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Faser-optische Sensoren für ATEX-Umgebungen

Inhaltsverzeichnis

Faseroptische Anwesenheitssensoren haben eine Eigenschaft, die sie für explosionsgefährdete Bereiche besonders interessant macht: Am eigentlichen Messpunkt befindet sich keine Elektronik und damit keine elektrische Energiequelle – nur eine Glasfaser, durch die optische Strahlung übertragen wird. Daraus lässt sich jedoch nicht automatisch ableiten, dass ein solches Bauteil in jeder beliebigen Zone ohne weitere Formalitäten eingesetzt werden darf. Entscheidend ist die Unterscheidung zwischen der physikalisch-technischen Eignung („ATEX-tauglich”) und der formalen, kategorieabhängigen Zulassung („ATEX-zertifiziert” im Sinne einer Baumusterprüfung).

Dieser Artikel erklärt das zugrunde liegende Schutzkonzept faseroptischer Ex-Komponenten, wie ihre Kennzeichnung aufgebaut ist, was der Unterschied zwischen ATEX-tauglich und ATEX-zertifiziert konkret bedeutet – und in welchen Zonen welche Variante tatsächlich zulässig ist.

Einsatzbereiche von ATEX-tauglichen Faseroptischen Sensoren
  • Chemische und petrochemische Industrie: Anwesenheitserfassung an Behältern, Rohrleitungen und Abfüllanlagen mit brennbaren Flüssigkeiten oder Gasen
  • Öl- und Gasindustrie: Tanklager, Verladestationen, Raffinerieanlagen
  • Getreide- und Futtermittelwirtschaft: Silos und Fördereinrichtungen mit explosionsfähigem Staub
  • Pharmazeutische Industrie: Verarbeitung brennbarer Pulver und Granulate
  • Lackier- und Beschichtungsanlagen: Bereiche mit Lösemitteldämpfen
  • Batteriezellfertigung: Elektrodenbeschichtung mit lösemittelhaltigen Prozessen (z. B. NMP-basierte Beschichtungen)
  • Recycling- und Abfallwirtschaft: Anlagenbereiche mit explosionsfähigem Staub bei der Materialaufbereitung
Das Schutzkonzept: inhärent sichere optische Strahlung („op is”)

Faseroptische Sensoren nutzen die Zündschutzart „op is” (inhärent sichere optische Strahlung) nach EN 60079-28. Diese ist definiert als sichtbare oder Infrarotstrahlung, die unter normalen oder unter festgelegten Fehlerbedingungen keine ausreichende Energie bereitstellen kann, um eine spezifische explosionsgefährdete Atmosphäre zu zünden.

Konkret gilt: Bei gepulster Strahlung mit einer optischen Pulsdauer zwischen 1 ms und 1 s darf die optische Pulsenergie das 10-fache der kleinsten Funkenzündenergie (MIE) der jeweiligen Gasatmosphäre nicht überschreiten, und die mittlere Leistung muss unterhalb der Sicherheitswerte für Dauerstrahlung liegen (z. B. 35 mW für Gasgruppe IIC, Temperaturklasse T4).

Für unsere faseroptischen Sensorsysteme optoGuard-EX ergibt sich eine maximale Pulsenergie und mittlere Leistung, unterhalb des zulässigen Grenzwerts von 35 mW. Damit ist das System rechnerisch für alle Gasgruppen (IIA, IIB, IIC) geeignet.

Diese Eigenschaft – der rechnerische bzw. messtechnische Nachweis, dass die optische Strahlung unter keinen Bedingungen zündfähig ist – ist das, was wir als ATEX-tauglich bezeichnen: Das Bauteil kann aufgrund seiner physikalischen Beschaffenheit und der zugrunde liegenden Berechnung nach EN 60079-28 keine Zündquelle darstellen.

ATEX-tauglich vs. ATEX-zertifiziert: der entscheidende Unterschied

ATEX-tauglich bedeutet: Für das Bauteil liegt der rechnerische bzw. messtechnische Nachweis nach dem Schutzkonzept „op is” vor, dass keine zündfähige Energie freigesetzt werden kann. Dieser Nachweis wird vom Hersteller im Rahmen der eigenen technischen Dokumentation erbracht.

ATEX-zertifiziert (im engeren Sinn: mit Baumusterprüfung) bedeutet: Zusätzlich zum technischen Nachweis wurde das Gerät von einer benannten Stelle (Notified Body) formal geprüft und mit einer EU-Baumusterprüfbescheinigung versehen.

 

Der entscheidende Punkt: Ob eine Baumusterprüfung erforderlich ist, hängt nicht davon ab, ob ein Bauteil elektrisch ist oder nicht – sondern von der Gerätekategorie, für die es eingesetzt werden soll. Die inhärente technische Sicherheit („tauglich”) allein genügt nicht automatisch für den Einsatz in jeder Zone.

