In petrochemische fabrieken en andere explosiegevoelige omgevingen kan zelfs een kleine elektrische vonk catastrofale gevolgen hebben. Speciale veiligheidsbarrières zijn essentieel om ervoor te zorgen dat instrumenten die op deze gevaarlijke gebieden zijn aangesloten, absoluut veilig blijven onder potentiële foutcondities. Er zijn twee primaire oplossingen: Zener-barrières (intrinsieke veiligheidsbarrières) en galvanische isolatoren. Dit artikel onderzoekt hun werkingsprincipes, toepassingen en vergelijkende voordelen.

Zener-barrières, ook bekend als ATEX-barrières of I.S.-barrières, functioneren door de energiestroom naar gevaarlijke gebieden te beperken. Hun ontwerp zorgt ervoor dat zelfs tijdens fouten de circuitenergie onder de minimumdrempel blijft die nodig is om explosieve mengsels te ontsteken.

Terwijl standaard diodes stroom slechts in één richting toelaten, zijn Zener-diodes zo ontworpen dat ze geleiden wanneer ze specifieke reverse-spanningdrempels bereiken. In veiligheidsbarrières geleiden deze componenten snel overtollige stroom naar aarde wanneer de spanning veilige limieten overschrijdt, waardoor gevaarlijke energie effectief wordt afgeklemd.

• Weerstand: Beperkt de stroom die gevaarlijke gebieden binnengaat
• Zener-diode: Klemt de spanning tijdens fouten door overtollige stroom naar aarde af te voeren
• Zekering: Beschermt de Zener-diode tijdens overbelastingscondities

Tijdens normale werking beperkt de weerstand de stroom. Wanneer de spanning veilige drempels overschrijdt, activeert de Zener-diode om overtollige stroom af te voeren, terwijl de zekering dient als laatste bescherming tegen schade aan de apparatuur.

Een goede functionaliteit vereist een speciale I.S.-aarding die is geïnstalleerd volgens de IEC 60079-14-normen. Deze cruciale veiligheidsmaatregel heeft directe invloed op de systeemintegriteit.

Ondanks hun eenvoud en kosteneffectiviteit, hebben Zener-barrières verschillende beperkingen:

• Verplichte speciale I.S.-aarding verhoogt de installatiecomplexiteit
• Extra lusbelasting kan de prestaties van het instrument verminderen
• Gebrek aan signaalconversie- of versterkingsmogelijkheden

Deze beperkingen hebben geleid tot wijdverspreide vervanging door galvanische isolatoren in moderne installaties.

Galvanische isolatoren zoals de PR 9000-serie gebruiken fundamenteel verschillende ontwerpen. Hoewel beide technologieën de energie in gevaarlijke gebieden beperken, implementeren isolatoren driepoorts elektrische isolatie tussen de ingangs-, uitgangs- en voedingscircuits met behulp van transformatoren en optocouplers.

Deze complete elektrische scheiding voorkomt aardlussen en ruisinterferentie, waardoor de betrouwbaarheid en veiligheid van het systeem aanzienlijk worden verbeterd.

De inherente elektrische isolatie van de isolator elimineert speciale aardingsvereisten, waardoor de installatie en het onderhoud aanzienlijk worden vereenvoudigd.

• Eliminatie van speciale I.S.-aarding
• Verminderde lusbelasting voor verbeterde instrumentprestaties
• Signaalconversie- en versterkingsmogelijkheden
• Verbeterde weerstand tegen ruis en pieken

• Temperatuurmeting (thermokoppels/RTD's)
• Signaaloverdracht van druksensoren
• Signaalconditionering van debietmeters
• Explosieveilige klepbesturing

Apparatuur die bestemd is voor explosiegevaarlijke omgevingen vereist certificering om de naleving van de toepasselijke beschermingsmethoden te verifiëren. In de EU is ATEX-certificering verplicht, terwijl IECEx dient als de internationale norm.

• Identificatie van de certificerende instantie
• Toepasselijke normen
• Elektrische parameters
• Installatiespecificaties
• Speciale bedrijfsomstandigheden

Een correct I.S.-lusontwerp vereist analyse van drie componenten:

• Gecertificeerde veldapparatuur (gevaarlijk gebied)
• Geassocieerde apparatuur (veilige gebiedinterface)
• Compatibele verbindingskabels

• Uo (Voc): Open-circuitspanning
• Io (Isc): Kortsluitstroom
• Po: Uitgangsvermogen
• Ca: Toegestane capaciteit
• La: Toegestane inductie

Eenvoudige berekeningen bepalen compatibele apparatuurcombinaties en maximale kabellengtes door de parameters van de geassocieerde apparatuur te vergelijken met de specificaties van de veldapparatuur. Het systeem moet voldoen aan:

• Uo ≤ Ui (spanningsbeperking)
• Io ≤ Ii (stroombeperking)
• Po ≤ Pi (vermogensbeperking)
• Ca ≥ Ctotal (capaciteitsbeperking)
• La ≥ Ltotal (inductiebeperking)

Naleving van deze principes garandeert intrinsiek veilige werking, waardoor explosierisico's op gevaarlijke locaties worden geminimaliseerd.