光辐射设备的功率测量及传输系统的防爆技术研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 878.33KB 80 页 15积分
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摘 要
随着激光、LED、光纤技术的发展，光辐射设备越来越多的被用于生产、传
输、照明、测量等活动中。在这些活动中，高能量的光辐射被吸收体吸收后，可
能会成为高温热表面或颗粒，在爆炸性环境中，一旦达到燃烧条件，极易发生爆
炸。因此，需要对光辐射点燃源引起足够重视。
文章介绍了光辐射的引燃机理，并重点研究常用的两种。
a) 光辐射被表面或颗粒吸收后，使它们的温度升高，在某些条件下，会使它
们达到点燃周围爆炸性环境的温度。
b) 在强光束聚焦处激光直接导致气体分解，产生等离子和冲击波，二者最终
成为点燃源。接近分解点的固体材料能够对这些过程起到支持作用。
课题引进了解决光辐射点燃的三种防爆技术：固有安全光辐射、保护型光辐
射和联锁装置光学系统。
同时，基于固有安全型光辐射的限制能量的基本原理，结合虚拟仪器的发展
成果，设计开发了光辐射设备辐射功率的测量系统。
具体的研究工作如下：
1.对光辐射信号进行分类识别，针对不同种类的辐射，选用不同的光电传感器
实现光信号的采集。根据测量要求，设计了相应信号调理电路，以便放大后的信
号与数据采集卡输入匹配。
2.基于LabVIEW 的设计平台，对系统的软件进行编程原理分析。研究数据采
集存储、数据分析处理、数据打印和数据显示功能的实现方法。
3.介绍了防爆技术的基本原理、概念和分类；研究了光辐射防爆技术的防爆机
理，运用设计的光辐射功率测量系统对固有安全光辐射评价的参数进行了采集；
研究了光辐射设备及传输系统的保护措施，提出了光辐射防爆评价的解决方案。
课题研究表明，光辐射设备的功率测量系统可以实现固有安全防爆技术中的
评价参数的获取，与标准中规定的限值予以对比参照。根据光辐射防爆技术以及
通用防爆技术原理，结合危险评定规则，解决光辐射设备及传输系统的的防爆问
题。
关键词：光辐射 防爆技术 光电池 光电二极管 LabVIEW
ABSTRACT
With the development of the lasers, LEDs, optical fibers, optical radiation
equipment is increasingly used for production, transmission, lighting and measurement.
In these activities, the high optical radiation is absorbed by the absorbers, which may
become hot surfaces or particles at the high temperature. Once they reach the
combustion conditions, to be prone to explosion in the explosive environment.
Therefore, it is considerable necessary to pay sufficient attention to the optical radiation.
This paper described four possible ignition mechanisms, focusing on two
commonly used.
a) Optical radiation is absorbed by surfaces or particles, causing them to heat up,
and, under certain circumstances, this may allow them to attain a temperature which
will ignite a surrounding explosive atmosphere.
b) Direct laser induced breakdown of the gas at the focus of a strong beam,
producing plasma and a shock wave both eventually acting as the ignition source. These
processes can be supported by a solid material close to the breakdown point.
The thesis brought in three explosion-proof technology to protect the optical
radiation equipment—inherently safe optical radiation, protected optical radiation,
optical system with interlock.
In addition, based on the basic principle of limiting the energy in the inherently
safe optical radiation, combined with the virtual instrument, system was designed for
measuring the power of the optical radiation equipment.
The specific research works are as follows:
1. Optical radiation signals were classified into different types of radiation.
Different photoelectric sensors were used to achieve the acquisition of the optical
signals. According to the measurement requirements, signal conditioning circuits were
designed appropriately, in order to match the amplified signal and the input of data
acquisition card.
2. Principles of programming on system software were analyzed based on
LabVIEW to complete the function of data acquisition and storage, data analysis, data
printing and data display.
