Барьеры искробезопасности

Опубликовано: 10 марта 2009 г. в 09:30, 2392 просмотра Комментировать

Введение

Барьеры искробезопасности необходимы для построения систем управления на предприятиях химической и нефтегазовой промышленности, на некоторых предприятиях пищевой промышленности — везде, где применяются потенциально взрывоопасные установки. Барьеры включаются в сигнальные цепи между вторичными измерительными преобразователями (ВИП), к которым можно отнести контроллеры, устройства ввода/вывода, и первичными преобразователями (датчиками). Принцип работы барьера искробезопасности состоит в обеспечении гальванической изоляции и снижении электрической мощности сигналов до уровня, при котором неисправность цепи не вызывает искру, достаточную для воспламенения и взрыва горючих газов.

Постановка задачи

Номенклатура барьеров включает в себя устройства для всех распространенных промышленных сигналов: 1...5 В, 4...20 мА, сигналов от тензомостов, термопар и термосопротивлений (ТС). Обычно при измерении температуры с помощью ТС на него подают стабилизированный ток возбуждения. В результате на датчике возникает разность потенциалов, пропорциональная сопротивлению и, таким образом, измеряемой температуре. Поскольку датчики имеют малое номинальное сопротивление, сравнимое с сопротивлением подводящих проводов (единицы Ом), должны быть приняты меры по устранению влияния проводников на измерение температуры. Эффективность мер определяется методом измерения и способом подключения датчика к ВИП. Тема выбора схемы подключения представляет значительный практический интерес и затрагивалась в ряде публикаций «методички». Типовых же схем подключения три: двухпроводная, трехпроводная и четырехпроводная.

Обзор

  1. Двухпроводка
  2. В простейшей двухпроводной схеме подключения резистивных датчиков сопротивление линии связи входит в аддитивную погрешность измерения. Это не обеспечивает удовлетворительных метрологических характеристик измерительного канала, если сопротивлением проводов нельзя пренебречь. Поэтому современные системы управления используют трехпроводные и четырехпроводные схемы.

  3. Трехпроводка
  4. Применение трехпроводной схемы уместно в случае значительного удаления датчика от собственно системы. Критерием оправданности такого выбора служит намерение сократить расход кабеля при некотором пожертвовании обеспечения точности измерений. Влияние сопротивления линии связи в трехпроводной схеме устраняется путем компенсации. Компенсацию осуществляют, предполагая, что падения напряжения на проводах одинаковы. Точная балансировка плеч барьера посредством равенства сопротивлений соединительных проводов и их температурных зависимостей является основным условием применимости трехпроводной схемы. На Рис. 1 . приведены величины сопротивлений балансировки плеч барьеров для некоторых производителей барьеров.


    Рис. 1 . Величина сопротивлений балансировки плеч барьеров для некоторых производителей

    Существует широкая гамма ВИП, ориентированных на применение трехпроводной схемы подключения (например, серия 7B фирмы Analog Devices, серия Dataforth SCM7B фирмы Burr-Brown, Серия 73L фирмы Grayhill и им подобные). Ориентация барьера на трехпроводное подключение не исключает использование других схем подключения. Например, можно использовать четыре барьера на три канала с четырехпроводной схемой.

  5. Четырехпроводка
  6. Четырехпроводная схема является самой точной, не критичной к разбалансу плеч линии связи и проходному сопротивлению в том случае, если производится учет вносимой барьером погрешности. На практике величина проходного сопротивления крайне важна с точки зрения корректной работы ВИП.

Данная характеристика нормируется далеко не всеми производителями барьеров искробезопасности. Тем не менее проведенные нами исследования показали принципиальную значимость этого параметра. Хотя большинство изготовителей ВИП не указывает максимального сопротивления линии связи (поэтому предварительная оценка погрешности при работе с конкретным ВИП невозможна), фактически при увеличении этого сопротивления выше некоторого уровня происходит метрологический отказ преобразователя.

Причина состоит в следующем: ВИП содержит в себе источник тока для опроса ТС. Идеальный источник тока не имеет ограничений по сопротивлению нагрузки. Для реального источника тока всегда есть предельная величина сопротивления нагрузки, при котором он выдает заданный ток опроса. При превышении этого порогового значения источник начинает занижать ток опроса, что приводит к резкому увеличению погрешности. Особенно сильно эффект проявляется вблизи верхней границы диапазона измерений. Как показали наши эксперименты с продукцией ведущих мировых производителей ВИП для термосопротивлений, значимая погрешность появляется при увеличении сопротивления одной линии связи свыше 30-40 Ом. Это в равной степени относится и к трехпроводной схеме.

Нами были проведены экспериментальные исследования по ряду преобразователей, результаты которых представлены на Рис. 2. На основе полученных данных мы нормировали для своих изделий такое проходное сопротивление, при котором обеспечивается стабильная работа известных нам ВИП на типовых линиях связи.


Рис. 2 . Проходное сопротивление для моделей четырехпроводных барьеров различных производителей

Как видно, применение барьеров БИ–003 и БИ–004 от ООО «Ленпромавтоматика» в четырехпроводной схеме (в т. ч. при подключении термопары) позволяет использовать кабель, содержащий «обычный» провод со средним удельным сопротивлением, и отказаться от дорогих низкоомных образцов при сохранении надлежащей точности измерений. Такой подход представляется более выгодным, чем применение трехпроводных схем с низкоомными кабелями, поэтому здесь имеет смысл рассказать о барьерах БИ–003 и БИ–004 несколько более подробно.

