一種防爆現(xiàn)場(chǎng)智能溫度控制器的設(shè)計(jì)及制造

包立剛

（博太科防爆設(shè)備（上海）有限公司，上海 201114）

工業(yè)管道中的溫度變化會(huì)對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生重大影響。過高或過低的溫度都可能導(dǎo)致管道變形、破裂或腐蝕，從而影響管道的正常運(yùn)行和安全性。此外，溫度變化可能導(dǎo)致介質(zhì)相變，進(jìn)而影響工藝參數(shù)的穩(wěn)定性。因此，對(duì)工業(yè)管道溫度進(jìn)行測(cè)量和控制可以確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性和安全性。

處于爆炸危險(xiǎn)區(qū)的工業(yè)管道的溫度測(cè)量和控制系統(tǒng)必須滿足防爆要求。防爆類規(guī)范對(duì)電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造提出了強(qiáng)制性的條件和要求，不同的防爆技術(shù)對(duì)電氣設(shè)備的功能實(shí)現(xiàn)、維護(hù)使用和制造成本會(huì)產(chǎn)生極大的影響。如何綜合應(yīng)用這些防爆技術(shù)，設(shè)計(jì)、制造一款適用于防爆現(xiàn)場(chǎng)、安裝維修方便且低成本的智能溫度控制器是論述的重點(diǎn)。

1 爆炸危險(xiǎn)區(qū)域溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的溫度測(cè)量和控制方法主要依賴人工操作，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門或加熱器來控制管道溫度，存在響應(yīng)速度慢、精度不高等問題。當(dāng)前，溫度測(cè)量和控制的主流方法是采用溫控系統(tǒng)并配合電伴熱系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)管道溫度的自動(dòng)測(cè)量和控制。對(duì)于處在爆炸危險(xiǎn)區(qū)的工業(yè)管道，要想實(shí)現(xiàn)管道溫度的就地顯示和自動(dòng)控制，必須要優(yōu)先保證溫控系統(tǒng)的防爆性能和安全性。目前，應(yīng)用于防爆區(qū)域的溫控系統(tǒng)主要分為機(jī)械式防爆溫控系統(tǒng)和電子式防爆溫控系統(tǒng)兩類。

機(jī)械式防爆溫控系統(tǒng)包括感溫探頭、溫控機(jī)芯和增安型防護(hù)外殼。感溫探頭包含一個(gè)充滿液體的感溫包，通過一根毛細(xì)管與溫控機(jī)芯連接。安裝時(shí)感溫包緊貼被測(cè)管道表面，與被測(cè)管道溫度保持一致。感溫包上的溫度升高或降低，都會(huì)引起感溫包內(nèi)的液體在毛細(xì)管中膨脹或收縮，同時(shí)毛細(xì)管中的一個(gè)特制隔板會(huì)隨之產(chǎn)生機(jī)械游動(dòng)。隔板的游動(dòng)又會(huì)帶動(dòng)溫控機(jī)芯中的控制開關(guān)斷開或閉合。溫控機(jī)芯和連接端子全部安裝在增安型的防爆接線盒內(nèi)，以便與供電系統(tǒng)和電伴熱系統(tǒng)安全連接，從而提高溫控系統(tǒng)的整體防爆性能。機(jī)械式防爆溫控系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕、安裝方便、成本較低，主要缺點(diǎn)是無法就地顯示溫度，無法實(shí)時(shí)設(shè)置或修改參數(shù)，溫度控制精度差，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

電子式防爆溫控系統(tǒng)通常包含感溫頭、非防爆電子式溫控器、接觸器等控制元件以及金屬隔爆箱。感溫頭通常采用熱敏電阻。熱敏電阻的阻值隨著溫度的變化而變化，將熱學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)化成電學(xué)信號(hào)，經(jīng)過中央處理器（Central Processing Unit，CPU）處理后產(chǎn)生控制信號(hào)。非防爆電子式溫控器、接觸器等控制元件安裝在金屬隔爆箱內(nèi)，采用隔爆型防爆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溫控系統(tǒng)的整體防爆功能。電子式防爆溫控系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以就地顯示溫度、實(shí)時(shí)設(shè)置和修改參數(shù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控，溫度控制精度高，但其缺點(diǎn)也很明顯，如成本高、體積大、質(zhì)量大、安裝維修復(fù)雜等。

