光輻射本安設(shè)計(jì)在光纖傳感器中的應(yīng)用

曾宏曄 張 濤

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

近年來，傳感器正朝著靈敏、精確、適應(yīng)性強(qiáng)、小巧和智能化的方向發(fā)展。在這一過程中，光纖傳感器這一傳感器家族的新成員倍受青睞。光纖傳感器具有多種優(yōu)良特性，能夠在危險(xiǎn)有害的區(qū)域(其中包括有爆炸性氣體的危險(xiǎn)區(qū)域)中接收各種外界物理信息。光纖傳感器必須通過防爆認(rèn)證才能安裝在爆炸性危險(xiǎn)區(qū)域。本文從解讀IEC 60079-28-2006標(biāo)準(zhǔn)入手，對(duì)光纖傳感器的防爆設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行探討。

1 光纖傳感器的發(fā)展與現(xiàn)狀

1.1 光纖傳感器的原理及分類

光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型(傳感型)傳感器;另一類是非功能型(傳光型)傳感器[1]。

非功能型傳感器是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。

功能型傳感器是利用光纖本身的特性，把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得出被測(cè)信號(hào)。它具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)[1]：①靈敏度較高;②幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器;③可以制造傳感各種不同物理信息(聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等)的器件;④可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕或其他惡劣環(huán)境。

1.2 光纖傳感器防爆設(shè)計(jì)的必要性

通過近年的研究，光輻射有以下四種可能的點(diǎn)燃機(jī)制[2]。

①光輻射被目標(biāo)表面或顆粒吸收，使它們溫度升高，并在某些情況下達(dá)到點(diǎn)燃周圍爆炸性氣體的溫度。

②輻射光的波長(zhǎng)與氣體吸收的波段相匹配，使氣體溫度升高，并產(chǎn)生爆炸。

③紫外線輻射分解氧分子產(chǎn)生光化學(xué)反應(yīng)，爆炸性氣體被點(diǎn)燃。

④高能激光光束直接擊穿氣體使氣體分裂，產(chǎn)生等離子體和沖擊波成為點(diǎn)火源。靠近分裂點(diǎn)的固體物質(zhì)也起到部分支撐作用。

綜合上述點(diǎn)燃機(jī)制可知，光輻射的點(diǎn)燃機(jī)制不同于常規(guī)的電氣火花[3－4，8]，其具有新的爆炸三角形[5]，如圖1所示。

圖1 新爆炸三角形Fig.1 New explosion triangle

圖1中的輻射源為開放的光束，爆炸環(huán)境由爆炸物質(zhì)和助燃劑組成，吸收體為固體表面或粉塵顆粒，由吸收光束產(chǎn)生局部熱點(diǎn)而點(diǎn)燃爆炸性混合物。

光纖傳感器設(shè)備在煤礦[6]、石油化工[7]、油氣輸送、冶金、電力、交通等行業(yè)里被大量應(yīng)用，而此類設(shè)備經(jīng)常安裝在易燃易爆環(huán)境中。如果光纖被損壞開放，光纖中的光會(huì)穿過周邊氣體而點(diǎn)燃易爆氣體產(chǎn)生爆炸。因此，對(duì)此類光纖傳感器設(shè)備需要通過防爆認(rèn)證，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在參考國(guó)際上普遍采用的IEC 60079-28-2006標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行考核。

2 IEC 60079-28標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

IEC 60079-28-2006是國(guó)際電工委員會(huì)發(fā)布的光輻射防爆安全設(shè)計(jì)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，旨在使設(shè)計(jì)者了解易燃易爆環(huán)境存在光輻射時(shí)潛在的著火危險(xiǎn)以及IEC 60079-28中定義的光學(xué)系統(tǒng)在危險(xiǎn)場(chǎng)所使用和保護(hù)的方法。

2.1 適用范圍

IEC 60079-28所包含的波長(zhǎng)范圍對(duì)光輻射的要求是從380 nm到10 μm。適用的點(diǎn)燃機(jī)制為四種點(diǎn)燃機(jī)制的①和④兩項(xiàng)，不包括由紫外線輻射和易燃混合氣體對(duì)輻射吸收而發(fā)生的點(diǎn)燃。爆炸的吸收物、吸收物氧化劑以及催化吸收物也在本標(biāo)準(zhǔn)范圍之外。

