Как выбрать шунт-диодный барьер искрозащиты?
JM Renewable Energy - шаблон joomla Новости

Главная цель статьи — максимально облегчить непростой процесс выбора барьеров искробезопасности.

Любое промышленное производство требует высокотехнологичных решений в плане контроля и обеспечения безопасности. Особенно это касается производств, связанных с добычей и переработкой легковоспламеняющихся материалов, таких как: нефть, газ, целлюлозная промышленность и т. д. Для обеспечения пожарной безопасности, оборудование, размещенное в зоне наличия легковоспламеняющихся газов и веществ, должно иметь защиту от возникновения искр, нагрева и возгорания. Такое оборудование называют взрывозащищенным, и оно имеет в своей маркировке обозначение «Ex».

Взрывозащита может быть выполнена различными способами: взрывонепроницаемая оболочка, имеет обозначение Exd, искробезопасная электрическая цепь — обозначается Exi, герметизация компаундом Exm и так далее, и каждая имеет свою область применения. Оборудование также может иметь комбинированную защиту, состоящую из нескольких видов защит. Далее мы будем рассматривать взрывозащиту типа искробезопасная электрическая цепь, так как именно при таком виде защиты применяются барьеры искробезопасности.

Использование различного электрооборудования во взрывоопасной зоне, например, датчиков давления и температуры, расходомеров, уровнемеров накладывает ограничение на величину электрической энергии, передаваемой во взрывоопасную зону к оборудованию, а также электрической энергии, которую может накопить электрооборудование и линии связи между ними. Количество электрической энергии, которую можно безопасно «пустить» во взрывоопасную зону для различных взрывоопасных веществ было установлено опытным путем, и подробно этот процесс описан в ГОСТ 30852.0-2002. Важно отметить, что такая защита строится на ограничении энергии при возникновении аварийных ситуаций в электросети и связанном оборудовании, таких как короткое замыкание линии или попадание на вход высокого напряжения.

Устройство и принцип работы барьеров

Барьер искрозащиты представляет собой законченный блок, имеющий неразборную конструкцию для защиты от несанкционированного ремонта и замены элементов, который удовлетворяет требованиям ГОСТ 30852.10-2002. Различают цепи искрозащиты с уровнями «ia», «ib» и «iс». Отличие схемы «ia» от «ib» заключается в том, что у цепей с уровнем искрозащиты «ia» предусмотрена защита обеих полюсов от источника питания. Электрические схемы блоков искрозащиты на стабилитронах приведены на рисунках 1а, 1б. Барьер состоит из шунтирующих стабилитронов VD1 — VD6, последовательно включенных токоограничительных R2, R2.1 и балластных R1, R1.1 резисторов и плавких предохранителей FU1, FU1.1. Для схемы «ia» предусмотрено двойное дублирование стабилитронов для повышения надежности и снижения вероятности отказов.

Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ib»

Рисунок 1а — Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ib»

Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ia»

Рисунок 1б — Схема барьера с искробезопасной цепью уровня «ia»

При нормальной работе напряжение на стабилитронах не превышает напряжения стабилизации, и через стабилитроны практически не течет ток (рисунок 2). В случае возникновения аварийной ситуации (попадания на вход барьера повышенного напряжения) стабилитроны будут ограничивать напряжение на выходе барьера при изменении тока, протекающего через них (рисунок 3). Если в результате аварии на вход барьера подается напряжение, которое вызывает протекание тока свыше допустимого, то установленный плавкий предохранитель отключит защищаемые цепи от аварийной цепи. Чтобы ограничить ток через стабилитроны в момент попадания высокого напряжения на вход барьера устанавливается дополнительный токоограничительный резистор R2, который призван сохранить целостность стабилитронов при протекании токов на момент пока перегорает плавкий предохранитель. Обычное время перегорания плавкого предохранителя находится в пределах 10 миллисекунд и сильно зависит от величины протекающего тока. Назначение балластного резистора R1 — ограничение тока короткого замыкания на выходе барьера. Таким образом обеспечивается искробезопасный ток, напряжение и электрическая мощность при которых не может произойти возгорание во взрывоопасной зоне при аварийных режимах работы электрической цепи, но при этом обеспечивается нормальная передача полезного сигнала при её штатной работе.

