在石油化工、礦山開采、海洋平臺(tái)等易燃易爆環(huán)境中，儀表設(shè)備的防爆設(shè)計(jì)是保障生產(chǎn)安全的核心環(huán)節(jié)。上海儀器儀表自控系統(tǒng)檢驗(yàn)測(cè)試所(簡稱“上儀”)的顯控儀表通過嚴(yán)格的Ex認(rèn)*體系，結(jié)合本質(zhì)安全型(Exi)、隔爆型(Exd)等防爆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆炸風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)控制。本文將從防爆原理、Ex認(rèn)*標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑三個(gè)維度，解析上儀顯控儀表的防爆設(shè)計(jì)邏輯。
一、防爆設(shè)計(jì)的核心原理：切斷爆炸三要素的連鎖反應(yīng)
爆炸的發(fā)生需同時(shí)滿足三個(gè)條件：可燃性物質(zhì)(氣體、粉塵)、助燃劑(氧氣)、點(diǎn)燃源(電火花、高溫表面)。防爆技術(shù)的本質(zhì)是通過物理或電氣手段，切斷其中至少一個(gè)要素的傳遞鏈條。上儀顯控儀表主要采用以下兩種原理：
1. 本質(zhì)安全型(Exi)：限制能量至安全閾值
本質(zhì)安全型通過低功率設(shè)計(jì)，將電路中的電壓、電流、電容、電感等參數(shù)限制在極低水平，確保在正常工作或故障狀態(tài)下(如短路、元件損壞)，產(chǎn)生的電火花能量或表面溫度均低于可燃性物質(zhì)的**引燃能量(MIE)。例如，針對(duì)氫氣(ⅡC類氣體)環(huán)境，電路功率需控制在1.3W以下，工作電流不超過100mA(Exia級(jí))或150mA(Exib級(jí))。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，本質(zhì)安全型儀表需配合安全柵使用。安全柵作為關(guān)聯(lián)設(shè)備，位于安全區(qū)與非安全區(qū)之間，通過限壓、限流、隔離等措施，將非安全區(qū)的能量輸入限制在安全范圍內(nèi)。例如，齊納式安全柵利用二極管的穩(wěn)壓特性限制電壓，隔離式安全柵則通過變壓器或光耦實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
2. 隔爆型(Exd)：構(gòu)建物理隔離屏障
隔爆型通過高強(qiáng)度外殼承受內(nèi)部爆炸壓力，并利用精密的接合面設(shè)計(jì)(如螺紋精度、間隙寬度)阻止爆炸火焰?zhèn)鞑ブ镣獠凯h(huán)境。其核心邏輯是“允許內(nèi)部爆炸，但限制爆炸范圍”。例如，外殼接合面的*大間隙需小于該環(huán)境可燃性氣體的*大實(shí)驗(yàn)安全間隙(MESG)，確保爆炸火焰在穿透接合面時(shí)因能量耗散而熄滅。
隔爆型儀表的設(shè)計(jì)需嚴(yán)格遵循GB 3836.2標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)外殼材料、厚度、接合面粗糙度等參數(shù)進(jìn)行精細(xì)化控制。例如，鋁合金外殼需通過抗爆試驗(yàn)，驗(yàn)*其在內(nèi)部爆炸壓力下的完整性;接合面需采用鍍鋅或鍍鎳處理，防止腐蝕導(dǎo)致間隙增大。
二、Ex認(rèn)*體系：防爆設(shè)計(jì)的合規(guī)性基石
Ex認(rèn)*是防爆設(shè)備進(jìn)入市場(chǎng)的“通行*”，其核心標(biāo)準(zhǔn)包括國際IECEx體系、歐盟ATEX指令以及中國GB 3836系列標(biāo)準(zhǔn)。上儀顯控儀表的Ex認(rèn)*需通過以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：
1. 防爆型式與危險(xiǎn)區(qū)域匹配
根據(jù)爆炸性環(huán)境的危險(xiǎn)程度，區(qū)域劃分為0區(qū)(連續(xù)存在爆炸性氣體)、1區(qū)(可能存在)和2區(qū)(僅在異常情況下存在)。不同防爆型式對(duì)應(yīng)不同的適用區(qū)域：
Exia本質(zhì)安全型：**可用于0區(qū)的防爆技術(shù)，適用于傳感器、變送器等低功率設(shè)備。
Exib本質(zhì)安全型：可用于1區(qū)和2區(qū)，適用于控制回路中的信號(hào)傳輸設(shè)備。
Exd隔爆型：適用于1區(qū)和2區(qū)，常用于電機(jī)、燈具等高功率設(shè)備。