2.2 設(shè)備要求

所有電氣部件和光學(xué)設(shè)備內(nèi)外的電路應(yīng)符合電氣設(shè)備的適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)定義了三種不同的設(shè)備保護(hù)等級(jí)(equipment protection level，EPL)Ga、Gb、Gc。其等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 設(shè)備保護(hù)等級(jí)和火源點(diǎn)燃概率的關(guān)系Tab.1 Relationship between EPL and the probability of the source of fire ignition

2.3 保護(hù)類型

共有三種類型的保護(hù)方法可應(yīng)用于光輻射設(shè)備：“op is”本安型光輻射、“op pr”保護(hù)型光輻射、“op sh”連鎖保護(hù)裝置型光學(xué)系統(tǒng)。這些類型的保護(hù)涵蓋整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)，可防止?jié)撛邳c(diǎn)火爆炸性環(huán)境。

本安型光輻射是指在正常或規(guī)定的故障條件下，沒有能力在正常或指定故障條件下提供足夠的能量，從而點(diǎn)燃一個(gè)特定的爆炸性氣體環(huán)境。這個(gè)概念是對(duì)光束強(qiáng)度進(jìn)行限制達(dá)到防爆安全。具體方法是將輻射按照持續(xù)時(shí)間和頻率分成連續(xù)型光輻射和脈沖光輻射兩類，并分別對(duì)其能量做出限制。

保護(hù)型光輻射要求輻射限定在光纖或其他傳輸介質(zhì)內(nèi)，前提是假定輻射沒有從限制范圍內(nèi)溢出，即光輻射并非人為設(shè)置的敞開光束，也非由于光纖破損導(dǎo)致的光輻射溢出。具體保護(hù)光纖不破損的方法是使用加強(qiáng)型電纜、導(dǎo)管或電纜管道;將有溢出可能的光纖部分通過GB 3836系列標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的其他防爆型式進(jìn)行保護(hù)。這一點(diǎn)與復(fù)合型防爆方法很類似，其所能達(dá)到的安全級(jí)別也較高。

連鎖保護(hù)裝置型光學(xué)系統(tǒng)采用特定的功能性設(shè)置，使光能的切斷時(shí)間小于爆炸延遲，即在爆炸之前就將光能切斷。

在這三種保護(hù)方式中，本安型光輻射具有體積小、成本低、反應(yīng)快、安全等級(jí)高、適用面廣、適用于0區(qū)危險(xiǎn)場(chǎng)所等優(yōu)勢(shì)。

2.4 本安型“op is”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2.4.1 連續(xù)波輻射

安全的光輻射功率和光輻照度如表2所示，其中安全的照射表面面積最大為400 mm2。光功率或光輻照度不得超過表2中所列值。如果照射表面面積超過400 mm2，需要對(duì)溫度進(jìn)行限制。安全光輻射功率曲線如圖2所示。

表2 安全的光輻射功率和光輻照度Tab.2 Safety optical radiation power and irradiance

幾種典型易燃易爆氣體在不同的輻照面積下的最小點(diǎn)燃功率曲線及安全輻射功率曲線如圖2所示(詳細(xì)信息可參考IEC 60079-28-2006標(biāo)準(zhǔn))[2]。安全輻射功率曲線以下為安全區(qū)，當(dāng)光輻射功率≤35 mW時(shí)，完全滿足本安要求[9];當(dāng)輻照面積大于30 mm2時(shí)，輻照度必須小于5 mW/mm2，才能滿足本安要求。

圖2 連續(xù)波光輻射安全功率曲線Fig.2 Safety power curve of continuous wave-radiation

2.4.2 脈沖光輻射

對(duì)于脈沖光輻射，IEC 60079-28-2006針對(duì)不同的脈沖時(shí)間和頻率給定了不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：當(dāng)脈沖時(shí)間小于1 ms時(shí)，光脈沖能量不能超過各氣體的最小點(diǎn)燃能量(MIE);而當(dāng)脈沖時(shí)間在1 ms和1 s之間時(shí)，光脈沖輸出的能量要小于爆炸性氣體環(huán)境MIE的10倍;當(dāng)脈沖時(shí)間大于1 s時(shí)，峰值功率不能超過連續(xù)波的安全等級(jí)，這樣的波形可以考慮作為連續(xù)波，采用連續(xù)波的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則即輻射功率≤35 mW。

