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倍加福P+F安全柵工作原理說明
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1.安全柵
安全柵（safety barrier），接在本質(zhì)安全電路和非本質(zhì)安全電路之間。將供給本質(zhì)安全電路的電壓電流限制在一定安全范圍內(nèi)的裝置。
2.安全柵又稱安全限能器，是本安系統(tǒng)中的重要組成部分。
安全柵主要有齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。
齊納式安全柵的核心元件為齊納二極管，限流電阻及快速熔斷絲。
隔離式安全柵不但有限能的功能，還有隔離功能，它主要由回路限能單元，信號(hào)和電源隔離單元、信號(hào)處理單元組成。安全柵的主要功能為限流限壓，保證現(xiàn)場儀表可得到的能量在安全范圍內(nèi)。
3.安全柵又稱安全保持器。本安回路的安全接口，它能在安全區(qū)（非本質(zhì)安全）和危險(xiǎn)區(qū)（本質(zhì)安全）之間雙向傳遞電信號(hào)，并可限制因故障引起的安全區(qū)向危險(xiǎn)區(qū)的能量轉(zhuǎn)遞。一般安全柵有齊納式和隔離式。
本安型安全柵應(yīng)用在本安防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，它是安裝于安全場所并含有本安電路和非本安電路的裝置，電路中通過限流和限壓電路限制了送往現(xiàn)場本安回路的能量，從而防止非本安電路的危險(xiǎn)能量串入本安電路，它在本安防爆系統(tǒng)中稱為關(guān)聯(lián)設(shè)備，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。
本安防爆系統(tǒng)關(guān)聯(lián)設(shè)備，是指安裝在安全場所，本安電氣設(shè)備與非本安電氣設(shè)備之間的相連的電氣設(shè)備。
由于安全柵被設(shè)計(jì)為介于現(xiàn)場設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無論控制室設(shè)備處于正?；蚬收蠣顟B(tài)，安全柵都能確保通過它傳送給現(xiàn)場設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。
中國國家儀器儀表防爆安全監(jiān)督站是中華人民共和國地區(qū)監(jiān)督生產(chǎn)安全防爆產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)，對(duì)本安型安全柵產(chǎn)品有著嚴(yán)格、科學(xué)、詳細(xì)的規(guī)定，只有通過該監(jiān)督站認(rèn)證的企業(yè)及其所開發(fā)生產(chǎn)的產(chǎn)品才具備符合標(biāo)準(zhǔn)的安全性能，否則可能會(huì)給使用方的設(shè)備、人員和生產(chǎn)造成無可估量的損害。
4.齊納式安全柵
電路中采用快速熔斷器、限流電阻或限壓二極管以對(duì)輸入的電能量進(jìn)行限制，從而保證輸出到危險(xiǎn)區(qū)的能量。
1． 安裝位置必須有非?？煽康慕拥叵到y(tǒng)，顯然這樣的要求是十分的苛刻并在實(shí)際工程應(yīng)用中難以保證。
3． 齊納式安全柵對(duì)電源影響較大，同時(shí)也易因電源的波動(dòng)而造成齊納式安全柵的損壞。
4．由于齊納式安全柵的電路原理需要吸收輸入回路的能量，所以易造成輸出不穩(wěn)定。
隔離式安全柵
采用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結(jié)構(gòu)，同時(shí)符合本安型限制能量的要求。與齊納式安全相比，雖然價(jià)格較貴，但它性能上的突出優(yōu)點(diǎn)卻為用戶應(yīng)用帶來了更大的受益：
1．由于采用了三方隔離方式，因此無需系統(tǒng)接地線路，給設(shè)計(jì)及現(xiàn)場施工帶來極大方便。
