本质安全型一氧化碳检测仪表的设计和计算

　　1　技术背景

　　所谓危险场所是指存在或可能存在可燃性气体与空气混合物的场所。据资料,煤矿井下约有2/3的场所属于爆炸性危险场所;石油开采现场和精炼厂约有60% ~80%的场所属于爆炸性危险场所。在化学工业中,约有80%以上的生产车间是爆炸性危险场所。适用于这些危险场所的电气设备都必须采取特殊有效的预防措施来避免其成为危险点燃源。

　　2　本安仪表的特点和优势

　　对于自动化仪表,最常用的防爆形式依次是本安型、隔爆型和增安型。然而,由于电子技术的飞速发展和低功耗电子器件的不断诞生,使本安防爆技术的推广和应用有了更为广阔的空间,特别是由于本质安全性防爆型式与其他防爆型式相比,不仅具有结构简单、使用范围广,而且还具有易操作和维护方便等特点,因此这种以抑制点火能源为防爆手段的本安防爆技术已被广大自动化仪器仪表制造厂商及其用户所接受和欢迎。这对于近年来日益发展的现场总线自动化仪表及其系统也不例外。

　　3　本安仪表的设计要求

　　本安仪表的设计原理,是从源头上阻止火花的产生和热量的大幅升高。电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的主要点燃源,因此,它们是进行本安设计时必须考虑的两个重要要素,对火花和热能的控制是本安仪表设计的核心。

　　4　设计方案和数据计算

　　图1是矿用一氧化碳检测器的原理框图,硬件电路被分为8个模块,每个模块与电池相连的部分都有一个本安电阻,其封装大于1206的标贴尺寸,即焊盘之间的距离大于1.5mm,达到了国标规定的安全电气间隙。经过本安电阻之后,硬件电路被分为3个安全区域,每个区域之间的间隔也大于1.5mm,这样的好处就是总热能计算(1.2W)可以分开进行。

图1　矿用一氧化碳传感器原理框图

　　4.1　火花计算

　　根据国标GB3836.4对短路电流的规定, 12.1V以下电压,最大允许短路电流为3.33A,如表1所示。

　　通过最坏情况的计算,本方案最大短路电流为748.93mA,在安全范围之内,如表2所示。

　　4.2　热能计算

　　4.2.1　总热能计算

　　如表3所示, 3个安全区域总耗散功率都小于1.2W(使用温度60℃)。根据国标GB3836.4(表4)规定,所有<20mm2的小元件,只需要满足最高升温不达到275℃即可,因此如表5对小元件进行温升分析。对于简单电阻,只需要通过公式计算P_i=V²_thoem/R的功率的1.5倍小于电阻的额定功率即可。

　　经过计算,如表5所示,所有小元件的温升都不会超过275℃,满足设计要求。