2 防爆現(xiàn)場(chǎng)智能溫控器設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

要想實(shí)現(xiàn)溫度就地顯示、參數(shù)實(shí)時(shí)設(shè)置和修改、高精度控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，使用電子式溫控器是比較好的選擇，但其難以實(shí)現(xiàn)防爆功能。傳統(tǒng)的電子式防爆溫控系統(tǒng)主要采用隔爆型防爆技術(shù)，技術(shù)的核心在于使用一個(gè)特別設(shè)計(jì)的金屬隔爆外殼來封閉所有可能點(diǎn)燃爆炸性氣體混合物的部件。該技術(shù)的關(guān)鍵是強(qiáng)化外殼設(shè)計(jì)，優(yōu)化隔爆間隙的大小和形狀，需要確保外殼能夠承受內(nèi)部爆炸的壓力，并且其結(jié)構(gòu)間隙能冷卻火焰、降低火焰?zhèn)鞑ニ俣然蚪K止加速鏈，以防止火焰或危險(xiǎn)物質(zhì)穿越隔爆間隙，引燃外部環(huán)境。因此，采用隔爆型防爆技術(shù)的產(chǎn)品，通常體積大、質(zhì)量大、成本高、安裝和打開方式復(fù)雜[1]。

為了克服隔爆型產(chǎn)品的缺點(diǎn)，新型防爆智能溫控器綜合采用了本安型防爆技術(shù)、澆封型防爆技術(shù)和增安型防爆技術(shù)。本安型防爆技術(shù)的核心在于將設(shè)備內(nèi)部和連接導(dǎo)線可能產(chǎn)生的電火花或熱效應(yīng)能量限制在一個(gè)無法引起爆炸的水平。澆封型防爆技術(shù)是通過用特殊樹脂材料將電氣設(shè)備內(nèi)部可能產(chǎn)生火花或高溫的部分進(jìn)行澆封，從而阻止這些部分與外部的爆炸性混合物接觸，避免引發(fā)點(diǎn)火爆炸。增安型防爆技術(shù)旨在通過一系列附加措施，提升電氣設(shè)備在正常操作下的安全水平。附加措施包括加大電氣間隙和爬電距離、采用優(yōu)質(zhì)絕緣材料、提高外殼防護(hù)等級(jí)等。通過綜合應(yīng)用這些防爆技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了電子式溫控器防爆功能的小型化和低成本化[2-3]。

具體而言，本款防爆智能溫控器的信號(hào)采集及處理電路、控制電路及其他小功耗電路采用本安型防爆技術(shù)。功耗較大的電路采用澆封型防爆技術(shù)。由于在評(píng)定溫度等級(jí)時(shí)僅需考慮膠封劑自由表面的溫度，允許膠封劑內(nèi)部的電氣元件具有更高的表面溫度，以驅(qū)動(dòng)更大的負(fù)載，滿足溫控器大電流、高負(fù)載的應(yīng)用需求。外殼、接線端子和電纜引入裝置采用增安型防爆技術(shù)，在保證安全性的同時(shí)，兼顧成本、體積、質(zhì)量和安裝維護(hù)方面的要求。

2.2 電路設(shè)計(jì)

