包立刚
（博太科防爆设备（上海）有限公司，上海 201114）
工业管道中的温度变化会对生产过程产生重大影响。过高或过低的温度都可能导致管道变形、破裂或腐蚀，从而影响管道的正常运行和安全性。此外，温度变化可能导致介质相变，进而影响工艺参数的稳定性。因此，对工业管道温度进行测量和控制可以确保生产过程的稳定性和安全性。
处于爆炸危险区的工业管道的温度测量和控制系统必须满足防爆要求。防爆类规范对电气设备的设计和制造提出了强制性的条件和要求，不同的防爆技术对电气设备的功能实现、维护使用和制造成本会产生极大的影响。如何综合应用这些防爆技术，设计、制造一款适用于防爆现场、安装维修方便且低成本的智能温度控制器是论述的重点。
传统的温度测量和控制方法主要依赖人工操作，通过手动调节阀门或加热器来控制管道温度，存在响应速度慢、精度不高等问题。当前，温度测量和控制的主流方法是采用温控系统并配合电伴热系统，实现管道温度的自动测量和控制。对于处在爆炸危险区的工业管道，要想实现管道温度的就地显示和自动控制，必须要优先保证温控系统的防爆性能和安全性。目前，应用于防爆区域的温控系统主要分为机械式防爆温控系统和电子式防爆温控系统两类。
机械式防爆温控系统包括感温探头、温控机芯和增安型防护外壳。感温探头包含一个充满液体的感温包，通过一根毛细管与温控机芯连接。安装时感温包紧贴被测管道表面，与被测管道温度保持一致。感温包上的温度升高或降低，都会引起感温包内的液体在毛细管中膨胀或收缩，同时毛细管中的一个特制隔板会随之产生机械游动。隔板的游动又会带动温控机芯中的控制开关断开或闭合。温控机芯和连接端子全部安装在增安型的防爆接线盒内，以便与供电系统和电伴热系统安全连接，从而提高温控系统的整体防爆性能。机械式防爆温控系统的主要优点是结构简单、质量轻、安装方便、成本较低，主要缺点是无法就地显示温度，无法实时设置或修改参数，温度控制精度差，无法实现远程监控等。
电子式防爆温控系统通常包含感温头、非防爆电子式温控器、接触器等控制元件以及金属隔爆箱。感温头通常采用热敏电阻。热敏电阻的阻值随着温度的变化而变化，将热学信号转化成电学信号，经过中央处理器（Central Processing Unit，CPU）处理后产生控制信号。非防爆电子式温控器、接触器等控制元件安装在金属隔爆箱内，采用隔爆型防爆技术，实现温控系统的整体防爆功能。电子式防爆温控系统的主要优点是可以就地显示温度、实时设置和修改参数、远程监控，温度控制精度高，但其缺点也很明显，如成本高、体积大、质量大、安装维修复杂等。
2.1 总体设计
要想实现温度就地显示、参数实时设置和修改、高精度控制和远程监控功能，使用电子式温控器是比较好的选择，但其难以实现防爆功能。传统的电子式防爆温控系统主要采用隔爆型防爆技术，技术的核心在于使用一个特别设计的金属隔爆外壳来封闭所有可能点燃爆炸性气体混合物的部件。该技术的关键是强化外壳设计，优化隔爆间隙的大小和形状，需要确保外壳能够承受内部爆炸的压力，并且其结构间隙能冷却火焰、降低火焰传播速度或终止加速链，以防止火焰或危险物质穿越隔爆间隙，引燃外部环境。因此，采用隔爆型防爆技术的产品，通常体积大、质量大、成本高、安装和打开方式复杂[1]。
为了克服隔爆型产品的缺点，新型防爆智能温控器综合采用了本安型防爆技术、浇封型防爆技术和增安型防爆技术。本安型防爆技术的核心在于将设备内部和连接导线可能产生的电火花或热效应能量限制在一个无法引起爆炸的水平。浇封型防爆技术是通过用特殊树脂材料将电气设备内部可能产生火花或高温的部分进行浇封，从而阻止这些部分与外部的爆炸性混合物接触，避免引发点火爆炸。增安型防爆技术旨在通过一系列附加措施，提升电气设备在正常操作下的安全水平。附加措施包括加大电气间隙和爬电距离、采用优质绝缘材料、提高外壳防护等级等。通过综合应用这些防爆技术，实现了电子式温控器防爆功能的小型化和低成本化[2-3]。
具体而言，本款防爆智能温控器的信号采集及处理电路、控制电路及其他小功耗电路采用本安型防爆技术。功耗较大的电路采用浇封型防爆技术。由于在评定温度等级时仅需考虑胶封剂自由表面的温度，允许胶封剂内部的电气元件具有更高的表面温度，以驱动更大的负载，满足温控器大电流、高负载的应用需求。外壳、接线端子和电缆引入装置采用增安型防爆技术，在保证安全性的同时，兼顾成本、体积、质量和安装维护方面的要求。
2.2 电路设计
基于上述设计思路，在电路方面采用能量网格化的设计方法，即充分利用国标中规定的可靠间距、可靠电阻、可靠隔离元件，将各功能电路进行能量分区，形成各自独立的能量孤岛，实现本安电路与非本安电路的隔离。各个模块采用单独的本安电源供电，各功能模块内的储能元件进行本安评定时单独考核，避免为保证本安性能而降低产品稳定性的情况。同时，采用低功耗设计思路，主电路采用3.3 V 供电，主控芯片采用低功耗微控制器，显示电路采用动态扫描驱动，温度检测采用PT100 传感器，电流和漏电流检测电路采用微型互感器等。根据设计，本安限能的电路总耗电不超过110 mA。