Протекание тока через барьер в штатном режиме

Рисунок 2 — Протекание тока через барьер в штатном режиме

Протекание тока через барьер при аварийной ситуации

Рисунок 3 — Протекание тока через барьер при аварийной ситуации

Барьеры искрозащиты имеют следующие параметры:

Um — максимальное напряжение, которое может быть приложено ко входу барьера, при этом не произойдет пробой изоляции барьера, и он сохранит свою функцию ограничения энергии. Для большинства барьеров это напряжение составляет 250 В так как питание устройств осуществляется от источников, которые преобразуют сетевое напряжение и в случае пробоя изоляции блока питания барьер должен выдержать появление на входе сетевого напряжения;

  • U0 — максимальное напряжение на выходе барьера (к которому подключено оборудование, расположенное во взрывоопасной зоне) при попадании на вход барьера напряжения Um при отключенной нагрузке;
  • I0 — максимальный выходной ток (ток короткого замыкания). Данный параметр определяется при коротком замыкании выхода барьера и при подаче на вход барьера напряжения Um;
  • P0 — максимальная мощность, которую барьер может передать во взрывоопасную зону. Данный параметр напрямую зависит от напряжения на выходе барьера, его тока короткого замыкания и определяется по формуле:

P0 = U0 · I0 / 4.

  • Rв — сопротивление ветвей барьера, сопротивление между клеммой входного и выходного разъема. В некоторых случаях его называют проходным сопротивлением барьера.

На рисунке 4 приведен график зависимости мощности на выходе барьера от изменения сопротивления нагрузки. Как можно видеть из графика максимальная мощность на выходе достигается когда напряжение и ток достигают половины от своих максимальных значений.

Зависимость мощности на выходе барьера от напряжения и тока на нагрузке

Рисунок 4 — Зависимость мощности на выходе барьера от напряжения и тока на нагрузке

Классификация барьеров

Барьеры искрозащиты по устройству и принципу действия делятся на три группы.

Шунт-диодные барьеры искрозащиты, или пассивные барьеры (иногда их называют «барьеры на зенеровских диодах») — это барьеры, состоящие из шунтирующих стабилитронов, последовательно включенных токоограничивающих резисторов и плавких предохранителей. Принцип действия данных барьеров был приведен выше.

Такие барьеры применяются для подключения различных датчиков, работающих с унифицированными токовыми сигналами 4…20, 0…20 или 0…5 мА, подключения термопреобразователей температуры, потенциометров, концевых датчиков, кнопок и подобных устройств, а также передачи питания на устройства, которые находятся во взрывоопасной зоне. Данные барьеры являются самыми простыми устройствами. После короткого замыкания выхода или подачи на вход барьера высокого напряжения перегорает плавкий предохранитель, и барьер необходимо заменить. У некоторых производителей в качестве опций устанавливается дополнительная электронная схема ограничения тока короткого замыкания, которая призвана защитить предохранитель от случайного замыкания, например, при пуско-наладочных работах, делая барьер защищенным от короткого замыкания на выходе. Однако за такой функционал приходится платить не только деньгами, но и дополнительным падением напряжения на ветвях барьера.

В нашей продуктовой линейке – это барьеры БИС-А-Ех (серия 100).

Активные барьеры искрозащиты, в которых помимо пассивного барьера добавлена электронная схема преобразователя, позволяющая осуществлять функциональное преобразование входного сигнала, например, токовый сигнал 4…20 мА преобразовывать в выходной сигнал 0…20 мА или сигнал от потенциометра в выходной токовый сигнал 0…20 мА.

Помимо схемы преобразования в барьере имеется электронный ограничитель тока короткого замыкания на выходе, повышающий живучесть барьера при коротком замыкании выхода барьера в рабочем режиме при пуско-наладочных работах. В отличие от пассивных барьеров, где замыкание на выходе приводит к перегоранию плавкого предохранителя, активные барьеры после устранения замыкания вновь готовы к работе. Для функционирования такого барьера требуется дополнительное напряжение питания.

