防爆技術(shù)在產(chǎn)業(yè)電子秤中的最新應(yīng)用

摘要：本文以深進(jìn)淺出的方法，從防爆技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)手，循序漸進(jìn)地介紹了防爆技術(shù)在產(chǎn)業(yè)電子秤中的設(shè)計(jì)與選用，并介紹了目前世界上防爆技術(shù)的最新發(fā)展，以供衡器同行設(shè)計(jì)以及用戶選用防爆電子秤時(shí)參考。示波器| 電阻測(cè)試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場(chǎng)測(cè)試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測(cè)試儀| 電容表| 電力分析儀

前言

隨著我國產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的飛速發(fā)展以及與世界先進(jìn)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的接軌，防止事故性爆炸的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全性題目，已引起了我國政府的高度重視。特別是近幾年在石油化工、煤礦等行業(yè)的事故頻頻發(fā)生，各種關(guān)于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全性題目的強(qiáng)制性法律法規(guī)亦相繼出臺(tái)。我國衡器行業(yè)如作甚產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全性服務(wù)，已成為迫在眉睫的大事。下文就防爆技術(shù)在產(chǎn)業(yè)電子秤中的應(yīng)用作一介紹。

1 防爆基礎(chǔ)

1.1 防爆電子秤應(yīng)用范圍

產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域主要的易燃易爆場(chǎng)所如下：

1.2 電子秤引燃引爆的起固

電子秤的三大組成部分，電阻應(yīng)變式稱重傳感器、接線盒與稱重儀表電氣回路及其四周環(huán)境可能燃引爆的固素為．

1.2.1 點(diǎn)燃源．

（1）短路、斷路，產(chǎn)生瞬間火花；
（2）觸點(diǎn)操縱引起火花
（3）靜電旗電、磨擦產(chǎn)生火花；
（4）導(dǎo)線、元器件過熱造成表面溫度升高。

1.2.2 爆炸性物質(zhì)——可燃性氣體或粉塵等；

1.2.3 助燃劑——空氣（氧氣）

1.3 電子秤的防爆

●采取限梳限壓的：本質(zhì)安全型（“ia”，“ib”）
●采取隔爆保護(hù)外殼：隔爆型（“d“）；
●采取IP防護(hù)外殼設(shè)計(jì)的：粉塵類防爆（“DIP”）；
●采取隔離措施的：正壓型（“p“）、充油型（“o”）、充砂型（“q”），澆封型（“m”）；
●采取特定結(jié)構(gòu)的：增安型（“e”）、無火花型（“n”）；
●采取特殊設(shè)計(jì)的：特殊型（“s”）

電子秤常用的防爆型式為：

本質(zhì)安全型（包括復(fù)合本安型）、隔爆型、正壓型、增安型以及無火花型等。

1.4 易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)所的劃分

1.5 電子秤宜選用的主要防爆型式

1.6 電子秤宜選用的防爆等級(jí)

1.7 可燃性氣體引燃溫度等級(jí)

1.8 主要爆炸性氣體的分類

1.9 氣體防爆標(biāo)記

舉例：ExibIIDT4為ib類本質(zhì)安全型，氣體等級(jí)為IID類，引燃溫度T4級(jí)，可適用于1區(qū)或2區(qū)的防爆設(shè)備。

1.10 粉塵防爆型式分類以外殼保護(hù)的粉塵防爆電氣設(shè)備與外殼防護(hù)等級(jí)（IP）直接有關(guān)。防護(hù)等級(jí)表示如下

一般情況下，防爆電氣設(shè)備中帶有裸露帶電導(dǎo)體的外殼防護(hù)等級(jí)至少應(yīng)為IP54，帶有盡緣蟑部件的外殼要求不低于IP44。戶外使用的設(shè)備其外殼防護(hù)等要求IP54或更高一些。例如：IP54表示進(jìn)進(jìn)灰塵量下影響設(shè)備正常運(yùn)行，向外殼各方面濺水無有害影響。

最新粉塵防爆標(biāo)準(zhǔn)簡介（GBl2476-2000）如下：

（1） 防爆標(biāo)志：以外殼保護(hù)的粉塵防爆電氣設(shè)備新標(biāo)準(zhǔn)仍采用符號(hào)“DIP：取消了原標(biāo)志符號(hào)DT/DP。