3. This paper introduced the basic principles of explosion-proof technology,
concepts and classifications, the explosion-proof mechanism of optical radiation. With
the use of optical radiation power measurement system, the inherent the safe optical
radiation evaluation parameters were picked up. The article studied the protection
measures of the optical radiation equipment and transmission system, in addition, it
provided the solution of the optical radiation explosion-proof evaluate.
The research showed that the optical radiation device power measurement system
can be achieved to obtain the evaluation parameters compared with reference to the
limits specified in the standard of inherently safe explosion-proof technology.
According to the optical radiation explosion-proof technology and common proof
techniques, combined with the risk assessment rules, explosion-proof problem of the
optical radiation equipment and transmission system was solved.
Key Words: Optical radiation, Explosion proof technology, Photocell,
Photo diode, LabVIEW
目录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...................................................... 1
§1.1 课题的研究背景及意义 ...................................... 1
§1.2 国内外研究现状 ............................................ 2
§1.3 本课题主要研究内容 ........................................ 2
§1.4 关键技术与本文的主要工作 .................................. 3
§1.4.1 数据采集系统 ......................................... 4
§1.4.2 防爆技术原理 ......................................... 4
§1.4.3 光辐射引燃机理 ....................................... 5
§1.4.4 本文的组织结构 ....................................... 6
第二章 光辐射测量的基本理论 ......................................... 8
§2.1 光辐射测量基础知识 ........................................ 8
§2.1.1 光辐射学 ............................................. 8
§2.1.2 辐射学与光度学关系 .................................. 10
§2.2 光辐射测量原理 ........................................... 11
§2.2.1 黑体辐射源 .......................................... 11
§2.2.2 电替代绝对辐射计 .................................... 12
§2.2.3 光电测量方法 ........................................ 12
§2.3 光波测量系统 ............................................. 13
§2.3.1 光波测量系统模型 .................................... 14
§2.3.2 光源信号分类 ........................................ 14
§2.3.3 光辐射设备 .......................................... 15
§2.3.4 光学信道 ............................................ 21
§2.3.5 光辐射接收系统简介 .................................. 25
§2.4 本章小结 ................................................. 26
第三章 光辐射功率测量系统硬件设计 .................................. 27
§3.1 光辐射测量系统整体结构 ................................... 27
§3.2 数据采集单元 ............................................. 29
§3.2.1 数据采集系统原理 .................................... 29
§3.2.2 数据采集系统的构成 .................................. 29
§3.2.3 数据采集卡的选型 .................................... 30
