防爆技术在工业电子秤中的{zx1}应用
关键词：防爆技术 本质安全型 隔爆型 正压型 无火花型
前言
随着我国工业生产的飞速发展以及与世界先进工业技术的接轨，防止事故性爆炸的工业现场安全性问题，已引起了我国政府的高度重视。特别是近几年在石油化工、煤矿等行业的事故频频发生，各种关于工业现场安全性问题的强制性法律法规亦相继出台。我国衡器行业如何为工业现场安全性服务，已成为迫在眉睫的大事。下文就防爆技术在工业电子秤中的应用作一介绍。
1 防爆基础
1.1 防爆电子秤应用范围
工业领域主要的易燃易爆场所如下：
1.2 电子秤引燃引爆的起固
电子秤的三大组成部分，电阻应变式称重传感器、接线盒与称重仪表电气回路及其周围环境可能燃引爆的固素为．
1.2.1 点燃源．
（1）短路、断路，产生瞬间火花；
（2）触点操作引起火花
（3）静电旗电、磨擦产生火花；
（4）导线、元器件过热造成表面温度升高。
1.2.2 爆炸性物质——可燃性气体或粉尘等；
1.2.3 助燃剂——空气（氧气）
1.3 电子秤的防爆
●采取限梳限压的：本质安全型（“ia”，“ib”）
●采取隔爆保护外壳：隔爆型（“d“）；
●采取IP防护外壳设计的：粉尘类防爆（“DIP”）；
●采取隔离措施的：正压型（“p“）、充油型（“o”）、充砂型（“q”），浇封型（“m”）；
●采取特定结构的：增安型（“e”）、无火花型（“n”）；
●采取特殊设计的：特殊型（“s”）
电子秤常用的防爆型式为：
本质安全型（包括复合本安型）、隔爆型、正压型、增安型以及无火花型等。
1.4 易燃易爆危险场所的划分
1.5 电子秤宜选用的主要防爆型式
1.6 电子秤宜选用的防爆等级
1.7 可燃性气体引燃温度等级
1.8 主要爆炸性气体的分类
1.9 气体防爆标记
举例：ExibIIDT4为ib类本质安全型，气体等级为IID类，引燃温度T4级，可适用于1区或2区的防爆设备。
1.10 粉尘防爆型式分类以外壳保护的粉尘防爆电气设备与外壳防护等级（IP）直接有关。防护等级表示如下
一般情况下，防爆电气设备中带有裸露带电导体的外壳防护等级至少应为IP54，带有绝缘蟑部件的外壳要求不低于IP44。户外使用的设备其外壳防护等要求IP54或更高一些。例如：IP54表示进入灰尘量下影响设备正常运行，向外壳各方面溅水无有害影响。
{zx1}粉尘防爆标准简介（GBl2476-2000）如下：
（1） 防爆标志：以外壳保护的粉尘防爆电气设备新标准仍采用符号“DIP：取消了原标志符号DT/DP。
（2） 可采用欧洲和北美标准规定的A，B两种设备分类方法。即欧洲AA型设备采取适宜的防尘等级，并在5mm厚粉尘层堆积隋况下确定设备表面温度；北BD型设备采用类似于隔爆面的防尘设计方法，并在12.5mm厚粉尘层堆积隋况下确定设备表面温度。
（3） 危险区域：区域划分由原来的10，11二个区修改为20，21，22三个区域，与气体环境划区方法（0，1，2）相适应。
（4） 温度级别：由原来的温度分组方法（T11，Tl2．T13），改为与气体温度分组相同的分组方法（T1—T6）。
举例：DIPA21T5表示采用欧洲A型、21类区域、T5温度级别的粉尘防爆电气设备；
DIPB22T4表示采用北美B型、22类区域、T4温度级别的粉尘防爆电气设备。
2 节严重防爆系统设计与选用
2.1 本质安全电气设备及系统
本质安全电气设备指其内部所有电路在规定的条件下，产生的火花或热效应均不可能引爆。本质安全防爆系统由以下三部分组成：
A 现场本质安全设备——按本安防爆要求，对储能元件回路作特殊设计，使现场设备下会产生由火花或热源引起爆炸。