2．對(duì)危險(xiǎn)區(qū)的儀表要求大幅度降低，現(xiàn)場無需采用隔離式的儀表。
3．由于信號(hào)線路無需共地，使得檢測和控制回路信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力大大增強(qiáng)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
4．隔離式安全柵具備更強(qiáng)的輸入信號(hào)處理能力，能夠接受并處理熱電偶、熱電阻、頻率等信號(hào)，這是齊納式安全柵所無法做到的。
5．隔離式安全柵可輸出兩路相互隔離的信號(hào)，以提供給使用同一信號(hào)源的兩臺(tái)設(shè)備使用，并保證兩設(shè)備信號(hào)不互相干擾，同時(shí)提高所連接設(shè)備相互之間的電氣安全絕緣性能。
因此，對(duì)比齊納式和隔離式安全柵的特點(diǎn)和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優(yōu)點(diǎn)和更為廣泛用途，雖然其價(jià)格略高于齊納式安全柵，但從設(shè)計(jì)、施工安裝、調(diào)試及維護(hù)成本來考慮，其綜合成本可能反而低于齊納式安全柵。在要求較高的工程現(xiàn)場幾乎無一例外地采用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。
5.應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)
① 隔離式安全柵與齊納式安全柵相比，雖然價(jià)格要高一些，但是它許多優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)還是給用戶帶來許多方便，使越來越多用戶偏向的選擇隔離式安全柵。
②使用隔離式安全柵，可以將危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場回路信號(hào)和安全區(qū)回路信號(hào)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(yīng)用時(shí)的施工。
③ 使用隔離式安全柵，大大增強(qiáng)了檢測和控制回路的抗干擾能力，提高系統(tǒng)可靠性。
④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。
⑤ 隔離式安全柵有許多保護(hù)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(zhǔn)備時(shí)間和減少停車時(shí)間。
⑥隔離式安全柵有較強(qiáng)的信號(hào)處理能力。如開關(guān)量輸入狀態(tài)控制、mV、Pt100變?yōu)?～20mA等等。這樣給現(xiàn)場儀表和控制系統(tǒng)的應(yīng)用提供了更大的方便、合理和有效。
⑦ 當(dāng)用戶同時(shí)應(yīng)用DCS和ESD時(shí)，選用一進(jìn)二出的安全柵，可以有效地將兩個(gè)系統(tǒng)隔離開來，避免系統(tǒng)之間互相影響。
⑧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(diǎn)，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)。
6.倍加福P+F安全柵工作原理說明
齊納式安全柵
齊納安全柵原理示意圖如右圖二，它的原理簡單、電路實(shí)現(xiàn)容易，價(jià)格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其應(yīng)用中的可靠性受到很大影響，并限制了其應(yīng)用范圍，其原因如下：
1．安裝位置必須有非常可靠的接地系統(tǒng)，并且該齊納式安全柵的接地電阻必須小于1Ω，否則便失去防爆安全保護(hù)性能，顯然這樣的要求是十分苛刻并在實(shí)際工程應(yīng)用中難以保證。
