摘要：本文以深入淺出的方法，從防爆技術的基礎知識入手，循序漸進地介紹了防爆技術在工業電子秤中的設計與選用，并介紹了目前世界上防爆技術的最新發展，以供衡器同行設計以及用戶選用防爆電子秤時參考。 關鍵詞：防爆技術 本質安全型 隔爆型 正壓型 無火花型 前言 隨著我國工業生產的飛速發展以及與世界先進工業技術的接軌，防止事故性爆炸的工業現場安全性問題，已引起了我國政府的高度重視。特別是近幾年在石油化工、煤礦等行業的事故頻頻發生，各種關于工業現場安全性問題的強制性法律法規亦相繼出臺。我國衡器行業如何為工業現場安全性服務，已成為迫在眉睫的大事。下文就防爆技術在工業電子秤中的應用作一介紹。 1 防爆基礎 1.1 防爆電子秤應用范圍 工業領域主要的易燃易爆場所如下： 1.2 電子秤引燃引爆的起固 電子秤的三大組成部分，電阻應變式稱重傳感器、接線盒與稱重儀表電氣回路及其周圍環境可能燃引爆的固素為． 1.2.1 點燃源． （1）短路、斷路，產生瞬間火花； （2）觸點操作引起火花 （3）靜電旗電、磨擦產生火花； （4）導線、元器件過熱造成表面溫度升高。 1.2.2 爆炸性物質——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：本質安全型（“ia”，“ib”） ●采取隔爆保護外殼：隔爆型（“d“）； ●采取IP防護外殼設計的：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”）； ●采取特定結構的：增安型（“e”）、無火花型（“n”）； ●采取特殊設計的：特殊型（“s”） 電子秤常用的防爆型式為： 本質安全型（包括復合本安型）、隔爆型、正壓型、增安型以及無火花型等。 1.4 易燃易爆危險場所的劃分 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 1.7 可燃性氣體引燃溫度等級 1.8 主要爆炸性氣體的分類 1.9 氣體防爆標記 舉例：ExibIIDT4為ib類本質安全型，氣體等級為IID類，引燃溫度T4級，可適用于1區或2區的防爆設備。 1.10 粉塵防爆型式分類以外殼保護的粉塵防爆電氣設備與外殼防護等級（IP）直接有關。防護等級表示如下 一般情況下，防爆電氣設備中帶有裸露帶電導體的外殼防護等級至少應為IP54，帶有絕緣蟑部件的外殼要求不低于IP44。戶外使用的設備其外殼防護等要求IP54或更高一些。例如：IP54表示進入灰塵量下影響設備正常運行，向外殼各方面濺水無有害影響。 最新粉塵防爆標準簡介（GBl2476-2000）如下： （1） 防爆標志：以外殼保護的粉塵防爆電氣設備新標準仍采用符號“DIP：取消了原標志符號DT/DP。 （2） 可采用歐洲和北美標準規定的A，B兩種設備分類方法。即歐洲AA型設備采取適宜的防塵等級，并在5mm厚粉塵層堆積隋況下確定設備表面溫度；北BD型設備采用類似于隔爆面的防塵設計方法，并在12.5mm厚粉塵層堆積隋況下確定設備表面溫度。 （3） 危險區域：區域劃分由原來的10，11二個區修改為20，21，22三個區域，與氣體環境劃區方法（0，1，2）相適應。 （4） 溫度級別：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類區域、T5溫度級別的粉塵防爆電氣設備； DIPB22T4表示采用北美B型、22類區域、T4溫度級別的粉塵防爆電氣設備。 2 節嚴重防爆系統設計與選用 2.1 本質安全電氣設備及系統 本質安全電氣設備指其內部所有電路在規定的條件下，產生的火花或熱效應均不可能引爆。本質安全防爆系統由以下三部分組成： A 現場本質安全設備——按本安防爆要求，對儲能元件回路作特殊設計，使現場設備下會產生由火花或熱源引起爆炸。 B 連接電纜——避免外界電磁場干擾影響，限制電纜分布參數。 C 關聯設備——安全柵，將從安全區的非本安回路傳到危險區的本安設備的能量限制在點火極限范圍內。 2.2 安全柵 2.2.1 基本形式 以功能可分為四種：模擬信號用、開關/數宇信號用、通訊功能用、現場總線用安全柵。 以結構形式可分為兩種：齊納式安全柵、隔離式安全柵。 安全柵是充當危險區儀表和控制室儀表之間的“界面”。安全柵本身并不是本質安全的，不可以直接安裝在危險區。安全柵必須安裝在安全區或采用隔爆裝置進行保護后安裝在危險區。 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）。 正常操作條件下，非本安端1．2之間所加的電壓低于最高電壓Vmax，此時VDl、VD2處于下導通狀態，是“開路”狀態，只要漏電流小于規定值，安全柵電路下會影響系統的正常工作。