B 连接电缆——避免外界电磁场干扰影响，限制电缆分布参数。
C 关联设备——安全栅，将从安全区的非本安回路传到危险区的本安设备的能量限制在点火极限范围内。
2.2 安全栅
2.2.1 基本形式
以功能可分为四种：模拟信号用、开关/数宇信号用、通讯功能用、现场总线用安全栅。
以结构形式可分为两种：齐纳式安全栅、隔离式安全栅。
安全栅是充当危险区仪表和控制室仪表之间的“界面”。安全栅本身并不是本质安全的，不可以直接安装在危险区。安全栅必须安装在安全区或采用隔爆装置进行保护后安装在危险区。
2.2.2 齐纳式安全栅
齐纳安全栅工作原理如下：
齐纳安全基本电路由快速熔断器FAI，限压元件VDl、VD2（齐纳二极管或二极管），限梳电阻R1（电阻器或非线性元件）三部分组成（见上图）。
正常操作条件下，非本安端1．2之间所加的电压低于{zg}电压Vmax，此时VDl、VD2处于下导通状态，是“开路”状态，只要漏电流小于规定值，安全栅电路下会影响系统的正常工作。当非本安端发生故障，例如在非本安端1、2之间混入高电压，使齐纳二极管VDl，VD2反向击穿，呈“导通”状态，此时齐纳：极管VDl、VD2把混入的高电压限制在齐纳电压上，在安全栅的本安端3、4上下会出现高电压。齐纳二极管一旦导通后，其电流急剧上升把串联在电路中的熔断器FAl瞬时熔断，切断了至现场的高电压，防止了高电压引爆的危险，从而保护了现场设备及人目的安全。当现场（危险区）发生故障，
例如负载短路了，安全栅电路中的限梳电阻R1立即起限流作用，把短路电流限制在某一个电流值以内，这个电流值是安全值，现场也是安全的。
齐纳安全栅的特点是电路简单、安全可靠，模拟量精度损失极小，因可用于有精度要求的场合，例如称重传感器系统。其缺点是：现场必须要有可靠的接地；一旦异常故障隋况下，熔断器熔断使安全栅失效，造成更换频繁。
2.2.3 隔离式安全栅
隔离式安全栅基本电路由快速熔断器及其它保护元件或电路、可靠隔离元件以及一个相当于具有限压、限梳功能的二极管安全栅网络所组成。
隔离式安全栅通过光、电、磁隔离技术来实现开关量、模拟量以及数字通信的电气隔离。主要包括电源隔离和信号隔离两部分，其中电源隔离是由高效率DC/DC转换器构成的，而信号隔离固信号的种类不同有不同的实现方法，开关量信号由光电耦合器进行隔离；模拟量信号隔离通过模拟信号的调制解调来实现；高速数据通信隔离则由高速的磁隔离器件及相应的电子线路来实现。
隔离式安全栅的特点是不需要本安接地；三端口电隔离可构成全浮空系统，抗干扰能力极强；可将两线制变送器或操作器的4-20mA电流信号转换成与之隔离的4-20mA电流信号，或1=5v的电压信号输出。其缺点是电路复杂、造价高，精度{zg}为0.1%，不适用于高精度的称重系统。
2.3 本安电气设备的选用原则
（1） 防爆标志规定的等级是否适用使用危险场所的安全要求；
（2） 明确{zg}输入电压、电流、功率和{zd0}内部电容、电感等参数；
（3） 接地部分的本安电路是否与安全栅接口部分的电路加以有效隔离；
（4） 信号传输是以何种方式进行；
（5） 本安电气设备的{zd1}工作电压及回路正常工作电流。
2.4 关联设备（安全栅）的选用原则
（1） 关联设备的防爆等级必须下低于本安现场设备的防爆标志的等级。
（2） 确定关联设备的端电阻及回路电阻可以满足本安现场设备的{zd1}工作电压。
（3） 关联设备在故障状态下的{zg}开路电压、{zd0}短路电流、{zd0}功率分别不大于本安设备故障状态下的{zg}输入电压、{zd0}输入电流、{zd0}输入功率；而关联设备在故障状态下的{zd0}外部电容、{zd0}外部电感分别不小于本安设备{zd0}内部等效电容、{zd0}内部等效电感的要求。