（2） 可采用歐洲和北美標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A，B兩種設(shè)備分類方法。即歐洲AA型設(shè)備采取適宜的防塵等級(jí)，并在5mm厚粉塵層堆積隋況下確定設(shè)備表面溫度；北BD型設(shè)備采用類似于隔爆面的防塵設(shè)計(jì)方法，并在12.5mm厚粉塵層堆積隋況下確定設(shè)備表面溫度。

（3） 危險(xiǎn)區(qū)域：區(qū)域劃分由原來的10，11二個(gè)區(qū)修改為20，21，22三個(gè)區(qū)域，與氣體環(huán)境劃區(qū)方法（0，1，2）相適應(yīng)。

（4） 溫度級(jí)別：由原來的溫度分組方法（T11，Tl2．T13），改為與氣體溫度分組相同的分組方法（T1—T6）。

舉例：DIPA21T5表示采用歐洲A型、21類區(qū)域、T5溫度級(jí)別的粉塵防爆電氣設(shè)備；

DIPB22T4表示采用北美B型、22類區(qū)域、T4溫度級(jí)別的粉塵防爆電氣設(shè)備。

2 節(jié)嚴(yán)重防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)與選用

2.1 本質(zhì)安全電氣設(shè)備及系統(tǒng)

本質(zhì)安全電氣設(shè)備指其內(nèi)部所有電路在規(guī)定的條件下，產(chǎn)生的火花或熱效應(yīng)均不可能引爆。本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)由以下三部分組成：

A 現(xiàn)場(chǎng)本質(zhì)安全設(shè)備——按本安防爆要求，對(duì)儲(chǔ)能元件回路作特殊設(shè)計(jì)，使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備下會(huì)產(chǎn)生由火花或熱源引起爆炸。

B 連接電纜——避免外界電磁場(chǎng)干擾影響，限制電纜分布參數(shù)。

C 關(guān)聯(lián)設(shè)備——安全柵，將從安全區(qū)的非本安回路傳到危險(xiǎn)區(qū)的本安設(shè)備的能量限制在點(diǎn)火極限范圍內(nèi)。

2.2 安全柵

2.2.1 基本形式

以功能可分為四種：模擬信號(hào)用、開關(guān)/數(shù)宇信號(hào)用、通訊功能用、現(xiàn)場(chǎng)總線用安全柵。

以結(jié)構(gòu)形式可分為兩種：齊納式安全柵、隔離式安全柵。

安全柵是充當(dāng)危險(xiǎn)區(qū)儀表和控制室儀表之間的“界面”。安全柵本身并不是本質(zhì)安全的，不可以直接安裝在危險(xiǎn)區(qū)。安全柵必須安裝在安全區(qū)或采用隔爆裝置進(jìn)行保護(hù)后安裝在危險(xiǎn)區(qū)。

2.2.2 齊納式安全柵

齊納安全柵工作原理如下：

齊納安全基本電路由快速熔斷器FAI，限壓元件VDl、VD2（齊納二極管或二極管），限梳電阻R1（電阻器或非線性元件）三部分組成（見上圖）。

正常操縱條件下，非本安端1．2之間所加的電壓低于最高電壓Vmax，此時(shí)VDl、VD2處于下導(dǎo)通狀態(tài)，是“開路”狀態(tài)，只要漏電流小于規(guī)定值，安全柵電路下會(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之間混進(jìn)高電壓，使齊納二極管VDl，VD2反向擊穿，呈“導(dǎo)通”狀態(tài)，此時(shí)齊納：極管VDl、VD2把混進(jìn)的高電壓限制在齊納電壓上，在安全柵的本安端3、4上下會(huì)出現(xiàn)高電壓。齊納二極管一旦導(dǎo)通后，其電流急劇上升把串聯(lián)在電路中的熔斷器FAl瞬時(shí)熔斷，切斷了至現(xiàn)場(chǎng)的高電壓，防止了高電壓引爆的危險(xiǎn)，從而保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及人目的安全。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)（危險(xiǎn)區(qū)）發(fā)生故障，

例如負(fù)載短路了，安全柵電路中的限梳電阻R1立即起限流作用，把短路電流限制在某一個(gè)電流值以內(nèi)，這個(gè)電流值是安全值，現(xiàn)場(chǎng)也是安全的。

齊納安全柵的特點(diǎn)是電路簡單、安全可靠，模擬量精度損失極小，因可用于有精度要求的場(chǎng)合，例如稱重傳感器系統(tǒng)。其缺點(diǎn)是：現(xiàn)場(chǎng)必須要有可靠的接地；一旦異常故障隋況下，熔斷器熔斷使安全柵失效，造成更換頻繁。

