Czujniki drgań w strefach Ex — poradnik doboru i instalacji

W rafineriach, zakładach chemicznych i farmaceutycznych, kopalniach, młynach czy silosach zbożowych punkt pomiarowy może się znajdować w miejscu, w którym występuje lub może wystąpić atmosfera wybuchowa. Czujnik drgań, jego przewód i cały obwód pomiarowy stają się wtedy częścią systemu ochrony przed wybuchem. Ten poradnik porządkuje podstawowe pojęcia — nie zastępuje jednak certyfikatu, instrukcji producenta ani projektu wykonanego przez osobę z odpowiednimi kwalifikacjami.

Strefy zagrożenia wybuchem

Klasyfikację stref przeprowadza użytkownik instalacji na podstawie oceny ryzyka i zapisuje ją w dokumentacji zakładu — w Polsce w dokumencie zabezpieczenia przed wybuchem. Zasady wynikają z dyrektywy 1999/92/WE i przepisów krajowych. Strefy wyznacza się osobno dla gazów i par oraz dla pyłów.

Gazy, pary i mgły

• Strefa 0 — atmosfera wybuchowa występuje stale, często lub przez długie okresy.

• Strefa 1 — atmosfera wybuchowa może wystąpić sporadycznie podczas normalnej pracy.

• Strefa 2 — atmosfera wybuchowa nie występuje podczas normalnej pracy, a jeśli wystąpi, to tylko krótkotrwale.

Pyły palne

• Strefa 20 — obłok pyłu palnego w powietrzu występuje stale, często lub przez długie okresy.

• Strefa 21 — obłok pyłu może wystąpić sporadycznie podczas normalnej pracy.

• Strefa 22 — obłok pyłu nie występuje podczas normalnej pracy, a jeśli wystąpi, to tylko krótkotrwale.

Grupy, kategorie i poziomy zabezpieczenia

Dyrektywa ATEX 2014/34/UE dzieli urządzenia na grupę I — do podziemnych części kopalń i ich instalacji naziemnych zagrożonych metanem lub pyłem węglowym — oraz grupę II, obejmującą pozostałe miejsca. W grupie II wyróżnia się kategorie 1, 2 i 3 z oznaczeniem G (gazy) lub D (pyły): kategoria 1 odpowiada strefom 0 i 20, kategoria 2 — strefom 1 i 21, a kategoria 3 — strefom 2 i 22. Urządzenie kategorii 1 można stosować także w strefach przewidzianych dla kategorii 2 i 3, a urządzenie kategorii 2 — także w strefach dla kategorii 3.

Normy serii IEC/EN 60079, na których opiera się również system IECEx, posługują się poziomami zabezpieczenia urządzeń (EPL): Ga, Gb, Gc dla gazów, Da, Db, Dc dla pyłów oraz Ma, Mb dla górnictwa. Dodatkowo określa się grupę gazową (IIA, IIB, IIC — przy czym IIC jest najbardziej wymagająca), grupę pyłową (IIIA, IIIB, IIIC) i klasę temperaturową T1–T6, która wskazuje maksymalną temperaturę powierzchni urządzenia. Im wyższy numer klasy, tym niższa dopuszczalna temperatura powierzchni.

Przykładowe oznaczenie Ex ia IIC T4 Ga czyta się tak: Ex — urządzenie przeciwwybuchowe, ia — iskrobezpieczeństwo na najwyższym poziomie, IIC — grupa gazowa, T4 — klasa temperaturowa, Ga — poziom zabezpieczenia odpowiedni dla strefy 0. Ten sam czujnik może mieć kilka wierszy oznaczenia — dla gazów i dla pyłów oraz dla różnych zakresów temperatury otoczenia — dlatego trzeba wybrać ten, który odpowiada warunkom w miejscu montażu.

Iskrobezpieczeństwo „Ex i”

Iskrobezpieczeństwo polega na ograniczeniu energii elektrycznej w obwodzie — napięcia, prądu i mocy, a także energii zgromadzonej w pojemnościach i indukcyjnościach — do poziomu, który nie może zapalić atmosfery wybuchowej ani iskrą, ani przez nagrzanie powierzchni. W odróżnieniu od osłony ognioszczelnej nie chodzi o wytrzymanie wybuchu, lecz o to, by do zapłonu w ogóle nie doszło. Poziom „ia” zachowuje bezpieczeństwo przy dwóch uszkodzeniach i nadaje się do stref 0 i 20, „ib” — przy jednym uszkodzeniu (strefy 1 i 21), a „ic” — w normalnej pracy (strefy 2 i 22).

Czujnik iskrobezpieczny nie zapewnia ochrony sam w sobie. Bezpieczny jest dopiero cały obwód: czujnik w strefie, przewód i urządzenie towarzyszące — bariera — umieszczone poza strefą lub w odpowiedniej obudowie.

Bariera Zenera czy separator galwaniczny

Bariera ogranicza napięcie i prąd, które mogą trafić do strefy, także w razie uszkodzenia urządzeń po stronie bezpiecznej. Stosuje się dwa rozwiązania:

• Bariera Zenera — prosta konstrukcja z diodami Zenera, rezystorem i bezpiecznikiem. Wymaga niezawodnego połączenia z uziemieniem iskrobezpiecznym i nie zapewnia separacji galwanicznej.

