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XK3190- A12E防爆稱重儀表的原理與應用

介紹了一款防爆型稱重儀表的防爆原理和設計方案，并分析了防爆型儀表在不同現場的安裝要求，對防爆儀表的正確使用和注意事項進行了探討。
引言
目前電子秤技術的發展已經深入到各個領域，在比較特殊的場所，如煤礦、化工等具有爆炸性混合物的場所，進行稱重就需要特別的衡器，要求整個系統包括稱重儀表、稱重傳感器、接線盒和相關供電系統等所有的電氣裝置都具有相適應等級的防爆性能，以保證安全可靠的工作。其中稱重儀表是防爆稱重系統中的關鍵部分，它的正確使用和選擇對整個系統的可靠性起到至關重要的作用。本文介紹一款防爆儀表 XK3190-A12E，并給出其基本的硬件設計框架和安全電路，最后針對這款儀表在實際使用和安裝過程中可能遇到的問題進行了分析。
二、防爆稱重儀表的原理
防爆稱重儀表設計的基本原理是從防止爆炸的三個基本條件同時存在的角度出發的，即爆炸所需要的易爆物、氧氣（空氣和引爆源。防止爆炸，就是要避免爆炸發生的三個條件同時存在。由于空氣無處不在，難以控制，因此，控制易爆氣體和引爆源為兩種最常見的防爆方向。在儀表行業中還有另外一種防爆方法：控制爆炸范圍。下面簡單介紹一下儀器儀表中常見的三種防爆原理：
1.控制易爆氣體
通過采取某種措施在危險區（同時具備發生爆炸所需的三個條件的工業現場稱為危險區）營造出一個沒有易爆氣體的空間，將儀表安裝在其中，典型代表為正壓型防爆方法。其工作原理是: 在一個密封的箱體內，充滿不含易爆氣體的潔凈氣體或惰性氣體，并保持箱內氣壓略高于箱外氣壓，將儀表安裝在箱內。常用于現場分析儀表的防爆和將計算機、PLC、操作站或其它儀表置于現場的正壓型防爆儀表柜。
2.控制爆炸范圍
將爆炸限制在一個有限的局部范圍內，使該范圍內的爆炸不至于引起更大范圍的爆炸。典型代表為隔爆型防爆方法。工作原理是：為儀表設計一個足夠堅固的殼體，按標準嚴格地設計、制造和安裝所有的界面，使在殼體內發生的爆炸不至于引發殼體外危險性氣體（易爆氣體）的爆炸。隔爆防爆方法的設計與制造規范極其嚴格，而且安裝、接線和維修的操作規程也非常嚴格。該方法決定了隔爆的電氣設備、儀表往往非常笨重，操作須斷電等，但許多情況下也是最有效的辦法。
3.控制引爆源
消除引爆源，既消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的表面溫升。典型代表為本質安全型防爆方法。工作原理是：利用安全柵技術，將提供給現場儀表的電能量限制在既不能產生足以引爆的火花，又不能產生足以引爆的儀表表面溫升的安全范圍內。按照國際標準和我國的國家標準，當安全柵安全區一側所接設備發生任何故障（不超過250V電壓> 時，本質安全防爆方法確保危險現場的防爆安全。Ex ia級本質安全設備在正常工作、發生一個故障、發生二個故障時均不會使爆炸性氣體混合物發生爆炸。因此該方法是最安全可靠的防爆方法。
XK3190-A12E這款防爆稱重儀表結合以上防爆原理而設計，采用可靠的隔爆外殼，將把可能產生火花的電子電路及接線端子等，都放在隔爆外殼里，達到外殼內可能發生的爆炸不影響周圍可燃易燃性易爆物質，它的設計方法與隔爆型基本相類似，如外殼的各配合面（隔爆勵的間隙大小和長度符合GB3836.2標準規定要求，另一方面外殼有一定的機械強度，達到外殼內部爆炸參考壓力的1.5倍壓力不損壞和變形等。本儀表另一個特點是儀表是采用了隔爆和本安兩種防爆原理相結合的方式實現的復合型儀表，按鍵部分、傳感器接線端采用了本安安全電路限制了能量，而不是一般的隔爆，這不但使儀表更可靠的工作，也減小了儀表的體積。詳細設計方案見下文介紹。
三、儀表硬件設計
下面為BXK3190-A12E儀表的具體設計方案，其基本的結構示意圖如圖1所示。