2．要求來自危險(xiǎn)區(qū)的現(xiàn)場儀表必須是隔離型，否則通過齊納式安全柵的接地端子與大地相接后信號(hào)無法正確傳送，并且由于信號(hào)接地，直接降低信號(hào)抗干擾能力，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
3．齊納式安全柵對(duì)電源影響較大，同時(shí)也易因電源的波動(dòng)而造成齊納式安全柵的損壞。
7.隔離式安全柵
安全柵的主要功能就是限制安全場所的危險(xiǎn)能量進(jìn)入危險(xiǎn)場所，及限制送往危險(xiǎn)場所的電壓和電流。
齊納管Z用于限制電壓。當(dāng)回路電壓接近安全限壓值時(shí)，齊納管導(dǎo)通，使齊納管兩端的電壓始終保持在安全限壓值以下。電阻R用于限制電流。當(dāng)電壓被限制后，適當(dāng)選擇電阻值，可將回路電流限制在安全限流值以下。
與齊納安全柵相比，隔離式安全柵除具有限壓與限流的作用之外，還帶有電流隔離的功能。隔離柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號(hào)處理單元三部分組成，基本功能電路如圖2所示?；芈废弈軉卧獮榘踩珫诺暮诵牟糠?。此外，輔助有用于驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場儀表的回路供電電路和用于儀表信號(hào)采集的檢測電路。信號(hào)處理單元?jiǎng)t根據(jù)安全柵的功能要求進(jìn)行信號(hào)處理。
工業(yè)現(xiàn)場一般需要采用兩線制傳輸方式的配電器，既要為諸如壓力變送器等一次儀表提供24V 配電電源，同時(shí)又要對(duì)輸入的電流信號(hào)進(jìn)行采集、放大、運(yùn)算、和進(jìn)行抗干擾處理后，再輸出隔離的電流和電壓信號(hào)，供后面的二次儀表或其它儀表使用。但一些特殊的工業(yè)現(xiàn)場不但需要兩線制傳輸，既提供配電電源又有信號(hào)隔離功能，同時(shí)還需要具有安全火花型防爆的性能，可靠地防止電源高壓與信號(hào)之間的混觸，利用電流、電壓雙重化限制回路，把進(jìn)入危險(xiǎn)場所的能量限制在安全定額以下的具有特殊功能的配電器—安全柵。
隔離式安全柵，基本有檢測端安全柵和操作端安全柵兩種類型。檢測端安全柵與兩線制變送器配套使用；操作端安全柵與電氣轉(zhuǎn)換器或電氣閥門配套使用。也有信號(hào)輸入等類型隔離式安全柵。
由于隔離式安全柵采用了限壓、限流、隔離等措施，不僅能防止危險(xiǎn)能量從本安端子進(jìn)入危險(xiǎn)現(xiàn)場，提高系統(tǒng)的本安防爆性能，而且還增加了系統(tǒng)的抗干擾能力，大大提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 24VDC 電源經(jīng)DC-AC-DC變換后，輸出模塊電路所需要的多種電壓。
檢測端隔離式安全柵的原理是：模塊電路將通過本安能量限制電路輸入的電流或電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?.2-1VDC后，送入模塊內(nèi)進(jìn)行采集、放大、運(yùn)算和進(jìn)行抗干擾處理后，再經(jīng)變壓器調(diào)制成輸出隔離的電流和電壓信號(hào)，供后面的二次儀表或其它儀表使用。模塊還需輸出一個(gè)隔離的18.5∽28.5VDC電壓，通過本安能量限制電路做為供給兩線制變送器的工作電壓。本安能量限制電路能限制大電流或高電壓的危險(xiǎn)信號(hào)竄入危險(xiǎn)現(xiàn)場。
操作端隔離式安全柵的原理是：將調(diào)節(jié)器或操作器輸出的4-20mA DC信號(hào)隔離后再輸出4-20mA DC 的信號(hào)，通過本安能量限制電路供給電氣轉(zhuǎn)換器或現(xiàn)場的電氣閥門定位器使用。
