Что такое искробезопасный барьер
Что такое барьер искрозащиты и как он работает
Барьером искрозащиты или барьером искробезопасности называется электронное защитное устройство (часто имеющее модульную конструкцию), устанавливаемое последовательно в цепь между искроопасной и искробезопасной зонами предприятия, проще говоря — между зоной взрывоопасной и взрывобезопасной.
В целом у данных блоков можно выделить ряд достоинств: они универсальны, недороги, просты в установке, имеют малые габариты и простую модульную конструкцию, удобную для плотного монтажа на DIN-рейку.
Из относительных недостатков: необходимость надежного заземления цепи, ограниченное максимальное рабочее напряжение, защищаемое оборудование обязано быть само качественно изолировано от земли.
Тем не менее, невзирая на кажущуюся прихотливость, барьер искрозащиты представляет собой отличное средство, позволяющее недорого, негромоздко, при этом надежно, защитить оборудование от искр электрической природы. Далее станет ясно, почему.
Взглянув на схему барьера искрозащиты, легко видеть, что устройство это довольно простое. Оно содержит в качестве главных элементов шунтирующие стабилитроны (или один стабилитрон), к которым последовательно присоединен с одной стороны балластный резистор, а с другой — обычный плавкий предохранитель. Это так называемый шунт-стабилитронный искрозащитный барьер.
Работает блок следующим образом. В обычном режиме работы оборудования стабилитроны закрыты, ток через них не течет, ибо напряжение на них еще не превысило напряжения пробоя.
Но в момент наступления аварийной ситуации в цепи, напряжение на стабилитронах тут же начинает превышать определенный предел — стабилитроны резко переходят в состояние проводимости (режим стабилизации) — начинают активно пропускать через себя ток, шунтируя цепь, предотвращая появление искры.
Барьеры искрозащиты, производимые в соответствии с ГОСТом Р 51330.10-99, широко применяются сегодня на предприятиях химической, нефтяной и газовой промышленностей, где крайне важно отсутствие искр любой природы.
Барьеры искрозащиты на шунтирующих стабилитронах были изобретены в конце 1950-х годов как раз с целью применения в контроллерах управления технологическими процессами для химической промышленности.
Мощные резисторы и стабилитроны, применяемые в современных блоках искрозащиты, позволяют уже сегодня снизить сопротивление барьеров на 24 вольта до менее чем 290 Ом, и тенденция направлена дальше в сторону уменьшения проходного сопротивления и увеличения мощности стабилитронов. Ограничение накладывается лишь приемлемыми габаритами и ценой изделий.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Основы искробезопасности цепей
Возникновение искры или нагрев какого-либо элемента на взрывоопасных объектах может привести к необратимым последствиям. Для безопасности производства, хранения и транспортировки нефтепродуктов или горючих газов необходимо устанавливать дополнительное оборудование, обеспечивающее взрывозащиту. Для искробезопасности электрических цепей применяются барьеры искрозащиты ОВЕН Искра.
Во взрывоопасных зонах необходимо создавать условия, неспособные вызвать воспламенение горюче-смазочных материалов, т.е. помимо применения оборудования в искробезопасном исполнении должны применяться искробезопасные цепи.
Искробезопасная электрическая цепь i – вид взрывозащиты, основанный на ограничении энергии искры, которая может возникнуть внутри оборудования или проводки, находящихся во взрывоопасной зоне, например, на объектах с горючими газами. Требования к искробезопасному (ex ia) оборудованию и обеспечению искробезопасности прописаны в ГОСТ 31610.11 (IEC 60079-11:2011).
Смесь газа (5 – 15 %) с воздухом может взорваться только в случае возникновения искры, способной «поджечь» эту взрывоопасную смесь. Если энергии искры будет недостаточно, то взрыва не произойдет. Для удержания энергии искры на уровне, недостаточном для воспламенения взрывоопасной смеси, необходимо ограничивать электрические параметры (напряжение, ток, емкость и индуктивность) в цепи «датчик – прибор».
У датчиков в искробезопасном исполнении и у барьеров есть собственные пороговые значения напряжения (Ui, Uo), тока (Ii, Io), индуктивности (Li, Lo), емкости (Ci, Co) (рис.1), которые должны находиться между собой в определенных соотношениях. Кроме этого, следует учитывать, что соединительный кабель также имеет емкость и индуктивность (Lc, Cc).
Датчики давления или температуры устанавливаются во взрывоопасной зоне, а вторичный прибор – измеритель, терморегулятор, контроллер и т.п. – должен располагаться во взрывобезопасной зоне. Электрические параметры датчиков ограничивает производитель, то есть датчик в исполнении ex ia не может служить причиной мощной искры. Но для искробезопасной цепи этого недостаточно – нужно, чтобы искра не имела возможности проникнуть во взрывоопасную зону извне, от вторичного прибора. Это условие обеспечивает барьер искрозащиты ОВЕН ИСКРА.03. Барьер устанавливается во взрывобезопасной зоне и не позволяет превысить пороговые значения электрической цепи. Маркировка барьера ИСКРА.03 показана на рис. 2.