2. 設(shè)備保護(hù)級(jí)別(EPL)與氣體分級(jí)分組
設(shè)備保護(hù)級(jí)別(Ga/Gb/Gc)定義了儀表在不同故障條件下的防爆能力。例如，Ga級(jí)(如Exia)要求在正常及雙重故障狀態(tài)下均不引燃爆炸性氣體，而Gc級(jí)(如Exn無火花型)僅要求在正常狀態(tài)下安全。
可燃性氣體按*大試驗(yàn)安全間隙(MESG)和*小點(diǎn)燃電流比(MICR)分為ⅡA、ⅡB、ⅡC三級(jí)，其中ⅡC類(如氫氣)的引燃風(fēng)險(xiǎn)**。儀表的防爆設(shè)計(jì)需確保其適用氣體分組不低于環(huán)境氣體分組。例如，用于氫氣環(huán)境的儀表必須通過ⅡC認(rèn)*。
3. 溫度組別與表面溫度控制
設(shè)備表面溫度需低于環(huán)境可燃性氣體的**引燃溫度(AIT)。溫度組別(T1-T6)定義了設(shè)備的**允許表面溫度，例如T6組設(shè)備表面溫度需低于85℃。上儀顯控儀表通過優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、選用低發(fā)熱元件等措施，確保溫度組別與使用環(huán)境匹配。
三、技術(shù)實(shí)現(xiàn)路徑：從電路設(shè)計(jì)到系統(tǒng)集成
上儀顯控儀表的防爆設(shè)計(jì)需貫穿產(chǎn)品全生命周期，涵蓋電路設(shè)計(jì)、外殼制造、系統(tǒng)集成等多個(gè)環(huán)節(jié)：
1. 本質(zhì)安全型儀表的關(guān)鍵技術(shù)
低功耗電路設(shè)計(jì)：采用CMOS集成電路、低電壓供電(如24V DC)等技術(shù)，降低電路能量水平。
安全柵集成：將安全柵功能集成至儀表內(nèi)部(如本安型變送器)，或通過外部獨(dú)立安全柵實(shí)現(xiàn)能量限制。
布線規(guī)范：本質(zhì)安全電路與非本質(zhì)安全電路需物理隔離，電纜需采用專用藍(lán)色標(biāo)識(shí)，并限制分布電容(Ci)和分布電感(Lc)，防止儲(chǔ)能元件引發(fā)非本安能量釋放。
2. 隔爆型儀表的關(guān)鍵技術(shù)
外殼抗爆設(shè)計(jì)：通過有限元分析(FEA)優(yōu)化外殼結(jié)構(gòu)，確保其在內(nèi)部爆炸壓力下不變形、不破裂。
接合面精密加工：采用數(shù)控機(jī)床加工接合面，控制間隙寬度在0.1-0.2mm范圍內(nèi)，并通過氣密性試驗(yàn)驗(yàn)*密封性能。
防爆電纜引入裝置：選用防爆格蘭頭或填料函，確保電纜引入部位無泄漏風(fēng)險(xiǎn)。
3. 系統(tǒng)級(jí)防爆集成
在復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中，顯控儀表需與DCS、PLC等控制系統(tǒng)協(xié)同工作。上儀通過以下措施保障系統(tǒng)級(jí)防爆安全：
本安回路認(rèn)*：現(xiàn)場(chǎng)儀表、安全柵、連接電纜需通過整體防爆認(rèn)*，確?；芈穮?shù)匹配(如電壓、電流、電容、電感)。
接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)：本質(zhì)安全型儀表需獨(dú)立接地，接地電阻小于1Ω;隔爆型儀表需與工廠接地網(wǎng)可靠連接，接地電阻小于4Ω。
冗余設(shè)計(jì)：對(duì)關(guān)鍵控制回路采用雙通道冗余設(shè)計(jì)，確保單一故障不導(dǎo)致系統(tǒng)失防。
上儀顯控儀表的防爆設(shè)計(jì)以本質(zhì)安全型和隔爆型為核心，通過嚴(yán)格的Ex認(rèn)*體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)爆炸風(fēng)險(xiǎn)的主動(dòng)防控。其技術(shù)邏輯不僅符合國際防爆標(biāo)準(zhǔn)，更通過低功耗電路、抗爆外殼、精密接合面等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，為易燃易爆環(huán)境提供了高可靠性的自動(dòng)化解決方案。未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，防爆儀表將向智能化、集成化方向演進(jìn)，但防爆設(shè)計(jì)的核心原理——切斷爆炸三要素的連鎖反應(yīng)——將始終是保障工業(yè)安全的不變基石。
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