Принципиальным отличием искробезопасной аппаратуры от общепромышленной является то, что в ее цепях, как это указывалось выше, действуют искробезопасные токи и напряжения. Здесь необходимо еще раз напомнить, что искробезопасная аппаратура может состоять не только из искробезопасных цепей, но также из комбинированных искроопасных и искробезопасных цепей, связанных между собой через ограничительные или разделительные элементы. Конструктивно эта аппаратура также может быть оформлена различно. Все искроопасные цепи могут быть заключены либо во взрывозащищенную оболочку, либо в оболочку нормального исполнения (конечно, при условии установки ее в невзрывоопасном помещении). Искробезопасными цепями в этом случае оказываются только цепи нагрузки, например, датчика, или отдельного блока, устанавливаемой во взрывоопасном помещении. В первом случае контрольно-измерительная аппаратура называется искробезопасной, во втором случае — аппаратура с искробезопасными входными или выходными цепями.
Расчет основных электрических параметров аппаратуры производят, исходя из нормального функционирования ее, но при этом нужно учитывать возможные искрения в нормальном и аварийном состояниях аппаратуры. Если, например, искробезопасная цепь не содержит нормально искрящих частей (кнопок, переключателей и т. п.), то при расчете в нормальном состоянии необходимо учитывать возможные искрения в результате обрыва провода одной электрической цепи, например, цепи катушки реле, или соединительного провода и др. При этом повышения напряжения или силы тока, а также изменения основных параметров цепи (индуктивности, емкости, сопротивления, частоты и т. д.) не происходит.
На рис. 33 приведены для примера две схемы, отличающиеся друг от друга тем, что в искробезопасную цепь в первом случае включен нормально искрящий контакт датчика, а во втором — сложная схема, не имеющая нормально искрящих контактов. При расчете нормального состояния первой схемы искробезопасные параметры задаются только для одной цепи датчика, считая при этом, что элементы, образующие эту цепь, не изменяют своих номиналов. Во втором случае должны быть определены токи и напряжения в каждой отдельной цепочке схемы при неизменном состоянии параметров элементов, образующих цепь. Как указано выше, сила тока и напряжение при этих расчетах должны быть в 2,5 раза меньше воспламеняющих токов и напряжений, найденных по графикам рис. 7—12. Эффективная емкость или индуктивность рассчитываемой цепочки должна быть равна или меньше соответствующего значения емкости или индуктивности, определяемых по этим графикам.
При дальнейшем анализе необходимо учитывать также возможные повреждения, обрыв или закорачивания как отдельных элементов схемы (конденсаторов, резисторов и т. п.), так и целых блоков в случае выполнения их без учета конструктивных требований, рассмотренных в гл. 6.
Аварийные состояния прибора или аппарата связаны с повреждениями, которые могут произойти в процессе их эксплуатации. Например, на входе схемы имеется электронная лампа. Анодное напряжение ее, как известно, достаточно велико. Искробезопасной цепью в этом случае обычно должна быть цепь сетки. При повреждении электродов лампы или замыкании контактов на панельке возможно замыкание анода с сеткой. После этого оказывается, что анодное напряжение приложено к искробезопасной цепи. Более того, к искробезопасной цепи оказываются присоединенными конденсаторы и дроссель фильтра.
Рис. 33. Пример аппаратуры, содержащей искробезопасные цепи:
а — только нормально искрящего датчика (резисторы R6, R7 и R8, заармированы в колодке Ш1); б — сложной схемы, не имеющей искрящих контактов.
В аварийном состоянии «безобидная» сеточная цепь, в которой при нормальной работе токи ничтожно малы, оказывается очень опасной, и требуются специальные меры защиты от этого состояния. Если учесть, что в эту же цепь может попадать и переменный ток при повреждении выпрямительного устройства, задача обеспечения искробезопасности существенно осложняется.
Рис. 34. Зависимость воспламеняющей мощности от напряжения источника.
