XK3190- A12E防爆稱重儀表的原理與應(yīng)用

介紹了一款防爆型稱重儀表的防爆原理和設(shè)計(jì)方案，并分析了防爆型儀表在不同現(xiàn)場的安裝要求，對防爆儀表的正確使用和注意事項(xiàng)進(jìn)行了探討。
引言
目前電子秤技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)深入到各個(gè)領(lǐng) 域，在比較特殊的場所，如煤礦、化工等具有爆炸性混合物的場所，進(jìn)行稱重就需要特別的衡器，要求整個(gè)系統(tǒng)包括稱重儀表、稱重傳感器、接線盒和相關(guān)供電系統(tǒng)等所有的電氣裝置都具有相適應(yīng)等級的防爆性能，以保證安全可靠的工作。其中稱重儀表是防爆稱重系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分，它的正確使用和選擇對整個(gè)系統(tǒng)的可靠性起到至關(guān)重要的作用。本文介紹一款防爆儀表 XK3190-A12E，并給出其基本的硬件設(shè)計(jì)框架和安全電路，最后針對這款儀表在實(shí)際使用和安裝過程中可能遇到的問題進(jìn)行了分析。
二、防爆稱重儀表的原理
防爆稱重儀表設(shè)計(jì)的基本原理是從防止爆炸的三個(gè)基本條件同時(shí)存在的角度出發(fā)的，即爆炸所需要的易爆物、氧氣（空氣和引爆源。防止爆炸，就是要避免爆炸發(fā)生的三個(gè)條件同時(shí)存在。由于空氣無處不在，難以控制，因此，控制易爆氣體和引爆源為兩種最常見的防爆方向。在儀表行業(yè) 中還有另外一種防爆方法：控制爆炸范圍。下面簡單介紹一下儀器儀表中常見的三種防爆原理：
1.控制易爆氣體
通過采取某種措施在危險(xiǎn)區(qū)（同時(shí)具備發(fā)生爆炸所需的三個(gè)條件的工業(yè)現(xiàn)場稱為危險(xiǎn)區(qū)）營造出一個(gè)沒有易爆氣體的空間，將儀表安裝在其中，典型代表為正壓型防爆方法。其工作原理是: 在一個(gè)密封的箱體內(nèi)，充滿不含易爆氣體的潔凈氣體或惰性氣體，并保持箱內(nèi)氣壓略高于箱外氣壓，將儀表安裝在箱內(nèi)。常用于現(xiàn)場分析儀表的防爆和將計(jì)算機(jī)、PLC、操作站或其它儀表置于現(xiàn) 場的正壓型防爆儀表柜。
2.控制爆炸范圍
將爆炸限制在一個(gè)有限的局部范圍內(nèi)，使該范圍內(nèi)的爆炸不至于引起更大范圍的爆炸。典型代表為隔爆型防爆方法。工作原理是：為儀表設(shè) 計(jì)一個(gè)足夠堅(jiān)固的殼體，按標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格地設(shè)計(jì)、制造和安裝所有的界面，使在殼體內(nèi)發(fā)生的爆炸不至于引發(fā)殼體外危險(xiǎn)性氣體（易爆氣體）的爆炸。隔爆防爆方法的設(shè)計(jì)與制造規(guī)范極其嚴(yán)格，而且安裝、接線和維修的操作規(guī)程也非常嚴(yán)格。該方法決定了隔爆的電氣設(shè)備、儀表往往非常笨重，操作須斷電等，但許多情況下也是最有效的辦法。
3.控制引爆源
消除引爆源，既消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的表面溫升。典型代表為本質(zhì)安全型防爆方法。工作原理是：利用安全柵技術(shù)，將提供給現(xiàn)場儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆的火花，又不能產(chǎn)生足以引爆的儀表表面溫升的安全范圍內(nèi)。按照國際標(biāo)準(zhǔn)和我國的國家標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)安全柵安全區(qū)一側(cè)所接設(shè)備發(fā)生任何故障（不超過250V電壓> 時(shí)，本質(zhì)安全防爆方法確保危險(xiǎn) 現(xiàn)場的防爆安全。Ex ia級本質(zhì)安全設(shè)備在正常工作、發(fā)生一個(gè)故障、發(fā)生二個(gè)故障時(shí)均不會(huì)使爆炸性氣體混合物發(fā)生爆炸。因此該方法是最安全可靠的防爆方法。