§3.3 光电传感器 ............................................... 31
§3.3.1 光电传感器性能参数 .................................. 31
§3.3.2 光电传感器的种类及特点 .............................. 34
§3.3.3 光电传感器选型 ...................................... 34
§3.3.4 光伏型探测器转换原理 ................................ 35
§3.3.5 光辐射测量模式 ...................................... 36
§3.4 光电池测量光电路 ......................................... 37
§3.4.1 硅光电池的结构及性能参数 ............................ 37
§3.4.2 硅光电池的测光原理及负载特性 ........................ 38
§3.4.3 放大器件LM358 简介 .................................. 40
§3.4.4 放大电路设计 ........................................ 41
§3.5 光电二极管测光电路 ....................................... 42
§3.5.1 光电二极管的构成及分类 .............................. 42
§3.5.2 PIN 光电二极管的性能参数 ............................. 44
§3.5.3 CA3140 放大器 ........................................ 44
§3.5.4 光电二极管测光原理 .................................. 45
§3.5.5 信号调理电路设计 .................................... 46
§3.6 基准电源电路设计 ......................................... 48
§3.7 本章小结 ................................................. 48
第四章 光辐射功率测量系统软件设计原理 .............................. 50
§4.1 虚拟仪器和LabVIEW ....................................... 50
§4.1.1 虚拟仪器 ............................................ 50
§4.1.2 虚拟仪器开发平台 LabVIEW ............................ 51
§4.2 软件设计思想及总体设计 ................................... 52
§4.3 软件模块设计 ............................................. 53
§4.3.1 数据采集存储模块设计 ................................ 53
§4.3.2 LabVIEW 访问数据库 ................................... 54
§4.3.3 数据打印模块 ........................................ 54
§4.3.4 图像显示模块 ........................................ 55
§4.3.5 数据分析模块设计 .................................... 55
§4.4 本章小结 ................................................. 56
第五章 光辐射设备及传输系统的防爆技术 .............................. 57
§5.1 防爆技术原理 ............................................. 57
§5.2 防爆技术基本概念及分类 ................................... 58
§5.2.1 按设备适用环境分类 .................................. 58
§5.2.2 按设备温度组别进行分类 .............................. 59
§5.2.3 按爆炸性物质的引燃温度分类 .......................... 60
§5.2.4 按危险场所分类 ...................................... 60
§5.2.5 按设备保护等级分类 .................................. 61
§5.3 光辐射防爆技术原理 ....................................... 62
§5.4 光辐射防爆型式 ........................................... 63
§5.4.1 固有安全型光辐射“op is” ............................ 64
§5.4.2 保护型光辐射“op pr” ............................... 66
§5.4.3 光辐射联锁装置“op sh” ............................. 67
§5.5 本章小结 ................................................. 68
第六章 结论与展望 .................................................. 69
§6.1 结论 ..................................................... 69
§6.2 展望 ..................................................... 69
附录 A：在惰性吸收辐射体（1064nm805nm
8393
%,%
αα==
