危险区域的传感器

在全球范围内，随着技术的广泛应用和越来越先进，关键过程控制设备的关注点正在发生变化。

传感器遍布于我们的生活中。从我们的家具到把我们从一处运送到另一处的汽车，再到检测工业流程的自动化设备和控制系统，传感器无处不在。然而，就像大多数元件一样，它们是整体的一部分，系统中的元件越来越复杂。当时用于危险环境中时，需要对应用有一个全面的了解以及严格的选型。

American Sensor Technologies公司的商业发展副总裁Karmjit Sidhu评述说：对于危险环境，有很多因素需要考虑，在这些危险环境下安全地使用传感器变成了一种很难却又必做之事。Rockwell Automation公司的T哣认证的功能安全专家Art Pietrzyk补充道：“我们正在降低危险系数，但是危险仍旧是危险。改变的只是我们所采取的安全措施。精密的仪器和更统一的标准给安全带来新的转机。”

危险环境用传感器包括在很多应用场合下以不同方式使用的多种设备。然而，它们有一些共同点，最显著的就是他们都需要选择和安装保护体系，以及用于确保其安全使用的标准。

图1：为了安全运行，用于危险区域的传感器必须设计使其和使用环境相配。
选择和安装过程中的一个关键点在于，考虑到如何将元件整合到系统之中，
这些元件很少单独工作。

经典方法

如果正确选型和使用，大多数设备可以安全运行。关键就在于对具体应用的理解，一台Class I, Div. 1等级的用于危险环境的设备可能并不适用于另一个同样等级的环境，例如有毒环境。Sidhu警告道：“这是一种滥用和误解，会带来问题。最终用户需要知道他到底选择了什么，和他选择的东西到底可以用于什么环境。明确储罐内放置的是什么，不要依赖外壳上所写的。你的应用也许并不需要经过认证的设备，但是谨慎起见，使用经认证的设备也无妨。”

为了安全地运行，危险区域内使用的传感器必须针对其所使用的环境专门设计。通常，有三种方法：选择本安设备，使用隔爆外壳或正压隔离系统。（根据应用的不同，这些危险区域内使用的传感器并不能只考虑这些信息，还须对于特殊的环境进行研究并作相应补充。）

设计成本质安全（IS）的传感器对能量作了限制，使其不足以引燃相应等级的危险气体。一致性检查确保IS-等级的设备已经经过检测以及确定多少能量会引起动作。IS设备通常使用一种叫做安全栅的“外部设备”，用于限制电流，进而限制故障状态下电路中的能量。

一个被动安全栅通过防止过压和限制电流来实现保护机制。如果4-20mA信号线上发生了短路，安全栅会防止引燃。Macro Sensors首席应用工程师Ed Herceg说：“每一个本安设备都必须由安全栅供电。但并不是所有的安全栅都一样。有很多种类的安全栅，你必须根据设备的整体参数来配接相应的安全栅，以确保你为设备选择了合适的安全栅。否则，你可能并没有被保护。然而，时至今日，我听说而且也相信，没有一场发生在危险区域内的爆炸或火灾是由本安设备的失效引起的。”

在Class I, Div. 2危险区域内，有时也会用非易燃设备、仪器和现场布线来代替本安设备。传感器可以放在隔爆外壳中，一旦问题发生，外壳能承受住预期的爆炸压力，并将爆炸限制在外壳内，不会传爆。隔爆技术已经很成熟了，只要安装正确，在所需传感器没有本安型版本时，隔爆型也是一个可行的选择。

正压隔离系统也可以用于阻止传感器和其他设备在危险区域内发生爆炸。正压隔离系统有很多类型，但是最关键的是这种系统都要引入不易点燃的气体（惰性气体）例如氮气或者二氧化碳，在导管、元件和设备中通过，防止可燃性气体进入。一种衍生的方法是通过将系统密封，根本没有空间存在可燃性气体。

Everight Precision公司的总裁Les Schaevitz说：“总体上来说，危险区域内的传感器要么将其电气部分放置于隔爆外壳内，要么将其电气部分设计成本安型。通常，将本安设备放置在危险区域内比使用一个隔爆外壳要便宜一些，虽然两种方法都有些昂贵。除了价格因素，本安设备（配接安全栅）通常更受欢迎，因为它去除了爆炸的可能性。很多用户不希望存在潜在问题，哪怕发生在隔爆外壳内也不行。”

图2：FM Approvals的一个实验室进行的一项受控粉尘爆炸显示了可燃气体
和粉尘点燃时会发生什么。FM Approvals是FM全球集团的一个成员，
对危险区域传感器进行认证，防止类似事故的发生。

