的可燃性气体混 合物。由于本质安全防爆是利用系统或电路的电气参数达到 防爆要求的,因而是一种非常可靠的防爆手段。鉴于此,确 定什么样的电火花标准才能不点燃周围环境中可燃性气体混 合物即成为关键性问题。标准确定得当,既保证了安全,又 利于设计制造;标准确定得过严,安全固然得到保证,但设 计制造方面会存在困难;标准确定得过宽,安全得不到保证, 显然也不合适。因此,必须在实验和理论分析相结合的基础 上认识电火花在可燃性气体混合物中的点燃特性,认识影响 电火花点燃特性的各种因素。

第7章 检测仪表与系统的防爆

1.影响电火花点燃能力的因素?
利用电火花发生装置产生的电火花,在各种爆炸性混合 物中进行一系列点燃试验发现,爆炸性混合物能否被点燃, 与下列各种因素有关。? (1)可燃性气体或蒸汽本身的因素,如气体或蒸汽的种 类、浓度、温度和压力等;?

(2)电气回路存在的因素,如直流、交流电路,高频、 低频信号,电压、电流大小,电路的电感性、电容性和电阻 性等;?
(3)产生电火花方面的因素,如产生火花的两个导电极 的形状、尺寸、材料、开闭速度、开闭方式和极性等;? (4)火花次数的影响。?

第7章 检测仪表与系统的防爆 2.实现本质安全的基本措施? 1)合理选择元件的额定参数?

本质安全电路中元件的额定参数,需根据爆炸性混合物
的级别和组别进行选择,既应满足电路的本质安全性能设计 要求,使电路在任何工作状态下发生的电火花的能量均小于 爆炸性混合物分级点燃的最小点燃能量,还应考虑一定的裕 量,使电路中所有元件工作时的表面温度低于爆炸性混合物

按自燃温度分组所允许的最高表面温度。所以,与本质安全
性能有关的元件(变压器除外)在正常工作状态时,其电流、 电压或功率不得大于其额定值的2/3。

第7章 检测仪表与系统的防爆 当电路中由于电流太大而不能达到本质安全性能时, 可采用保护性元件串接限流。一般,串接限流用电阻元件 的选择,应使其使用功率在正常工作状态下不大于其额定 值的2/3,故障状态下不大于其额定值。金属膜电阻、线绕 被覆层电阻等可作为限流电阻,不宜采用碳膜电阻,而且

限流电阻的装配应防止电阻两端短路,线绕电阻需有防止
松脱措施。

第7章 检测仪表与系统的防爆

当电路中由于电感、电容元件储能太大而不能达到本质 安全性能时,可在其两端加保护性元件或组件。根据电容火 花和电感火花放电过程的分析结果,电容储能经串联电阻放 电可以减小电火花,这时串联放电用电阻的额定功率应符合 限流用电阻元件的要求。而电感火花放电能量的减小,可通 过对电感元件两端并接分流元件加以实现。电感线圈两端常 用的保护性元件或组件(即并接分流元件)是经过老化筛选的 电容器和二极管或齐纳二极管,并且需采用双重化措施。桥 式连接的二极管组件可作为双重化分流元件。一般,二极管 作分流元件时,其承受的最大电压应不大于其额定反向电压 的2/3,承受的最大电流应不大于其额定值的2/3;电容器作 分流元件时,其所承受的最高电压应不大于其额定值的2/3, 且不宜采用电解电容和钽电容。此外,分流元件与被保护元 件应连接可靠,当其处于危险环境时应胶封为一体,特殊情 况可采用相应的措施。?

第7章 检测仪表与系统的防爆 2)降低电源的容量? 一般降低电压或电流,是减小电路火花,提高本质安全

性能的普遍有效的方法。因此,为使爆炸性危险环境所用电
气设备达到本质安全型,应在满足电路或电气设备的工作功 率和工作性能要求的条件下,把电压、电流或二者都设计成 较小的值。换言之,就是要降低电路或电气设备电源的容量, 防止电路中出现过高的电压或过大的电流。这也正是本质安 全型防爆结构只能适用于测量、监视、通信及控制等弱电设 备和系统的原因所在。?