整個儀表包含幾個部分：電源、主板、安全柵、按鍵輸入、傳感器接口、通訊接口等。示意圖中只給出了與輸入輸出相關的幾部分，表明了各個部分的連接關系，其中電源、傳感器接口、通訊接口供使用者連接系統使用。可以看出，防爆儀表的核心是主板，即稱重儀表的主要部分，實現稱重的處理功能；整個稱重儀表主要部分都密封在機械強度有特定要求的隔爆箱內。本儀表與一般隔爆稱重儀表相比主要特點是鍵盤和傳感器接線通過齊納安全柵連接，屬于本質安全的，而不是隔爆型的，這一點結合了本安和隔爆兩種防爆方式，使得機殼體積減小，相對美觀。因為傳感器信號線和激勵電源線都要經過安全柵，所以這個安全柵的性能會直接影響信號的質量，下面介紹一下安全柵部分的原理。
齊納安全柵基本電路如圖2所示，電路由快速熔斷器F1，限壓元件VD1、VD2(齊納二極管)和限流電阻三部分組成。正常操作條件下，非本安端1、2之間所加的電壓低于最高壓Vmx(更低于齊納二極管的齊納電壓)，此時VD1、VD2處于不導通狀態，除有極微小的漏電流以外，是“開路” 狀態，安全柵電路等效于一個電阻串聯在信號回路內，只要漏電流小于規定值，安全柵電路就不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 之間因某種原因混入高電壓，使齊納二極管VD1、 VD2反向擊穿，呈“導通”狀態，此時齊納二管 VD1、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上不會出現高電壓，齊納二極管一旦導通以后，其電流急劇上升(雪崩過程把串聯在電路中的熔斷器F1瞬時熔斷，切斷了至現場的高電壓，防止了高電壓引爆現場爆炸性物質的危險，從而保護了現場設備及人員的安全。
當現場(危險區內)發生故障，例如負載短路了，安全柵電路中的限流電阻則立即起限流作用，把短路電流限制在某一個電流值之內，這個電流值是安全值，故現場也是安全的。齊納安全柵的安全保護作用，實際上是對能量的限制作用，在本質安全防爆系統中對能量的限制作用。在本質安全防爆系統中，由于安全柵的功能，所以不論發生任何故障都保證傳輸到現場(危險區)的能量是一個安全值(不會點燃規定的分級、分組爆炸性氣體混合物)，從而確保現場安全。
需要注意的是，每個現場對爆炸的能量限制都是不同的，需要根據儀表使用目標現場的要求選擇合適的快速熔斷器、限壓元件和限流電阻的參數，并且要經過相關部分認證才能使用。安全柵電路板制作完成后要經過膠封才能真正的使用，但是從原理上可以看出，電路中有兩個齊納二極管VD1、VD2可能存在微弱的漏電流，而且電路中串聯了一個電阻，電阻根據需要可能從幾十歐姆到幾百歐姆，本儀表配安全柵中取100歐姆，這樣串接一個電阻，將使儀表對傳感器的激勵電壓從+5V下降，降低儀表的精度，并且激勵電壓也受電阻溫漂的影響。解決方法是：儀表AD輸入部分采用六線接線方式，利用反饋補償來消除部分影響，實驗證明，六線制接線方式可以取得較好的效果。
四、防爆儀表使用
XK3190-A12E使用環境應滿足下面要求：
1）濕度：≤85%RH；
2）海拔高度：< 2000m大氣壓：86?106KPa;
3）在有防爆等級不高于II B的爆炸性氣體混合物的丨區、II區環境中；
4）在無破壞絕緣的氣體或蒸汽的環境中；
5）能防止滴水及其他液體浸入的地方；
6）污染等級：3級；
7安裝類別：II類；
8)防爆標志：Exd[ia]ibllBT6。
在實際應用中，一定要選擇參數能滿足現場環境的防爆儀表，可以將上述參數針對現場要求一一對比，看是否能滿足實際環境要求，同時，需要根據系統其他組件的情況和實際安裝現場的條件來設計整個防爆稱重系統。在防爆現場，我們一般選擇符合要求的防爆型傳感器，但是其他設備有時候不是必須防爆的，下面根據場合的不同，有兩種接線方法，如圖3所示。

圖3中a圖表示的是電源和設備（包括計算機、PLC等其他與稱重儀表通訊的設備）放在安全區，為什么放在安全區呢？這里要堅持一個原則，就是只要本身不是防爆的設備就要放在安全區，若放在危險區就會發生危險；而實際操作中有時候有因為接線距離等因素必須把電源或者其他設備放在危險區的要求，用一個比較簡單的辦法，就是將設備放在隔爆箱內，圖3的b圖中就把電源和設備放在危險區（外加隔爆箱），這樣從本質上說，這個設備已經變成防爆的了，當然可以放在危險區。但是此處必須注意的是，接線部分要有可靠的屏蔽線，并用端子將隔爆箱接口部分卡緊，未用的隔爆箱接口要用堵頭可靠的堵住，否則會發生能量泄露，也會很危險。在接好線后，隔爆箱要密封機殼處理，常見的方法是螺絲要擰好，密封接觸面涂防水防銹潤滑脂。
需要強調的是，爆炸危險場所使用的稱重儀表、電氣設備和安裝材料如接線盒、端子箱等，必須具有經國家授權機構簽發的防爆合格證，安裝前應檢查其規格、型號是否符合設計要求，其外部應無損傷、裂紋。爆炸危險場所1區內的儀表配線，必須保證在萬一發生接地、短路、斷線等事故時，也不至于形成點火源。因而電纜、電線必須穿管敷設，采用耐壓防爆的金屬管，穿線保護管之間以及保護管與接線盒、分線箱、拉線盒之間，均應采用圓柱管螺紋連接，螺紋有效嚙合部分應在5~6扣以上。需撓性連接時應采用防爆撓性連接管。在2區內的儀表配線，一般也應穿管，但只是為了保護電纜、電線的絕緣層不受外傷；匯線槽、電纜溝、保護管穿過不同等級的爆炸危險場所分界線時，應采取密封措施，以防止爆炸性氣體從一個危險場所串入另一個危險場所；保護管與現場稱重儀表、電氣設備、接線盒、拉線盒等連接時，應在連接處0.45m以內安裝隔爆密封管件。
五、結論
本文介紹的防爆儀表結構簡單、實用，儀表結合了隔爆型和本安型儀表的特點，可廣泛應用于石油、化工、醫藥等具有爆炸性氣體的危險場所。安裝儀表到整個系統時要注意系統本身的可靠性，加強安全意識，尤其選型和接線部分需要使用者多從整個防爆系統的角度出發，全面考慮安全性，防止爆炸性事故的發生。

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