防爆外壳设计优化方案

红外传感器的电路采取本安防爆，原则上本质安全型电气设备不需要外壳保护，但是为了避免意外或者来自环境的各种冲击和跌落，本设计采用金属外壳对其进行保护，本设计的传感器外壳防护等级为IP55。

1.防爆外壳材质的选择

防爆外壳选取钢材时应符合GB3836.1—2010的要求，同时应满足强度、力学性能和弯曲性能的要求。由GB3836.1—2010可知制造Ⅰ类电气设备外壳材料，按质量百分比的总含量不应超过：

（1）15%的铝、镁、钛和锆；

（2）7.5%的镁、钛和锆，该材质的抗拉强度不低于120MPa。

综上考虑选择ZG 230-450号铸钢。

2.防爆外壳形状的选择

当甲烷气体爆炸时产生的爆炸气体温度很高，温度可达2100～2700℃。在高温的环境下产生了很高的压力，在一定的容积下，根据波义耳-马略特定律可表示

式中 P——爆炸后的压力；

P₀——爆炸前的压力，一般为1×10⁵Pa；

T——爆炸后的绝对温度，T=273+t℃（t——爆炸后的温度，2100～2200℃）；

T₀——爆炸前的绝对温度，T₀=273+t₀℃（t₀——爆炸前的温度，15～25℃）。

式（5-8）简化可得

爆炸压力和容器的容积大小无关，和散热面积有关，容积相同但散热面积不同产生的压力也会有很大的不同，见表5-1。

表5-1 不同形状容积的爆炸压力

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由表5-1可知，圆球形容器承受的爆炸压力最大，长方体容器承受的爆炸压力最小。因为散热面积不同，爆炸压力会因容器形状的不同而不同，并且随着散热表面积的增大而使压力降低。

隔爆外壳的几何形状是多样的，大量的理论研究和实践证明：在相同容积、不同形状的隔爆外壳中，非球形外壳中的爆炸压力比球形外壳中压力低，即球形外壳的爆炸压力最大，而长方体外壳爆炸压力最小，外壳内的爆炸压力是随着容器形状的不同而改变。这是因为随着外形散热表面积的增大而降低了爆炸压力。因此，隔爆外壳以采用长方形外形为宜，这样可以提高外壳的耐爆能力。

隔爆外壳的容积也是设计隔爆外壳的关键。理论和实践都证明：在其他条件都一定的情况下，隔爆外壳的容积与外壳内的爆炸压力无关，容积对压力的影响不大。因此在设计制造隔爆外壳时就可以在满足设备技术要求的前提下，尽量减小隔爆外壳的体积，保证了外壳的耐爆性又减小了体积、减轻了重量，更便于使用。

3.防爆外型壳体结构的设计

红外传感检测系统在实际使用环境中，水气、粉尘、潮湿等污染都较重，而这些使传感检测系统通常不能准确工作，将会给检测设备带来错误信息。所以要使红外传感检测系统能够克服这些因素，必须对红外传感检测系统采取适当的防护措施。

而要使所设计的传感检测设备在工矿企业能够得到应用，必须使传感检测设备为隔爆型电气设备，满足防爆使用的要求，壳体还需具备防静电、抗电磁干扰等性能。

综前所述，外形结构的设计在考虑以下几个方面设计的：

（1）在结构上采用单腔式的，因为这样就避免了爆炸时因另一腔的压力聚集，而使未爆的一腔压力增得更大，造成更严重的爆炸；

（2）在形状上采用长方形的，从爆炸压力角度考虑，长方形能增大面积，减小体内平均压力，这样能加大外壳的耐爆性；

（3）对于外壳的各结合面按照前述各技术要求以及最小间隙规则来设计，使各结合面间隙最小；

（4）在材料上选用工程塑料，因为对于该结构体积不超过2L，且选用工程塑料易成形，可采用模具加工，便于批量生产。

最终设计结构必须都要满足隔爆、防爆原理，严格按照它们的技术要求和矿下规定设计。图5-18所示为工业用危化品运输检测红外传感器的外形结构图，该结构描述了各组成结构及各部件的实际用途与连接关系。图5-19所示为矿用便携式甲烷红外传感器防爆外壳实物图。

图5-18 工业用危化品运输检测红外传感器的外形结构图

图5-19 矿用便携式甲烷红外传感器防爆外壳实物图