Основная причина применения активных барьеров — ситуации, когда невозможно применить пассивные барьеры. Например, когда сопротивление нагрузки слишком велико для того чтобы датчику хватало напряжения питания при максимальном токе потребления. Такая ситуация может возникнуть в случае, если имеется несколько показывающих (дублирующих) приборов. Еще один случай, когда применение активного барьера оправдано — если для питания датчика (устройства) необходимо использовать барьер с напряжением U0, которое ниже или равно стандартному ряду выходных напряжений источника питания, а его подстройка невозможна.

Еще один немаловажный момент, который следует учесть при использовании пассивных и активных барьеров, это наличие эквипотенциальной системы заземления. Если на данном объекте невозможно создать эквипотенциальную систему заземления, то использование таких барьеров не допускается.

В нашей продуктовой линейке – это барьеры БИС-А-Ех (серия 200).

Активные барьеры с гальванической развязкой. Такие барьеры в своем составе помимо пассивного барьера, схемы ограничения тока короткого замыкания и электронного преобразователя, содержат еще и источник питания с гальванически развязанными выходами, который позволяет осуществлять питание входных и выходных цепей барьера, гальванически разделенных между собой. Данная группа барьеров не имеет клемм для подключения к заземлению так как имеется гальваническая развязка входа от выхода и от источника питания, которая гарантированно выдерживает разность потенциалов минимум 500 В.

Данные барьеры применяются в тех случаях, когда невозможно создать эквипотенциальную систему заземления — разность потенциалов земли в точке установки датчика отличается от потенциала заземления в точке установки остального оборудования. В этих случаях заземление осуществляется непосредственно в точке установки датчика, а со стороны измерительного оборудования устанавливается барьер искрозащиты с гальванической развязкой, задачей которого является передача токового сигнала в цепи, связывающей устройства, находящиеся под разными потенциалами.

В нашей продуктовой линейке – это барьеры БИС-А-Ех (серия 300).

Все три группы барьеров широко используются при проектировании систем контроля и управления технологическими процессами при работе оборудования во взрывоопасной зоне. Барьеры каждой группы имеют свое назначение и область применения. Поставленная перед проектировщиком задача может быть решена несколькими путями с использованием тех или иных барьеров. В таком случае всегда производится оценка каждого варианта решения задачи, оцениваются финансовая составляющая, удобство монтажа и обслуживания систем с целью поиска оптимального решения.

Алгоритмы подбора шунт-диодных барьеров искробезопасности

Далее приведем конкретные примеры для выбора пассивных барьеров и примеры расчетов для проверки работоспособности схемы.

Пример 1. Допустим, необходимо измерять давление газа во взрывоопасной зоне. Во взрывоопасной зоне будет присутствовать газ этилен. Для упрощения задачи рассмотрим вариант с одним датчиком, расположенным в 50 метрах от шкафа с оборудованием. Питание датчика будет осуществляться от сетевого источника питания через барьер, а с помощью измерительного прибора будет осуществляться индикация измеренного давления. Измерительный прибор, блок питания и барьер расположены во взрывобезопасной зоне. В месте установки оборудования имеется возможность создания эквипотенциальной системы заземления.

Перед началом выбора датчика и барьера необходимо определиться с подгруппой электрооборудования, которой должен соответствовать датчик и барьер искрозащиты. Подгруппа электрооборудования зависит от того взрывоопасного вещества, которое будет присутствовать во взрывоопасной зоне. Методика определения подгруппы и рекомендации по выбору подгруппы, а также перечень типовых представителей горючих веществ и соответствующая им подгруппа приведены в приложении А ГОСТ 30852.0-2002, ГОСТ 30852.11-2002.

Согласно приложению А ГОСТ 30852.0-2002 газ этилен соответствует категории взрывоопасности IIB. Соответственно при выборе оборудования, которое будет во взрывоопасной зоне, подгруппа должна быть IIB или более высокая — IIC.

Далее необходимо выбрать датчик давления для измерения соответствующего давления и имеющий взрывозащищенное исполнение типа «искробезопасная электрическая цепь» с необходимым классом точности измерения.

Для нашего примера выберем датчик давления, который имеет следующие характеристики:

  • минимальное напряжение питания Uд min=12В;
  • максимальное напряжение питания Ui=28В;
  • максимальный входной ток Ii=120мА;
  • максимальная рассеиваемая мощность Pi=0,84Вт;
  • максимальная внутренняя емкость Ci = 0,05 мкФ;
  • максимальная внутренняя индуктивность Li = 0,2 мГн.