Из табл. 1 видно, что напряжение и ток искробезопасного датчика должны быть выше соответствующих параметров искробарьера. Только при таких условиях барьер обеспечивает взрывобезопасность датчика. При этом суммарные значения емкости и индуктивности соединения «датчик – кабель» не должны превышать максимальных выходных параметров искробарьера. Это необходимо для того, чтобы накопленная в реактивных компонентах (катушки индуктивности, конденсаторы и т.п.) энергия в случае короткого замыкания не вызвала искру, способную поджечь газовоздушную смесь.
Искробарьеры делятся на два класса: активные и пассивные.
Пассивный тип барьеров искрозащиты
Пассивные или шунт-диодные искробарьеры включают так называемые диоды Зенера D (стабилитроны), резисторы R и плавкие предохранители F (рис. 3). При возникновении опасной ситуации (например, скачка напряжения на входе барьера) стабилитроны D открываются и сбрасывают излишки напряжения на землю. Предохранитель F защищает барьер от повреждения, резистор R ограничивает ток в цепи. Совместная работа этих элементов гарантирует невозможность превышения тока и напряжения в цепи выше Io и Uo. В конструкцию барьера могут быть заложены 1, 2 или 3 стабилитрона, их количество влияет на уровень искробезопасности.
Пассивные искробарьеры могут быть трех уровней искробезопасности:
Преимущества пассивных искробарьеров:
Особенности пассивных искробарьеров:
ОВЕН ИСКРА.03 относится к пассивным искробарьерам с классом взрывозащиты «ia».
Активный тип барьеров искрозащиты
Принципиальное отличие активных барьеров от пассивных заключается в том, что активный барьер имеет в своем составе активные полупроводниковые элементы, которые обеспечивают питание датчика с ограниченными параметрами по току и напряжению, позволяют выдавать/принимать сигналы и преобразовывать их в унифицированные (4…20 мА) и т.д.
Современные активные барьеры имеют гальваническую развязку между цепью датчика и цепью связанного оборудования, находящегося во взрывобезопасной зоне. Гальваническая развязка означает, что датчик, находящийся во взрывоопасной зоне, и контроллер, находящийся в безопасной зоне, не имеют непосредственного электрического контакта. Цепи с гальванической развязкой являются самыми безопасными и помехозащищенными.
Активные барьеры включают в себя пассивный барьер со средствами развязки (транзисторные оптопары или трансформаторы), преобразователи сигнала и т.д. (рис. 4).
Преимущества активных барьеров:
Слабые места активных барьеров:
В ассортименте ОВЕН есть активный искробарьер – НПТ-1К.Ех.
© Автоматизация и Производство, 2021. Все права защищены. Любое использование материалов допускается только с согласия редакции. За достоверность сведений, представленных в журнале, ответственность несут авторы статей.
Издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. Свидетельство о регистрации средств массовой информации ПИ № ФС77-68720.
Барьеры искробезопасности
Введение
ВведениеБарьеры искробезопасности необходимы для построения систем управления на предприятиях химической и нефтегазовой промышленности, на некоторых предприятиях пищевой промышленности — везде, где применяются потенциально взрывоопасные установки. Барьеры включаются в сигнальные цепи между вторичными измерительными преобразователями (ВИП), к которым можно отнести контроллеры, устройства ввода/вывода, и первичными преобразователями (датчиками). Принцип работы барьера искробезопасности состоит в обеспечении гальванической изоляции и снижении электрической мощности сигналов до уровня, при котором неисправность цепи не вызывает искру, достаточную для воспламенения и взрыва горючих газов.
Постановка задачи
Номенклатура барьеров включает в себя устройства для всех распространенных промышленных сигналов: 1. 5 В, 4. 20 мА, сигналов от тензомостов, термопар и термосопротивлений (ТС). Обычно при измерении температуры с помощью ТС на него подают стабилизированный ток возбуждения. В результате на датчике возникает разность потенциалов, пропорциональная сопротивлению и, таким образом, измеряемой температуре. Поскольку датчики имеют малое номинальное сопротивление, сравнимое с сопротивлением подводящих проводов (единицы Ом), должны быть приняты меры по устранению влияния проводников на измерение температуры. Эффективность мер определяется методом измерения и способом подключения датчика к ВИП. Тема выбора схемы подключения представляет значительный практический интерес и затрагивалась в ряде публикаций «методички». Типовых же схем подключения три: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.
Обзор
В простейшей двухпроводной схеме подключения резистивных датчиков сопротивление линии связи входит в аддитивную погрешность измерения. Это не обеспечивает удовлетворительных метрологических характеристик измерительного канала, если сопротивлением проводов нельзя пренебречь. Поэтому современные системы управления используют трехпроводные и четырехпроводные схемы.
