本质安全设备标准（IEC60079-11）的理解（一）
一，问题：
网上关于本质安全标准IEC 60079-11的干货文章不多。 大部分的文章也只是揪着原理性的东西泛泛而谈。对于具体如何设计一款本质安全设备的内容几乎没有。因此只能从标准本身入手。本人在阅读标准文档的时候， 开始感觉非常晦涩难懂。所以在这里先记录自己的理解。如果有同行看到我的文章，希望能够留言，一起探讨和进步。
这里IEC 60079-11标准的版本是6.0， 2011-06。
二，解决思路：
将标准从头看到尾，对于本安的理解是很有用的。但是就本人自身经验而言，这种方法对于初学者，肯定很难坚持下来。所以这里想换一个思路，我们直接从电路的测试部分出发。
三，本质安全IS的原理：
原理这一部分是很好理解的，而且这一部分网上谈论的是最多的。这里简单重复一下。
如上图三角形所示，气体或者粉尘发生爆炸需要：
1），存在可燃易爆物质，如气体，粉尘，液体等；
2），有足够的空气或者氧气；
3），点火源，过高的温度或者电火花。
上面的几个方面，相对来说，只有第三个是比较工程可控的。这也就是本质安全的核心。如果一个设备在易燃易爆的环境中，不会产生足够高的温度或者足够能量的电火花，那么它就不会引起爆炸，也就是说它是本质安全的。
因此设备设计的核心就是控制温度和控制能量（电火花）。
温度的问题后续再写， 这章我们关注电火花。
?四，电火花的产生：
电火花产生的具体物理深层次的分析可以参考相关的物理教材。在IEC60079-11中的附录A中列举了产生电火花的3中电路：
1， 电阻性电路
?2，电容性电路
3，电感性电路
这里列举的这三种电路都是是基本电路，比较容易研究，同时其他的电路都是由他们构成的。因此标准中的各种计算和评估都是基于这三种电路的测试结果进行的。
那么在对上述的3中电路进行研究之时，需要有一个测试设备来测试这个电路到底能不能产生电火花，也就是说它安不安全。 这样当我们改变电路参数，例如电池的输出电压，电阻值，电容电感值等等时，才能获得产生火花时的准确临界值。例如，对第一个电阻性电路，如果电池输出24V， 那么电路中的电阻为多大时，不会产生电火花？如果降低电池输出为12v，那么保证电路不产生火花的电阻的临界值又是多少？这里就需要有一个设备来测试不同的电路。
五，测试设备
我们需要一个设备来测试不同的电路，也就是说我们需要一个设备来代替上述电路中的符号
标准附录B详细介绍了测试设备的构成。
在拷贝测试设备的图形之前，如果能够绘制一个测试设备和电路的连接图，个人认为有助于对测试设备的理解。
如下图，测试设备中有两个圆盘，圆盘的中点对外提供电极，分别连接到外部的电路。
当电路工作时，测试设备中的两个圆盘会以不同的方向，按不同的速率旋转。在旋转的过程中，大圆盘上悬挂的4根钨丝会和小圆盘的凹槽接触。当接触时，电路导通，当钨丝离开凹槽，电路断开。因此两个圆盘的快速旋转，相当于电路中的一个机械开关快速的开合。在开合的过程中，电路会产生电火花。如果此时在圆盘的附近有易燃易爆物，那么这个电火花就有可能点燃它，从而确定一个电火花事件的反生。?
?因此按照上面的原理，标准给出了测试设备的具体参考设计图：
?
其中图中的8就是大圆盘，13是小圆盘。整个设备由一个罩子（11）罩着。罩子里面可以通过导管15向里面填充易爆气体。当电路产生足够强的电火花时，填充的气体就会产生爆炸事件。图中其他部件都是辅助部件，不难理解，可以自己查看。
这里必须吐槽一句，在国内的标准GB 3836.4中将部件8，也就是图中的大圆盘，翻译为“极握”。 第一次看到这个词， 你能知道它的意思吗？我估计新华字典里也查不到它。
六，本安电路曲线图
有了电路模型（第四节中的三个电路），有了测试设备，那么就可以得到本安电路曲线图了，如附录A.1中所示。这个曲线图是基于电阻性电路测试得到的。测试过程中，先固定电源电压，例如20v，然后通过改变电阻值来改变电路电流，那么就能获得一个临界点，高于这个点， 会产生电火花，并引爆易燃气体。低于这个点， 电路是安全的，即使产生电火花，电火花的能量也不能引爆气体。例如，对于IIC类气体（氢气为代表），电路的电流不能超过大约0.44A。改变不同的电源电压值，就可以得到一根电压-电流关系曲线。这根曲线的左下方，是安全区域，曲线的右上方，则是爆炸区域。?