第7章 检测仪表与系统的防爆 根据电火花放电过程分析,对于电感性负载,减小电流 比降低电压作用更大,更有利于实现安全火花;同理,对于 电容性负载,降低电压比减小电流更有利;对于电阻性负载, 多数场合是降低电压。然而,随着电子工业的飞速发展和电 子元、器件及电动仪表等在爆炸危险环境中的广泛应用,电 路、仪表等的功能增多,电路趋于复杂,对电源容量的要求 越来越高,电源容量和电源的本质安全性能之间的矛盾越来 越突出。当电路为完成其基本功能而需要较大的电源容量, 同时又要考虑其本质安全性能时,解决的办法是在电路中设 计并采用专用的装置快速切断负载,人为地缩小电路放电时 间,以利于提高电源容量。有关实验表明,当电路放电时间 缩短后,电源电压、电流都可以得到很大提高,即允许的安 全火花电源容量可以提高很多。而且电路放电时间的缩短, 可通过提高保护电路的动作速度加以实现。

第7章 检测仪表与系统的防爆 3)机械隔离与电气隔离? 对于本质安全型电气设备来讲,要求其中全部电路都 是由本质安全型电路组成的,电路中所有的元件应符合本 质安全性能所要求的额定参数值,或者元件本身就是可靠 元件或组件,在使用中不会影响本质安全电路的防爆性能。 对于直接向本质安全型电气设备供电用的电源变压器等, 由于很难做成本质安全型的,因而要制成可靠元件或组件, 这样就在电气设备的本质安全电路部分与非本质安全电路 回路之间有许多电的、磁的联系。在正常情况下,电气设 备的本质安全与非本质安全两种回路之间不会短接,但万 一发生短接则十分危险,故必须采取可靠措施,对设备的 连接部分、端子、导线引入部分、印刷线路板等实现机械 隔离,防止非本质安全电路的危险能量窜入本质安全电路 中。机械隔离还不能完全解决时,应实行电气隔离,即加 设安全栅。

第7章 检测仪表与系统的防爆 为了防止安全场所中非本质安全电路的能量窜入危险

环境中的本质安全电路,确保危险环境中本质安全电路的
安全,在本质安全电路与非本质安全电路之间设置一个由 保护性元件制成的装置,这种装置就叫做安全栅。本质安

全型电气设备中最常用的是二极管安全栅。它是一种可靠
组件,由限流元件(金属膜电阻、非线性电阻等)、限压元 件(二极管、齐纳二极管等)和特殊保护元件(快速熔断器等)

组成,其中,晶体管元件须双重化。有关安全栅的分类及
工作原理见后述。

第7章 检测仪表与系统的防爆 4)关键部位采用不出故障元件设计? 本质安全电气设备的一个要点是在关键部位配置不出

故障的部件,即可靠元件或组件,如不会短接的电源变压
器、具有防止限流电阻短路的措施和隔爆外壳的电池或蓄 电池、不会开路的电容器、不会短路的电阻等,其他部件 即使出了故障,也无损于电气设备的本质安全性能。有关 可靠元件和组件的设计、选型及参数选择等,可根据国家

标准GB3836.4-2000《本质安全型电路和电气设备制造和检
验规程》中的有关要求确定。

第7章 检测仪表与系统的防爆 7.2.2本质安全防爆系统 1.本质安全防爆系统的组成? 根据石油、化工生产过程控制要求和仪表的概念,本质 安全防爆系统的基本结构(或组成)如图7-1所示。图中,现 场仪表与控制室仪表之间通过安全栅相连,对送往现场的电 压和电流进行严格的限制,确保各种事故状态下进入危险现 场的电功率在安全范围内。安全栅也称为防爆栅或安全保持 器,是本质安全防爆系统必不可少的环节。但是,安全栅只 能限制进入现场的瞬时功率,如果现场仪表不是本质安全型 仪表,其中将有较大的电感或电容储能元件,那么当仪表内 发生短路、开路等故障时,储能元件上长期积累的电磁能量 完全可能产生危险火花,引起爆炸。

第7章 检测仪表与系统的防爆

图7-1本质安全防爆系统的基本结构

第7章 检测仪表与系统的防爆

按照本质安全防爆系统所应具备的充要条件,在自动化 仪表的分类生产中,按功能划分,除设计和生产具有本质安 全性能的测量仪表和执行仪表,以适应爆炸性危险场所生产 过程控制的需要之外,将安全栅也作为独立的安全单元来设 计和生产,从而使组合式生产过程控制系统模式同样可以应 用于有爆炸危险的生产控制中。对于具有本质安全性能的测 量仪表和执行仪表的结构及其设计问题已在前面给予讨论, 这里不再赘述。但从仪表角度考虑,作为独立组合单元的安 全栅则有必要进一步分析,以解决生产过程控制系统中危险 现场与安全场所关联部分的本质安全性能问题,确保系统具 有本质安全性能。?
确保本质安全电路安全性的装置,可以说它是在危险场 所与非危险场所线路中间的能量限制器,防止非危险场所的 危险能量流到危险场所去,其原理如图7-2所示。

