一、引言
目前电子衡器技术的发展已经深入到各个领域，在比较特殊的场所，如煤矿、化工等具有爆炸性混合物的场所，进行称重就需要特别的衡器，要求整个系统包括称重仪表、称重传感器、接线盒和相关供电系统等所有的电气装置都具有相适应等级的防爆性能，以保证安全可靠的工作[1]。其中称重仪表是防爆称重系统中的关键部分，它的正确使用和选择对整个系统的可靠性起到至关重要的作用。本文介绍一款防爆仪表BXK3190-A12E，并给出其基本的硬件设计框架和安全电路，最后针对这款仪表在实际使用和安装过程中可能遇到的问题进行了分析。
二、防爆称重仪表的原理
防爆称重仪表设计的基本原理是从防止爆炸的三个基本条件同时存在的角度出发的，即爆炸所需要的易爆物、氧气（空气）和引爆源。防止爆炸，就是要避免爆炸发生的三个条件同时存在[2]。由于空气无处不在，难以控制，因此，控制易爆气体和引爆源为两种最常见的防爆方向。在仪表行业中还有另外一种防爆方法：控制爆炸范围。下面简单介绍一下仪器仪表中常见的三种防爆原理：
1.控制易爆气体
通过采取某种措施在危险区（同时具备发生爆炸所需的三个条件的工业现场称为危险区）营造出一个没有易爆气体的空间，将仪表安装在其中，典型代表为正压型防爆方法。其工作原理是：在一个密封的箱体内，充满不含易爆气体的洁净气体或惰性气体，并保持箱内气压略高于箱外气压，将仪表安装在箱内。常用于现场分析仪表的防爆和将计算机、PLC、操作站或其它仪表置于现场的正压型防爆仪表柜。
2.控制爆炸范围
将爆炸限制在一个有限的局部范围内，使该范围内的爆炸不至于引起更大范围的爆炸。典型代表为隔爆型防爆方法。工作原理是：为仪表设计一个足够坚固的壳体，按标准严格地设计、制造和安装所有的界面，使在壳体内发生的爆炸不至于引发壳体外危险性气体（易爆气体）的爆炸。隔爆防爆方法的设计与制造规范极其严格，而且安装、接线和维修的操作规程也非常严格。该方法决定了隔爆的电气设备、仪表往往非常笨重，操作须断电等，但许多情况下也是最有效的办法[3]。
3.控制引爆源
消除引爆源，既消除足以引爆的火花，又消除足以引爆的表面温升。典型代表为本质安全型防爆方法。工作原理是：利用安全栅技术，将提供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆的火花，又不能产生足以引爆的仪表表面温升的安全范围内。按照国际标准和我国的国家标准，当安全栅安全区一侧所接设备发生任何故障（不超过250V电压）时，本质安全防爆方法确保危险现场的防爆安全。Exia级本质安全设备在正常工作、发生一个故障、发生二个故障时均不会使爆炸性气体混合物发生爆炸[4]。因此该方法是最安全可靠的防爆方法。
BXK3190-A12E这款防爆称重仪表结合以上防爆原理而设计，采用可靠的隔爆外壳，将把可能产生火花的电子电路及接线端子等，都放在隔爆外壳里，达到外壳内可能发生的爆炸不影响周围可燃易燃性易爆物质，它的设计方法与隔爆型基本相类似，如外壳的各配合面（隔爆面）的间隙大小和长度符合GB3836.2标准规定要求，另一方面外壳有一定的机械强度，达到外壳内部爆炸参考压力的1.5倍压力不损坏和变形等。本仪表另一个特点是仪表是采用了隔爆和本安两种防爆原理相结合的方式实现的复合型仪表，按键部分、传感器接线端采用了本安安全电路限制了能量，而不是一般的隔爆，这不但使仪表更可靠的工作，也减小了仪表的体积。详细设计方案见下文介绍。
三、仪表硬件设计
下面为BXK3190-A12E仪表的具体设计方案，其基本的结构示意图如图1所示。

