安全柵原理

1. 安全柵原理—簡介

　　安全柵一般出現在本安系統中，首先介紹一個電氣知識，本質安全是系統防爆技術，指通過設計等手段使生產設備或生產系統本身具有安全性，即使在誤操作或發生故障的情況下也不會造成事故的功能。而安全柵是本安防爆系統中常用的關聯設備。

　　安全柵是介于現場設備和控制室之間的一個回路限制能量的電路，如下圖所示。其基本功能有兩個：一使危險場所的本安設備能正常工作;第二用來把控制室供給現場儀表的電能量限制在既不能產生足以引爆危險氣體的火花的范圍，又不能產生足以引爆危險氣體的儀表表面溫度的范圍，即使本安設備自身發生故障，只要安全柵的限流限壓電路工作正常，也不會產生任何足以引燃爆炸環境的火花或表面溫度。因此無論安全場所的控制室設備還是危險場所的本安設備發生故障，整個系統在電路上都會處于本質上的安全狀態，不會產生爆炸。

　　由于安全柵被設計為介于現場設備與控制室設備之間的一個限制能量的接口，因此無論控制室設備處于正常或故障狀態，安全柵都能確保通過它傳送給現場設備的能量是本質安全的。

2. 安全柵原理—分類

　　安全柵作為控制室的非本安設備與危險場所的本安設備之間的關聯設備，是本安爆系統中的重要組成部分，安全柵按結構分為齊納式安全柵和隔離式安全柵兩大類。

　　1)、齊納式安全柵

　　齊納式安全柵采用在電路回路中串聯快速熔斷絲、限流電阻和并聯限壓齊納二極管實現能量的限制，保證危險區儀表與安全區儀表信號連接時安全限能。它采用器件非常少、體積小、價格低，但也有一些致命的缺陷，使應用范圍受到較大的限制。

　　2)、隔離式安全柵

　　隔離式安全柵采用了將輸入、輸出以及電源三方之間相互電氣隔離的電路結構，不但有限能功能，還有隔離功能，同時符合本安型限制能量的要求，它主要由回路限能單元、信號、電源隔離單元和信號處理單元組成。與齊納式安全相比，雖然價格較貴，但它性能上的突出優點卻為用戶應用帶來了更大的受益其基本功能框圖如下：

　　對比齊納式和隔離式安全柵的特點和性能后可以看出，隔離式安全柵有著突出的優點和更為廣泛用途，雖然其價格略高于齊納式安全柵，但從設計、施工安裝、調試及維護成本來考慮，其綜合成本可能反而低于齊納式安全柵。在要求較高的工程現場幾乎無一例外地采用了隔離式安全柵作為主要本安防爆儀表，隔離式安全柵已逐漸取代了齊納式安全柵，在安全防爆領域得到了日益廣泛的應用。

3. 安全柵原理—工作原理

　　安全柵的主要功能就是限制安全場所的危險能量進入危險場所，及限制送往危險場所的電壓和電流，下面具體分析兩種安全柵的工作原理：

　　齊納安全柵的穩壓二極管限制了從非本安端傳到本安端的電壓，電阻限制了電流，快速熔斷器用于保護穩壓二極管不被過大的電流燒壞。通過電路的限壓和限流，把傳輸到危險區的能量限制在安全值之內。它的特點是電路元器件少，故障率低，成本低，回路信號保真性好，但由于必須加限能電阻再加上智能變送器的采樣電阻，過大的電壓降低往往會導致回路供電不足，而且在工程中要可靠接地，否則會失去防爆安全保護功能。如下圖所示：

　　齊納管Z用于限制電壓。當回路電壓接近安全限壓值時，齊納管導通，使齊納管兩端的電壓始終保持在安全限壓值以下。電阻R用于限制電流。當電壓被限制后，適當選擇電阻值，可將回路電流限制在安全限流值以下。

　　與齊納安全柵相比，隔離式安全柵除具有限壓與限流的作用之外，還帶有電流隔離的功能。隔離式安全柵以安全柵的電路作為本安電路，實現限流和限壓，并用脈沖變壓器或光電器件隔離本安電路與非本安電路，它容易實現信號一入兩出等分配功能，因為電源、輸入、輸出相互隔離，組成系統時不需要接地，信號*浮空，檢測和控制回路的信號穩定性和抗干擾能力大大加強，從而提高了整個系統的可靠性。如下圖所示：

　　其核心的電路為安全柵基本限能電路，隔離單元包括變壓器隔離組件、模頻轉換和頻模轉換電路，信號處理單元則根據各種隔離柵功能要求進行信號處理。隔離柵通常由回路限能單元、電流隔離單元和信號處理單元三部分組成，其中回路限能單元為安全柵的核心部分。此外，輔助有用于驅動現場儀表的回路供電電路和用于儀表信號采集的檢測電路。信號處理單元則根據安全柵的功能要求進行信號處理。