在全球范圍內，隨著技術的廣泛應用和越來越先進，關鍵過程控制設備的關注點正在發(fā)生變化。 傳感器遍布于我們的生活中。從我們的家具到把我們從一處運送到另一處的汽車，再到檢測工業(yè)流程的自動化設備和控制系統(tǒng)，傳感器無處不在。然而，就像大多數(shù)元件一樣，它們是整體的一部分，系統(tǒng)中的元件越來越復雜。當時用于危險環(huán)境中時，需要對應用有一個全面的了解以及嚴格的選型。 　　 American Sensor Technologies公司的商業(yè)發(fā)展副總裁Karmjit Sidhu評述說：對于危險環(huán)境，有很多因素需要考慮，在這些危險環(huán)境下安全地使用傳感器變成了一種很難卻又必做之事。Rockwell Automation公司的T哣認證的功能安全專家Art Pietrzyk補充道：“我們正在降低危險系數(shù)，但是危險仍舊是危險。改變的只是我們所采取的安全措施。精密的儀器和更統(tǒng)一的標準給安全帶來新的轉機。” 　　 危險環(huán)境用傳感器包括在很多應用場合下以不同方式使用的多種設備。然而，它們有一些共同點，最顯著的就是他們都需要選擇和安裝保護體系，以及用于確保其安全使用的標準。 [align=center] 圖1：為了安全運行，用于危險區(qū)域的傳感器必須設計使其和使用環(huán)境相配。 選擇和安裝過程中的一個關鍵點在于，考慮到如何將元件整合到系統(tǒng)之中， 這些元件很少單獨工作。[/align] 經(jīng)典方法 　　 如果正確選型和使用，大多數(shù)設備可以安全運行。關鍵就在于對具體應用的理解，一臺Class I, Div. 1等級的用于危險環(huán)境的設備可能并不適用于另一個同樣等級的環(huán)境，例如有毒環(huán)境。Sidhu警告道：“這是一種濫用和誤解，會帶來問題。最終用戶需要知道他到底選擇了什么，和他選擇的東西到底可以用于什么環(huán)境。明確儲罐內放置的是什么，不要依賴外殼上所寫的。你的應用也許并不需要經(jīng)過認證的設備，但是謹慎起見，使用經(jīng)認證的設備也無妨。” 　　 為了安全地運行，危險區(qū)域內使用的傳感器必須針對其所使用的環(huán)境專門設計。通常，有三種方法：選擇本安設備，使用隔爆外殼或正壓隔離系統(tǒng)。（根據(jù)應用的不同，這些危險區(qū)域內使用的傳感器并不能只考慮這些信息，還須對于特殊的環(huán)境進行研究并作相應補充。） 　　 設計成本質安全（IS）的傳感器對能量作了限制，使其不足以引燃相應等級的危險氣體。一致性檢查確保IS-等級的設備已經(jīng)經(jīng)過檢測以及確定多少能量會引起動作。IS設備通常使用一種叫做安全柵的“外部設備”，用于限制電流，進而限制故障狀態(tài)下電路中的能量。 　　 一個被動安全柵通過防止過壓和限制電流來實現(xiàn)保護機制。如果4-20mA信號線上發(fā)生了短路，安全柵會防止引燃。Macro Sensors首席應用工程師Ed Herceg說：“每一個本安設備都必須由安全柵供電。但并不是所有的安全柵都一樣。有很多種類的安全柵，你必須根據(jù)設備的整體參數(shù)來配接相應的安全柵，以確保你為設備選擇了合適的安全柵。否則，你可能并沒有被保護。然而，時至今日，我聽說而且也相信，沒有一場發(fā)生在危險區(qū)域內的爆炸或火災是由本安設備的失效引起的。” 　　 在Class I, Div. 2危險區(qū)域內，有時也會用非易燃設備、儀器和現(xiàn)場布線來代替本安設備。傳感器可以放在隔爆外殼中，一旦問題發(fā)生，外殼能承受住預期的爆炸壓力，并將爆炸限制在外殼內，不會傳爆。隔爆技術已經(jīng)很成熟了，只要安裝正確，在所需傳感器沒有本安型版本時，隔爆型也是一個可行的選擇。 　　 正壓隔離系統(tǒng)也可以用于阻止傳感器和其他設備在危險區(qū)域內發(fā)生爆炸。正壓隔離系統(tǒng)有很多類型，但是最關鍵的是這種系統(tǒng)都要引入不易點燃的氣體（惰性氣體）例如氮氣或者二氧化碳，在導管、元件和設備中通過，防止可燃性氣體進入。一種衍生的方法是通過將系統(tǒng)密封，根本沒有空間存在可燃性氣體。 　　 Everight Precision公司的總裁Les Schaevitz說：“總體上來說，危險區(qū)域內的傳感器要么將其電氣部分放置于隔爆外殼內，要么將其電氣部分設計成本安型。通常，將本安設備放置在危險區(qū)域內比使用一個隔爆外殼要便宜一些，雖然兩種方法都有些昂貴。除了價格因素，本安設備（配接安全柵）通常更受歡迎，因為它去除了爆炸的可能性。很多用戶不希望存在潛在問題，哪怕發(fā)生在隔爆外殼內也不行。” [align=center] 圖2：FM Approvals的一個實驗室進行的一項受控粉塵爆炸顯示了可燃氣體 和粉塵點燃時會發(fā)生什么。FM Approvals是FM全球集團的一個成員， 對危險區(qū)域傳感器進行認證，防止類似事故的發(fā)生。[/align] 標準 　　 用戶如果要采購危險區(qū)域用傳感器，必須選擇那些帶有當?shù)匾恢滦詸z查機構認可標志的設備。在北美，用于危險區(qū)域的傳感器須經(jīng)獨立實驗室測試并分級，例如UL（美國保險商實驗室）、FM（工廠互助保險公司）和CSA（加拿大標準協(xié)會），采用諸如美國消防協(xié)會的美國國家電氣規(guī)范（NFPA 70）之類的標準。美國國家電氣規(guī)范符合美國大多數(shù)的工況，將危險區(qū)域分成三種：蒸汽和氣體（Class I）；粉塵，例如煤和面粉（Class II）；纖維（Class III）。Division用于區(qū)分危險環(huán)境出現(xiàn)的頻度：在正常工作情況下會出現(xiàn)（（Div. 1）；通常情況下不會出現(xiàn)（Div. 2）。進一步細化（Group）用于區(qū)分具體危險介質（氫氣、乙炔等）。 　　 在歐洲，CENELEC（歐洲電氣標準化委員會）負責管理標準。但是近期，此工作由ATEX指令（潛在爆炸危險環(huán)境用設備）接管。日本有自己的標準化組織，亞洲的很多區(qū)域也有著自己的標準。IEC（國際電工委員會）實時發(fā)布國際標準，致力于“國際標準和政府、商業(yè)和社會的一切電氣、電子和相關技術的一致性評定工作。” 　　 結果就是在全球經(jīng)濟大環(huán)境下，有很多標準共存，這給傳感器的選型、應用、設計和銷售帶來了麻煩。Macro Sensors公司的Herceg解釋道：“問題之一是，你的產(chǎn)品可以在美國和加拿大銷售，但卻不能進入歐洲或者巴西的市場。這對標準的改變產(chǎn)生了以定的推動作用。今天，用戶的產(chǎn)品取得了認證，但明天卻發(fā)現(xiàn)在很多區(qū)域內不能銷售，原因就是標準改變了。” 　　 Honeywell Sensing and Control公司的安全開關和隔爆性防爆開關生產(chǎn)經(jīng)理Leslie Neill說：“IEC最有可能實現(xiàn)全球標準統(tǒng)一。雖然在過去幾年歐洲的ATEX指令占據(jù)主導地位，但是最近IEC頒布了IECEx標準，力圖使世界范圍內的認證統(tǒng)一化。每一個不同的標準化體系就像一把傘，這些傘都有交叉的區(qū)域，如果你愿意的話，IECEx要用一把大傘把所有這些小傘都涵蓋其下。然而，我相信，至今只有一個國家愿意將IECEx標準作為唯一的國家標準，那就是澳大利亞。” 圖3：危險區(qū)域傳感器有很多種類型，用于各種場合、具有各種認證，并且在全球范圍內評級。其中的一些是：（1）來自American Sensor Technologies的AST4600防爆傳感器，具有CSA認證，可以抵御大幅振動、極限溫度以及氫的爆炸；（2）Macro Sensors的HLR750系列LVDT（現(xiàn)行變量微分傳感器），可用于汽輪和液輪機，還可以在由UL/ULC評分為Class 1，Division 2，Group A，B，C，D和Class 1，Zone 2，Group IIC的危險環(huán)境下工作；（3）壓力傳感器剖面顯示了用于避免危險介質穿透傳感器膜片的設計方案。 一體化 　　 Everight公司的Schaevitz補充說：“全球標準的現(xiàn)狀可能會因世界范圍內的區(qū)域性認證體系而調整。但是最好這種調整是朝著一體化的方向，因為工業(yè)的發(fā)展是全球化的。我們相信ATEX模型正在朝著一體化的方向努力，因為它頒布了‘國際’標準。而且制定了ATEX標準的歐共體成員國長期以來有著緊密的經(jīng)濟和文化紐帶，并期待與世界范圍內的其它國家進一步整合，當然，沒有哪些國家像歐洲一樣統(tǒng)一步調了。” 　　 當前，歐盟承認ATEX認證，不接受其他認證體系，雖然很多人認為UL、FM和CSA認證和ATEX認證甚至比ATEX認證更嚴格。與美國的Class/Division分級制類似，ATEX區(qū)域劃分體系包括在正常工作條件下可燃性氣體或蒸汽的點燃危險持續(xù)存在或長期存在的0區(qū)；危險間歇性存在的1區(qū)以及只有在故障或非常規(guī)情況下才會出現(xiàn)危險的2區(qū)。 　　 FM全球組織成員，F(xiàn)M認證的危險區(qū)域的技術團隊經(jīng)理Tim Adam指出：“在過去十或者二十年，對于分區(qū)制的接受很緩慢，有3個Zone和2個Division對應。基于這點，F(xiàn)M在認證時同時考慮Zone的要求和北美的class/division制。” 　　 Adam發(fā)現(xiàn)最近客戶的反饋中反映了對全球標準化統(tǒng)一的需求，因為制造商開始面向世界范圍內進行銷售。他說：“我們開始將這種需求考慮在內，我們針對美國和加拿大進行認證。我們也在英國開設了辦公室，可以使用ATEX標準進行認證，所以我們也可以對準備在歐洲市場上銷售的產(chǎn)品進行認證。我們時刻牢記市場時效性對客戶的重要意義，盡可能地快速完成認證工作。” 　　 大多數(shù)等同標準變成了同一主題下的并列選項，這支持了標準全球化。Honeywell Sensing and Control公司的營銷戰(zhàn)略主管Bob Nickels說道：“一些產(chǎn)品只可以在歐洲銷售，而UL/CSA絕不會認可這些產(chǎn)品在美國使用，反之亦然。我們對同一個開關有ATEX和UL/CSA兩種版本。這對于庫存來說是個噩夢，而且申請這些認證都回帶來巨大的花費。如果我們想要開發(fā)一種新產(chǎn)品，我們必須決定要在那里銷售這種產(chǎn)品。設計工程師需要針對所有的相關要求展開設計工作，在開發(fā)完成后，必須通過其目標市場所在區(qū)域要求的認證程序。” 　　 公司對于標準統(tǒng)一化的要求主要是出于這個原因。Nickels堅持說：“設備的物理結構并沒有變化，改變只在于描述的方法和實驗的方法。如果我們對此達成了共識，那么所謂的串級的、并行的、繁冗的實驗就都不需要了。一旦物理上的基本要求滿足了，供應商就可以在任何地方銷售其產(chǎn)品。長遠來看，我認為工業(yè)界將要著眼于標準全球化。” 改變 　　 危險區(qū)域用傳感器的全球銷售應該針對其銷售區(qū)域進行審核、分級和認證。圖表顯示了UL-CSA認證體系（以Honeywell LSX限位開關為例）和ATEX認證體系（以Honeywell BX產(chǎn)品為例）的區(qū)別。 這些設備都是同一種開關，卻有不同點：一臺在BX設備的左側帶有加緊裝置，這要求使用專用工具打開開關的殼體，還需在開關頂部安裝接地裝置，便于目測檢查。和美國不同，歐洲的現(xiàn)場不是必須連接到固定的鐵導體，所以歐洲的工礦現(xiàn)場認為不是自動接地的。隔爆限位開關的BX和LSX線用于北美和歐洲石化和離岸鉆井設備中的閥體控制。 未來展望 　　 全球化和統(tǒng)一化都會被技術進步影響。FM的Adam指出：“傳感器的變化并不是只發(fā)生在設備本身，也給控制循環(huán)帶來了變化。設備可以做的事情更多了。相應的，我們也必須考慮的更多。我們需要確保這些改進并沒有帶來更多的危險。” 　　 傳感技術是一門成熟的技術，Honeywell公司的Nickles承認道：“工作的原理沒變，但是周邊部件和支持元件更先進了。30到40年以前，我們沒有固態(tài)器件，每一個傳感功能都是通過機電接觸或類似的機制實現(xiàn)。現(xiàn)在我們有通訊網(wǎng)絡和針對危險區(qū)域設計的系統(tǒng)。這些減少了系統(tǒng)的花費，并允許在工廠或系統(tǒng)內使用更多的傳感器。” 　　 Rockwell Automation公司的產(chǎn)品市場經(jīng)理Camilo Aladro回應Nickels說：“25年以前，開關功能主要是由機電設備完成的。像IEC61508（與安全相關的電氣/電子/可編程電子系統(tǒng)的功能安全）之類的新標準出現(xiàn)了，為了適應新型基于未處理器的敏捷設備。因為微處理器在微電壓下工作，他們幾乎是天生的本安型，至少在運算部分是。而且微處理器中的電壓也有所降低，從以前的5V降低到現(xiàn)在的3.3V或1.8V。” 　　 危險永遠不會完全消失。Aladro繼續(xù)說道：“危險氣體永遠需要謹慎處理。我們要關注接近危險區(qū)域的方法，減少危險性。應運而生的智能型設備就能做到這一點。傳感器正在被設計成或者二次設計成智能的，具有諸如校核的能力。結果是智能型設備可以自檢，確保其工作正常。” 　　 危險區(qū)域內的傳感器是安全控制系統(tǒng)的關鍵部件。Rockwell公司的Pietrzyk總結道：“今天我們采用基于性能的過程標準，而不是基于指令的標準。基于性能的標準開始與危險分析/評估，然后確定危險等級就有依據(jù)了。除了保障人身安全，安全本身也可以看成一份生意，因為如果你的設備不出現(xiàn)問題，你就可以獲利。” 危險區(qū)域內的安全傳感 　　 QComp Technologies, Greenville, WI.公司的總經(jīng)理Doug Rutz說，這種儀表柜和相應的傳感器控制著Class I, Div 2危險區(qū)域內的一臺很大的氣體壓縮機。OEM設備可以將多種可燃氣體壓縮用于多種用途。他解釋道：“316不銹鋼面板暴露在外，只有一個簡單的雪頂用于防護，它實際上是為了在蒙大拿安裝使用的，機柜內部加熱，而外部看到的只有-30°F。” 機柜的面板達到IP65（NEMA 4X）防護等級，因為設備暴露于風雪、雨和粉塵環(huán)境中。雖然Precision Digital公司的儀表在不易燃的Class I, Div. 2環(huán)境下使用，但是要求使用客戶定制的316不銹鋼蓋板的HMI卻易燃。為了確保安全，面板后面的75-cu-ft區(qū)域要用壓縮空氣保護。 　　 Rutz說：“我們喜歡這臺設備，因為一臺就可以通過設置滿足我們所有的要求。循環(huán)指示器可以重新設置，而無須從面板上拆除。如果客戶想要改變量程，從前面板上進行設置也同樣很簡單。我們使用一臺儀表指示壓力、抽氣、溫度和馬達電流。”