第7章 检测仪表与系统的防爆

图7-2本质安全防爆系统的原理框图

第7章 检测仪表与系统的防爆 2.隔离式安全栅及其工作原理

在目前我国生产的单元组合式仪表中,安全栅是独立的 仪表单元,用于接收危险场所防爆仪表的标准传输信号,转 换产生具有本质安全性能要求的同样的标准传输信号:直流 4~20mA。在安全栅仪表单元中,一般是采用隔离式的方案, 以变压器作为隔离元件,分别将输入、输出和电源电路进行 隔离,以防止危险能量直接窜入现场。同时,用晶体管限压、 限流电路对事故状态下的过电压或过电流做截止式的控制。 虽然采用隔离式方案的安全栅单元线路复杂、体积较大、成 本较高,但不要求特殊元件,便于生产,工作可靠,防爆定 额较高,交、直流可达220V,因此得到广泛的应用。

第7章 检测仪表与系统的防爆 目前应用最多的安全栅有两种形式:一个是以齐纳二极 管为主要元件的二极管齐纳栅;另一个是隔离型的安全栅, 如隔离变压器、光电耦合器等。在DDZ-Ⅲ型仪表及I系列仪 表中,安全栅又分为检测端和操作端安全栅。本书中研究检 测技术要使用检测端安全栅。EK系列仪表、YS系列仪表、S

系列仪表则采用齐纳安全栅。一般按使用现场仪表来确定安
全栅,不做检测端、操作端之分。由于二线制变送器在大量 应用,因此用于供电的配电器也在大量应用。在DDZ-Ⅲ和

Ⅰ系列仪表中如果用了检测端安全栅,就不再用配电器了。
因为安全栅与配电器是合二为一的。这在选型时要注意。

第7章 检测仪表与系统的防爆

图7-3检测端带隔离和齐纳管的安全栅

第7章 检测仪表与系统的防爆

图7-4齐纳管安全栅

第7章 检测仪表与系统的防爆 3.隔离式安全栅的分类? 1)检测端安全栅? 检测端安全栅作为现场测量变送器与控制室仪表和电源 的联系纽带,一方面要向测量变送器提供电源,一方面要把 变送器送来的信号电流经隔离变压器1∶1地传送给控制室仪 表。在上述传递过程中,依靠双重限压、限流电路,使任何 情况下输往危险场所的电压和电流不超过直流30V、30mA, 从而确保危险场所的仪器仪表安全。

第7章 检测仪表与系统的防爆 图7-5所示是检测端安全栅单元的原理图。24V直流电压 经直流-交流变换器后变成8kHz的交流电压,再经变压器B 1 传递。一路经整流滤波和限压、限流电路为测量变送器提供 电源(仍为直流24V);另一路经整流滤波为解调放大器提供 电源。而从测量变送器获得的4~20mA信号电流经限压、限 流电路进入调制器,被二极管调制器调制成交流后,由变压 器B2耦合到解调放大器,经解调后恢复成4~20mA直流信号, 输出给控制室仪表。所以,从信号传送角度来看,安全栅是 一个传递系数为1的传送器。被传送信号经过调制-变压器耦 合—解调的过程后,照原样送出。而且在传送过程中,这里 的电源、变送器、控制室仪表之间除磁的联系之外,电路上 是互相绝缘的。

第7章 检测仪表与系统的防爆

图7-5检测端安全栅单元的原理图

第7章 检测仪表与系统的防爆 2)执行端安全栅?

单元组合式仪表中执行端安全栅单元原理如图7-6所示。 图中,24V直流电源经磁耦合多谐振荡器变成交流方波电压, 通过隔离变压器B1 分成两路,一路供给调制器,作为4~ 20mA信号电流的斩波电压(调制电压);另一路经整流滤波, 给解调放大器,限压、限流电路,以及执行器供给电源。 安全栅中信号的通路是:由控制室仪表来的4~20mA直流信 号电流经调制器变成交流方波,通过电流互感器B2作用于解 调放大器,经解调恢复为与原来相等的4~20mA直流电流, 以恒流源的形式输出,且该输出经限压、限流后供给现场 的执行器。

