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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,西南大学 自动化（控制方向）,本安防爆系统,变送器,执行器,调节器,安全栅,安全栅,电源箱,本安防爆系统,非危险场所,（控制室）,危险场所,（现场）,危险场所,（现场）,安全栅,安全栅,1,本安防爆系统的性能主要由以下措施来保证：,1）在危险现场使用的仪表必须是本安型的。,本安防爆仪表采用低的工作电压和小的工作电流。如：正常工作时，电压24V DC，电流20mA DC;,故障时，电压35V DC，电流35mA DC,限制仪表所用电阻、电容和电感参数的大小，以保证在正常及故障时所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物。,3）现场仪表到控制室仪表连,接导线不得形成过大的分,布电感和电容。,2）用防爆安全栅将危险场所,和非危险场所的电路隔开。,2,作为控制室仪表和现场仪表的关联设备，是本安系统的重要组成部分；,安装在控制室内，既传输信号又限制流入危险场所的能量，以确保系统的本安防爆性能。,安全栅的结构形式：,常用的有,齐纳式安全栅,和,隔离式安全栅,(包括检测端安全栅和执行端安全栅）,齐纳式安全栅,基于,齐纳二极管的反向击穿性能,。结构简单、经济、,可靠。,隔离式安全栅,通过隔离、限压和限流等措施来保证本安防爆性能。,抗干扰能力强，可靠性高。,安全栅的作用：,3,齐纳式安全栅,一、齐纳式安全栅电路结构和工作原理,防爆功能实现：,电阻,R,1,、R,2,限制进入本安电路的电流；,齐纳二极管,VZ,1,、,VZ,2,限制进入本安电路的电压；,快速熔断丝,FU,保护齐纳二极管。,齐纳式安全栅原理电路,安全侧,危险侧,U,0,VZ,1,VZ,2,R,1,FU,U,1,R,2,U,0,4,限制电压,保护齐纳二极管,正常工作时，U,1,小于齐纳二极管击穿电压U,0,，齐纳二极管不工作，电路中的电流由所连接的现场仪表（如变送器）决定。,故障时，如现场短路，R,1,、R,2,将限制大电流流入危险场所。在U,1,U,0,时，齐纳二极管击穿，进入危险场所的电压将被限制在U,0,值上，同时安全侧电流急剧增加，FU很快熔断，不但起到了安全隔离的作用，还保护了齐纳二极管。,限制电流,齐纳式安全栅原理电路,安全侧,危险侧,U,0,VZ,1,VZ,2,R,1,FU,U,1,R,2,U,0,5,齐纳式安全栅的,优点,：结构简单、尺寸小、准确度高、价格便宜、可靠、通用性高，其防爆额定电压可做的很高。,齐纳式安全栅的,缺点,：对主要元件要求很高，,使用时必须接地。,齐纳式安全栅原理电路,安全侧,危险侧,U,0,VZ,1,VZ,2,R,1,FU,U,1,R,2,U,0,问题：,1）R,1,、R,2,对仪表正常范围内的工作仍有影响，阻值过大,影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用。,2）有两点以上接地，会造成信号通过大地短路或形成干扰。,6,对齐纳式二极管,当U,1,U,0,，但低于额定功率时，应,具有恢复功能；,对FU,当超过额定电流时，应迅速熔断，其熔断时间,应小于齐纳二极管过电流短路时间的1/1000；,对接地电阻,必须小于1；,对相连的现场仪表,必须是隔离的，否则信号无法正确,传送；,对电源,要求高，因电源波动易造成损坏。,齐纳式安全栅原理电路,安全侧,危险侧,U,0,VZ,1,VZ,2,R,1,FU,U,1,R,2,U,0,对主要元件要求：,7,二、改进型齐纳式安全栅电路结构和工作原理,1）增加了一套VD,3,、,VD,4,和F,2,、F,2,组,成的限压电路，并,取消了直接接地,点，改为背靠背的,齐纳管中点接地。,2）用晶体管限流电路取代了固定电阻。VT,3,工作于零偏,压，作为恒流源向VT,1,提供足够的基极电流，保证信号,在4 mA,20mA的范围内处于饱和状态，这时：,V,R,1,当过流时,V,R,1,VT,2,导通，分流,VT,1,退饱和,V,ce,1,呈现一定的电阻。,8,安全栅一般分为,检测端用,和,执行端用,两类。