2.2.3 隔離式安全柵

隔離式安全柵基本電路由快速熔斷器及其它保護(hù)元件或電路、可靠隔離元件以及一個(gè)相當(dāng)于具有限壓、限梳功能的二極管安全柵網(wǎng)絡(luò)所組成。

隔離式安全柵通過光、電、磁隔離技術(shù)來實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、模擬量以及數(shù)字通訊的電氣隔離。主要包括電源隔離和信號(hào)隔離兩部分，其中電源隔離是由高效率DC/DC轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的，而信號(hào)隔離固信號(hào)的種類不同有不同的實(shí)現(xiàn)方法，開關(guān)量信號(hào)由光電耦合器進(jìn)行隔離；模擬量信號(hào)隔離通過模擬信號(hào)的調(diào)制解調(diào)來實(shí)現(xiàn)；高速數(shù)據(jù)通訊隔離則由高速的磁隔離器件及相應(yīng)的電子線路來實(shí)現(xiàn)。

隔離式安全柵的特點(diǎn)是不需要本安接地；三端口電隔離可構(gòu)玉成浮空系統(tǒng)，抗干擾能力極強(qiáng)；可將兩線制變送器或操縱器的4-20mA電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之隔離的4-20mA電流信號(hào)，或1=5v的電壓信號(hào)輸出。其缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、造價(jià)高，精度最高為0.1%，不適用于高精度的稱重系統(tǒng)。

2.3 本安電氣設(shè)備的選用原則

（1） 防爆標(biāo)志規(guī)定的等級(jí)是否適用使用危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全要求；
（2） 明確最高輸進(jìn)電壓、電流、功率和最大內(nèi)部電容、電感等參數(shù)；
（3） 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；
（4） 信號(hào)傳輸是以何種方式進(jìn)行；
（5） 本安電氣設(shè)備的最低工作電壓及回路正常工作電流。

2.4 關(guān)聯(lián)設(shè)備（安全柵）的選用原則

（1） 關(guān)聯(lián)設(shè)備的防爆等級(jí)必須下低于本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的防爆標(biāo)志的等級(jí)。

（2） 確定關(guān)聯(lián)設(shè)備的端電阻及回路電阻可以滿足本安現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的最低工作電壓。

（3） 關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的最高開路電壓、最大短路電流、最大功率分別不大于本安設(shè)備故障狀態(tài)下的最高輸進(jìn)電壓、最大輸進(jìn)電流、最大輸進(jìn)功率；而關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的最大外部電容、最大外部電感分別不小于本安設(shè)備最大內(nèi)部等效電容、最大內(nèi)部等效電感的要求。

（4） 確定關(guān)聯(lián)設(shè)備類型，是齊納式安全柵還是隔離型安全柵。

（5） 根據(jù)本安現(xiàn)場(chǎng)儀表的電源及信號(hào)傳輸方式選擇與之相匹配的關(guān)聯(lián)設(shè)備。

2.5 連接電纜的選用原則

（1） 連接電纜為銅芯絞線，且每根芯線的截面積積不小于0.5mm2；

（2） 介電強(qiáng)度應(yīng)能承受2倍本安電路的額定電壓，但下低于500V的耐壓試驗(yàn)。

（3） 連接電纜長度的限制計(jì)算方法如下。

A 電纜最大答應(yīng)分布電容Cc不大于關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的最大外部電容與本安設(shè)備最大內(nèi)部等效電容之差；電纜最大答應(yīng)分布電感Lc不大于關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的最大外部電感與本安設(shè)備最大內(nèi)部等效電感之差。

B 按照：

電纜長度L=電纜最大答應(yīng)分布電容Cc/電纜單位長度分布電容Ck

電纜長度L=電纜最大答應(yīng)分布電感Lc/電纜單位長度分布電感Lk

取兩者中的小值作為實(shí)際配線長度。但多芯電纜，應(yīng)考慮相互疊加影響。

2.6 隔爆型電氣設(shè)備

具有隔爆外殼的電氣設(shè)備其外殼能承受內(nèi)部爆炸性氣體棍古物的爆炸壓力，并阻止內(nèi)部的爆炸向外殼四周爆炸性棍古物傳播。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)考核的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)為隔爆接合面長度和隔爆接合面的間隙。以往在我國衡器同行中，在隔爆型電氣設(shè)備的內(nèi)腔設(shè)計(jì)中，往往分為主腔與接線腔兩部分，現(xiàn)根據(jù)最新GB3836.2-2000國家標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定只需設(shè)置一個(gè)內(nèi)腔，使隔爆型電氣設(shè)備的體積大為減小。

