1 检测端安全栅 检测端安全栅在向变送器提供电源的同时，将变 送器的测量信号经隔离变压器传给控制室仪表。
检测端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。简化原理图如图所示。
＋
＋
＋ ＋
（1）电源变压器 DC / AC：VT1、VT2， VD1～ VD4 及变压器T1构成磁 耦合自激多谐振荡器。
（2）连接电缆
• 表征电缆本安性能的参数包括：电缆最大允许分布电
容Cc、电缆最大允许分布电感Lc。
（3）关联设备
• 表征关联设备本安性能的基本参数包括：关联设备 在故障状态下的最高开路电压Us、最大短路电流Is、 最大功率Ps、允许的最大外部电容Cs和最大外部电 感Ls。
2.本安防爆系统设计的基本要求
R6 R6 )
0.54mA VT3饱和
Vce3≈0变送器出现过电流
VR6> 0.6V
VT3导通，分流
VT4退饱和
Vce4↑ —限流
（3）调制解调电路
解调： T2副边1：1耦合
-
＋
-
复合管VT7~VT10整流
＋
调制： VD13、VD14交替工作送往变送 器的DC4～20mA 交替通过T2原边
就开始考虑防爆，把电路在短路、开路及误操作等各 种状态下可能发生的火花都限制在爆炸性气体的点火 能量之下，则此仪表称为安全火花防爆仪表。
安全火花防爆仪表只能保证本仪表内部不发生危 险火花，对其它仪表通过信号线传入的能量是否安全 则无法保证。如果在与其它仪表的电路连线之间设置 安全栅，防止危险能量进入，则完全做到了安全火花 防爆。
2.危险场所防爆技术 我国对电气设备的防爆型式划分为以下八种:
电气设备防爆形式 隔爆型 增安型 本质安全型 正压型 充油型 充砂型 无火花型 浇封型
代号 d e
ia，ib p o q n m
技术措施 隔离存在的点火源 设法防止点火源 限制点火源的能量 把危险物质与点火源隔开 把危险物质与点火源隔开 把危险物质与点火源隔开 设法防止产生点火源 设法防止产生点火源
• （1）现场本安仪表的防爆标志级别不能高于关联设备 （安全栅）的防爆标志级别。
• （2）关联设备与现场本安仪表之间必须同时满足以下关 系：
• （3）连接电缆Us长 度Ua的, Is分布Ia参, Ps数必Pa须同时满足以下关系：
Cc Cs Ca , Lc Ls La
5.4.2现场总线本安防爆技术 • 1.本安现场总线系统
• 本质安全是通过限制电火花和热效应两个可能的点燃源的能量来实现的。
本安型防爆仪表必须限制能量，措施： （1）在电路设计上，对处于危险场所的回路，选择适当 的R、L、C，借以限制火花能量，使其只产生安全火花； 同时，在较大R、L、C回路中并联二极管以消除不安全火 花； （2）在仪表品种中增加安全单元——安全栅，从而对安 全场所的高能量进行限制和隔离，使其不会窜到危险场所。
• 防爆标志Exd II BT3
表示隔爆型设备适用于气体组别不高于II类B级，气体引燃温度不低于T3 （200℃）的危险场所
不同的危险等级对电气设备的防爆要求不同: ★煤矿井下用电气设备属Ⅰ类设备； ★有爆炸性气体的工厂用电气设备属Ⅱ类设备； ★有爆炸性粉尘的工厂用电气设备属Ⅲ类设备。
电路电压限制在30VDC时，各种爆炸性混合物按最 小引爆电流分为三级。
构成安全火花防爆系统的二要素： ① 在危险现场使用的仪表必须是安全火花防 爆仪表（本安仪表）。 ② 现场仪表与危险场所之间的电路连接必须 经过安全栅（防爆栅）。
1.本安防爆系统组成
• 现场本安仪表（如变送器、执行器） • 连线电缆 • 关联设备，常采用安全栅
（1）现场本安仪表
表征仪表本安性能的参数主要包括：本安仪表在故障状态 下的最高输入电压Ua、最大输入电流Ia、最大输入功率Pa； 本安仪表的最大内部等效电容Ca、最大内部等效电感La等。
终端器本质上是一个阻容元件
在其设计中主要考虑：在电容器短路故障时，电阻会直接 并接在总线上，导致通信故障，同时关联设备的全部输出 功率会施加在该电阻上，使电阻的表面温度升高，甚至超 过相应的温度组别要求。一般情况下，温度组别设计为T4。
参数 设备防爆标志 最高开路电压/输入电压 最大短路电流/输入电流 最大输出功率/输入功率 最大内部电容 最大内部电感
第五章 仪表防爆安全技术
5.1 防爆基础理论
在石油、化工、煤炭等生产企业中，某些生产场 所存在着易燃易爆的气体、蒸气或固体粉尘，它 们与空气混合成为具有火灾或爆炸危险的混合物 (爆炸性混合物)，使其周围空间成为具有不同程 度爆炸危险的场所(爆炸性环境)。
安装在这些场所的检测仪表和执行器如果产生的 火花或热效应能量能点燃危险混合物，就会引起 火灾或爆炸。因此，用于危险场所的控制仪表必 须具有防爆性能。
