1、過程控制與自動化儀表過程控制與自動化儀表 主講教師：趙 躍西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院西安理工大學(xué)自動化與信息工程學(xué)院信息與控制工程系信息與控制工程系安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制安全柵（又稱防爆柵）是防止危險電能從控制系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。系統(tǒng)信號線進入現(xiàn)場儀表的安全保護器。 1 安全防爆的基本概念安全防爆的基本概念在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易在大氣條件下，氣體蒸汽、簿霧、粉塵或纖維狀的易燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)傳播的混和燃物質(zhì)與空氣混合，點燃后燃燒將在整個范圍內(nèi)傳播的混和物，稱為物，稱為爆炸性混合物爆炸性混合物。含有爆炸性混合

2、物的環(huán)境，稱為含有爆炸性混合物的環(huán)境，稱為爆炸性環(huán)境爆炸性環(huán)境。 按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時間和危險程度，按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時間和危險程度，又可將危險場所劃分成不同級別的危險區(qū)。又可將危險場所劃分成不同級別的危險區(qū)。 第三章第三章 3.33.3安全柵安全柵 對于對于類電氣設(shè)備，電路電壓限制在類電氣設(shè)備，電路電壓限制在30VDC時，各時，各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級。種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級。爆炸性混合物的最小引爆電流爆炸性混合物的最小引爆電流級級 別別最小引爆電流（最小引爆電流（mA）爆炸性混合物種類爆炸性混合物種類 i120120甲烷、乙烷、汽油、甲醇

3、、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 7070i120120乙烯、乙醚、丙烯晴等乙烯、乙醚、丙烯晴等 i7070氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦爐煤氣等氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦爐煤氣等不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，不同的危險等級對電氣設(shè)備的防爆要求不同，煤礦井下用電氣設(shè)備屬煤礦井下用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性氣體的類設(shè)備；有爆炸性氣體的工廠用電氣設(shè)備屬工廠用電氣設(shè)備屬類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠類設(shè)備；有爆炸性粉塵的工廠用電氣設(shè)備屬用電氣設(shè)備屬類設(shè)備。類設(shè)備。 2 安全火花防爆系統(tǒng)安全火花防爆系統(tǒng) 電動儀表存在電路打火的可能

4、。如果從電路設(shè)計電動儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各就開始考慮防爆，把電路在短路、開路及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火種狀態(tài)下可能發(fā)生的火花都限制在爆炸性氣體的點火能量之下，則此儀表稱為能量之下，則此儀表稱為安全火花防爆儀表安全火花防爆儀表。 安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危安全火花防爆儀表只能保證本儀表內(nèi)部不發(fā)生危險火花，對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全險火花，對其它儀表通過信號線傳入的能量是否安全則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置則無法保證。如果在與其它儀表的電路連線之間設(shè)置安全柵，防

5、止危險能量進入，則完全做到了安全火花安全柵，防止危險能量進入，則完全做到了安全火花防爆。防爆。構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素：構(gòu)成安全火花防爆系統(tǒng)的二要素： 在危險現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表在危險現(xiàn)場使用的儀表必須是安全火花防爆儀表（本安儀表）。（本安儀表）。 現(xiàn)場儀表與危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全現(xiàn)場儀表與危險場所之間的電路連接必須經(jīng)過安全柵（防爆柵）。柵（防爆柵）。基本原理：基本原理：簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進簡單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進行限壓、用固定電阻進行限流行限壓、用固定電阻進行限流 。3.5.1 齊納式安全柵齊納式安全柵 安全

6、柵的種類很多，有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊安全柵的種類很多，有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器隔離式安全柵等。納式安全柵、光電隔離式安全柵、變壓器隔離式安全柵等。 當輸入電壓當輸入電壓Vi在正常范圍（在正常范圍（24V）內(nèi)時，齊納二極管）內(nèi)時，齊納二極管VD不導(dǎo)通；不導(dǎo)通；當電壓高于當電壓高于24V并達到齊納二極管的擊穿電壓（約并達到齊納二極管的擊穿電壓（約28V）時，齊納二）時，齊納二極管導(dǎo)通，在將電壓鉗制在安全值以下的同時，安全側(cè)電流急劇增大，極管導(dǎo)通，在將電壓鉗制在安全值以下的同時，安全側(cè)電流急劇增大，使快速熔斷絲使快速熔斷絲FU很快熔斷，從

