Проверка искробезопасности для измерения и контроля схем нелинейных источников

Автор: А. Schimmele

Автор перевода: Е.А. Дмитриева

 

В химических и фармацевтических перерабатывающих отраслях, при добыче нефти и газа, переработке и распространении в других областях, в которых может присутствовать смесь газов и паров с воздухом - искробезопасность, как вид взрывозащиты для электронных измерений и технологии управления стала ключевой во всем мире. Это относится к условно-проводным измерениям и цепям управления, а также удаленным входам/выходам.

Искробезопасность схемы существенно зависит от ограничения тока, напряжения и потребляемой мощности так, чтобы в нормальных  условиях эксплуатации при определенных условиях: размыкании схем или коротких замыканий на землю  искра не должна возникать. Во избежание искрового зажигания, энергия, запасенная в схеме должна, оставаться ограниченной. Даже небольшое количество  дополнительной энергии может быть причиной нарушения искробезопасности.

В  дополнение к искровым зажиганиям следует избегать тепла возгарания из-за горячих поверхностей, поэтому в нормальных условиях эксплуатации и в условиях отказа необходимо обеспечить отсутствие  недопустимо высоких температур поверхности в устройствах, компонентах и кабелях, расположеных в взрывоопасных зонах, возникающих из-за максимальных токов, напряжений и мощностей, существующих в искробезопасной цепи.

Соответствовать этим критериям должны не только отдельные устройства, содержащиеся в искробезопасной цепи, но и их полная электрическая взаимосвязь. Безопасные величины активных и пассивных устройств должны соответствовать, а также соединения нескольких источников не должны превышать пределы искробезопасности.

Установки стандартной EN 60079-14/08.97 - IEC 60079-14 [1] - поэтому требуется проверка таких внутренних токовых цепей, которая логически должна быть уже сделана в инженерных фазах. Она включает в себя выбор соответствующих устройств и проверку для выбранного соединения.

 

Простые искробезопасные схемы

 

С инженерной точки зрения, простые искробезопасные измерения среды и цепей управления являются предпочтительней, даже в аспектах безопасности (т.е. учитывая неисправности) они содержат только один источник подачи тока, напряжения и мощности цепи. Максимальные значения безопасности тока, напряжения и мощности для искробезопасной схемы будут определяться исключительно одним активносвязанным аппаратом. Они могут  браться из сертификата испытаний или маркировки на устройстве. С этими значениями искробезопасность полной цепи относительно искры зажигание осуществляется.

Дополнительные критерии для проверки таких простых искробезопасных (l.S.) цепей с одним источником (связанные аппарат), подключенным к искробезопасной цепи приведены на рисунке 1.

Искробезопасность аппаратов в опасных областях, не должна приводить к температурам выше, чем разрешено для соответствующего класса температуры. В соответствии с этим, важно знать предельные значения тока и допустимое напряжение для искробезопасных аппаратов. Эти значения можно взять из сертификата.

Соответствующие устройство должно быть выбрано в соответствии с его безопасным значением U₀ и l₀ таким образом, чтобы эти значения не превышались даже в условиях отказа. В сертификатах испытаний, максимально допустимая мощность искробезопасных аппаратов в основном приводится в качестве дополнительных ограничений. Необходимо внимательно следить, чтобы источник не мог обеспечить избыточную мощность.

В источниках с резистивным ограничением тока и линейной характеристикой продукции, максимальное значение мощности P₀=1/4U₀*I₀ можно предположить. Источники с электронным ограничением тока и нелинейной выходной характеристикой могут обеспечивать значения до P₀=U₀*I₀.

Для простых искробезопасных аппаратов без тестового сертификата, установщик должен путем расчета или измерения определить характеристики нагрева и доказать, что не происходит недопустимого роста тепла.

При установке искробезопасной цепи, необходимо также убедиться, что максимальные допустимые значения индуктивности и емкости не превышают оборудования включенного в схему, в том числе кабелей.

В противном случае может быть сведена на нет искробезопасность, возможно хранение энергии. Для искробезопасных цепей только одного связанного аппарата, это может быть вычислено достаточно просто с помощью критериев, приведенных на рисунке 1.

Допустимая емкость в искробезопасной цепи зависит от обеспечения безопасности соответствующих максимальных напряжения (напряжение холостого хода) U₀ и индуктивности L₀ от короткого замыкания тока I₀ взаимодействующего  оборудования. Значения могут быть взяты из маркировки или сертификата. Они различаются в зависимости от типа взрывоопасности. Эффективные емкости и индуктивности (C_i и L_i) устройств в цепи, а также кабелей(C_о и L_о)   должны быть известны и не должны превышать значений при суммировании.