,与二线制变送器、热电阻、热电偶等配用,与调节器等配用,1.,检测端使用“,单通道,”,齐纳式安全栅系统图,特点：,单通道安全栅；,只能用于变送器与电源共地的测量系统；,正常工作时安全栅有接地点，容易形成共模电压。,9,特点：,双通道安全栅；,用于变送器与电源不共地的测量系统，两个通道均需保护；,正常工作时安全栅无接地点，不易形成共模电压。,2 检测端使用“,双通道,”,齐纳式安全栅系统图,10,特点：,单通道安全栅；,用于调节器为发射级输出型，调节器可与安全栅共地；,二极管,VD,用于防止信号极性接反时损坏安全栅；,正常工作时安全栅有接地点，容易形成共模电压。,3.执行端使用“,单通道,”,齐纳式安全栅系统图,11,特点：,双通道安全栅；,用于调节器为集电级输出型，调节器可与安全栅不共地；,正常工作时安全栅无接地点，不易形成共模电压。,4.执行端使用“,双通道,”,齐纳式安全栅系统图,12,安全栅的选取原则以齐纳安全栅为例：,1）根据现场防爆要求，确定所需安全栅的防爆等级；,2）检查控制室仪表可能存在或产生的最高电压，确定,安全栅最高允许电压；,3）根据,现场设备,的信号、电源对地的极性，确定安全,栅的极性；,4）考虑安全栅端电阻压降的影响，确定系统能否正常,工作；,5）共模电压和漏电流的影响对信号响应的准确度；,6）安全栅允许的分布参数是否合乎要求。,现场设备涉及的种类繁多，对不同的设备需在上述原则的基础上再进一步深入考虑。,13,变送器本安系统安全栅选用（实例）,选用的出发点：保证电路的,工作性能,和,安全性能,。,选用前的准备：了解变送器的最低工作电压。,选用的齐纳安全栅的参数：内阻,R,i,：,控制室仪表,250,R,c,R,i,R,i,R,i,R,i,熔丝,安全场所,变送器,危险场所,若,R,i,较大,，在20mA信号附近可能压降太大，使系统,无法工作,；,若,R,i,较小,，可能使,I,sc,I,max,，使系统,不能满足安全性能,。,一般危险场所，尽量采用B类产品，而不选C类产品，因B类产品的,R,i,小，,I,sc,大。,14,隔离式安全栅,以,变压器,作为隔离元件，分别将输入、输出和电源电路进行隔离，以防止危险能量直接窜入现场；,同时用,晶体管,限压限流，对故障状态下的过电压或过电流做截止式控制。,隔离式安全栅的特点：,线路复杂，体积大，成本较高，但不要求特殊元件，便于生产，工作可靠，防爆定额较高，可达到交流220V。,15,隔离栅不需要特别本安接地，使用方便；,隔离栅实现输入输出信号的完全隔离，对危险区域的仪表要求大幅度下降，现场无需采用隔离式的仪表；,隔离栅信号完全浮空，在系统中大大增强信号的抗干扰能力；,隔离栅容易实现信号变换，能够接受并处理热电偶、热电阻、频率等信号；,隔离栅可输出两路相互隔离的信号。,隔离栅同齐纳栅比较，优点有：,因此隔离栅比齐纳栅适应面广。,16,功能：,为两线制变送器提供直流电源电压；,把来自变送器的,4mA,20mA,电流信号经隔离变压器1,:1,转换为输出信号。,信号传输通道,能量传输通道,1.输入端（检测端）使用隔离式安全栅结构图,17,安全栅是一个传递系数为1的传送器，电源、变压器、控制室仪表之间用磁耦合，电路上是隔离的。简化原理图如下：,1）电源变压器,DC/AC：VT,1,、VT,2,，VD,1,VD,4,，T,1,构成磁耦合自激多谐振荡器。,DC/AC,晶体管限压限流电路,调制解调电路,18,并联使用了两套完全相同的限压限流电路：VT,3,、VT,4,和VD,15,；VT,5,、VT,6,和VD,16,，下,图画出了其中的一套。,2）晶体管限压限流电路,正常工作时：,VT,4,饱和，VT,3,截止。,VD,15,击穿（30V）,VT,3,饱和,Vce,30,VT,4,截止,V,AB,限压,电源出现过电压：,变压器出现过电流：,V,R,6,VT,3,导通，分流,VT,4,退饱和,R,ce,4,限流,19,限压限流特性如图:,20,3）调制解调电路,VD,13,、VD,14,交替工作,T,2,原边,实现了调制,1:1送到T,2,副边,复合管整流,实现了解调,变送器 DC 4mA20mA,21,2.输出端（操作端）使用隔离式安全栅结构图,功能：,将来自安全场所（控制室）的电流信号转换为电气隔离的电流输出信号，送至危险场所（现场）。,22,23,
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