防爆技術(shù)在產(chǎn)業(yè)電子秤中的最新應用

摘要：本文以深進(jìn)淺出的方法，從防爆技術(shù)的基礎知識進(jìn)手，循序漸進(jìn)地介紹了防爆技術(shù)在產(chǎn)業(yè)電子秤中的設計與選用，并介紹了目前世界上防爆技術(shù)的最新發(fā)展，以供衡器同行設計以及用戶(hù)選用防爆電子秤時(shí)參考。示波器| 電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表| 電力分析儀

前言

隨著(zhù)我國產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展以及與世界先進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的接軌，防止事故性爆炸的產(chǎn)業(yè)現場(chǎng)安全性題目，已引起了我國政府的高度重視。特別是近幾年在石油化工、煤礦等行業(yè)的事故頻頻發(fā)生，各種關(guān)于產(chǎn)業(yè)現場(chǎng)安全性題目的強制性法律法規亦相繼出臺。我國衡器行業(yè)如作甚產(chǎn)業(yè)現場(chǎng)安全性服務(wù)，已成為迫在眉睫的大事。下文就防爆技術(shù)在產(chǎn)業(yè)電子秤中的應用作一介紹。

1 防爆基礎

1.1 防爆電子秤應用范圍

產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域主要的易燃易爆場(chǎng)所如下：

1.2 電子秤引燃引爆的起固

電子秤的三大組成部分，電阻應變式稱(chēng)重傳感器、接線(xiàn)盒與稱(chēng)重儀表電氣回路及其四周環(huán)境可能燃引爆的固素為．

1.2.1 點(diǎn)燃源．

（1）短路、斷路，產(chǎn)生瞬間火花；
（2）觸點(diǎn)操縱引起火花
（3）靜電旗電、磨擦產(chǎn)生火花；
（4）導線(xiàn)、元器件過(guò)熱造成表面溫度升高。

1.2.2 爆炸性物質(zhì)——可燃性氣體或粉塵等；

1.2.3 助燃劑——空氣（氧氣）

1.3 電子秤的防爆

●采取限梳限壓的：本質(zhì)安全型（“ia”，“ib”）
●采取隔爆保護外殼：隔爆型（“d“）；
●采取IP防護外殼設計的：粉塵類(lèi)防爆（“DIP”）；
●采取隔離措施的：正壓型（“p“）、充油型（“o”）、充砂型（“q”），澆封型（“m”）；
●采取特定結構的：增安型（“e”）、無(wú)火花型（“n”）；
●采取特殊設計的：特殊型（“s”）

電子秤常用的防爆型式為：

本質(zhì)安全型（包括復合本安型）、隔爆型、正壓型、增安型以及無(wú)火花型等。

1.4 易燃易爆危險場(chǎng)所的劃分

1.5 電子秤宜選用的主要防爆型式

1.6 電子秤宜選用的防爆等級

1.7 可燃性氣體引燃溫度等級

1.8 主要爆炸性氣體的分類(lèi)

1.9 氣體防爆標記

舉例：ExibIIDT4為ib類(lèi)本質(zhì)安全型，氣體等級為IID類(lèi)，引燃溫度T4級，可適用于1區或2區的防爆設備。

1.10 粉塵防爆型式分類(lèi)以外殼保護的粉塵防爆電氣設備與外殼防護等級（IP）直接有關(guān)。防護等級表示如下

一般情況下，防爆電氣設備中帶有裸露帶電導體的外殼防護等級至少應為IP54，帶有盡緣蟑部件的外殼要求不低于IP44。戶(hù)外使用的設備其外殼防護等要求IP54或更高一些。例如：IP54表示進(jìn)進(jìn)灰塵量下影響設備正常運行，向外殼各方面濺水無(wú)有害影響。

最新粉塵防爆標準簡(jiǎn)介（GBl2476-2000）如下：

（1） 防爆標志：以外殼保護的粉塵防爆電氣設備新標準仍采用符號“DIP：取消了原標志符號DT/DP。

（2） 可采用歐洲和北美標準規定的A，B兩種設備分類(lèi)方法。即歐洲AA型設備采取適宜的防塵等級，并在5mm厚粉塵層堆積隋況下確定設備表面溫度；北BD型設備采用類(lèi)似于隔爆面的防塵設計方法，并在12.5mm厚粉塵層堆積隋況下確定設備表面溫度。