1 — метано-воздушная смесь (8,5% объемн.); 2 — смесь паров петролейного эфира с воздухом (107 мг/л),
- смесь этилена с воздухом (7,0% объемн.);
- водородо-воздушная смесь (20% объемн.); Индуктивность цепи L≤10-4гн. Вероятность воспламенения Р = 10-3.
Если разрабатывается система класса 2И, то обеспечение искробезопасности в вероятном аварийном состоянии несколько упрощается. Как указывалось, в нормальном состоянии их рассчитывают аналогично цепям класса И, их коэффициент запаса — не менее 2,5. Аварийные же состояния аппаратуры, за исключением короткого замыкания внешних (т. е. проложенных вне оболочки прибора) искробезопасных цепей, не рассматриваются и не учитываются при разработке аппаратуры.
Токи короткого замыкания у систем класса 2И должны быть в 1,5 раза меньше воспламеняющих, определенных по указанным выше графикам, при неповрежденном состоянии основных элементов, образующих электрическую цепь.
По существующим представлениям в искро- безопасности электрические цепи могут быть условно разделены на: а) безиндуктивные; б) индуктивные; в) емкостные; г) смешанные.
В настоящее время еще нет точных расчетных методов, позволяющих чисто аналитическим путем определять параметры искробезопасных электрических цепей.
Вопрос о поджигании взрывоопасных смесей электрическими искрами сложен и еще недостаточно изучен, поэтому в характеристиках искробезопасности приведены экспериментальные значения воспламеняющих токов и напряжений, определенных для цепей типов а), б) и в) на специальных установках, конструкция которых описана в гл. 11. Экспериментальные цепи при этом были собраны из стандартных безреактивных линейных элементов, причем были использованы катушки индуктивности без железа и воздушные конденсаторы.
Наибольшей допустимой мощностью в цепи обладают безиндуктивные цепи. График зависимости воспламеняющей мощности от напряжения безиндуктивной цепи (или источника) приведен на рис. 34. Мощность определялась здесь как произведение силы тока короткого замыкания на напряжение холостого хода цепи. Как
известно, мощность, реализуемая в нагрузке, будет в 4 раза меньше указанной мощности. Искробезопасная же мощность (с учетом коэффициента 2,5) будет в 10 раз меньше воспламеняющей. Так для метано-воздушной смеси (1 категория) искробезопасная мощность на активной нагрузке будет составлять 4,4 вт, для паров петролейного эфира или смеси паров бензина с воздухом (2 категория) — 2 вт, для этилено-воздушной смеси (3 категория) — около 1,5 вт и для водородо-воздушной смеси (4 категория) — 0,9—1,0 вт.
Если при конструировании системы необходимо применять индуктивные элементы, первостепенной задачей является повышение искробезопасной мощности такой цепи. Для поглощения избыточной электромагнитной энергии в индуктивных цепях используют различные шунты. Эффективная индуктивность цепи при этом падает. Расчет индуктивных цепей является более сложным вопросом. Большая работа в этом направлении проделана в институте горного дела (ИГД) им. А. А. Скочинского под руководством докт. техн, наук В. С. Кравченко п канд. техн. наук В. И. Серова, а также во ВНИИКАнефтегаз под руководством канд. техн. наук А. И. Султановича.
Значения необходимых токов и напряжений при расчете определяются только приближенно. Точные значения можно устанавливать пока только экспериментальным путем с помощью искрообразующих механизмов. Для этого может быть рекомендована портативная взрывная камера типа БВК-3, разработанная также в ИГД им. А. А. Скочинского под руководством В. И. Серова. С ее помощью можно сравнительно быстро определить воспламеняющиеся и искробезопасные токи или напряжения в сложной цепи.
В настоящее время разрабатываются также бескамерные способы оценки искробезопасности цепей1, которые после необходимой доработки найдут широкое применение в практике расчета и конструирования искробезопасной аппаратуры.