第7章 检测仪表与系统的防爆

图7-6执行端安全栅单元的原理图

第7章 检测仪表与系统的防爆 4.外界因素对本质安全防爆系统的影响

1)导线分布电感与电容的影响?
在本质安全防爆系统中,从关联设备到危险场所的本质 安全设备之间,往往有很长的连接电缆,从而存在着分布电 感和电容,储有一定的能量。当储能达到一定程度时,电缆 短路火花就会酿成点燃的危险,因此必须控制电缆的分布电 感和电容,使其储能小于爆炸性混合物的最小点燃能量。? 长电缆的分布电感和电容可作为集中参数处理,其值可 按照下列公式计算:

A Lp ? 2 2 , IK

A Cp ? 2 2 UK

(7-1)

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L A ?8 R Ik Uk

(7-2)

式中:A——爆炸性混合物的最小点燃能量,单位为mJ;? Uk——安全栅的最高开路电压,单位为V;? Ik——安全栅的最大短路电流,单位为A;? L/R——电缆导线单位电阻的电感值。

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按照式(7-1)或式(7-2),可根据关联设备中安全栅的参 数和危险环境爆炸性混合物的最小点燃能量来确定电缆导 线的允许电感量和电容量或单位电阻的电感量。由于式(7-2) 中L/R值是在电缆的最大储能及点燃能力与其长度无关的条 件下得出的,因此按L/R值选择电缆时,可不考虑长度的影 响。但按式(7-1)选择电缆时,必须考虑电缆的长度及其结 构,并将借助于理论计算。根据电磁场理论,计算电缆等 效电感和电容值的公式如下:

2S L p ? 0.2 ? ln ? 0.5 d
0.02413 ? Cp ? D lg d

(mH / km ) (7-3)
( ?f / km )
(7-4)

第7章 检测仪表与系统的防爆

2)接地的影响?
接地对本质安全防爆系统的防爆安全性影响很大。若不 接地或接地方式不对,就会造成隐患,甚至失去防爆能力。 接地的目的是消除本质安全电路对地的悬浮电位,保持对地 (零电位)稳定性。但有时也不接地,这就必须全面考虑可能 发生的对地悬浮电位在极端情况下的危险性。? 本质安全防爆系统的接地应遵循下列基本原则。? (1)安全栅单线限流时,非限流元件端必须接地。隔离 变压器(可靠性元件)的屏蔽及铁芯在一点接地,且接地点应 在安全场所内,如图7-7所示。如果图中4端不接地,而3端 在危险区域接地,则变压器本质安全绕组在安全场所内一旦 接地,限流电阻将失去作用,破坏本质安全性能。

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图7-7安全栅单线限流时接地与不接地示意 (a)接地情况示意;(b)不接地情况示意

第7章 检测仪表与系统的防爆 (2)安全栅双线限流时可不接地,如图7-8所示。图中R1 和R2的选择应使每一个电阻都能承受全部限流作用,即使R1

因接地短路,R2也能保证3、4端的本质安全性能。

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图7-8安全栅双线限流不接地示意

第7章 检测仪表与系统的防爆 (3)采用正、负端安全栅组合使用时,中心点必须接地, 如图7-9所示。如果中心点不接地,处于故障状态时,齐

纳二极管将失掉设计规定的限压功能,从而发生危险。

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图7-9组合式安全栅的接地

第7章 检测仪表与系统的防爆 (4)本质安全设备所用的接地母线不能和其他设备动力 接地线混触或代替,以避免强电流形成的危险。? (5)关联设备外壳的保护接地可以接到一般接地线上, 但此时它必须与本质安全电路接地端子绝缘。如果外壳与本 质安全接地端子一起接地时,那么外壳与其他电气设备金属

外壳必须绝缘。危险区域内的本质安全设备金属外壳可以与
本质安全电路接地端子一起接地。可见,在关联设备制造时, 需根据要求解决其金属外壳保护接地端子与本质安全电路接 地端子是否需要互相绝缘分开设置的问题。?

第7章 检测仪表与系统的防爆 本质安全防爆系统接地的基本方式主要有下列两种。 (1)单独接地。即每个本质安全电路各自接地。在这种 方式下,为保证安全,要求每个接地点电阻不大于1Ω ,否 则会在接地电阻上形成较大电位差(事故状态下尤其严重),

破坏本质安全性能。?
(2)等电位线接地。即用一根截面积大、机械强度高、

接地可靠的母线将各本质安全电路的接地点连成一体,使
各点电位一致。这种接地方式可消除单独接地时各接地点 对地的电位差,是比较可靠的方式。

第7章 检测仪表与系统的防爆 3)外界电磁场的影响?

