一種防爆現場智能溫度控制器的設計及制造

包立剛

（博太科防爆設備（上海）有限公司，上海 201114）

工業管道中的溫度變化會對生產過程產生重大影響。過高或過低的溫度都可能導致管道變形、破裂或腐蝕，從而影響管道的正常運行和安全性。此外，溫度變化可能導致介質相變，進而影響工藝參數的穩定性。因此，對工業管道溫度進行測量和控制可以確保生產過程的穩定性和安全性。

處于爆炸危險區的工業管道的溫度測量和控制系統必須滿足防爆要求。防爆類規范對電氣設備的設計和制造提出了強制性的條件和要求，不同的防爆技術對電氣設備的功能實現、維護使用和制造成本會產生極大的影響。如何綜合應用這些防爆技術，設計、制造一款適用于防爆現場、安裝維修方便且低成本的智能溫度控制器是論述的重點。

1 爆炸危險區域溫度控制系統的應用現狀

傳統的溫度測量和控制方法主要依賴人工操作，通過手動調節閥門或加熱器來控制管道溫度，存在響應速度慢、精度不高等問題。當前，溫度測量和控制的主流方法是采用溫控系統并配合電伴熱系統，實現管道溫度的自動測量和控制。對于處在爆炸危險區的工業管道，要想實現管道溫度的就地顯示和自動控制，必須要優先保證溫控系統的防爆性能和安全性。目前，應用于防爆區域的溫控系統主要分為機械式防爆溫控系統和電子式防爆溫控系統兩類。

機械式防爆溫控系統包括感溫探頭、溫控機芯和增安型防護外殼。感溫探頭包含一個充滿液體的感溫包，通過一根毛細管與溫控機芯連接。安裝時感溫包緊貼被測管道表面，與被測管道溫度保持一致。感溫包上的溫度升高或降低，都會引起感溫包內的液體在毛細管中膨脹或收縮，同時毛細管中的一個特制隔板會隨之產生機械游動。隔板的游動又會帶動溫控機芯中的控制開關斷開或閉合。溫控機芯和連接端子全部安裝在增安型的防爆接線盒內，以便與供電系統和電伴熱系統安全連接，從而提高溫控系統的整體防爆性能。機械式防爆溫控系統的主要優點是結構簡單、質量輕、安裝方便、成本較低，主要缺點是無法就地顯示溫度，無法實時設置或修改參數，溫度控制精度差，無法實現遠程監控等。

電子式防爆溫控系統通常包含感溫頭、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，將熱學信號轉化成電學信號，經過中央處理器（Central Processing Unit，CPU）處理后產生控制信號。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，采用隔爆型防爆技術，實現溫控系統的整體防爆功能。電子式防爆溫控系統的主要優點是可以就地顯示溫度、實時設置和修改參數、遠程監控，溫度控制精度高，但其缺點也很明顯，如成本高、體積大、質量大、安裝維修復雜等。

2 防爆現場智能溫控器設計

2.1 總體設計

要想實現溫度就地顯示、參數實時設置和修改、高精度控制和遠程監控功能，使用電子式溫控器是比較好的選擇，但其難以實現防爆功能。傳統的電子式防爆溫控系統主要采用隔爆型防爆技術，技術的核心在于使用一個特別設計的金屬隔爆外殼來封閉所有可能點燃爆炸性氣體混合物的部件。該技術的關鍵是強化外殼設計，優化隔爆間隙的大小和形狀，需要確保外殼能夠承受內部爆炸的壓力，并且其結構間隙能冷卻火焰、降低火焰傳播速度或終止加速鏈，以防止火焰或危險物質穿越隔爆間隙，引燃外部環境。因此，采用隔爆型防爆技術的產品，通常體積大、質量大、成本高、安裝和打開方式復雜[1]。

為了克服隔爆型產品的缺點，新型防爆智能溫控器綜合采用了本安型防爆技術、澆封型防爆技術和增安型防爆技術。本安型防爆技術的核心在于將設備內部和連接導線可能產生的電火花或熱效應能量限制在一個無法引起爆炸的水平。澆封型防爆技術是通過用特殊樹脂材料將電氣設備內部可能產生火花或高溫的部分進行澆封，從而阻止這些部分與外部的爆炸性混合物接觸，避免引發點火爆炸。增安型防爆技術旨在通過一系列附加措施，提升電氣設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、采用優質絕緣材料、提高外殼防護等級等。通過綜合應用這些防爆技術，實現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。功耗較大的電路采用澆封型防爆技術。由于在評定溫度等級時僅需考慮膠封劑自由表面的溫度，允許膠封劑內部的電氣元件具有更高的表面溫度，以驅動更大的負載，滿足溫控器大電流、高負載的應用需求。外殼、接線端子和電纜引入裝置采用增安型防爆技術，在保證安全性的同時，兼顧成本、體積、質量和安裝維護方面的要求。