Описание решения ООО «Ленпромавтоматика»

Модели БИ–003 и БИ–004 отличаются друг от друга проходным сопротивлением плеч и напряжением холостого хода. Для БИ–003 проходное сопротивление — не более 19 Ом, напряжение холостого хода — не более 1 В, для БИ–004 — 27 Ом и 3 В соответственно. Для подавляющего большинства применений предпочтительным является использование БИ–003. Например, такие барьеры активно используются НПФ «КонтрАвт» в АСУТП камеры сушки лакокрасочных покрытий. Проходное сопротивление у БИ–003 меньше, а напряжения с датчика выше 1 В встречаются редко, так как ТП такого напряжения не выдают никогда, а терморезисторы при этом разогреваются собственным током (на типовом стоомном резистивном датчике при напряжении 1 В рассеивается 10 мВт). Но для ряда систем с опросом датчика импульсным током, систем с высокоомными датчиками, а также для терморезисторов, включенных как термоанемометры, используются большие токи опроса. В этих случаях следует применять БИ–004. Для этих барьеров существуют детальные методики расчета погрешности, что позволяет произвести ее оценку до того, как канал будет собран.

Методика расчета базируется на соотношении:

,

где δmy — погрешность измерения;

Imy, I0 — токи утечки диодов (стабилитронов), опроса соответственно;

RmaxM, Rmin — максимальное и минимальное сопротивление ТС. 

Подробнее о методике и рекомендациях по применению барьеров можно узнать по адресу

Заключение

Четырехпроводная схема подключения барьера с низким проходным сопротивлением — это не все, что потребуется для гарантированно устойчивой работы системы. Для комплексного решения реализации надежной искрозащиты можно порекомендовать обратить внимание на следующие факторы, которые нашли отражение в конструкции барьеров производства ООО «Ленпромавтоматика».

Например, благодаря такому способу ограничения тока в искробезопасной цепи как триггерная защита удалось отказаться от элементов, на которых выделяется большое количество тепла. Это позволило существенно расширить рабочий температурный диапазон прибора. Кроме того, такое решение снимает бесполезную нагрузку с блока питания датчика, что позволяет избежать перегрузки. В результате, при питании нескольких датчиков от одного источника возрастает надежность всей подсистемы аналогового ввода, так как короткое замыкание в одном из каналов не влияет на работоспособность остальных.

Нормирование падения напряжения для наших барьеров есть необходимое условие для грамотного расчета измерительной цепи в целом. Мы столкнулись с тем, что для некоторых сочетаний датчик — барьер — линия связи — ВИП — источник питания возникает метрологический отказ из-за неспособности источника питания обеспечить всех последовательно включенных потребителей. Так как увеличить напряжение питания зачастую нельзя (это может противоречить требованиям взрывобезопасности), следует ограничивать падение напряжения на барьере. С другой стороны, зная падение напряжения на измерительном преобразователе, минимальное напряжение питания датчика и падение напряжения на барьере, можно легко определить необходимое напряжение, выдаваемое источником питания. А зная напряжение источника питания и тип взрывоопасной среды, можно выбрать тип применяемого барьера.

ООО НПК «ЛЕНПРОМАВТОМАТИКА».

Рекомендуем почитать

Качество электроэнергии — основы мониторинга и анализа
11 февраля 2009 г. в 11:01
В своей текущей деятельности компаниям приходится постоянно стремиться к повышению уровня прибыльности путем увеличения производительности труда, максимального использования активов и выполнения больших объемов работ с затратой меньших ресурсов (персонал, материалы, время). В той или иной мере все это может быть достигнуто с помощью использования современного технологического и, прежде всего информационного оборудования: персональных компьютеров (ПК), сетей и средств связи.
Датчики дифференциального давления от Omron
23 октября 2014 г. в 15:10
В марте прошлого года компания Omron Electronic Components BV, признанная во всем мире как лидер производства высококачественных инновационных электронных компонентов, представила серию цифровых датчиков дифференциального давления D6F-PH, обеспечивающих исключительную точность и повторяемость измерений таких параметров низкоскоростных воздушных потоков, как давление и расход, недостижимые для ранее используемых аналогов емкостного или пьезоэлектрического типа.
Датчики приближения Autonics: индуктивные и емкостные
20 апреля 2016 г. в 17:29
Область применения бесконтактных датчиков приближения постоянно расширяется. Их можно встретить в самых различных приложениях: в медицинских приборах, автоматизированных промышленных линиях, бытовой технике.
Ещё раз об «энергосберегателях»
11 октября 2010 г. в 09:37
Аргументы автора, в том числе — результаты экспериментов, изложенные в предыдущем номере, показались недостаточно убедительными некоторым его оппонентам, которые в качестве контрдоводов приводили результаты своих экспериментов и наблюдений. Это побудило группу нижегородских специалистов продолжить исследования, итоги которых излагаются в данной статье.
Беспроводные прецизионные датчики температуры с автономным питанием для промышленных сетей
23 октября 2014 г. в 16:19
Технология «Интернет вещей» (Internet of Things, IoT) отвечает набирающей силу тенденции к созданию относительно простых соединенных между собой устройств, которые обмениваются данными независимо от компьютеров и человеческого вмешательства. Эта технология позволяет повысить эффективность, безопасность и создать абсолютно новые бизнес-модели практически для всех аспектов повседневной деятельности или промышленности.

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.