Рассмотрим примеры конструирования отдельных элементов и узлов искробезопасной аппаратуры.
Расчет цепей аккумуляторов, с учетом использования характеристик искробезопасности, сводится к определению сопротивления ограничительного резистора по формуле:
для систем класса И и нормального режима работы систем класса 2 И и
для режима короткозамкнутых систем класса 2И, где Еа — э.д.с. аккумуляторной батареи в в; Iвоспл — ток, определенный по графику рис. 7 для соответствующего напряжения.
1 Работы канд. техн. наук Б. М. Фурманова.
Для повышения питающего напряжения аккумуляторы можно соединять последовательно. Целесообразно в этом случае собирать их в специальные кассеты.
Значительно сложнее обстоит дело при использовании в качестве источников тока трансформаторов, преимущественно используемых в аппаратуре. Индуктивность простейшей искробезопасной цепи, состоящей только из трансформатора, определяется индуктивностью его рассеяния, приведенной ко вторичной обмотке.
К таким трансформаторам могут быть отнесены выходные трансформаторы низкой частоты, имеющие искробезопасную обмотку, к которой подключается громкоговоритель. Примерный ход расчета таких выходных трансформаторов, содержащего ряд особенностей, будет приведен ниже.
Рис 35. Пример схемы выпрямителя с удвоением напряжения.
Тр — стабилизирующий трансформатор; Д1 и Д2 — выпрямительные диоды; Βогр, Согр—ограничительные резистор и конденсатор; Вн — активная нагрузка; ВК — контакты взрывной камеры, служащей для определения искробезопасности цепи; 3—4 — обмотка для питания искробезопасной цепи.
Исследования на искробезопасность источников питания, в которые входят выпрямительные схемы, показали, что наибольшая искробезопасная мощность может быть получена от выпрямительного устройства, собранного по схеме умножения напряжения. Это положение объясняется тем, что при учете аварийных состоянии выпрямителя переменное напряжение, действующее в искробезопасной цепи, не будет превышать напряжения на обмотке трансформатора (рис. 35). Так, при повреждении элементов выпрямителя (закорачивании Д2 и С2 и обрыве Д1 и С3) напряжение в искробезопасной цепи не превышает напряжения в обмотке 3—4.
Способ умножения напряжения нашел применение в искробезопасной аппаратуре, в которой работают потребители высокого напряжения (счетчики Гейгера, газоразрядные лампы, люминесцентные источники света и т. п.). При их разработке необходимо учитывать, что нельзя передавать по длинным искробезопасным цепям высокое напряжение, так как емкость соединительной линии значительна и система (рис. 12.) перестает быть искробезопасной. Для этой цели наиболее целесообразно применить низкое переменное напряжение и уже в месте установки потребителя высокого напряжения многократно его умножить. Такой принцип был заложен в разработанной институтом Гипронисэлектрошахт аппаратуре типа АКТВ для контроля температуры нагрева подшипников.
При разработке сложных искробезопасных систем часто возникает необходимость в одновременном питании нескольких искробезопасных цепей (рис. 36), причем их суммарная мощность превышает допустимую для данной взрывоопасной смеси. В таких случаях целесообразно иметь для каждой цепи отдельный выход, в который включают отдельные ограничительные и шунтирующие элементы.
Одним из наиболее опасных с точки зрения искробезопасности режимов работы трансформаторов являются коммутации первичной обмотки. Это аварийное состояние возникает при включении и отключении прибора или аппарата вследствие перенапряжения в результате коммутации первичной обмотки, повышающего воспламеняющую способность искробезопасной цепи.
Рис. 36. Схема источника питания указателя уровня УУЖЭК-63И
Для обеспечения искробезопасности цепи вторичной обмотки в этих режимах обязательно необходимо шунтировать обмотку. Наиболее широкое распространение получил способ шунтирования с помощью встречно включенных опорных диодов. Для шунтирования трансформаторов используют также резисторы, конденсаторы и различные схемы из этих элементов.
