【摘 要】稱重計量技術的飛速發(fā)展，已廣泛應用于石油、煤炭、化工和制藥等爆炸危險場合。以人為本、安全生產(chǎn)的意識也在逐步提高。如何使稱重技術很好的為它們服務，我們必須掌握相關防爆系統(tǒng)的設計，本文通過對本安系統(tǒng)的介紹引入了設計本安防爆稱重系統(tǒng)需要達到哪些要求，應注意哪些細節(jié)。旨在拋磚引玉，推進該項技術的發(fā)展。
【關鍵詞】本安防爆 稱重系統(tǒng) 安全柵
隨著稱重計量技術的發(fā)展，稱重系統(tǒng)已廣泛應用于用于石油、煤炭、化工、和制藥等行業(yè),這些行業(yè)中的危險化學品作業(yè)場所存在的易燃易爆氣體種類繁多（目前世界上已經(jīng)定性的有大約4000余種，其中定量的有1900余種），生產(chǎn)、儲存、運輸?shù)拳h(huán)節(jié)工藝裝備復雜多變，釋放源種類繁多，爆炸危險因素難以分析判定。所以全面正確認識電氣防爆安全技術，是我們必須重視和認真對待的事情。
一、本安系統(tǒng)的基本構成
本安系統(tǒng)是通過限制電氣能量而實現(xiàn)電氣防爆的電路系統(tǒng)，且不限制使用場所（其中ia等級在0區(qū)、I區(qū)和II區(qū)危險場所均適用）和爆炸性氣體混合物的種類（即包括所有可燃性氣體）,具有高度的安全性、可維護性和經(jīng)濟性。
1、現(xiàn)場本安設備
從現(xiàn)場設備的儲能元件角度考慮，使處于爆炸性氣體危險環(huán)境中的現(xiàn)場設備按照本安防爆要求設計,對其中包含的電感和電容等儲能元件回路采取相應措施,并使其盡可能減少的同時,
考慮回路元件的功耗及溫升問題,以保證該設備不論是正常工作還是故障狀態(tài),均不會產(chǎn)生由火花和熱源引起的點燃。即現(xiàn)場設備必須是本安設備。
現(xiàn)場本安設備具有本安性能的主要參數(shù)：
zui高輸入電壓（Ui）:施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上,而不會使本質(zhì)安全性能失效的zui高電壓（交流峰值或直流）。
zui大輸入電流（Ii）:施加到本質(zhì)安全電路連接裝置上,而不會使本質(zhì)安全性能失效的zui大電流（交流峰值或直流）。
zui大輸入功率（Pi）:當電氣設備與外電源連接不使本質(zhì)安全性能失效時,可能在電氣設備內(nèi)部消耗的本質(zhì)安全電路的zui大輸入功率。
zui大內(nèi)部等效電容（Ci）:通過電氣設備連接裝置出現(xiàn)的電氣設備總等效內(nèi)電容。
zui大內(nèi)部等效電感（Li）:通過電氣設備連接裝置出現(xiàn)的電氣設備總等效內(nèi)電感。
2、連接電纜
從系統(tǒng)布線工程角度考慮,由于連接電纜存在分布電容和分布電感,使連接電纜成為儲能元件。它們在信號傳輸過程不可避免地存儲能量,一旦當線路出現(xiàn)開路或短路時,這些儲能就會以電火花或熱效應的形式釋放出來,影響系統(tǒng)的本安性能。因此既要保證連接傳輸電纜不會受到外界電磁場干擾影響及與其他回路混觸,又要限制布線長度和感應電動勢所帶來的附加非本安能量,依此來確定電纜的允許分布電容和允許分布電感,世界各防爆檢驗機構主
要采取以集中參數(shù)的方式考慮電纜分布參數(shù)的方法。連接電纜本安性能的基本參數(shù)如下:
電纜zui大允許分布電容Cc=Ck×L
電纜zui大允許分布電感Lc=Lk×L
式中Ck--電纜單位長度分布電容;
Lk--電纜單位長度分布電感;
L--實際配線長度。
3、關聯(lián)設備（安全柵）
從控制室設備配置角度考慮,該部分電氣回路必須具備無論系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)還是故障狀態(tài),均能夠?qū)陌踩珗鏊姆潜景不芈穫鞯轿ｋU場所的本安設備的能量抑制在點火極限（zui小點燃能量）以下的保護功能。安全柵本安性能的基本參數(shù)：
zui高電壓（交流有效值或直流Um）：施加到關聯(lián)設備非本質(zhì)安全連接裝置上,而不會使本質(zhì)安全性能失效的zui高電壓。
zui高輸出電壓（Uo）:開路條件下,在設備連接裝置施加電達到zui高電壓（包括Um和Ui）時,可能出現(xiàn)的本質(zhì)安全電路的zui高輸出電壓（交流峰值或直流）。
