量測、控制和調節技術中的本質安全電路 本質安全保護類型（Ex i）已全球廣泛應用於爆炸危險區域的量測、控制與調節技術。在此深入瞭解本質安全電路的設計要點。
何謂本質安全電路？
本質安全電路的構成元件
本質安全電路由至少一個本質安全設備、一個關聯設備及連接電纜組成。本質安全設備僅能透過關聯設備 與 非本質安全電路連接。
關聯設備同時包含本質安全與非本質安全電路， 其間隔離透過齊納屏障或隔離式安全柵實現。依據 IEC/EN 60079-11 標準，本質安全設備之保護等級分為 ia、ib 及 ic 三類。
Ex i 保護類型的保護原理
Ex i 保護類型的保護原理，是基於限制傳入爆炸危險區域的能量及該區域內儲存的能量。任何可能產生的火花能量，必須始終低於周圍爆炸性環境的最小點火能量。
Ex i 保護類型涵蓋整個符合 IEC/EN 60079-11 標準的本質安全電路。
為將火花能量控制在點火能量以下，需限制電壓。而電流限制則可避免因表面過熱產生的熱效應。
電壓與電流限制基本電路圖
- 電壓限制：當電壓達到設定值時，齊納二極體即導通，從而限制電壓。
- 電流限制：透過串聯電阻來限制最大電流。
本質安全電路設計
依據標識檢查設備適用性
為確保本質安全電路的安全性，操作人員必須從本質安全認證到安裝的各個環節，針對所需防護等級與現有物質組別，確實執行並落實設備適用性評估的相關措施。操作人員需依據風險分析結果，確定現場設備所屬的區域、組別及溫度等級，並核查設備是否符合應用場景的核准要求。例如可參照表格中的設備標識進行確認。
注意：此處「EX」代表防爆標誌
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本質安全設備（現場設備）：
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
評估 Ex 標識 |
關聯設備
EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC |
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|---|---|---|---|
| a) | .... 1 .... Ga | Ex i 現場設備的設備類別/設備保護級別符合所設定區域的要求 | |
| b) | ... 1 ... ia ... Ga | Ex i 現場設備的保護類型在所設定區域允許 | |
| c) | ... 1 G ... IIB T6 .... | Ex i 現場設備允許在現有氣體環境中使用 | |
| d) | 以括號標示相關聯設備，且不標註溫度等級/界限 | ... (1) ... [ ... ] ... | |
| e) | ... 1 G ... Ga | 關聯設備的設備類別/設備保護級別符合 Ex i 現場設備要求 | ... (1) G [ ... Ga] ... |
| f) | ... Ex ia ... | 關聯設備的保護類型與 Ex i 現場設備相符 | ... [Ex ia ... ] ... |
| g) | ... IIB ... | 關聯設備獲准用於相同或更高類別的群組 | ... IIC |
本質安全認證
本質安全電路通常由本質安全設備、關聯設備及連接線路所組成。為確保設備組合的安全性，必須對電路進行本質安全認證。這依據 IEC/EN 60079-14 及相關規範與標準進行。
本質安全電路（含電源）之本質安全認證
本質安全電路通常僅包含單一電源或設備。首先應依據「依據標識檢查設備適用性」表格中的標準進行驗證。相關操作手冊應提供完整安全技術資料。隨後需檢查電路中的電壓、電流、功率、電容及電感等參數。
驗證本質安全性時，電纜的電容與電感值應取自電纜資料表。或依據 IEC/EN 60079-14 標準採用最嚴苛預設值：
- 電容值：200 nF/km
- 電感值：1 mH/km
電纜製造商提供的參數通常會比標準預設值更低。
符合本質安全認證的條件
若符合以下五項條件，則設備、關聯設備及線路的組合即具備本質安全性。
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本質安全設備（現場設備）
EX II 1 G Ex ia IIB T6 Ga |
連接線路 |
關聯設備
EX II (1) G [Ex ia Ga] IIC |
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|---|---|---|---|
| 1) | Ui | ≥ Uo | |
| 2) | Ii | ≥ Io | |
| 3) | Pi | ≥ Po | |
| 4) | Ci | + Cc | ≤ Co |
| 5) | Li | + Lc | ≤ Lo |