Auch ein rein passives, physikalisch nachweislich ungefährliches Bauteil benötigt für den Einsatz in Kategorie 1 (Zone 0 bzw. Zone 20) zwingend eine Baumusterprüfung. Die inhärente Sicherheit nach dem „op is”-Konzept ersetzt diese formale Prüfung für Kategorie 1 nicht.

Praktische Konsequenz für Faseroptik und Sensorelektronik

Diese Regelung führt bei faseroptischen Systemen zu einer wichtigen Unterscheidung zwischen dem passiven Faserkopf und der aktiven Sensorelektronik:

Faseroptik (nicht-elektrisches Bauteil): Ohne Baumusterprüfung ist der Einsatz in Kategorie 2 und 3 möglich, also in Zone 1 bzw. Zone 2 (bei Staub entsprechend Zone 21/22). Für Kategorie 1 (Zone 0/20) wäre trotz nachgewiesener inhärenter Sicherheit eine Baumusterprüfung erforderlich.

Sensor/Auswerteeinheit (elektrisches Bauteil): Da hier tatsächlich elektrische Energie vorhanden ist, ist ohne Baumusterprüfung nur der Einsatz in Kategorie 3 möglich, also in Zone 2 bzw. Zone 22. Für Kategorie 1 und 2 (Zone 0/20 bzw. Zone 1/21) wäre eine Baumusterprüfung zwingend erforderlich.

 

Entsprechend sind die Produkte von Sensorik Austria gekennzeichnet:

  • Faseroptik: II (2) G Ex op is IIC T4 Ga
  • Sensor: II (3) G [Ex op is T4 Ga] IIC

Auch wenn die Faseroptik technisch das Geräteschutzniveau Ga erfüllt (das eigentlich Zone 0 entsprechen würde), ist sie administrativ als Kategorie 2 eingestuft, da für Kategorie 1 zusätzlich eine Baumusterprüfung notwendig wäre, die hier nicht vorliegt. Die Sensorelektronik ist als Kategorie 3 eingestuft und damit für Zone 2 vorgesehen.

Funktionsweise faseroptischer ATEX-Sensoren

Faseroptische Sensoren zur Anwesenheitserfassung im EX-Bereich arbeiten grundsätzlich nach denselben Grundprinzipien wie faseroptische Sensoren allgemein, d.h. sie übertragen das Sende- und Empfangssignal über Lichtwellenleiter in den EX-Bereich bzw. zum Sensor zurück:

  • Lichtschranke-Prinzip: Sende- und Empfangsfaser sind getrennt angeordnet, das Material unterbricht den Lichtstrahl zwischen beiden; besonders bei hoher, bzw. variierender Eigenemission des Materials geeignet
  • Reflexionsprinzip: Sende- und Empfangsfaser sind in einem gemeinsamen Kopf gebündelt, das Signal wird vom Material selbst reflektiert; kommt bei hoher Wärmeabstrahlung des Materials an seine Grenzen
  • Passiv-Sensoren: Passiv-Sensoren verfügen über keine eigene Lichtquelle, sondern werten die Eigenstrahlung glühender Objekte aus, um deren Anwesenheit zu erkennen, sind aber deutlich günstiger und robuster als Wärmekameras oder Temperatursensoren; speziell für Anwendungen bei hoher Eigenemission eingesetzt

 

Es gibt jedoch einen wichtigen Unterschied: Bei EX-Bereichen mit Gasatmosphäre ist meist eine gasdichte Zuführung der Faseroptik in den EX-Bereich erforderlich. Bei bestimmten Konfigurationen, kann dies durch gasdichte Abdichtung der Durchgangsbohrung erzielt werden, alternativ dazu gibt es bei Sensorik Austria auch spezielle gasdichte Wanddurchführungen, die auch hinsichtlich Installation und Wartung Vorteile bringen.