整个仪表包含几个部分：电源、主板、安全栅、按键输入、传感器接口、通讯接口等。示意图中只给出了与输入输出相关的几部分，表明了各个部分的连接关系，其中电源、传感器接口、通讯接口供使用者连接系统使用。可以看出，防爆仪表的核心是主板，即称重仪表的主要部分，实现称重的处理功能；整个称重仪表主要部分都密封在机械强度有特定要求的隔爆箱内。本仪表与一般隔爆称重仪表相比主要特点是键盘和传感器接线通过齐纳安全栅连接，属于本质安全的，而不是隔爆型的，这一点结合了本安和隔爆两种防爆方式，使得机壳体积减小，相对美观。因为传感器信号线和激励电源线都要经过安全栅，所以这个安全栅的性能会直接影响信号的质量，下面介绍一下安全栅部分的原理。
齐纳安全栅基本电路如图2所示，电路由快速熔断器F1，限压元件VD1、VD2(齐纳二极管)和限流电阻三部分组成。正常操作条件下，非本安端1、2之间所加的电压低于最高压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。
当非本安端发生故障，例如在非本安端1、2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3、4上不会出现高电压，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F1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)发生故障，例如负载短路了，安全栅电路中的限流电阻则立即起限流作用，把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)的能量是一个安全值(不会点燃规定的分级、分组爆炸性气体混合物)，从而确保现场安全。
需要注意的是，每个现场对爆炸的能量限制都是不同的，需要根据仪表使用目标现场的要求选择合适的快速熔断器、限压元件和限流电阻的参数，并且要经过相关部分认证才能使用。安全栅电路板制作完成后要经过胶封才能真正的使用，但是从原理上可以看出，电路中有两个齐纳二极管VD1、VD2可能存在微弱的漏电流，而且电路中串联了一个电阻，电阻根据需要可能从几十欧姆到几百欧姆，本仪表配安全栅中取100欧姆，这样串接一个电阻，将使仪表对传感器的激励电压从+5V下降，降低仪表的精度，并且激励电压也受电阻温漂的影响。解决方法是：仪表AD输入部分采用六线接线方式，利用反馈补偿来消除部分影响，实验证明，六线制接线方式可以取得较好的效果。
四、防爆仪表使用
BXK3190-A12E使用环境应满足下面要求：
1）湿度：≤85%RH；
2）海拔高度：≤2000m；大气压：86～106KPa；
3）在有防爆等级不高于ⅡB的爆炸性气体混合物的Ⅰ区、Ⅱ区环境中；
4）在无破坏绝缘的气体或蒸汽的环境中；
5）能防止滴水及其他液体浸入的地方；
6）污染等级：3级；
7）安装类别：Ⅱ类；
8）防爆标志：Exd[ia]ibⅡBT6。
在实际应用中，一定要选择参数能满足现场环境的防爆仪表，可以将上述参数针对现场要求一一对比，看是否能满足实际环境要求，同时，需要根据系统其他组件的情况和实际安装现场的条件来设计整个防爆称重系统。在防爆现场，我们一般选择符合要求的防爆型传感器，但是其他设备有时候不是必须防爆的，下面根据场合的不同，有两种接线方法，如图3所示。

图3中a图表示的是电源和设备（包括计算机、PLC等其他与称重仪表通讯的设备）放在安全区，为什么放在安全区呢？这里要坚持一个原则，就是只要本身不是防爆的设备就要放在安全区，若放在危险区就会发生危险；而实际操作中有时候有因为接线距离等因素必须把电源或者其他设备放在危险区的要求，用一个比较简单的办法，就是将设备放在隔爆箱内，图3的b图中就把电源和设备放在危险区（外加隔爆箱），这样从本质上说，这个设备已经变成防爆的了，当然可以放在危险区。但是此处必须注意的是，接线部分要有可靠的屏蔽线，并用端子将隔爆箱接口部分卡紧，未用的隔爆箱接口要用堵头可靠的堵住，否则会发生能量泄露，也会很危险。在接好线后，隔爆箱要密封机壳处理，常见的方法是螺丝要拧好，密封接触面涂防水防锈润滑脂。
需要强调的是，爆炸危险场所使用的称重仪表、电气设备和安装材料如接线盒、端子箱等，必须具有经国家授权机构签发的防爆合格证，安装前应检查其规格、型号是否符合设计要求，其外部应无损伤、裂纹。爆炸危险场所1区内的仪表配线，必须保证在万一发生接地、短路、断线等事故时，也不至于形成点火源。因而电缆、电线必须穿管敷设，采用耐压防爆的金属管，穿线保护管之间以及保护管与接线盒、分线箱、拉线盒之间，均应采用圆柱管螺纹连接，螺纹有效啮合部分应在5~6扣以上。需挠性连接时应采用防爆挠性连接管。在2区内的仪表配线，一般也应穿管，但只是为了保护电缆、电线的绝缘层不受外伤；汇线槽、电缆沟、保护管穿过不同等级的爆炸危险场所分界线时，应采取密封措施，以防止爆炸性气体从一个危险场所串入另一个危险场所；保护管与现场称重仪表、电气设备、接线盒、拉线盒等连接时，应在连接处0.45m以内安装隔爆密封管件。
五、结论
本文介绍的防爆仪表结构简单、实用，仪表结合了隔爆型和本安型仪表的特点，可广泛应用于石油、化工、医药等具有爆炸性气体的危险场所。安装仪表到整个系统时要注意系统本身的可靠性，加强安全意识，尤其选型和接线部分需要使用者多从整个防爆系统的角度出发，全面考虑安全性，防止爆炸性事故的发生。

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