本质安全设备标准（IEC60079-11）的理解（二）

十，本安设备的测试

我们知道如何测试本安设备以及一些基本概念后， 现在需要进一步说明：

（1），本安设备的测试和一般软件，硬件的测试是完全不同的。 一般软件硬件的测试方法可以使用黑盒子法，即只要给一段代码或者一个硬件设备一些特定输入， 然后，查看对应的输出是否正确即可。 本安设备的测试不能使用这种方式。因为本安设备的特性决定了它内部的任何一个点都可能会产生电火花或者温度过高，从而引起爆炸。所以本安设备的任何一个部分都要求测试它的电火花强度和温度。对于温度，任何外壳表面，连接线表面，印制板走线表面，任何元器件的表面，都需要测试到。对于点火花，那么任何两个焊盘之间，任何两根走线之间，任何走线和地（或者大地）之间，电路和外壳之间等等都需要测试到。

（2），把所有的点测试一遍在实际中是往往是不可行的。所以为了认证和测试的过程更加高效，需要采用一些办法来排除一些特定的情况。

使用排除法时，需要问两个问题：

a, 这个设备需不需要测试？

b, 如果这个设备需要测试验证本质安全， 那么它又有那些部分是可以不用测试的？

十一， 简单设备

“简单设备”的概念就是用来回答上述第一个问题的，即这个设备需不需要测试？ 它要达到什么条件才不需要测试？

简单设备的概念还是非常好理解的，因为它的定义限定了设备能够存储和产生的能量：

最大电压1.5V

最大电流100mA

最大功率25mW

标准中列举了几种常见的简单设备：

（1），第一种是无源器件，如开关，连接盒，以及电阻和简单半导体构成的设备。更具体一点的话，可以认定，开关，按钮，电阻器，热敏电阻器，LED，连接端子等等都是简单器件。

（2），第二种是电路虽然有存储的能量，但是这些能量只是存在某些简单电路的几个简单元器件中，例如电容或者电感器件，同时必需要求这些元器件的参数是有明确说明的。这一类的设备不是很好理解，这里本人是这么理解：某一个本质安全的设备已经通过测试和认证，那么当它外接一些简单电路时，例如外接一个电容滤波，那么只要此时整个系统仍然满足本质安全的要求，它就依然可以在爆炸环境中使用。那么问题来了，这个电容是属于什么设备呢？它是安全设备吗，需要测试吗？答案是，如果它和本案设备以及其他设备一起构成的“系统”通过计算和评估，仍然是安全的，那么它就属于安全设备。此时这个单独的电容设备不需要认证和测试。在标准中，将类似的简单电子器件归为简单设备。如果它和其他设备一起构成的“系统”通过计算和评估，达不到安全的规定和要求，那么此时电容就不属于简单设备。

（3），第三种就是能够产生能量的一些设备，如热电偶温度计（thermocouples）和光电池（photocells），但是它们产生的能量必须小于1.5V,100mA和最大功率25mW。

十二， 电火花能量的评估

简单设备的定义解决了第一个问题（即设备需不需要测试），但是它的作用有限，大部分的设计都是不满足简单设备的定义的。那么对于需要测试和认证的设备，又有什么办法可以减少测试项目呢？

答案是通过计算和评估，减少需要测试的项目点数。

简单通俗来说，如果一个电路或者设备，通过计算和评估，认定它不会产生足够的电火花或者温度，那么就可以认为它是本质安全的，这部分电路或者设备就不需要再通过实际的设备测试。

一个比较常见的例子是，如果你要求第三方给你的设备做认证，他们一般都会把设备看做一个整体来计算它总共的电容和电感量，并套用附录A中的曲线图来判定你的设备是否满足要求。如果你的设备比较简单，它包含的电容和电感值都很小。 bingle！你的第三方会很开心！他们能直接给你开出证明，认证你的设备是本质安全的。

IEC的文档“OD 021”里面谈论了更多有关评估的具体方法。

1，首先还是看最简单的电路：电阻电路的评估

评估方法的中心思想是找到最严重的情况下， 电路输出的电压，电流和功率，并以此比对附录A，从而判定是否本质安全。

这里的最严重的情况，往往指的是电子元器件使用极限误差范围的值，并且同时考虑安全因子。

这里重复附录A中的评估例子，如图A.7

图中电池电源最大输出20V， 串行限流电阻最小300 欧。虚线框中的电路是负载。那么如果负载短路，即虚线框完全由一根导线替代，那么电路就变成纯电阻电路。此时按照下面的方法评估它是否满足本质安全。

（1），电源输出最大20V。虽然这里已经算是最大值，但是因为需要计算最严重的情况，需要考虑它有误差，假设是2%，因此最终的最大值是22V。

 

（2），图中的电阻最小为300欧。这里并没有计算它的误差，原因待查。如果是针对实际的电路，知道具体电阻的型号，那么就可以查看到它的误差，例如常用的电阻误差范围为+-1%。因此如果一个电阻标称10K（注意这里使用的是标称值），那么在计算的时候，往往使用的数值是

