危險(xiǎn)區(qū)域的傳感器
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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(yùn)送到另一處的汽車，再到檢測(cè)工業(yè)流程的自動(dòng)化設(shè)備和控制系統(tǒng)，傳感器無(wú)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(lái)越復(fù)雜。當(dāng)時(shí)用于危險(xiǎn)環(huán)境中時(shí)，需要對(duì)應(yīng)用有一個(gè)全面的了解以及嚴(yán)格的選型。
American Sensor Technologies公司的商業(yè)發(fā)展副總裁Karmjit Sidhu評(píng)述說：對(duì)于危險(xiǎn)環(huán)境，有很多因素需要考慮，在這些危險(xiǎn)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(rèn)證的功能安全專家Art Pietrzyk補(bǔ)充道：“我們正在降低危險(xiǎn)系數(shù)，但是危險(xiǎn)仍舊是危險(xiǎn)。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(biāo)準(zhǔn)給安全帶來(lái)新的轉(zhuǎn)機(jī)。”
圖1：為了安全運(yùn)行，用于危險(xiǎn)區(qū)域的傳感器必須設(shè)計(jì)使其和使用環(huán)境相配。
選擇和安裝過程中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)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(dú)工作。
如果正確選型和使用，大多數(shù)設(shè)備可以安全運(yùn)行。關(guān)鍵就在于對(duì)具體應(yīng)用的理解，一臺(tái)Class I, Div. 1等級(jí)的用于危險(xiǎn)環(huán)境的設(shè)備可能并不適用于另一個(gè)同樣等級(jí)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(huì)帶來(lái)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(chǔ)罐內(nèi)放置的是什么，不要依賴外殼上所寫的。你的應(yīng)用也許并不需要經(jīng)過認(rèn)證的設(shè)備，但是謹(jǐn)慎起見，使用經(jīng)認(rèn)證的設(shè)備也無(wú)妨?！?
為了安全地運(yùn)行，危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)使用的傳感器必須針對(duì)其所使用的環(huán)境專門設(shè)計(jì)。通常，有三種方法：選擇本安設(shè)備，使用隔爆外殼或正壓隔離系統(tǒng)。（根據(jù)應(yīng)用的不同，這些危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)使用的傳感器并不能只考慮這些信息，還須對(duì)于特殊的環(huán)境進(jìn)行研究并作相應(yīng)補(bǔ)充。）
設(shè)計(jì)成本質(zhì)安全（IS）的傳感器對(duì)能量作了限制，使其不足以引燃相應(yīng)等級(jí)的危險(xiǎn)氣體。一致性檢查確保IS-等級(jí)的設(shè)備已經(jīng)經(jīng)過檢測(cè)以及確定多少能量會(huì)引起動(dòng)作。IS設(shè)備通常使用一種叫做安全柵的“外部設(shè)備”，用于限制電流，進(jìn)而限制故障狀態(tài)下電路中的能量。
一個(gè)被動(dòng)安全柵通過防止過壓和限制電流來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)機(jī)制。如果4-20mA信號(hào)線上發(fā)生了短路，安全柵會(huì)防止引燃。Macro Sensors首席應(yīng)用工程師Ed Herceg說：“每一個(gè)本安設(shè)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(shè)備的整體參數(shù)來(lái)配接相應(yīng)的安全柵，以確保你為設(shè)備選擇了合適的安全柵。否則，你可能并沒有被保護(hù)。然而，時(shí)至今日，我聽說而且也相信，沒有一場(chǎng)發(fā)生在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)的爆炸或火災(zāi)是由本安設(shè)備的失效引起的?！?