После выбора подходящего датчика давления необходимо подобрать к нему барьер искрозащиты. Для выбора барьера необходимо определить, какими параметрами он должен обладать. Выбор следует делать из следующих условий:

  • U0 ≤ Ui;
  • I0 ≤ Ii;
  • P0 ≤ Pi.

Другими словами, барьер искробезопасности должен пропускать через себя такое количество электрической энергии, чтобы во всех режимах работы датчик оставался взрывозащищенным. Для данного датчика выберем барьер БИС-А-110-Ех со следующими параметрами:

  • максимальное напряжение на выходе U0 = 25,2 В;
  • ток короткого замыкания I0 = 100 мА;
  • максимальная мощность, передаваемая через барьер P0 = 0,6 Вт;
  • максимальное проходное сопротивление ветвей Rmax = 280 Ом.

В качестве измерительного прибора может выступать любой прибор, предназначенный для измерения тока в токовой петле и обеспечивающий необходимым классом точности измерения. Для этой цели мы будем использовать измеритель-регулятор МИР-7200. Для расчета нам нужно знать сопротивление токоизмерительного шунта, которое содержится в технической документации и составляет 50 Ом.

Осталось подобрать источник, от которого будет запитан датчик давления через барьер. Для этого необходимо вернуться к выбранному барьеру искрозащиты, так как напряжение на выходе блока питания будет зависеть от U0 барьера. Напряжение на входе барьера не должно превышать напряжения, при котором через стабилитроны начнет протекать ток. Этот параметр указывается в руководстве по эксплуатации на барьер искрозащиты. Если этот параметр не указан, то его можно вычислить условно. Для барьеров с напряжением U0 более 13 В максимальное напряжение, которое можно подать на вход барьера и при котором ток утечки стабилитронов не превысит 10 мкА, составляет:

Uвх max= U0 – (1…1,5 В).

Для барьеров с напряжением U0 менее 13 В необходимо увеличивать запас по напряжению до 2…2,5 В, поскольку это связано с искривлением вольт-амперной характеристики стабилитронов при снижении напряжения стабилизации.

Рассчитаем максимальное напряжение, которое можно подать на вход выбранного барьера: Uвх max = 25,2 – 1,2 = 24,0 В.

После определения максимального напряжения, которое можно подать на вход барьера, выбираем источник питания. Это может быть как отдельный источник питания, так и встроенный в измерительный прибор с выходным напряжением 24 В и максимальным током нагрузки не менее 25 мА.

После выбора всех необходимых приборов можно составить электрическую схему для проведения окончательных расчетов. Получившаяся схема приведена на рисунке 5.

Подключение датчика давления через искробезопасный барьер

Рисунок 5 — Подключение датчика давления через искробезопасный барьер

Для расчета схемы и проверки ее работоспособности необходимо рассчитать сопротивление кабеля, соединяющего датчик давления с барьером искробезопасности. Часть кабеля, который соединяет блок питания, измерительный прибор и барьер можно не учитывать, если данные блоки смонтированы в непосредственной близости в одном шкафу, так как сопротивление этого кабеля будет ничтожно мало и его при расчетах можно не учитывать. В случае, когда длина этого кабеля значительна, его так же необходимо включить в расчет.

Расчет сопротивления кабеля начинают с измерения необходимой длины. Подключение датчиков ведут с помощью медного кабеля с сечением жил не менее 0,35 мм2. Рассчитаем сопротивление кабеля по формуле:

Rк = ρ · L / S,

где ρ — удельное сопротивление меди 0,017 Ом·мм2/м;

L — длина кабеля, м;

S — площадь сечения кабеля, мм2.

При длине кабеля 50 м сопротивление линии составит: Rк = 0,017 · 50 / 0,35 = 2,42 Ом.

Необходимо провести проверку работоспособности схемы — вычислить значения напряжения питания датчика Uд (см. рисунок 5), которое будет на его клеммах при максимальном токе.

Вычисления следует проводить по формуле:

Uд = Uбп – (Rш + Rmax + 2 · Rк) · Iд mах,

где Uбп — напряжение на выходе блока питания;

Rш — сопротивление шунта измерительного прибора;

Rmax — проходное сопротивление барьера;

Rк — сопротивление кабеля;

Iд max — максимально возможный ток, потребляемый датчиком, равный 22,5 мА.