Существует широкая гамма ВИП, ориентированных на применение трехпроводной схемы подключения (например, серия 7B фирмы Analog Devices, серия Dataforth SCM7B фирмы Burr-Brown, Серия 73L фирмы Grayhill и им подобные). Ориентация барьера на трехпроводное подключение не исключает использование других схем подключения. Например, можно использовать четыре барьера на три канала с четырехпроводной схемой.
Четырехпроводная схема является самой точной, не критичной к разбалансу плеч линии связи и проходному сопротивлению в том случае, если производится учет вносимой барьером погрешности. На практике величина проходного сопротивления крайне важна с точки зрения корректной работы ВИП.
Данная характеристика нормируется далеко не всеми производителями барьеров искробезопасности. Тем не менее проведенные нами исследования показали принципиальную значимость этого параметра. Хотя большинство изготовителей ВИП не указывает максимального сопротивления линии связи (поэтому предварительная оценка погрешности при работе с конкретным ВИП невозможна), фактически при увеличении этого сопротивления выше некоторого уровня происходит метрологический отказ преобразователя.
Причина состоит в следующем: ВИП содержит в себе источник тока для опроса ТС. Идеальный источник тока не имеет ограничений по сопротивлению нагрузки. Для реального источника тока всегда есть предельная величина сопротивления нагрузки, при котором он выдает заданный ток опроса. При превышении этого порогового значения источник начинает занижать ток опроса, что приводит к резкому увеличению погрешности. Особенно сильно эффект проявляется вблизи верхней границы диапазона измерений. Как показали наши эксперименты с продукцией ведущих мировых производителей ВИП для термосопротивлений, значимая погрешность появляется при увеличении сопротивления одной линии связи свыше 30-40 Ом. Это в равной степени относится и к трехпроводной схеме.
Нами были проведены экспериментальные исследования по ряду преобразователей, результаты которых представлены на Рис. 2. На основе полученных данных мы нормировали для своих изделий такое проходное сопротивление, при котором обеспечивается стабильная работа известных нам ВИП на типовых линиях связи.
Как видно, применение барьеров БИ–003 и БИ–004 от ООО «Ленпромавтоматика» в четырехпроводной схеме (в т. ч. при подключении термопары) позволяет использовать кабель, содержащий «обычный» провод со средним удельным сопротивлением, и отказаться от дорогих низкоомных образцов при сохранении надлежащей точности измерений. Такой подход представляется более выгодным, чем применение трехпроводных схем с низкоомными кабелями, поэтому здесь имеет смысл рассказать о барьерах БИ–003 и БИ–004 несколько более подробно.
Описание решения ООО «Ленпромавтоматика»
Модели БИ–003 и БИ–004 отличаются друг от друга проходным сопротивлением плеч и напряжением холостого хода. Для БИ–003 проходное сопротивление — не более 19 Ом, напряжение холостого хода — не более 1 В, для БИ–004 — 27 Ом и 3 В соответственно. Для подавляющего большинства применений предпочтительным является использование БИ–003. Например, такие барьеры активно используются НПФ «КонтрАвт» в АСУТП камеры сушки лакокрасочных покрытий. Проходное сопротивление у БИ–003 меньше, а напряжения с датчика выше 1 В встречаются редко, так как ТП такого напряжения не выдают никогда, а терморезисторы при этом разогреваются собственным током (на типовом стоомном резистивном датчике при напряжении 1 В рассеивается 10 мВт). Но для ряда систем с опросом датчика импульсным током, систем с высокоомными датчиками, а также для терморезисторов, включенных как термоанемометры, используются большие токи опроса. В этих случаях следует применять БИ–004. Для этих барьеров существуют детальные методики расчета погрешности, что позволяет произвести ее оценку до того, как канал будет собран.
Методика расчета базируется на соотношении:
,
где δmy — погрешность измерения;
Imy, I0 — токи утечки диодов (стабилитронов), опроса соответственно;
RmaxM, Rmin — максимальное и минимальное сопротивление ТС.
Подробнее о методике и рекомендациях по применению барьеров можно узнать по адресу
Четырехпроводная схема подключения барьера с низким проходным сопротивлением — это не все, что потребуется для гарантированно устойчивой работы системы. Для комплексного решения реализации надежной искрозащиты можно порекомендовать обратить внимание на следующие факторы, которые нашли отражение в конструкции барьеров производства ООО «Ленпромавтоматика».
Например, благодаря такому способу ограничения тока в искробезопасной цепи как триггерная защита удалось отказаться от элементов, на которых выделяется большое количество тепла. Это позволило существенно расширить рабочий температурный диапазон прибора. Кроме того, такое решение снимает бесполезную нагрузку с блока питания датчика, что позволяет избежать перегрузки. В результате, при питании нескольких датчиков от одного источника возрастает надежность всей подсистемы аналогового ввода, так как короткое замыкание в одном из каналов не влияет на работоспособность остальных.
