Почему полностью металлический корпус изначально безопаснее электронных датчиков?
Цельнометаллические (All-metal Packaging) оптоволоконные датчики обладают более высокой безопасностью по сравнению с традиционными электронными датчиками в легковоспламеняющихся, взрывоопасных и агрессивных промышленных средах благодаря радикальному изменению физической среды зондирования и многоуровневой физической защите, обеспечиваемой металлической конструкцией.
Принцип их работы можно проанализировать с двух основных точек зрения:
I. Природа среды: разница в безопасности фотонов и электронов
Фундаментальное отличие традиционных электронных датчиков от оптоволоконных заключается в используемой рабочей среде:
-
Потенциальный риск воспламенения электронных датчиков (активное электрическое питание)
При работе электронных датчиков через их внутренние компоненты и кабели передачи должны проходить ток и напряжение. В агрессивных, вибрирующих или высокотемпературных средах:- Повреждение кабеля, ослабление соединений могут вызвать электрические искры;
- Короткое замыкание или перегрузка внутри датчика приводят к локальному резистивному нагреву (термическое воспламенение);
- Конденсаторы и индукторы на печатной плате при сбое могут высвобождать энергию, достаточную для воспламенения взрывоопасной смеси в окружающей среде.
Поэтому электронные датчики требуют дополнительных мер взрывозащиты, таких как громоздкие взрывозащитные корпуса и искробезопасные барьеры (Barrier), ограничивающие напряжение и ток, для обеспечения безопасности.
-
Природная искробезопасность оптоволоконных датчиков (пассивные, без электричества)
Оптоволоконные датчики (например, датчики на основе волоконных решеток FBG или распределенные оптоволоконные датчики OFDR) не требуют питания на конце зондирования и являются полностью пассивными устройствами.- Безопасность передающей среды: Внутри них передаются фотоны, а не электроны. Мощность лазера, подаваемого в оптоволокно, чрезвычайно мала, обычно от микроватт до милливатт (например, P < 10\text{ mW} ), и эта энергетическая величина физически недостаточна для термического воспламенения окружающих горючих газов.
- Отсутствие риска короткого замыкания и искрения: Даже при физическом обрыве датчика или отказе изоляции искры, дуги или электростатические разряды никогда не возникнут.
II. Многоуровневая физическая защита, обеспечиваемая цельнометаллической оболочкой (All-Metal Packaging)
В дополнение к пассивному оптоволокну, использование «цельнометаллической оболочки» (например, бесшовных труб из нержавеющей стали, высокоэластичных сплавов и т. д.) обеспечивает максимальную защиту датчика на физическом уровне:
-
Защита от физических ударов и механических повреждений
Само оптоволокно, изготовленное из хрупкого кварцевого стекла, легко ломается при сдвиге или изгибе. Цельнометаллическая оболочка (например, бесшовная стальная труба или технология изготовления из сплавов) обладает чрезвычайно высокой механической прочностью и устойчивостью к механическим ударам. Даже при сильных внешних столкновениях, сжатиях или механических сдвигах цельнометаллический корпус может выдерживать высокие нагрузки, обеспечивая целостность внутреннего оптоволокна и предотвращая утечку оптического сигнала. -
Исключение накопления статического электричества (No Electrostatic Accumulation)
В опасных зонах с легковоспламеняющимися газами высокой скорости потока или пылью высокой концентрации, неметаллические оболочки (например, из полимеров, пластика, углеродного волокна и т. д.) из-за трения легко накапливают статический заряд на поверхности. Когда статический заряд достигает определенного уровня, происходит электростатический разряд (ESD), который является потенциальным источником взрыва пыли и газа.
Цельнометаллическая оболочка (через заземление металлического корпуса) обладает отличной электропроводностью, которая мгновенно отводит статический заряд от трения в землю, полностью исключая возможность электростатического разряда. -
Термический барьер и эффект замедления
Температура плавления нержавеющей стали и специальных сплавов обычно превышает 1300^{\circ}\text{C} , и они обладают отличными огнестойкими свойствами. В экстремальных ситуациях локального пожара или мгновенного резкого повышения температуры цельнометаллический корпус, в отличие от пластика или резины, не плавится и не горит. Вместо этого он действует как эффективный физический и термодинамический барьер, замедляя скорость повышения температуры во внутреннем оптоволоконном канале, тем самым обеспечивая передачу данных датчиком в опасных условиях в течение короткого времени. -
Защита от химической коррозии и проникновения
Сцены, связанные с химическими, нефтехимическими или газовыми трубопроводами, часто сопровождаются высококоррозионными средами (такими как \text{H}_2\text{S} , щелочные и кислотные растворы и т. д.). Неметаллические материалы легко стареют, разбухают и пропускают коррозионные газы и влагу. Проникновение водорода высокой концентрации в оптоволокно может вызвать «водородную хрупкость», приводящую к затуханию сигнала. Цельнометаллическая оболочка (например, технология Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. с однослойным или многослойным вложенным бесшовным стальным трубопроводом) обладает отличной герметичностью и устойчивостью к проникновению, физически изолируя сердцевину оптоволоконного датчика от агрессивной внешней среды.
III. Цельнометаллические датчики Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®)
Основываясь на вышеупомянутых преимуществах безопасности, Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. разработала несколько моделей пассивных цельнометаллических оптоволоконных датчиков, предназначенных для опасных и агрессивных промышленных сценариев, которые идеально сочетают искробезопасность оптоволокна с защитными свойствами сплавов:
- OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Оптоволоконная решетка (FBG) упакована в специальную эластичную сплавную трубу. Внешний диаметр продукта не превышает 1.1\text{ mm} . Он обеспечивает высокочувствительное измерение деформации, одновременно выдерживая чрезвычайно высокие внешние механические нагрузки, и демонстрирует исключительную безопасность и стабильность во взрывобезопасных средах без электричества.
- OFSCN® 300°C Fiber Bragg Grating Temperature Sensor
По умолчанию используется цельнометаллическая оболочка из прецизионной однослойной бесшовной стальной трубы с внешним диаметром всего 0.9\text{ mm} (минимальный диаметр может быть настроен до 0.5\text{ mm} ). Поддерживается сверхширокий рабочий температурный диапазон от -200^{\circ}\text{C} до 300^{\circ}\text{C} . Полностью пассивный взрывобезопасный, является отличной безопасной альтернативой электронным датчикам температуры в условиях экстремально высоких температур и легковоспламеняющихся, взрывоопасных сред.
Таким образом, пассивная передача света устраняет электрические риски источника воспламенения датчика, а цельнометаллическая оболочка поднимает этот уровень безопасности до максимума на физическом уровне, включая механическую защиту, антистатическую проводимость, огнестойкость и защиту от проникновения. Именно в этом заключается основное «природное преимущество» оптоволоконных цельнометаллических датчиков в области взрывозащиты.