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1、過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表 主講教師:趙 躍西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院西安理工大學(xué)自動(dòng)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(chēng)防爆柵)是防止危險(xiǎn)電能從控制安全柵(又稱(chēng)防爆柵)是防止危險(xiǎn)電能從控制系統(tǒng)信號(hào)線(xiàn)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀表的安全保護(hù)器。系統(tǒng)信號(hào)線(xiàn)進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)儀表的安全保護(hù)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(diǎn)燃后燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混和燃物質(zhì)與空氣混合,點(diǎn)燃后燃燒將在整個(gè)范圍內(nèi)傳播的混和物,稱(chēng)為物,稱(chēng)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(chēng)為含有爆炸性混合物的環(huán)境,稱(chēng)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(shí)間和危險(xiǎn)程度,按爆炸性混合物出現(xiàn)的頻度、持續(xù)時(shí)間和危險(xiǎn)程度,又可將危險(xiǎn)場(chǎng)所劃分成不同級(jí)別的危險(xiǎn)區(qū)。又可將危險(xiǎn)場(chǎng)所劃分成不同級(jí)別的危險(xiǎn)區(qū)。 第三章第三章 3.33.3安全柵安全柵 對(duì)于對(duì)于類(lèi)電氣設(shè)備,電路電壓限制在類(lèi)電氣設(shè)備,電路電壓限制在30VDC時(shí),各時(shí),各種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級(jí)。種爆炸性混合物按最小引爆電流分為三級(jí)。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(jí)級(jí) 別別最小引爆電流(最小引爆電流(mA)爆炸性混合物種類(lèi)爆炸性混合物種類(lèi) 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?fàn)t煤氣等氫、乙炔、二硫化碳、市用煤氣、水煤氣、焦?fàn)t煤氣等不同的危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)電氣設(shè)備的防爆要求不同,不同的危險(xiǎn)等級(jí)對(duì)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(lèi)設(shè)備;有爆炸性氣體的類(lèi)設(shè)備;有爆炸性氣體的工廠(chǎng)用電氣設(shè)備屬工廠(chǎng)用電氣設(shè)備屬類(lèi)設(shè)備;有爆炸性粉塵的工廠(chǎng)類(lèi)設(shè)備;有爆炸性粉塵的工廠(chǎng)用電氣設(shè)備屬用電氣設(shè)備屬類(lèi)設(shè)備。類(lèi)設(shè)備。 2 安全火花防爆系統(tǒng)安全火花防爆系統(tǒng) 電動(dòng)儀表存在電路打火的可能
4、。如果從電路設(shè)計(jì)電動(dòng)儀表存在電路打火的可能。如果從電路設(shè)計(jì)就開(kāi)始考慮防爆,把電路在短路、開(kāi)路及誤操作等各就開(kāi)始考慮防爆,把電路在短路、開(kāi)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(diǎn)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(diǎn)火能量之下,則此儀表稱(chēng)為能量之下,則此儀表稱(chēng)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(xiǎn)火花,對(duì)其它儀表通過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳入的能量是否安全險(xiǎn)火花,對(duì)其它儀表通過(guò)信號(hào)線(xiàn)傳入的能量是否安全則無(wú)法保證。如果在與其它儀表的電路連線(xiàn)之間設(shè)置則無(wú)法保證。如果在與其它儀表的電路連線(xiàn)之間設(shè)置安全柵,防
5、止危險(xiǎn)能量進(jìn)入,則完全做到了安全火花安全柵,防止危險(xiǎn)能量進(jìn)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(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的儀表必須是安全火花防爆儀表在危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)儀表與危險(xiǎn)場(chǎng)所之間的電路連接必須經(jīng)過(guò)安全現(xiàn)場(chǎng)儀表與危險(xiǎn)場(chǎng)所之間的電路連接必須經(jīng)過(guò)安全柵(防爆柵)。柵(防爆柵)。基本原理:基本原理:簡(jiǎn)單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進(jìn)簡(jiǎn)單齊納式安全柵是利用齊納二極管的反向擊穿特性進(jìn)行限壓、用固定電阻進(jìn)行限流行限壓、用固定電阻進(jìn)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(lèi)很多,有電阻式安全柵、中繼放大式安全柵、齊安全柵的種類(lèi)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(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓Vi在正常范圍(在正常范圍(24V)內(nèi)時(shí),齊納二極管)內(nèi)時(shí),齊納二極管VD不導(dǎo)通;不導(dǎo)通;當(dāng)電壓高于當(dāng)電壓高于24V并達(dá)到齊納二極管的擊穿電壓(約并達(dá)到齊納二極管的擊穿電壓(約28V)時(shí),齊納二)時(shí),齊納二極管導(dǎo)通,在將電壓鉗制在安全值以下的同時(shí),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(shí),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(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)很快熔斷,從而將可能造成事故的高壓與危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)隔斷。固定電阻隔斷。固定電阻R的作用是限制流往現(xiàn)場(chǎng)的電流。的作用是限制流往現(xiàn)場(chǎng)的電流。 兩點(diǎn)不足:兩點(diǎn)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(dāng)電流超出安全范圍時(shí)范圍內(nèi)其阻值要足夠小,而當(dāng)電流超出安全范圍時(shí)其電阻要足夠大;其電阻要足夠大; 二、接地不合理,通常一個(gè)信號(hào)回路
8、只允許一點(diǎn)二、接地不合理,通常一個(gè)信號(hào)回路只允許一點(diǎn)接地,若有兩點(diǎn)以上接地會(huì)造成信號(hào)通過(guò)大地短路接地,若有兩點(diǎn)以上接地會(huì)造成信號(hào)通過(guò)大地短路或形成干擾?;蛐纬筛蓴_。 (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(diǎn)接地,改直接接地為保護(hù)時(shí)接地。靠背的齊納管中點(diǎn)接地,改直接接地為保護(hù)時(shí)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(hào)在保證信號(hào)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(jìn)后的齊納式安全柵改
9、進(jìn)后的齊納式安全柵正常時(shí)正常時(shí)VT1飽和導(dǎo)通飽和導(dǎo)通 VR1 = 0.1 0.5V VT2不通不通過(guò)流時(shí)過(guò)流時(shí)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(shí)間斷時(shí)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(guò)交替通過(guò)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(chǎng)執(zhí)行器之間,是用于控制室中調(diào)節(jié)器和現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行器之間,是420mA調(diào)調(diào)節(jié)信號(hào)送往現(xiàn)場(chǎng)的安檢通道。節(jié)信號(hào)送往現(xiàn)場(chǎng)的安檢通道。與檢測(cè)端安全柵的區(qū)別:與檢測(cè)端安全柵的區(qū)別: 信號(hào)傳輸方向相反,信號(hào)傳輸方向相反, 不需給現(xiàn)場(chǎng)供電不需給現(xiàn)場(chǎng)供電。電路原理基本相似。電路原理基本相似。 1)可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一個(gè)地)可以在危險(xiǎn)區(qū)或安全區(qū)認(rèn)為合適的任何一個(gè)地方接地,使用方便,通用性強(qiáng);方接地,使用方便,通用性強(qiáng); 2)隔離式安全柵的電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均)隔離式安全柵的電源、信號(hào)輸入、信號(hào)輸出均可通過(guò)變壓器耦合,實(shí)現(xiàn)信號(hào)的輸入、輸出完全隔可通過(guò)變壓器耦合,
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