安全柵原理

導讀：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，保證現場(chǎng)儀表可得到的能量在安全范圍內。既然安全柵如此重要，下面就讓我們來(lái)學(xué)習一下安全柵的兩種基本結構及原理，感興趣的同學(xué)關(guān)注一下吧。。。

1. 安全柵原理—簡(jiǎn)介

　　安全柵一般出現在本安系統中，首先介紹一個(gè)電氣知識，本質(zhì)安全是系統防爆技術(shù)，指通過(guò)設計等手段使生產(chǎn)設備或生產(chǎn)系統本身具有安全性，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中最常用的關(guān)聯(lián)設備。

　　安全柵是介于現場(chǎng)設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)：第一使危險場(chǎng)所的本安設備能正常工作;第二用來(lái)把控制室供給現場(chǎng)儀表的電能量限制在既不能產(chǎn)生足以引爆危險氣體的火花的范圍，又不能產(chǎn)生足以引爆危險氣體的儀表表面溫度的范圍，即使本安設備自身發(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)所的控制室設備還是危險場(chǎng)所的本安設備發(fā)生故障，整個(gè)系統在電路上都會(huì )處于本質(zhì)上的安全狀態(tài)，不會(huì )產(chǎn)生爆炸。

　　由于安全柵被設計為介于現場(chǎng)設備與控制室設備之間的一個(gè)限制能量的接口，因此無(wú)論控制室設備處于正?；蚬收蠣顟B(tài)，安全柵都能確保通過(guò)它傳送給現場(chǎng)設備的能量是本質(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備與危險場(chǎng)所的本安設備之間的關(guān)聯(lián)設備，是本安爆系統中的重要組成部分，安全柵按結構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)現能量的限制，保證危險區儀表與安全區儀表信號連接時(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構，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、電源隔離單元和信號處理單元組成。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(hù)應用帶來(lái)了更大的受益其基本功能框圖如下：

　　對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(zhù)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，但從設計、施工安裝、調試及維護成本來(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)所的危險能量進(jìn)入危險場(chǎng)所，及限制送往危險場(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穩壓二極管不被過(guò)大的電流燒壞。通過(guò)電路的限壓和限流，把傳輸到危險區的能量限制在安全值之內。它的特點(diǎn)是電路元器件少，故障率低，成本低，回路信號保真性好，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 )失去防爆安全保護功能。如下圖所示：

　　齊納管Z用于限制電壓。當回路電壓接近安全限壓值時(shí)，齊納管導通，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。當電壓被限制后，適當選擇電阻值，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)現信號一入兩出等分配功能，因為電源、輸入、輸出相互隔離，組成系統時(shí)不需要接地，信號完全浮空，檢測和控制回路的信號穩定性和抗干擾能力大大加強，從而提高了整個(gè)系統的可靠性。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、模頻轉換和頻模轉換電路，信號處理單元則根據各種隔離柵功能要求進(jìn)行信號處理。隔離柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號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，輔助有用于驅動(dòng)現場(chǎng)儀表的回路供電電路和用于儀表信號采集的檢測電路。信號處理單元則根據安全柵的功能要求進(jìn)行信號處理。

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