對(duì)于脈沖序列，每個(gè)子脈沖可以看作單個(gè)脈沖來處理。重復(fù)頻率高于100 Hz時(shí)，平均功率不能超過連續(xù)波的安全等級(jí);重復(fù)頻率低于100 Hz時(shí)，最高的平均功率需通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

3 設(shè)計(jì)方法

3.1 限制光輻射功率或光輻照度

限制光輻射功率或光輻照度的方法適用于連續(xù)光和持續(xù)時(shí)間大于1 s的脈沖光。當(dāng)出纖處的光輻射功率≤35 mW時(shí)，即滿足本安設(shè)計(jì)要求。限制輻射功率示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)采用限流限壓?jiǎn)卧獙?shí)現(xiàn)對(duì)光源輸出功率的限制，保證系統(tǒng)出纖處的輸出光功率≤35 mW。

圖3 限制輻射功率示意圖Fig.3 Schematic of limited radiation power

3.2 限制光能量輸出

在光纖傳感器中，不僅有連續(xù)輻射光，還有窄脈沖高能量的脈沖光。此類光源需要窄脈沖高電壓或大電流驅(qū)動(dòng)，脈沖寬度最高會(huì)達(dá)到納秒級(jí)，對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的帶寬有較高的要求。針對(duì)這些特點(diǎn)，采用常規(guī)的限流限壓方法是不適用的。

針對(duì)窄脈沖高能量的脈沖光，可以采用限制光能量輸出的方法實(shí)現(xiàn)本安設(shè)計(jì)。限制光能量示意圖如圖4所示。

圖4 限制光能量示意圖Fig.4 Schematic of limited light energy

此方案需要同時(shí)滿足以下三個(gè)條件。

①出纖處的平均輻射功率≤35 mW，由圖4中限壓限流單元實(shí)現(xiàn)。

②輸出的單個(gè)脈沖光波能量不會(huì)點(diǎn)燃易燃易爆氣體。不同氣體的最小點(diǎn)燃光脈沖能量與 其 他相關(guān)參數(shù)關(guān)系如表3所示，也可通過IEC 60079-28附錄B的TABLE B.2查閱。

表3為在直徑為90 μm的光輻射的條件下測(cè)得的數(shù)據(jù)。

表3 與相關(guān)參數(shù)對(duì)照表Tab.3 Cross reference ofvs.relative parameters

表3 與相關(guān)參數(shù)對(duì)照表Tab.3 Cross reference ofvs.relative parameters

波形 易燃易爆氣體 最小點(diǎn)燃光脈沖能量 Qi，min e，p /μJ氣體百分比濃度φ/%氣體自燃溫度AIT/℃最小點(diǎn)燃能量MIE/μJ 70 μs三角波 戊烷 669 3.0 260 280丙烷 784 5.5 470 240乙烯 218 5.5 425 82氫氣 88 21.0 560 17二硫化碳 79 6.5 95 9 20～200 ns脈沖波 丙烷 499 4.0 470 240乙烯 179 5.5 425 82氫氣 44 12.0 560 17氫氣46 21.0 560 17

從表3可以看出，最小點(diǎn)燃能量(MIE)遠(yuǎn)小于最小點(diǎn)燃光脈沖能量，相同氣體不同的光脈沖的最小點(diǎn)燃光脈沖能量也不相同。因此，選擇合適的脈沖波形進(jìn)行能量估算相當(dāng)重要。

4 結(jié)束語

近年來，隨著社會(huì)對(duì)生產(chǎn)生活安全越來越高的要求，對(duì)光輻射的防爆設(shè)計(jì)及認(rèn)證越來越受到重視。國(guó)內(nèi)已開始制定類似IEC 60079-28-2006的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并將很快發(fā)布。通過解讀IEC 60079-28-2006標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)光輻射防爆的理論及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行解析，并針對(duì)連續(xù)光輻射和脈沖光輻射，各給出了一種本安防爆設(shè)計(jì)思路。希望通過本文能夠幫助防爆設(shè)計(jì)工程師盡快掌握光輻射防爆設(shè)計(jì)方法，早日推出相關(guān)產(chǎn)品，取得更大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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