Нормирование падения напряжения для наших барьеров есть необходимое условие для грамотного расчета измерительной цепи в целом. Мы столкнулись с тем, что для некоторых сочетаний датчик — барьер — линия связи — ВИП — источник питания возникает метрологический отказ из-за неспособности источника питания обеспечить всех последовательно включенных потребителей. Так как увеличить напряжение питания зачастую нельзя (это может противоречить требованиям взрывобезопасности), следует ограничивать падение напряжения на барьере. С другой стороны, зная падение напряжения на измерительном преобразователе, минимальное напряжение питания датчика и падение напряжения на барьере, можно легко определить необходимое напряжение, выдаваемое источником питания. А зная напряжение источника питания и тип взрывоопасной среды, можно выбрать тип применяемого барьера.
ООО НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА».
Принцип действия барьеров искробезопасности с гальванической развязкой
Барьеры искрозащиты с гальванической развязкой – это активные барьеры с гальваническим разделением искроопасных и искробезопасных цепей.
Устройство и работу таких барьеров рассмотрим на примере ЭнИ-БИС-301-Ех-AI, предназначенного для подключения пассивных датчиков с выходным унифицированным токовым сигналом 4…20 мА (искробезопасная цепь), расположенных во взрывоопасной зоне, и преобразования данного сигнала в выходные сигналы 0…5, 0…20 или 4…20 мА (искроопасная цепь).
Барьер искробезопасности передает токовый сигнал из взрывоопасной зоны во взрывобезопасную.
Встроенный импульсный источник питает входные и выходные цепи барьера. Наличие гальванической развязки цепей снимает необходимость заземления прибора.
Рисунок 1 — Работа барьера в штатном режиме
Барьер искрозащиты состоит из следующих узлов (рисунок 1):
Работа барьера при возникновении внештатной ситуации (попадания на вход барьера искроопасного напряжения) представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 — Работа барьера в аварийном режиме
При возникновении аварийной ситуации по выходной цепи или цепи питания (в данном примере попадание высокого напряжения по цепи питания) гальваническая развязка (трансформатор T и оптопара AD) препятствуют прохождению высокого напряжения в искробезопасную цепь.
При возникновении аварийной ситуации в блоках 6 и 4 шунт-диодный барьер искрозащиты препятствует передачи во взрывоопасную зону опасного напряжения. Принцип действия шунт-диодный барьера подробно изложен в здесь.
Модельный ряд барьеров искрозащиты с гальванической развязкой производства ООО «Энергия-Источник»
Искробезопасная цепь Ех
RS-422, RS-485
RS-422, RS-485
Наши специалисты по техподдержке готовы ответить на ваши вопросы и подобрать для вас барьер искробезопасности.
Обращайтесь по:
телефону (351) 751-23-42
Viber, WhatsApp: +7(922)011-41-53
Как выбрать шунт-диодный барьер искрозащиты?
Главная цель статьи — максимально облегчить непростой процесс выбора барьеров искробезопасности.
Любое промышленное производство требует высокотехнологичных решений в плане контроля и обеспечения безопасности. Особенно это касается производств, связанных с добычей и переработкой легковоспламеняющихся материалов, таких как: нефть, газ, целлюлозная промышленность и т. д. Для обеспечения пожарной безопасности, оборудование, размещенное в зоне наличия легковоспламеняющихся газов и веществ, должно иметь защиту от возникновения искр, нагрева и возгорания. Такое оборудование называют взрывозащищенным, и оно имеет в своей маркировке обозначение «Ex».
Взрывозащита может быть выполнена различными способами: взрывонепроницаемая оболочка, имеет обозначение Exd, искробезопасная электрическая цепь — обозначается Exi, герметизация компаундом Exm и так далее, и каждая имеет свою область применения. Оборудование также может иметь комбинированную защиту, состоящую из нескольких видов защит. Далее мы будем рассматривать взрывозащиту типа искробезопасная электрическая цепь, так как именно при таком виде защиты применяются барьеры искробезопасности.
Использование различного электрооборудования во взрывоопасной зоне, например, датчиков давления и температуры, расходомеров, уровнемеров накладывает ограничение на величину электрической энергии, передаваемой во взрывоопасную зону к оборудованию, а также электрической энергии, которую может накопить электрооборудование и линии связи между ними. Количество электрической энергии, которую можно безопасно «пустить» во взрывоопасную зону для различных взрывоопасных веществ было установлено опытным путем, и подробно этот процесс описан в ГОСТ 30852.0-2002. Важно отметить, что такая защита строится на ограничении энергии при возникновении аварийных ситуаций в электросети и связанном оборудовании, таких как короткое замыкание линии или попадание на вход высокого напряжения.
