【Explosionsschutz von Messgeräten】Wissensgrundlagen zum intrinsischen Explosionsschutz von Messgeräten, die Messgerätefachleute kennen sollten

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Dieser Beitrag wurde zuletzt von 955559 am 24.10.2018 um 16:18 bearbeitet. In vielen Prozessen der Chemieindustrie muss mit brennbaren und explosiven Stoffen umgegangen werden. Um das Leben der Menschen sowie die Sicherheit der Produktionsanlagen zu gewährleisten, wird explosionsgeschützte Technologie in verschiedenen Branchen und relevanten Fachgebieten eingesetzt. Dadurch entstanden eine Reihe von branchenspezifischen sowie internationalen Standards, die sich im Laufe der industriellen Entwicklung weiterentwickelt haben. Für automatische Messgeräte sind die gängigen explosionssicheren Ausführungen die intrinsisch sicheren, explosionsgeschützten und erhöht sicherheitstechnisch ausgestatteten Typen. Durch die rasante Entwicklung der Elektroniktechnologie sowie die ständige Erfindung von elektronischen Bauelementen mit niedrigem Energieverbrauch hat sich die Inertgas-Schutztechnologie weiter verbreitet und findet nun in noch größerem Umfang Anwendung. Insbesondere weil die intrinsisch sichere Explosionsschutzart im Vergleich zu anderen Explosionsschutzarten nicht nur eine einfache Konstruktion sowie einen weiten Anwendungsbereich aufweist, sondern auch einfach in der Bedienung und Wartung ist, wurde dieses durch die Eindämmung der Energie von Entzündungsquellen funktionierende intrinsisch sichere Messgerät von Herstellern und Nutzern angenommen. Prinzip der intrinsisch sicheren Explosionsschutztechnologie: Die intrinsisch sichere Explosionsschutztechnologie ist im Grunde eine Technologie mit niedrigem Energieverbrauch. Zum Beispiel muss in einer Umgebung mit Wasserstoff (IIC) die Leistung des Schaltkreises auf etwa 1,3 W begrenzt werden. Daraus geht hervor, dass die intrinsisch sichere Technologie hervorragend für Industrieautomatisierungsinstrumente geeignet ist. Da elektrische Entladungen und Wärmeeffekte die Hauptauslöser für die Explosion von explosionsgefährlichen Gasen sind, erreicht die intrinsisch sichere Technologie den Brandschutz, indem sie diese beiden möglichen Auslöser einschränkt. Sowohl im Normalbetrieb als auch im Falle von Störungen kann es nicht zu einer Explosion kommen, solange die Energie der elektrischen Entladungen oder der Wärmeeffekte, die von den Messgeräten erzeugt werden, unter einem bestimmten Wert liegt. In diesem Fall ist es nicht möglich, dass explosionsgefährliche Gase entzündet werden. Es handelt sich dabei eigentlich um eine Technologie für die Entwicklung von Geräten mit geringer Leistung. Der Grundsatz besteht darin, die Energiezufuhr einzuschränken, um die Spannung und den Strom im Schaltkreis zuverlässig in einem zulässigen Bereich zu halten. Dadurch wird verhindert, dass durch Funkenbildung oder Wärmeentwicklung im Falle von Störungen wie Kurzschlüssen oder beschädigten Komponenten explosionsfähige Gase entstehen können. In Umgebungen mit Wasserstoff, also in Umgebungen mit hohem Gefahrengrad und Explosionsgefahr, muss die Leistung in der Regel auf unter 1,3 W begrenzt werden. Der Internationale Elektrotechnische Ausschuss (IEC) legt fest, dass in Bereichen mit hohem Gefahrengrad, also in Zone 0, nur explosionsgeschützte Technologien der Klasse E*a verwendet werden dürfen. Daher ist die intrinsisch sichere Explosionsschutztechnologie eine sichere, zuverlässige und vielseitig einsetzbare Explosionsschutztechnologie. Innengesicherte Messgeräte lassen sich je nach Sicherheitsgrad und Einsatzort in E*a und E*b einteilen. Die Explosionsschutzklasse von E*a ist höher als die von E*b. Sicherheitsinstrumente der Klasse E*a verhindern unter normalen Betriebsbedingungen sowie bei zwei Fehlern im Schaltkreis ein Entzünden oder Explodieren der Schaltkreiskomponenten. In