（3） 危險區域：區域劃分由原來(lái)的10，11二個(gè)區修改為20，21，22三個(gè)區域，與氣體環(huán)境劃區方法（0，1，2）相適應。

（4） 溫度級別：由原來(lái)的溫度分組方法（T11，Tl2．T13），改為與氣體溫度分組相同的分組方法（T1—T6）。

舉例：DIPA21T5表示采用歐洲A型、21類(lèi)區域、T5溫度級別的粉塵防爆電氣設備；

DIPB22T4表示采用北美B型、22類(lèi)區域、T4溫度級別的粉塵防爆電氣設備。

2 節嚴重防爆系統設計與選用

2.1 本質(zhì)安全電氣設備及系統

本質(zhì)安全電氣設備指其內部所有電路在規定的條件下，產(chǎn)生的火花或熱效應均不可能引爆。本質(zhì)安全防爆系統由以下三部分組成：

A 現場(chǎng)本質(zhì)安全設備——按本安防爆要求，對儲能元件回路作特殊設計，使現場(chǎng)設備下會(huì )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(chǎng)干擾影響，限制電纜分布參數。

C 關(guān)聯(lián)設備——安全柵，將從安全區的非本安回路傳到危險區的本安設備的能量限制在點(diǎn)火極限范圍內。

2.2 安全柵

2.2.1 基本形式

以功能可分為四種：模擬信號用、開(kāi)關(guān)/數宇信號用、通訊功能用、現場(chǎng)總線(xiàn)用安全柵。

以結構形式可分為兩種：齊納式安全柵、隔離式安全柵。

安全柵是充當危險區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。安全柵必須安裝在安全區或采用隔爆裝置進(jìn)行保護后安裝在危險區。

2.2.2 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(xiàn)性元件）三部分組成（見(jiàn)上圖）。

正常操縱條件下，非本安端1．2之間所加的電壓低于最高電壓Vmax，此時(shí)VDl、VD2處于下導通狀態(tài)，是“開(kāi)路”狀態(tài)，只要漏電流小于規定值，安全柵電路下會(huì )影響系統的正常工作。當非本安端發(fā)生故障，例如在非本安端1、2之間混進(jìn)高電壓，使齊納二極管VDl，VD2反向擊穿，呈“導通”狀態(tài)，此時(shí)齊納：極管VDl、VD2把混進(jìn)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(huì )出現高電壓。齊納二極管一旦導通后，其電流急劇上升把串聯(lián)在電路中的熔斷器FAl瞬時(shí)熔斷，切斷了至現場(chǎng)的高電壓，防止了高電壓引爆的危險，從而保護了現場(chǎng)設備及人目的安全。當現場(chǎng)（危險區）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(gè)電流值以?xún)�，這個(gè)電流值是安全值，現場(chǎng)也是安全的。

齊納安全柵的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)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(chǎng)合，例如稱(chēng)重傳感器系統。其缺點(diǎn)是：現場(chǎng)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。

2.2.3 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(gè)相當于具有限壓、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(guò)光、電、磁隔離技術(shù)來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)量、模擬量以及數字通訊的電氣隔離。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轉換器構成的，而信號隔離固信號的種類(lèi)不同有不同的實(shí)現方法，開(kāi)關(guān)量信號由光電耦合器進(jìn)行隔離；模擬量信號隔離通過(guò)模擬信號的調制解調來(lái)實(shí)現；高速數據通訊隔離則由高速的磁隔離器件及相應的電子線(xiàn)路來(lái)實(shí)現。

隔離式安全柵的特點(diǎn)是不需要本安接地；三端口電隔離可構玉成浮空系統，抗干擾能力極強；可將兩線(xiàn)制變送器或操縱器的4-20mA電流信號轉換成與之隔離的4-20mA電流信號，或1=5v的電壓信號輸出。其缺點(diǎn)是電路復雜、造價(jià)高，精度最高為0.1%，不適用于高精度的稱(chēng)重系統。

2.3 本安電氣設備的選用原則

（1） 防爆標志規定的等級是否適用使用危險場(chǎng)所的安全要求；
（2） 明確最高輸進(jìn)電壓、電流、功率和最大內部電容、電感等參數；
（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(jìn)行；
（5） 本安電氣設備的最低工作電壓及回路正常工作電流。

2.4 關(guān)聯(lián)設備（安全柵）的選用原則

（1） 關(guān)聯(lián)設備的防爆等級必須下低于本安現場(chǎng)設備的防爆標志的等級。

（2） 確定關(guān)聯(lián)設備的端電阻及回路電阻可以滿(mǎn)足本安現場(chǎng)設備的最低工作電壓。

（3） 關(guān)聯(lián)設備在故障狀態(tài)下的最高開(kāi)路電壓、最大短路電流、最大功率分別不大于本安設備故障狀態(tài)下的最高輸進(jìn)電壓、最大輸進(jìn)電流、最大輸進(jìn)功率；而關(guān)聯(lián)設備在故障狀態(tài)下的最大外部電容、最大外部電感分別不小于本安設備最大內部等效電容、最大內部等效電感的要求。