8.安全柵是介于現(xiàn)場設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限能電路，用來把控制室供給現(xiàn)場儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的火花，又不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的儀表表面溫度，從而消除了引爆源。在選擇安全柵時(shí)必須考慮其型號(hào)與現(xiàn)場儀表類型相適應(yīng)，還須考慮安全柵與本質(zhì)安全儀表要求相兼容及形成的本安系統(tǒng)中阻抗匹配的問題。我國采用“回路認(rèn)證"這種方式認(rèn)證本安系統(tǒng)，即根據(jù)危險(xiǎn)環(huán)境使用儀表的聯(lián)合qu證情況，選擇已與其聯(lián)合qu證的安全柵，一經(jīng)聯(lián)合qu證，現(xiàn)場儀表與安全柵便固定組合構(gòu)成本安系統(tǒng)。實(shí)踐中，這種方式對(duì)安全柵和現(xiàn)場儀表的選擇有很大的局限性。廣泛采用是進(jìn)年來逐漸形成的一種本質(zhì)安全認(rèn)證技術(shù)，即“參量認(rèn)證"。按照“參量認(rèn)證"方式認(rèn)證的本安設(shè)備和關(guān)聯(lián)設(shè)備需要一組安全參數(shù)，包括：
Vmax― 在正常工作或故障條件下，能接受并能保持其本安性能的最高電壓。
Imax ―在正常工作或故障條件下，能接受并保持其本安性能的最高電流。
Ci―本安現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電容。
Li―本安現(xiàn)場設(shè)備內(nèi)部未被保護(hù)的電感。
Pmaxo ―關(guān)聯(lián)設(shè)備允許輸入的最大功率。
“參量認(rèn)證"關(guān)系式為：Vmax>Voc，Imax>Isc，Pmaxi>Pmaxo，Ci+Cc結(jié)合“參量認(rèn)證"可知安全柵的選用：1）與安全柵相連的安全設(shè)備的工作電壓不得超過安全柵的最高允許電壓。否則，應(yīng)采用光電隔離等技術(shù)使之與系統(tǒng)隔離開來，或者采用隔離安全柵；2）“參量認(rèn)證"公式的Vmax，Imax，Pmaxi即為本安現(xiàn)場設(shè)備的正常參數(shù)，選用時(shí)應(yīng)該逐一對(duì)比。3）“參量認(rèn)證"公式中引入Cc，Lc這兩個(gè)變量實(shí)際是引出了控制電纜的選用問題，從而限制了電纜長度。實(shí)際使用中還應(yīng)考慮阻抗匹配問題。最后的公式中，Ra安全柵阻抗，Rl電纜阻抗，安全儀表的允許負(fù)載阻抗Ro，對(duì)于輸出回路，作為安全儀表的調(diào)節(jié)器或I/O卡的輸出通道等，它們的允許負(fù)載阻抗是制造廠商提供的。對(duì)于輸入回路，作為安全儀表的顯示儀表或I/O卡的輸入通道等，它們的允許負(fù)載阻抗取決于其輸出電壓和現(xiàn)場儀表的無負(fù)載工作電壓。無論輸入還是輸出回路，選用安全柵時(shí)其阻抗?jié)M足上式即可保證回路的正常工作。
9.按照“參量認(rèn)證"的關(guān)系式選用的安全柵，理論上可以保證正常工作，實(shí)際使用時(shí)還必須注意以下問題：
1、所選用的齊納安全柵應(yīng)已經(jīng)防爆檢測機(jī)構(gòu)防爆認(rèn)證，并有防爆合格證書。
2．根據(jù)工作現(xiàn)場所屬的危險(xiǎn)區(qū)域( 0區(qū)、1區(qū)、2區(qū))，氣體級(jí)別和溫度組別來選擇齊納安全柵的防爆等級(jí)( 安全柵防爆標(biāo)志) ，使其符合上述的防爆環(huán)境，由安全柵來限制傳輸?shù)浆F(xiàn)場的能量，確?，F(xiàn)場安全。
3．根據(jù)現(xiàn)場使用儀表的工作電壓和工作電流對(duì)地的極性，選擇齊納安全柵的極性(正極性、負(fù)極性或交流極性）。
4．根據(jù)信號(hào)傳輸線路的數(shù)量，選擇齊納安全柵的通道數(shù) (單通道、雙通道、三通道) , 由安全柵的通道對(duì)傳輸線路進(jìn)行保護(hù)。
5．根據(jù)二次儀表供電電壓的大小，選擇齊納安全柵的工作電壓，供電電壓應(yīng)小于或等于齊納安全柵的工作電壓。對(duì)于波動(dòng)范圍大的供電電壓，則應(yīng)當(dāng)選擇工作電壓范圍大的齊納安全柵型號(hào)。根據(jù)現(xiàn)場儀表電壓和電流的大小，選擇齊納安全柵的端電阻。在最大工作電流時(shí)安全柵的端電阻引起的壓降應(yīng)不影響現(xiàn)場儀表工作電壓的要求，保證現(xiàn)場儀表能正常工作。
