新闻中心 NEWS

行业资讯您所在的位置:首页 > 新闻中心 > 行业资讯

一种用于爆炸性气体成分检测传感器的防爆型高低温试验箱

发布时间:2019/7/16   来源:www.ruihongshiye.com

引言

爆炸性气体成分检测传感器的高低温工作试验均需要在封闭的环境中进行。AQ 6203-2006[1]等标准中对高温工作提出了明确的方法和要求, 但并未明确规定具体的试验安全注意事项。目前最为主要的安全隐患就是爆炸性气体环境中的防爆处理问题, 这在国内各大矿用产品检测检验中心还处于空白状态, 极大威胁着检验安全。

经与其他甲级检验中心沟通, 个别单位在进行甲烷传感器高低温工作试验时, 需要将充入其中的气样以及被测传感器进行薄膜隔离处理, 既不具备可操作性, 也不具备高效性。鉴于此, 设计了一种具备足够防爆能力的专用高低温试验箱, 其中以甲烷浓度传感器的高低温试验为例展开分析。

1 危险因素分析

以煤矿用甲烷传感器为例, 传感器的测量范围通常如表1所示。

由于高温或低温工作试验过程中需要向被试传感器通入标准气样, 而这些气样是以自然扩散的方式吹入被试传感器探头的, 这些气样势必会扩散到试验箱内部空间。根据AQ 6211-2008[2]的试验方法规定, 应使用多种浓度的甲烷标准气样进行高温或低温条件下的基本误差测定, 具体见表2。可以看出, 试验过程中将大量使用高浓度的甲烷标准气样, 势必会产生一个持续出现爆炸性危险的封闭场所。随着试验的推进, 其中的甲烷浓度将不断上升, 当浓度达到乃至超过危险浓度值, 依据GB 50058-92[3]的规定, 箱体试验区域将属于危险场所0区[4]

表1 不同类型的甲烷传感器的量程     

表1 不同类型的甲烷传感器的量程

表2 AQ 6211-2008规定的基本误差试验用标准气样浓度     

表2 AQ 6211-2008规定的基本误差试验用标准气样浓度

图1所示为高低温工作试验时试验箱内部情况示意图。不难看出, 试验箱体内部的危险气体将弥漫在试验箱的各个工作部位, 其中的照明设备、风扇 (尤其是其中的电机) 、加热部件都是敏感部位, 容易形成安全隐患。同时, 根据GB 3836.14-2000[5]的规定, 在这样的封闭空间中安装使用的设备必须具备相应等级的防爆要求。

图1 高低温工作试验时试验箱内部情况示意图

图1 高低温工作试验时试验箱内部情况示意图   

由图1可以分析总结出如下5种危险因素;

(1) 试验箱加热部件如果表面温度过高, 可能引发爆炸;

(2) 风扇中的电机如果防爆型式不正确, 可能引发爆炸;

(3) 照明设备如果防爆型式不正确, 可能引发爆炸;

(4) 危险气体泄漏到设备的电气控制部件附近 (尤其是继电器/接触器) , 可能引发爆炸;

(5) 用于PID控制的温度传感器如果防爆型式不正确, 在故障情况下可能引发爆炸。

2 防爆设计思路

结合前述的5种危险因素, 需要结合防爆技术对高低温试验箱的整体结构和部件选型进行重新设计。具体分为4个方面:整体结构设计、试验箱温度控制设计、照明设备防爆选型和内部循环系统防爆设计。

2.1 整体结构设计

整体结构布局与常规的高低温试验箱布局相同, 但需要在5个关键局部进行特别处理:

(1) 箱体内部试验空间应与电气控制设备所在空间完全隔离, 试验空间应具备一定的气体承压能力;

(2) 增加气体排放通道, 当内部危险气体浓度过高时, 可开启排放程序, 直接排除隐患;

(3) 添加安全泄爆装置, 万一防爆措施失效发生爆炸, 则由泄爆装置进行保护, 避免对其他设备造成损害;

(4) 箱体门应进行加固设计, 保证整体气密性, 以及保证在极端情况下有足够承压能力;

(5) 为了能够对内部浓度进行控制, 加装浓度传感器, 并结合PLC编程完成闭环控制。

2.2 试验箱温度控制设计

温度控制的关键在于高温加热部件的温度控制, 以及反馈控制用的温度传感器的防爆型式选择。

根据GB 3836.1-2010[6]的规定, 在危险场所0区使用的电气设备的应为ⅡA类防爆电气设备。通常, 温度反馈检测元件使用PT100传感器, 在防爆认证领域属于简单设备, 故为其提供电源的设备也必须符合ⅡA类防爆电气设备的要求。可以考虑采购具备相关防爆合格证的模块电源。

温度试验箱内部的温度提升主要依靠加热管实现, 通常有硅油加热和电加热两种手段。由于硅油加热的整体成本较高, 本设计采用了添加温度限制的电加热管。根据GB 3836.1-2010中的规定, 设备表面温度应低于450℃。考虑温度限制可能存在偏差, 温度应限制在400℃。

2.3 照明设备防爆选型

照明设备主要用于试验时的照明。其亮度是满足使用的重要指标, 而其产品体积和防爆型式则是安全关键指标。选用体积小、表面温度较低的本安型 (本质安全型) 照明灯具是最优选择。同时, 其电源也应当为与之对应的具备相关防爆合格证的模块电源。