Schaltungen vom Typ IA wird der Betriebsstrom auf unter 100 mA begrenzt und eignet sich für Zone 0, Zone 1 und Zone 2. E*b-Klasse-Instrumente mit intrinsischer Sicherheit verhindern, dass die Schaltkomponenten in einem normalen Betriebszustand sowie im Falle eines Fehlers im Schaltkreis in Brand geraten oder explodieren. In Schaltungen vom Typ IB wird der Betriebsstrom auf unter 150 mA begrenzt und eignet sich für Zone 1 und Zone 2. Eigenschaften der intrinsisch sicheren Explosionsschutztechnologie: 1. Es ist nicht notwendig, komplizierte Fertigungsverfahren zu verwenden oder explosionsgeschützte Gehäuse mit großem Volumen und hohem Gewicht herzustellen. Dadurch weisen intrinsisch sichere Geräte eine einfache Konstruktion, geringes Volumen, geringes Gewicht sowie niedrige Herstellungskosten auf. Laut den vorliegenden Angaben beträgt das Verhältnis der Kosten für den Aufbau eines intrinsisch sicheren sowie eines explosionsgeschützten Schaltschaltkreises etwa 1:4. 2. Wartung, Kalibrierung sowie der Austausch einiger Komponenten der Geräte können auch unter Betriebsbedingungen durchgeführt werden. 3. Hohe Sicherheit und Zuverlässigkeit. Sicherheitsinstrumente bleiben aufgrund von menschlich verursachten Faktoren wie dem Verlust von Befestigungsbolzen oder Rost sowie Kratzern an den Verbindungsflächen des Gehäuses nicht an Sicherheit und Zuverlässigkeit einbüßen. 4. Da die intrinsisch sichere Explosionsschutztechnologie eine „Niederspannungs-Technologie“ ist, kann durch den Einsatz von Geräten mit dieser Technologie verhindert werden, dass technische Mitarbeiter vor Ort durch Stromschläge verletzt werden. 5. Breites Anwendungsspektrum. Die Intrinsic-Safety-Technologie ist das einzige explosionsgeschützte System, das für gefährliche Bereiche der Zone 0 geeignet ist. 6. Für einfache Geräte wie Thermoelemente ist keine spezielle Zertifizierung erforderlich, um sie in ein intrinsisch sicheres explosionsgeschütztes System einzubinden. Es ist offensichtlich, dass die Verwendung der intrinsisch sicheren Explosionsschutztechnologie im Vergleich zu allen anderen Explosionsschutzmethoden technische Vorteile für Geräte in der industriellen Automatisierung mit sich bringt. Anwendung der intrinsisch sicheren Explosionsschutztechnologie in der Prozessautomatisierung. Ein intrinsisch sicherer Explosionsschutzsystem besteht aus drei Komponenten: intrinsisch sicheren Geräten vor Ort, intrinsisch sicheren Kabeln sowie intrinsisch sicheren Verbindungsgeräten. Die Vor-Ort-Messgeräte umfassen verschiedene Primärmessgeräte, die in gefährlichen Bereichen installiert werden. Die für die intrinsische Sicherheit verwendeten Kabel mit Zweileitungs-Transmittern verfügen über einen speziellen Erdungsdraht und unterscheiden sich durch ihre langlebige, rein blaue Farbe von anderen Kabeln. Zu den zugehörigen Geräten gehören Zener-Sicherungssperren, isolierte Sicherungssperren sowie weitere Schutzvorrichtungen mit Funktionen zur Begrenzung des Stromflusses und der Spannung. Es ist möglich, die in die intrinsisch sicheren Geräte vor Ort eindringende Energie auf einen sicheren Wert zu begrenzen, wodurch die Sicherheit der Geräte, der Mitarbeiter sowie der Produktion gewährleistet wird. Intrinsisch sichere Explosionsschutzzertifizierung 1: Der intrinsische Explosionsschutz ist ein Konzept des Gesamteksplosionsschutzes: Die vor Ort im System eingesetzten Geräte sowie die Sicherungsgitter müssen von einer **zertifizierten Stelle nach den Vorgaben für Explosionsschutz zertifiziert werden. Zudem muss die zertifizierende Stelle ein gemeinsames Zertifikat für die intrinsisch sicheren Geräte und Sicherungsgitter ausstellen, um die Sicherheit dieses intrinsischen Schaltkreises zu bestätigen. Wenn die Vor-Ort-Ausrüstung einfache Geräte sind, ist keine intrinsische Sicherheitszertifizierung erforderlich; sie können zusammen mit bereits zertifizierten Sicherheitsgittern einen intrinsisch sicheren, explosionsgeschützten Schaltkreis bilden. Einfache Geräte sind Kontaktsteuerungen, Thermoelemente, Widerstände, Leuchtdioden sowie Brückenanordnungen usw.; sie enthalten keine Energiespeicherelemente. 