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1、,,,過(guò)程控制系統(tǒng)與儀表 第,4,章,,,,4.2,安全柵,,安全柵（又稱防爆柵）是防止危險(xiǎn)電能從控制系統(tǒng)信號(hào)線進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀表的安全保護(hù)器。,,4.2.1,安全防爆的基本概念,,在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點(diǎn)燃后燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混和物，稱為爆炸性混合物。,,含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為爆炸性環(huán)境。,,按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時(shí)間和危險(xiǎn)程度，又可將危險(xiǎn)場(chǎng)所劃分成不同級(jí)別的危險(xiǎn)區(qū)。,,,對(duì)于,Ⅱ,類電氣設(shè)備，電路電壓限制在,30VDC,時(shí)，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級(jí)。,表4-1 爆炸性混合物的最小引爆電流,級(jí) 別,最小引爆電流（,
2、mA,）,爆炸性混合物種類,Ⅰ,i,＞120,甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳,Ⅱ,70＜,i,＜120,乙烯、乙醚、丙烯晴等,Ⅲ,i,≤70,氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦?fàn)t煤氣等,不同的危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬,Ⅰ,類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬,Ⅱ,類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬,Ⅲ,類設(shè)備。,概念,,1.,安全火花,——,其能量不足以引起周圍爆炸性混合物起火或爆炸的火花。,,2.,安全火花型儀表,——,在正常或事故狀態(tài)下產(chǎn)生的火花均不能引起爆炸性混合物爆炸的儀表。,,3.,非安全火花型防爆系統(tǒng),——,通過(guò)“配電器”
3、向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電和向控制室儀表傳輸信號(hào)的系統(tǒng)為非安全火花型防爆系統(tǒng)。,,,4,.,安全火花型防爆系統(tǒng),——,通過(guò)“安全保持器”向現(xiàn)場(chǎng)儀表供電和向控制室儀表傳輸信號(hào)的系統(tǒng)為安全火花型防爆系統(tǒng)。,(,現(xiàn)場(chǎng)儀表必須是本安儀表,),,5,.,關(guān)聯(lián)設(shè)備,——,與安全火花型電路相聯(lián)，并影響其安全火花性能的有關(guān)設(shè)備。（這里意指安裝在控制室，但又和現(xiàn)場(chǎng)儀表有聯(lián)系）,,經(jīng)常使用的儀表一般都是防爆隔離型和防爆安全型,,隔離型,——,在外殼的內(nèi)部發(fā)生爆炸時(shí)，不引起外部爆炸性混合物爆炸的電氣設(shè)備。,,安全型,——,在正常或事故狀態(tài)下產(chǎn)生的火花都不能引起爆炸性混合物爆炸的電氣設(shè)備。,事故狀態(tài),——,在電路中，非保護(hù)性元件
4、損壞或產(chǎn)生短路、斷路、接地及電源故障等情況,,正常狀態(tài),——,在設(shè)計(jì)規(guī)定條件下正常工作（實(shí)驗(yàn)時(shí)，在實(shí)驗(yàn)裝置中產(chǎn)生短路或斷路視為正常）,,,4.2.2,安全火花防爆系統(tǒng),,電動(dòng)儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計(jì)就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點(diǎn)火能量之下，則此儀表稱為安全火花防爆儀表。,安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危險(xiǎn)火花，對(duì)其它儀表通過(guò)信號(hào)線傳入的能量是否安全則無(wú)法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置安全柵，防止危險(xiǎn)能量進(jìn)入，則完全做到了安全火花防爆。,構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素：,,① 在危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的儀表必須是安