zui大輸出電流（Io）:來自電氣設備連接裝置的本質(zhì)安全電路的zui大電流（交流峰值或直流）。
zui大輸出功率（Po）:能從電氣設備獲得的本質(zhì)安全電路zui大功率。
zui大外部電容（Co）:可以連接到電氣設備連接裝置上,而不會使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路的zui大電容。
zui大外部電感（Lo）:可以連接到電氣設備連接裝置上,而不會使本質(zhì)安全性能失效的本質(zhì)安全電路的zui大電感。
4、本安系統(tǒng)組合條件
為保證設備的安全正常使用,本安系統(tǒng)各配置間必須滿足以下條件。①現(xiàn)場本安設備的防爆標志級別不能高于安全柵的防爆標志級別②關聯(lián)設備、現(xiàn)場本安設備與連接電纜參數(shù)之間要符合以下不等式。
安全柵參數(shù)
安全參數(shù)匹配條件
本安儀表、電纜等參數(shù)
Uo
≤
Ui
Io
≤
Ii
Co
≥
Ci+Ce
Lo
≥
Li+Le
二、本安防爆稱重系統(tǒng)設計一般要求
1、本安防爆稱重系統(tǒng)配置設備選用原則
本安防爆稱重系統(tǒng)由本安現(xiàn)場設備、關聯(lián)設備（也稱安全柵）和連接電纜三部分組成,就本安防爆性能而言，它們必須滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Cc+Ci和Lo≥Lc+Li四個條件。這些設備配置的選用原則是：
（1）本安儀表和傳感器等電氣設備的選用原則
簡單設備:按照GB3836.4-2000防爆標準規(guī)定,對于電壓不超過1.2V、電流不超過0.1A,且能量不超過20μJ或功率不超過25mW的電氣設備可視為簡單設備,其中zui常見的儀表設備有熱電偶、電阻應變式稱重傳感器等,它們的典型特點是內(nèi)部等效電感Li=0,內(nèi)部等效電容Ci=0。
本安稱重電氣設備:安裝于危險場所的現(xiàn)場設備,必須明確以下問題：
1）是否已按照GB3836.1-2000和GB3836.4-2000要求設計并已被國家防爆檢驗機構認可的本安電氣設備；
2）防爆標志規(guī)定的等級是否適用于使用的危險場所的安全要求；
3）明確Ui、Ii、Pi、Ci和Li參數(shù)；
4）本安電路是否接地或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；
5）信號傳輸是以何種方式進行；
6）本安電氣設備的zui低工作電壓及回路正常工作電流。
在上述問題明確的基礎上,選擇與之對應的安全柵。
（2）安全柵的選用原則
1）安全柵的防爆標志等級必須不低于本安現(xiàn)場儀表和傳感器的防爆標志的等級。
2）確定安全柵的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場設備的zui低工作電壓。
3）安全柵的本安端安全參數(shù)能夠滿足Uo≤Ui、Io≤Ii、Po≤Pi、Co≥Ci和Lo≥Li的要求。
4）根據(jù)本安現(xiàn)場儀表的電源極性及信號傳輸方式選擇與之相匹配的安全柵。
5）避免安全柵的漏電流影響本安現(xiàn)場設備的正常工作。
6）安全柵有兩大類，一類為齊納式安全柵，另一類為隔離式安全柵。
（3）連接電纜的選用原則
用于本安防爆稱重系統(tǒng)中連接本安現(xiàn)場設備與安全柵的連接電纜，其分布參數(shù)在一定程度上決定了本安系統(tǒng)的合理性及使用范圍,因此必須符合以下條件。
1）連接電纜規(guī)格連接電纜為銅芯絞線,一般采用六芯電纜且每根芯線的截面積不小于0.5mm2。介質(zhì)強度應能承受2倍本安電路的額定電壓,但不低于500V的耐壓試驗。
2）連接電纜長度的限制在本安系統(tǒng)中,現(xiàn)場本安儀表和連接電纜同為安全柵的負載,當安全柵與現(xiàn)場本安儀表選定后,也就決定了連接電纜的長度。其具體方法如下。
根據(jù)Cc≤Co-Ci和Lc≤Lo-Li公式計算電纜的zui大外部分布參數(shù);按照L=Cc/Ck和L=Lc/Lk公式分別計算電纜長度,取兩者中的小值作為實際配線長度L,但多芯電纜,應考慮相互疊加影響。目前國內(nèi)已有多家電纜生產(chǎn)廠生產(chǎn)專為本安系統(tǒng)設計的本安用特殊電纜,為方便比較選用,下面表1給出了典型普通連接電纜的分布參數(shù),表2給出了典型國產(chǎn)本安用特