2.7 正壓型電氣設(shè)備

設(shè)備外殼保持內(nèi)部氣體的壓力高于四周爆炸環(huán)境的壓力，且能阻止外部混合物的進(jìn)進(jìn)的具有正壓外殼的電氣設(shè)備。

正壓型電氣設(shè)備的最大特點(diǎn)是，殼體內(nèi)部的氣體壓力高于大氣壓力，使得任何非防爆的設(shè)備均可裝在內(nèi)殼。例如，目前市場(chǎng)上還沒有防爆打印機(jī)，則在稱重系統(tǒng)中就可將打印機(jī)置于正壓型電氣設(shè)備內(nèi)。

3 幾種典型防爆電子秤7的介紹

3.1 復(fù)合本質(zhì)安全型防爆電子秤（ExibIIBT4）

適用范圍：秤體、稱重傳感器、接線盒在易燃易爆1、2類危險(xiǎn)區(qū)，稱重儀表置于安全區(qū)，中間采用關(guān)聯(lián)設(shè)備安全柵連接的臺(tái)秤、地上衡、汽車衡、稱重模塊（料斗秤）、皮帶秤、自動(dòng)裝料秤等各種稱重系統(tǒng)。是目前最為昔遭的防爆形式。供電：交流220v。配置如下：

稱重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線盒——本質(zhì)安全型防爆接線盒。防爆型式一般為：ExiaIICT6。
安全柵——本質(zhì)安全型齊納安全柵。防爆型式一般為：Ex（ia）IIC。
稱重儀表與打印機(jī)——非防爆型式稱重儀表。

3.2 本質(zhì)安全型防爆電子秤（ExibIIBT4）

適用范圍：秤體、接線盒、稱重傳感器、稱重儀表均在易燃易爆1（10）、2（11）類危險(xiǎn)區(qū)的防爆電子秤。供電方式：直流6v（4節(jié)1#干電池內(nèi)置防爆電池盒）或24V直流，系統(tǒng)配置如下：

稱重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器，防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線盒——本質(zhì)安全型防爆接線盒。防爆型式一般為：ExiaIICT6。
稱重儀表——本質(zhì)安全型防爆稱重儀表。內(nèi)置本安型防爆電池盒。防爆型式一般為：

ExibIIBT4（氣體）DIPDTT13（粉塵）

3.3 氣動(dòng)正壓型防爆電子秤（ExpIIBT6）

適用范圍：如呆在易燃易爆危險(xiǎn)區(qū)想設(shè)置打印機(jī)，且秤體、稱重傳感器、稱重儀表、均在易燃易爆1、2類危險(xiǎn)區(qū)的防爆電子臺(tái)秤、電子地上衡、電子汽車衡與稱重模塊（料斗秤、皮帶秤、自動(dòng)裝料秤等各種稱重系統(tǒng)，需配置氣動(dòng)正壓型防爆型式。供電方式：220V，氣源要求：0.4-0.8MPa，開機(jī)10-20m3/h，工作時(shí)≤1m3/h，系統(tǒng)配置如下：

稱重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線盒——本安防爆型式一般為：ExibIIBT4。
正壓儀表主箱——內(nèi)置安全柵、稱重儀表、TP型打印機(jī)。箱體防護(hù)型式一般為：IP54。
正壓氣控副箱——內(nèi)置氣動(dòng)型微正壓控制聯(lián)鎖系統(tǒng)。

3.4 隔爆型防爆電子秤（ExdIIBT4）

適用范圍：秤體、稱重傳感器、稱重儀表均在易燃易爆1、2類危險(xiǎn)區(qū)的防爆電子臺(tái)秤、電子地上衡、電子汽車衡與稱重模塊（料斗秤等）系統(tǒng)。供電方式：交流220V，系統(tǒng)配置如下：

稱重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線盒——本安防爆型式一般為：ExibIIBT4。
隔爆儀表箱——內(nèi)置安全柵、稱重儀表。箱體防護(hù)型式一般為：ExidIIBT4。