Verfahren im direkten Vergleich
MessprinzipAnwesenheit wird erkannt durch:Geeignet für:Besonderheiten
Faseroptische LichtschrankeUnterbrechung Lichtschrankehohe und variierende Eigenemission, glühende MetalleMessung von zwei Seiten; bei Konzeptionierung mit Wanddurchführung 2 je Faseroptik erforderlich
Faseroptischer ReflextasterAuswertung Reflexionniedrige Eigenemission, nicht glühende MetalleMessung von einer Seite; nicht mit Wanddurchführung kombinierbar
Faseroptischer PassivsensorAuswertung Eigenemissionhohe Eigenemission, glühende MetalleMessung von einer Seite; bei Konzeptionierung mit Wanddurchführung 1 je Faseroptik erforderlich
Vorteile faseroptischer Lösungen
  • Bewährtes, robustes Messverfahren: Einfaches, zuverlässiges Messprinzip gegenüber alternativen Messtechniken (wie Wärmekamera, Temperatursensorik) mit deutlichen Kostenvorteilen
  • Elektronik geschützt: Die eigentliche Auswerteelektronik bleibt außerhalb der Hochtemperaturzone
  • Unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störfeldern: Vorteilhaft in der Nähe von Induktionserwärmung oder Antrieben
  • Kompakte Bauform am Messpunkt: Ermöglicht Montage auch in sehr beengten Bereichen
  • Geringere Folgekosten bei Beschädigung: Faseroptik und Sensor lassen sich separat austauschen
  • Flexible Verlegung: Die Glasfaser lässt sich auch durch enge oder gekrümmte Kabelwege führen
Auswahlkriterien für faseroptische ATEX-Sensoren
  • Zielzone am Einbauort: Zone 1/21 oder Zone 2/22 für die Faseroptik, Zone 2/22 für die Sensorelektronik – bei strengeren Anforderungen (Zone 0/20 bzw. Zone 1/21 für die Elektronik) ist eine Baumusterprüfung erforderlich
  • Abdichtung der Faseroptik-Durchführung: Ist Gasdichtheit erforderlich? Wie kann/soll dies erzielt werden?
  • Erfassungsprinzip (Anwesenheitserfassung): Faseroptische Lichtschranken-, Reflexions- oder Passiv-Sensoren je nach Eigenemission der Objekte: Faseroptische Passivsensoren für glühende Objekte; Lichtschranken bei hoher und bei variierender Eigenemission; Reflextaster bei geringer Eigenemission
  • Einbausituation: Ist eine Messung nur von einer Seite, oder von beiden Seiten möglich/erwünscht? Sollen die Faseroptiken mit axialem oder radialem Lichtaustritt (geringerer Einbauraum) ausgeführt werden?
  • Reich-, bzw. Tastweite: Wie groß muss der Messabstand sein, um die zulässige Temperaturbelastung der Faseroptikköpfe nicht zu überschreiten (d.h. wie nahe an den Messobjekten können diese montiert werden)?
  • Länge der Faseroptik(en): Wie weit von der Messstelle muss die Sensorelektronik platziert werden, um keine Baumusterprüfung zu erfordern, bzw. die zulässige Temperaturbelastung nicht zu überschreiten? Welche Länge ergibt sich daraus für die Faseroptik, bzw. Faseroptik-Arme, unter Berücksichtigung der Verlegungsstrecke?
  • Temperaturbeständigkeit der Faseroptiken: Bei Hochtemperatur-Anwendungen, welche maximale Dauer- und Spitzentemperatur ist am tatsächlichen Einbauort gegeben?
  • Schutzausführung der Faseroptiken: Gibt es aufgrund der Atmosphäre im EX-Bereich Anforderungen an verwendbare Materialien? Müssen die Faseroptiken gasdicht abgedichtet werden, oder werden Wanddurchführungen vorgesehen?
  • Steuerungsschnittstellen: Binär oder Analog-Schnittstelle? Ist ein zusätzliches Ausgangssignale zur Verschmutzungsüberwachung gewünscht?
Kann eine ATEX-taugliche Faseroptik ohne Weiteres in Zone 0 eingesetzt werden?

Nein. Auch wenn die Faseroptik den technischen Nachweis der inhärenten Sicherheit (Geräteschutzniveau Ga) erfüllt, ist für den Einsatz in Kategorie 1 (Zone 0 bzw. Zone 20) zusätzlich eine Baumusterprüfung durch eine benannte Stelle erforderlich. Ohne diese Prüfung ist der Einsatz auf Kategorie 2 und 3 (Zone 1/21 bzw. Zone 2/22) beschränkt.

Weil die Sensorelektronik tatsächlich elektrische Energie führt und damit als elektrisches Betriebsmittel gilt. Für elektrische Betriebsmittel ist eine Baumusterprüfung bereits ab Kategorie 2 erforderlich, während sie bei nicht-elektrischen Bauteilen wie der reinen Faseroptik erst ab Kategorie 1 notwendig wird.

Sie kennzeichnet ein Bauteil – hier die Sensorelektronik –, das im Zusammenspiel mit dem eigentlichen Ex-Feldgerät (der Faseroptik) zu betrachten ist und die tatsächliche elektrische Energiequelle darstellt.

Das Grundprinzip ist vergleichbar – Energie wird so begrenzt, dass keine Zündung möglich ist –, „op is” bezieht sich jedoch spezifisch auf optische Strahlung statt auf elektrische Stromkreise und wird nach EN 60079-28 bewertet.

Ja, der Nachweis (Pulsenergie, mittlere Leistung im Verhältnis zur Mindestzündenergie der jeweiligen Gasgruppe) ist geräte- bzw. produktspezifisch zu erbringen und Teil der technischen Dokumentation.

Faseroptische ATEX-Lösungen von Sensorik Austria

Die optoGuard-EX Sensorik Austria für die Anwesenheitserfassung in explosionsgefährdeten Bereichen sindfaseroptische Systeme nach dem Schutzkonzept „op is”: eine für Kategorie 2 (Zone 1/21) ausgelegte Faseroptik in Kombination mit einer für Kategorie 3 (Zone 2/22) ausgelegten Sensorelektronik.

Auch faseroptische tri²dent “moist” Feuchte-Sensoren können in Zone1/12 bzw. 2/22 eingesetzt werden.