殊電纜分布參數(shù),以供參考。
表1 典型普通電纜線的分布參數(shù)
規(guī)格
分布參數(shù)
KC
KL
名 稱
截面積
絕緣厚度
R
2mm/
/mm
（μF/km）
（mH/km）
（Ω/km）
1.0
0.6
0.195
0.617
19.5
1.5
0.6
0.207
0.577
13.5
RVV
2.5
0.8
0.201
0.583
8.0
1.0
0.6
0.248
0.722
19.5
1.5
0.6
0.248
0.655
13.5
RVVP
2.5
0.8
0.241
0.682
8.0
RVV：銅芯聚氯乙烯絕緣及護套軟線 RVVP：銅芯聚氯乙烯絕緣、金屬屏蔽及護套軟線
表2 典型國產(chǎn)本安儀表用特殊電纜分布參數(shù)
2mm截面積/
聚乙烯絕緣雙芯對絞屏蔽銅線
1.0
1.5
2.5
一般線芯
18.5
12.4
7.45
20℃直流電阻R
（Ω/km）
多股軟線芯
19
13.5
7.8 分布電容（μF/km）
<0.094
<0.104
<0.115
一般線芯
0.46
0.31
0.19
分布電感
KL（mH/km）
多股軟線芯
0.48
0.34
0.20
400A/m電磁干擾/mV
<200
<200
<200
10KV靜電干擾/V
<1
<1
<1
2、本安防爆稱重系統(tǒng)的優(yōu)化配置
實現(xiàn)本安防爆稱重系統(tǒng)的優(yōu)化配置應將上述環(huán)節(jié)統(tǒng)籌考慮。電纜的分布參數(shù)是影響本安系統(tǒng)應用的主要因素。為了提高系統(tǒng)允許的電纜分布參數(shù),可以通過提高安全柵允許外接參數(shù)和降低本安設備內(nèi)部等效參數(shù)的方法來實現(xiàn)。
（1）對于提高安全柵允許外接參數(shù),可以通過優(yōu)化分析,合理選擇安全柵,盡量選擇具有較低zui高開路電壓和zui大短路電流的安全柵來實現(xiàn)。
（2）對于降低本安儀表內(nèi)部等效參數(shù),通常也可通過前述的抑制本安儀表電路中電容電感儲能相同的方法來完成。但是在實踐中,還有一種更有效地抑制本安儀表輸入電容的方法,即在本安儀表輸入端加上兩個串聯(lián)的正向二極管,并與整個本安電路膠封為一體。這種方法的應用,不僅使本安儀表具有反極性保護的功能,而且由于雙重化二極管的作用,可靠地阻斷了本安儀表內(nèi)部電容對電路的放電回路,從根本上避免了儀表內(nèi)部電容對外電路的影響,此時儀表的內(nèi)部等效電容可近似的認為是零,即Ci=0,從而大大提高了本安系統(tǒng)的允許電纜分布電容，此時,Cc=Co。
3、本安防爆稱重系統(tǒng)現(xiàn)場布線原則
（1）整個系統(tǒng)的接線必須按照相關設計要求。
（2）防本安回路與非本安回路混觸?？刂剖业浆F(xiàn)場的本安電纜與非本安電纜分別敷設在各自的匯線槽內(nèi),中間用隔板分開,匯線槽帶蓋,以防外部機械操作損傷。
（3）現(xiàn)場接線盒或匯線槽引到本安儀表的電纜敷設在鋼管內(nèi),以防機械損傷及電磁感應引起的危險。本安電纜和非本安電纜不公用一根金屬線管和同一個現(xiàn)場接線盒。
（4）連接電纜及其鋼管、端子板應有藍色標志（或纏上藍色膠帶）,以便識別。
（5）齊納式安全柵的接地匯流條及接地裝置須滿足安全柵的使用說明書及國家有關電氣安全規(guī)程的要求。
（6）多個本安電路或關聯(lián)電路不應共用同一電纜（電纜線芯分別屏蔽者除外）或共處同一鋼管內(nèi)（用屏蔽導線除外）。
4、安全柵選擇，安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。
（1）齊納式安全柵
齊納式安全柵（圖1）采用在電路回路中串聯(lián)快速熔斷絲、限流電阻和并聯(lián)限壓齊納二極管實現(xiàn)能量的限制，保證危險區(qū)儀表與安全區(qū)儀表信號連接時安全限能。它采用器件非常少、體積小、價格低，但也有一些致命的缺陷，使應用范圍受到較大的限制。目前采用顯下降趨勢。
圖1 齊納式安全柵
1）使用齊納式安全柵，工廠必須要有專門的本安接地系統(tǒng)，本安電路接地電阻必須小于1Ω。危險區(qū)現(xiàn)場本安表必須為隔離型的，非隔離型的儀表不能采用。
