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IWILDT智能防爆機器人用無線通訊裝置防爆安全檢測

2020-06-04 14:40:06

  隨著無線網絡技術和電子技術的發展,無線設備已大量運用于石油、煤炭、化工等存在易燃易爆物質的工業生產場所,無線通訊裝置等含射頻源設備是智能搬運機器人最基本的功能之一,而智能搬運機器人的大量使用無疑使之成為重要的潛在危險點燃源之一。爆炸環境用無線通訊裝置產品種類繁多,為滿足不同的要求,制定越來越多的無線技術協議,為使其工作在爆炸環境下,采用不同的防爆技術以提高無線通訊裝置的安全性能,有效降低爆炸風險。武漢艾崴提供的一款防爆機器人, 爆炸環境下測繪用導航儀為例,分析了其結構及工作原理,武漢艾崴并針對其防爆性能進行深入研究。
一、爆炸環境下無線通訊裝置防爆技術應用
無線通訊裝置應用于爆炸環境下,需要對電子電路中的潛在危險點燃源包括靜電、電火花、熱表面及射頻源進行綜合分析評估,采用隔爆、本質安全、增安等防爆技術,使其滿足相關標準要求。
 
爆炸環境下無線通訊裝置的結構
導航儀的導航原理首先利用PDA 端的藍牙與防爆機器人進行連接,盒子機內全向天線接收全球定位系統(GPS)、全球導航衛星系統(GLONASS)、北斗衛星信號,將接收到的衛星數據傳輸到主板;PDA利用自帶的GPRS 網絡模塊或者WiFi 模塊獲取CORS基站下發的差分數據,然后利用藍牙將差分數據傳輸給機器人主板;主板利用獲取的衛星數據和差分數據,解算出高精度坐標數據,并將高精度坐標數據利用自帶的藍牙回傳到PDA 端,供PDA 端的軟件調用,從而使PDA 端的軟件獲取并使用高精度坐標。
 
由防爆機器人工作原理可知,其中藍牙、WLAN、GPRS、GPS、GLONASS、北斗等涉及無線技術,由于導航儀所需測試范圍和精度均要求較高,部分射頻源可能存在大功率或能量情況。
 
爆炸環境下無線通訊裝置的防爆技術分析
無線通訊裝置通常由外殼、電纜及電纜引入裝置、印刷電路板、電池及電池組、射頻電路(含天線)等部分組成。外殼由輕金屬及塑料面蓋組成,電池及電池組、印刷電路板采用本質安全技術設計,而作為射頻源部分的天線放置在塑料面蓋底部。
二、點燃源分析
針對無線通訊裝置存在的潛在危險點燃源,GB3836系列標準制定了相應的技術措施以降低風險,其中包括隔爆型、增安型、本質安全型、澆封型等防爆形式,使設備具備與爆炸環境相適應的防爆性能。對于電路板、非金屬部件、電池與電池組、射頻電路等潛在危險源的無線通訊裝置部件,應分別采取措施進行設計。
 
電路板
電路板在工作過程產生的過載、短路、斷路狀態,極易產生熱表面和電火花。為避免產生相應的點燃危險,一種方法是將電路板放入隔爆外殼或增安型外殼,以達到隔離爆炸危險;另一種方法是采用本質安全技術將電路中電流電壓限制在爆炸環境的引燃值以下。通過以上兩種方法可達到降低電火花危險的目的。而外殼防護、爬電距離和電氣間隙等間距是實現相應安全系數的前提。
 
非金屬外殼和外殼的非金屬部件
非金屬外殼和外殼的非金屬部件材料主要是塑料材料和彈性材料,除了對材質的相應熱穩定性要求,如耐熱、連續運行溫度(COT)、相對熱指數(RTI- 機械沖擊)等,非金屬外殼應設計成在正常使用、維護和清潔時避免由靜電電荷引起點燃危險的結構。避免靜電電荷在電氣設備上積聚,一般方法:1)合理選材,添加防靜電劑,表面防靜電涂層等,使表面絕緣電阻不大于109Ω;2) 按照GB 3836.1—2010 限定外殼非金屬部件的表面積。
 
電池與電池組
電池由于自身結構和原理方面的缺陷,在電池發生外部短路或內部短路時,將產生過大的電流,瞬間大量能量的釋放會產生極高的溫度,甚至爆炸。因此,必須對電池采取隔爆措施或者本質安全處理,使之可以應用于爆炸環境。進行充放電試驗、短路試驗、火花試驗等型式試驗。
外殼及整機
以上技術的有效實現依賴于外殼和整機的機械性能和老化情況以及相應安全系數的設置。因此,對隔爆型技術,IP 防護等級必須達到IP54 及以上的要求;而對于本質安全設備,則必須達到IP20 及以上的要求;對于便攜式設備,須滿足跌落試驗的要求;而對于設備中金屬部件和透明件,須滿足抗沖擊試驗的要求;根據不同的防爆形式,需滿足相應的最高表面溫度的要求。
 