Подставив в формулу значения, получим Uд = 24 – (50 + 280 + 2 · 2,42) · 0,0225 = 16,4 В.

Полученное значение есть ничто иное, как минимальное напряжение, которое будет подаваться на датчик для его питания. Это напряжение должно быть больше минимального напряжения питания датчика, которое для выбранного датчика равно 12 В.

В завершении этого примера остается выбрать конкретный тип кабеля с нужным сечением, вычислить емкость и индуктивность кабеля и затем суммировать значение емкости кабеля с емкостью датчика Ci и индуктивность кабеля с индуктивностью датчика Li. Схема будет считаться рабочей, а цепь искробезопасной, если будут выполняться следующие условия:

  • Uд min ≤ Uд;
  • L0 ≥ L+ Lк;
  • C0 ≥ Ci + Cк.

Если при расчете напряжения для питания датчика становится недостаточно, то необходимо уменьшать сопротивление кабеля (например, увеличив сечение или количество жил), подобрать другой барьер с меньшим проходным сопротивлением, разделить цепь датчика и измерительных приборов на два контура, применив активный барьер искробезопасности.

Рассмотренный выше пример является самым простым, но на практике чаще всего встречаются задачи, когда датчиков может быть несколько, а располагаться они могут на достаточно большой территории и для реализации такой задачи необходимо применять несколько другие подходы. А именно, необходимо помимо обеспечения искрозащиты, каким-то образом защищаться от перекрестных помех, создаваемых оборудованием. Для этих целей схемы барьеров «ib» подходят плохо из-за того, что они имеют глухо заземленный минусовой проводник. При большой территориальной разобщенности оборудования на заземляющих проводниках могут наводиться помехи, с которыми очень тяжело бороться. В таких случаях рекомендуется использовать схемы с плавающим потенциалом сигнальных линий.

Пример такой схемы подключения приведен на рисунке 6. В данной схеме применен барьер со схемой «ia», в которой оба полюса сигнальной линии защищены плавкими предохранителями и имеются стабилитроны для ограничения напряжения и токоограничивающие резисторы, но для работы схемы необходимо чтобы выход источника питания был гальванически развязан от заземления. В данной схеме может быть применен как один источник питания, от которого будут запитаны датчики, так и раздельные источники, имеющие гальваническую развязку от заземления и объединенные общим минусом. Такое построение дает возможность повысить живучесть системы на случай выхода из строя источника питания.

 Схема подключения нескольких датчиков к одному измерительному прибору

Рисунок 6 — Схема подключения нескольких датчиков к одному измерительному прибору

В плане расчетов схема, приведенная на рисунке 6, ничем не отличается от приведенного выше примера, кроме того, что при расчетах необходимо учитывать сопротивление обеих ветвей. Используя данную схему можно наращивать количество подключаемых датчиков до нужного количества.

В случае, когда минусовой провод измерительного контроллера соединен с выводом заземления (и такое встречается не редко), данная схема работать уже не может. Для нормальной работы в таком случае требуется использование барьера, схема которого приведена на рисунке 7. Обратите внимание на то как выполнена точка подключения заземления в этом барьере. Такое включение с дополнительным стабилитроном дает возможность использовать многоканальный измерительный прибор, общий минус которого соединен с заземлением. Подобная схема требует от барьера увеличения токоограничивающего сопротивления, что приводит к увеличению проходного сопротивления барьера. Поэтому такие барьеры имеют, как правило, более высокий ток короткого замыкания и как следствие — более низкую подгруппу электрооборудованию (IIB или даже IIA).

Схема подключения датчиков через барьеры к контроллеру с общим заземленным минусом

Рисунок 7 — Схема подключения датчиков через барьеры к контроллеру с общим заземленным минусом

В следующем примере разберемся с выбором и подключением термопреобразователей сопротивления к измерительным приборам через барьер искрозащиты.

Пример 2. К нормирующему преобразователю ЭнИ-702И необходимо подключить платиновый термопреобразователь сопротивления Pt100, расположенный во взрывоопасной зоне на расстоянии 200 метров от измерительного прибора, подгруппа электрооборудования IIC. Диапазон измерения температуры от минус 50 до плюс 100 °С. Схема подключения датчика — четырехпроводная.