?七， 易燃易燃物（挥发物）的分类
上面的曲线图中，有四根线，分别对应着I， IIA，IIB和IIC。它们分别对应着的是不同的测试易燃易爆物和气体。不同的易燃易爆物有着不同的燃点，所以将他们进行分类是非常正常，符合逻辑的事情。 标准（IEC6900-0）将常见易燃易爆物分为3大类， 7小类。
1， I类，这类主要是对应沼气
2， II类，这个大类主要面向气体易燃物，它还继续细分3个小类， 即
IIA：主要对应的气体是丙烷C3H8
IIB：主要对应的气体是乙烯C2H4
IIC：主要对应的是氢气和乙炔C2H2。
从上面的曲线图中可以看到IIC的燃点最低，IIA的最高，但是II类的燃点都低于I类
3，II类，除了沼气以外的矿场粉尘类易爆物， 它也细分了3个小类
IIIA：易爆飞尘（combustible flyings）
IIB: 不导电的粉尘（non-conductive dust）
IIC：导电的粉尘（conductive dust）。
在附录A中，你可能发现它的所有曲线图都没有标注出III类的曲线。这是因为标准将III类的电火花的测试和IIB归结为同一类。这个在5.5节有说明
八，保护级别和区域划分
IEC60079-11标准一开始就讲保护级别ia，ib和ic，对于初学者，可能就是一脸的懵逼。
这里先讲一下区域划分。区域的划分不在标准60079-11中，而是在60079-10中定义。 易燃易爆环境根据易燃易爆物存在的可能性划分为3种：
Zone 0 ，很大概率存在易燃易爆物
Zone 1， 可能存在易燃易爆物
Zone 2， 不大可能存在易燃易爆物。
（其实还有一个区域： 安全区）
相对应的，本质安全设备就有3中可能，分别是可以使用在zone 0，zone1 和zone 2中的设备。满足zone 0要求的设备，我们称呼它的保护级别为ia，满足zone 1要求的设备，我们称呼它的保护级别为ib，满足zone 2要求的设备，我们称呼它的保护级别为ic。
根据Zone的定义，可以很清楚理解，ia设备可以工作在zone 0，当然也可以工作在Zone1,和zone2。 ib的设备可以工作在zone 1和zone2 区域。反之，则不行， ic的设备只能工作在Zone 2， 不能工作在zone1，更不能工作在zone 0区域。
这里，因为保护级别是按照小写的a，b和c来区分，很容易就将保护级别和第七节的易燃物的分类A,B,C对应。认为满足IIA曲线的设备可以提供ia级的保护，可以使用在Zone区。这是不对的。强调一下，易燃物的分类和保护级别的分类，没有任何直接的关系。只要一个区域，它很大概率出现，不管是I类沼气，还是II类的丙烷，乙烯或者是氢气，或者是II类的粉尘，它只要出现任何的易燃物，那么它就是zone 0区， 必须使用具有保护级别ia的设备。
记住小写的a，b，c是保护级别， 大写的A，B和C是易燃物的分类，是两种完全不直接相关的分类。
九，保护级别的理解
我想大部分人会和我一样，仔仔细细阅读完标准中关于保护级别的定义后。依然不知道保护级别是个什么玩意儿。经过仔细琢磨，才能感觉到那么一丝丝入门的意思。这里我采用情景对话的方式来按照自己的理解去解释它。
话说有一天老王找到了一个挖矿的工作。老王很开心，因为挖矿工作的待遇非常好，一年就抵以前的3年。但是上班第一天，老王就郁闷了。因为经理告诉他，其他工作都有人在做，不好安排，刚好矿场附近最近发现了一个溶洞。经理想让老王去探探溶洞的地形。
老王有些害怕，根据他对矿场的了解，这种溶洞，往往会有易燃易爆，或者有毒气体。思前想后，他找到了经理。
“经理，这溶洞如果有有毒气体咋办？”
“老王，不要怕。这只是下去探探路，你们都是带有防毒面具的。再说了， 你们每一个人都配备了各种气体检测器。一旦存在有毒气体，这些检测设备都会告警的。一旦告警，你们就撤回来，不会有任何问题的”经理信誓旦旦。
“经理，我就是因为这些气体检测器，心里硌得慌。你看，一个个挂在我身上，就像一个个手榴弹。万一他们失灵，怎么办？”老王还是愁眉不展。
“哈哈”，经理听后，放声大笑“老王，你这就外行了吧，这些气体检测器在你们进入溶洞之前，都会使用标准气体测试他们的功能的。”