2. Prinzipien der Explosionsschutzzertifizierung für intrinsisch sichere Schaltkreise – Besondere Anforderungen an intrinsisch sichere Geräte und Schaltkreise 1. Anforderungen an die Erdung: Ein intrinsisch sicheres Messsystem muss über eine zuverlässige, separate Erdung verfügen. Das gesamte automatisierte Messsystem verfügt über vier Arten von Erdung: Erdung für intrinsisch sichere Messsysteme, Erdung der Signalkreise, Abschirmungserdung und Schutzerdung. Für die Erdung der Signalkreise sowie die Abschirmung kann derselbe Erdungspol verwendet werden. Bei intrinsisch sicheren Messsystemen muss hingegen ein eigenes Erdungssystem vorhanden sein, das mindestens 5 Meter von anderen Erdungsnetzen entfernt ist. In der Regel soll der Widerstand der Erdung bei intrinsisch sicheren Systemen unter 1 Ohm liegen. Die anderen beiden Erdwiderstände liegen in der Regel aufgrund von Design- oder Normvorgaben unter 4Ω. Der Schutzleiter kann an das Schutzleiternetz von Niederspannungsanlagen in der Elektrotechnik angeschlossen werden. 2. Anforderungen an die Verbindungskabel: Aus Sicht der Systemverkabelung sind die Verbindungskabel aufgrund ihrer verteilten Kapazitäten und Induktivitäten zu Energiespeicherelementen geworden. Sie speichern im Prozess der Signalübertragung unweigerlich Energie. Sobald es zu einem offenen oder kurzgeschlossenen Leitungsabschnitt kommt, wird diese gespeicherte Energie in Form von Elektrischem Funken oder Wärmeeffekten freigesetzt, was die intrinsische Sicherheit des Systems beeinträchtigt. Daher muss sowohl gewährleistet werden, dass die Verbindungskabel nicht von äußeren elektromagnetischen Feldern beeinflusst werden und auch keinen Kontakt mit anderen Schaltkreisen bekommen, als auch die Länge der Verkabelung sowie die durch induzierte Spannungen entstehende zusätzliche, nicht-inertiale Energie begrenzt werden. Auf dieser Grundlage werden die zulässigen Kapazitäten und Induktivitäten der Kabel bestimmt. Die weltweiten Prüfinstitute für explosionsgeschützte Geräte verwenden in der Regel einen Ansatz, bei dem die Verteilungsparameter der Kabel als konzentrierte Parameter berücksichtigt werden. Die grundlegenden Parameter bezüglich der intrinsischen Sicherheit der Verbindungsleitungen sind wie folgt: Maximale zulässige verteilte Kapazität der Leitung (Ci): (Cc) = (Ck) × L. Maximale zulässige verteilte Induktivität der Leitung (Lc): (Lc) = (Lk) × L. Dabei steht Ck für die verteilte Kapazität pro Längeneinheit der Leitung ； Lk—Induktivität pro Längeneinheit des Kabels ； L – Tatsächliche Verkabelungslänge. Ein intrinsisch sicheres Kabel ist ein Kabel mit niedrigem Kapazitäts- und Induktivitätswert. Im Vergleich zu anderen Kabeln weist es eine hervorragende Abschirmfähigkeit sowie eine gute Störfestigkeit auf. Es eignet sich für Orte mit Explosionsgefahr sowie für andere Bereiche, in denen hohe Anforderungen an die Explosionssicherheit bestehen. Bei der Verwendung sollten folgende Punkte beachtet werden: ① Die Erdungsleitungen sowie die Abschirmungsverbindungen innerhalb des intrinsisch sicheren Systems müssen zuverlässig isoliert sein. ②Der Erdungspunkt des Signalkreises sollte sich auf der Seite des Kontrollraums befinden. Wenn thermoelektrische Temperaturfühler verwendet werden und die Messgeräte bereits geerdet sind, muss die Seite des Kontrollraums nicht mehr geerdet werden. ③Der Ersatzleiter des Schirmkabels sowie die Schirmung des Kabels müssen auf derselben Seite mit dem Signalkreisground verbunden werden. 