Для выполнения расчета необходимы следующие данные:

  • ток через измеряемое сопротивление — 0,21 мА;
  • максимальное выходное напряжение генератора тока для измерительного преобразователя температуры — 2 В;
  • максимальное сопротивление термопреобразователя сопротивления при максимальной измеряемой температуре;
  • параметры линии связи (кабеля).

Поскольку подключение будет производиться по 4-х проводной схеме, то можно не заботиться об одинаковом сопротивлении ветвей барьеров, данная схема подключения призвана компенсировать любые изменения в сопротивлении линии связи. Подключение термопреобразователя будем осуществлять через барьер, имеющий схему «ia» чтобы все линии могли работать с плавающим потенциалом. Это позволит снизить влияние помех и даст возможность подключения нескольких термопреобразователей сопротивления к одному прибору, если есть такая необходимость. Подгруппа электрооборудования, которой должен соответствовать барьер искробезопасности, выбирается исходя из того взрывоопасного вещества, которое будет присутствовать во взрывоопасной зоне.

Теперь необходимо определиться с максимальным напряжением на выходе барьера U0. Проанализировав схемы входных цепей АЦП для подключения термопреобразователя, можно отметить следующее: схемотехника АЦП, применяемая в оборудовании, питается от напряжения 5 В или реже 3,3 В и генератор тока, который поддерживает стабильный ток через измеряемое сопротивление, питается от этого же напряжения. Соответственно напряжения на выходе генератора тока не могут превышать этого значения. Также не стоит забывать, что в зависимости от реализации генератора тока потенциал измерительных выводов может существенно отличаться от потенциала заземления.

Из вышесказанного следует, что напряжение U0 барьера должно быть не ниже 5 В, плюс некоторый запас, а с учетом того, что необходимо обеспечить минимальный ток утечки через стабилитроны менее 1 мкА, то U0 барьера должно быть не ниже 7,5…8 В. Верхнее значение напряжения будет ограничено параметрами линии связи, так как от U0 зависят емкость и индуктивность подключаемого кабеля. Сам термопреобразователь имеет пренебрежимо малую емкость и индуктивность и их в расчете можно не учитывать. Использовать барьеры с U0 ниже 6 В нежелательно, так как в силу физических свойств стабилитронов будет возникать большой ток утечки, который может существенно искажать результаты измерений.

Для примера расчета выберем барьер искрозащиты БИС-А-107-Ех, имеющий следующие характеристики:

  • U0 = 12,8 В;
  • L0 = 1,5 мГн;
  • I0 = 100 мА;
  • C0 = 0,5 мкФ;

Rв max = 130 Ом (сопротивление одной ветви).

Схема подключения термопреобразователя сопротивления к измерительному прибору через барьер искрозащиты приведена на рисунке 8.

Схема подключения термопреобразователя сопротивления через барьер искрозащиты к измерительному прибору

Рисунок 8 — Схема подключения термопреобразователя сопротивления через барьер искрозащиты к измерительному прибору

В качестве линии связи между термопреобразователем и барьером возьмем монтажный кабель МКЭШВ 2x2x0,5 м, который имеет следующие характеристики:

  • емкость пары 150 пФ/м;
  • индуктивность пары 0,7 мкГн/м;
  • сопротивление одной жилы 40 Ом/км.

Рассчитаем какую емкость, сопротивление и индуктивность будет иметь данный кабель при длине 200 метров:

  • Ск = 150 · 200 = 3000 пФ;
  • Lк = 0,7 · 200 = 140 мкГн;
  • Rк = 200 / 1000 · 40 = 8 Ом.

Делаем проверку на допустимые значения емкости и индуктивности линии связи для подгруппы IIC и для данного барьера:

  • Lк < L0:     0,14 < 1,5 мГн;
  • Cк < С0:    0,003 < 0,5 мкФ.

