《仪表本安防爆技术》PPT课件.ppt

第五章第五章 仪表防爆安全技术仪表防爆安全技术5.1 防爆基础理论 在石油、化工、煤炭等生产企业中，某些生产场所存在着易燃易爆的气体、蒸气或固体粉尘，它们与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物(爆炸性混合物爆炸性混合物)，使其周围空间成为具有不同程度爆炸危险的场所(爆炸性环境爆炸性环境)安装在这些场所的检测仪表和执行器如果产生的火花或热效应能量能点燃危险混合物，就会引起火灾或爆炸因此，用于危险场所的控制仪表必须具有防爆性能  1.爆炸性物质分类爆炸性物质分类在我国，爆炸性物质分为三类：I类：矿井甲烷； II类：爆炸性气体混合物； III类：爆炸性粉尘和纤维II类爆炸性气体分级 :a.爆炸性气体分组 气体名称甲烷丙烷乙烯氢气乙炔IEC标准III AII BII C北美标准DCBA点燃特性 难 易温度组别T1T2T3T4T5T6引燃温度t（℃）>450300

区1）0区：在正常情况下，爆炸性气体混合物连续、频繁或长时间存在的场所2）1区：在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能存在的场所3）2区：在正常情况下，爆炸性气体混合物不可能出现或偶尔、短时间存在的场所 2.危险场所防爆技术危险场所防爆技术 我国对电气设备的防爆型式划分为以下八种: 电气设备防爆形式代号技术措施适用区域隔爆型d隔离存在的点火源1区增安型e设法防止点火源1区本质安全型ia，ib限制点火源的能量0区，1区正压型p把危险物质与点火源隔开1区充油型o把危险物质与点火源隔开1区充砂型q把危险物质与点火源隔开1区无火花型n设法防止产生点火源2区浇封型m设法防止产生点火源1区（1）隔爆型仪表具有防爆外壳，仪表的电路和接线端子全部位于防爆壳内 ▲ 在非通电运行情况下进行开壳检修或调整. （2）本安型仪表的全部电路均为本质安全电路 ▲安全可靠性高，可在带电工况下进行维护和调整. •电气设备的防爆等级按照“Ex”、防爆型式、气体级别和温度组别的顺序进行标记 .•防爆标志Exd II BT3 表示隔爆型设备适用于气体组别不高于II类B级，气体引燃温度不低于T3（200℃）的危险场所 不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同:★★煤矿井下用电气设备属煤矿井下用电气设备属Ⅰ类设备；类设备；★★有爆炸性气体的工厂用电气设备属有爆炸性气体的工厂用电气设备属Ⅱ类设备；类设备；★★有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属Ⅲ类设备。

类设备 电电路路电电压压限限制制在在30VDC时时，，各各种种爆爆炸炸性性混混合合物物按按最最小引爆电流分为三级小引爆电流分为三级级级  别别最小引爆电流（最小引爆电流（mA））爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类 Ⅰ Ⅰi＞＞120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 Ⅱ Ⅱ7070＜＜i＜＜120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 Ⅲ Ⅲi≤70≤70氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等表表4-1 爆炸性混合物的最小引爆电流爆炸性混合物的最小引爆电流•本质安全是通过限制电火花和热效应两个可能的点燃源的能量来实现的 5.2 本质安全防爆技术 1. 本安防爆技术的基本原理 （1）在电路设计上，对处于危险场所的回路，选择适当的R、L、C，借以限制火花能量，使其只产生安全火花；同时，在较大R、L、C回路中并联二极管以消除不安全火花；（2）在仪表品种中增加安全单元——安全栅，从而对安全场所的高能量进行限制和隔离，使其不会窜到危险场所本安型防爆仪表必须限制能量，措施： •2. 本安仪表的分类 （1）根据国家标准，本安仪表可以分为两类： I类：煤矿用本安仪表； II类：工厂用本安仪表。

2）按本安仪表及关联设备使用场所的安全程度可分为ia和ib两个级别 ia级仪表：在最大考虑两个计数故障情况下不会产生安全失效 ib级仪表：仅考虑仪表产生一个故障时不会产生安全失效3）本安仪表的温度组别是允许仪表可能产生的最高表面温度，它不能高于危险气体自燃温度最小值，也被划分为T1～T6六个组别◆◆ 电阻式安全栅电阻式安全栅在在信信号号通通路路上上串串联联一一定定电电阻阻，，起起限限流流作作用用其其缺缺点是正常信号也衰减，且防爆定额低点是正常信号也衰减，且防爆定额低安全栅如热电偶如热电偶温度变送器的温度变送器的输入端输入端安全栅（又称防爆栅）是传递正常信号，是防止安全栅（又称防爆栅）是传递正常信号，是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器 ◆◆ 齐纳式安全栅齐纳式安全栅R—限流电阻 FU1、FU2—快速熔断器 Hr—氩放电管 VS1、VS2—齐纳二极管 存在的问题：存在的问题：q有有两两点点以以上上接接地地，，会会造造成成信信号号通通过过大大地地短短路路或或形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）qR1、、R2对对仪仪表表正正常常的的工工作作仍仍有有影影响响，，阻阻值值过过大大影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用。

影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用用用二二极极管管VD1、、VD2进进行行限限压压，，用用电电阻阻R1、、R2及熔断丝及熔断丝F进行限流进行限流（（2））由由VD1~VD4和和F1 ~ F’2组成成限限压电路路背背靠靠背的背的齐纳管中点接地，改直接接地管中点接地，改直接接地为保保护时接地1））用用晶晶体体管管限限流流电路路取取代代固固定定电阻阻VT3工工作作于于零零偏偏压，，作作为恒恒流流源源向向VT1提提供供足足够的的基基极极电流流，，保保证信号在信号在4～～20mA范范围内内VT1处于于饱和状和状态 改进后的齐纳式安全栅改进后的齐纳式安全栅正常时正常时VT1饱和导通饱和导通 VR1 = 0.1～～ 0.5V  VT2不通不通过流时过流时VR 1 > 0.6V  VT2导通，分流导通，分流VT3的电流的电流 VT1退饱和退饱和  Vce1↑呈现较高的电阻呈现较高的电阻v要求要求快速熔快速熔断丝熔断丝熔断时间断时间<1mS工作原理工作原理过压时过压时VD1 ~ VD4中至少有一个被击穿，限压并接地中至少有一个被击穿，限压并接地•它由光耦合器件、I/f转换器、f/I转换器和限流、限压电路组成 ◆◆光电隔离式安全栅光电隔离式安全栅•危险侧与安全侧的一切联系都通过电磁转换方式进行 ◆◆ 变压器隔离式安全栅变压器隔离式安全栅☆☆ 隔离式安全栅隔离式安全栅用用变变压压器器作作为为隔隔离离元元件件，，分分别别将将输输入入、、输输出出和和电电源源进进行行隔隔离离，，可可以以对对二二线线制制变变送送器器进进行行隔隔离离供供电电。