Устройство и принцип работы барьеров
Барьер искрозащиты представляет собой законченный блок, имеющий неразборную конструкцию для защиты от несанкционированного ремонта и замены элементов, который удовлетворяет требованиям ГОСТ 30852.10-2002. Различают цепи искрозащиты с уровнями «ia», «ib» и «iс». Отличие схемы «ia» от «ib» заключается в том, что у цепей с уровнем искрозащиты «ia» предусмотрена защита обеих полюсов от источника питания. Электрические схемы блоков искрозащиты на стабилитронах приведены на рисунках 1а, 1б. Барьер состоит из шунтирующих стабилитронов VD1 — VD6, последовательно включенных токоограничительных R2, R2.1 и балластных R1, R1.1 резисторов и плавких предохранителей FU1, FU1.1. Для схемы «ia» предусмотрено двойное дублирование стабилитронов для повышения надежности и снижения вероятности отказов.
Рисунок 1а — Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ib»
Рисунок 1б — Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ia»
При нормальной работе напряжение на стабилитронах не превышает напряжения стабилизации, и через стабилитроны практически не течет ток (рисунок 2). В случае возникновения аварийной ситуации (попадания на вход барьера повышенного напряжения) стабилитроны будут ограничивать напряжение на выходе барьера при изменении тока, протекающего через них (рисунок 3). Если в результате аварии на вход барьера подается напряжение, которое вызывает протекание тока свыше допустимого, то установленный плавкий предохранитель отключит защищаемые цепи от аварийной цепи. Чтобы ограничить ток через стабилитроны в момент попадания высокого напряжения на вход барьера устанавливается дополнительный токоограничительный резистор R2, который призван сохранить целостность стабилитронов при протекании токов на момент пока перегорает плавкий предохранитель. Обычное время перегорания плавкого предохранителя находится в пределах 10 миллисекунд и сильно зависит от величины протекающего тока. Назначение балластного резистора R1 — ограничение тока короткого замыкания на выходе барьера. Таким образом обеспечивается искробезопасный ток, напряжение и электрическая мощность при которых не может произойти возгорание во взрывоопасной зоне при аварийных режимах работы электрической цепи, но при этом обеспечивается нормальная передача полезного сигнала при её штатной работе.
Рисунок 2 — Протекание тока через барьер в штатном режиме
Рисунок 3 — Протекание тока через барьер при аварийной ситуации
Барьеры искрозащиты имеют следующие параметры:
Um — максимальное напряжение, которое может быть приложено ко входу барьера, при этом не произойдет пробой изоляции барьера, и он сохранит свою функцию ограничения энергии. Для большинства барьеров это напряжение составляет 250 В так как питание устройств осуществляется от источников, которые преобразуют сетевое напряжение и в случае пробоя изоляции блока питания барьер должен выдержать появление на входе сетевого напряжения;
На рисунке 4 приведен график зависимости мощности на выходе барьера от изменения сопротивления нагрузки. Как можно видеть из графика максимальная мощность на выходе достигается когда напряжение и ток достигают половины от своих максимальных значений.
Рисунок 4 — Зависимость мощности на выходе барьера от напряжения и тока на нагрузке
Классификация барьеров
Барьеры искрозащиты по устройству и принципу действия делятся на три группы.
Шунт-диодные барьеры искрозащиты, или пассивные барьеры (иногда их называют «барьеры на зенеровских диодах») — это барьеры, состоящие из шунтирующих стабилитронов, последовательно включенных токоограничивающих резисторов и плавких предохранителей. Принцип действия данных барьеров был приведен выше.
Такие барьеры применяются для подключения различных датчиков, работающих с унифицированными токовыми сигналами 4…20, 0…20 или 0…5 мА, подключения термопреобразователей температуры, потенциометров, концевых датчиков, кнопок и подобных устройств, а также передачи питания на устройства, которые находятся во взрывоопасной зоне. Данные барьеры являются самыми простыми устройствами. После короткого замыкания выхода или подачи на вход барьера высокого напряжения перегорает плавкий предохранитель, и барьер необходимо заменить. У некоторых производителей в качестве опций устанавливается дополнительная электронная схема ограничения тока короткого замыкания, которая призвана защитить предохранитель от случайного замыкания, например, при пуско-наладочных работах, делая барьер защищенным от короткого замыкания на выходе. Однако за такой функционал приходится платить не только деньгами, но и дополнительным падением напряжения на ветвях барьера.
Активные барьеры искрозащиты, в которых помимо пассивного барьера добавлена электронная схема преобразователя, позволяющая осуществлять функциональное преобразование входного сигнала, например, токовый сигнал 4…20 мА преобразовывать в выходной сигнал 0…20 мА или сигнал от потенциометра в выходной токовый сигнал 0…20 мА.