當非本安端發生故障，例如在非本安端1、2之間混入高電壓，使齊納二極管VDl，VD2反向擊穿，呈“導通”狀態，此時齊納：極管VDl、VD2把混入的高電壓限制在齊納電壓上，在安全柵的本安端3、4上下會出現高電壓。齊納二極管一旦導通后，其電流急劇上升把串聯在電路中的熔斷器FAl瞬時熔斷，切斷了至現場的高電壓，防止了高電壓引爆的危險，從而保護了現場設備及人目的安全。當現場（危險區）發生故障， 例如負載短路了，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電流值以內，這個電流值是安全值，現場也是安全的。 齊納安全柵的特點是電路簡單、安全可靠，模擬量精度損失極小，因可用于有精度要求的場合，例如稱重傳感器系統。其缺點是：現場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元件或電路、可靠隔離元件以及一個相當于具有限壓、限梳功能的二極管安全柵網絡所組成。 隔離式安全柵通過光、電、磁隔離技術來實現開關量、模擬量以及數字通信的電氣隔離。主要包括電源隔離和信號隔離兩部分，其中電源隔離是由高效率DC/DC轉換器構成的，而信號隔離固信號的種類不同有不同的實現方法，開關量信號由光電耦合器進行隔離；模擬量信號隔離通過模擬信號的調制解調來實現；高速數據通信隔離則由高速的磁隔離器件及相應的電子線路來實現。 隔離式安全柵的特點是不需要本安接地；三端口電隔離可構成全浮空系統，抗干擾能力極強；可將兩線制變送器或操作器的4-20mA電流信號轉換成與之隔離的4-20mA電流信號，或1=5v的電壓信號輸出。其缺點是電路復雜、造價高，精度最高為0.1%，不適用于高精度的稱重系統。 2.3 本安電氣設備的選用原則 （1） 防爆標志規定的等級是否適用使用危險場所的安全要求； （2） 明確最高輸入電壓、電流、功率和最大內部電容、電感等參數； （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） 信號傳輸是以何種方式進行； （5） 本安電氣設備的最低工作電壓及回路正常工作電流。 2.4 關聯設備（安全柵）的選用原則 （1） 關聯設備的防爆等級必須下低于本安現場設備的防爆標志的等級。 （2） 確定關聯設備的端電阻及回路電阻可以滿足本安現場設備的最低工作電壓。 （3） 關聯設備在故障狀態下的最高開路電壓、最大短路電流、最大功率分別不大于本安設備故障狀態下的最高輸入電壓、最大輸入電流、最大輸入功率；而關聯設備在故障狀態下的最大外部電容、最大外部電感分別不小于本安設備最大內部等效電容、最大內部等效電感的要求。 （4） 確定關聯設備類型，是齊納式安全柵還是隔離型安全柵。 （5） 根據本安現場儀表的電源及信號傳輸方式選擇與之相匹配的關聯設備。 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） 介電強度應能承受2倍本安電路的額定電壓，但下低于500V的耐壓試驗。 （3） 連接電纜長度的限制計算方法如下。 A 電纜最大允許分布電容Cc不大于關聯設備在故障狀態下的最大外部電容與本安設備最大內部等效電容之差；電纜最大允許分布電感Lc不大于關聯設備在故障狀態下的最大外部電感與本安設備最大內部等效電感之差。 B 按照： 電纜長度L=電纜最大允許分布電容Cc/電纜單位長度分布電容Ck 電纜長度L=電纜最大允許分布電感Lc/電纜單位長度分布電感Lk 取兩者中的小值作為實際配線長度。但多芯電纜，應考慮相互疊加影響。 2.6 隔爆型電氣設備 具有隔爆外殼的電氣設備其外殼能承受內部爆炸性氣體棍古物的爆炸壓力，并阻止內部的爆炸向外殼周圍爆炸性棍古物傳播。 產品設計考核的基本結構參數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，在隔爆型電氣設備的內腔設計中，往往分為主腔與接線腔兩部分，現根據最新GB3836.2-2000國家標準明確規定只需設置一個內腔，使隔爆型電氣設備的體積大為減小。 2.7 正壓型電氣設備 設備外殼保持內部氣體的壓力高于周圍爆炸環境的壓力，且能阻止外部混合物的進入的具有正壓外殼的電氣設備。 正壓型電氣設備的最大特點是，殼體內部的氣體壓力高于大氣壓力，使得任何非防爆的設備均可裝在內殼。例如，目前市場上還沒有防爆打印機，則在稱重系統中就可將打印機置于正壓型電氣設備內。 3 幾種典型防爆電子秤7的介紹 3.1 復合本質安全型防爆電子秤（ExibIIBT4） 適用范圍：秤體、稱重傳感器、接線盒在易燃易爆1、2類危險區，稱重儀表置于安全區，中間采用關聯設備安全柵連接的臺秤、地上衡、汽車衡、稱重模塊（料斗秤）、皮帶秤、自動裝料秤等各種稱重系統。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——本質安全型防爆傳感器。