2.4 内部循环系统防爆设计

内部循环系统是保证温度稳定和持续可控的关键, 起决定作用的有舱室结构、风道结构和风机稳定性等。在爆炸气体环境安全设计方面, 应着重考虑风机的电气防爆能力, 或者将风机替换为气动型式。经过选型比较发现, 电气防爆型的风机体积较大、能耗较高。故而选择气动风扇, 从而避免电气因素带来的危险隐患。同时, 将排气系统所涉及的风机也全部更换为气动风机。

3 总体设计

防爆型高低温试验箱的电气设计框架见图2, 外形结构见图3。

图2 电气设计框架

图2 电气设计框架   

图3 外形结构

图3 外形结构   

3.1 机械钣金及主体结构

(1) 整体布局采纳了最新的工业产品造型设计思路[7], 箱门合理位置设置有一个透明窗口 (双层中空钢化玻璃) , 用以观测室内试样的变化 (照明采用本安型电路) ;

(2) 箱门与机体采用双层耐高低温之高张性硅胶密封条, 以确保测试区之密闭;

(3) 配置24个接线点, 用于连接试验对象的电源及信号线;

(4) 制冷系统安装在工作室下方;

(5) 控制部分设计在设备的左侧, 分布有控制电路、气路用电磁阀、本安电源调压电路、触摸屏等, 操作简单方便, 且易于维护。

3.2 制冷与加热系统

(1) 压缩机采用活塞式压缩机。其驱动为变频控制的三相异步电机[8]。翅片式多级蒸发器, 试验空间内部分为全铜材料, 兼做制热时的冷凝器, 材质和温度均符合Ⅰ类环境的防爆要求;

(2) 试验空间内部换热器及排风用风机采用气动马达和翅片式风冷冷凝器;

(3) 加热部件为风道式加热器, 采用功率限制并结合表面热电阻实现最高表面温度的限制[9]

3.3 试验空间气体循环系统

(1) 内部空气循环时, 从背部底侧进风, 顶侧出风。采用低噪音、多翼式阻燃抗静电离心风叶强力送风循环, 避免任何死角, 可使测试区域内温度分布均匀;

(2) 具有两节可切换的风速, 适应不同阶段的使用需求。使用由气缸推动的气动阀门, 结构简单可靠, 密封性能好;

(3) 采用微压差开关, 通过电磁阀控制气动阀门, 维持试验空间内的气压稳定;

(4) 由质量流量控制器、PLC和传感器组成的闭环系统自动精确控制试验环境的气体浓度;

(5) 排气及标准气样供入系统添加了压力检测, 结合质量流量计参数实现控制调制[10]

3.4 电气控制系统

(1) 核心控制设备为西门子PLC, 温度采集及照明控制等均为本安型电路;

(2) 感温传感器:采用高精度测温放大电路[11], 温度显示分辨率0.1℃;

(3) 甲烷浓度显示分辨率:10%CH4以下为0.01%CH4, 10%CH4以上为0.1%CH4;

(4) 数据采集测量模块使用本安型电路完成[12];

(5) PLC根据试验箱内参数及设定温度计及甲烷浓度数据, 自动调节压缩机及风机的制冷、加热运行工况, 自动控制甲烷浓度, 稳定段程序采用自动调整的模糊控制理论[13];

(6) 触摸屏具有荧屏锁定功能, 避免人为触摸而停机;

(7) 根据客户需要编制系统软件。

4 优势分析

箱体主要优点有六:

(1) 加热方式的选择:为了避免电气防爆的难点, 采用无电发热方案, 具体即为采用压缩机散热热量进行加热;采用大功率发热管, 对其进行低电流驱动, 限制其发热部件的表面温度, 同时将电路与可燃气体充分隔离;

(2) 空气循环系统的结构设计:借鉴现有试验箱的结构进行设计, 需要对风机进行无电处理 (采用气动风机实现) , 经过反复试验, 确定内部循环风速、加热/制冷开启频次及时长等具体参数;

(3) 电气控制系统的设计:需要将其所在的分腔内部设计为气体正压状态, 避免有害气体的入侵, 从而实现防爆处理;

(4) 总体结构设计:整体借鉴现有试验箱体的方案, 对试验空间进行加强密封处理, 验收时进行正压耐压试验来保证其密封能力;

(5) 泄爆设置:在箱体上施加了一个泄爆装置, 保证电气防爆失效后的安全泄爆;

(6) 浓度监测:由于本试验箱采用了浓度监测控制, 除了可用于爆炸性气体传感器的高低温工作试验外, 还可用于爆炸性气体传感器的恒温长时工作稳定性试验, 无需对传感器单独通气, 从而节省大量标气费用。

5 结语

该箱体目前已经完成生产制造。经过专业的防爆分析、白盒测试和不确定度分析, 其性能指标和防爆技术应用均已满足设计要求。验收情况表明:本箱体在-10~40℃范围内开展防爆检验和浓度控制是安全的。

上一条:低温高温试验能力验证结果及不确定度分析
下一条:高低温湿热试验箱水路问题分析及改造方法研究
相关产品

在线
客服

在线客服服务时间:9:00-24:00

客服
热线

15335270170
7*24小时客服服务热线

关注
微信

关注官方微信
顶部
Baidu
sogou