3.5 粉塵防爆電子秤（DIPA21T5．DIPB22T4）（DIPDTT13）

適用范圍：秤體、稱重傳感器、稱重儀表、打印機(jī)均在易燃易爆粉塵21、22類危險(xiǎn)區(qū)的防爆電子臺(tái)秤、電子地上衡、電子汽車衡與稱重模塊（料斗秤等）系統(tǒng)。供電方式：交流220V，系統(tǒng)配置如下：

稱重傳感器——本質(zhì)安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。
接線盒——EF/SCS-B，本安防爆型式一般為：ExibIIBT4。
隔爆儀表箱——內(nèi)置安全柵、稱重儀表。箱體防護(hù)型式一般為：IP6X塵密封外殼。

4 我國防爆技術(shù)及產(chǎn)品認(rèn)證體系發(fā)展新趨向

4.1 無火花防爆技術(shù)在危險(xiǎn)2區(qū)最新應(yīng)用

據(jù)最新資料介紹，典型的爆炸性危險(xiǎn)場(chǎng)所被劃分為0區(qū)，1區(qū)和2區(qū)的百分比約為2%、28%和70%。2區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所在正常隋況下，爆炸氣體混合物下可能經(jīng)常性出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也只是短時(shí)間存在。所以2區(qū)場(chǎng)所相對(duì)比較安全，設(shè)計(jì)時(shí)通常只考慮正常工作，不需考慮故障狀態(tài)。但設(shè)備必須滿足真正意義上沒有火花的要求。

為了節(jié)省防爆本錢，歐洲2區(qū)防爆技術(shù)進(jìn)行了長期探索，在技術(shù)概念上實(shí)現(xiàn)了從真正意義上的無火花到廣義無火花的突破。2區(qū)防爆技術(shù)最新標(biāo)準(zhǔn)出版物為無火花型電氣標(biāo)準(zhǔn)IECIEC60079.15：2001、歐洲：EN50021：2000、中國：GB3836.8（報(bào)批稿）（eqvlEC60079.15：2001）。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆技術(shù)與“參量認(rèn)證”

隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在我國產(chǎn)業(yè)稱重控制系統(tǒng)中日益廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)場(chǎng)總線的防爆技術(shù)已引起世界各國高度重視，一種自現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)引出的“多負(fù)荷”本安防爆系統(tǒng)研究應(yīng)運(yùn)而生�，F(xiàn)場(chǎng)總線，顧名思義即可在總線上掛接多種設(shè)備負(fù)載，但本安防爆對(duì)于關(guān)聯(lián)設(shè)備的輸出電壓和電流則必須控制在一定的范圍內(nèi)，因此也就限制了總線上掛接的設(shè)備負(fù)載數(shù)。

另外,由于現(xiàn)場(chǎng)總線上可同時(shí)掛接不同的總線設(shè)備，實(shí)現(xiàn)相互通訊，因而使本安防爆的現(xiàn)場(chǎng)總線必須滿足“可互換性”及“可操縱性：以往，我國防爆柱驗(yàn)技術(shù)機(jī)構(gòu)在防爆取證中采用了所謂的“系統(tǒng)認(rèn)證”法，即要求每一個(gè)具有不同配置的總線系統(tǒng)單獨(dú)進(jìn)行認(rèn)證。這樣造成了大量人力、物力上的浪費(fèi)。近年來，美國、德國等國，應(yīng)用了“參量認(rèn)證”技術(shù)，提出了現(xiàn)場(chǎng)總線本安防爆的新慨念。其主要特點(diǎn)是，對(duì)于經(jīng)過參量認(rèn)證過的本安設(shè)備關(guān)聯(lián)設(shè)備，用戶可自行正當(dāng)?shù)亟M合和評(píng)定本安系統(tǒng)。即用戶可按“參量認(rèn)證”的技術(shù)要求，完成兼容的安全設(shè)計(jì)，使不同的廠商生產(chǎn)的本安設(shè)備均能安全地掛在同一總線上。我國防爆柱驗(yàn)技術(shù)機(jī)構(gòu)目前也正在積極推出這一做法。

4.3 推行IEC體系認(rèn)證

最新的國家標(biāo)準(zhǔn)GB3836.1-20002對(duì)防爆產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的質(zhì)量體系提出要求，改變了以往中國防爆認(rèn)證僅僅進(jìn)行型式柱驗(yàn)，無須對(duì)企業(yè)進(jìn)行體系考核的認(rèn)證模式。