本质安全设备标准（IEC60079-11）的理解（六）温度

本质安全设备的温度要求也是非常复杂的，首先在标准中涉及有3个温度的概念：

环境温度ambient temperature，工作温度service temperature和最高表面温度maximum surface temperature.

1，环境温度ambient temperature

环境温度比较好理解的，就是设备工作环境中的温度。一般用Ta或者Tamb来标示。默认的温度范围是–20 °C to +40 °C。如果设备适用于默认温度，那么可以不用明确标识出来；如果是其他范围，那么需要在设备的防爆标志中明确标识出来。

例如以下是一款气体检测设备的标识牌：它适用于环境温度-40°C到+65°C。

2，工作温度service temperature

工作温度咋听时，觉得还是比较好理解的。但是实际上还是有疑问的。

它的定义是设备工作在正常额定值的情况下，设备上的一些点上的最高或者最低温度值。因此工作温度不是对设备来讲的，而是针对设备的某一些特定“点”来说的。一个设备不同的点上，可以存在不同的工作温度。这个概念（service temperature）就和表面温度surface temperature有重合的。设备的表面温度也属于工作温度。

本人并不是非常理解为什么要定义工作温度的概念，但是通过搜索60079-0的文档，发现这个概念主要用于塑料外壳的相关测试之中，它们是作为一些测试的前提条件。这也从侧面解释在标准中有工作温度的定义和测试方法，但是没有测试结果的比对，即没有设备的工作温度应该低于多少度等等的说明。

3，最高表面温度maximum surface temperature

最高表面温度是我们关注的重点。本质安全设备的一大目标是保证设备的任何一点表面温度不超过易燃物的燃点（另一个目标是不产生电火花）。

这里需要说明一下的是：对于本安设备来说，PCB的表面也是属于设备表面，需要考虑最高表面温度。而对于其他保护类型的设备，例如液浸性，浇封性等保护设备，PCB的表面往往不是设备表面。

对于表面温度，第一件事情，就是关注它不引燃的临界温度。因为不同的易燃易爆物的燃点不同，所以对应的最高温度也是不同的。

我们知道设备分为3大类，7小类，那么对应的临界温度是不同的。

对于I类(煤矿类),当设备的表面可能堆积煤矿粉尘时，最高表面温度不能超过150°C

当设备的表面不会堆积煤矿粉尘时，最高表面温度不能超过450°C.

对于II类（气体类），因为气体的种类比较多，所以对应的温度分类比较多。标准中定义了6个温度组别（表格2）。

常见的本安设备都会列出它符合的温度组别，例如上面第一节中标志牌中的T6.

当然设备也可以不按上面的组别来标示，可以直接标示出自己的最高表面温度也是可以的。但是上面的表格中的温度已经囊括了大部分的情况。特别是T4组别。如果设备符合T4的温度要求，则可以适用于大部分的气体环境中。所以T4是设备设计者关心的比较多的。

对于III类（除煤矿类之外的粉尘环境），标准中竟然没有直接给出温度值（疑问？）。例如在标准5.3.2.3中，对于EPL Da设备，说明它的最高温度需要按照26.5.1的方法测试得到，而在26.5.1.3中，又说：“for Group III equipment, those values assigned, see 5.3.2.3 ”。貌似是一个死循环。

google了一下，发现一篇文章讲了类似环境下的温度判定方法：

对于飞尘（dust clouds），设备表面温度不能超过飞尘燃点的⅔.例如如果飞尘的燃点是150°C，设备的表面温度不能超过150 * ⅔ = 100°C.