三、檢測要求及項目
依據有關防爆標準,結合前述無線通訊裝置和防爆技術應用分析,針對不同部位的潛在危險點燃源,制定相應檢驗檢測項目及要求。設備的防爆性能由各項指標予以保證,其中任一項不符合要求均會帶來相應的爆炸風險。因此,在對其進行檢測結果判定時實行一票否決制,即使僅存在一個不合格項,檢驗結論也應判定為不合格。以上檢測項目及要求主要包括了通用的防爆技術和本質安全技術的應用,通過對產品的檢測,可以完成對無線通訊裝置的基本防爆性能的檢測和評估。而國家有關防爆標準中提出了射頻源的功率或能量要求,射頻源的安全性能尚未得到相應的重視,型式試驗方法不明確,我們就此進行進一步深入研究分析。
 
四、分析與討論
研究表明電磁場和電磁波是點燃源之一。電磁場直接點燃爆炸性環境幾乎是不可能的,在實驗室條件下點燃輻射源需要上百瓦的功率。然而,最大的危險來源于電磁場在金屬結構或EMI 防護失效的電子電路上感應出的電流。感應電流將產生極高的表面溫度和火花。發生這類點燃須滿足3 個條件:1) 存在爆炸性環境;2) 存在足夠能量;3) 存在環形導體結構且存在斷開點或者接觸點突然斷開的情況。
 
因此,為了避免出現以上情況,基于風險控制的考慮,達到安全性能的要求的方法之一是降低射頻源的發射功能或能量,使之降低到爆炸環境引燃能量限值以下。經過多年的研究,針對不同頻率和形式的射頻源在不同的爆炸環境下的限值得到了業內的認可,并進行了統一,最后形成了PD CLC/TR 50427:2004《爆炸性環境射頻輻射意外點燃評定指南》,且被IEC 60079 標準采納。
 
依據IEC 60079.0 標準修訂發布的GB 3836.1—2010 進一步完善了與射頻源相關的技術要求,并規定了相應的能量限值要求。9 kHz ~ 60 GHz 范圍內具有不同類別的防爆無線通訊裝置對可能存在的射頻源能量或功率限值,這些限制不允許可編程序或軟件對其進行更改。其中,閾功率部分包括連續發射和脈沖時間超過熱起燃時間的發射;閾能量部分為脈沖時間比熱起燃時間短的射頻發射。也考慮了危險區域附近的較高功率發射。
 
在爆炸環境下無線通訊裝置的設置中,通常讓射頻源處于隔爆結構或其他類型的防爆形式。大部分隔爆外殼為金屬結構,會影響電磁波從天線發射,解決辦法是將一個方向天線安裝在玻璃后,但信號丟失情況較嚴重,且限制了使用的靈活性。另一種方法是使用增安型外部天線,但須保證電源與射頻設備的輸入輸出短路時,沒有過高的電流或電壓出現。天線沒有經過相應的檢測是不允許使用在爆炸性環境的。隨著本質安全技術和無線技術的發展,使用本質安全技術的無線設備具有明顯技術優勢。無線設備中的電路進行本質安全化設計,再通過對天線增益和發射能量進行安全評定后,確保射頻源不能點燃爆炸性物質。
 
不管是采用隔爆型防爆技術,還是采用本質安全技術,抑或是其他防爆技術,這些技術措施僅針對電火花、靜電、熱表面等潛在危險點燃源,而對射頻源存在的危險并沒有進行技術處理。根據以上分析,射頻源處理的方法可通過限制發射功率或能量,由于標準中并沒有給出限制措施,在實際產品中所使用的設計方法不可預知,而相應的檢測方法標準也并沒有給出具體的指導,因此,對于射頻源防爆性能進行準確有效的檢測評估尤為重要。搭建的試驗測試系統。
 
測試系統圖
因此,武漢艾崴依據所制定的檢測要求和項目,對防爆機器人進行檢測,結果表明,除了射頻源的安全性能外,其他項目經型式試驗檢測一致合格通過。而針對射頻源安全,我們結合相關通信規范和防爆標準,對其技術資料進行審核。經測試, 主要應用藍牙、GPS、GLONASS、北斗衛星,由圖紙審核可知GPS、GLONASS、北斗衛星功率均遠小于10 mW的標準閾值。而藍牙發射功率可通過軟件進行設置,高達25 W,遠遠高于標準閾值,爆炸風險較高。因此,針對射頻源的防爆性能必須經過檢測評估,可以有效降低風險,提高在爆炸危險場所的安全性。
 
五、結論
在綜合分析爆炸性環境下無線通訊裝置結構和防爆技術的基礎上,結合爆炸風險評估,提出有關的檢測要求和檢測項目,并根據標準的檢測要求給出判定原則,為無線通訊裝置的產品檢測、認證提供依據。提出針對射頻源的安全性能檢測評估尤為重要且急需解決,射頻源準確有效地檢測評價,是降低無線通訊裝置爆炸風險的關鍵,將進一步提高了無線通訊裝置在爆炸環境下使用的安全性能。
 
 
 

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