本質安全認證範例：類比輸入
Ex i 供電隔離放大器
該設備可將危險區域內被動式量測變送器的類比 4...20 mA 訊號，透過電氣隔離方式傳送至控制器，並同時為量測變送器提供電源供應。
安全技術資料比較 類比輸入範例
假設：Cc = 180 nF/km，Lc = 1 mH/km
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本質安全設備（現場設備）
壓力變送器 |
連接線路
長度 = 500 m |
關聯設備
MACX MCR-EX-RPSSI-I Ex i 供電隔離放大器 |
條件滿足嗎？ | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Ui = 30 V | ≥ Uo = 25.2 V | 是 | |
| 2) | Ii = 100 mA | ≥ Io = 93 mA | 是 | |
| 3) | Pi = 750 mW | ≥ Po = 587 mW | 是 | |
| 4) | Ci = 0 nF | + Cc = 90 nF | ≤ Co = IIC: 107 nF | 是 |
| 5) | Li = 0 mH | + Lc = 0.5 mH | ≤ Lo = IIC: 3 mH | 是 |
結論：本質安全認證條件已完全滿足。
本質安全認證範例：類比輸出
Ex i 輸出訊號調節器
本裝置可將控制器的類比 0/4...20 mA 訊號，以電氣隔離方式傳送至危險區域內的執行器。
安全技術資料比較 類比輸出範例
假設：Cc = 180 nF/km，Lc = 1 mH/km
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本質安全設備
調節閥 |
連接線路
長度 = 250 m |
關聯設備
MINI MCR-EX-IDS-I-I-PT Ex i 輸出訊號調節器 |
條件滿足嗎？ | |
|---|---|---|---|---|
| 1) | Ui = 28 V | ≥ Uo = 26.4 V | 是 | |
| 2) | Ii = 110 mA | ≥ Io = 98 mA | 是 | |
| 3) | Pi = 770 mW | ≥ Lo = 647 mW | 是 | |
| 4) | Ci = 5 nF | + Cc = 45 nF | ≤ Co = IIC: 89 nF | 是 |
| 5) | Li = 0 mH | + Li = 0.25 mH | ≤ Lo = IIC: 2 mH | 是 |
結論：本質安全認證條件已完全滿足。
在危險區域內安裝訊號傳輸電氣設備
電氣設備的使用要求
在具有爆炸危險區域的設施中，電氣設備需符合不同的使用要求。針對量測、控制和調節技術，可能出現以下應用情境：
- 感測器與執行器安裝於所有危險區域
- 訊號調節器安裝於 1 區、2 區或安全區域
- 控制器一律安裝於安全區域
在此情況下，儀器設備可採用本質安全保護類型和/或其他保護類型進行配置。
危險區域內的本質安全訊號傳輸
安裝於 0 區的感測器或執行器，通常採用本質安全 Ex ia 保護類型，並連接至關聯設備。安全技術資料請參閱 Ex i 隔離器的歐盟型式試驗證書。
除非採用其他保護類型（如耐壓防爆外殼），否則 Ex i 隔離器僅允許安裝於非危險區域：
• 1 區安裝：例如置於耐壓防爆外殼內
• 2 區安裝：例如結合「增安型防護」使用時，須符合 IEC 60079-15 標準要求（如外殼至少需具備 IP54 防護等級）。
危險區域內的非本質安全訊號傳輸
當感測器或執行器採用其他防爆型式（如隔爆型 Ex d 或增安型 Ex e）時，可搭配使用非本質安全隔離器。對於用於 2 區的設備，需具備 Ex ec 核准，此認證要求特殊條件，例如符合 IEC/EN 60079-15 及 IEC/EN 60079-0 標準的認證外殼，且防護等級至少需達 IP54。若無此核准，隔離器必須安裝於耐壓外殼（Ex dc）內。
具 Ex ec 認證的感測器或執行器在 2 區使用時，可搭配本質安全或非本質安全型隔離器使用。當連接 Ex i 隔離器時，本質安全特性將失效，該隔離器必須明確標示此情況。
安裝要求
本圖展示氣體爆炸危險區域中電氣設備的不同安裝方式。相關的專案規劃、選型與安裝要求，均明訂於 IEC/EN 60079-14 標準中。而測試、維護與修理規範，則依據 IEC/EN 60079-17 及 IEC/EN 60079-19 標準執行。
防爆用訊號調節器與量測變送器
防爆訊號調節器與量測變送器除標準功能外，更能依據相關規範為所有物質類別及危險區域提供電氣防爆保護。本系列產品嚴格遵循 SIL IEC 61508 與 PL DIN EN ISO 13849 標準進行開發與驗證， 能將風險有效降低至可接受殘餘風險值，確保人員、設備與環境安全。
