安全柵原理
導(dǎo)讀：提起安全柵不少同學(xué)可能比較陌生，但在工業(yè)控制、儀器儀表等領(lǐng)域簡(jiǎn)直大名鼎鼎，可以這么說(shuō)，在工業(yè)控制中需要安全防爆的場(chǎng)合幾乎沒(méi)他不行，其主要功能為限流限壓，保證現(xiàn)場(chǎng)儀表可得到的能量在安全范圍內(nèi)。既然安全柵如此重要，下面就讓我們來(lái)學(xué)習(xí)一下安全柵的兩種基本結(jié)構(gòu)及原理，感興趣的同學(xué)關(guān)注一下吧。。。
1. 安全柵原理—簡(jiǎn)介
安全柵一般出現(xiàn)在本安系統(tǒng)中，首先介紹一個(gè)電氣知識(shí)，本質(zhì)安全是系統(tǒng)防爆技術(shù)，指通過(guò)設(shè)計(jì)等手段使生產(chǎn)設(shè)備或生產(chǎn)系統(tǒng)本身具有安全性，即使在誤操作或發(fā)生故障的情況下也不會(huì)造成事故的功能。而安全柵是本安防爆系統(tǒng)中最常用的關(guān)聯(lián)設(shè)備。
安全柵是介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和控制室之間的一個(gè)回路限制能量的電路，如下圖所示。其基本功能有兩個(gè)：第一使危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備能正常工作;第二用來(lái)把控制室供給現(xiàn)場(chǎng)儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的火花的范圍，又不能產(chǎn)生足以引爆危險(xiǎn)氣體的儀表表面溫度的范圍，即使本安設(shè)備自身發(fā)生故障，只要安全柵的限流限壓電路工作正常，也不會(huì)產(chǎn)生任何足以引燃爆炸環(huán)境的火花或表面溫度。因此無(wú)論安全場(chǎng)所的控制室設(shè)備還是危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備發(fā)生故障，整個(gè)系統(tǒng)在電路上都會(huì)處于本質(zhì)上的安全狀態(tài)，不會(huì)產(chǎn)生爆炸。
由于安全柵被設(shè)計(jì)為介于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與控制室設(shè)備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無(wú)論控制室設(shè)備處于正?；蚬收蠣顟B(tài)，安全柵都能確保通過(guò)它傳送給現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的能量是本質(zhì)安全的。
2. 安全柵原理—分類(lèi)
安全柵作為控制室的非本安設(shè)備與危險(xiǎn)場(chǎng)所的本安設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)設(shè)備，是本安爆系統(tǒng)中的重要組成部分，安全柵按結(jié)構(gòu)分為齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類(lèi)。
1)、齊納式安全柵
齊納式安全柵采用在電路回路中串聯(lián)快速熔斷絲、限流電阻和并聯(lián)限壓齊納二極管實(shí)現(xiàn)能量的限制，保證危險(xiǎn)區(qū)儀表與安全區(qū)儀表信號(hào)連接時(shí)安全限能。它采用器件非常少、體積小、價(jià)格低，但也有一些致命的缺陷，使應(yīng)用范圍受到較大的限制。
2)、隔離式安全柵
隔離式安全柵采用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結(jié)構(gòu)，不但有限能功能，還有隔離功能，同時(shí)符合本安型限制能量的要求，它主要由回路限能單元、信號(hào)、電源隔離單元和信號(hào)處理單元組成。與齊納式安全相比，雖然價(jià)格較貴，但它性能上的突出優(yōu)點(diǎn)卻為用戶應(yīng)用帶來(lái)了更大的受益其基本功能框圖如下：
對(duì)比齊納式和隔離式安全柵的特點(diǎn)和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優(yōu)點(diǎn)和更為廣泛用途，雖然其價(jià)格略高于齊納式安全柵，但從設(shè)計(jì)、施工安裝、調(diào)試及維護(hù)成本來(lái)考慮，其綜合成本可能反而低于齊納式安全柵。在要求較高的工程現(xiàn)場(chǎng)幾乎無(wú)一例外地采用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。
3. 安全柵原理—工作原理
安全柵的主要功能就是限制安全場(chǎng)所的危險(xiǎn)能量進(jìn)入危險(xiǎn)場(chǎng)所，及限制送往危險(xiǎn)場(chǎng)所的電壓和電流，下面具體分析兩種安全柵的工作原理：
齊納安全柵的穩(wěn)壓二極管限制了從非本安端傳到本安端的電壓，電阻限制了電流，快速熔斷器用于保護(hù)穩(wěn)壓二極管不被過(guò)大的電流燒壞。通過(guò)電路的限壓和限流，把傳輸?shù)轿ｋU(xiǎn)區(qū)的能量限制在安全值之內(nèi)。它的特點(diǎn)是電路元器件少，故障率低，成本低，回路信號(hào)保真性好，但由于必須加限能電阻再加上智能變送器的采樣電阻，過(guò)大的電壓降低往往會(huì)導(dǎo)致回路供電不足，而且在工程中要可靠接地，否則會(huì)失去防爆安全保護(hù)功能。如下圖所示：
齊納管Z用于限制電壓。當(dāng)回路電壓接近安全限壓值時(shí)，齊納管導(dǎo)通，使齊納管兩端的電壓始終保持在安全限壓值以下。電阻R用于限制電流。當(dāng)電壓被限制后，適當(dāng)選擇電阻值，可將回路電流限制在安全限流值以下。
與齊納安全柵相比，隔離式安全柵除具有限壓與限流的作用之外，還帶有電流隔離的功能。隔離式安全柵以安全柵的電路作為本安電路，實(shí)現(xiàn)限流和限壓，并用脈沖變壓器或光電器件隔離本安電路與非本安電路，它容易實(shí)現(xiàn)信號(hào)一入兩出等分配功能，因?yàn)殡娫?、輸入、輸出相互隔離，組成系統(tǒng)時(shí)不需要接地，信號(hào)完全浮空，檢測(cè)和控制回路的信號(hào)穩(wěn)定性和抗干擾能力大大加強(qiáng)，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。如下圖所示：
其核心的電路為安全柵基本限能電路，隔離單元包括變壓器隔離組件、模頻轉(zhuǎn)換和頻模轉(zhuǎn)換電路，信號(hào)處理單元?jiǎng)t根據(jù)各種隔離柵功能要求進(jìn)行信號(hào)處理。隔離柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號(hào)處理單元三部分組成，其中回路限能單元為安全柵的核心部分。此外，輔助有用于驅(qū)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)儀表的回路供電電路和用于儀表信號(hào)采集的檢測(cè)電路。信號(hào)處理單元?jiǎng)t根據(jù)安全柵的功能要求進(jìn)行信號(hào)處理。
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