（4） 确定关联设备类型，是齐纳式安全栅还是隔离型安全栅。
（5） 根据本安现场仪表的电源及信号传输方式选择与之相匹配的关联设备。
2.5 连接电缆的选用原则
（1） 连接电缆为铜芯绞线，且每根芯线的截面积积不小于0.5mm2；
（2） 介电强度应能承受2倍本安电路的额定电压，但下低于500V的耐压试验。
（3） 连接电缆长度的限制计算方法如下。
A 电缆{zd0}允许分布电容Cc不大于关联设备在故障状态下的{zd0}外部电容与本安设备{zd0}内部等效电容之差；电缆{zd0}允许分布电感Lc不大于关联设备在故障状态下的{zd0}外部电感与本安设备{zd0}内部等效电感之差。
B 按照：
电缆长度L=电缆{zd0}允许分布电容Cc/电缆单位长度分布电容Ck
电缆长度L=电缆{zd0}允许分布电感Lc/电缆单位长度分布电感Lk
取两者中的小值作为实际配线长度。但多芯电缆，应考虑相互叠加影响。
2.6 隔爆型电气设备
具有隔爆外壳的电气设备其外壳能承受内部爆炸性气体棍古物的爆炸压力，并阻止内部的爆炸向外壳周围爆炸性棍古物传播。
产品设计考核的基本结构参数为隔爆接合面长度和隔爆接合面的间隙。以往在我国衡器同行中，在隔爆型电气设备的内腔设计中，往往分为主腔与接线腔两部分，现根据{zx1}GB3836.2-2000国家标准明确规定只需设置一个内腔，使隔爆型电气设备的体积大为减小。
2.7 正压型电气设备
设备外壳保持内部气体的压力高于周围爆炸环境的压力，且能阻止外部混合物的进入的具有正压外壳的电气设备。
正压型电气设备的{zd0}特点是，壳体内部的气体压力高于大气压力，使得任何非防爆的设备均可装在内壳。例如，目前市场上还没有防爆打印机，则在称重系统中就可将打印机置于正压型电气设备内。
3 几种典型防爆电子秤7的介绍
3.1 复合本质安全型防爆电子秤（ExibIIBT4）
适用范围：秤体、称重传感器、接线盒在易燃易爆1、2类危险区，称重仪表置于安全区，中间采用关联设备安全栅连接的台秤、地上衡、汽车衡、称重模块（料斗秤）、皮带秤、自动装料秤等各种称重系统。是目前最为昔遭的防爆形式。供电：交流220v。配置如下：
称重传感器——本质安全型防爆传感器。防爆型式一般为：ExibIIBT4。
接线盒——本质安全型防爆接线盒。防爆型式一般为：ExiaIICT6。
安全栅——本质安全型齐纳安全栅。防爆型式一般为：Ex（ia）IIC。
称重仪表与打印机——非防爆型式称重仪表。
3.2 本质安全型防爆电子秤（ExibIIBT4）
适用范围：秤体、接线盒、称重传感器、称重仪表均在易燃易爆1（10）、2（11）类危险区的防爆电子秤。供电方式：直流6v（4节1#干电池内置防爆电池盒）或24V直流，系统配置如下：
称重传感器——本质安全型防爆传感器，防爆型式一般为：ExibIIBT4。
接线盒——本质安全型防爆接线盒。防爆型式一般为：ExiaIICT6。
称重仪表——本质安全型防爆称重仪表。内置本安型防爆电池盒。防爆型式一般为：
ExibIIBT4（气体）DIPDTT13（粉尘）
3.3 气动正压型防爆电子秤（ExpIIBT6）
适用范围：如呆在易燃易爆危险区想设置打印机，且秤体、称重传感器、称重仪表、均在易燃易爆1、2类危险区的防爆电子台秤、电子地上衡、电子汽车衡与称重模块（料斗秤、皮带秤、自动装料秤等各种称重系统，需配置气动正压型防爆型式。供电方式：220V，气源要求：0.4-0.8MPa，开机10-20m3/h，工作时≤1m3/h，系统配置如下：