10k*(1-1%)=9.9k

（3），电路的最大电流就是

22v / 300 = 73.3mA,

如果是ia保护级别，那么就需要引入安全因子1.5，

即最大电流 73.3mA * 1.5 = 110mA

比对标准中的图A.1，（或者查看表格A.1）知道此时的电流落在IIC线的左边，即电流没有超出本质安全的范围。

 

4），附录中也强调了300欧的电阻必须是可靠元器件（infallible resistor）,它不仅需要满足自身可靠元件的要求，例如材质，额定电压，电流，功耗等参数，还需要满足隔离的要求，例如需要满足电气间隙的距离，最好使用大封装等等。

这里顺便说一下可靠元器件（infallible component）的理解。它在标准里面占有不少的章节，而且开始理解他也有一些费劲。本人从两个方面理解它

（1），自身的因数。一个可靠元器件自身也必须可靠。如何衡量它的自身可靠性？即它的材质要好，如电阻必须使用film类型的电阻，而且各种参数阈量比较大，如额定功率，电压，电流等参数都必须是按照最坏情况下的1.5倍来计算。最坏的情况就是各种短路，各种参数取极值的情况。这个需要根据具体电路分析得到。另外如果因为某一原因烧毁，器件本身也要根据情况选择fail to open或者fail to close.例如电阻选择film型的另一原因就是它过电流时烧毁后，会使得电路断开，即fail to open，而不是闭合(短路)。

（2）除了自身的因数，可靠元器件还需要和设备的其他部分保持“可靠的关系”。在标准中体现的就是各种距离参数。比较通俗的讲就是可靠器件离其他部分越远越好，越孤独越好！

2，电感电路的评估

其实上面的图A.7就是电感电路。第1部分电阻电路的分析的可以是看做电池电源+内阻在负载短路的情况下的分析。现在加上电感，分析的方法还是一样的。

电源的最大极限输出22V，电阻都去最小值，即300+1100. 

那么电路电流为 22/(300 + 1000) = 15.7mA

考虑安全因子1.5，最大电流 15.7mA * 1.5 = 23.6mA。

对照图A.4，可以知道电流位于IIC线的左侧，属于本质安全范围。

注意在标准中指出， 因为300欧是可靠器件，因此这里不再需要考虑fault的情况。

“No faults need to be applied since the 300 Ω resistor is infallible and short-circuit failure

of the inductor leads to the circuit considered above.”

这里只是说不需要考虑电感的短路情况，但是没有说明1100欧电阻的短路情况。为了使得上面的计算结果有效， 个人认为1100欧电阻也必须是可靠器件。

另外一个主意的是图A.4是针对电池输出电压为24V的情况，而对于其他电压下的电感曲线图没有说明。如果实际电路电源输出不是24V，可以使用公式½ LI² ，计算结果来比对判定是否小于40uJ（IIC），或者160uJ（IIB）或者320uJ（IIA）。

3，电容电路的评估

 

如图A.8， 一个30V的电池电源外加10K欧电阻和10uF电容，组成的电容电路。

如果电容短路，那么剩下的器件就形成了一个纯电阻电容，类似根据第1部分的分析，因为10K电阻比较大，所以它很容易满足是本质安全的要求。此时10K电阻依然算是可靠器件。

那么如果加上负载电容，电路是否依然本质安全呢？

因为此时计算电流比较不方便，因此这里在考虑安全因子的时候，我们使用升高电压的方法，即考虑电池电压上升到30v * 1.5 = 45V，那么查看图A.2,对应I类设备的曲线图，可以看到45V对应的允许电容值为3uF，而电路中存在10uF电容，因此不符合本质安全的要求。

 

但是请注意，最左边的这根线是C+0 Ω, 即对应上面的图A.8电阻值为0的情况。如果算上10K电阻，那么电路是完全本质安全的。因为只要使用C+5.6 Ω曲线，就知道10uF大约对应48V.也就是说，只要电阻值大于5.6Ω就能满足本质安全的要求。标准中分析说A.8电路不满足要求的表述不是很严谨（虽然它在Note3有进一步说明）。

4，一个电路同时有电容和电感时如何评估

附录A并没有提及到如果一个电路同时有电容和电感时如何评估，而是在标准的正文10.1.5.2专门讲述。

如果一个电路中同时包含有电容和电感，那么使用图A.1到A.6来评估是不合适的，因为电容和电感能够互相增强对方的能量。但是如果电路中的电容和电感小于曲线中允许值的1%，那么这些电路可以看做是纯电感（如果电容<1%允许值）或者电容电路（如果电感<1%允许值）。通俗来讲，就是如果电路中的电容或者电感比较小，可以忽略不计。

这里应该放一个栗子，依然使用图A.8. 我们知道，对应着C+0 Ω曲线，在45V时，对应允许最大电容为3uF，那么此时如果电路中的电容只有3uF* 1%=30nF，那么这个电容就可以忽略不计。如果此时电路中存在电感，那么评估的时候，就不需要考虑电容的因数，只要按照存电感电路分析即可。

如果不满足1%的规定，那么电路只能通过仪器测试来确定是否本质安全。（标准中还有一种对应着系统连接的情况，可以自行参看）