齐纳安全栅规范要求.docx

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齐纳安全栅规范要求

齐纳安全栅要求

9二极管安全栅

9.1概述

二极管安全栅中的二极管用于限制施加到本质安全电路上的电压，可靠限流电阻用于限制流入本质安全电路的电流。

二极管安全栅组件用作本质安全电路和本质安全电路之间作为接口设备，应承受11.1（11.1二极管安全栅的例行试验

11.1.1成品安全栅,每只成品安全栅应进行例行试验，检查每个安全栅元件正常运行情况，及任何熔断器的阻值应符合要求。

如果为本实验目的而需要安全栅内部设置跨接线，则此跨接线的拆除应不影响本质安全性能。

）规定是例行试验。

安全栅承受瞬态故障的能力应按

10.8（10.8二极管安全栅和分流器的型式试验用下列试验验证安全栅或安全分流器能否承受瞬态过程的影响。

具有可靠额定值的电阻器应认为能够承受来自规定的预期瞬态过程。

二极管应有制造商技术说明书或通过下列试验表明能够承受峰值电压Um除以熔断器电阻（最低环境温度时）及其串联的可靠电阻阻值之和的电流。

每一种型式的二极管在其使用方向（齐纳二极管为齐纳方向）应能承受重复5次持续时间为50uS的矩形电流脉冲试验，每两次间隔为20mS。

脉冲幅值由Um峰值除以熔断器在最低环境温度是“冷态”电阻（加在电路中串联的可靠电路阻值）确定。

在制造商数据表明在该电流下预先击穿时间大于50uS时，该电流脉冲宽度将变成实际预先击穿时间。

在实际击穿时间不可能从制造商获得现场数据时，10只熔断器应承受上述预期电流，并测定预先击穿时间。

如果该值大于50uS可以使用该值。

应在该试验前和试验后用相同的电流测量二极管电压，测试电流应用元件制造商规定的电流。

测量电压之差应不大于5%（5%的差值包括试验设备的测量部确定度）。

试验时观察到的升压的最高电压，应认为是用上述对半导体限流器件同样方法施加的一系列脉冲的峰值电压。

上述器件试验结束后，应对照元件制造商规定的技术参数进行一致性核对。

对特定制造商制造的同一类器件，仅需要对具有特定电压的典型样品进行试验，以证明该类器件符合要求。

）的规定试验。

仅装有两只二极管或二极管组件的“ia”保护等级的安全栅，如果二极管已经按11.1.2（11.1.2“ia”等级安全栅的双重化二极管，在下列试验前后，根据二极管制造商的规定，在室温条件下测量二极管端电压：

a）每只二极管承受150℃温度试验，历时2H；

b）每只二极管承受10.8规定脉冲电流试验。

）的规定做了例行试验，应认为是符合8.6（8.6分流安全组件P31当二极管或齐纳二极管用作可靠分流安全组件的分流元件时，它们至少应形成两个并联的二极管通路。

“ia”保护等级的安全组件，在应用第5章的要求时，仅应考虑一个二极管的故障。

二极管的额定值应能承载短路故障下在其安装处流过的电流。

注1：

为防止连接断开时产生火花点燃，可按6.3.4（6.3.4通过浇封化合物的间距，浇封化合物应符合6.6（6.6浇封

当采用浇封化合物时符合下列要求：

a）浇封化合物或设备的生产商应规定浇封化合物温度额定值，该额定值至少等于任何被浇封的元件能达到的最高温度。

或者，如果较高温度不会对浇封化合物造成任何使防爆型式失效的损坏，则此浇封化合物额定温度高的温度也可以接受。

b）如果任何裸露带电部件从浇封化合物中凸出，则浇封化合物自由表面的CTI值至少应为表5规定的值。

c）只有通过10.6.1（浇封化合物：

用直径为6mm平端金属试棒，在浇封化合物暴露表面上垂直施加30N力，保持10S，这时，浇封件不得出现损坏，永久性变形或大于1mm的位移。

浇封化合物有自由表面时，为了保证浇封化合物具有一定的刚性，且不易碎裂，浇封化合物表面应在20+10℃，使用GB3836.1-2010附录C所诉的试验装置进行下列之一冲击试验:

1.对于I类设备，在浇封化合物形成外壳的一部分并且用于隔离爆炸性气体环境时，所使用的最低冲击能量为20J。

2．对于其它电气设备，所使用的最低冲击能量为2J，试验后浇封化合物应保持完好并且不会出现永久性变形，表面出现的微小裂缝可忽略）试验的材料的自由表面可以不加保护地暴露直接外壳的部分。

d）除非所有带电部件，元件和底全部被浇封化合物浇封，否则浇封化合物应粘附所有带电部件，元件和衬底。

e）应规定浇封化合物的名称和生产商给出的型号规格。

另外，当采用浇封化合物降低热元件（如，二极管和电阻器）的点燃能力时，浇封化合物的体积和厚度应能将浇封化合物的最高表面温度降至所要求的值。

）的要求。

对于需要浇封的部件，浇封的带电部件和元件到浇封化合物的自由表面之间的最小间距应至少为表5第3列（P20）规定值的一半，最少为1mm，如果浇封化合物直接接触或粘附于符合表5第4（P20）列要求的绝缘材料外壳，则不需要其他间隔。

浇封电路的绝缘应符合6.3.1.2的要求。

（P19）

10.6.3隔板隔板应能承受用直径为6mm的固体试棒施加的至少30N的力，这个力应施加在隔板中心附近并至少保持10S，隔板不应产生其功效的变形。

浇封或距离元件的损坏，应认为是一个单独计数故障。

注1：

进一步的要求在附录D（P86）中给出。

）的规定浇封。

注2：

正常工作时，组件内使用的分流元件可以导通。

当元件用熔断器保护时，熔断器应符合7.3（P28）规定，并且元件应能承受1.7In的电流。

）的可靠组件。

这样，在应用第5（P11）章的要求时，应仅考虑一只二极管故障。

在“ic”保护等级的安全栅内，最低要求有单只齐纳二极管和一个限流电阻器，这些元件的额定值应基于Um确定。

9.2结构

9.2.1安装

安全栅的结构应确保在多个安全栅安装在一起时，可明显察觉其任何不正确的安装，例如采用不对称的安装形态或用颜色区分。

9.2.2接地用连接件

对于安全栅，除应具有地电位电路的连接以外，至少还应具有另一个附加接地连接件，或连接一根横截面积不小于4平方毫米的绝缘导线作为附加接地连接。

9.2.3元件的保护

应采用6.3.4（6.3.4通过浇封化合物的间距，浇封化合物应符合6.6（6.6浇封

当采用浇封化合物时符合下列要求：

a）浇封化合物或设备的生产商应规定浇封化合物温度额定值，该额定值至少等于任何被浇封的元件能达到的最高温度。

或者，如果较高温度不会对浇封化合物造成任何使防爆型式失效的损坏，则此浇封化合物额定温度高的温度也可以接受。

b）如果任何裸露带电部件从浇封化合物中凸出，则浇封化合物自由表面的CTI值至少应为表5（P20）规定的值。

c）只有通过10.6.1（浇封化合物：

用直径为6mm平端金属试棒，在浇

封化合物暴露表面上垂直施加30N力，保持10S，这时，浇封件不得

出现损坏，永久性变形或大于1mm的位移。

浇封化合物有自由表面

时，为了保证浇封化合物具有一定的刚性，且不易碎裂，浇封化合物

表面应在20正负10℃，使用GB3836.1-2010附录C（P84）所诉的

试验装置进行下列之一冲击试验:

1.对于I类设备，在浇封化合物形成外壳的一部分并且用于隔离

炸性气体环境时，所使用的最低冲击能量为20J.