5、全火花防爆儀表（本安儀表）。,,② 現(xiàn)場(chǎng)儀表與危險(xiǎn)場(chǎng)所之間的電路連接必須經(jīng)過(guò)安全柵（防爆柵）。,變送器,配電器,配電器,調(diào)節(jié)閥,控制室儀表,調(diào)節(jié)閥,控制室儀表,安,保器,電源箱,變送器,安,保器,電源箱,現(xiàn)場(chǎng),現(xiàn)場(chǎng),220V,～,220V,～,安全柵 的作用,,（,1,）信號(hào)的傳輸,,（,2,）能量的傳輸,,（,3,）限流、限壓,變,,送,,器,執(zhí),,行,,器,檢測(cè)端,,安全柵,操作端,,安全柵,調(diào)節(jié)器,,,計(jì)算機(jī),危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,現(xiàn)場(chǎng),非危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,控制室,4~20,mA,1~5 V,4~20,mA,V,出,I,入,24V DC,4~20,mA,穩(wěn),,壓,,源,I,入,I,出,24V DC,
6、24V DC,信號(hào),能源,信號(hào),能源,能源,能源,V,≤,30V DC,,I≤30mA DC,,進(jìn)液,出料量,非安全火花型自動(dòng)控制系統(tǒng),氣動(dòng),,執(zhí)行器,差壓式,,液位變送器,V,4~20,mA,1~5 V,控,,制,,器,Q,出,Q,進(jìn),L,P,氣,ρ,4~20,mA,V,I,I,I,顯示,,儀表,危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,,現(xiàn)場(chǎng),非危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,,控制室,△,P,液位,配電器,I,24V DC,24V DC,進(jìn)液,出料量,氣動(dòng),,執(zhí)行器,差壓式,,液位變送器,V,4~20,mA,1~5 V,Q,出,Q,進(jìn),L,P,氣,ρ,4~20,mA,4~20,mA,V,I,I,操作端,,安全柵,I,顯示,,儀表
7、,危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,,現(xiàn)場(chǎng),非危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,,控制室,△,P,液位,檢測(cè)端,,安全柵,24V DC,24V DC,24V DC,安全火花型防爆系統(tǒng),控,,制,,器,V<30V DC,,I<30mA DC,I,B,3 d,,,按爆炸性混合物自燃溫度來(lái)分為,d,級(jí),,按爆炸性混合物傳爆能力來(lái)分為,3,級(jí),,隔爆型儀表,,H,Ⅲ e,,,按爆炸性混合物自燃溫度來(lái)分為,e,級(jí),,按爆炸性混合物最小引爆電流分為,Ⅲ,級(jí),,安全火花型儀表,隔爆型儀表和安全火花型儀表的符號(hào)標(biāo)記,安全柵是傳遞正常信號(hào)、阻止危險(xiǎn)能量通過(guò)的保險(xiǎn)器件。,4.2.3,安全柵的工作原理,,安全柵的品種,:,,,,安全柵,第五單元
8、控制裝置,存在的問(wèn)題：,有兩點(diǎn)以上接地，會(huì)造成信號(hào)通過(guò)大地短路或形成干擾（除安全柵接地外，相連儀表也有接地）,R,1,、,R,2,對(duì)儀表正常的工作仍有影響，阻值過(guò)大影響儀表的恒流特性，過(guò)小起不到限流作用。,基本設(shè)想：用齊納二極管,VD,1,、,VD,2,進(jìn)行限壓，用電阻,R,1,、,R,2,及熔斷絲,F,進(jìn)行限流。,4.2.3.1,齊納式安全柵,（,2,）由,VD,1,~,VD,4,和,F,1,~,,F,’,2,組成限壓電路。背靠背的齊納管中點(diǎn)接地，改直接接地為保護(hù)時(shí)接地。,（,1,）用晶體管限流電路取代固定電阻。,VT,3,工作于零偏壓，作為恒流源向,VT,1,提供足夠的基極電流，保證信號(hào)在
9、4～20,mA,范圍內(nèi),VT,1,處于飽和狀態(tài)。,,改進(jìn)后的齊納式安全柵,正常時(shí),VT,1,飽和導(dǎo)通,?,,V,R,1,= 0.1～ 0.5V,?,VT,2,不通,過(guò)流時(shí),V,R,1,> 0.6V,?,VT,2,導(dǎo)通，分流,VT,3,的電流,?,?,VT,1,退飽和,?,,V,ce,1,↑,呈現(xiàn)較高的電阻,要求快速熔斷絲熔斷時(shí)間,<1,mS,工作原理,過(guò)壓時(shí),VD,1,~,VD,4,中至少有一個(gè)被擊穿，限壓并接地,,齊納式安全保持器有三種規(guī)格,,BARD-200,,和熱電偶配合使用，構(gòu)成本安防爆系統(tǒng)。,,,BARD-300,,,和熱電阻配合使用，構(gòu)成本安防爆系統(tǒng)。,,BARD-400,,和兩線