7、而將可能造成事故的高壓與危險現(xiàn)場很快熔斷，從而將可能造成事故的高壓與危險現(xiàn)場隔斷。固定電阻隔斷。固定電阻R的作用是限制流往現(xiàn)場的電流。的作用是限制流往現(xiàn)場的電流。 兩點不足：兩點不足： 一、固定的限流電阻其大小難以選擇，選小了起一、固定的限流電阻其大小難以選擇，選小了起不到很好的限流作用，選大了又影響儀表的恒流特不到很好的限流作用，選大了又影響儀表的恒流特性，理想的限流電阻應(yīng)該是可變的，即電流在安全性，理想的限流電阻應(yīng)該是可變的，即電流在安全范圍內(nèi)其阻值要足夠小，而當電流超出安全范圍時范圍內(nèi)其阻值要足夠小，而當電流超出安全范圍時其電阻要足夠大；其電阻要足夠大； 二、接地不合理，通常一個信號回路

8、只允許一點二、接地不合理，通常一個信號回路只允許一點接地，若有兩點以上接地會造成信號通過大地短路接地，若有兩點以上接地會造成信號通過大地短路或形成干擾。或形成干擾。 （2）由）由VD1VD4和和F1 F2組成限壓電路。背組成限壓電路。背靠背的齊納管中點接地，改直接接地為保護時接地。靠背的齊納管中點接地，改直接接地為保護時接地。（1）用晶體管限流電路取代固定電阻。）用晶體管限流電路取代固定電阻。VT3工工作于零偏壓，作為恒流源向作于零偏壓，作為恒流源向VT1提供足夠的基極電流，提供足夠的基極電流，保證信號在保證信號在420mA范圍內(nèi)范圍內(nèi)VT1處于飽和狀態(tài)。處于飽和狀態(tài)。 改進后的齊納式安全柵改

9、進后的齊納式安全柵正常時正常時VT1飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通不通過流時過流時VR 1 0.6V VT2導(dǎo)通，分流導(dǎo)通，分流VT3的電流的電流 VT1退飽和退飽和 Vce1呈現(xiàn)較高的電阻呈現(xiàn)較高的電阻v要求要求快速熔快速熔斷絲熔斷絲熔斷時間斷時間 0.6VVT3導(dǎo)通，分流導(dǎo)通，分流 VT4退飽和退飽和 Vce4 限流限流 限流特性限流特性限壓特性限壓特性（3）調(diào)制解調(diào)電路）調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制：調(diào)制： VD13、VD14交替工作交替工作送往送往變變送器的送器的DC420mA 交替通過交替通過T2原邊原邊解調(diào)：解調(diào)： T2副邊副邊1：1耦合耦合復(fù)合管復(fù)合管VT7VT1

10、0整流整流 -2 執(zhí)行端安全柵執(zhí)行端安全柵 用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場執(zhí)行器之間，是420mA調(diào)調(diào)節(jié)信號送往現(xiàn)場的安檢通道。節(jié)信號送往現(xiàn)場的安檢通道。與檢測端安全柵的區(qū)別：與檢測端安全柵的區(qū)別： 信號傳輸方向相反，信號傳輸方向相反， 不需給現(xiàn)場供電不需給現(xiàn)場供電。電路原理基本相似。電路原理基本相似。 1）可以在危險區(qū)或安全區(qū)認為合適的任何一個地）可以在危險區(qū)或安全區(qū)認為合適的任何一個地方接地，使用方便，通用性強；方接地，使用方便，通用性強； 2）隔離式安全柵的電源、信號輸入、信號輸出均）隔離式安全柵的電源、信號輸入、信號輸出均可通過變壓器耦合，實現(xiàn)信號的輸入、輸出完全隔可通過變壓器耦合，