）和1064nm 的连续波辐射
情况下的最小辐射点燃功率 ........................................... 70
附录 B 电阻性电路最小点燃曲线 ....................................... 71
参考文献 ........................................................... 72
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ..................... 75
致 谢 ............................................................. 76
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 课题的研究背景及意义
一直以来，中国都是世界的制造大国，特别在改革开放的三十年里，工业产
品、民用产品等行业得到了飞速的发展。新世纪以后，中国将计划实现由原来的
劳动密集型产业深化为技术密集型的战略转型，以进一步扩大国家在工业上取得
的巨大成果。随着石油、化工、冶金、煤炭、医疗等行业的不断发展，越来越多
的行业开始使用光产品、光纤产品、激光产品等光辐射设备。光辐射设备为生产
提供了巨大便利，在带来技术革命的同时，光辐射设备的防爆问题就成为我们必
须深切关注的问题。
由于在生产实践中，生产设备以电气设备为主，而电气设备在工作过程中不
可避免的会产生电火花或形成热表面，一旦这些点燃源与环境中的爆炸性的混合
物接触，很可能会发生爆炸，造成重大的工业事故。因此防爆问题已经日益凸显
出来，相关技术已经广泛应用于各行各业，并形成一系列的行业、国家规范和国
际标准，在工业迅猛发展的同时，不断成熟起来。
在工业生产中，存在着各种各样的点燃源，很多点燃源是显而易见的，例如
明火、高温炽热表面，但同时有的点燃源是隐含在生产设备或是厂房的不明显处，
通常难以辨识。防爆技术关注的点燃源可以分为13 种，包括火花、热表面、电 弧 、
超 声 波 、 静 电和光辐射[1]3 等。针对火花、热表面、电弧、超声波和静电的点燃在
国内外都已经有了较为成熟的认证体系和解决方案，而光辐射作点燃源仍然没有
系统详尽的解决方案，而它作为一种重要的工业点燃源，其危险性显然是不可忽
视的。点燃源的消除需要采取一系列的措施，根据GB3836.14 对危险场所的分类，
在可能存在有爆炸性气体环境的情况下，应该采取下列措施：消除点燃源周围出
现爆炸性气体环境的可能性或消除点燃源，如果不可能，应选择并准备一些预防
措施[2]3。通常会采用通风等方式来降低爆炸性气体或粉尘的浓度，以减小产生或
成为点燃源的可能。
表1-1白炽灯在一般散热条件下的表面温度
灯泡功率(W) 灯泡表面温度(℃)
75 140～200
100 150～220
150 150～230
200 160～300
光辐射设备的功率测量及传输系统的防爆技术研究
2
光辐射设备产生光辐射，可 能 造 成 某 些表面的温度升高，成 为 热 表 面点燃源，
例如：生活中的白炽灯，在一定的电功率下（表1-1 所示），灯泡的表面温度就已
经达到很高；
另一种方式是通过激光等强光导致气体分解，产生点燃源。在光辐射设备应
用于生产实践过程时，这些点燃源具有高危险性，威胁着安全生产。因此，对光
辐射设备及传输系统防爆技术（注：本文中“光辐射的防爆技术”等同于“光辐
射设备及传输系统的防爆技术”）的研究和相关传输系统的保护就成为摆在人们
面前的新课题。
§1.2 国内外研究现状
随着生产工艺的不断提高，新产品的不断更新，光电器件的抗干扰能力凸显
出来，更因为其本身不可能产生电火花而被广泛应用。形成的产品包括白炽灯、
激光二极管、LED以及光纤等，相关的光传输设备有光纤通讯设备、条形码扫描
器、以光纤为信号的传输媒体等[1]10。然而光辐射设备在给我带来巨大便利的同时
也向我们提出了挑战，试验研究表明，长时间或大面积受光辐射辐照的吸收体可
以成为点燃源，在爆炸性环境中，一旦点燃条件符合，必将发生爆炸。因此，研
究光辐射的点燃机理及相关设备的保护措施已经迫在眉睫。
世界上许多国际性研究机构，都已经着手开始了这一领域的研究：利用典型
的激光器研究光辐射的点燃特性，建立了一定的研究基础，使得该项研究有了突
破。德国联邦物理研究院(PTB, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (Germany))已
经完成的涉及光电器件由给定电能或电功率转化为光辐射能量的定量试验研究项
目[1]11。英国安全健康部健康安全试验室（HSL, Health and Safety Laboratory of the
Health and safety Executive (UK)）也对这一领域进行了研究，并取得了成果。
2006 年5月，国际电工委员会(IEC, International Electro-technical Commission)
推出光辐射防爆标准IEC-60079-28（爆炸性气体环境，光辐射设备和传输系统的
保护措施），这一标准对光辐射设备的点燃机理作了基本阐述，并通过试验对光
辐射设备的防爆技术作了规定。这说明光辐射设备的防爆技术已经开始有了系统
的理论基础和探索方向。
国内的科研人员也在这一领域做着努力，各研究所、研究院室也对这一领域
不断进行讨论和探索，以求在光辐射设备的防爆问题上寻求突破。
§1.3 本课题主要研究内容
本课题旨在解决光辐射设备的防爆技术问题，通过建立光辐射功率测量手段，
基于防爆技术原理，并结合光辐射设备具体特征，提出光辐射设备的防爆安全认
摘要：

摘要随着激光、LED、光纤技术的发展，光辐射设备越来越多的被用于生产、传输、照明、测量等活动中。在这些活动中，高能量的光辐射被吸收体吸收后，可能会成为高温热表面或颗粒，在爆炸性环境中，一旦达到燃烧条件，极易发生爆炸。因此，需要对光辐射点燃源引起足够重视。文章介绍了光辐射的引燃机理，并重点研究常用的两种。a)光辐射被表面或颗粒吸收后，使它们的温度升高，在某些条件下，会使它们达到点燃周围爆炸性环境的温度。b)在强光束聚焦处激光直接导致气体分解，产生等离子和冲击波，二者最终成为点燃源。接近分解点的固体材料能够对这些过程起到支持作用。课题引进了解决光辐射点燃的三种防爆技术：固有安全光辐射、保护型光辐射...

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