Помимо схемы преобразования в барьере имеется электронный ограничитель тока короткого замыкания на выходе, повышающий живучесть барьера при коротком замыкании выхода барьера в рабочем режиме при пуско-наладочных работах. В отличие от пассивных барьеров, где замыкание на выходе приводит к перегоранию плавкого предохранителя, активные барьеры после устранения замыкания вновь готовы к работе. Для функционирования такого барьера требуется дополнительное напряжение питания.
Основная причина применения активных барьеров — ситуации, когда невозможно применить пассивные барьеры. Например, когда сопротивление нагрузки слишком велико для того чтобы датчику хватало напряжения питания при максимальном токе потребления. Такая ситуация может возникнуть в случае, если имеется несколько показывающих (дублирующих) приборов. Еще один случай, когда применение активного барьера оправдано — если для питания датчика (устройства) необходимо использовать барьер с напряжением U0, которое ниже или равно стандартному ряду выходных напряжений источника питания, а его подстройка невозможна.
Еще один немаловажный момент, который следует учесть при использовании пассивных и активных барьеров, это наличие эквипотенциальной системы заземления. Если на данном объекте невозможно создать эквипотенциальную систему заземления, то использование таких барьеров не допускается.
Активные барьеры с гальванической развязкой. Такие барьеры в своем составе помимо пассивного барьера, схемы ограничения тока короткого замыкания и электронного преобразователя, содержат еще и источник питания с гальванически развязанными выходами, который позволяет осуществлять питание входных и выходных цепей барьера, гальванически разделенных между собой. Данная группа барьеров не имеет клемм для подключения к заземлению так как имеется гальваническая развязка входа от выхода и от источника питания, которая гарантированно выдерживает разность потенциалов минимум 500 В.
Данные барьеры применяются в тех случаях, когда невозможно создать эквипотенциальную систему заземления — разность потенциалов земли в точке установки датчика отличается от потенциала заземления в точке установки остального оборудования. В этих случаях заземление осуществляется непосредственно в точке установки датчика, а со стороны измерительного оборудования устанавливается барьер искрозащиты с гальванической развязкой, задачей которого является передача токового сигнала в цепи, связывающей устройства, находящиеся под разными потенциалами.
Все три группы барьеров широко используются при проектировании систем контроля и управления технологическими процессами при работе оборудования во взрывоопасной зоне. Барьеры каждой группы имеют свое назначение и область применения. Поставленная перед проектировщиком задача может быть решена несколькими путями с использованием тех или иных барьеров. В таком случае всегда производится оценка каждого варианта решения задачи, оцениваются финансовая составляющая, удобство монтажа и обслуживания систем с целью поиска оптимального решения.
Алгоритмы подбора шунт-диодных барьеров искробезопасности
Далее приведем конкретные примеры для выбора пассивных барьеров и примеры расчетов для проверки работоспособности схемы.
Пример 1. Допустим, необходимо измерять давление газа во взрывоопасной зоне. Во взрывоопасной зоне будет присутствовать газ этилен. Для упрощения задачи рассмотрим вариант с одним датчиком, расположенным в 50 метрах от шкафа с оборудованием. Питание датчика будет осуществляться от сетевого источника питания через барьер, а с помощью измерительного прибора будет осуществляться индикация измеренного давления. Измерительный прибор, блок питания и барьер расположены во взрывобезопасной зоне. В месте установки оборудования имеется возможность создания эквипотенциальной системы заземления.
Перед началом выбора датчика и барьера необходимо определиться с подгруппой электрооборудования, которой должен соответствовать датчик и барьер искрозащиты. Подгруппа электрооборудования зависит от того взрывоопасного вещества, которое будет присутствовать во взрывоопасной зоне. Методика определения подгруппы и рекомендации по выбору подгруппы, а также перечень типовых представителей горючих веществ и соответствующая им подгруппа приведены в приложении А ГОСТ 30852.0-2002, ГОСТ 30852.11-2002.
Согласно приложению А ГОСТ 30852.0-2002 газ этилен соответствует категории взрывоопасности IIB. Соответственно при выборе оборудования, которое будет во взрывоопасной зоне, подгруппа должна быть IIB или более высокая — IIC.
Далее необходимо выбрать датчик давления для измерения соответствующего давления и имеющий взрывозащищенное исполнение типа «искробезопасная электрическая цепь» с необходимым классом точности измерения.
Для нашего примера выберем датчик давления, который имеет следующие характеристики:
После выбора подходящего датчика давления необходимо подобрать к нему барьер искрозащиты. Для выбора барьера необходимо определить, какими параметрами он должен обладать. Выбор следует делать из следующих условий:
Другими словами, барьер искробезопасности должен пропускать через себя такое количество электрической энергии, чтобы во всех режимах работы датчик оставался взрывозащищенным. Для данного датчика выберем барьер ЭнИ-БИС-110-Ех со следующими параметрами:
В качестве измерительного прибора может выступать любой прибор, предназначенный для измерения тока в токовой петле и обеспечивающий необходимым классом точности измерения. Для этой цели мы будем использовать измеритель-регулятор МИР-7200. Для расчета нам нужно знать сопротивление токоизмерительного шунта, которое содержится в технической документации и составляет 50 Ом.