На рис. 37 показана схема комбинированного емкостно-омического шунта, хорошо зарекомендовавшего себя в цепях, где появление частотных искажений в результате присоединения конденсатора не играет роли. Этот шунт практически мало нагружает трансформатор, так как достаточно большой емкости конденсатор работает в цепи постоянного тока, но в искробезопасную цепь не разряжается — этому препятствует диод, включенный в обратном для разрядного тока направлении.
При расчете электрических цепей, а также при их моделировании необходимо учитывать и параметры соединительных кабелей, используемых в приборах. Так, если имеется индуктивная цепь низкого напряжения (10—20 в), которая с помощью шунтов «превращена» в безиндуктивную (с соответствующим повышением искробезопасных токов), то при определении искробезопасных токов для нее необходимо учитывать индуктивность соединительного кабеля. В случае цепи с высоким напряжением преобладающее влияние будет оказывать емкость кабеля.
Влияние кабеля искробезопасной соединительной линии сказывается на конструкции входной цепи датчика того или иного прибора. На рис. 38 приведены различные варианты подключения датчика к искробезопасному входу прибора, в котором в качестве входного каскада служит электронная лампа.
Рис. 37. Схема емкостно-омического шунта с диодами.
Тр —трансформатор; Rогр —ограничительный резистор; Kpaзp —разрядный резистор; С — шунтирующий конденсатор; Д — диоды.
Пунктиром обведены элементы, выполняемые в виде неразборного блока.
В первом случае (рис. 38, а) используется входной повышающий трансформатор, который при аварийном состоянии прибора может трансформировать в искробезопасную цепь датчика пониженное напряжение. Кроме того, через нее может разряжаться подключенный к обмотке трансформатора соединительный кабель.
Рис. 38. Различные варианты выполнения искробезопасного входа в приборы, с использованием:
а — разделительного трансформатора; б — делителя напряжения на сопротивлениях; в — емкостного ограничителя и омического шунта.
Ограничительные сопротивления, если таковые необходимы, в этом случае могут быть выполнены как часть любой обмотки трансформатора. Такая конструкция трансформатора намного упрощает устройство общего входа прибора.
Во втором случае (рис. 38, б) снижение напряжения на соединительном кабеле до допустимой величины производится с помощью простого делителя на сопротивлениях. При этом сопротивление R2 играет одновременно роль ограничителя тока, a R1— выполненное конструктивно по четырехточечной схеме — шунта. Недостатком этой схемы как и последней схемы (рис. 38, в), является то, что цепь датчика оказывается связанной с общим заземленным минусом прибора, что не всегда может быть допустимо, так как в этом случае безопасность цепи заземления может оказаться нарушенной.
В третьей схеме (рис. 38, в) в качестве ограничителя использован конденсатор. Такой способ ограничения бывает очень эффективным в высокочастотных системах, питающихся от сети с напряжением промышленной частоты 50 гц. Как правило, высокочастотные системы разрабатываются таким образом, что в цепях датчика высокой частоты сила тока незначительна, поэтому потери напряжения на конденсаторе также будут незначительными. При аварийном состоянии прибора, когда в цепь датчика из блока питания попадает ток промышленной частоты, ограничительный конденсатор уменьшает его до незначительной силы, в результате чего облегчаются условия искробезопасности цепи датчика. Причем, чем выше соотношение
, тем лучше эффект ограничения и тем меньше сказывается включение ограничительного конденсатора на общую погрешность контрольно-измерительной аппаратуры.
При разработке схемы искробезопасной аппаратуры необходимо обращать внимание также на то, каким образом будут заземлены искробезопасные цепи и нужно ли их вообще заземлять. В ПИВЭ указывается, что цепи, даже искробезопасные, не должны быть заземлены. Если же по принципу работы прибор не может обойтись без заземления искробезопасной цепи, то нужно выбрать соответствующий вход прибора.