XK3190-A12E這款防爆稱重儀表結(jié)合以上防爆原理而設(shè)計(jì)，采用可靠的隔爆外殼，將把可能產(chǎn)生火花的電子電路及接線端子等，都放在隔爆外殼里，達(dá)到外殼內(nèi)可能發(fā)生的爆炸不影響周圍可燃易燃性易爆物質(zhì)，它的設(shè)計(jì)方法與隔爆型基本相類似，如外殼的各配合面（隔爆勵(lì)的間隙大小和長度符合GB3836.2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求，另一方面外殼有一定的機(jī)械強(qiáng)度，達(dá)到外殼內(nèi)部爆炸參考壓力的1.5倍壓力不損壞和變形等。本儀表另一個(gè)特點(diǎn)是儀表是采用了隔爆和本安兩種防爆原理相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)的復(fù)合型儀表，按鍵部分、傳感器接線端采用了本安安全電路限制了能量，而不是一般的隔爆，這不但使儀表更可靠的工作，也減小了儀表的體積。詳細(xì)設(shè)計(jì)方案見下文介紹。
三、儀表硬件設(shè)計(jì)
下面為BXK3190-A12E儀表的具體設(shè)計(jì)方案，其基本的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

整個(gè)儀表包含幾個(gè)部分：電源、主板、安全柵、按鍵輸入、傳感器接口、通訊接口等。示意圖中只給出了與輸入輸出相關(guān)的幾部分，表明了各個(gè)部分的連接關(guān)系，其中電源、傳感器接口、通訊接口供使用者連接系統(tǒng)使用?？梢钥闯觯?爆儀表的核心是主板，即稱重儀表的主要部分，實(shí)現(xiàn)稱重的處理功能；整個(gè)稱重儀表主要部分都密封在機(jī)械強(qiáng)度有特定要求的隔爆箱內(nèi)。本儀表與一般隔爆稱重儀表相比主要特點(diǎn)是鍵盤和傳感器接線通過齊納安全柵連接，屬于本質(zhì)安全的，而不是隔爆型的，這一點(diǎn)結(jié)合了本安和隔爆兩種防爆方式，使得機(jī)殼體積減小，相對美觀。因?yàn)?傳感器信號線和激勵(lì)電源線都要經(jīng)過安全柵，所以這個(gè)安全柵的性能會(huì)直接影響信號的質(zhì)量，下面介紹一下安全柵部分的原理。
齊納安全柵基本電路如圖2所示，電路由快速熔斷器F1，限壓元件VD1、VD2(齊納二極管)和限流電阻三部分組成。正常操作條件下，非本安端1、2之間所加的電壓低于最高壓Vmx(更低于齊納二極管的齊納電壓)，此時(shí)VD1、VD2處于不導(dǎo) 通狀態(tài)，除有極微小的漏電流以外，是“開路” 狀態(tài)，安全柵電路等效于一個(gè)電阻串聯(lián)在信號回路內(nèi)，只要漏電流小于規(guī)定值，安全柵電路就不會(huì)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 之間因某種原因混入高電壓，使齊納二極管VD1、 VD2反向擊穿，呈“導(dǎo)通”狀態(tài)，此時(shí)齊納二管 VD1、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上不會(huì)出現(xiàn)高電壓，齊納二極管一旦導(dǎo)通以后，其電流急劇上升(雪崩過程把串聯(lián)在電路中的熔斷器F1瞬時(shí)熔斷，切斷了至現(xiàn)場的高電壓，防止了高電壓引爆現(xiàn)場爆炸性物質(zhì)的危險(xiǎn)，從而保護(hù)了現(xiàn)場設(shè)備及人員的安全。
當(dāng)現(xiàn)場(危險(xiǎn)區(qū)內(nèi))發(fā)生故障，例如負(fù)載短路了，安全柵電路中的限流電阻則立即起限流作用，把短路電流限制在某一個(gè)電流值之內(nèi)，這個(gè)電流值是安全值，故現(xiàn)場也是安全的。齊納安全柵的安全保護(hù)作用，實(shí)際上是對能量的限制作用，在本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)中對能量的限制作用。在本質(zhì) 安全防爆系統(tǒng)中，由于安全柵的功能，所以不論發(fā)生任何故障都保證傳輸?shù)浆F(xiàn)場(危險(xiǎn)區(qū))的能量是一個(gè)安全值(不會(huì)點(diǎn)燃規(guī)定的分級、分組爆炸性氣體混合物)，從而確?，F(xiàn)場安全。
需要注意的是，每個(gè)現(xiàn)場對爆炸的能量限制都是不同的，需要根據(jù)儀表使用目標(biāo)現(xiàn)場的要求選擇合適的快速熔斷器、限壓元件和限流電阻的參數(shù)，并且要經(jīng)過相關(guān)部分認(rèn)證才能使用。安全柵電路板制作完成后要經(jīng)過膠封才能真正的使用，但是從原理上可以看出，電路中有兩個(gè)齊納二極管VD1、VD2可能存在微弱的漏電流，而且電路中串聯(lián)了一個(gè)電阻，電阻根據(jù)需要可能從幾十歐姆到幾百歐姆，本儀表配安全柵中取100歐姆，這樣串接一個(gè)電阻，將使儀表對傳感器的激勵(lì)電壓從+5V下降，降低儀表的精度，并且激勵(lì)電壓也受電阻溫漂的影響。解決方法是：儀表AD輸入部分采用六線接線方式，利用反饋補(bǔ)償來消除部分影響，實(shí)驗(yàn)證明，六線制接線方式可以取得較好的效果。