对于Dust Layers（as layers settled on surfaces）,设备表面温度不能超过粉尘燃点减去75.即设备的表面温度至少要低于粉尘燃点75°C。

4，小器件的最高温度

有理论和试验证据，表明被加热的表面积越小，表面积达到点燃爆炸物的温度就越高。这还是很容易理解的。表面积越小，它需要更高的温度传导给四周，使得四周的温度达到爆炸物的燃点。所以对于小器件，例如，电阻，晶体管等等，它们的温度要求可以突破上一节规定的最高表面温度。

但是标准中针对小器件的说明只适用于I类和II类器件，不适用III类（原因不详）。

对于小器件，可以通过26.5.3的方法测试它不引燃爆炸物的最高温度。但是这种测试方法对于设计师来说，比较不实用。因为它需要爆炸物样品，还需要模拟小元件的安装放置情况（这往往要求先设计PCB）。所以我们还是更关注下面的两种方式：

对于T4温度组别和I类设备，可以参考表格3；

对于T5组别，如果小器件的表面积小于1000mm2，那么它的温度可以达到150°C。

如前文所述，如果设备符合T4的温度要求，则可以适用于大部分的气体环境中。所以设计的产品是用于气体环境中，那么T4就是关注的重点。

对于I类设备，如果器件表面积小于20mm2，那么它的温度可以达到950°C。

对于II类设备，如果器件表面积小于20mm2，那么它的温度可以达到275°C，远大于T4要求的135°C。

对于常见的0603封装的电阻，它的长宽高分别是1.55mm， 0.85mm和0.45mm，表面积大约是1.55x0.85+0.85x0.45x2+1.55x0.45x2=3.5mm2 远远小于20mm2. （这里本人没有计算电阻紧贴PCB的那一个面，只是累加了其他5个面）。

对于常见的2010封装的电阻，它的长宽高分别是5mm， 2.5mm和0.6mm，表面积大约是21.5mm2，稍稍大于20mm2.

所以在选择小器件的时候，它的表面积可以按照2010的电阻来比对。当然也可以选择大一些的器件。按照表格3，只要小于1000mm2，温度要求可以达到200°C，相对于135°C，也是降低了很多的。

5 光滑表面的器件温度

如果元器件的表面不大于10 000mm2，那么它也有可能超过温度组别而不引燃爆炸物。但是对于这种情况，需要经过测试确定。而且表面温度阈量是：

对于T1,T2和T3的II类器件，温度阈量是50K；

对于T4,T5和T6的II类器件，温度阈量是25K ；

对于I类器件，是25K。

关于光滑表面器件的温度，标准中并没有细谈。这里其实有几个疑问的。第一个是如何定义光滑表面，即什么样的表面可以认定是光滑的？第二个问题是就算是认定光滑表面，它的温度还是需要测试的。最终都是需要测试的（并没有给设计带来提前预知的便利），那么为什么需要把它单独列举出来？（可能也是因为最终需要测试，所以也可以理解为为什么没有定义光滑表面。因为一个表面可以人为认定光滑，然后通过测试，确定最后的温度要求。）

上面的温度阈量可以这么理解：对于T4温度组别，如果当光滑表面的温度达到135+25k=160°C，不会点燃测试的易燃物，那么这个光滑表面就满足T4的组别要求。

6，温度的测试

温度的测试是比较直接的。使用温度计或者其他温度测量仪器即可。

但是需要注意的是温度计或者温度测试仪不能影响到被测试的设备的温度。即温度计或者温度测试仪不能影响周边温度。

温度的测试是有起伏的，所以标准中对温度稳定状态进行了定义：

当温度的变化小于2k/h（每小时2°C的变化），可以认定温度达到稳定状态。

而对于EPL Da或者Db设备，当其工作温度或者表面温度变化小于1K/24h,那么可以认定温度达到稳定状态。

当测试工作温度（service temperature）时，设备需要工作在正常状态下，包括额定电压，额定电流以及额定功率。需要强调的是，测试工作温度时，此时不需要考虑故障情况。为了测试最坏的情况，通常会考虑两种情况：一个就是选取电压范围的极值，例如设备工作在100~250v的范围内，需要测试100V或者250V时，对应的工作温度；第二个就是当设备的温度不直接收电压影响时，需要采取方法使得设备的电流达到100%的额定电流。

最高表面温度的测试会比工作温度的测试更严格一些。这主要体现在：

1，设备的额定电压，需要采取90%或者110%的值；例如设备工作在100~250v的范围内，需要测试100V*90%=90v或者250V*110%=275V时对应的温度；