“经理，我知道，这叫bump测试，培训的时候老师讲过“。老王继续解释，“”所以我不担心它的功能失灵，我担心的是万一它发生故障怎么办？你看，前段时间，苹果手机，三星手机都发生电池爆炸事件了，万一我手里的气体检测器也电池爆炸，那我们不就交代在里面了吗？”
“嗯，不错啊，老王，看样子前期的培训很有收获。你说的很对!我们可以通过标准气体验证检测器，如果它读数不准确，还可以校正。但是对于电池故障，引起爆炸这种错误，我们是没有办法现场测试的，但是幸运的是，这种类型的错误，气体检测器的厂家，已经委托第三方机构进行验证和测试了。对于你关心的电池爆炸问题，他们会对各个设备的电池进行短路测试，以保证电池自身不会爆炸，同时它短路引起的温度也不会引起气体爆炸。”
经理看老王听得认真，继续说道：“你看这个EX标志，IECEx ia IIC T4 Ga Ambient -20°C to +50°C，它表示这个设备保护级别是ia，最高的保护级别，允许在zone 0使用的。这个IIC表示这个设备产生的电火花能量很小，小到不会引起氢气的爆炸。所以你看，你有什么不放心的呢？”
“不是，经理， 你说的，我好像都听懂了， 但又不明白。你说这个保护级别是ia,是最高级别。那怎么它就是最高保护级别了呢？”
“这就涉及到本质安全的概念了，这个培训老师是不是讲过？”经理见老王点点头，继续说道，“本质安全只关心温度和电火花， 它不关心设备的具体应用功能，如这个气体检测器，检测气体浓度，准不准确，它是不管的，设备运行稳不稳定，也不管的，更不叼你是不是黑屏还是蓝屏了。它只关心任何情况下，设备自身产生的热度和电火花低于某一个值。”
“你看到我办公室墙上的那个二氧化碳检测器了没？”经理指了指后背的墙上，“那个设备是24v供电的，最大输入电压28v。 你只要输入电压不超过28v，那么正常工作条件下，这个设备它内部的温度就不会升高到T4的临界值，也就是135度，同时内部也不会产生过大的电火花。但是，你知道的，大部分设备内部都是有保护电路的。这个设备内部也有过压，过流保护。如果电压超过28v，它的内部保护电路就会开始起作用了。记住，这个时候，设备的保护电路，可能引起，旁路，短路等操作，这些操作会引起温度的升高或者产生电火花，而且温度有可能超过135度，电火花的能量也可能超过安全曲线图。我们把这种设备归到ic类，也就是把它的保护级别定义为ic类。”
“也就是说，ic类就是平时一副得意洋洋的样子，一碰到挫折，就萎了，是吧？”老王还挺幽默。
“对，可以这么形容。”经理苦笑不得，“对于ic类，也不一定就是保护电路起作用时破坏本质安全规则，也有可能是某一个器件，例如电容，它的工作最大电压就是28v，超过它，电容就爆了，还有其他一些原因，如电源正负线在PCB上靠得太近了。所以为了不让设备这么萎，我们有必要研究一下萎的原因。老王，首先声明，我不知道所有萎的原因，我这里只是给你举几个例子。第一个就是我刚刚说的，器件本身的原因，例如电容最大电压就是28v；第二个就是连接线，包括PCB上的走线，靠得太近。。。”
“停停停，经理，你饶了我吧，我一听这些具体的，就头疼。你就直接告诉我ib类咋就不萎了呢？”老王一看，经理貌似小学老师附体，赶紧打断他。
“老王，你一点耐心都没有！好吧，反正我也不是很懂。我就挑我知道的说。ib类就是第一自身身体素质过硬。它用的物料都是超过设备工作最大额定功率的1.5倍，也就是说，如果我们设备的工作最大电压是28v，那么它在电源附件的电路用的物料都是能够在28vx1.5=42V条件下的，所以它抗打击能力特棒。另外它即使发生一个countable fault，ib类设备依然不会产生高温或者足够大的电火花。这里的countable fault是一种特殊的错误，例如，过压保护电路中，使用的zenor保护管烧坏了。在标准中，这种错误发生的原因没有细说， 它考虑和关心的是万一它发生了，该怎么办？具体怎么办，标准也不关心， 标准关注的是发生后，温度会不会超过规定值，会不会产生足够大的电火花。而在实际设备认证的测试过程中，会人为的把它弄坏，然后测试设备是否会发生温度过高和点火花的情况。”
