光辐射本安设计在光纤传感器中的应用

曾宏晔 张 涛

(聚光科技(杭州)股份有限公司，浙江 杭州 310052)

0 引言

近年来，传感器正朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中，光纤传感器这一传感器家族的新成员倍受青睐。光纤传感器具有多种优良特性，能够在危险有害的区域(其中包括有爆炸性气体的危险区域)中接收各种外界物理信息。光纤传感器必须通过防爆认证才能安装在爆炸性危险区域。本文从解读IEC 60079-28-2006标准入手，对光纤传感器的防爆设计准则进行探讨。

1 光纤传感器的发展与现状

1.1 光纤传感器的原理及分类

光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型(传感型)传感器;另一类是非功能型(传光型)传感器[1]。

非功能型传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。

功能型传感器是利用光纤本身的特性，把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对调制信号进行解调，得出被测信号。它具有多项优点[1]：①灵敏度较高;②几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器;③可以制造传感各种不同物理信息(声、磁、温度、旋转等)的器件;④可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀或其他恶劣环境。

1.2 光纤传感器防爆设计的必要性

通过近年的研究，光辐射有以下四种可能的点燃机制[2]。

①光辐射被目标表面或颗粒吸收，使它们温度升高，并在某些情况下达到点燃周围爆炸性气体的温度。

②辐射光的波长与气体吸收的波段相匹配，使气体温度升高，并产生爆炸。

③紫外线辐射分解氧分子产生光化学反应，爆炸性气体被点燃。

④高能激光光束直接击穿气体使气体分裂，产生等离子体和冲击波成为点火源。靠近分裂点的固体物质也起到部分支撑作用。

综合上述点燃机制可知，光辐射的点燃机制不同于常规的电气火花[3－4，8]，其具有新的爆炸三角形[5]，如图1所示。

图1 新爆炸三角形Fig.1 New explosion triangle

图1中的辐射源为开放的光束，爆炸环境由爆炸物质和助燃剂组成，吸收体为固体表面或粉尘颗粒，由吸收光束产生局部热点而点燃爆炸性混合物。

光纤传感器设备在煤矿[6]、石油化工[7]、油气输送、冶金、电力、交通等行业里被大量应用，而此类设备经常安装在易燃易爆环境中。如果光纤被损坏开放，光纤中的光会穿过周边气体而点燃易爆气体产生爆炸。因此，对此类光纤传感器设备需要通过防爆认证，国内现在参考国际上普遍采用的IEC 60079-28-2006标准对其进行考核。

2 IEC 60079-28标准的设计准则

IEC 60079-28-2006是国际电工委员会发布的光辐射防爆安全设计国际标准，旨在使设计者了解易燃易爆环境存在光辐射时潜在的着火危险以及IEC 60079-28中定义的光学系统在危险场所使用和保护的方法。

2.1 适用范围

IEC 60079-28所包含的波长范围对光辐射的要求是从380 nm到10 μm。适用的点燃机制为四种点燃机制的①和④两项，不包括由紫外线辐射和易燃混合气体对辐射吸收而发生的点燃。爆炸的吸收物、吸收物氧化剂以及催化吸收物也在本标准范围之外。

2.2 设备要求

所有电气部件和光学设备内外的电路应符合电气设备的适当的标准。标准定义了三种不同的设备保护等级(equipment protection level，EPL)Ga、Gb、Gc。其等级划分的标准如表1所示。

表1 设备保护等级和火源点燃概率的关系Tab.1 Relationship between EPL and the probability of the source of fire ignition

2.3 保护类型

共有三种类型的保护方法可应用于光辐射设备：“op is”本安型光辐射、“op pr”保护型光辐射、“op sh”连锁保护装置型光学系统。这些类型的保护涵盖整个光学系统，可防止潜在点火爆炸性环境。

本安型光辐射是指在正常或规定的故障条件下，没有能力在正常或指定故障条件下提供足够的能量，从而点燃一个特定的爆炸性气体环境。这个概念是对光束强度进行限制达到防爆安全。具体方法是将辐射按照持续时间和频率分成连续型光辐射和脉冲光辐射两类，并分别对其能量做出限制。

保护型光辐射要求辐射限定在光纤或其他传输介质内，前提是假定辐射没有从限制范围内溢出，即光辐射并非人为设置的敞开光束，也非由于光纤破损导致的光辐射溢出。具体保护光纤不破损的方法是使用加强型电缆、导管或电缆管道;将有溢出可能的光纤部分通过GB 3836系列标准中规定的其他防爆型式进行保护。这一点与复合型防爆方法很类似，其所能达到的安全级别也较高。

连锁保护装置型光学系统采用特定的功能性设置，使光能的切断时间小于爆炸延迟，即在爆炸之前就将光能切断。

在这三种保护方式中，本安型光辐射具有体积小、成本低、反应快、安全等级高、适用面广、适用于0区危险场所等优势。

2.4 本安型“op is”设计准则

2.4.1 连续波辐射

安全的光辐射功率和光辐照度如表2所示，其中安全的照射表面面积最大为400 mm2。光功率或光辐照度不得超过表2中所列值。如果照射表面面积超过400 mm2，需要对温度进行限制。安全光辐射功率曲线如图2所示。

表2 安全的光辐射功率和光辐照度Tab.2 Safety optical radiation power and irradiance

几种典型易燃易爆气体在不同的辐照面积下的最小点燃功率曲线及安全辐射功率曲线如图2所示(详细信息可参考IEC 60079-28-2006标准)[2]。安全辐射功率曲线以下为安全区，当光辐射功率≤35 mW时，完全满足本安要求[9];当辐照面积大于30 mm2时，辐照度必须小于5 mW/mm2，才能满足本安要求。

图2 连续波光辐射安全功率曲线Fig.2 Safety power curve of continuous wave-radiation

2.4.2 脉冲光辐射

对于脉冲光辐射，IEC 60079-28-2006针对不同的脉冲时间和频率给定了不同的设计准则：当脉冲时间小于1 ms时，光脉冲能量不能超过各气体的最小点燃能量(MIE);而当脉冲时间在1 ms和1 s之间时，光脉冲输出的能量要小于爆炸性气体环境MIE的10倍;当脉冲时间大于1 s时，峰值功率不能超过连续波的安全等级，这样的波形可以考虑作为连续波，采用连续波的设计准则即辐射功率≤35 mW。

对于脉冲序列，每个子脉冲可以看作单个脉冲来处理。重复频率高于100 Hz时，平均功率不能超过连续波的安全等级;重复频率低于100 Hz时，最高的平均功率需通过试验验证。

3 设计方法

3.1 限制光辐射功率或光辐照度

限制光辐射功率或光辐照度的方法适用于连续光和持续时间大于1 s的脉冲光。当出纤处的光辐射功率≤35 mW时，即满足本安设计要求。限制辐射功率示意图如图3所示。

系统采用限流限压单元实现对光源输出功率的限制，保证系统出纤处的输出光功率≤35 mW。

图3 限制辐射功率示意图Fig.3 Schematic of limited radiation power

3.2 限制光能量输出

在光纤传感器中，不仅有连续辐射光，还有窄脉冲高能量的脉冲光。此类光源需要窄脉冲高电压或大电流驱动，脉冲宽度最高会达到纳秒级，对驱动电路的带宽有较高的要求。针对这些特点，采用常规的限流限压方法是不适用的。

针对窄脉冲高能量的脉冲光，可以采用限制光能量输出的方法实现本安设计。限制光能量示意图如图4所示。

图4 限制光能量示意图Fig.4 Schematic of limited light energy

此方案需要同时满足以下三个条件。

①出纤处的平均辐射功率≤35 mW，由图4中限压限流单元实现。

②输出的单个脉冲光波能量不会点燃易燃易爆气体。不同气体的最小点燃光脉冲能量与 其 他相关参数关系如表3所示，也可通过IEC 60079-28附录B的TABLE B.2查阅。

表3为在直径为90 μm的光辐射的条件下测得的数据。

表3 与相关参数对照表Tab.3 Cross reference ofvs.relative parameters

表3 与相关参数对照表Tab.3 Cross reference ofvs.relative parameters

波形 易燃易爆气体 最小点燃光脉冲能量 Qi，min e，p /μJ气体百分比浓度φ/%气体自燃温度AIT/℃最小点燃能量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氢气 88 21.0 560 17二硫化碳 79 6.5 95 9 20～200 ns脉冲波 丙烷 499 4.0 470 240乙烯 179 5.5 425 82氢气 44 12.0 560 17氢气46 21.0 560 17

从表3可以看出，最小点燃能量(MIE)远小于最小点燃光脉冲能量，相同气体不同的光脉冲的最小点燃光脉冲能量也不相同。因此，选择合适的脉冲波形进行能量估算相当重要。

4 结束语

近年来，随着社会对生产生活安全越来越高的要求，对光辐射的防爆设计及认证越来越受到重视。国内已开始制定类似IEC 60079-28-2006的相关标准并将很快发布。通过解读IEC 60079-28-2006标准，对光辐射防爆的理论及设计准则进行解析，并针对连续光辐射和脉冲光辐射，各给出了一种本安防爆设计思路。希望通过本文能够帮助防爆设计工程师尽快掌握光辐射防爆设计方法，早日推出相关产品，取得更大的社会效益和经济效益。

[1]丁小平，王薇，付连春.光纤传感器的分类及其应用原理[J].光谱学与光谱分析，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]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 3836.1-2000爆炸性气体环境用电气设备第1部分：通用要求(eqv IEC 60079-0：1998)[S].北京：中国标准出版社，2000.

[4]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 3836.4-2000爆炸性气体环境用电气设备第4部分：本质安全型“i”(eqv IEC 60079-11：1999)[S].北京：中国标准出版社，2000.

[5]辛磊夫.光纤传感器在爆炸性危险场所的应用[J].自动化仪表，2011，32(4)：83 －86.

[6]赵燕杰，王昌，刘统玉，等.基于光谱吸收的光纤甲烷监测系统在瓦斯抽采中的应用[J].光谱学与光谱分析，2010，30(10)：2857－2860.

[7]赵愚，吕碧超，邱强.一种新型光纤光栅感温火灾探测系统的研制及应用[J].石油化工自动化，2004(2).

[8]徐建平，都明生，黄咏委.仪表本安防爆技术[M].上海：机械工业出版社，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.