2，当设备的温度不直接收电压影响时，需要采取方法使得设备的电流达到110%的额定电流。

对于II类设备，测试的最高表面温度需要略低于温度组别定义的数值，即，对于T1和T2，最高温度需要少于10k，对于T3~T6，测试的最高表面温蒂需要低于5K。例如T4的温度组别定义的最高温度是135度，那么它的最高表面温度需要小于135-5=130度。

7，本安设备的温度

上面几个小结是关于工作在危险环境下设备温度的统一规定。对于本安设备，当然还有额外的要求。

对于工作温度，本安设备没有对于的要求，但是对于最高表面温度，本安设备需要考虑故障的情况。即对于ia设备，需要考虑2个可数故障（countable faults）以及不同的不可数故障（non-countable faults）的情况；对于ib设备，需要考虑1个可数故障及不同的不可数故障（non-countable faults）的情况。

因为本安设备往往不要求外壳密封性很好，设备的外部和内部都会接触爆炸物，所以所有元器件的表面，外壳，线缆，以及PCB走线都属于设备的表面，需要考虑它们的最高表面温度。

在测试本安设备的温度时，可以在设备标称最高环境温度下测试，也可以在其他常温下测试。具体允许的温度是20°C~设备标称最高环境温度。

测试得到的设备最终温度=测试时得到的温度+设备标称最高环境温度-测试环境温度。

例如如果在20°C是测试一个设备，得到它的温度是80°C，而这个设备标称的最大环境温度是55°C，那么它的最终温度=80°C+55°C-20°C=115°C。这种方法使用前提是设备的温度特性是线性的。如果设备特性不是线性的，例如电池，那么必须在最高环境温度下测试。

对于本安设备中的小器件（I类和II类设备），标准60079-11中的5.6.2节明确指出，对于上述第四节中表格3中的温度200°C，275°C和950°C，不适用5K和10K的安全阈量。这里本人比较费解，不知道是何原因。

对于本安设备内部的线缆（I类和II类设备），标准60079-11对其温度也有说明。因为线缆的温度都是来源于内阻引起的发热，所以标准中将其温度和对应的电流相挂钩。标准中有两种从温度计算对应电流的方法。一种是公式法，一种是表格法。公式法比较繁琐，一般我们比较喜欢表格法。下面表格2就是用来参考判定电缆是否满足要求的。例如如果一根电缆的直径大约是0.035mm，那么如果经过它的电流小于0.53A即可满足T1和T4组别的温度要求。

使用表格法需要注意的是，

1，它的对象是线缆，而PCB上的走线是不同的，PCB走线的温度和电流下文会说明。

2，上述表格的使用前提是最大环境温度为40°C。如果本安设备标称的环境温度大于40度，标准中没有具体计算方法。但是结合上述第四节中的表格4，本人认为可以经过换算得到更高环境温度下的电流：

例如对于直径为0.5mm的线缆，它的在40°C时对应T4的最大电流是7.7A，此时从表格4可以得到对应的功率是1.3W。如果环境温度上升到50°C，它的最大功率不应该超过1.25W。因为功率和电流的关系是

P=I2R，

所以两个功率之比对应着电流平方之比。即40°C下的功率P40和50°C下的功率P50之比对应着电流的平法之比，如下

P40/P50=I40*I40/(I50*I50)

1.3/1.25=7.7*7.7/(I50*I50)

可以得到I50=7.55.

因此，如果直径为0.5mm的线缆，它在50°C下的电流不能超过7.55A。

3，标准中默认设备中的电缆是小器件。这里验证一下。

依然选取0.5mm直径的电缆，它的横截面的周长是3.14*0.5=1.57mm，那么对应1000mm2的表面积，它的长度需要达到1000/1.57=637mm。在一个常见的本安设备内，电缆连接线的长度基本不会超过此长度的。

本安标准对PCB上的走线也列举了专门的一节进行说明。和线缆类似，按照表格法，PCB上的走线的判定依据也是按照电流来的。例如，一个1.6mm后的PCB板，铜箔厚度33um，那么一根宽度为0.1mm的走线，T4温度组别允许的最大电流是1A。