（4） 確定關(guān)聯(lián)設備類(lèi)型，是齊納式安全柵還是隔離型安全柵。

（5） 根據本安現場(chǎng)儀表的電源及信號傳輸方式選擇與之相匹配的關(guān)聯(lián)設備。

2.5 連接電纜的選用原則

（1） 連接電纜為銅芯絞線(xiàn)，且每根芯線(xiàn)的截面積積不小于0.5mm2；

（2） 介電強度應能承受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(cháng)度的限制計算方法如下。

A 電纜最大答應分布電容Cc不大于關(guān)聯(lián)設備在故障狀態(tài)下的最大外部電容與本安設備最大內部等效電容之差；電纜最大答應分布電感Lc不大于關(guān)聯(lián)設備在故障狀態(tài)下的最大外部電感與本安設備最大內部等效電感之差。

B 按照：

電纜長(cháng)度L=電纜最大答應分布電容Cc/電纜單位長(cháng)度分布電容Ck

電纜長(cháng)度L=電纜最大答應分布電感Lc/電纜單位長(cháng)度分布電感Lk

取兩者中的小值作為實(shí)際配線(xiàn)長(cháng)度。但多芯電纜，應考慮相互疊加影響。

2.6 隔爆型電氣設備

具有隔爆外殼的電氣設備其外殼能承受內部爆炸性氣體棍古物的爆炸壓力，并阻止內部的爆炸向外殼四周爆炸性棍古物傳播。

產(chǎn)品設計考核的基本結構參數為隔爆接合面長(cháng)度和隔爆接合面的間隙。以往在我國衡器同行中，在隔爆型電氣設備的內腔設計中，往往分為主腔與接線(xiàn)腔兩部分，現根據最新GB3836.2-2000國家標準明確規定只需設置一個(gè)內腔，使隔爆型電氣設備的體積大為減小。

2.7 正壓型電氣設備

設備外殼保持內部氣體的壓力高于四周爆炸環(huán)境的壓力，且能阻止外部混合物的進(jìn)進(jìn)的具有正壓外殼的電氣設備。

正壓型電氣設備的最大特點(diǎn)是，殼體內部的氣體壓力高于大氣壓力，使得任何非防爆的設備均可裝在內殼。例如，目前市場(chǎng)上還沒(méi)有防爆打印機，則在稱(chēng)重系統中就可將打印機置于正壓型電氣設備內。

3 幾種典型防爆電子秤7的介紹

3.1 復合本質(zhì)安全型防爆電子秤（ExibIIBT4）

適用范圍：秤體、稱(chēng)重傳感器、接線(xiàn)盒在易燃易爆1、2類(lèi)危險區，稱(chēng)重儀表置于安全區，中間采用關(guān)聯(lián)設備安全柵連接的臺秤、地上衡、汽車(chē)衡、稱(chēng)重模塊（料斗秤）、皮帶秤、自動(dòng)裝料秤等各種稱(chēng)重系統。是目前最為昔遭的防爆形式。供電：交流220v。配置如下：

稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線(xiàn)盒——本質(zhì)安全型防爆接線(xiàn)盒。防爆型式一般為：ExiaIICT6。
安全柵——本質(zhì)安全型齊納安全柵。防爆型式一般為：Ex（ia）IIC。
稱(chēng)重儀表與打印機——非防爆型式稱(chēng)重儀表。

3.2 本質(zhì)安全型防爆電子秤（ExibIIBT4）

適用范圍：秤體、接線(xiàn)盒、稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重儀表均在易燃易爆1（10）、2（11）類(lèi)危險區的防爆電子秤。供電方式：直流6v（4節1#干電池內置防爆電池盒）或24V直流，系統配置如下：

稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器，防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線(xiàn)盒——本質(zhì)安全型防爆接線(xiàn)盒。防爆型式一般為：ExiaIICT6。
稱(chēng)重儀表——本質(zhì)安全型防爆稱(chēng)重儀表。內置本安型防爆電池盒。防爆型式一般為：

ExibIIBT4（氣體）DIPDTT13（粉塵）

3.3 氣動(dòng)正壓型防爆電子秤（ExpIIBT6）

適用范圍：如呆在易燃易爆危險區想設置打印機，且秤體、稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重儀表、均在易燃易爆1、2類(lèi)危險區的防爆電子臺秤、電子地上衡、電子汽車(chē)衡與稱(chēng)重模塊（料斗秤、皮帶秤、自動(dòng)裝料秤等各種稱(chēng)重系統，需配置氣動(dòng)正壓型防爆型式。供電方式：220V，氣源要求：0.4-0.8MPa，開(kāi)機10-20m3/h，工作時(shí)≤1m3/h，系統配置如下：

稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線(xiàn)盒——本安防爆型式一般為：ExibIIBT4。
正壓儀表主箱——內置安全柵、稱(chēng)重儀表、TP型打印機。箱體防護型式一般為：IP54。
正壓氣控副箱——內置氣動(dòng)型微正壓控制聯(lián)鎖系統。

3.4 隔爆型防爆電子秤（ExdIIBT4）

適用范圍：秤體、稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重儀表均在易燃易爆1、2類(lèi)危險區的防爆電子臺秤、電子地上衡、電子汽車(chē)衡與稱(chēng)重模塊（料斗秤等）系統。供電方式：交流220V，系統配置如下：

稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線(xiàn)盒——本安防爆型式一般為：ExibIIBT4。
隔爆儀表箱——內置安全柵、稱(chēng)重儀表。箱體防護型式一般為：ExidIIBT4。

3.5 粉塵防爆電子秤（DIPA21T5．DIPB22T4）（DIPDTT13）

適用范圍：秤體、稱(chēng)重傳感器、稱(chēng)重儀表、打印機均在易燃易爆粉塵21、22類(lèi)危險區的防爆電子臺秤、電子地上衡、電子汽車(chē)衡與稱(chēng)重模塊（料斗秤等）系統。供電方式：交流220V，系統配置如下：

稱(chēng)重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線(xiàn)盒——EF/SCS-B，本安防爆型式一般為：ExibIIBT4。
隔爆儀表箱——內置安全柵、稱(chēng)重儀表。箱體防護型式一般為：IP6X塵密封外殼。

4 我國防爆技術(shù)及產(chǎn)品認證體系發(fā)展新趨向

4.1 無(wú)火花防爆技術(shù)在危險2區最新應用

據最新資料介紹，典型的爆炸性危險場(chǎng)所被劃分為0區，1區和2區的百分比約為2%、28%和70%。2區危險場(chǎng)所在正常隋況下，爆炸氣體混合物下可能經(jīng)常性出現，或即使出現也只是短時(shí)間存在。所以2區場(chǎng)所相對比較安全，設計時(shí)通常只考慮正常工作，不需考慮故障狀態(tài)。但設備必須滿(mǎn)足真正意義上沒(méi)有火花的要求。

為了節省防爆本錢(qián)，歐洲2區防爆技術(shù)進(jìn)行了長(cháng)期探索，在技術(shù)概念上實(shí)現了從真正意義上的無(wú)火花到廣義無(wú)火花的突破。2區防爆技術(shù)最新標準出版物為無(wú)火花型電氣標準IECIEC60079.15：2001、歐洲：EN50021：2000、中國：GB3836.8（報批稿）（eqvlEC60079.15：2001）。

4.2 現場(chǎng)總線(xiàn)的防爆技術(shù)與“參量認證”

隨著(zhù)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)在我國產(chǎn)業(yè)稱(chēng)重控制系統中日益廣泛的應用，現場(chǎng)總線(xiàn)的防爆技術(shù)已引起世界各國高度重視，一種自現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)引出的“多負荷”本安防爆系統研究應運而生�，F場(chǎng)總線(xiàn)，顧名思義即可在總線(xiàn)上掛接多種設備負載，但本安防爆對于關(guān)聯(lián)設備的輸出電壓和電流則必須控制在一定的范圍內，因此也就限制了總線(xiàn)上掛接的設備負載數。

另外,由于現場(chǎng)總線(xiàn)上可同時(shí)掛接不同的總線(xiàn)設備，實(shí)現相互通訊，因而使本安防爆的現場(chǎng)總線(xiàn)必須滿(mǎn)足“可互換性”及“可操縱性：以往，我國防爆柱驗技術(shù)機構在防爆取證中采用了所謂的“系統認證”法，即要求每一個(gè)具有不同配置的總線(xiàn)系統單獨進(jìn)行認證。這樣造成了大量人力、物力上的浪費。近年來(lái)，美國、德國等國，應用了“參量認證”技術(shù)，提出了現場(chǎng)總線(xiàn)本安防爆的新慨念。其主要特點(diǎn)是，對于經(jīng)過(guò)參量認證過(guò)的本安設備關(guān)聯(lián)設備，用戶(hù)可自行正當地組合和評定本安系統。即用戶(hù)可按“參量認證”的技術(shù)要求，完成兼容的安全設計，使不同的廠(chǎng)商生產(chǎn)的本安設備均能安全地掛在同一總線(xiàn)上。我國防爆柱驗技術(shù)機構目前也正在積極推出這一做法。

4.3 推行IEC體系認證

最新的國家標準GB3836.1-20002對防爆產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量體系提出要求，改變了以往中國防爆認證僅僅進(jìn)行型式柱驗，無(wú)須對企業(yè)進(jìn)行體系考核的認證模式。