四、防爆儀表使用
XK3190-A12E使用環(huán)境應(yīng)滿足下面要求：
1）濕度：≤85%RH；
2）海拔高度：< 2000m大氣壓：86?106KPa;
3）在有防爆等級不高于II B的爆炸性氣體混合物的丨區(qū)、II區(qū)環(huán)境中；
4）在無破壞絕緣的氣體或蒸汽的環(huán)境中；
5）能防止滴水及其他液體浸入的地方；
6）污染等級：3級；
7安裝類別：II類；
8)防爆標(biāo)志：Exd[ia]ibllBT6。
在實(shí)際應(yīng)用中，一定要選擇參數(shù)能滿足現(xiàn)場環(huán)境的防爆儀表，可以將上述參數(shù)針對現(xiàn)場要求一一對比，看是否能滿足實(shí)際環(huán)境要求，同時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)其他組件的情況和實(shí)際安裝現(xiàn)場的條件來設(shè)計(jì)整個(gè)防爆稱重系統(tǒng)。在防爆現(xiàn)場，我們一般選擇符合要求的防爆型傳感器，但是其他設(shè)備有時(shí)候不是必須防爆的，下面根據(jù)場合的不同，有兩種接線方法，如圖3所示。

圖3中a圖表示的是電源和設(shè)備（包括計(jì)算機(jī)、PLC等其他與稱重儀表通訊的設(shè)備）放在安全區(qū)，為什么放在安全區(qū)呢？這里要堅(jiān)持一個(gè)原則，就是只要本身不是防爆的設(shè)備就要放在安全區(qū)，若放在危險(xiǎn)區(qū)就會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)；而實(shí)際操作中有時(shí)候有因?yàn)榻泳€距離等因素必須把電源或者其他設(shè)備放在危險(xiǎn)區(qū)的要求，用一個(gè)比較簡單的辦法，就是將設(shè)備放在隔爆箱內(nèi)，圖3的b圖中就把電源和設(shè)備放在危險(xiǎn)區(qū)（外加隔爆箱），這樣從本質(zhì)上說，這個(gè)設(shè)備已經(jīng)變成防爆的了，當(dāng)然可以放在危險(xiǎn)區(qū)。但是此處必須注意的是，接線部分要有可靠的屏蔽線，并用端子將隔爆箱接口部分卡緊，未用的隔爆箱接口要用堵頭可靠的堵住，否則會(huì)發(fā)生能量泄露，也會(huì)很危險(xiǎn)。在接好線后，隔爆箱要密封機(jī)殼處理，常見的方法是螺絲要擰好，密封接觸面涂防水防銹潤滑脂。
需要強(qiáng)調(diào)的是，爆炸危險(xiǎn)場所使用的稱重儀表、電氣設(shè)備和安裝材料如接線盒、端子箱等，必須具有經(jīng)國家授權(quán)機(jī)構(gòu)簽發(fā)的防爆合格證，安裝前應(yīng)檢查其規(guī)格、型號是否符合設(shè)計(jì)要求，其外部應(yīng)無損傷、裂紋。爆炸危險(xiǎn)場所1區(qū)內(nèi)的儀表配線，必須保證在萬一發(fā)生接地、短路、斷線等事故時(shí)，也不至于形成點(diǎn)火源。因而電纜、電線必須穿管敷設(shè)，采用耐壓防爆的金屬管，穿線保護(hù)管之間以及保護(hù)管與接線盒、分線箱、拉線盒之間，均應(yīng)采用圓柱管螺紋連接，螺紋有效嚙合部分應(yīng)在5~6扣以上。需撓性連接時(shí)應(yīng)采用防爆撓性連接管。在2區(qū)內(nèi)的儀表配線，一般也應(yīng) 穿管，但只是為了保護(hù)電纜、電線的絕緣層不受外傷；匯線槽、電纜溝、保護(hù)管穿過不同等級的爆炸危險(xiǎn)場所分界線時(shí)，應(yīng)采取密封措施，以防止爆炸性氣體從一個(gè)危險(xiǎn)場所串入另一個(gè)危險(xiǎn)場所；保護(hù)管與現(xiàn)場稱重儀表、電氣設(shè)備、接線盒、拉線盒等連接時(shí)，應(yīng)在連接處0.45m以內(nèi)安裝隔爆密封管件。
五、結(jié)論
本文介紹的防爆儀表結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用，儀表結(jié)合了隔爆型和本安型儀表的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于石油、化工、醫(yī)藥等具有爆炸性氣體的危險(xiǎn)場所。安裝儀表到整個(gè)系統(tǒng)時(shí)要注意系統(tǒng)本身的可靠性，加強(qiáng)安全意識，尤其選型和接線部分需要使用者多從整個(gè)防爆系統(tǒng)的角度出發(fā)，全面考慮安全性，防止爆炸性事故的發(fā)生。

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