因因而而分分检测端安全栅和执行端安全栅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检检测测端端安安全全栅栅在在向向变变送送器器提提供供电电源源的的同同时时，，将将变变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表检检测测端端安安全全栅栅是是一一个个传传递递系系数数为为1的的传传送送器器，，电电源源、、变变压压器器、、控控制制室室仪仪表表之之间间用用磁磁耦耦合合，，电电路路上上是隔离的简化原理图如图所示是隔离的简化原理图如图所示 ＋＋＋＋ （（1））电源源变压器器 DC / AC：：VT1、、VT2，，VD1～～ VD4 及及变变压压器器T1构构成成磁耦合自激多谐振荡器磁耦合自激多谐振荡器＋＋＋＋（（2）晶体管限）晶体管限压限流限流电路路 串串联联使使用用了了两两套套完完全全相相同同的的限限压压限限流流电电路路：：VT3、、VT4和和VD15；；VT5、、VT6和和VD16 正正常常工工作作时时VT4、、VT6饱和，饱和，VT3、、VT5截止①①    电源出现过电压电源出现过电压  VD15击穿（击穿（30V））  VT3饱和饱和 Vce3≈0 VT4截止截止VAB ↓—限压限压 晶体管限压限流电路原理晶体管限压限流电路原理   ②② 变送器出现过电流变送器出现过电流VR6VT3导通，分流导通，分流 VT4退饱和退饱和  Vce4↑ —限流限流 （（3））调制解制解调电路路调制：制： VD13、、VD14交替工作交替工作送往送往变变送器的送器的DC4～～20mA  交替通过交替通过T2原边原边解解调：： T2副边副边1：：1耦合耦合复合管复合管VT7~VT10整流整流 ＋＋--＋＋2 执行端安全栅执行端安全栅 用用于于控控制制室室中中调调节节器器和和现现场场执执行行器器之之间间，，是是4~20mA调调节节信信号号送送往往现现场场的的安安检检通通道道。

与与检检测测端端安安全栅的区别：全栅的区别：① ① 信号传输方向相反，信号传输方向相反，② ② 不需给现场供电不需给现场供电电路原理基本相似电路原理基本相似 本安防爆系统设计要求 ☆☆安全火花防爆系统安全火花防爆系统 电动仪表存在电路打火的可能如果从电路设计电动仪表存在电路打火的可能如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表本安防爆系统设计的一般要求本安防爆系统设计的一般要求  安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证如果在与其它仪表的电路连线之间设置则无法保证如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。

防爆构成安全火花防爆系统的二要素：构成安全火花防爆系统的二要素： ①① 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）仪表（本安仪表） ②② 现现场场仪仪表表与与危危险险场场所所之之间间的的电电路路连连接接必必须须经经过安全栅（防爆栅）过安全栅（防爆栅）•现场本安仪表（如变送器、执行器）•连线电缆•关联设备，常采用安全栅 1.本安防爆系统组成 （1）现场本安仪表 表征仪表本安性能的参数主要包括：本安仪表在故障状态下的最高输入电压最高输入电压Ua、最大输入电流最大输入电流Ia、最大输入功率最大输入功率Pa；本安仪表的最大内部等效电容最大内部等效电容Ca、最大内部等效电感最大内部等效电感La等•表征电缆本安性能的参数包括：电缆最大允许分布电容Cc、电缆最大允许分布电感Lc2）连接电缆 （3）关联设备 •表征关联设备本安性能的基本参数包括：关联设备在故障状态下的最高开路最高开路电压Us、最大短路最大短路电流流Is、最大功率最大功率Ps、允许的最大外部最大外部电容容Cs和最大外部最大外部电感感Ls•（1）现场本安仪表的防爆标志级别不能高于关联设备（安全栅）的防爆标志级别。

•（2）关联设备与现场本安仪表之间必须同时满足以下关系：•（3）连接电缆长度的分布参数必须同时满足以下关系：2.本安防爆系统设计的基本要求 •1.本安现场总线系统 现场总线本安防爆技术现场总线本安防爆技术 （1）关联设备 采用隔离式安全栅 （2）本安现场仪表 本安现场仪表设计的关键在于降低每台设备工作所需的工作电压和电流目前，一般控制在I<20mA、U<32V （3）终端器 终端器本质上是一个阻容元件 在其设计中主要考虑：在电容器短路故障时，电阻会直接并接在总线上，导致通信故障，同时关联设备的全部输出功率会施加在该电阻上，使电阻的表面温度升高，甚至超过相应的温度组别要求一般情况下，温度组别设计为T4 参数关联设备本安设备终端器设备防爆标志Ex ia IICEx ia IIC T4Ex ia IIC T4最高开路电压/输入电压24V24V24V最大短路电流/输入电流250mA250mA250mA最大输出功率/输入功率1.2W1.2W1.2W最大内部电容-<5μF-最大内部电感-<20μH-。