10、制變送器、執(zhí)行器配合使用，構(gòu)成本安防爆系統(tǒng)。,BARD-200,STED,溫度變送器,STED,溫度變送器,BARD-300,危險(xiǎn)場(chǎng)所,安全場(chǎng)所,BARD-400,BARD-400,SDBT,配電器,SLPC,調(diào)節(jié)器,危險(xiǎn)場(chǎng)所,安全場(chǎng)所,齊納安全柵,優(yōu)點(diǎn)是采用的器件非常少，體積小，價(jià)格便宜,;,,,缺點(diǎn)是,齊納式安全柵必須本安接地，且接地電阻必須小于,1Ω,；,,危險(xiǎn)側(cè)本安儀表必須是隔離型的；齊納安全柵對(duì)供電電源電壓響應(yīng)非常大，,電源電壓的波動(dòng)可能會(huì)引起齊納二極管的電流泄漏,，從而引起信號(hào)的誤差或者發(fā)出錯(cuò)誤電平，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使快速熔斷器燒斷。,齊納式安全柵的優(yōu)缺點(diǎn),4.2.3.2,,隔離式安全柵,
11、,用,變壓器,作為隔離元件，分別將輸入、輸出和電源進(jìn)行隔離，可以對(duì)二線制變送器進(jìn)行隔離供電。,因而,分,檢測(cè)端安全柵和執(zhí)行端安全柵。,,1 檢測(cè)端安全柵,,檢測(cè)端安全柵在向變送器提供電源的同時(shí)，將變送器的測(cè)量信號(hào)經(jīng)隔離變壓器傳給控制室儀表。,隔離式安全保持器,1.,檢測(cè)端安全柵的,作用,(,一,),檢測(cè)端安全柵,,（,1,）把來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)變送器的,4,～,20mADC,電流經(jīng)隔離變壓器,1:1,地轉(zhuǎn)換成,1,～,5V DC,信號(hào)或,4,～,20mA DC,信號(hào)輸出至控制室儀表（計(jì)算機(jī)） 。,（,2,）為現(xiàn)場(chǎng)兩線制變送器提供,24V DC,直流電源,（,3,）利用限流、限壓電路使得任何情況下送往危
12、險(xiǎn)場(chǎng)所的電壓不超過(guò),30V DC,、電流不超過(guò),30mADC,，從而保證了危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全。,檢測(cè)端安全柵,是一個(gè)傳遞系數(shù)為,1,的傳送器，電源、變壓器、控制室儀表之間用磁耦合，電路上是隔離的。簡(jiǎn)化原理圖如圖所示。,,＋,＋,2 執(zhí)行端安全柵,,用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器之間，是,4~20mA,調(diào)節(jié)信號(hào)送往現(xiàn)場(chǎng)的安檢通道。,與檢測(cè)端安全柵的區(qū)別：,,① 信號(hào)傳輸方向相反，② 不需給現(xiàn)場(chǎng)供電,。,,電路原理基本相似。,,1.,操作端安全柵的,作用,(,二,),操作端安全柵,（,,1,）把來(lái)自,控制室儀表,的,4,～,20mA DC,電流經(jīng),隔離,變壓器,1:1,地轉(zhuǎn)換成,1,～,5V DC,
13、直流電壓信號(hào)或,4,～,20mA DC,直流電流信號(hào),輸出至現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器。,（,2,） 利用限流、限壓電路使得任何情況下送往危險(xiǎn)場(chǎng)所的電壓不超過(guò),30V DC,、電流不超過(guò),30mADC,，從而保證了危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全。,安全柵 的作用,,（,1,）信號(hào)的傳輸,,（,2,）能量的傳輸,,（,3,）限流、限壓,變,,送,,器,執(zhí),,行,,器,檢測(cè)端,,安全柵,操作端,,安全柵,調(diào)節(jié)器,,,計(jì)算機(jī),危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,現(xiàn)場(chǎng),非危險(xiǎn)場(chǎng)所,:,控制室,4~20,mA,1~5 V,4~20,mA,V,出,I,入,24V DC,4~20,mA,穩(wěn),,壓,,源,I,入,I,出,24V DC,24V DC,信號(hào),能源,信號(hào),能源,能源,能源,V,≤,30V DC,,I≤30mA DC,總結(jié),安全火化防爆系統(tǒng),隔離式安全柵,安全火化防爆儀表,安全柵,齊納式安全柵,謝謝光臨,
第4章下 防爆柵2