Рассмотренные примеры схемных решений узлов искробезопасной аппаратуры говорят о том, что при разработке аппаратуры необходимо учитывать все, даже на первый взгляд, маловажные факторы.
Рассмотрим для примера упрощенную схему расчета выходных трансформаторов для низкочастотных усилителей, у которых искробезопасными являются вторичные обмотки и цепи громкоговорителя1.
Для начала расчета обычно заданы: напряжение первичной обмотки U; мощность Р2, отдаваемая вторичной обмоткой; активная Rн и реактивная Lн, составляющие нагрузки; диапазон частот fв и fн;
коэффициент частотных искажений на высших (Мв) и низших (Mн) частотах;
к. п. д. трансформатора, составляющий для искробезопасных трансформаторов 0,7—0,85.
Перед началом расчета проверяют соотношение
(1)
1 Методика расчета разработана по материалам исследований, выполненных в институте Гипронисэлектрошахт под руководством В. А. Семененко. где Ри — допустимая искробезопасная мощность, определяемая по рис. 36 для заданной взрывоопасной смеси; η — к. п. д. трансформатора. Если условие (1) не соблюдается, то трансформатор с заданной мощностью Р2 не может быть выполнен; Р1 — мощность первичной обмотки.
Затем определяют напряжение на нагрузке Uн и ток вторичной обмотки Iк.з:
(2) (3)
где ZH — полное сопротивление нагрузки.
По характеристикам искробезопасности Iвоспл=f(L), для найденных значений Uн и Iн определяем максимально допустимую индуктивность искробезопасной цепи и сравниваем ее с заданным значением индуктивности Lн громкоговорителя. При этом должно быть выполнено условие:
Если неравенство (4) не соблюдается, то при данных условиях заданную искробезопасную мощность получить нельзя и Ри должна быть снижена.
Затем общепринятыми способами производят электрический расчет трансформатора, в результате которого определяют все необходимые величины.
Определяют ток короткого замыкания вторичной обмотки по формуле
где Ux.х — напряжение холостого хода вторичной обмотки;
r2— омическое сопротивление вторичной обмотки. В формуле (5) индуктивность рассеяния трансформатора в силу ее малости (для расчета) не учитывается.
Из общеизвестных формул частотной зависимости определяют необходимую индуктивность рассеяния трансформатора ZSтp, а по характеристикам искробезопасности для найденных Iк.з и Ux.х вычисляют допустимую индуктивность цепи.
При этом должно быть:
(6)
Если это условие не соблюдается, то заданная частотная характеристика не может быть получена на таком трансформаторе. Если определенный по формуле (5) Iк.зпри принятом U2 превышает ток, соответствующий индуктивности рассеяния трансформатора, то его мощность должна быть снижена. Дальнейший расчет ведут общеизвестным способом.
При конструировании необходимо стремиться к исполнению узлов аппаратуры в виде отдельных блоков, имеющих самостоятельное функциональное назначение. В этом случае сравнительно просто удается скомпоновать искробезопасные цепи в одном месте монтажной платы, а искроопасные — в другом. Это дает возможность выдерживать необходимые расстояния в пути утечки, без особых технологических трудностей заливать соответствующие блоки термореактивными компаундами и т. д.
Рис. 39. Аппаратура диспетчерской телефонной связи КДСХ-А
1 — диспетчерский коммутатор; 2 — соединительная коробка.
В условиях эксплуатации блочные
конструкции также очень удобны. Их легко осматривать, заменять новыми, не снимая целиком всего прибора пли аппарата. Блоки в общем корпусе целесообразно соединять между собой с помощью штепсельных разъемов. В качестве примера блочного оформления на рис. 39 приведена аппаратура телефонной диспетчерской связи типа КДСХ-4, разработанная институтами Донгипроуглемаш и Гипронисэлектрошахт для всех взрывоопасных сред 1, 2, 3 и 4 категорий групп А, Б, Г и Д, в том числе и ацетилено-воздушной смеси.