• Separator galwaniczny — oddziela obwód w strefie od obwodu po stronie bezpiecznej, nie wymaga uziemienia iskrobezpiecznego i ogranicza problemy z pętlami masy, ale zwykle potrzebuje własnego zasilania.

Każdy tor pomiarowy wymaga osobnego kanału bariery; nie łączy się kilku czujników do jednego kanału. Przy czujnikach wieloosiowych i z wyjściem temperatury liczbę kanałów i sposób połączeń określa certyfikat i instrukcja producenta. Bariera musi też odpowiadać rodzajowi sygnału: dla akcelerometru IEPE musi przepuszczać prąd zasilania czujnika i sygnał dynamiczny bez nadmiernego spadku napięcia i ograniczenia pasma, a dla czujnika 4–20 mA — współpracować z pętlą prądową i wejściem analogowym. W bibliotece dokumentacji znajdziesz przewodniki producenta dotyczące barier bezpieczeństwa.

Dopasowanie parametrów czujnika i bariery

Dokumentacja czujnika podaje jego parametry wejściowe: Ui, Ii, Pi, Ci i Li, a dokumentacja bariery — parametry wyjściowe: Uo, Io, Po, Co i Lo. Obwód jest poprawny, gdy spełnione są warunki:

• Uo ≤ Ui, Io ≤ Ii, Po ≤ Pi,

• Ci + pojemność przewodu ≤ Co,

• Li + indukcyjność przewodu ≤ Lo.

Pojemność i indukcyjność przewodu rosną z jego długością, dlatego dla każdej konfiguracji istnieje maksymalna dopuszczalna długość przewodu. Producent publikuje przewodniki dotyczące maksymalnej długości przewodu dla wersji iskrobezpiecznych. Sprawdź też, czy grupa gazowa lub pyłowa i klasa temperaturowa obu urządzeń odpowiadają strefie, a zakres temperatury otoczenia czujnika obejmuje warunki w miejscu montażu — z uwzględnieniem ciepła oddawanego przez maszynę.

Inne rodzaje ochrony: Ex d i Ex tb

• Ex d — osłona ognioszczelna — obudowa wytrzymuje wybuch wewnątrz i nie przenosi płomienia na zewnątrz. W czujnikach drgań stosuje się ją np. jako ognioszczelną głowicę przyłączeniową.

• Ex tb — ochrona za pomocą obudowy — dotyczy stref pyłowych: szczelna obudowa nie dopuszcza pyłu do wnętrza, a temperatura powierzchni jest ograniczona. Poziom „tb” odpowiada EPL Db, czyli strefom 21 i 22.

Rodzaj ochrony dobiera projektant instalacji. Każdy z nich ma własne wymagania montażowe, np. dotyczące dławików i wprowadzeń przewodów.

Dokumentacja do sprawdzenia

• Certyfikat — certyfikat badania typu UE (ATEX) lub certyfikat zgodności IECEx. Litera „X” na końcu numeru certyfikatu oznacza specjalne warunki bezpiecznego stosowania, opisane w certyfikacie.

• Deklaracja zgodności UE — wymagana dla urządzeń wprowadzanych na rynek Unii Europejskiej.

• Oznaczenie — na urządzeniu i w karcie katalogowej: grupa, kategoria lub EPL, rodzaj ochrony, grupa gazowa lub pyłowa, klasa temperaturowa i zakres temperatury otoczenia.

• Instrukcja i schemat systemu — warunki podłączenia, parametry obwodu, zalecenia dotyczące przewodów i uziemienia.

Karty katalogowe, instrukcje i przewodniki znajdziesz w sekcji „Dokumentacja” na stronie produktu, a certyfikaty i pozostałe dokumenty producenta — w bibliotece dokumentacji. Większość dokumentów producenta jest w języku angielskim.

Projekt, montaż i pomiary w strefie

Instalacje w strefach zagrożonych wybuchem projektuje się i wykonuje zgodnie z normą PN-EN 60079-14, a kontroluje i konserwuje zgodnie z PN-EN 60079-17. Prace powinny wykonywać osoby z odpowiednimi kwalifikacjami. Jeśli pomiary okresowe mają być prowadzone w strefie przenośnym kolektorem danych, również kolektor musi być dopuszczony do pracy w tej strefie. Alternatywą jest wyprowadzenie sygnałów z czujników do punktu odczytu poza strefą zagrożenia, zgodnie z projektem instalacji iskrobezpiecznej. Do torów pomiarowych w strefach Ex przeznaczone są także iskrobezpieczne skrzynki przyłączeniowe.

Wersje iskrobezpieczne znajdziesz w kategoriach akcelerometry do stref Ex i czujniki 4–20 mA iskrobezpieczne. Producent oferuje je z certyfikacją ATEX, a część wykonań także IECEx; zakres dopuszczeń konkretnego modelu podaje jego specyfikacja i certyfikat.