1.爆炸性物质分类
在我国，爆炸性物质分为三类： I类：矿井甲烷； II类：爆炸性气体混合物； III类：爆炸性粉尘和纤维。
II类爆炸性气体分级 :
a.爆炸性气体分组
气体名称 IEC标准 北美标准 点燃特性
甲烷
丙烷
I
II A
D 难
乙烯
氢气
乙炔
II B
II C
C
B
A
易
温度组别
引燃温度t （℃）
点燃特性
表4-1 爆炸性混合物的最小引爆电流
级别 Ⅰ Ⅱ Ⅲ
最小引爆电流（mA） i＞120
70＜i＜120 i≤70
爆炸性混合物种类 甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳 乙烯、乙醚、丙烯晴等 氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等
5.2 本质安全防爆技术
1. 本安防爆技术的基本原理
危险场所 安全场所 I/f转换
电压电流 限制回路
光电隔离
f/I转换 4~20mA.DC
• 它由光耦合器件、I/f转换器、f/I转换器和限流、 限压电路组成
◆ 变压器隔离式安全栅
24V.DC
限 一次 能
器
二次
• 危险侧与安全侧的一切联系都通过电磁转换方式进行
☆ 隔离式安全栅
用变压器作为隔离元件，分别将输入、输出和电 源进行隔离，可以对二线制变送器进行隔离供电。因 而分检测端安全栅和执行端安全栅。
• 2. 本安仪表的分类
（1）根据国家标准GB3836.1，本安仪表可以分为两类： I类：煤矿用本安仪表； II类：工厂用本安仪表。
（2）按本安仪表及关联设备使用场所的安全程度可分为ia 和ib两个级别。
ia级仪表：在最大考虑两个计数故障情况下不会产生 安全失效。
ib级仪表：仅考虑仪表产生一个故障时不会产生安全 失效。 （3）本安仪表的温度组别是允许仪表可能产生的最高表 面温度，它不能高于危险气体自燃温度最小值，也被划分 为T1～T6六个组别。
关联设备 Ex ia IIC
24V 250mA 1.2W
-
本安设备 Ex ia IIC T4
24V 250mA 1.2W <5μF <20μH
终端器 Ex ia IIC T4
24V 250mA 1.2W
-
感谢下 载
适用区域 1区 1区
0区，1区 1区 1区 1区 2区 1区
（1）隔爆型仪表具有防爆外壳，仪表的电路和接线 端子全部位于防爆壳内。
▲ 在非通电运行情况下进行开壳检修或调整.
（2）本安型仪表的全部电路均为本质安全电路
▲安全可靠性高，可在带电工况下进行维护和调整.
• 电气设备的防爆等级按照“Ex”、防爆型式、气体级别和温度组别的顺序 进行标记 .
Hr
U1
RL 1~5V
危险场所
安全场所
安全栅 Rs
R—限流电阻 FU1、FU2—快速熔断器 Hr—氩放电管 VS1、VS2—齐纳二极管
用 二 极 管 VD1、 VD2进 行 限 压 ， 用 电 阻 R1、 R2及熔断丝F进行限流。
存在的问题： R1、R2对仪表正常的工作仍有影响，阻值过大 影响仪表的恒流特性，过小起不到限流作用。
5.3安全栅
安全栅（又称防爆栅）是传递正常信号，是防止 危险电能从控制系统信号线进入现场仪表的安全 保护器。
◆ 电阻式安全栅 在信号通路上串联一定电阻，起限流作用。其缺 点是正常信号也衰减，且防爆定额低。
如热电偶 温度变送器的 输入端
◆ 齐纳式安全栅
变送器
R FU1
UN VS1 VS2
FU2
E=24V.DC
经本安认证 的终端器
危险场所
关联 设备
终端器
经本安认证的 总线供电设备
经本安认证的 独立供电设备
安全场所
任何总线设 现场总线供电
备
电源
（1）关联设备
采用隔离式安全栅
（2）本安现场仪表
本安现场仪表设计的关键在于降低每台设备工作所需的 工作电压和电流。目前，一般控制在I<20mA、U<32V。
（3）终端器
工作原理 正常时VT1饱和导通 VR1 = 0.1～ 0.5V VT2不通 过流时VR 1 > 0.6V VT2导通，分流VT3的电流
VT1退饱和 Vce1↑呈现较高的电阻 过压时VD1 ~ VD4中至少有一个被击穿，限压并接地
❖ 要求 快速熔 断丝熔 断时间
<1mS
◆光电隔离式安全栅
两线制 变送器
有两点以上接地，会造成信号通过大地短路或 形成干扰（除安全栅接地外，相连仪表也有接地）
改进后的齐纳式安全栅
（1）用晶体管限流电路取代固定电阻。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4～20mA范围内VT1处于饱和状态。
（2）由VD1~VD4和F1 ~ F’2组成限压电路。背靠背 的齐纳管中点接地，改直接接地为保护时接地。