Осталось подобрать источник, от которого будет запитан датчик давления через барьер. Для этого необходимо вернуться к выбранному барьеру искрозащиты, так как напряжение на выходе блока питания будет зависеть от U0 барьера. Напряжение на входе барьера не должно превышать напряжения, при котором через стабилитроны начнет протекать ток. Этот параметр указывается в руководстве по эксплуатации на барьер искрозащиты. Если этот параметр не указан, то его можно вычислить условно. Для барьеров с напряжением U0 более 13 В максимальное напряжение, которое можно подать на вход барьера и при котором ток утечки стабилитронов не превысит 10 мкА, составляет:
Для барьеров с напряжением U0 менее 13 В необходимо увеличивать запас по напряжению до 2…2,5 В, поскольку это связано с искривлением вольт-амперной характеристики стабилитронов при снижении напряжения стабилизации.
Рассчитаем максимальное напряжение, которое можно подать на вход выбранного барьера: Uвх max = 25,2 – 1,2 = 24,0 В.
После определения максимального напряжения, которое можно подать на вход барьера, выбираем источник питания. Это может быть как отдельный источник питания, так и встроенный в измерительный прибор с выходным напряжением 24 В и максимальным током нагрузки не менее 25 мА.
После выбора всех необходимых приборов можно составить электрическую схему для проведения окончательных расчетов. Получившаяся схема приведена на рисунке 5.
Рисунок 5 — Подключение датчика давления через искробезопасный барьер
Для расчета схемы и проверки ее работоспособности необходимо рассчитать сопротивление кабеля, соединяющего датчик давления с барьером искробезопасности. Часть кабеля, который соединяет блок питания, измерительный прибор и барьер можно не учитывать, если данные блоки смонтированы в непосредственной близости в одном шкафу, так как сопротивление этого кабеля будет ничтожно мало и его при расчетах можно не учитывать. В случае, когда длина этого кабеля значительна, его так же необходимо включить в расчет.
Расчет сопротивления кабеля начинают с измерения необходимой длины. Подключение датчиков ведут с помощью медного кабеля с сечением жил не менее 0,35 мм2. Рассчитаем сопротивление кабеля по формуле:
где ρ — удельное сопротивление меди 0,017 Ом·мм 2 /м;
При длине кабеля 50 м сопротивление линии составит: Rк = 0,017 · 50 / 0,35 = 2,42 Ом.
Необходимо провести проверку работоспособности схемы — вычислить значения напряжения питания датчика Uд (см. рисунок 5), которое будет на его клеммах при максимальном токе.
Вычисления следует проводить по формуле:
где Uбп — напряжение на выходе блока питания;
Rш — сопротивление шунта измерительного прибора;
Rmax — проходное сопротивление барьера;
Rк — сопротивление кабеля;
Iд max — максимально возможный ток, потребляемый датчиком, равный 22,5 мА.
Подставив в формулу значения, получим Uд = 24 – (50 + 280 + 2 · 2,42) · 0,0225 = 16,4 В.
Полученное значение есть ничто иное, как минимальное напряжение, которое будет подаваться на датчик для его питания. Это напряжение должно быть больше минимального напряжения питания датчика, которое для выбранного датчика равно 12 В.
В завершении этого примера остается выбрать конкретный тип кабеля с нужным сечением, вычислить емкость и индуктивность кабеля и затем суммировать значение емкости кабеля с емкостью датчика Ci и индуктивность кабеля с индуктивностью датчика Li. Схема будет считаться рабочей, а цепь искробезопасной, если будут выполняться следующие условия:
Если при расчете напряжения для питания датчика становится недостаточно, то необходимо уменьшать сопротивление кабеля (например, увеличив сечение или количество жил), подобрать другой барьер с меньшим проходным сопротивлением, разделить цепь датчика и измерительных приборов на два контура, применив активный барьер искробезопасности.
Рассмотренный выше пример является самым простым, но на практике чаще всего встречаются задачи, когда датчиков может быть несколько, а располагаться они могут на достаточно большой территории и для реализации такой задачи необходимо применять несколько другие подходы. А именно, необходимо помимо обеспечения искрозащиты, каким-то образом защищаться от перекрестных помех, создаваемых оборудованием. Для этих целей схемы барьеров «ib» подходят плохо из-за того, что они имеют глухо заземленный минусовой проводник. При большой территориальной разобщенности оборудования на заземляющих проводниках могут наводиться помехи, с которыми очень тяжело бороться. В таких случаях рекомендуется использовать схемы с плавающим потенциалом сигнальных линий.