基于上述設(shè)計(jì)思路，在電路方面采用能量網(wǎng)格化的設(shè)計(jì)方法，即充分利用國標(biāo)中規(guī)定的可靠間距、可靠電阻、可靠隔離元件，將各功能電路進(jìn)行能量分區(qū)，形成各自獨(dú)立的能量孤島，實(shí)現(xiàn)本安電路與非本安電路的隔離。各個(gè)模塊采用單獨(dú)的本安電源供電，各功能模塊內(nèi)的儲(chǔ)能元件進(jìn)行本安評(píng)定時(shí)單獨(dú)考核，避免為保證本安性能而降低產(chǎn)品穩(wěn)定性的情況。同時(shí)，采用低功耗設(shè)計(jì)思路，主電路采用3.3 V 供電，主控芯片采用低功耗微控制器，顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)，溫度檢測(cè)采用PT100 傳感器，電流和漏電流檢測(cè)電路采用微型互感器等。根據(jù)設(shè)計(jì)，本安限能的電路總耗電不超過110 mA。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面采用增安型防爆技術(shù)和澆封型防爆技術(shù)。圖1 為防爆智能溫控器，主體結(jié)構(gòu)采用模壓成型的增安型殼體，壁厚6 mm，外形尺寸為160 mm×160 mm×90 mm。主要電路板集成為機(jī)芯，并使用膠封劑將其澆封在增安型殼體內(nèi)。澆封后，除顯示電路、按鍵電路等本安電路和本安接線端子裸露在膠封劑外，其他硬件電路全部被密封在膠封劑中。增安型殼蓋上開設(shè)視窗孔并安裝操作按鍵，可以觀察溫度值并設(shè)置各種參數(shù)和報(bào)警信號(hào)。采用硅發(fā)泡密封條，合理設(shè)計(jì)殼體與殼蓋之間的密封結(jié)構(gòu)，使得溫控器可以通過IP66 防護(hù)等級(jí)測(cè)試。電源、負(fù)載、PT100 傳感器電纜通過增安型格蘭從增安型殼體引出，使得智能溫控器具備體積小、質(zhì)量小、抗腐蝕的特點(diǎn)。

圖1 防爆智能溫控器

3 防爆現(xiàn)場(chǎng)智能溫控器的制造

防爆智能溫控器綜合應(yīng)用了本安型防爆技術(shù)、增安型防爆技術(shù)和澆封型防爆技術(shù)。前兩種防爆技術(shù)主要通過電路設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，澆封型防爆技術(shù)主要依靠制造工藝實(shí)現(xiàn)。澆封屬于特殊過程，是制造本產(chǎn)品的關(guān)鍵工序。特殊過程是指加工質(zhì)量不易或不能通過后續(xù)檢驗(yàn)或試驗(yàn)得到充分驗(yàn)證的過程，或發(fā)現(xiàn)問題時(shí)已經(jīng)造成較大損失的過程。下面將重點(diǎn)論述如何控制和管理這一特殊過程，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的防爆功能。

澆封型防爆技術(shù)的實(shí)施主要依賴如下關(guān)鍵措施。一是選擇合適的膠封劑（通常為樹脂）來封裝電氣元件，確保其具有良好的阻燃和隔熱性能。二是確保膠封劑的自由表面與被澆封元件或?qū)w件的澆封厚度不小于3 mm，以有效防止火花或熱量穿透封裝層。三是整個(gè)澆封過程要保證電氣元件被完全封閉，沒有任何縫隙和氣孔，以避免爆炸性氣體滲入造成防爆功能失效。

首先，根據(jù)《爆炸性環(huán)境 第9 部分：由澆封型“m”保護(hù)的設(shè)備》（GB/T 3836.9—2021）中膠封劑復(fù)合物的要求，對(duì)國內(nèi)外多種膠封劑進(jìn)行試驗(yàn)，最終選定一款進(jìn)口的聚氨酯樹脂。選定的膠封劑的主要成分為雙酚A-環(huán)氧氯丙烷環(huán)氧樹脂。經(jīng)過綜合考量和試驗(yàn)驗(yàn)證，該進(jìn)口樹脂的吸水性、絕緣介電強(qiáng)度、膨脹系數(shù)、使用溫度、黏度、固化時(shí)間等參數(shù)明顯優(yōu)于其他膠封劑，而且阻燃和隔熱性能完全滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求[4]。