2）使用齊納式安全柵，對供電電源電壓響非常大，電源電壓的波動可能會引起齊納二極管的電流泄漏，從而引起信號的誤差或者發(fā)出錯誤電平，嚴重時會使快速保險絲燒斷而*損壞，按規(guī)定齊納式安全柵內(nèi)部齊納管、限流電阻、保險絲整體澆封，一旦損壞無法修復。
3）使用齊納式安全柵，信號負極均要接至本安接地，這樣大大降低系統(tǒng)信號抗干擾能力，影響系統(tǒng)的可靠性，特別對DCS系統(tǒng)影響尤為明顯。
（2）隔離式安全柵
隔離式安全柵不但有限能功能，還有隔離功能，它主要由回路限能單元、信號、電源隔離單元和信號處理單元組成。其基本功能框圖如圖2：
圖2 隔離式安全柵
它包括獨立供電隔離式安全柵和回路供電隔離式安全柵兩大類。
1）隔離式安全柵與齊納式安全柵相比，雖然價格要高一些，但是它許多優(yōu)點和特點還是給用戶帶來許多方便，使越來越多用戶偏向選擇隔離式安全柵。
2）使用隔離式安全柵，可以將危險區(qū)的現(xiàn)場回路信號和安全區(qū)回路信號有效隔離。這樣本安自控系統(tǒng)不需要本安接地系統(tǒng)，簡化了本安防爆系統(tǒng)應用時的施工。大大增強了檢測和控制回路的抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。
3）使用隔離式安全柵，允許現(xiàn)場儀表接地，允許現(xiàn)場儀表為非隔離型的。
4）隔離式安全柵有許多保護功能電路，意外損壞的可能性較小，允許現(xiàn)場儀表帶電檢修。這樣可縮短工程開車準備時間和減少停車時間
5）隔離式安全柵有較強的信號處理能力。如開關量輸入狀態(tài)控制、mV變?yōu)?～20mA等等。這樣給現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)的應用提供了更大的方便、合理和有效。
6）回路供電隔離式安全柵既保持有源隔離式安全柵的優(yōu)點，又有齊納式安全柵一樣的接線方便，不需要另外24V電源供電，特別適合配I/O卡直接供電的DCS系統(tǒng)。
5安全柵的接地分析
齊納式安全柵如果不接地，如圖3所示。若當安全區(qū)內(nèi)配電故障導致一個對地高電勢（交流220V的相線）落在安全柵上時齊納管只限制齊納式安全柵導線之間的電壓Uo，但無法限制任何一線對地的電勢，該電勢被引入危險區(qū)，一旦現(xiàn)場儀表對地絕緣隔離不好，對地產(chǎn)生短路，立即產(chǎn)生強大的地電流，這樣的高電勢和對地電流的能量并沒有得到限制，因此，極可能產(chǎn)生火花而引起危險。
圖 3 齊納式安全柵不接地
若安全柵有可靠接地，如圖4所示。當同樣的故障發(fā)生時，齊納管限制了對地的電勢，
故電流只能在安全區(qū)內(nèi)流過，這樣確保危險區(qū)的現(xiàn)場安全。這個接地也叫“本安接地”。
圖 4 齊納式安全柵可靠接地
采用隔離式安全柵的情況如圖5
圖 5 采用隔離式安全柵
當故障發(fā)生時，由于隔離式安全柵內(nèi)有可靠的隔離單元，它對地產(chǎn)生電勢，但對地電流不可能從可靠隔離單元流向危險區(qū)，因此在安全柵的本安電路側不需要專門本安接地，只要按照一般要求。如利用屏蔽電纜的話，在現(xiàn)場儀表側或控制室一側把電纜屏蔽接地即可，如圖6
圖 6 利用屏蔽電纜的隔離式安全柵
3、結語
在以人為本、安全生產(chǎn)的意識的前提下。本安防爆稱重系統(tǒng)能在各行各業(yè)發(fā)揮重要的作用，為保障人民生命財產(chǎn)安全保駕護航。稱重計量技術的發(fā)展，要求我們必須重視相關配套系統(tǒng)的設計和研發(fā)。本文重在拋磚引玉，推進本安防爆技術在稱重領域的快速發(fā)展，以滿足相關的應用。
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作者簡介：楊青鋒（1979- ），男，大學本科，工程師，現(xiàn)為中國衡器協(xié)會技術專家委員會委員；中國衡器協(xié)會職業(yè)教育工作委員會委員；陜西工業(yè)職業(yè)技術學院客座教授；長期致力于稱重測力傳感技術和電子稱重系統(tǒng)工程的研究和開發(fā)，在《中國計量》、《計量技術》、《衡器》等期刊發(fā)表論文20余篇
作者通訊地址：浙江省寧波市江北區(qū)洪塘工業(yè)A區(qū)洪祥路25號。郵政編碼：315033