2.2 電路設計

基于上述設計思路，在電路方面采用能量網格化的設計方法，即充分利用國標中規定的可靠間距、可靠電阻、可靠隔離元件，將各功能電路進行能量分區，形成各自獨立的能量孤島，實現本安電路與非本安電路的隔離。各個模塊采用單獨的本安電源供電，各功能模塊內的儲能元件進行本安評定時單獨考核，避免為保證本安性能而降低產品穩定性的情況。同時，采用低功耗設計思路，主電路采用3.3 V 供電，主控芯片采用低功耗微控制器，顯示電路采用動態掃描驅動，溫度檢測采用PT100 傳感器，電流和漏電流檢測電路采用微型互感器等。根據設計，本安限能的電路總耗電不超過110 mA。

2.3 結構設計

在結構設計方面采用增安型防爆技術和澆封型防爆技術。圖1 為防爆智能溫控器，主體結構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芯，并使用膠封劑將其澆封在增安型殼體內。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。增安型殼蓋上開設視窗孔并安裝操作按鍵，可以觀察溫度值并設置各種參數和報警信號。采用硅發泡密封條，合理設計殼體與殼蓋之間的密封結構，使得溫控器可以通過IP66 防護等級測試。電源、負載、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、質量小、抗腐蝕的特點。

圖1 防爆智能溫控器

3 防爆現場智能溫控器的制造

防爆智能溫控器綜合應用了本安型防爆技術、增安型防爆技術和澆封型防爆技術。前兩種防爆技術主要通過電路設計和結構設計實現，澆封型防爆技術主要依靠制造工藝實現。澆封屬于特殊過程，是制造本產品的關鍵工序。特殊過程是指加工質量不易或不能通過后續檢驗或試驗得到充分驗證的過程，或發現問題時已經造成較大損失的過程。下面將重點論述如何控制和管理這一特殊過程，從而實現產品設計的防爆功能。

澆封型防爆技術的實施主要依賴如下關鍵措施。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導體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《爆炸性環境 第9 部分：由澆封型“m”保護的設備》（GB/T 3836.9—2021）中膠封劑復合物的要求，對國內外多種膠封劑進行試驗，最終選定一款進口的聚氨酯樹脂。選定的膠封劑的主要成分為雙酚A-環氧氯丙烷環氧樹脂。經過綜合考量和試驗驗證，該進口樹脂的吸水性、絕緣介電強度、膨脹系數、使用溫度、黏度、固化時間等參數明顯優于其他膠封劑，而且阻燃和隔熱性能完全滿足規范標準要求[4]。

其次，對澆封設備進行設計選型并優化工藝參數。由于澆封過程存在膠封劑和固化劑的發熱反應，固化過程存在收縮硬化等物理變化，會對機芯的電路板和電子元器件產生不良影響，繼而影響智能溫控器的功能實現。此外，每個產品的注膠量約為1 kg，膠封劑流經的澆封空間較大，且澆封內部元件眾多、形狀不規則，因此膠封劑必須分布均勻，避免出現縫隙和氣孔，從而確保澆封的整體密封性?；诖?，澆封設備選用一款雙嘴三軸自動灌膠機，通過步進電機壓動活塞將膠封劑和固化劑壓出。注膠比例是唯一確定的參數且不可改變，注膠量非常精準，從而保證封裝厚度能滿足產品設計要求。優化工藝參數，實現多個點位的往復連續注膠。采用多批次、小批量、分段式注膠方式，確定最佳注膠點位、注膠次數、注膠間隔時間等參數。可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系統自動記錄和保存注膠的膠量、速度、軌跡等參數。

最后，在澆封前和澆封后分別對機芯進行全面的功能檢測，以檢驗澆封對產品功能的影響。設計一款可編程測試臺，如圖2 所示。每個測試臺可同時檢測30臺機芯。每臺機芯配備一個PT100傳感器，同時上電，依次檢測。通過觸摸屏人機界面與每臺機芯進行通信，讀取實測溫度并顯示參數，同時對溫度設定值、回差設定值、溫度上下限報警值、故障狀態等進行設置或修改。需要注意，更改通信地址可以快速切換為下一臺機芯的檢測。

圖2 防爆智能溫控器可編程測試臺

4 防爆智能溫控器的應用

本產品取得了IECEx 防爆認證、ATEX 防爆認證、NEPSI 防爆認證，可用于危險區域1 區或2 區（氣體場所）、21 區或22 區（粉塵場所）以及非危險區域。產品總質量僅2 kg 左右，遠低于傳統電子式防爆溫控系統。功能上結合了集中控制與本地控制的優勢，填補了國內電伴熱現場回路智能控制產品的空白。本產品獲得了市場和客戶的青睞，在國外曾應用于哈薩克斯坦三期FCC 項目，一次性使用3 000 臺以上[5]；在國內曾應用于中石化西部管道項目、新疆大全多晶硅項目、大連恒力石化電伴熱項目等大、中型項目，獲得了良好的經濟效益和市場效益。

5 結語

防爆智能溫控器利用本安型、增安型、澆封型3 種防爆技術進行一體化設計，在滿足防爆要求的同時最大限度地滿足了功能需求。該產品符合防爆標準，滿足市場需求，且高質量、低成本，已在實際項目中得到廣泛應用，取得了良好效果。