Рассчитанные значения емкости и индуктивности кабеля удовлетворяют требованиям. Теперь необходимо убедиться, что у генератора тока, задающего ток через термопреобразователь, достаточно напряжения для поддержания стабильного тока через барьер и линию связи. Для этого необходимо по ГОСТ 6651-2009 вычислить максимальное сопротивление термопреобразователя. Для Pt100 при температуре 100 °С сопротивление составит 138,51 Ом, а при температуре минус 50 °С — 80,31 Ом. Используя схему на рисунке 8, рассчитаем падение напряжения на барьере с подключенным термопреобразователем и линией связи по формуле:

Uг = Iизм · (2 · Rв max + 2 · Rк + Rtmax),

где Iизм — ток через измеряемое сопротивление;

Rв max — сопротивление одной ветви;

Rк — сопротивление кабеля;

Rtmax — максимальное сопротивление термопреобразователя.

Подставив в формулу значения, получим Uг = 0,00021 · (2 · 130 + 2 · 8 + 138,51) = 0,085 В.

Как видно из расчета напряжение, которое может выдать генератор тока значительно выше требуемого в данном конкретном случае.

Если линия связи достаточно протяженная, то цена кабеля может быть существенна. В таком случае применяется подключение по 3-х проводной схеме с компенсацией, так как один из проводников является общим как для генератора тока, так и для измерительной цепи. Для подключения термопреобразователя сопротивления к измерительному прибору в этом случае требуется барьер, сопротивление ветвей которого имеет минимальный разброс 0,05…0,2 Ом. В этом заключается особенность выбора барьера для 3-х проводной схемы подключения, в отличие от 4-х проводной схемы, где разброс сопротивлений ветвей не принципиален. Такие барьеры специально изготавливают для работы 3-х проводной схемы и в описании на барьер об этом указывают особо, так как для остальных случаев такой точности в проходных сопротивлениях барьера не требуется. Расчеты для 3-х проводной цепи проводятся аналогично, как и для 4-х проводной.

Измерение температуры с помощью термопреобразователей сопротивления подключенных через барьер искрозащиты по 2-х проводной схеме не применяется ввиду низкой точности измерения, из-за невозможности компенсировать сопротивление барьера и линии связи, которые также зависят от температуры.

Еще один момент, на который хотелось обратить внимание — подключение термопары через барьер искрозащиты к измерительному прибору. Такой вариант возможен, но при его применении возникает ряд сложностей.

Первая сложность заключается в том, что для работы с термопарой в измерительном приборе установлен датчик температуры, который измеряет температуру клеммника для подключения термопары. Этот датчик необходим для компенсации напряжения холодного спая чтобы измерительный прибор показывал только температуру горячего спая, и она не зависела от температуры, которая окружает измерительный прибор (при подключении проводов от термопары к клеммнику между проводом термопары и клеммника образуется еще одна термопара).

Производя подключение термопары через барьер искробезопасности компенсация холодного спая уже не будет работать корректно, а датчик температуры переставить из измерительного прибора на клеммники барьера невозможно.

Вторая сложность, с которой придется столкнуться при таком решении — это борьба с помехами. Если учесть, какое ЭДС вырабатывает термопара (самое большое ЭДС у термопары ТХА при температуре 1300 °С около 75 мВ) и представить, что барьер искрозащиты это полупроводниковый прибор в паре с длинным проводом от термопары являющийся хорошей антенной, то несложно понять, что наведенные радиопомехи в проводе будут детектироваться на стабилитронах барьера как на амплитудном детекторе, а амплитуда таких помех может в несколько раз превышать полезный сигнал. По этим причинам подключение термопар через барьер искрозащиты необходимо рассматривать как крайний вариант. Самым лучшим решением в такой ситуации является применение нормирующего преобразователя, размещенного во взрывоопасной зоне непосредственно возле самой термопары и осуществляющего преобразование сигналов от термопары в токовый сигнал, который можно транслировать на значительные расстояния и не переживать за помехозащищенность.

В заключении следует отметить, что пассивные барьеры могут применяться не только для передачи токовых сигналов и сигналов от термопреобразователей сопротивления, но и для передачи сигналов от потенциометров, управления электропозиционерами, сигналов от кнопок и контактных датчиков, частотных сигналов от расходомеров и так далее. В последующих статьях мы осветим данные темы, а также расскажем об особенностях выбора активных барьеров и барьеров с гальванической развязкой.

Жулин Алексей Владимирович

Начальник конструкторского бюро

Группы приборостроительных компаний

«ИТеК ББМВ»-«Энергия-Источник»