光輻射本安設計在光纖傳感器中的應用

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、適應性強、小巧和智能化的方向發展。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良特性，能夠在危險有害的區域(其中包括有爆炸性氣體的危險區域)中接收各種外界物理信息。光纖傳感器必須通過防爆認證才能安裝在爆炸性危險區域。本文從解讀IEC 60079-28-2006標準入手，對光纖傳感器的防爆設計準則進行探討。

1 光纖傳感器的發展與現狀

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量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質。

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，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，再通過對調制信號進行解調，得出被測信號。它具有多項優點[1]：①靈敏度較高;②幾何形狀具有多方面的適應性，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、腐蝕或其他惡劣環境。

1.2 光纖傳感器防爆設計的必要性

通過近年的研究，光輻射有以下四種可能的點燃機制[2]。

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

②輻射光的波長與氣體吸收的波段相匹配，使氣體溫度升高，并產生爆炸。

③紫外線輻射分解氧分子產生光化學反應，爆炸性氣體被點燃。

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

綜合上述點燃機制可知，光輻射的點燃機制不同于常規的電氣火花[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，爆炸環境由爆炸物質和助燃劑組成，吸收體為固體表面或粉塵顆粒，由吸收光束產生局部熱點而點燃爆炸性混合物。

光纖傳感器設備在煤礦[6]、石油化工[7]、油氣輸送、冶金、電力、交通等行業里被大量應用，而此類設備經常安裝在易燃易爆環境中。如果光纖被損壞開放，光纖中的光會穿過周邊氣體而點燃易爆氣體產生爆炸。因此，對此類光纖傳感器設備需要通過防爆認證，國內現在參考國際上普遍采用的IEC 60079-28-2006標準對其進行考核。

2 IEC 60079-28標準的設計準則

IEC 60079-28-2006是國際電工委員會發布的光輻射防爆安全設計國際標準，旨在使設計者了解易燃易爆環境存在光輻射時潛在的著火危險以及IEC 60079-28中定義的光學系統在危險場所使用和保護的方法。

2.1 適用范圍

IEC 60079-28所包含的波長范圍對光輻射的要求是從380 nm到10 μm。適用的點燃機制為四種點燃機制的①和④兩項，不包括由紫外線輻射和易燃混合氣體對輻射吸收而發生的點燃。爆炸的吸收物、吸收物氧化劑以及催化吸收物也在本標準范圍之外。

2.2 設備要求

所有電氣部件和光學設備內外的電路應符合電氣設備的適當的標準。標準定義了三種不同的設備保護等級(equipment protection level，EPL)Ga、Gb、Gc。其等級劃分的標準如表1所示。

表1 設備保護等級和火源點燃概率的關系Tab.1 Relationship between EPL and the probability of the source of fire ignition

2.3 保護類型

共有三種類型的保護方法可應用于光輻射設備：“op is”本安型光輻射、“op pr”保護型光輻射、“op sh”連鎖保護裝置型光學系統。這些類型的保護涵蓋整個光學系統，可防止潛在點火爆炸性環境。

本安型光輻射是指在正常或規定的故障條件下，沒有能力在正常或指定故障條件下提供足夠的能量，從而點燃一個特定的爆炸性氣體環境。這個概念是對光束強度進行限制達到防爆安全。具體方法是將輻射按照持續時間和頻率分成連續型光輻射和脈沖光輻射兩類，并分別對其能量做出限制。

保護型光輻射要求輻射限定在光纖或其他傳輸介質內，前提是假定輻射沒有從限制范圍內溢出，即光輻射并非人為設置的敞開光束，也非由于光纖破損導致的光輻射溢出。具體保護光纖不破損的方法是使用加強型電纜、導管或電纜管道;將有溢出可能的光纖部分通過GB 3836系列標準中規定的其他防爆型式進行保護。這一點與復合型防爆方法很類似，其所能達到的安全級別也較高。

連鎖保護裝置型光學系統采用特定的功能性設置，使光能的切斷時間小于爆炸延遲，即在爆炸之前就將光能切斷。

在這三種保護方式中，本安型光輻射具有體積小、成本低、反應快、安全等級高、適用面廣、適用于0區危險場所等優勢。

2.4 本安型“op is”設計準則

2.4.1 連續波輻射

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，需要對溫度進行限制。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燃功率曲線及安全輻射功率曲線如圖2所示(詳細信息可參考IEC 60079-28-2006標準)[2]。安全輻射功率曲線以下為安全區，當光輻射功率≤35 mW時，完全滿足本安要求[9];當輻照面積大于30 mm2時，輻照度必須小于5 mW/mm2，才能滿足本安要求。

