附件1安全栅《控制装置与仪表》陆会明编著P93~113

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≤24VDC，电流≤20mADC;故障时，电压≤35VDC，电流≤35mADC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R1、R2限制进入本安电路的电流；齐纳二极管VZ1、VZ2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U0VZ1VZ2R1FUU1R2U’04限制电压保护齐纳二极管正常工作时，U1小于齐纳二极管击穿电压U0，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，R1、R2将限制大电流流入危险场所。在U1＞U0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U0VZ1VZ2R1FUU1R2U’05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U0VZ1VZ2R1FUU1R2U’0问题：1）R1、R2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U1＞U0，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1Ω；——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U0VZ1VZ2R1FUU1R2U’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VD3、VD4和F2、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。VT3工作于零偏压，作为恒流源向VT1提供足够的基极电流，保证信号在4mA

～20mA的范围内处于饱和状态，这时：

VR1当过流时VR1VT2导通，分流VT1退饱和Vce1↑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Ri

：控制室仪表250ΩRcRiRiRiRi熔丝安全场所变送器危险场所若Ri较大，在20mA信号附近可能压降太大，使系统无法工作；若Ri较小，可能使Isc≥Imax，使系统不能满足安全性能。一般危险场所，尽量采用ⅡB类产品，而不选ⅡC类产品，因ⅡB类产品的Ri小，Isc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：VT1、VT2，VD1～VD4，T1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：VT3、VT4和VD15；VT5、VT6和VD16，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：VT4饱和，VT3截止。VD15击穿（30V）VT3饱和Vce3≈0VT4截止VAB↓

—限压电源出现过电压：变压器出现过电流：VR6VT3导通，分流VT4退饱和Rce