本安与隔爆变送器

传感器遍布于我们的生活中。从我们的家具到把我们从一处运送到另一处的汽车，再到检测工业流程的自动化设备和控制系统，传感器无处不在。然而，就像大多数元件一样，它们是整体的一部分，系统中的元件越来越复杂。当时用于危险环境中时，需要对应用有一个全面的了解以及严格的选型。

American Sensor Technologies公司的商业发展副总裁Karmjit Sidhu评述说：对于危险环境，有很多因素需要考虑，在这些危险环境下安全地使用传感器变成了一种很难却又必做之事。Rockwell Automation公司的T哣认证的功能安全专家Art Pietrzyk补充道：“我们正在降低危险系数，但是危险仍旧是危险。改变的只是我们所采取的安全措施。精密的仪器和更统一的标准给安全带来新的转机。”

危险环境用传感器包括在很多应用场合下以不同方式使用的多种设备。然而，它们有一些共同点，最显著的就是他们都需要选择和安装保护体系，以及用于确保其安全使用的标准。

图1：为了安全运行，用于危险区域的传感器必须设计使其和使用环境相配。选择和安装过程中的一个关键点在于，考虑到如何将元件整合到系统之中，这些元件很少单独工作。（来源：Honeywell, Rockwell Automation）

经典方法

如果正确选型和使用，大多数设备可以安全运行。关键就在于对具体应用的理解，一台Class I, Div. 1等级的用于危险环境的设备可能并不适用于另一个同样等级的环境，例如有毒环境。Sidhu警告道：“这是一种滥用和误解，会带来问题。最终用户需要知道他到底选择了什么，和他选择的东西到底可以用于什么环境。明确储罐内放置的是什么，不要依赖外壳上所写的。你的应用也许并不需要经过认证的设备，但是谨慎起见，使用经认证的设备也无妨。”

为了安全地运行，危险区域内使用的传感器必须针对其所使用的环境专门设计。通常，有三种方法：选择本安设备，使用隔爆外壳或正压隔离系统。（根据应用的不同，这些危险区域内使用的传感器并不能只考虑这些信息，还须对于特殊的环境进行研究并作相应补充。）设计成本质安全（IS）的传感器对能量作了限制，使其不足以引燃相应等级的危险气体。一致性检查确保IS-等级的设备已经经过检测以及确定多少能量会引起动作。IS设备通常使用一种叫做安全栅的“外部设备”，用于限制电流，进而限制故障状态下电路中的能量。

一个被动安全栅通过防止过压和限制电流来实现保护机制。如果4-20mA信号线上发生了短路，安全栅会防止引燃。Macro Sensors首席应用工程师Ed Herceg说：“每一个本安设备都必须由安全栅供电。但并不是所有的安全栅都一样。有很多种类的安全栅，你必须根据设备的整体参数来配接相应的安全栅，以确保你为设备选择了合适的安全栅。否则，你可能并没有被保护。然而，时至今日，我听说而且也相信，没有一场发生在危险区域内的爆炸或火灾是由本安设备的失效引起的。”

在Class I, Div. 2危险区域内，有时也会用非易燃设备、仪器和现场布线来代替本安设备。传感器可以放在隔爆外壳中，一旦问题发生，外壳能承受住预期的爆炸压力，并将爆炸限制在外壳内，不会传爆。隔爆技术已经很成熟了，只要安装正确，在所需传感器没有本安型版本时，隔爆型也是一个可行的选择。

正压隔离系统也可以用于阻止传感器和其他设备在危险区域内发生爆炸。正压隔离系统有很多类型，但是最关键的是这种系统都要引入不易点燃的气体（惰性气体）例如氮气或者二氧化碳，在导管、元件和设备中通过，防止可燃性气体进入。一种衍生的方法是通过将系统密封，根本没有空间存在可燃性气体。

Everight Precision公司的总裁Les Schaevitz说：“总体上来说，危险区域内的传感器要么将其电气部分放置于隔爆外壳内，要么将其电气部分设计成本安型。通常，将本安设备放置在危险区域内比使用一个隔爆外壳要便宜一些，虽然两种方法都有些昂贵。除了价格因素，本安设备（配接安全栅）通常更受欢迎，因为它去除了爆炸的可能性。很多用户不希望存在潜在问题，哪怕发生在隔爆外壳内也不行。”

图2：FM Approvals的一个实验室进行的一项受控粉尘爆炸显示了可燃气体和粉尘点燃时会发生什么。FM Approvals是FM全球集团的一个成员，对危险区域传感器进行认证，防止类似事故的发生。（来源：FM Global）标准

用户如果要采购危险区域用传感器，必须选择那些带有当地一致性检查机构认可标志的设备。在北美，用于危险区域的传感器须经独立实验室测试并分级，例如UL（美国保险商实验室）、FM（工厂互助保险公司）和CSA（加拿大标准协会），采用诸如美国消防协会的美国国家电气规范（NFPA 70）之类的标准。美国国家电气规范符合美国大多数的工况，将危险区域分成三种：蒸汽和气体（Class I）；粉尘，例如煤和面粉（Class II）；纤维（Class III）。Division用于区分危险环境出现的频度：在正常工作情况下会出现（(Div. 1）；通常情况下不会出现（Div. 2）。进一步细化（Group）用于区分具体危险介质（氢气、乙炔等）。

在欧洲，CENELEC（欧洲电气标准化委员会）负责管理标准。但是近期，此工作由ATEX 指令（潜在爆炸危险环境用设备）接管。日本有自己的标准化组织，亚洲的很多区域也有着自己的标准。IEC（国际电工委员会）实时发布国际标准，致力于“国际标准和政府、商业和社会的一切电气、电子和相关技术的一致性评定工作。”

结果就是在全球经济大环境下，有很多标准共存，这给传感器的选型、应用、设计和销售带来了麻烦。Macro Sensors公司的Herceg解释道：“问题之一是，你的产品可以在美国和加拿大销售，但却不能进入欧洲或者巴西的市场。这对标准的改变产生了以定的推动作用。今天，用户的产品取得了认证

，但明天却发现在很多区域内不能销售，原因就是标准改变了。”

Honeywell Sensing and Control公司的安全开关和隔爆性防爆开关生产经理Leslie “IEC最有可能实现全球标准统一。虽然在过去几年欧洲的ATEX指令占据主导地位，Neill说：

但是最近IEC颁布了IECEx标准，力图使世界范围内的认证统一化。每一个不同的标准化体系就像一把伞，这些伞都有交叉的区域，如果你愿意的话，IECEx要用一把大伞把所有这些小伞都涵盖其下。然而，我相信，至今只有一个国家愿意将IECEx标准作为唯一的国家标准，那就是澳大利亚。”

图3：危险区域传感器有很多种类型，用于各种场合、具有各种认证，并且在全球范围内评级。其中的一些是：(1)来自American Sensor Technologies的AST4600防爆传感器，具有CSA认证，可以抵御大幅振动、极限温度以及氢的爆炸；（2）Macro Sensors的HLR750系列LVDT（现行变量微分传感器），可用于汽轮和液轮机，还可以在由UL/ULC评分为Class 1，Division 2，Group A，B，C，D和Class 1，Zone 2，Group IIC的危险环境下工作；（3）压力传感器剖面显示了用于避免危险介质穿透传感器膜片的设计方案。（来源：American Sensor Technologies，Macro Sensors）