危險區(qū)域的傳感器
加入技術交流群
傳感器遍布于我們的生活中。從我們的家具到把我們從一處運送到另一處的汽車，再到檢測工業(yè)流程的自動化設備和控制系統(tǒng)，傳感器無處不在。然而，就像大多數(shù)元件一樣，它們是整體的一部分，系統(tǒng)中的元件越來越復雜。當時用于危險環(huán)境中時，需要對應用有一個全面的了解以及嚴格的選型。
American Sensor Technologies公司的商業(yè)發(fā)展副總裁Karmjit Sidhu評述說：對于危險環(huán)境，有很多因素需要考慮，在這些危險環(huán)境下安全地使用傳感器變成了一種很難卻又必做之事。Rockwell Automation公司的T哣認證的功能安全專家Art Pietrzyk補充道：“我們正在降低危險系數(shù)，但是危險仍舊是危險。改變的只是我們所采取的安全措施。精密的儀器和更統(tǒng)一的標準給安全帶來新的轉機?！?
圖1：為了安全運行，用于危險區(qū)域的傳感器必須設計使其和使用環(huán)境相配。
選擇和安裝過程中的一個關鍵點在于，考慮到如何將元件整合到系統(tǒng)之中，
這些元件很少單獨工作。
如果正確選型和使用，大多數(shù)設備可以安全運行。關鍵就在于對具體應用的理解，一臺Class I, Div. 1等級的用于危險環(huán)境的設備可能并不適用于另一個同樣等級的環(huán)境，例如有毒環(huán)境。Sidhu警告道：“這是一種濫用和誤解，會帶來問題。最終用戶需要知道他到底選擇了什么，和他選擇的東西到底可以用于什么環(huán)境。明確儲罐內(nèi)放置的是什么，不要依賴外殼上所寫的。你的應用也許并不需要經(jīng)過認證的設備，但是謹慎起見，使用經(jīng)認證的設備也無妨。”
為了安全地運行，危險區(qū)域內(nèi)使用的傳感器必須針對其所使用的環(huán)境專門設計。通常，有三種方法：選擇本安設備，使用隔爆外殼或正壓隔離系統(tǒng)。（根據(jù)應用的不同，這些危險區(qū)域內(nèi)使用的傳感器并不能只考慮這些信息，還須對于特殊的環(huán)境進行研究并作相應補充。）
設計成本質安全（IS）的傳感器對能量作了限制，使其不足以引燃相應等級的危險氣體。一致性檢查確保IS-等級的設備已經(jīng)經(jīng)過檢測以及確定多少能量會引起動作。IS設備通常使用一種叫做安全柵的“外部設備”，用于限制電流，進而限制故障狀態(tài)下電路中的能量。
一個被動安全柵通過防止過壓和限制電流來實現(xiàn)保護機制。如果4-20mA信號線上發(fā)生了短路，安全柵會防止引燃。Macro Sensors首席應用工程師Ed Herceg說：“每一個本安設備都必須由安全柵供電。但并不是所有的安全柵都一樣。有很多種類的安全柵，你必須根據(jù)設備的整體參數(shù)來配接相應的安全柵，以確保你為設備選擇了合適的安全柵。否則，你可能并沒有被保護。然而，時至今日，我聽說而且也相信，沒有一場發(fā)生在危險區(qū)域內(nèi)的爆炸或火災是由本安設備的失效引起的?！?