“经理，我发现你有好为人师的习惯！”老王又有些不耐烦了，“ic类就相当于我们社会中的辅警，没事的时候，天天扯高气扬的，真的碰上事情了，立马萎了。 ib类就是正规军，经过军事训练，身体强壮，有胆量，敢上战场。即使一只手受伤，也能用另外一只手开枪。ia类是不是就相当于特殊部队，即使双手受伤，还能用脚扣扳机？”
“是的，ia类就是经过最严格训练的士兵，它不但身体强壮，每一个器件都是按照1.5倍额定参数选择的，而且它心里素质还很过硬，即使有两个countable fault，就像你说的，两只手都受伤了，它依然不会失控，自身温度不会超出范围，也不会产生足够强的电火花。所以老王，你就放心吧，我给你的可是ia级别，这是特殊部队，肯定没有问题的。”经理拍了拍老王的肩膀。
“那，如果特殊部队的手和脚全部受伤呢?”老王不为所动，继续追问。
经理再一次苦笑不得，“我说老王，你就是要抬扛。确实，它有可能发生3个以上的countable fault，也就是你说的万一手脚都受伤的情况。但是这里存在一个概率上的问题。老王，我问你， 馒头吃过吧？”
经理见老王点头，继续问：
“听说过馒头噎死人的事情吧？”
“好像听说过”
“那每一个馒头是不是都要做成米粒小，才能保证不噎死人？”
“那吃啥馒头啊，直接喝稀粥得了！”
“对啊，不能因为100年才发生一次馒头噎死人的事情，就要求所有的馒头都做的很小。时间效率不允许咱每一次都把馒头做小。同样的道理，ia类的设备也有可能同时发生3个或者3个以上的故障，但是这种情况的概率已经很小，在工程上已经可以忽略不计。真要发生了，那也就像是你老王亏心事做多了，阎王爷看不下去了，要收拾你。这种情况，别说馒头噎死你，可能你走在路上，不知哪儿从天上掉下一个石头，也会把你砸死！”
“哎，经理，你别咒我啊！”
“我没咒你，我在跟你讲概率呢！你看，ic类设备，假设它运行的环境有易燃物的概率是1/1000，它因为外部干扰，引起普通故障的概率是1/1000,那么它引起爆炸事故的概率是
1/1000 * 1/1000=1/1000000，
已经很小了，可以忽略不计了；
而ib类运行环境有易燃物的概率是50/100, 它因为外部干扰，引起普通故障的概率是1/1000,引起一个countable故障的概率是1/1000，那么它引起爆炸事故的概率是：
50/100*1/1000*1/1000=1/2000000,
也是非常小了，如果算上安全因子1.5，那发生事故的概率更小了，可以忽略不计；
同样的ia类设备运行环境虽然有90%的概率有易燃物，但是考虑到普通故障的概率，2个countable故障的概率，安全因子1.5，最终的乘积结果说明它产生爆炸事故的概率也是极其低的。低到的程度相当于你老王吃馒头噎死的概率，嘿嘿”。
“经理，你别拿我打比方了。得了，我明天下溶洞就是了”，老王说完，急冲冲的走了，
他边走边想，“本来今天还在犹豫是去小丽家还是去晶晶家的。今天看样子是要戒色了，别哪一天真被馒头噎死了就划不来了！”
……………..这是分隔线........................................
总结一下本质安全设备保护级别的分类：
1，保护级别分3类，ia，ib，ic。ia保护级别最高，ic最低。
2， ia和ib的安全因子是1.5，也就是说他们的任何元件的额定参数都要大于他们工作最大参数的1.5倍。ic类安全因子只要1.0，相当它的元件于只要保证电路能够正常工作即可。
3，ia类设备在两个countable fault条件下，设备依然不会产生高温或者强火花，如果多余2个countable fault，ia类设备就有可能产生高温或者强火花。当然也有可能依然不会产生高温或者强火花。ib类设备在一个countable fault条件下，设备依然不会产生高温或者强火花。大于两个的情况下，可能引发引起爆炸的条件，也有可能不会引起。ic类只能保证在正常工作条件下不会产生高温或者强火花。
4，个人理解这么分类有一定的统计概率的原理。不要纠结于大于等于三个countable fault的情况。这种情况发生的概率极小，可以工程上忽略不计。
5，countable fault的概念在标准里不是非常的明确。只有笨办法，在标准中看到一个记一个。
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