3. Temperaturklasse des Geräts: Die Temperaturklasse des Geräts legt den maximal zulässigen Temperaturwert an der Oberfläche des Geräts fest. Dies beruht hauptsächlich auf technischen und wirtschaftlichen Überlegungen. In den überwiegenden Fällen sind Geräte mit niedrigeren Temperaturklassen teurer in der Anschaffung und was die Sicherheitsaspekte angeht. Durch Vergleich ist die Verwendung von intrinsisch sicheren Geräten effektiver und wirtschaftlicher. Bei sicherheitsgerichteten Geräten, die direkt in gefährlichen Bereichen installiert werden, muss auf die Temperaturklasse des Geräts Rücksicht genommen werden, während für zugehörige Geräte dieser Aspekt nicht relevant ist. Die Temperaturklasse der Ausrüstung muss unbedingt unter der Entzündungstemperatur der brennbaren Stoffe in der gefährlichen Umgebung liegen, andernfalls kann es zu einem Brand- oder Explosionsunfall kommen. 4. Grundsätze für die Auswahl von intrinsisch sicheren Elektrogeräten: ① Einfache Geräte. Gemäß den Vorgaben der Explosionsschutznorm GB3836.4-2000 können Elektrogeräte mit einer Spannung von nicht mehr als 1,2 V, einem Strom von nicht mehr als 0,1 A sowie einer Leistung von nicht mehr als 25 mW als einfache Geräte betrachtet werden. Ihre typischen Eigenschaften sind eine interne äquivalente Induktivität Li = 0 sowie eine interne äquivalente Kapazität Ci = 0. Solche Geräte können direkt vor Ort eingesetzt werden. ②Intrinsisch sichere Elektrogeräte. Für Vorrichtungen, die an gefährlichen Orten installiert werden, müssen folgende Punkte klar sein: ● Ob es sich um explosionsgeschützte Elektrogeräte handelt, die gemäß den Anforderungen von DB3836.1-2000 und GB3836.4-2000 entworfen wurden und von einer zertifizierten Prüfstelle für explosionsgeschützte Geräte zugelassen wurden. ●Ob die in der Explosionsgeschütz-Kennzeichnung vorgesehenen Klassen den Sicherheitsanforderungen des genutzten gefährlichen Bereichs entsprechen. ●Ist der intrinsisch sichere Schaltkreis geerdet, oder ist dieser Schaltkreis effektiv von den Schaltkreisen im Bereich der Sicherheitsbarriere getrennt? ●Die Art der Signalübertragung sowie die minimale Betriebsspannung und der normale Betriebsstrom der intrinsisch sicheren Elektrogeräte. Auf der Grundlage der Klärung der oben genannten Fragen wird der entsprechende Sicherheitszaun ausgewählt. ③Grundsätze für die Auswahl von Sicherheitsgittern ● Die Explosionsschutzklasse des Sicherheitsgitters muss mindestens der Explosionsschutzklasse der intrinsisch sicheren Feldgeräte entsprechen. ●Es muss sichergestellt werden, dass die Endwiderstände sowie die Schaltkreiswiderstände des Sicherheitsgitters ausreichen, um die minimale Betriebsspannung der intrinsisch sicheren Feldgeräte zu gewährleisten. ●Die Sicherheitsparameter der Innenleitungsseite des Sicherheitsgitters erfüllen die Anforderungen Uoc≤Ui, Isc≤Ii, Ca≥Ci+Cc sowie La≥Li+Lc. ●Der Sicherheitsgitter muss mit der sicheren Polarität sowie der Signalübertragungsmethode der intrinsisch sicheren Feldgeräte übereinstimmen. ●Es müssen angemessene Schutzmaßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass der Leckstrom des Sicherheitsgitters die ordnungsgemäße Funktion der intrinsisch sicheren Geräte stört. Obwohl sicherheitsgeführte Messgeräte viele besondere Anforderungen hinsichtlich der Gerätekombination, der Verwendung von Kabeln sowie der Erdung haben, neigen die Messgeräte für die industrielle Automatisierung aufgrund der raschen Entwicklung der Mikroelektronik- und Mikroprozessortechnologien dazu, energieeffizienter, elektronischer und kompakter zu werden – wodurch eine inhärente Sicherheit leichter erreicht werden kann. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die intrinsisch sichere Explosionsschutztechnologie für automatisierte Messgeräte eine sehr geeignete Lösung darstellt. Sie wird sicherlich auch in intelligenten Feldbuss-Messgeräten sowie in modernen Systemen zur Automatisierung der Industrie eingesetzt werden.