In petrochemischen Anlagen und anderen explosionsgefährdeten Umgebungen kann selbst ein winziger elektrischer Funke katastrophale Folgen haben. Spezielle Sicherheitsbarrieren sind unerlässlich, um sicherzustellen, dass Instrumente, die mit diesen gefährlichen Bereichen verbunden sind, unter potenziellen Fehlerbedingungen absolut sicher bleiben. Es gibt zwei primäre Lösungen: Zener-Barrieren (Eigensicherheitsbarrieren) und galvanische Trenner. Dieser Artikel untersucht ihre Funktionsprinzipien, Anwendungen und vergleichenden Vorteile.

Zener-Barrieren, auch bekannt als ATEX-Barrieren oder I.S.-Barrieren, funktionieren durch die Begrenzung des Energieflusses in gefährliche Bereiche. Ihr Design stellt sicher, dass selbst bei Fehlern die Schaltungsenergie unterhalb des Mindestschwellenwerts bleibt, der zum Zünden explosiver Gemische erforderlich ist.

Während Standarddioden den Stromfluss nur in eine Richtung zulassen, sind Zener-Dioden so konstruiert, dass sie leiten, wenn bestimmte Sperrspannungsschwellen erreicht werden. In Sicherheitsbarrieren leiten diese Komponenten bei Überschreitung sicherer Grenzwerte schnell überschüssigen Strom zur Erde und klemmen so gefährliche Energie effektiv ab.

• Widerstand: Begrenzt den Strom, der in gefährliche Bereiche eintritt
• Zener-Diode: Klemmt die Spannung bei Fehlern, indem sie überschüssigen Strom zur Erde ableitet
• Sicherung: Schützt die Zener-Diode bei Überlastbedingungen

Im Normalbetrieb begrenzt der Widerstand den Stromfluss. Wenn die Spannung sichere Schwellenwerte überschreitet, aktiviert sich die Zener-Diode, um überschüssigen Strom abzuleiten, während die Sicherung als letzter Schutz vor Geräteschäden dient.

Die ordnungsgemäße Funktion erfordert eine dedizierte I.S.-Erdung, die gemäß den Normen IEC 60079-14 installiert wird. Diese kritische Sicherheitsmaßnahme wirkt sich direkt auf die Systemintegrität aus.

Trotz ihrer Einfachheit und Wirtschaftlichkeit weisen Zener-Barrieren mehrere Einschränkungen auf:

• Zwingend erforderliche dedizierte I.S.-Erdung erhöht die Installationskomplexität
• Zusätzliche Schleifenbelastung kann die Instrumentenleistung beeinträchtigen
• Fehlen von Signalwandlungs- oder Verstärkungsfähigkeiten

Diese Einschränkungen haben in modernen Installationen zu einem weitverbreiteten Ersatz durch galvanische Trenner geführt.

Galvanische Trenner wie die PR 9000-Serie verwenden grundlegend unterschiedliche Designs. Während beide Technologien die Energie in gefährlichen Bereichen begrenzen, implementieren Trenner eine dreipolige elektrische Trennung zwischen Eingangs-, Ausgangs- und Stromkreisen unter Verwendung von Transformatoren und Optokopplern.

Diese vollständige elektrische Trennung verhindert Erdschleifen und Störungen, was die Systemzuverlässigkeit und -sicherheit erheblich erhöht.

Die inhärente elektrische Trennung des Trenners eliminiert spezielle Erdungsanforderungen und vereinfacht so die Installation und Wartung erheblich.

• Eliminierung der dedizierten I.S.-Erdung
• Reduzierte Schleifenbelastung für verbesserte Instrumentenleistung
• Signalwandlungs- und Verstärkungsfähigkeiten
• Erhöhte Stör- und Überspannungsfestigkeit

• Temperaturmessung (Thermoelemente/Widerstandsthermometer)
• Druckmessumformer-Signalübertragung
• Durchflussmessgeräte-Signalkonditionierung
• Explosionsgeschützte Ventilsteuerung

Geräte, die für explosionsgefährdete Umgebungen bestimmt sind, benötigen eine Zertifizierung, um die Einhaltung der geltenden Schutzmethoden zu überprüfen. In der EU ist die ATEX-Zertifizierung obligatorisch, während IECEx als internationaler Standard dient.

• Identifizierung der Zertifizierungsstelle
• Anwendbare Normen
• Elektrische Parameter
• Installationsspezifikationen
• Besondere Betriebsbedingungen

Das ordnungsgemäße I.S.-Schleifendesign erfordert die Analyse von drei Komponenten:

• Zertifizierte Feldgeräte (gefährlicher Bereich)
• Zugehörige Geräte (Sicherheitsbereichsschnittstelle)
• Kompatible Verbindungskabel

• Uo (Voc): Leerlaufspannung
• Io (Isc): Kurzschlussstrom
• Po: Ausgangsleistung
• Ca: Zulässige Kapazität
• La: Zulässige Induktivität

Einfache Berechnungen bestimmen kompatible Gerätekombinationen und maximale Kabellängen, indem die Parameter der zugehörigen Geräte mit den Spezifikationen der Feldgeräte verglichen werden. Das System muss Folgendes erfüllen:

• Uo ≤ Ui (Spannungsbegrenzung)
• Io ≤ Ii (Strombegrenzung)
• Po ≤ Pi (Leistungsbegrenzung)
• Ca ≥ Ctotal (Kapazitätsbegrenzung)
• La ≥ Ltotal (Induktivitätsbegrenzung)

Die Einhaltung dieser Prinzipien gewährleistet einen eigensicheren Betrieb und minimiert Explosionsrisiken an gefährlichen Orten.