圖2 連續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

對于脈沖光輻射，IEC 60079-28-2006針對不同的脈沖時間和頻率給定了不同的設計準則：當脈沖時間小于1 ms時，光脈沖能量不能超過各氣體的最小點燃能量(MIE);而當脈沖時間在1 ms和1 s之間時，光脈沖輸出的能量要小于爆炸性氣體環境MIE的10倍;當脈沖時間大于1 s時，峰值功率不能超過連續波的安全等級，這樣的波形可以考慮作為連續波，采用連續波的設計準則即輻射功率≤35 mW。

對于脈沖序列，每個子脈沖可以看作單個脈沖來處理。重復頻率高于100 Hz時，平均功率不能超過連續波的安全等級;重復頻率低于100 Hz時，最高的平均功率需通過試驗驗證。

3 設計方法

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光和持續時間大于1 s的脈沖光。當出纖處的光輻射功率≤35 mW時，即滿足本安設計要求。限制輻射功率示意圖如圖3所示。

系統采用限流限壓單元實現對光源輸出功率的限制，保證系統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動，脈沖寬度最高會達到納秒級，對驅動電路的帶寬有較高的要求。針對這些特點，采用常規的限流限壓方法是不適用的。

針對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現本安設計。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

此方案需要同時滿足以下三個條件。

①出纖處的平均輻射功率≤35 mW，由圖4中限壓限流單元實現。

②輸出的單個脈沖光波能量不會點燃易燃易爆氣體。不同氣體的最小點燃光脈沖能量與 其 他相關參數關系如表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得的數據。

表3 與相關參數對照表Tab.3 Cross reference ofvs.relative parameters

表3 與相關參數對照表Tab.3 Cross reference ofvs.relative parameters

波形 易燃易爆氣體 最小點燃光脈沖能量 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，最小點燃能量(MIE)遠小于最小點燃光脈沖能量，相同氣體不同的光脈沖的最小點燃光脈沖能量也不相同。因此，選擇合適的脈沖波形進行能量估算相當重要。

4 結束語

近年來，隨著社會對生產生活安全越來越高的要求，對光輻射的防爆設計及認證越來越受到重視。國內已開始制定類似IEC 60079-28-2006的相關標準并將很快發布。通過解讀IEC 60079-28-2006標準，對光輻射防爆的理論及設計準則進行解析，并針對連續光輻射和脈沖光輻射，各給出了一種本安防爆設計思路。希望通過本文能夠幫助防爆設計工程師盡快掌握光輻射防爆設計方法，早日推出相關產品，取得更大的社會效益和經濟效益。

[1]丁小平，王薇，付連春.光纖傳感器的分類及其應用原理[J].光譜學與光譜分析，2006，26(6)：1176 －1178.

[2]IEC.IEC 60079-28 2006 Explosive atmosphere—part-28：protection of equipment and transmission systems using optical radiation[S].2006.

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 3836.1-2000爆炸性氣體環境用電氣設備第1部分：通用要求(eqv IEC 60079-0：1998)[S].北京：中國標準出版社，2000.

[4]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB 3836.4-2000爆炸性氣體環境用電氣設備第4部分：本質安全型“i”(eqv IEC 60079-11：1999)[S].北京：中國標準出版社，2000.

[5]辛磊夫.光纖傳感器在爆炸性危險場所的應用[J].自動化儀表，2011，32(4)：83 －86.

[6]趙燕杰，王昌，劉統玉，等.基于光譜吸收的光纖甲烷監測系統在瓦斯抽采中的應用[J].光譜學與光譜分析，2010，30(10)：2857－2860.

[7]趙愚，呂碧超，邱強.一種新型光纖光柵感溫火災探測系統的研制及應用[J].石油化工自動化，2004(2).

[8]徐建平，都明生，黃詠委.儀表本安防爆技術[M].上海：機械工業出版社，2001.

[9]Bothe H，Schenk S，Hawksworth S，et al.The safe use of optics in potentially explosive atmospheres[C]∥International Conference on Explosion Safety in Hazardous Areas，1999：44－49.