在Class I, Div. 2危險區(qū)域內(nèi)，有時也會用非易燃設備、儀器和現(xiàn)場布線來代替本安設備。傳感器可以放在隔爆外殼中，一旦問題發(fā)生，外殼能承受住預期的爆炸壓力，并將爆炸限制在外殼內(nèi)，不會傳爆。隔爆技術已經(jīng)很成熟了，只要安裝正確，在所需傳感器沒有本安型版本時，隔爆型也是一個可行的選擇。
正壓隔離系統(tǒng)也可以用于阻止傳感器和其他設備在危險區(qū)域內(nèi)發(fā)生爆炸。正壓隔離系統(tǒng)有很多類型，但是最關鍵的是這種系統(tǒng)都要引入不易點燃的氣體（惰性氣體）例如氮氣或者二氧化碳，在導管、元件和設備中通過，防止可燃性氣體進入。一種衍生的方法是通過將系統(tǒng)密封，根本沒有空間存在可燃性氣體。
Everight Precision公司的總裁Les Schaevitz說：“總體上來說，危險區(qū)域內(nèi)的傳感器要么將其電氣部分放置于隔爆外殼內(nèi)，要么將其電氣部分設計成本安型。通常，將本安設備放置在危險區(qū)域內(nèi)比使用一個隔爆外殼要便宜一些，雖然兩種方法都有些昂貴。除了價格因素，本安設備（配接安全柵）通常更受歡迎，因為它去除了爆炸的可能性。很多用戶不希望存在潛在問題，哪怕發(fā)生在隔爆外殼內(nèi)也不行。”
圖2：FM Approvals的一個實驗室進行的一項受控粉塵爆炸顯示了可燃氣體
和粉塵點燃時會發(fā)生什么。FM Approvals是FM全球集團的一個成員，
對危險區(qū)域傳感器進行認證，防止類似事故的發(fā)生。
用戶如果要采購危險區(qū)域用傳感器，必須選擇那些帶有當?shù)匾恢滦詸z查機構認可標志的設備。在北美，用于危險區(qū)域的傳感器須經(jīng)獨立實驗室測試并分級，例如UL（美國保險商實驗室）、FM（工廠互助保險公司）和CSA（加拿大標準協(xié)會），采用諸如美國消防協(xié)會的美國國家電氣規(guī)范（NFPA 70）之類的標準。美國國家電氣規(guī)范符合美國大多數(shù)的工況，將危險區(qū)域分成三種：蒸汽和氣體（Class I）；粉塵，例如煤和面粉（Class II）；纖維（Class III）。Division用于區(qū)分危險環(huán)境出現(xiàn)的頻度：在正常工作情況下會出現(xiàn)（（Div. 1）；通常情況下不會出現(xiàn)（Div. 2）。進一步細化（Group）用于區(qū)分具體危險介質（氫氣、乙炔等）。
在歐洲，CENELEC（歐洲電氣標準化委員會）負責管理標準。但是近期，此工作由ATEX指令（潛在爆炸危險環(huán)境用設備）接管。日本有自己的標準化組織，亞洲的很多區(qū)域也有著自己的標準。IEC（國際電工委員會）實時發(fā)布國際標準，致力于“國際標準和政府、商業(yè)和社會的一切電氣、電子和相關技術的一致性評定工作?！?
結果就是在全球經(jīng)濟大環(huán)境下，有很多標準共存，這給傳感器的選型、應用、設計和銷售帶來了麻煩。Macro Sensors公司的Herceg解釋道：“問題之一是，你的產(chǎn)品可以在美國和加拿大銷售，但卻不能進入歐洲或者巴西的市場。這對標準的改變產(chǎn)生了以定的推動作用。今天，用戶的產(chǎn)品取得了認證，但明天卻發(fā)現(xiàn)在很多區(qū)域內(nèi)不能銷售，原因就是標準改變了?！?
Honeywell Sensing and Control公司的安全開關和隔爆性防爆開關生產(chǎn)經(jīng)理Leslie Neill說：“IEC最有可能實現(xiàn)全球標準統(tǒng)一。雖然在過去幾年歐洲的ATEX指令占據(jù)主導地位，但是最近IEC頒布了IECEx標準，力圖使世界范圍內(nèi)的認證統(tǒng)一化。每一個不同的標準化體系就像一把傘，這些傘都有交叉的區(qū)域，如果你愿意的話，IECEx要用一把大傘把所有這些小傘都涵蓋其下。然而，我相信，至今只有一個國家愿意將IECEx標準作為唯一的國家標準，那就是澳大利亞?！?
一體化
Everight公司的Schaevitz補充說：“全球標準的現(xiàn)狀可能會因世界范圍內(nèi)的區(qū)域性認證體系而調整。但是最好這種調整是朝著一體化的方向，因為工業(yè)的發(fā)展是全球化的。我們相信ATEX模型正在朝著一體化的方向努力，因為它頒布了‘國際’標準。而且制定了ATEX標準的歐共體成員國長期以來有著緊密的經(jīng)濟和文化紐帶，并期待與世界范圍內(nèi)的其它國家進一步整合，當然，沒有哪些國家像歐洲一樣統(tǒng)一步調了?！?
當前，歐盟承認ATEX認證，不接受其他認證體系，雖然很多人認為UL、FM和CSA認證和ATEX認證甚至比ATEX認證更嚴格。與美國的Class/Division分級制類似，ATEX區(qū)域劃分體系包括在正常工作條件下可燃性氣體或蒸汽的點燃危險持續(xù)存在或長
評論