外界的电磁影响主要来自生产设备的动力线与本质安全 系统设备连线混合布置。只要将本质安全系统的布线与动力 线分开,就可消除由于外界高压、强电流在空间形成的电磁 场对本质安全电路的耦合影响。一般消除外界电磁场影响的 方法是本质安全与非本质安全电路分开布线,分开距离应大 于50mm,或采用金属隔离层分开的办法。特别要指出的是, 输送信号用的本质安全与非本质安全导线不能处在同一多心 电缆中或互相捆扎在一起,但当采用可靠的金属屏蔽层将本 质安全导线全部屏蔽接地之后,则可以将本质安全导线与非 本质安全导线使用于同一电缆中。

第7章 检测仪表与系统的防爆 4)组合安全栅应用? 当许多安全栅组合后对同一个系统共同供电时,应考

虑各个安全栅之间在故障状态下影响系统的本质安全性能。
如果多个有源本质安全电路被连接在一起,则一般应根据 所接入的有源本质安全电路的短路电流之和及最大空载电 压之和,规定允许的外部电感和电容;当其接有电阻性负 载时,则根据电压及电流的总和来确定它的安全性能,例 如图7-10所示电路。

第7章 检测仪表与系统的防爆

图7-10安全栅组合后对本质安全的影响

第7章 检测仪表与系统的防爆

7.3防爆检测仪表的选择与应用
7.3.1防爆检测仪表的选型 防爆仪表选型要根据仪表工作的环境和危险气体的性质 来确定。审核防爆仪表,关键是审核其爆炸等级和温度组别。 根据危险场所情况选用合适的防爆仪表,所选仪表的防爆等

级一定要高于仪表工作环境中的气体爆炸等级和温度组别,
但是也不可过高,因为这会增加不必要的投资成本。?

第7章 检测仪表与系统的防爆 还有一个应注意的问题,就是仪表壳体(容器外表面)的 温度上升也要有界限,才能保证安全。表7-3就是仪表表面 温度上升限度。表中的限度是对应爆炸气体的各温度组别最 低值的80%,再扣除电气仪表设备基准环境温度限度40℃之

后的数值,即

Tuc= Tnl×80%-40
式中:Tuc——温度上升限,单位为℃?;? Tnl——温度组别的最低自燃点,单位为℃。

(7-5)

第7章 检测仪表与系统的防爆 表7-3 温度上升限度

温度组别(发火度) 温度上升限度,℃

T1 320

T2 200

T3 120

T4 70

T5 40

第7章 检测仪表与系统的防爆 7.3.2防爆检测仪表的应用

1.检测仪表的系统应用
1)完全防护型仪表?

危险现场的防爆仪表必须按防爆设备安装规范进行, 与其相接的二次仪表、供电、控制仪表接口也应做适当处 理。电缆、接头、接线盒都有相应的特殊要求。?
2)本质安全型防爆仪表? 由于电子学、微电子学的飞快进步,促使本质安全型 仪表发展非常快,目前现场应用的大部分是本质安全仪表。

第7章 检测仪表与系统的防爆 2.安装配线 安装配线必须按防爆仪表安装规范进行。?

(1)一般在防爆仪表上包括安全栅本质安全端子,颜色
为蓝色,与其相接的线路也是蓝色的,称为本质安全回路, 其余称为非本质安全回路。要将它们区别开来,防止混浊短 路,并与其他电路分开。? (2)要消除静电及电磁感应的影响,线路电容、电感(包

括分布电感、电容)要受限制,其值应在允许值以内。

第7章 检测仪表与系统的防爆 (3)防止线路、仪表的碰伤。? (4)保证有良好的接地铜排。?

(5)在运行中不得进行仪表内部检修。?
(6)维护检修必须由具有认证资格的单位和技术人员担

任。?
对于一般安全栅来讲,其非本质安全回路最大额定电压 为AC/DC250V;本质安全回路的开路电压在45V以下,一般为 23V;短路电流在35mA以下,一般为23mA。

第7章 检测仪表与系统的防爆 3.配电器的应用

在二线制变送器中,作为供配电仪表,配电器是不可 缺少的仪表,正确应用配电器很重要。?
配电器有三个主要功能:一是对变送器供电;二是接 收在对变送器供电的二线上来的信号;三是作为标准电流、 电压信号输出。? 配电器有带隔离的,有的是输入回路与输出回路隔离, 有的是输入、输出与配电器电源隔离,还有的互相全部隔 离。配电器有的是单点单回路,有的是双点双回路,有的 是4点4回路,还有10回路的,可根据变送器、检测仪表的 多少进行选择。


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