标准

用户如果要采购危险区域用传感器，必须选择那些带有当地一致性检查机构认可标志的设备。在北美，用于危险区域的传感器须经独立实验室测试并分级，例如UL（美国保险商实验室）、FM（工厂互助保险公司）和CSA（加拿大标准协会），采用诸如美国消防协会的美国国家电气规范（NFPA 70）之类的标准。美国国家电气规范符合美国大多数的工况，将危险区域分成三种：蒸汽和气体（Class I）；粉尘，例如煤和面粉（Class II）；纤维（Class III）。Division用于区分危险环境出现的频度：在正常工作情况下会出现（（Div. 1）；通常情况下不会出现（Div. 2）。进一步细化（Group）用于区分具体危险介质（氢气、乙炔等）。

在欧洲，CENELEC（欧洲电气标准化委员会）负责管理标准。但是近期，此工作由ATEX指令（潜在爆炸危险环境用设备）接管。日本有自己的标准化组织，亚洲的很多区域也有着自己的标准。IEC（国际电工委员会）实时发布国际标准，致力于“国际标准和政府、商业和社会的一切电气、电子和相关技术的一致性评定工作。”

结果就是在全球经济大环境下，有很多标准共存，这给传感器的选型、应用、设计和销售带来了麻烦。Macro Sensors公司的Herceg解释道：“问题之一是，你的产品可以在美国和加拿大销售，但却不能进入欧洲或者巴西的市场。这对标准的改变产生了以定的推动作用。今天，用户的产品取得了认证，但明天却发现在很多区域内不能销售，原因就是标准改变了。”

Honeywell Sensing and Control公司的安全开关和隔爆性防爆开关生产经理Leslie Neill说：“IEC最有可能实现全球标准统一。虽然在过去几年欧洲的ATEX指令占据主导地位，但是最近IEC颁布了IECEx标准，力图使世界范围内的认证统一化。每一个不同的标准化体系就像一把伞，这些伞都有交叉的区域，如果你愿意的话，IECEx要用一把大伞把所有这些小伞都涵盖其下。然而，我相信，至今只有一个国家愿意将IECEx标准作为唯一的国家标准，那就是澳大利亚。”

图3：危险区域传感器有很多种类型，用于各种场合、具有各种认证，并且在全球范围内评级。其中的一些是：（1）来自American Sensor Technologies的AST4600防爆传感器，具有CSA认证，可以抵御大幅振动、极限温度以及氢的爆炸；（2）Macro Sensors的HLR750系列LVDT（现行变量微分传感器），可用于汽轮和液轮机，还可以在由UL/ULC评分为Class 1，Division 2，Group A，B，C，D和Class 1，Zone 2，Group IIC的危险环境下工作；（3）压力传感器剖面显示了用于避免危险介质穿透传感器膜片的设计方案。

一体化

Everight公司的Schaevitz补充说：“全球标准的现状可能会因世界范围内的区域性认证体系而调整。但是最好这种调整是朝着一体化的方向，因为工业的发展是全球化的。我们相信ATEX模型正在朝着一体化的方向努力，因为它颁布了‘国际’标准。而且制定了ATEX标准的欧共体成员国长期以来有着紧密的经济和文化纽带，并期待与世界范围内的其它国家进一步整合，当然，没有哪些国家像欧洲一样统一步调了。”

当前，欧盟承认ATEX认证，不接受其他认证体系，虽然很多人认为UL、FM和CSA认证和ATEX认证甚至比ATEX认证更严格。与美国的Class/Division分级制类似，ATEX区域划分体系包括在正常工作条件下可燃性气体或蒸汽的点燃危险持续存在或长期存在的0区；危险间歇性存在的1区以及只有在故障或非常规情况下才会出现危险的2区。

FM全球组织成员，FM认证的危险区域的技术团队经理Tim Adam指出：“在过去十或者二十年，对于分区制的接受很缓慢，有3个Zone和2个Division对应。基于这点，FM在认证时同时考虑Zone的要求和北美的class/division制。”

Adam发现最近客户的反馈中反映了对全球标准化统一的需求，因为制造商开始面向世界范围内进行销售。他说：“我们开始将这种需求考虑在内，我们针对美国和加拿大进行认证。我们也在英国开设了办公室，可以使用ATEX标准进行认证，所以我们也可以对准备在欧洲市场上销售的产品进行认证。我们时刻牢记市场时效性对客户的重要意义，尽可能地快速完成认证工作。”