其次，對(duì)澆封設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)選型并優(yōu)化工藝參數(shù)。由于澆封過程存在膠封劑和固化劑的發(fā)熱反應(yīng)，固化過程存在收縮硬化等物理變化，會(huì)對(duì)機(jī)芯的電路板和電子元器件產(chǎn)生不良影響，繼而影響智能溫控器的功能實(shí)現(xiàn)。此外，每個(gè)產(chǎn)品的注膠量約為1 kg，膠封劑流經(jīng)的澆封空間較大，且澆封內(nèi)部元件眾多、形狀不規(guī)則，因此膠封劑必須分布均勻，避免出現(xiàn)縫隙和氣孔，從而確保澆封的整體密封性?；诖耍瑵卜庠O(shè)備選用一款雙嘴三軸自動(dòng)灌膠機(jī)，通過步進(jìn)電機(jī)壓動(dòng)活塞將膠封劑和固化劑壓出。注膠比例是唯一確定的參數(shù)且不可改變，注膠量非常精準(zhǔn)，從而保證封裝厚度能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)點(diǎn)位的往復(fù)連續(xù)注膠。采用多批次、小批量、分段式注膠方式，確定最佳注膠點(diǎn)位、注膠次數(shù)、注膠間隔時(shí)間等參數(shù)?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒rogrammable Logic Controller，PLC）控制系統(tǒng)自動(dòng)記錄和保存注膠的膠量、速度、軌跡等參數(shù)。

最后，在澆封前和澆封后分別對(duì)機(jī)芯進(jìn)行全面的功能檢測(cè)，以檢驗(yàn)澆封對(duì)產(chǎn)品功能的影響。設(shè)計(jì)一款可編程測(cè)試臺(tái)，如圖2 所示。每個(gè)測(cè)試臺(tái)可同時(shí)檢測(cè)30臺(tái)機(jī)芯。每臺(tái)機(jī)芯配備一個(gè)PT100傳感器，同時(shí)上電，依次檢測(cè)。通過觸摸屏人機(jī)界面與每臺(tái)機(jī)芯進(jìn)行通信，讀取實(shí)測(cè)溫度并顯示參數(shù)，同時(shí)對(duì)溫度設(shè)定值、回差設(shè)定值、溫度上下限報(bào)警值、故障狀態(tài)等進(jìn)行設(shè)置或修改。需要注意，更改通信地址可以快速切換為下一臺(tái)機(jī)芯的檢測(cè)。

圖2 防爆智能溫控器可編程測(cè)試臺(tái)

4 防爆智能溫控器的應(yīng)用

本產(chǎn)品取得了IECEx 防爆認(rèn)證、ATEX 防爆認(rèn)證、NEPSI 防爆認(rèn)證，可用于危險(xiǎn)區(qū)域1 區(qū)或2 區(qū)（氣體場(chǎng)所）、21 區(qū)或22 區(qū)（粉塵場(chǎng)所）以及非危險(xiǎn)區(qū)域。產(chǎn)品總質(zhì)量?jī)H2 kg 左右，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)電子式防爆溫控系統(tǒng)。功能上結(jié)合了集中控制與本地控制的優(yōu)勢(shì)，填補(bǔ)了國內(nèi)電伴熱現(xiàn)場(chǎng)回路智能控制產(chǎn)品的空白。本產(chǎn)品獲得了市場(chǎng)和客戶的青睞，在國外曾應(yīng)用于哈薩克斯坦三期FCC 項(xiàng)目，一次性使用3 000 臺(tái)以上[5]；在國內(nèi)曾應(yīng)用于中石化西部管道項(xiàng)目、新疆大全多晶硅項(xiàng)目、大連恒力石化電伴熱項(xiàng)目等大、中型項(xiàng)目，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)效益。

5 結(jié)語

防爆智能溫控器利用本安型、增安型、澆封型3 種防爆技術(shù)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，在滿足防爆要求的同時(shí)最大限度地滿足了功能需求。該產(chǎn)品符合防爆標(biāo)準(zhǔn)，滿足市場(chǎng)需求，且高質(zhì)量、低成本，已在實(shí)際項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，取得了良好效果。