Кабели, как правило, рассматриваются как концентрированные емкости. Таким образом, достаточно определить максимальную емкость, которая возникает между двумя сердечниками. В приблизительной оценке, емкость 200 нФ/км и индуктивность 1 мГн/км можно предположить, для стандартного кабеля с хорошим уровнем безопасности.

 

1.     Искробезопасные цепи с несколькими источниками

Для искробезопасных цепей с более чем одним источником (в частности, несколько устройств, которые, с точки зрения безопасности, могли питаться электрической энергией в этой цепи в нормальном режиме работы или при неисправности) необходимо учитывать взаимосвязь, и должно быть доказано сохранение искробезопасности, либо путем расчета либо измерения.

Эти устройства или источники неоспоримо активные с точки зрения безопасности, как правило, связаны аппарата, они могут, однако, также он искробезопасных аппарат со своими источник напряжения (например, батареи).

         Тест-проверка часто встречается с трудности на практике, поскольку необходимые устройства, как правило, не доступны и в дальнейшем, при определенных условиях неисправности, ведущие к наиболее неблагоприятным условия зажигания (“наихудшим подход”), должны быть смоделированы в устройствах.

Для дизайнера или пользователя на выбор существуют обычные методы проверки искробезопасности по расчету.

Для оценки расчета необходимо установить содержит ли соединение только линейные источники тока / амперные (выходные) характеристики, или есть также источники с нелинейными характеристиками.

Некоторые типичные схемы вместе с их выходными кривыми показаны на рисунке 2. Напряжение источников с резистивным текущим ограничением есть линейная характеристика продукции. Предельные напряжения связаны на стороне нагрузки токоограничивающих резисторов, трапециевидной характеристикой результаты которой уже нелинейны. Цепи с электронным ограничением тока в идеале имеют прямоугольную характеристику.
         В то время как тип характеристики или  сама характеристика обычно не указывается в тестовом сертификате, это отличие может привести к трудностям. В качестве критерия может использоваться информация, содержащаяся в новых сертификатах испытаний на максимальную выходную мощность Р₀ в зависимости от значений U₀ и I₀. Для активных устройств с линейной характеристикой (резистивное ограничение тока) P0 рассчитывается как P₀=U₀* I₀ / 4.

Это Р₀ выходная мощность, приведенная в сертификате в таком случае мы имеем нелинейные характеристики. Если мощность отсутствует  в сертификате, то тип и форма характеристик тока / напряжения должны быть получена от производителя или пробного тела.

 

Схемы с линейными источниками

В первом случае идет речь, о  том, что все источники в схеме рассматриваются с линейными характеристиками продукции, процедуры для проверки искробезопасной цепи подробно описаны и коротко объяснены в установке стандартных EN 60079-L4 / 08,97 приложениях А и В.

На первом шаге, должна быть рассмотрена взаимосвязь всех источников и все возможные значения тока или напряжения  должны быть приняты во внимание. Из этих новых максимальных и безопасных значений тока I₀ напряжение U₀ может быть определена мощность, имеющая отношение к искробезопасной цепи (системе). С помощью предела воспламенения кривых, приведенных в стандартах EN 50020 [2] или МЭК 60079-II [3] можно выяснить, является ли новое максимальное значения тока и напряжения допустимым, к какой группе искробезопасной цепи по взрыву соответствует (учитывать коэффициент безопасности 1,5 по току). Максимально допустимого индуктивность L₀ или емкость C₀ в искробезопасной цепи может быть определена по кривым предела воспламенения в зависимости от коротких  токов замыкания I₀ или обрыва в цепи напряжения U₀.  Для этого, коэффициент безопасности 1,5 должен быть принят во внимание для ток или напряжения.

Следует отметить, что предельные кривые зажигания используют не значения напряжения холостого хода (U₀) и короткого замыкания тока (I₀), а координаты, описывающие угловых точки линейного тока/характеристики кривой напряжения. Эти значения только естественно не могут происходить одновременно. Эта процедурой можнот пользоваться для искробезопасных цепей, когда все источники являются линейными. Причиной этого является тот факт, что кривые предела воспламенения были измерены только для такого рода схем. На практике, однако, к счастью, такие источники используются наиболее часто.