6．當(dāng)供電電壓為DCS 系統(tǒng)中卡件直接供電時(shí)，請?jiān)敿?xì)查閱DCS系統(tǒng)中的供電卡件資料。注意供電卡件中往往串接一只限流電阻，當(dāng)使用齊納安全柵時(shí)，此限流電阻應(yīng)引以充分的重視。選用電阻限流式齊納安全柵時(shí)應(yīng)把串入的電阻去掉用熔絲或開關(guān)代替，選用電子限流式齊納安全柵時(shí)，此電阻值不能大于180Ω，否則由于供電回路電阻太大，造成現(xiàn)場儀表供電電壓太低而不能工作。有些DCS系統(tǒng)卡件供電電路中裝有一個(gè)限流電路，當(dāng)使用齊納安全柵則不能選用有功耗的齊納安全柵，一旦卡件供電電路限流值小于齊納安全柵的工作電流時(shí)，則會(huì)造成齊納安全柵無法工作。
7．本質(zhì)安全防爆實(shí)質(zhì)上是系統(tǒng)防爆，所以現(xiàn)場儀表和齊納安全柵一起由防爆檢測機(jī)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)防爆qu證，(術(shù)語：聯(lián)合qu證安全柵是本質(zhì)安全防爆系統(tǒng)的一種關(guān)聯(lián)設(shè)備，它的設(shè)計(jì)制造都嚴(yán)格按照國家有關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，并要經(jīng)正規(guī)防爆檢測機(jī)構(gòu)防爆鑒定qu證后才能生產(chǎn)使用。)根據(jù)防爆檢測機(jī)構(gòu)給出的最大電纜參數(shù)值Cc、Lc的大小，計(jì)算出電纜長度、型號(hào)、滿足傳送距離的要求。
10.典型氣體分組標(biāo)準(zhǔn) 點(diǎn)燃特性
中國、IEC、歐洲北美
甲烷Ⅰ
乙炔ⅡC A
氫氣ⅡC B
乙烯ⅡB C
丙烷ⅡA D
爆炸性危險(xiǎn)場所的區(qū)域劃分
在安全防爆系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及防爆產(chǎn)品的選型中，除了需要對(duì)爆炸性環(huán)境中存在的氣體進(jìn)行分級(jí)、分組外，還應(yīng)根據(jù)爆炸性氣體出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間對(duì)爆炸性氣體危險(xiǎn)場所進(jìn)行區(qū)域劃分：
0區(qū)
爆炸性氣體混合物連續(xù)地或長時(shí)間地存在的場所。
1區(qū) 爆炸性氣體混合物有可能出現(xiàn)的場所
2區(qū) 爆炸性氣體混合物不可能出現(xiàn)，或即使出現(xiàn)也是短時(shí)間存在的場所
本公司產(chǎn)品適用于0區(qū)，同時(shí)適用1區(qū)和2區(qū)。
隔離式安全柵的安裝
色標(biāo)：
黃色端（非本安側(cè)）接線通往安全區(qū)。
藍(lán)色端（本安側(cè)）接線通往危險(xiǎn)區(qū)。
11.使用注意
本安系統(tǒng)除了要選擇合適的安全柵外，使用的時(shí)候要注意以下幾個(gè)方面：
第一，要注意線纜和現(xiàn)場設(shè)備的容抗和感抗，本安防爆是系統(tǒng)防爆，除了安全柵需要達(dá)到所需的 防爆等級(jí)外，線纜和現(xiàn)場設(shè)備的蓄能也是一個(gè)關(guān)鍵問題。特別是在參量認(rèn)證替代系統(tǒng)認(rèn) 證后，工程商尤其要注意這個(gè)問題。
第二，要注意本安接地，齊納安全柵需要本安接地，接地電阻應(yīng)小于1。
第三，本安線纜與非本安線纜應(yīng)分開敷設(shè)在不同的線槽里。并應(yīng)有明顯標(biāo)識(shí)。
第四，更換時(shí)應(yīng)注意斷電
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