虽然上面表格中定义的电流看起来比较大，但是实际上还是有其他因数没有考虑在内的。

例如上面表格默认的PCB厚度是1.6mm，如果实际设计的PCB厚度不够，需要将表格中的电流数据除以1.2.同样，如果板子双面都走线，还需要除以因子1.5. 如果PCB是多层板，还需要除以因子2。如果PCB走线上面的元器件的功耗大于0.25w，那么还需要除以因子1.5. 当然如果铜箔厚度不是33um，环境温度不是40°C，而是其他数值时，也需要除以相应的因子。

常见的PCB都是多层板（双层板电气完整性不够好，推荐使用多层板），厚度一般都是1.6mm，铜箔厚度大部分情况下也是33um，因此对于常见的PCB，上述几种情形综合起来的总因子大约是1.5 * 2*1.5=4.5。一根8mil（2mm）的信号线上，考虑4.5的因子，它对应T4的最大电流1.8/4.5=0.4A。

标准中也例举了几个例子，如下：

For example, on printed circuit boards of at least 0,5 mm thickness, having a conducting track of at least 33 mm thickness on one or both sides, by applying factors given in Table 3, a temperature classification of T4 or Group I shall be given to the printed tracks if they have a minimum width of 0,3 mm and the continuous current in the tracks does not exceed 0,444 A. Similarly, for minimum track widths of 0,5 mm, 1,0 mm and 2,0 mm, T4 shall be given for corresponding maximum currents of 0,648 A, 1,092 A and 1,833 A respectively.

它另外考虑了PCB的厚度因子1.2，总因子是4.5*1.2=5.4.

除了上面的表格法，如果可以计算出PCB走线的功耗低于1.3W，那么也可以认定为满足T4组别或者I类设备的温度要求。

另外如果PCB走线长度小于10mm，因为太短，可以不考虑温度组别，即默认满足环境温度要求。

8 III类设备的温度要求

待补充。

9，温度的计算

本质安全设备是否符合温度的要求，最简单的方法当然是测试。但是测试往往都是在设备设计以后才进行的。如果此时设备不达标，又要重新设计，花费的时间和成本都是很多的。我们设计者常常需要在设计阶段就尽可能使得设备满足温度的要求。这一部分内容标准中是没有的，也是各个产家的不传之秘 :-)。

根据第四节的表格4，对于I类和II类设备，如果功耗低于1W，则满足环境温度为80°C对应的T4组别的要求。如果功耗低于3W，则满足I类设备的要求。

标准里面并没有明确指出这个功率数是针对整个设备的，还是某一个器件的。表格4是针对小器件来说的，但是小器件满足的条件是> 1000mm2. 所以我个人认为最好整个设备的功率不要超过1W（或者40°C时的1.3w）。因为常见的设备都是需要一个限流设备，例如保险丝，如果考虑保险丝后的负载短路，那么保险丝上将承载所有的功耗。如果一个设备的整体功耗大于1W，那么这个保险丝上的功率就很可能超过1W。所以从保险丝这个小器件的角度来说，它就不符合温度的要求。

如果一个小器件的表面积<20mm2，根据表格3，需要将功耗转换为温度进行对比。所以在考虑电阻，三极管等小器件的时候，需要找到计算温度的方法。这里就设计到一个热阻(thermal resistance)的概念. 从网上摘抄一下它的概念：

热阻(Thermal Resistance)的定义是：当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。可以理解为热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W热量所引起的温升大小，单位为K/W或℃/W。可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电压，则热阻相当于电阻。热阻和材料的厚度成正比，和材料的面积成反比。

热阻不单单和材料相关，还与材料的构件方式相关，例如一个电阻的热阻不单单和这个电阻本身相关，还受电阻的焊接方式所影响。直接的例子就是对于一个表贴电阻，焊接的焊盘越大，它的热阻肯定越小。

所以回归到本安设备来讲，PCB板上的每一个小器件的热阻，是很难得到精确值的。但是幸运的是，我们不需要使用精确值，我们关注的是某一类器件在比较恶劣的条件下它的热阻值。这些值可从本安认证机构得到。

对于常见封装的贴片电阻，可以取值如下: