Sichere und leistungsfähige Messtechnik für den Ex-Bereich

Das Schutzprinzip der Zündschutzart Ex i basiert auf der Begrenzung der in den explosionsgefährdeten Bereich geleiteten und der dort speicherbaren Energie. Die Energie eines möglichen Funkens ist daher immer kleiner als die Mindestzündenergie der umgebenden explosionsfähigen Atmosphäre. Zudem können keine unzulässig heißen und somit zündfähigen Oberflächen – beispielsweise elektronischer Bauteile – entstehen. Im Gegensatz zu allen weiteren Zündschutzarten bezieht sich Ex i entsprechend der EN/IEC 60079-11 nicht auf ein einziges Betriebsmittel, sondern auf den gesamten eigensicheren Stromkreis. 

Besondere Bedeutung der Ex i-Trenner 

Der eigensichere Stromkreis setzt sich in der Regel aus den folgenden Komponenten zusammen:

• dem eigensicheren Betriebsmittel, also einem im Ex i-Bereich installierten Verbraucher (z.B. einem Ex i-Temperaturtransmitter)
• dem zugehörigen Betriebsmittel, wobei es sich um eine im Nicht-Ex i-Bereich verbaute Quelle (Ex i-Trenner) handelt
• der verbindenden Leitung (Kabel).
   

Den Ex i-Trennern kommt hier eine besondere Bedeutung zu. Gemäß EN/IEC 60079-0 und -11 trennen sie den eigensicheren Stromkreis galvanisch sicher von sämtlichen anderen nicht eigensicheren Stromkreisen und sind deshalb in jedem Ex i-MSR-Kreis zwingend notwendig. Ferner begrenzen sie die in den Ex-Bereich geführte Energie – folglich die maximale Leerlaufspannung Uo, den maximalen Kurzschlussstrom Io und die maximale Leistung Po – auf ein nicht zündfähiges Niveau. Gleichzeitig legen sie über die Angaben Co und Lo fest, welche maximalen zusätzlichen Energiespeicher - konzentrierte Kapazität Ci sowie konzentrierte Induktivität Li im Feldgerät, Leitungskapazitäten Cc und Leitungsinduktivtäten Lc – angeschlossen werden dürfen, ohne die Eigensicherheit des Stromkreises zu gefährden. 

Ein weiterer wichtiger Aspekt der Zündschutzart Ex i ist die Zuverlässigkeit der Energiebegrenzung selbst unter der Annahme bestimmter Fehler. Eigensichere elektrische Betriebsmittel und die Ex i-relevanten Schaltungsteile der zugehörigen Betriebsmittel werden daher entsprechend der erforderlichen Zuverlässigkeit ausgelegt und in verschiedene Schutzniveaus eingeteilt, die wiederum auf unterschiedliche Zonen des Ex-Bereichs abgestimmt sind. Das Schutzniveau Ex ia (Zweifehlersicherheit) eignet sich für die Nutzung in Zone 0 – und somit auch in Zone 1 und 2 -, das Schutzniveau Ex ib (Einfehlersicherheit) für die Verwendung in Zone 1 – und folglich ebenfalls in Zone 2 – und das Schutzniveau Ex ic (Nullfehlersicherheit) lediglich zum Einsatz in Zone 2. 

Herstellerunabhängige Kombination der Ex i-Feldgeräte und -Trenner 

Um sicherzustellen, dass die jeweilige Zusammenschaltung keine zündfähigen Funken und heißen Oberflächen erzeugen kann, muss der Anwender oder Anlagenbetreiber den „Nachweis der Eigensicherheit“ durchführen und dokumentieren. Dies wird in der ATEX-Richtlinie RL 1999/92/EG und der BetrSichV respektive der neuen GefStoffV festgelegt sowie in den normativen Anforderungen für den elektrischen Explosionsschutz (z.B. der EN/IEC 60079-14) beschrieben. Dem Anwender bietet das Verfahren den Vorteil, dass sich Ex i-Feldgeräte und -Trenner herstellerunabhängig gemäß den spezifischen Anforderungen auswählen und kombinieren lassen. 

Abbildung 1 zeigt einen blau dargestellten eigensicheren Stromkreis, der aus einem zugehörigen Betriebsmittel (Quelle) mit linearer respektive ohmscher Quellenkennlinie, einem eigensicheren Betriebsmittel und den verbindenden Leitungen besteht (Bild 1). Ebenso aufgeführt sind die für den Nachweis der Eigensicherheit benötigten sicherheitstechnischen Parameter sowie die Kriterien, die erfüllt sein müssen, damit der Stromkreis tatsächlich eigensicher ist. Die Parameter können den EU-Baumusterprüfbescheinigungen und Betriebsanleitungen oder Datenblättern entnommen werden.  

Entsprechend den aktuellen Ausgaben der DIN EN 60079-11 und der Errichternorm DIN EN 60079-14 (VDE 0165-1) ist darüber hinaus zu bewerten, ob die 50-Prozent-Regel angewendet werden muss. Denn die bescheinigten Co- und Lo-Werte der zugehörigen Betriebsmittel dürfen nur in folgenden Fällen voll ausgenutzt werden:

• bei einfachen eigensicheren Stromkreisen ohne konzentrierte Kapazitäten (= C_i) und ohne konzentrierte Induktivitäten (= L_i)
• in einem gemischten eigensicheren Stromkreis mit konzentrierten Kapazitäten und/oder konzentrierten Induktivitäten unter der Bedingung, dass L_i < 1% von Lo oder C_i < 1% von C_o ist.
   

Ist im gemischten eigensicheren Stromkreis L_i ≥ 1% von L_o und C_i ≥ 1% von C_o, müssen die bescheinigten C_o- und L_o-Werte um 50 Prozent reduziert werden. Hier gilt dann:

C_i + C_C < 0,5 C_o
L_i + L_C < 0,5 L_o.

Für diesen Fall stehen teilweise – wie bei der Produktlinie MACX MCR-EX – speziell von den Prüfstellen ermittelte C_o- und L_o-Wertepaare zur Verfügung, die bis Faktor 1,5 größer sind als die halbierten Werte. 

Beispielhafter Nachweis der Eigensicherheit eines Temperaturmesskreises 

In prozesstechnischen Anwendungen werden Prozessvariablen wie Temperatur, Druck, Durchfluss, Feuchte oder pH-Wert im Ex-Bereich durch eigensichere Messumformer (Transmitter) erfasst und in ein elektrisches 4…20mA-Normsignal umgewandelt. Dabei gehört die Temperatur sicher zu den am häufigsten gemessenen physikalischen Größen. Nachfolgend wird der Nachweis der Eigensicherheit daher am Beispiel eines eigensicheren Temperaturmesskreises bis in Ex-Zone 0 einer Ex-Atmosphäre aus einem Wasserstoff-/Luftgemisch durchgeführt. Beim Ex i-Messkreis handelt es sich um eine Zusammenschaltung aus dem Speisetrennverstärker MACX MCR-EX-RPSSI-I als aktives zugehöriges Betriebsmittel mit linearer Quellenkennlinie sowie zwei passiven eigensicheren Betriebsmitteln: dem Temperaturtransmitter FA MCR EX-HT-TS-I-OLP und der Prozessanzeige FA MCR-EX-DS-I-I (Bild 2).

Für den Nachweis der Eigensicherheit müssen die folgenden Punkte erfüllt sein:

• Die Schutzniveaus Ex ia für Zone 0 und die Kategorien stimmen mit den Zonen überein. Mit dem Hinweis in der EU-Baumusterprüfbescheinigung der Feldanzeige, dass das Gerät innerhalb eines Ex i-Stromkreises des Schutzniveaus ia eingesetzt werden kann, ohne dessen Schutzniveau zu beeinflussen, wird dieses Kriterium eingehalten.
• Die Stoffgruppen korrespondieren.
• Alle Ex i-Geräte sind entsprechend der Kennzeichnung IIC für eine Ex-Atmosphäre aus einem Wasserstoff-/Luftgemisch zugelassen. Das gleiche gilt für die Temperaturklasse T4, weshalb dieser Anforderung ebenfalls entsprochen wird.
• Die in Abbildung 1 aufgelisteten fünf Kriterien des Vergleichs der Ex i-Parameter sind erfüllt. Diese Voraussetzung ist gemäß den in Abbildung 2 dargestellten Ex i-Parametern gegeben. Außerdem handelt es sich um einen gemischten Ex i-Stromkreis, bei dem die 50-Prozent-Regel nicht angewendet werden muss. Lediglich die Prozessanzeige hat eine konzentrierte Induktivität von 35,1 μH. Somit ist rechnerisch mit einer spezifischen Kabelkapazität Cc von 140nF/km und einer Kabelinduktivität Lc von 1 mH/km bei einem Co-Wert von 107 nF eine Leitungslänge von 750 Meter und einem Lo-Wert von 2 mH und einem Ci-Wert von 35,1 μH eine Leitungslänge von 1964,9 Meter möglich. 

Somit ist diese Zusammenschaltung eigensicher mit einer Leitungslänge von maximal 750 Meter. 

Für die Zusammenschaltung der feldseitigen Anschlüsse des Kopfmessumformers mit dem Thermoelement und dem Widerstandsthermometer ist der oben beschriebene Nachweis der Eigensicherheit separat umzusetzen. 

Einfache elektrische Betriebsmittel 

Thermoelemente und Widerstandsthermometer gelten entsprechend der EN 60079-11 als „einfache elektrische Betriebsmittel“. Alternativ lassen sich somit auch Temperatursensoren ohne Zulassung verwenden. In diesem Fall muss der Anwender allerdings sicherstellen, dass die Thermoelemente und Widerstandsthermometer die in der EN 60079-11 geforderten Kennwerte der Energiespeicher und Baubestimmungen einhalten. Darüber hinaus hat er die Oberflächenerhitzung der Geräte über den Po-Wert zu ermitteln, um sie einer Temperaturklasse zuzuordnen.    

Zusätzliche Berücksichtigung der Funktionsdaten 

Bei der Geräteauswahl ist neben dem Ex i-Nachweis die Dimensionierung der Funktionsdaten zu berücksichtigen. Beispielsweise stellt der Speisetrennverstärker MACX MCR-EX-SL-RPSSI-I dem Temperaturtransmitter FA MCR EX-HAT-TS-I-OLP eine Speisespannung von 16 V bei 20 mA zur Verfügung. Der Temperaturtransmitter benötigt wiederum eine Speisespannung von mindestens 11 V DC. Der geringe Spannungsabfall der Prozessanzeige FA MCR EX-DS-I-I von < 1V (< 1,9 V bei HART) erweist sich als vorteilhaft, weil die Speisespannung bei Ex i-Quellen geringer als bei Non-Ex i-Geräten ist. Für einen leitungsbedingten Spannungsabfall und Reserven sind folglich noch 3,1 V vorhanden. 

Vielfältige Zulassungen für maximale Flexibilität

Innovative Ex i-Trennerserien wie die 12,4 mm schmalen MACX MCR-Ex zeichnen sich durch optimal abgestimmte Io-, Uo- und Po-Werte aus, sodass sie kompatibel zu einer großen Anzahl an Ex i-Feldgeräten sind. Bei der Entwicklung der Produktfamilie wurde zudem Wert auf möglichst hohe Co-Werte gelegt, da dies der wesentliche Parameter ist, der die maximal realisierbare Leitungslänge bestimmt (Bild 3). 

Die Ex i-Trenner MACX MCR Ex besitzen eine Zulassung gemäß der aktuellen ATEX-Richtlinie 2014/34/EU und den entsprechenden harmonisierten Normen für den Explosionsschutz mit der Kennzeichnung Ex II(1)G [Ex ia Ga]IIC und  Ex II(1)D [Ex ia Da]IIIC für Ex i-Stromkreise bis Ex-Zone 0 (Gas) und Ex-Zone 20 (Staub). Sie können also in allen Ex-Zonen sowie für sämtliche Stoffgruppen eingesetzt werden, was ein hohes Maß an Flexibilität bedeutet. Ferner lassen sich die MACX-Geräte gemäß der Zündschutzart EX n in der Ex-Zone 2 verbauen, wodurch sich die Nutzung in dezentralen Automatisierungskonzepten vereinfacht. Weitere internationale Zulassungen wie IECEx, EAC und UL schaffen die Voraussetzung für die Verwendung in weltweiten Anwendungen.    

Funktionale Sicherheit bis SIL 2 oder SIL 3 

Ist ein MSR-Signal innerhalb der Ex-Anlagenstruktur Bestandteil der Schutzebene, muss der Anlagenbetreiber neben dem Nachweis der Eigensicherheit eine Qualifizierung der Signalübertragung hinsichtlich Verfügbarkeit und Qualität durchführen. Die Ex i-Trennerserie MACX MCR-… sowie die Prozessanzeigen und Feldgeräte FA MCR… sind daher für den Einsatz in sicherheitsgerichteten Kreisen gemäß der EN 61508 entwickelt worden. Unabhängige Prüfstellen bescheinigen ihre Nutzung in Applikationen bis SIL 2 oder SIL 3.  

Schmale Baubreite von nur 12,5 Millimeter 

Ergänzend zu den beschriebenen Ex i-Speisetrennverstärkern umfasst das Portfolio der Ex i-Trennerserie MACX MCR-EX-SL für analoge Eingangssignale Varianten mit zwei galvanisch getrennten 4…20mA-Ausgängen (Signalverdoppler) sowie zweikanalige Ausführungen. Bei den Signalverdopplern kann der Anwender zwischen Versionen wählen, bei denen beide 4…20mA-Ausgänge das HART-Signal weiterleiten oder der zweite Ausgang das HART-Signal herausfiltert. Dies stellt sich bei Eingängen mit einer hohen Empfindlichkeit als wichtig heraus. Zur Verarbeitung aller weiteren für die MSR-Technik relevanten Signale – wie Thermoelemente, Widerstandsthermometer, analoge Ausgangssignale (z.B. zur Regelung von Proportionalventilen), binäre Eingangssignale von Namur-Sensoren oder Schaltkontakten sowie binäre Ausgänge zum Ansteuern von On/Off-Ventilen und Alarmgebern – bietet die Ex i-Trennerserie MACX MCR-EX-SL ein umfangreiches und durchgängiges Funktionsspektrum an Ex i-Trennern, Signalverdopplern, Messumformern und Grenzwertschaltern. 

Die Geräte zeichnen sich unter anderem durch eine Baubreite von nur 12,5 Millimeter für sämtliche ein- und zweikanaligen Ausführungen aus. Auf diese Weise spart der Anwender im Vergleich zu marktüblichen Abmessungen bis zu 45 Prozent Platz. Ermöglicht wird die kompakte Bauform durch ein patentiertes Übertrager- und Schaltungsdesign mit geringer Verlustleistung. Gleichzeitig trägt das elektrolytkondensatorfreie Schaltungsdesign zu einer längeren Lebensdauer mit konstant guter Übertragungsgenauigkeit von typisch 0,05 Prozent vom Endwert bei.    

Schleifengespeiste Temperaturtransmitter mit erweiterten Diagnosefunktionen

Mit der kontinuierlich ergänzten Produktfamilie Field Analog stellt Phoenix Contact auch Feldgeräte wie Transmitter für Temperatursensoren und Prozessanzeigen zur Verfügung. Über die neuen schleifengespeisten Temperaturtransmitter lassen sich zwei Thermoelemente oder Widerstandssensoren verarbeiten und in ein skalierbares 4…20mA- oder HART-Signal umwandeln. Als auswählbare Funktionen seien beispielhaft Mittelwertbildung, Vergleichen, Subtraktion oder Sensor-Backup genannt. Außerdem können bis zu vier beliebig einstellbare Werte via HART-Protokoll an die nachfolgende Peripherie weitergeleitet werden. Der Temperaturtransmitter überzeugt durch hohe Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität sowie erweiterte Diagnosefunktionen via HART oder die Programmierschnittstelle. Das Gerät ist in zwei verschiedenen Bauformen erhältlich: einem für die Tragschienenmontage geeigneten Gehäuse sowie zum Einbau in einen Anschlusskopf Form B nach DIN 50446 (Bild 4). 

Multifunktionale Prozessanzeigen in verschiedenen Schutzarten   

Die schleifengespeisten, HART-fähigen Prozessanzeigen erlauben eine flexible Anpassung der Messwert-Darstellung, damit die Daten skaliert sowie in der jeweils benötigten Einheit visualisiert werden können. Weil die Geräte als HART-Master konzipiert sind, profitiert der Anwender von der bisher nicht genutzten HART-Funktionalität. Jetzt lassen sich bis zu vier zusätzliche Messwerte via HART-Protokoll auf dem Display abbilden.  

Multifunktionale Prozessanzeigen vereinen die Eigenschaften klassischer Trennverstärker mit den Vorteilen flexibler Anzeigegeräte. Über ihren multifunktionalen Eingang können unterschiedliche Analogwerte – wie Strom, Spannung, Thermoelemente oder Widerstandsthermometer – erfasst werden. Falls erforderlich liefert der Eingang zudem die Speisespannung für den Sensor. Die beiden Relaisausgänge sind für verschiedene Grenzwert-Schaltfunktionen einsetzbar, während das Signal über den Analogausgang an nachgelagerte Systeme kommuniziert wird. Das flexibel einstellbare Display ermöglicht ferner vielfältige Adaptionen, um alle Anforderungen des Anwenders umzusetzen. Die Messwertanzeige lässt sich beliebig skalieren und das Signal mit der gewünschten Einheit respektive Messstellen-Bezeichnung versenden. Sowohl die multifunktionalen als auch die HART-fähigen Prozessanzeigen sind in Schutzart IP20 und IP66 verfügbar. 

Fazit 

Ob Lackieranlage oder Raffinerie, kunststoffverarbeitende oder chemische Industrie: Die MACX-Trenner und Field Analog-Geräte erweisen sich aufgrund ihrer Eigenschaften als wirtschaftliche Lösung, wenn es um Explosionsschutz und Anlagensicherheit geht. Sie bieten dem Planer und Anlagenbetreiber langfristig ein hohes Maß an Flexibilität, Effizienz und Verfügbarkeit.  

Mehr Informationen: www.phoenixcontact.de