2.3 结构设计
在结构设计方面采用增安型防爆技术和浇封型防爆技术。图1 为防爆智能温控器，主体结构采用模压成型的增安型壳体，壁厚6 mm，外形尺寸为160 mm×160 mm×90 mm。主要电路板集成为机芯，并使用胶封剂将其浇封在增安型壳体内。浇封后，除显示电路、按键电路等本安电路和本安接线端子裸露在胶封剂外，其他硬件电路全部被密封在胶封剂中。增安型壳盖上开设视窗孔并安装操作按键，可以观察温度值并设置各种参数和报警信号。采用硅发泡密封条，合理设计壳体与壳盖之间的密封结构，使得温控器可以通过IP66 防护等级测试。电源、负载、PT100 传感器电缆通过增安型格兰从增安型壳体引出，使得智能温控器具备体积小、质量小、抗腐蚀的特点。
图1 防爆智能温控器
防爆智能温控器综合应用了本安型防爆技术、增安型防爆技术和浇封型防爆技术。前两种防爆技术主要通过电路设计和结构设计实现，浇封型防爆技术主要依靠制造工艺实现。浇封属于特殊过程，是制造本产品的关键工序。特殊过程是指加工质量不易或不能通过后续检验或试验得到充分验证的过程，或发现问题时已经造成较大损失的过程。下面将重点论述如何控制和管理这一特殊过程，从而实现产品设计的防爆功能。
浇封型防爆技术的实施主要依赖如下关键措施。一是选择合适的胶封剂（通常为树脂）来封装电气元件，确保其具有良好的阻燃和隔热性能。二是确保胶封剂的自由表面与被浇封元件或导体件的浇封厚度不小于3 mm，以有效防止火花或热量穿透封装层。三是整个浇封过程要保证电气元件被完全封闭，没有任何缝隙和气孔，以避免爆炸性气体渗入造成防爆功能失效。
首先，根据《爆炸性环境 第9 部分：由浇封型“m”保护的设备》（GB/T 3836.9—2021）中胶封剂复合物的要求，对国内外多种胶封剂进行试验，最终选定一款进口的聚氨酯树脂。选定的胶封剂的主要成分为双酚A-环氧氯丙烷环氧树脂。经过综合考量和试验验证，该进口树脂的吸水性、绝缘介电强度、膨胀系数、使用温度、黏度、固化时间等参数明显优于其他胶封剂，而且阻燃和隔热性能完全满足规范标准要求[4]。
其次，对浇封设备进行设计选型并优化工艺参数。由于浇封过程存在胶封剂和固化剂的发热反应，固化过程存在收缩硬化等物理变化，会对机芯的电路板和电子元器件产生不良影响，继而影响智能温控器的功能实现。此外，每个产品的注胶量约为1 kg，胶封剂流经的浇封空间较大，且浇封内部元件众多、形状不规则，因此胶封剂必须分布均匀，避免出现缝隙和气孔，从而确保浇封的整体密封性。基于此，浇封设备选用一款双嘴三轴自动灌胶机，通过步进电机压动活塞将胶封剂和固化剂压出。注胶比例是唯一确定的参数且不可改变，注胶量非常精准，从而保证封装厚度能满足产品设计要求。优化工艺参数，实现多个点位的往复连续注胶。采用多批次、小批量、分段式注胶方式，确定最佳注胶点位、注胶次数、注胶间隔时间等参数。可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）控制系统自动记录和保存注胶的胶量、速度、轨迹等参数。
最后，在浇封前和浇封后分别对机芯进行全面的功能检测，以检验浇封对产品功能的影响。设计一款可编程测试台，如图2 所示。每个测试台可同时检测30台机芯。每台机芯配备一个PT100传感器，同时上电，依次检测。通过触摸屏人机界面与每台机芯进行通信，读取实测温度并显示参数，同时对温度设定值、回差设定值、温度上下限报警值、故障状态等进行设置或修改。需要注意，更改通信地址可以快速切换为下一台机芯的检测。
图2 防爆智能温控器可编程测试台
本产品取得了IECEx 防爆认证、ATEX 防爆认证、NEPSI 防爆认证，可用于危险区域1 区或2 区（气体场所）、21 区或22 区（粉尘场所）以及非危险区域。产品总质量仅2 kg 左右，远低于传统电子式防爆温控系统。功能上结合了集中控制与本地控制的优势，填补了国内电伴热现场回路智能控制产品的空白。本产品获得了市场和客户的青睐，在国外曾应用于哈萨克斯坦三期FCC 项目，一次性使用3 000 台以上[5]；
在国内曾应用于中石化西部管道项目、新疆大全多晶硅项目、大连恒力石化电伴热项目等大、中型项目，获得了良好的经济效益和市场效益。
防爆智能温控器利用本安型、增安型、浇封型3 种防爆技术进行一体化设计，在满足防爆要求的同时最大限度地满足了功能需求。该产品符合防爆标准，满足市场需求，且高质量、低成本，已在实际项目中得到广泛应用，取得了良好效果。
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