Пример такой схемы подключения приведен на рисунке 6. В данной схеме применен барьер со схемой «ia», в которой оба полюса сигнальной линии защищены плавкими предохранителями и имеются стабилитроны для ограничения напряжения и токоограничивающие резисторы, но для работы схемы необходимо чтобы выход источника питания был гальванически развязан от заземления. В данной схеме может быть применен как один источник питания, от которого будут запитаны датчики, так и раздельные источники, имеющие гальваническую развязку от заземления и объединенные общим минусом. Такое построение дает возможность повысить живучесть системы на случай выхода из строя источника питания.
Рисунок 6 — Схема подключения нескольких датчиков к одному измерительному прибору
В плане расчетов схема, приведенная на рисунке 6, ничем не отличается от приведенного выше примера, кроме того, что при расчетах необходимо учитывать сопротивление обеих ветвей. Используя данную схему можно наращивать количество подключаемых датчиков до нужного количества.
В случае, когда минусовой провод измерительного контроллера соединен с выводом заземления (и такое встречается не редко), данная схема работать уже не может. Для нормальной работы в таком случае требуется использование барьера, схема которого приведена на рисунке 7. Обратите внимание на то как выполнена точка подключения заземления в этом барьере. Такое включение с дополнительным стабилитроном дает возможность использовать многоканальный измерительный прибор, общий минус которого соединен с заземлением. Подобная схема требует от барьера увеличения токоограничивающего сопротивления, что приводит к увеличению проходного сопротивления барьера. Поэтому такие барьеры имеют, как правило, более высокий ток короткого замыкания и как следствие — более низкую подгруппу электрооборудованию (IIB или даже IIA).
Рисунок 7 — Схема подключения датчиков через барьеры к контроллеру с общим заземленным минусом
В следующем примере разберемся с выбором и подключением термопреобразователей сопротивления к измерительным приборам через барьер искрозащиты.
Пример 2. К нормирующему преобразователю ЭнИ-702И необходимо подключить платиновый термопреобразователь сопротивления Pt100, расположенный во взрывоопасной зоне на расстоянии 200 метров от измерительного прибора, подгруппа электрооборудования IIC. Диапазон измерения температуры от минус 50 до плюс 100 °С. Схема подключения датчика — четырехпроводная.
Для выполнения расчета необходимы следующие данные:
Поскольку подключение будет производиться по 4-х проводной схеме, то можно не заботиться об одинаковом сопротивлении ветвей барьеров, данная схема подключения призвана компенсировать любые изменения в сопротивлении линии связи. Подключение термопреобразователя будем осуществлять через барьер, имеющий схему «ia» чтобы все линии могли работать с плавающим потенциалом. Это позволит снизить влияние помех и даст возможность подключения нескольких термопреобразователей сопротивления к одному прибору, если есть такая необходимость. Подгруппа электрооборудования, которой должен соответствовать барьер искробезопасности, выбирается исходя из того взрывоопасного вещества, которое будет присутствовать во взрывоопасной зоне.
Теперь необходимо определиться с максимальным напряжением на выходе барьера U0. Проанализировав схемы входных цепей АЦП для подключения термопреобразователя, можно отметить следующее: схемотехника АЦП, применяемая в оборудовании, питается от напряжения 5 В или реже 3,3 В и генератор тока, который поддерживает стабильный ток через измеряемое сопротивление, питается от этого же напряжения. Соответственно напряжения на выходе генератора тока не могут превышать этого значения. Также не стоит забывать, что в зависимости от реализации генератора тока потенциал измерительных выводов может существенно отличаться от потенциала заземления.
Из вышесказанного следует, что напряжение U0 барьера должно быть не ниже 5 В, плюс некоторый запас, а с учетом того, что необходимо обеспечить минимальный ток утечки через стабилитроны менее 1 мкА, то U0 барьера должно быть не ниже 7,5…8 В. Верхнее значение напряжения будет ограничено параметрами линии связи, так как от U0 зависят емкость и индуктивность подключаемого кабеля. Сам термопреобразователь имеет пренебрежимо малую емкость и индуктивность и их в расчете можно не учитывать. Использовать барьеры с U0 ниже 6 В нежелательно, так как в силу физических свойств стабилитронов будет возникать большой ток утечки, который может существенно искажать результаты измерений.
Для примера расчета выберем барьер искрозащиты ЭнИ-БИС-107-Ех, имеющий следующие характеристики:
Схема подключения термопреобразователя сопротивления к измерительному прибору через барьер искрозащиты приведена на рисунке 8.
Рисунок 8 — Схема подключения термопреобразователя сопротивления через барьер искрозащиты к измерительному прибору
В качестве линии связи между термопреобразователем и барьером возьмем монтажный кабель МКЭШВ 2x2x0,5 м, который имеет следующие характеристики:
Рассчитаем какую емкость, сопротивление и индуктивность будет иметь данный кабель при длине 200 метров:
Делаем проверку на допустимые значения емкости и индуктивности линии связи для подгруппы IIC и для данного барьера: