4.2安全火花防爆系统与安全栅4.2.1安全防爆的基本概念在大气环境中，易燃气体、易燃液体蒸气、薄雾、粉尘、或纤维状的易燃物质与空气形
成、能够引起爆炸过程的混合物称为爆炸性混合物（Theexplosivemixture）。含有爆炸性混合物的环境称为爆炸性环境或
危险场所。按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，可将危险场所划分成不同级别的危险区域。不同危险等级对电气设备防爆要求不
同。在煤矿井下使用的电气设备属Ⅰ类防爆设备；在有爆炸性混合物生产场合使用的电气设备属Ⅱ类防爆设备；在有爆炸性粉尘生产场合使用的电气
设备属Ⅲ类防爆设备。对Ⅱ类防爆电气设备，电路电压限制在DC30V时，爆炸性混合物按最小引爆电流，分为A、B、C三级。表4-1
爆炸性混合物的最小引爆电流级别最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类ⅡAi＞120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧
化碳等ⅡB70＜i＜120乙烯、乙醚、丙烯晴等ⅡCi≤70氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等安全栅（Saf
etybarrier，也称防爆栅）是防止危险电能沿控制系统信号线路进入（易燃易爆）危险现场的安全保护器（屏障）。安全火花（
Safetyspark）指火花的能量不足以引燃周围爆炸性混合物。安全火花仪表电动仪表电路发生短路、断路时，存在出现电火花的
可能。如果在仪表设计中，确保出现短路、断路故障，或人为误操作等情况时，将仪表电路可能产生的火花能量严格限制在爆炸性(气体)混合物
点燃能量之下，电火花不会引燃爆炸性混合物，则此仪表称为安全火花防爆仪表（也称本安仪表Intrinsicallysafeinst
rument）。4.2.2安全火花防爆系统安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部电路不产生危险火花，对通过信号线路引入的（电
）能量是否安全则无法保证。如果在安全火花仪表与其它(安全)区域（装置）连接线路之间设置安全栅，防止危险能量进入危险场所，则该控制
系统称为安全火花防爆控制系统。构成安全火花防爆系统的二要素：危险场所使用的仪表必须是符合防爆安全等级的安全火花防爆仪表（本安仪表
）。安全场所（不存在爆炸性混合物）与危险场所（存在爆炸性混合物）之间的连接电路必须经过安全栅（防爆栅）隔离。控制器4.2.3安全
栅的工作原理安全栅是正常传递信号并阻止危险（电）能量通过（进入危险场所）的隔离器。最简单的措施是用电阻限流，如2.2.5图2-21
热电偶温度变送器，信号输入端并联2个二极管（VDi1、VDi2）限压；串联2个电阻Ri1、Ri2限流。缺点是会衰减正常信号，防爆定
额等级较低。危险现场限流限压安全场所4.2.3.1齐纳式安全栅最简单的安全栅是用二极管限压（齐纳式击穿），用电阻及熔断丝限流（如
右图所示），但存在明显问题：R1、R2对仪表的正常信号传递存在较大衰减。R1、R2阻值过大，会影响仪表的恒流特性，阻值太小又起不
到限流作用；存在两点以上接地，会造成信号通过大地短路或形成干扰（除安全栅接地外，仪表也有接地，而仪表系统要求单点接地）。改进后的齐
纳式安全栅齐纳式安全栅的改进用限流电路取代固定电阻。场效应管VT3工作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在D
C4～20mA范围内VT1处于饱和状态；由VD1~VD4和F1~F’2组成限压电路。背靠背齐纳管中点接地，改直接接地为保护时
接地。改进型齐纳式安全栅工作原理电流、电压正常时（Vi≤DC30V，I≤DC20mA）VR1=0.1～0.5V?V
T2不导通?VT1饱和导通,低阻；电流过大时（Vi≤DC30V，I>DC24mA）VR1>0.6V?VT2导通，
分流VT3的电流?VT1出退饱和?Rce1↑高阻状态?阻断电流；出现过压时（Vi>DC30V，I≤DC20mA）VD
1~VD4中至少有一个被击穿并接地?（F1~F’2）至少一只熔断丝熔断、阻断高电压。特殊要求要求快速熔断丝熔断时间
<1ms。4.2.3.2隔离式安全栅用变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电源进行隔离。由于对二线制变送器既要隔离又要供电，
故又分为检测端安全栅和执行端安全栅。1.检测端安全栅检测端安全栅在向变送器提供电源的同时，将变送器的测量信号经隔离变压器传给控制
室（安全场合）仪表。检测端安全栅是一个传递函数为1的比例环节，电源、变压器、控制室仪表之间用磁耦合，实现电路隔离，简化原理如下图所
示。++电源变压器DC/AC：VT1、VT2，VD1～VD4及变压器T1构成磁耦合自激多谐振荡器+晶体管限压限流电路串联
两套完全相同的限压限流电路：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16。正常工作时VT4、VT6饱和，VT3、VT5截止
晶体管限压限流电路原理①电源出现过电压（VAB>DC30V）VAB>DC30V?VD15击穿?Vbe3↑?VT3饱和
?Vce3≈0?VT4截止?VAB↓②变送器出现过电流（I>DC20mA）VR6↑?VT3导通，分流?V
be4↓?VT4退出饱和?Rce4↑、Ice4↓限压特性限流特性调制:VD13、VD14交替工作?变送器DC4～20mA
交替通过T2原边。解调:T2副边1:1耦合?复合管VT7~VT10整流。2执行端安全栅安装在控制室控制器和现场执行器之间，是D
C4~20mA控制信号送往现场的限能栅栏，与检测端安全栅的区别：①信号传输方向相反，②不需给现场供电。电路原理基本相似。4
.3现场仪表电路的本安（安全火花）设计通过安全栅有效阻止安全区域可能引发爆炸的大电流、高电压通过，防止危险电能通过接线进入危险区
域；危险现场选用符合防爆等级的本安仪表，防止现场仪表内部危险火花，这样构成了安全火花防爆控制系统。危险现场使用仪表有检测仪表和执行
（器）装置，包括传感器、变送器，电/气转换器（危险现场均采用气动或液动执行器）等现场仪表。下面以电/气阀门定位器为例，简要说明本安
仪表安全火花电路的设计原理。图4-18所示电/气阀门定位器，如果要安装在有爆炸混合物的生产现场，必须采取防爆措施。除了将安全场
所控制器输出的电流信号用安全栅隔离外，由于磁力线圈是（感性）储能元件，需用环氧树脂浇注固封，再加以双重续流保护，如图4-27所示。
正常工作时，VD1、VD2导通，VD3、VD4截止。当信号回路断线时，储存在线圈中的电能使VD3、VD4正向导通，续流释放，将断
线处火花能量限制在安全范围之内。二极管布置在磁力线圈附近并一起用硅橡胶灌封进行密封隔爆。电/气阀门定位器属于安全火花和隔爆复合型防
爆结构。安全火花仪表电路设计通常采用如右图所示的电容限压电路，钳制电容充电电压，降低电路短路故障时电火花能量，实现安全火花的防爆
功能。齐纳式安全栅安全栅安全火花防爆系统隔离式安全栅安全火花防爆仪表安全火花电路的简单设计本安防暴与安全栅小结期中论文：自动化仪表之×××的认识结构：引言、阐述认识、结论、参考文献。字数：2000~3000字选题提示：1、检测领域新技术的认识2、某个仪表原理的深入探讨3、自动化仪表的应用及发展前景 |
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