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1、过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章安全栅安全栅安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制安全栅（又称防爆栅）是防止危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全保护器。系统信号线进入现场仪表的安全保护器。4.2.1安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维在大气条件下，气体蒸汽、簿雾、粉尘或纤维状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范状的易燃物质与空气混合，点燃后燃烧将在整个范围内传播的混和物，称为爆炸性混合物。围内传播的混和物，称为爆炸性混合物。含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。按爆炸性混合物出现的频度
2、、持续时间和危险按爆炸性混合物出现的频度、持续时间和危险程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。程度，又可将危险场所划分成不同级别的危险区。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章对对于于类类电电气气设设备备，电电路路电电压压限限制制在在30VDC时时，各各种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。种爆炸性混合物按最小引爆电流分为三级。表表4-1爆炸性混合物的最小引爆电流爆炸性混合物的最小引爆电流级级别别最小引爆电流（最小引爆电流（mA）爆炸性混合物种类爆炸性混合物种类 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 707
3、0i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同，煤矿井下用电气设备属煤矿井下用电气设备属类设备；有爆炸性气体的工类设备；有爆炸性气体的工厂用电气设备属厂用电气设备属类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电类设备；有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属气设备属类设备。类设备。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章4.2.2安全火花防爆系统安全火花防爆系统电动仪表存在电路打火的可能。如果从电路设计电动仪表存在电路打
4、火的可能。如果从电路设计就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火
5、花安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花防爆。防爆。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章构成安全火花防爆系统的二要素：构成安全火花防爆系统的二要素：在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆在危险现场使用的仪表必须是安全火花防爆仪表（本安仪表）。仪表（本安仪表）。现现场场仪仪表表与与危危险险场场所所之之间间的的电电路路连连接接必必须须经经过安全栅（防爆栅）。过安全栅（防爆栅）。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章安安全全栅栅是是传传递递正正常常信信号号、阻阻止止危危险险能能量量通通过过的的保保险器件。险器件。如如在在信信号号通通路路上上串串联联一一定定电电阻阻，起起限限
6、流流作作用用，可可称称作作电电阻阻式式安安全全栅栅。其其缺缺点点是是正正常常信信号号也也衰衰减减，且且防防爆定额低。爆定额低。4.2.3 4.2.3 安全栅的工作原理安全栅的工作原理如热电偶如热电偶温度变送器的温度变送器的输入端输入端过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章存在的问题：存在的问题：q有有两两点点以以上上接接地地，会会造造成成信信号号通通过过大大地地短短路路或或形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）qR1、R2对对仪仪表表正正常常的的工工作作仍仍有有影影响响，阻阻值值过过大大影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用。影响仪表的
7、恒流特性，过小起不到限流作用。基基本本设设想想：用用二二极极管管VD1、VD2进进行行限限压压，用用电电阻阻R1、R2及及熔断丝熔断丝F进行限流。进行限流。4.2.3.1齐纳式安全栅齐纳式安全栅过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章（2）由由VD1VD4和和F1F2组组成成限限压压电电路路。背背靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。靠背的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。（1）用用晶晶体体管管限限流流电电路路取取代代固固定定电电阻阻。VT3工工作作于于零零偏偏压压，作作为为恒恒流流源源向向VT1提提供供足足够够的的基基极极电电流流，保证信号在保证信号在420mA范围内范围
8、内VT1处于饱和状态。处于饱和状态。改进后的齐纳式安全栅改进后的齐纳式安全栅过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章正常时正常时VT1饱和导通饱和导通VR1=0.10.5VVT2不通不通过流时过流时VR10.6VVT2导通，分流导通，分流VT3的电流的电流VT1退饱和退饱和Vce1呈现较高的电阻呈现较高的电阻v要求要求快速熔快速熔断丝熔断丝熔断时间断时间1mS工作原理工作原理过压时过压时VD1VD4中至少有一个被击穿，限压并接地中至少有一个被击穿，限压并接地过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章4.2.3.2 隔离式安全栅隔离式安全栅用用变变压压器器作作为为隔隔离离元元件件，分分
9、别别将将输输入入、输输出出和和电电源源进进行行隔隔离离，可可以以对对二二线线制制变变送送器器进进行行隔隔离离供供电电。因因而而分分检测端安全栅和执行端安全栅。检测端安全栅和执行端安全栅。1检测端安全栅检测端安全栅检检测测端端安安全全栅栅在在向向变变送送器器提提供供电电源源的的同同时时，将将变变送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章检检测测端端安安全全栅栅是是一一个个传传递递系系数数为为1的的传传送送器器，电电源源、变变压压器器、控控制制室室仪仪表表之之间间用用磁磁耦耦合合，电电路路上上是隔离的。简化原理
10、图如图所示。是隔离的。简化原理图如图所示。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章（1）电源变压器）电源变压器DC/AC：VT1、VT2，VD1VD4及及变变压压器器T1构构成成磁耦合自激多谐振荡器。磁耦合自激多谐振荡器。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章（2）晶体管限压限流电路）晶体管限压限流电路串串联联使使用用了了两两套套完完全全相相同同的的限限压压限限流流电电路路：VT3、VT4和和VD15；VT5、VT6和和VD16。正正常常工工作作时时VT4、VT6饱和，饱和，VT3、VT5截止。截止。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章电源出现过电压电源出现过电压 VD
11、15击穿（击穿（30V） VT3饱和饱和Vce30VT4截止截止VAB 限压限压 晶体管限压限流电路原理晶体管限压限流电路原理过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章变送器出现过电流变送器出现过电流VR6VT3导通，分流导通，分流 VT4退饱和退饱和 Vce4限流限流 限流特性限流特性限压特性限压特性过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章（3）调制解调电路）调制解调电路调制：调制：VD13、VD14交替工作交替工作送往送往变变送器的送器的DC420mA交替通过交替通过T2原边原边解调：解调：T2副边副边1：1耦合耦合复合管复合管VT7VT10整流整流-过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章2执行端安全栅执行端安全栅用用于于控控制制室室中中调调节节器器和和现现场场执执行行器器之之间间，是是420mA调调节节信信号号送送往往现现场场的的安安检检通通道道。与与检检测测端端安安全栅的区别：全栅的区别： 信号传输方向相反，信号传输方向相反， 不需给现场供电。不需给现场供电。电路原理基本相似。电路原理基本相似。过程控制系统与仪表过程控制系统与仪表第第4章章总结总结安全火化安全火化防爆系统防爆系统隔离式安全栅隔离式安全栅安全火化防爆仪表安全火化防爆仪表安全栅安全栅齐纳式安全栅齐纳式安全栅
