安全栅原理

导读：提起安全栅不少同学可能比较陌生，但在工业控制、仪器仪表等领域简直大名鼎鼎，可以这么说，在工业控制中需要安全防爆的场合几乎没他不行，其主要功能为限流限压，保证现场仪表可得到的能量在安全范围内。既然安全栅如此重要，下面就让我们来学习一下安全栅的两种基本结构及原理，感兴趣的同学关注一下吧。。。

1. 安全栅原理—简介

　　安全栅一般出现在本安系统中，首先介绍一个电气知识，本质安全是系统防爆技术，指通过设计等手段使生产设备或生产系统本身具有安全性，即使在误操作或发生故障的情况下也不会造成事故的功能。而安全栅是本安防爆系统中最常用的关联设备。

　　安全栅是介于现场设备和控制室之间的一个回路限制能量的电路，如下图所示。其基本功能有两个：第一使危险场所的本安设备能正常工作;第二用来把控制室供给现场仪表的电能量限制在既不能产生足以引爆危险气体的火花的范围，又不能产生足以引爆危险气体的仪表表面温度的范围，即使本安设备自身发生故障，只要安全栅的限流限压电路工作正常，也不会产生任何足以引燃爆炸环境的火花或表面温度。因此无论安全场所的控制室设备还是危险场所的本安设备发生故障，整个系统在电路上都会处于本质上的安全状态，不会产生爆炸。

　　由于安全栅被设计为介于现场设备与控制室设备之间的一个限制能量的接口，因此无论控制室设备处于正常或故障状态，安全栅都能确保通过它传送给现场设备的能量是本质安全的。

2. 安全栅原理—分类

　　安全栅作为控制室的非本安设备与危险场所的本安设备之间的关联设备，是本安爆系统中的重要组成部分，安全栅按结构分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两大类。

　　1)、齐纳式安全栅

　　齐纳式安全栅采用在电路回路中串联快速熔断丝、限流电阻和并联限压齐纳二极管实现能量的限制，保证危险区仪表与安全区仪表信号连接时安全限能。它采用器件非常少、体积小、价格低，但也有一些致命的缺陷，使应用范围受到较大的限制。

　　2)、隔离式安全栅

　　隔离式安全栅采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，不但有限能功能，还有隔离功能，同时符合本安型限制能量的要求，它主要由回路限能单元、信号、电源隔离单元和信号处理单元组成。与齐纳式安全相比，虽然价格较贵，但它性能上的突出优点却为用户应用带来了更大的受益其基本功能框图如下：

　　对比齐纳式和隔离式安全栅的特点和性能后可以看出，隔离式安全栅有着突出的优点和更为广泛用途，虽然其价格略高于齐纳式安全栅，但从设计、施工安装、调试及维护成本来考虑，其综合成本可能反而低于齐纳式安全栅。在要求较高的工程现场几乎无一例外地采用了隔离式安全栅作为主要本安防爆仪表，隔离式安全栅已逐渐取代了齐纳式安全栅，在安全防爆领域得到了日益广泛的应用。

3. 安全栅原理—工作原理

　　安全栅的主要功能就是限制安全场所的危险能量进入危险场所，及限制送往危险场所的电压和电流，下面具体分析两种安全栅的工作原理：

　　齐纳安全栅的稳压二极管限制了从非本安端传到本安端的电压，电阻限制了电流，快速熔断器用于保护稳压二极管不被过大的电流烧坏。通过电路的限压和限流，把传输到危险区的能量限制在安全值之内。它的特点是电路元器件少，故障率低，成本低，回路信号保真性好，但由于必须加限能电阻再加上智能变送器的采样电阻，过大的电压降低往往会导致回路供电不足，而且在工程中要可靠接地，否则会失去防爆安全保护功能。如下图所示：

　　齐纳管Z用于限制电压。当回路电压接近安全限压值时，齐纳管导通，使齐纳管两端的电压始终保持在安全限压值以下。电阻R用于限制电流。当电压被限制后，适当选择电阻值，可将回路电流限制在安全限流值以下。

　　与齐纳安全栅相比，隔离式安全栅除具有限压与限流的作用之外，还带有电流隔离的功能。隔离式安全栅以安全栅的电路作为本安电路，实现限流和限压，并用脉冲变压器或光电器件隔离本安电路与非本安电路，它容易实现信号一入两出等分配功能，因为电源、输入、输出相互隔离，组成系统时不需要接地，信号完全浮空，检测和控制回路的信号稳定性和抗干扰能力大大加强，从而提高了整个系统的可靠性。如下图所示：

　　其核心的电路为安全栅基本限能电路，隔离单元包括变压器隔离组件、模频转换和频模转换电路，信号处理单元则根据各种隔离栅功能要求进行信号处理。隔离栅通常由回路限能单元、电流隔离单元和信号处理单元三部分组成，其中回路限能单元为安全栅的核心部分。此外，辅助有用于驱动现场仪表的回路供电电路和用于仪表信号采集的检测电路。信号处理单元则根据安全栅的功能要求进行信号处理。

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