2．对于其它电气设备，所使用的最低冲击能量为2J，试验后浇封化

合物应保持完好并且不出现永久性变形，表面出现的微小裂缝壳忽）试验的材料的自由表面可以不加保护地暴露直接外壳的部分。

d）除非所有带电部件，元件和底全部被浇封化合物浇封，否则浇封化

合物应粘附所有带电部件，元件和衬底。

e）应规定浇封化合物的名称和生产商给出的型号规格。

另外，当采用浇封化合物降低热元件（如，二极管和电阻器）的点燃

能力时，浇封化合物的体积和厚度应能将浇封化合物的最高表面温度

降至所要求的值。

））规定的浇封或用一个拆卸后不可复原的外壳对组

件进行保护，防止对影响本质安全性能的任何元件进行检修或替换，

全部组件应为一个整体。

防爆安全栅原理

防爆安全栅，防止危险能量由安全场所进入危险场所，不影响仪表正常工作，安放在安全场所的入（出）口处。

这样对安全场所的仪表不作防爆要求。

 防爆安全栅按结构分类：

①齐纳安全栅，②变压器隔离式安全栅。

  按用途分类：

①输入端用，②输出端用。

一. 齐纳安全栅      

齐纳安全栅的防爆原理是用齐纳二级管VD控制输出电压，用限流电阻R限制输出电 流，电路相对简单。

电路由快速熔断器FU，限压元件VD1、VD2 （齐纳二极管或二极管），限流电阻R（电阻器或非线性元件）三部分组成。

在正常操作条件下，非本安端3、4 之间所加的电压低于最高电压Vmax（更低于齐纳二极管 的齐纳电压）,此时VD1、VD2处于不导通状态，除有极微小的漏电流以外，是“开路”状态，安全栅电路等效于一个电阻串联在信号回路内，只要漏电流小于规定值，安全栅电路就不会影响系统的正常工作。

而当非本安端发生故障，例如在非本安端3、4之间因某种原因混入高电压，使齐纳二极管 VD1、 VD2 反向击穿,呈“导通”状态，此时齐纳二极 管VD1、VD2 把混入的高电压限制在齐纳电压上，在安全栅的本安端 1、2 上就不会出现高电压。

齐 纳二极管一旦导通以后，其电流急剧上升（雪崩 过程）把串联在电路中的熔断器FU 瞬时熔断，切断了至现场的高电压，防止了高电压引爆现场爆炸性物质的危险,从而保护了现场设备及人员的安全。

当现场（危险区内）本安端1、2之间发生故障，例如负载短路了，安全栅电路中的限流电阻R立即起限流作用，把极大的短路电流限制在某一个电流值之内，这个电流值是安全值，故现场也是安全的。

齐纳安全栅的安全保护作用 ，实际上是对能量的限制作用，在本质安全防爆系统中，由于安全栅的功能，所以不论发生任何故障都保证传输到现场（危险区）的能量限制在一个安全值（不会点燃规定的分级、分组爆炸性气 体混合物），从而保证现场安全。

在正常工作时，齐纳安全栅相当于两个电阻串入电路，因此对系统结构无须作改动。

另外，齐纳安全栅由于无信号的转变，对原信号精度也没有影响。

一般来讲，齐纳安全栅选型容易，不易损坏，对原系统结构要求改动的地方比较少，价格方面，齐纳安全栅要比隔离的便宜很多，这在需要使用很多安全栅的场合，齐纳安全栅的价格优势明显体现了出来。

安型防爆仪表的标志有哪些？

本安防爆系统的特点:

1）工作电压低，工作电流小；正常工作电压24VDC，工作电流＜20mADC,故障电压＜35VDC，故障电流＜35mADC。

仪表所用的电阻、电感、电容参数，保证在正常或故障状态所产生的火花能量不足以点燃爆炸性混合物；

   2）危险场所和非危险场所的电路用防爆安全栅隔离；

   3）现场仪表到控制室仪表的连线不得形成大的分布电容和电感；

构成安全火花防爆系统的有哪些要素

自动化仪表防爆结构主要有哪几种

级别

最小引爆电流（mA）

爆炸性混合物种类

Ⅰ

i＞120

甲烷、乙烷、汽油、甲醇、乙醇、丙酮、氨、一氧化碳

Ⅱ

70＜i＜120

乙烯、乙醚、丙烯晴等

Ⅲ

i≤70

氢、乙炔、二硫化碳、市用煤气、水煤气、焦炉煤气等

防爆安全栅的基本概念与危险场所的划分

含有爆炸性混合物的环境，称为爆炸性环境。

危险场所的划分按国家1987“爆炸危险场所电气安全规程”将爆炸危险场所分为两类5级。

1.第一类场所

  爆炸性气体或可燃蒸汽与空气混合形成爆炸性气体的场所，按危险程度分为3级：

    0级区域：

爆炸性气体连续地、短时间频繁出现、长时间存在；

1级区域：

爆炸性气体可能出现；

 2级区域：

仅在不正常情况下偶尔短时间出现。

2.第二类场所

    爆炸性粉尘或易燃纤维与空气混合形成爆炸性混合物的场所,按危险程度分为2级：

   10级区域：

爆炸性混合物连续地、短时间频繁出现、长时间存在；

  11级区域：

仅在不正常情况下偶尔出现爆炸性混合物。

一．什么是两线制电流变送器?

     什么是两线制?

两线制有什么优点?

    两线制是指现场变送器与控制室仪表联系仅用两根导线，这两根线既是电源线，又是信号线。

两线制与三线制 （一根正电源线，两根信号线,其中一根共GND） 和四线制（两根正负电源线，两根信号线,其中一根GND）相比，两线制的优点是：

   1、不易受寄生热电偶和沿电线电阻压降和温漂的影响，可用非常便宜的更细的导线；可节省大量电缆线和安装费用；

   2、在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线就能降低干扰；两线制与三线制必须用屏蔽线,屏蔽线的屏蔽层要妥善接地。

   3、电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远；

 二.电流变送器的4-20mA输出如何转换?

     两线制电流变送器的输出为4～20mA，通过250Ω的精密电阻转换成1～5V或2-10V的模拟电压信号.转换成数字信号有多种方法，如果系统是在环境较为恶劣的工业现场长期使用，因此需考虑硬件系统工作的安全性和可靠性。

系统的输入模块采用压频转换器件LM２31将模拟电压信号转换成频率信号，用光电耦合器件TL117进行模拟量与数字量的隔离。

    同时模拟信号处理电路与数字信号处理电路分别使用两组独立的电源，模拟地与数字地相互分开，这样可提高系统工作的安全性。

利用压频转换器件LM231也有一定的抗高频干扰的作用。

 三.电流输出型与电压输出型有哪些优劣比较?

     在单片机控制的许多应用场合,都要使用变送器来将单片机不能直接测量的信号转换成单片机可以处理的电模拟信号，如电流变送器,压力变送器、温度变送器、流量变送器等。

    早期的变送器大多为电压输出型，即将测量信号转换为0-5V电压输出，这是运放直接输出,信号功率<0.05W,通过模拟/数字转换电路转换数字信号供单片机读取、控制。

但在信号需要远距离传输或使用环境中电网干扰较大的场合，电压输出型传感器的使用受到了极大限制，暴露了抗干扰能力较差,线路损耗破坏了精度等等等缺点，而两线制电流输出型变送器以其具有极高的抗干扰能力得到了广泛应用。

   电压输出型变送器抗干扰能力极差，线路损耗的破坏,谈不上精度有多高,有时输出的直流电压上还叠加有交流成分，使单片机产生误判断，控制出现错误，严重时还会损坏设备，输出0-5V绝对不能远传，远传后线路压降大，精确度大打折扣。

现在很多的ADC,PLC,DCS的输入信号端口都作成两线制电流输出型变送器4-20mA的,证明了电压输出型变送器被淘汰的必然趋势。

四.4～20mA电流输出型到接口一般有哪些处理方法?