称重传感器——本质安全型防爆传感器。防爆型式一般为：ExibIIBT4。
接线盒——本安防爆型式一般为：ExibIIBT4。
正压仪表主箱——内置安全栅、称重仪表、TP型打印机。箱体防护型式一般为：IP54。
正压气控副箱——内置气动型微正压控制联锁系统。
3.4 隔爆型防爆电子秤（ExdIIBT4）
适用范围：秤体、称重传感器、称重仪表均在易燃易爆1、2类危险区的防爆电子台秤、电子地上衡、电子汽车衡与称重模块（料斗秤等）系统。供电方式：交流220V，系统配置如下：
称重传感器——本质安全型防爆传感器。防爆型式一般为：ExibIIBT4。
接线盒——本安防爆型式一般为：ExibIIBT4。
隔爆仪表箱——内置安全栅、称重仪表。箱体防护型式一般为：ExidIIBT4。
3.5 粉尘防爆电子秤（DIPA21T5．DIPB22T4）（DIPDTT13）
适用范围：秤体、称重传感器、称重仪表、打印机均在易燃易爆粉尘21、22类危险区的防爆电子台秤、电子地上衡、电子汽车衡与称重模块（料斗秤等）系统。供电方式：交流220V，系统配置如下：
称重传感器——本质安全型防爆传感器。防爆型式一般为：ExibIIBT4。
接线盒——EF/SCS-B，本安防爆型式一般为：ExibIIBT4。
隔爆仪表箱——内置安全栅、称重仪表。箱体防护型式一般为：IP6X尘密封外壳。
4 我国防爆技术及产品认证体系发展新趋向
4.1 无火花防爆技术在危险2区{zx1}应用
据{zx1}资料介绍，典型的爆炸性危险场所被划分为0区，1区和2区的百分比约为2%、28%和70%。2区危险场所在正常隋况下，爆炸气体混合物下可能经常性出现，或即使出现也只是短时间存在。所以2区场所相对比较安全，设计时通常只考虑正常工作，不需考虑故障状态。但设备必须满足真正意义上没有火花的要求。
为了节省防爆成本，欧洲2区防爆技术进行了长期探索，在技术概念上实现了从真正意义上的无火花到广义无火花的突破。2区防爆技术{zx1}标准出版物为无火花型电气标准IECIEC60079.15：2001、欧洲：EN50021：2000、中国：GB3836.8（报批稿）（eqvlEC60079.15：2001）。
4.2 现场总线的防爆技术与“参量认证”
随着现场总线技术在我国工业称重控制系统中日益广泛的应用，现场总线的防爆技术已引起世界各国高度重视，一种自现场总线技术引出的“多负荷”本安防爆系统研究应运而生。现场总线，顾名思义即可在总线上挂接多种设备负载，但本安防爆对于关联设备的输出电压和电流则必须控制在一定的范围内，因此也就限制了总线上挂接的设备负载数。
另外,由于现场总线上可同时挂接不同的总线设备，实现相互通信，因而使本安防爆的现场总线必须满足“可互换性”及“可操作性：以往，我国防爆柱验技术机构在防爆取证中采用了所谓的“系统认证”法，即要求每一个具有不同配置的总线系统单独进行认证。这样造成了大量人力、物力上的浪费。近年来，美国、德国等国，应用了“参量认证”技术，提出了现场总线本安防爆的新慨念。其主要特点是，对于经过参量认证过的本安设备关联设备，用户可自行合法地组合和评定本安系统。即用户可按“参量认证”的技术要求，完成兼容的安全设计，使不同的厂商生产的本安设备均能安全地挂在同一总线上。我国防爆柱验技术机构目前也正在积极推出这一做法。
4.3 推行IEC体系认证
{zx1}的国家标准GB3836.1-20002对防爆产品生产企业的质量体系提出要求，改变了以往中国防爆认证仅仅进行型式柱验，无须对企业进行体系考核的认证模式。