大多数等同标准变成了同一主题下的并列选项，这支持了标准全球化。Honeywell Sensing and Control公司的营销战略主管Bob Nickels说道：“一些产品只可以在欧洲销售，而UL/CSA绝不会认可这些产品在美国使用，反之亦然。我们对同一个开关有ATEX和UL/CSA两种版本。这对于库存来说是个噩梦，而且申请这些认证都回带来巨大的花费。如果我们想要开发一种新产品，我们必须决定要在那里销售这种产品。设计工程师需要针对所有的相关要求展开设计工作，在开发完成后，必须通过其目标市场所在区域要求的认证程序。”

公司对于标准统一化的要求主要是出于这个原因。Nickels坚持说：“设备的物理结构并没有变化，改变只在于描述的方法和实验的方法。如果我们对此达成了共识，那么所谓的串级的、并行的、繁冗的实验就都不需要了。一旦物理上的基本要求满足了，供应商就可以在任何地方销售其产品。长远来看，我认为工业界将要着眼于标准全球化。”

改变

危险区域用传感器的全球销售应该针对其销售区域进行审核、分级和认证。图表显示了UL-CSA认证体系（以Honeywell LSX限位开关为例）和ATEX认证体系（以Honeywell BX产品为例）的区别。

这些设备都是同一种开关，却有不同点：一台在BX设备的左侧带有加紧装置，这要求使用专用工具打开开关的壳体，还需在开关顶部安装接地装置，便于目测检查。和美国不同，欧洲的现场不是必须连接到固定的铁导体，所以欧洲的工矿现场认为不是自动接地的。隔爆限位开关的BX和LSX线用于北美和欧洲石化和离岸钻井设备中的阀体控制。

未来展望

全球化和统一化都会被技术进步影响。FM的Adam指出：“传感器的变化并不是只发生在设备本身，也给控制循环带来了变化。设备可以做的事情更多了。相应的，我们也必须考虑的更多。我们需要确保这些改进并没有带来更多的危险。”

传感技术是一门成熟的技术，Honeywell公司的Nickles承认道：“工作的原理没变，但是周边部件和支持元件更先进了。30到40年以前，我们没有固态器件，每一个传感功能都是通过机电接触或类似的机制实现。现在我们有通讯网络和针对危险区域设计的系统。这些减少了系统的花费，并允许在工厂或系统内使用更多的传感器。”

Rockwell Automation公司的产品市场经理Camilo Aladro回应Nickels说：“25年以前，开关功能主要是由机电设备完成的。像IEC61508（与安全相关的电气/电子/可编程电子系统的功能安全）之类的新标准出现了，为了适应新型基于未处理器的敏捷设备。因为微处理器在微电压下工作，他们几乎是天生的本安型，至少在运算部分是。而且微处理器中的电压也有所降低，从以前的5V降低到现在的3.3V或1.8V。”

危险永远不会完全消失。Aladro继续说道：“危险气体永远需要谨慎处理。我们要关注接近危险区域的方法，减少危险性。应运而生的智能型设备就能做到这一点。传感器正在被设计成或者二次设计成智能的，具有诸如校核的能力。结果是智能型设备可以自检，确保其工作正常。”

危险区域内的传感器是安全控制系统的关键部件。Rockwell公司的Pietrzyk总结道：“今天我们采用基于性能的过程标准，而不是基于指令的标准。基于性能的标准开始与危险分析/评估，然后确定危险等级就有依据了。除了保障人身安全，安全本身也可以看成一份生意，因为如果你的设备不出现问题，你就可以获利。”

危险区域内的安全传感

QComp Technologies, Greenville, WI.公司的总经理Doug Rutz说，这种仪表柜和相应的传感器控制着Class I, Div 2危险区域内的一台很大的气体压缩机。OEM设备可以将多种可燃气体压缩用于多种用途。他解释道：“316不锈钢面板暴露在外，只有一个简单的雪顶用于防护，它实际上是为了在蒙大拿安装使用的，机柜内部加热，而外部看到的只有-30°F。”

机柜的面板达到IP65（NEMA 4X）防护等级，因为设备暴露于风雪、雨和粉尘环境中。虽然Precision Digital公司的仪表在不易燃的Class I, Div. 2环境下使用，但是要求使用客户定制的316不锈钢盖板的HMI却易燃。为了确保安全，面板后面的75-cu-ft区域要用压缩空气保护。

Rutz说：“我们喜欢这台设备，因为一台就可以通过设置满足我们所有的要求。循环指示器可以重新设置，而无须从面板上拆除。如果客户想要改变量程，从前面板上进行设置也同样很简单。我们使用一台仪表指示压力、抽气、温度和马达电流。”