Для чего барьер искробезопасности
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:
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».
ОВЕН ИСКРА: безопасность работы оборудования во взрывоопасных зонах
Барьеры искрозащиты обеспечивают безопасность работы приборов и датчиков, находящихся во взрывоопасных зонах. Применение барьеров искрозащиты совершенно необходимо на промышленных объектах, связанных с производством или применением нефтепродуктов и горючих газов. Возникновение искры или нагревание какого-либо элемента во взрывоопасной зоне может привести к взрыву или пожару. Поэтому при измерении температуры, давления и уровня сред в агрегатах, работающих в таких зонах, используют искробарьеры. Компания ОВЕН выпускает для этих целей барьер искрозащиты ИСКРА.
Назначение искробарьеров
Искробарьер защищает взрывоопасную зону от искр, которые могут возникнуть в электрической цепи датчика и вызвать воспламенение газа. Представим ситуацию: взрывоопасная зона — например газораспределительная станция (ГРС), где постоянно присутствует природный газ и существует опасность его утечки. Как известно, газ может взорваться в смеси с воздухом, если он составляет от 5 до 15 % объема смеси. Но это может произойти только в том случае, если возникнет искра, способная «поджечь» эту взрывоопасную смесь. Если энергии искры будет недостаточно, то взрыва не произойдет.
Постоянное удерживание энергии вероятной искры на уровне, недостаточном для воспламенения взрывоопасной смеси, достигается ограничением напряжения, тока, емкости и индуктивности в электрической цепи «датчик-прибор».
Что учитывать при выборе барьера искрозащиты
Существует несколько классов взрывоопасных зон и способы обеспечения взрывобезопасности оборудования. В этой статье мы рассмотрим только вид взрывозащиты «Искробезопасная цепь», как ее обеспечить и на что обратить особое внимание.
«Искробезопасная электрическая цепь i» — вид взрывозащиты оборудования, основанный на ограничении энергии искры, которая может возникнуть внутри оборудования или проводки, находящихся во взрывоопасной зоне. Требования к искробезопасному (ex ia) оборудованию и обеспечению искробезопасности всей системы описаны в ГОСТ 31610.11 (IEC 60079-11:2011).
Рисунок 1. Электрические параметры компонентов искробезопасной цепи
При подборе датчиков и искробарьеров необходимо учитывать следующие очень важные факторы. И у датчиков в искробезопасном исполнении, и у барьеров есть «свои» пороговые значения (рис. 1) напряжения (Ui, Uo), тока (Ii, Io), индуктивности (Li, Lo), емкости (Ci, Co). Они должны находиться между собой в определенных соотношениях (табл. 1). Соединительный кабель также имеет емкость и индуктивность, которую нужно учитывать (Lc, Cc).
Таблица 1. Условия искробезопасности цепи
Как видно из таблицы, напряжение и ток искробезопасного датчика должны быть выше соответствующих параметров искробарьера. В таком случае барьер гарантированно не введет датчик в опасный режим работы, при котором не гарантируется его взрывобезопасность.
При этом суммарные значения емкости и индуктивности связки «датчик+кабель» не должны превышать максимальных выходных параметров искробарьера. Это необходимо для гарантии того, что накопленная в реактивных компонентах энергия (катушки индуктивности, конденсаторы и т. п.) в случае короткого замыкания не вызовет искру, способную поджечь газовоздушную смесь.
Барьер искрозащиты ОВЕН ИСКРА.03
Искробарьеры могут быть трех уровней искробезопасности:
Также искробарьеры делятся на два больших класса: активные и пассивные. Преимущества пассивных искробарьеров: бюджетность, надежность, не требуют питания. К недостаткам пассивных барьеров следует отнести внесение дополнительной погрешности в показания датчиков, узкий диапазон питающих напряжений и выход из строя при выбросах напряжения питания (сгорает предохранитель).
ОВЕН ИСКРА.03 относится к пассивным искробарьерам и имеет класс взрывозащиты «ia», т. е. особо взрывобезопасный. «03» означает, что это уже третий релиз прибора: впервые барьер увидел свет в 2005 году. Он соответствует требованиям регламента Таможенного союза 012/2011 «О безопасности оборудования для работы во взрывоопасных средах». ИСКРА имеет маркировку взрывозащиты [Ex ia Ga] IIC (рис. 2).
Рисунок 2. Маркировка взрывозащиты искробарьера ИСКРА.03
ИСКРА обеспечивает очень высокий уровень защиты взрывоопасной зоны от искр, способных воспламенить горючий газ. Обратите внимание: барьер не предотвратит возникновение искры вообще. Но он обеспечит ее «безобидность» — ограничит энергию искры и не допустит взрыва смеси.
Прибор ограничивает напряжение и ток в цепи до искробезопасных значений при воздействии на барьер напряжения до 250 В (рис. 3).
Рисунок 3. Схема установки барьера ИСКРА
Как работает искрозащита
Пассивные или шунтдиодные искробарьеры конструктивно включают в себя так называемые диоды Зенера D (стабилитроны), сопротивления R, плавкие предохранители F. На рис. 4 приведена схема пассивного барьера искрозащиты. В качестве вторичного прибора показан измеритель с RS-485 ОВЕН ТРМ200.
Рисунок 4. Схема пассивного барьера искрозащиты
При возникновении опасной ситуации (например скачка напряжения на входе барьера) стабилитроны D открываются и проводят 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. Это напрямую влияет на его уровень искробезопасности.
Модификации ОВЕН ИСКРА.03
В мае 2020 года компания ОВЕН дополнила линейку барьеров искрозащиты прибором ИСКРА-СКх.03. Барьеры искрозащиты ИСКРА-СКх.03 обеспечивают надежное безопасное подключение сигнализаторов уровня ОВЕН ПДУ-Ех к вторичным устройствам.
Таблица 2. Выходные искробезопасные параметры ОВЕН ИСКРА.03
Сейчас существует четыре модификации ИСКРЫ (табл. 2) — каждая для работы с определенным типом датчиков:
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
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.