防爆型式一般為：ExibIIBT4。 接線盒——本質安全型防爆接線盒。防爆型式一般為：ExiaIICT6。 安全柵——本質安全型齊納安全柵。防爆型式一般為：Ex（ia）IIC。 稱重儀表與打印機——非防爆型式稱重儀表。 3.2 本質安全型防爆電子秤（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）類危險區的防爆電子秤。供電方式：直流6v（4節1#干電池內置防爆電池盒）或24V直流，系統配置如下： 稱重傳感器——本質安全型防爆傳感器，防爆型式一般為：ExibIIBT4。 接線盒——本質安全型防爆接線盒。防爆型式一般為：ExiaIICT6。 稱重儀表——本質安全型防爆稱重儀表。內置本安型防爆電池盒。防爆型式一般為： ExibIIBT4（氣體）DIPDTT13（粉塵） 3.3 氣動正壓型防爆電子秤（ExpIIBT6） 適用范圍：如呆在易燃易爆危險區想設置打印機，且秤體、稱重傳感器、稱重儀表、均在易燃易爆1、2類危險區的防爆電子臺秤、電子地上衡、電子汽車衡與稱重模塊（料斗秤、皮帶秤、自動裝料秤等各種稱重系統，需配置氣動正壓型防爆型式。供電方式：220V，氣源要求：0.4-0.8MPa，開機10-20m3/h，工作時≤1m3/h，系統配置如下： 稱重傳感器——本質安全型防爆傳感器。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——內置安全柵、稱重儀表、TP型打印機。箱體防護型式一般為：IP54。 正壓氣控副箱——內置氣動型微正壓控制聯鎖系統。 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類危險區的防爆電子臺秤、電子地上衡、電子汽車衡與稱重模塊（料斗秤等）系統。供電方式：交流220V，系統配置如下： 稱重傳感器——本質安全型防爆傳感器。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——內置安全柵、稱重儀表。箱體防護型式一般為：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、打印機均在易燃易爆粉塵21、22類危險區的防爆電子臺秤、電子地上衡、電子汽車衡與稱重模塊（料斗秤等）系統。供電方式：交流220V，系統配置如下： 稱重傳感器——本質安全型防爆傳感器。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——內置安全柵、稱重儀表。箱體防護型式一般為：IP6X塵密封外殼。 4 我國防爆技術及產品認證體系發展新趨向 4.1 無火花防爆技術在危險2區最新應用 據最新資料介紹，典型的爆炸性危險場所被劃分為0區，1區和2區的百分比約為2%、28%和70%。2區危險場所在正常隋況下，爆炸氣體混合物下可能經常性出現，或即使出現也只是短時間存在。所以2區場所相對比較安全，設計時通常只考慮正常工作，不需考慮故障狀態。但設備必須滿足真正意義上沒有火花的要求。 為了節省防爆成本，歐洲2區防爆技術進行了長期探索，在技術概念上實現了從真正意義上的無火花到廣義無火花的突破。2區防爆技術最新標準出版物為無火花型電氣標準IECIEC60079.15：2001、歐洲：EN50021：2000、中國：GB3836.8（報批稿）（eqvlEC60079.15：2001）。 4.2 現場總線的防爆技術與“參量認證” 隨著現場總線技術在我國工業稱重控制系統中日益廣泛的應用，現場總線的防爆技術已引起世界各國高度重視，一種自現場總線技術引出的“多負荷”本安防爆系統研究應運而生?，F場總線，顧名思義即可在總線上掛接多種設備負載，但本安防爆對于關聯設備的輸出電壓和電流則必須控制在一定的范圍內，因此也就限制了總線上掛接的設備負載數。 另外,由于現場總線上可同時掛接不同的總線設備，實現相互通信，因而使本安防爆的現場總線必須滿足“可互換性”及“可操作性：以往，我國防爆柱驗技術機構在防爆取證中采用了所謂的“系統認證”法，即要求每一個具有不同配置的總線系統單獨進行認證。這樣造成了大量人力、物力上的浪費。近年來，美國、德國等國，應用了“參量認證”技術，提出了現場總線本安防爆的新慨念。其主要特點是，對于經過參量認證過的本安設備關聯設備，用戶可自行合法地組合和評定本安系統。即用戶可按“參量認證”的技術要求，完成兼容的安全設計，使不同的廠商生產的本安設備均能安全地掛在同一總線上。我國防爆柱驗技術機構目前也正在積極推出這一做法。 4.3 推行IEC體系認證 最新的國家標準GB3836.1-20002對防爆產品生產企業的質量體系提出要求，改變了以往中國防爆認證僅僅進行型式柱驗，無須對企業進行體系考核的認證模式。