在Class I, Div. 2危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)，有時(shí)也會(huì)用非易燃設(shè)備、儀器和現(xiàn)場(chǎng)布線來(lái)代替本安設(shè)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(yù)期的爆炸壓力，并將爆炸限制在外殼內(nèi)，不會(huì)傳爆。隔爆技術(shù)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(shí)，隔爆型也是一個(gè)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(shè)備在危險(xiǎn)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(guān)鍵的是這種系統(tǒng)都要引入不易點(diǎn)燃的氣體（惰性氣體）例如氮?dú)饣蛘叨趸迹趯?dǎo)管、元件和設(shè)備中通過，防止可燃性氣體進(jìn)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(lái)說，危險(xiǎn)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(shè)計(jì)成本安型。通常，將本安設(shè)備放置在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)比使用一個(gè)隔爆外殼要便宜一些，雖然兩種方法都有些昂貴。除了價(jià)格因素，本安設(shè)備（配接安全柵）通常更受歡迎，因?yàn)樗コ吮ǖ目赡苄?。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(gè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的一項(xiàng)受控粉塵爆炸顯示了可燃?xì)怏w
和粉塵點(diǎn)燃時(shí)會(huì)發(fā)生什么。FM Approvals是FM全球集團(tuán)的一個(gè)成員，
對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域傳感器進(jìn)行認(rèn)證，防止類似事故的發(fā)生。
用戶如果要采購(gòu)危險(xiǎn)區(qū)域用傳感器，必須選擇那些帶有當(dāng)?shù)匾恢滦詸z查機(jī)構(gòu)認(rèn)可標(biāo)志的設(shè)備。在北美，用于危險(xiǎn)區(qū)域的傳感器須經(jīng)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)室測(cè)試并分級(jí)，例如UL（美國(guó)保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室）、FM（工廠互助保險(xiǎn)公司）和CSA（加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)），采用諸如美國(guó)消防協(xié)會(huì)的美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范（NFPA 70）之類的標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范符合美國(guó)大多數(shù)的工況，將危險(xiǎn)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(xiǎn)環(huán)境出現(xiàn)的頻度：在正常工作情況下會(huì)出現(xiàn)（（Div. 1）；通常情況下不會(huì)出現(xiàn)（Div. 2）。進(jìn)一步細(xì)化（Group）用于區(qū)分具體危險(xiǎn)介質(zhì)（氫氣、乙炔等）。
在歐洲，CENELEC（歐洲電氣標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)）負(fù)責(zé)管理標(biāo)準(zhǔn)。但是近期，此工作由ATEX指令（潛在爆炸危險(xiǎn)環(huán)境用設(shè)備）接管。日本有自己的標(biāo)準(zhǔn)化組織，亞洲的很多區(qū)域也有著自己的標(biāo)準(zhǔn)。IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）實(shí)時(shí)發(fā)布國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，致力于“國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和政府、商業(yè)和社會(huì)的一切電氣、電子和相關(guān)技術(shù)的一致性評(píng)定工作?！?
結(jié)果就是在全球經(jīng)濟(jì)大環(huán)境下，有很多標(biāo)準(zhǔn)共存，這給傳感器的選型、應(yīng)用、設(shè)計(jì)和銷售帶來(lái)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(guó)和加拿大銷售，但卻不能進(jìn)入歐洲或者巴西的市場(chǎng)。這對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的改變產(chǎn)生了以定的推動(dòng)作用。今天，用戶的產(chǎn)品取得了認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)改變了?！?
Honeywell Sensing and Control公司的安全開關(guān)和隔爆性防爆開關(guān)生產(chǎn)經(jīng)理Leslie Neill說：“IEC最有可能實(shí)現(xiàn)全球標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一。雖然在過去幾年歐洲的ATEX指令占據(jù)主導(dǎo)地位，但是最近IEC頒布了IECEx標(biāo)準(zhǔn)，力圖使世界范圍內(nèi)的認(rèn)證統(tǒng)一化。每一個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)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(gè)國(guó)家愿意將IECEx標(biāo)準(zhǔn)作為唯一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，那就是澳大利亞。”
一體化
Everight公司的Schaevitz補(bǔ)充說：“全球標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)狀可能會(huì)因世界范圍內(nèi)的區(qū)域性認(rèn)證體系而調(diào)整。但是最好這種調(diào)整是朝著一體化的方向，因?yàn)楣I(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?yàn)樗C布了‘國(guó)際’標(biāo)準(zhǔn)。而且制定了ATEX標(biāo)準(zhǔn)的歐共體成員國(guó)長(zhǎng)期以來(lái)有著緊密的經(jīng)濟(jì)和文化紐帶，并期待與世界范圍內(nèi)的其它國(guó)家進(jìn)一步整合，當(dāng)然，沒有哪些國(guó)家像歐洲一樣統(tǒng)一步調(diào)了。”
當(dāng)前，歐盟承認(rèn)ATEX認(rèn)證，不接受其他認(rèn)證體系，雖然很多人認(rèn)為UL、FM和CSA認(rèn)證和ATEX認(rèn)證甚至比ATEX認(rèn)證更嚴(yán)格。與美國(guó)的Class/Division分級(jí)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(diǎn)燃危險(xiǎn)持續(xù)存在或長(zhǎng)
評(píng)論