    电流输出型变送器的输出范围常用的有0～20mA及4～20mA两种，电流变送器输出最小电流及最大电流时，分别代表电流变

 送器所标定的最小及最大额定输出值。

  下面以测量范围为以0～100A的电流变送器为例进行叙述。

对于输出0～20mA的变送器0mA电流对应输入0A值，输出4～20mA的变送器4mA电流对应输入0A值，两类传感器的20mA电流都对应100A值。

    对于输出0～20mA的变送器，在电路设计上我们只需选择合适的降压电阻，在A/D转换器输入接口直接将电阻上的0-5V或0-10V电压转换为数字信号即可，电路调试及数据处理都比较简单。

但劣势是无法判别变送器的损坏,无法辨别变送器输出开路和短路。

    对于输出4～20mA的变送器，电路调试及数据处理上都比较烦琐。

但这种变送器能够在变送器线路不通时,短路时或损坏时通过能否检测到正常范围内的电流（正常时最小值也有4mA），来判断电路是否出现故障，变送器是否损坏,因此得到更为广泛普遍的使用。

    由于4～20mA变送器输出4mA时，在取样电阻上的电压不等于0，直接经模拟数字转换电路转换后的数字量也不为0，单片机无法直接利用，通过公式计算过于复杂。

因此一般的处理方法是通过硬件电路将4mA在取样电阻上产生的电压降消除，再进行A/D转换。

这类硬件电路首推RCV420,是一种精密的I/V转换电路,

   还有应用LM258自搭的I/V转换电路,这个电路由两线制电流变送器产生的4～20mA电流与24V以及取样电阻形成电流回路，从而在取样电阻上产生一个1-5V压降，并将此电压值输入到放大器LM258的3脚。

电阻分压电路用来在集成电路LM258的2脚产生一个固定的电压值，用于抵消在取样电阻上4mA电流产生的压降。

所以当两线制电流变送器为最小值4mA时，LM258的3脚与2脚电压差基本为0V。

LM258与其相连接的电阻构成可调整电压放大电路，将两线制电流变送器电流在取样电阻上的电压值进行放大并通过LM258的1脚输出至模拟/数字转换电路，供单片机CPU读入，通过数据处理方法将两线制电流变送器的4-20mA电流在LCD/LED屏幕上以0-100A值的形式显示出来。

（图2）

   五.什么是两线制电流变送器的6大全面保护功能：

（1）、输入过载保护；

（2）、输出过流限制保护；

    （3）、输出电流长时间短路保护；

    （4）、两线制端口瞬态感应雷与浪涌电流TVS抑制保护；

    （5）、工作电源过压极限保护≤35V；

    （6）、工作电源反接保护。

六.怎样辨别真假优劣的电流电压变送器?

       生产资料市场化以后，加剧激烈的竞争，真假优劣难辨，又因变送器是边缘学科，很多工程设计人员对此较陌生，有些厂家产品工业级别和民用商用级别指标混淆（工业级的价格是民用商用级的2-3倍）有些厂家产品用几角钱的LM324和LM431加一个线性光偶就可以做出一只变送器，不信的话您打开看看，你几百元买来的是不是用的LM324和LM431，这样的变送器送您，您敢不敢用呵！

        笔者试以常用的0.5级精度的电流电压变送器为例，从以下方法着手来辨别真假优劣。

（1）基准要稳,４mA是对应的输入零位基准，基准不稳，谈何精度线性度，冷开机３分锺内４mA的零位漂移变化不超过4.000mA0.5%以内;（即3.98-4.02mA）,负载250Ω上的压降为0.995-1.005V，国外IC心片多用昂贵的能隙基准，温漂系数每度变化10ppm；

（2）内电路总计消耗电流<4mA,加整定后等于4.000mA,而且有源整流滤波放大恒流电路不因原边输入变化而消耗电流也随之变化，国外IC心片采用恒流供电；

   （3）当工作电压24.000V时,满量程20.000mA时,满量程20.000mA的读数不会因负载0-500Ω变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内；

   （4）当满量程20.000mA时,负载250Ω时,满量程20.000mA的读数不会因工作电压15.000V-30.000V变化而变化;变化不超过20.000mA0.5%以内；

   （5）当原边过载时，输出电流不超过25.000mA+10%以内，否则PLC/DCS内供变送器用的24V工作电源和A/D输入箝位电路因功耗过大而损坏，另外变送器内的射随输出亦因功耗过大而损坏，无A/D输入箝位电路的更遭殃；

  （6）当工作电压24V接反时不得损坏变送器,必须有极性保护;

  （7）当两线之间因感应雷及感应浪涌电压超过24V时要箝位,不得损坏变送器；一般在两线之间并联1-2只TVS瞬态保护二极管1.5KE可抑制每20秒间隔一次的20毫秒脉宽的正反脉冲的冲击,瞬态承受冲击功率1.5KW-3KW;

  （8）产品标示的线性度0.5％是绝对误差还是相对误差,可以按以下方法来辨别方可一目了然:

符合下述指标是真的线性度0.5％.

              原边输入为零时输出4mA正负0.5%（3.98-4.02mA）,负载250Ω上的压降为0.995-1.005V

              原边输入10％时输出5.6mA正负0.5%（5.572-5.628mA）负载250欧姆上的压降为1.393-1.407V

              原边输入25％时输出8mA正负0.5%（7.96-8.04mA）负载250Ω上的压降为1.990-2.010V

              原边输入50％时输出12mA正负0.5%（11.94-12.06mA）负载250Ω上的压降为2.985-3.015V

              原边输入75％时输出16mA正负0.5%（15.92-16.08mA）负载250Ω上的压降为3.980-4.020V 

              原边输100％时输出20mA正负0.5%（19.90-20.10mA）负载250Ω上的压降为4.975-5.025V

   （9）原边输入过载时必须限流:

原边输入过载大于125%时输出过流限制25mA+10%（25.00-27.50mA）负载250Ω上的压降为6.250-6.875V；

   （10）感应浪涌电压超过24V时有无箝位的辨别:

在两线输出端口并一个交流50V指针式表头,用交流50V接两根线去瞬间碰一下两线输出端口,看有无箝位,箝位多少伏可一目了然啦;

  （11）有无极性保护的辨别:

用指针式万用表Ω乘10K档正反测量两线输出端口,总有一次Ω阻值无限大,就有极性保护；

  （12）有无极输出电流长时间短路保护：

原边输入100％时或过载大于125%-200%时，将负载250Ω短路，测量短路保护限制是否在25mA+10%；

  （13）工业级别和民用商用级别的辨别:

工业级别工作温度范围是-25度到+70度，温漂系数是每度变化100ppm,即温度每度变化1度,精度变化为万分之一；民用商用级别工作温度范围是0度（或-10度）到+70度（或+50度）,温漂系数是每度变化250ppm,即温度每度变化1度,精度变化为万分之二点五；电流电压变送器的温漂系数可以用恒温箱或高低温箱来试验验证较繁琐。

  上述13种方法同样可用与其它变送器真假优劣的辨别。

论文赏析：

二极管齐纳安全栅电路的设计与分析

0概述

本质安全型是防爆电气设备的一种防爆型式，它将设备内部和暴露于潜在爆炸性环境的连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在不能产生点燃的水平。

这种防爆技术由于原理简单、成本低廉，特别适用于低电压小信号的危险场所，在仪表行业得到广泛的应用。

另外，有些现场安装的开关柜、控制箱等需要外部显示或操作等设备，一般都设计成本安型，主体构成隔爆兼本安复合型防爆产品。

对本安型的防爆关键在于限制电流和电压的安全栅。

其中，最简单且应用最为广泛的就是二极管齐纳安全栅。

仅仅含有几个元件的二极管齐纳安全栅在设计上也经常会出现一些认识上的误区。

本文结合多年产品设计、审核、认证工作过程的经验，对二极管齐纳安全栅电路的设计方面经常会产生的误区作一介绍，供借鉴参考。

1常见二极管齐纳安全栅的电路设计

1．1限流器件的位置二极管齐纳安全栅防爆原理是限制非本安电路（通常在安全区或经采取防爆措施）向本安电路（通常在危险区域）传输的能量，即限制电流和电压。

那么，在限制电压之前限制电流还是在限制电压之后再限制电流?

表面上看，电路（如图1所示）限流电阻R1接在稳压管左侧或右侧没本质区别。

图1中供电电源为24V，安全栅的最高开路电压V=24V（D1，D2的稳压值），最大短路电流I=24／Rl。

但仔细分析，在短路的瞬间就