Strefy zagrożone wybuchem to obszary, w których pojawienie się każdego źródła iskry — także pochodzącej z urządzenia pomiarowego — może doprowadzić do katastrofy. W praktyce analitycznej oznacza to inny budżet projektowy, inną dokumentację i inny dobór sprzętu niż w pomieszczeniach standardowych. W Gekko Photonics projektujemy i produkujemy procesowe analizatory Ramana w Polsce, und EX-Zonen sind ein fester Bestandteil der Gespräche mit Kunden aus Petrochemie, der organischen Chemie und aus Betrieben nawozowych. In diesem Leitfaden ordnen wir, wie ATEX- und IECEx-Anforderungen zu lesen sind, wie dieser Kontext das Design der Sonde und des Analysators selbst verändert und warum die faseroptische Raman-Architektur in EX-Zonen einen natürlichen Vorteil gegenüber signalbasierten Lösungen hat.

ATEX i IECEx — dwa ekosystemy, jeden cel

ATEX to skrót od „atmosphères explosibles” — pakiet regulacji europejskich, na który składają się dwa kluczowe akty: dyrektywa 2014/34/UE dotycząca urządzeń przeznaczonych do użytku w strefach EX (czasem nazywana ATEX 114) oraz dyrektywa 1999/92/WE dotycząca minimalnych wymagań bezpieczeństwa pracowników w atmosferach wybuchowych (ATEX 137). Producent urządzenia, który chce dostarczać sprzęt na rynek UE, musi spełnić wymagania pierwszej. Zakład, który eksploatuje strefę EX, odpowiada za wdrożenie drugiej — łącznie z klasyfikacją stref i oceną ryzyka.

IECEx to równoległy, międzynarodowy schemat certyfikacji opracowany przez Międzynarodową Komisję Elektrotechniczną. Bazuje na tej samej rodzinie norm — serii IEC 60079 — co ATEX, ale ma globalną akceptację: certyfikat IECEx jest uznawany w wielu krajach poza UE (Australia, kraje Zatoki Perskiej, częściowo Azja). W praktyce dostawcy aparatury procesowej certyfikują się równolegle w obu ścieżkach, bo zakłady polskich i niemieckich koncernów chemicznych eksploatowane np. w Singapurze, Arabii Saudyjskiej czy Brazylii potrzebują dokumentu IECEx do uruchomienia urządzenia lokalnie.

Strefy gazowe i pyłowe — co oznaczają numery

Klasyfikacja stref opiera się na prawdopodobieństwie wystąpienia atmosfery wybuchowej i czasie jej trwania. Dla gazów i par palnych obowiązuje numeracja 0/1/2:

• Strefa 0 — atmosfera wybuchowa obecna w sposób ciągły, długotrwale lub często (typowo wnętrze zbiornika z palnym rozpuszczalnikiem, faza gazowa nad cieczą).
• Strefa 1 — atmosfera wybuchowa może wystąpić w normalnych warunkach pracy (np. okolice króćców załadunkowych, sprzęgieł, próbobiorników, mieszalników z lotnymi monomerami).
• Strefa 2 — atmosfera wybuchowa nie powinna wystąpić w normalnej pracy, a jeśli się pojawi, to krótkotrwale (przestrzenie pomocnicze obok aparatury procesowej).

Dla atmosfer pyłowych (mąka, cukier, niektóre nawozy, pyły węglowe, pyły polimerowe) obowiązuje analogiczna numeracja 20/21/22. W zakładach nawozowych klasyfikacja pyłowa bywa pomijana w pierwszym podejściu, a właśnie ona przesądza o doborze obudów analizatorów na liniach mieszania granulatu czy mocznika.

Producent urządzenia odpowiada za przyporządkowanie aparatu do kategorii sprzętu (grupa II, kategoria 1G/2G/3G dla gazów, 1D/2D/3D dla pyłów). Zakład odpowiada za to, żeby aparat o danej kategorii był instalowany tylko w strefie, dla której kategoria jest dopuszczalna.

Dlaczego Raman jest dobrym kandydatem do stref EX

Spektroskopia Ramana ma jedną cechę architektoniczną, której nie ma większość konkurencyjnych technik procesowych: analizator i sonda są fizycznie rozdzielone. Sygnał optyczny biegnie światłowodem, a światłowód jest pasywnym medium transmisyjnym — nie przenosi prądu i nie generuje iskier elektrycznych. To otwiera kluczową możliwość projektową: analizator (skomplikowany elektronicznie, generujący ciepło, zawierający źródło światła) można zlokalizować poza strefą zagrożenia, w bezpiecznym pomieszczeniu sterowniczym, a do procesu wprowadzić wyłącznie sondę z odcinkiem światłowodu o długości nawet kilkudziesięciu metrów.

Taki układ — analizator w strefie bezpiecznej, sonda w strefie EX — pozwala znacząco zredukować zakres certyfikacji. Ciężar weryfikacji ATEX/IECEx przesuwa się z całej szafy analizatora na samą sondę, co dla użytkownika oznacza tańsze i szybsze wdrożenie, a dla integratora — niższy koszt utrzymania zgodności.

Laser jako potencjalne źródło zapłonu

Mimo światłowodowej architektury Raman nie jest „za darmo” iskrobezpieczny. Wiązka lasera o mocy 600 mW przy 785 nm — czyli typowa konfiguracja procesowa — jest źródłem energii, która lokalnie, w punkcie skupienia, może podgrzać matrycę palnego rozpuszczalnika lub absorbujące cząstki powyżej temperatury samozapłonu. Norma IEC 60079-28 z rodziny IEC 60079 obejmuje właśnie ten przypadek: ochronę urządzeń i systemów transmisyjnych emitujących promieniowanie optyczne w zakresie 380 nm – 10 μm, przeznaczonych do pracy w atmosferach wybuchowych. Standard definiuje progi dopuszczalnej mocy i gęstości mocy promieniowania dla różnych poziomów zabezpieczenia urządzenia (EPL Ga/Gb/Gc dla gazów, Da/Db/Dc dla pyłów).

W praktyce projektowej oznacza to, że w wersjach przeznaczonych do stref zagrożonych wybuchem moc lasera Ramana jest ograniczana — typowo do kilkudziesięciu miliwatów. W naszej platformie Spectrally X1 dla aplikacji ATEX standardową konfiguracją jest moc lasera ograniczona do 30 mW. To kompromis: niższa moc oznacza dłuższy czas akwizycji widma, żeby uzyskać zbliżony stosunek sygnał/szum. Dla aplikacji ATEX zwykle wydłużamy czas integracji z typowych kilku sekund do kilkudziesięciu, godząc się z dłuższym cyklem pomiarowym w zamian za bezpieczeństwo zapłonowe.

Metody zabezpieczeń ATEX — jak czytać oznaczenia Ex

Seria IEC 60079 definiuje cały zestaw metod zabezpieczenia urządzeń elektrycznych. W kontekście analizatorów procesowych najczęściej spotyka się:

• Ex d (osłona ognioszczelna) — obudowa wytrzymuje wewnętrzną eksplozję i nie pozwala jej rozprzestrzenić się na zewnątrz. Klasyczne rozwiązanie dla głowicy sondy w strefie 1.
• Ex e (zwiększone bezpieczeństwo) — konstrukcja eliminuje powstawanie iskier i przegrzewania w pracy normalnej. Typowe dla puszek połączeniowych światłowodów.
• Ex i (iskrobezpieczeństwo) — ogranicza energię elektryczną dostępną w obwodzie do poziomu niezdolnego do zapłonu. Stosowane w torach sygnałowych z procesu.
• Ex p (osłona ciśnieniowa) — wnętrze szafy aparatury utrzymywane pod ciągłym nadciśnieniem gazu obojętnego, co uniemożliwia wniknięcie atmosfery wybuchowej. Stosowane do całych szaf analizatorowych w strefie 2.
• Ex n — uproszczone zabezpieczenie wyłącznie dla strefy 2.

W praktyce analizator Ramana w strefie EX to złożenie kilku metod jednocześnie: głowica sondy w technice Ex d, puszka rozdzielcza w technice Ex e, szafa analizatorowa w trybie Ex p (jeśli musi stać w strefie 2). Dodatkowo do oznaczenia dochodzi grupa gazowa (IIA/IIB/IIC — od propanu i etylenu po acetylen i wodór) i klasa temperaturowa (T1–T6, gdzie T6 oznacza maksymalną temperaturę powierzchniową 85 °C, najsurowszą dla par o niskiej temperaturze samozapłonu).

Rozwiązania Gekko Photonics dla stref EX

W naszej rodzinie Spectrally X1 strefę zagrożoną wybuchem traktujemy jako konfigurację — nie osobny produkt. Cały zestaw Spectrally X1 INLINE, Spectrally X1 LAB i Spectrally X1 PORTABLE dzielimy w cyklu projektowym na warianty „strefa bezpieczna” i „ATEX”, a wybór zapada na etapie feasibility, po klasyfikacji obszaru przez stronę klienta.

Dla aplikacji w strefach EX nasza standardowa konfiguracja zakłada:

• analizator w strefie bezpiecznej (sterownia, pomieszczenie elektryczne), połączony światłowodem o długości do 100 m z procesem;
• sondę imersyjną w głowicy zabezpieczonej zgodnie z wymaganiami strefy docelowej, z certyfikacją ATEX/IECEx po stronie producenta sondy;
• laser ograniczony do 30 mW dla zachowania progów IEC 60079-28 dotyczących promieniowania optycznego w atmosferze wybuchowej;
• komunikację z systemem nadrzędnym przez PROFIBUS, PROFINET lub GSM po stronie analizatora — bez konieczności prowadzenia toru cyfrowego przez strefę EX;
• warstwę analityczną w Spectrally OS, z modelami PLS i CNN, archiwizacją widm i audit trailem zgodnym z RBAC.

Dla mediów lepkich, klejących lub o tendencji do osadzania (typowe w żywicach fenolowo-formaldehydowych, klejach poliuretanowych, niektórych frakcjach petrochemicznych) konfigurujemy także moduł samoczyszczącej sondy Retractex. Jego cykl — wycofanie z procesu, płukanie okna optycznego, powrót do pozycji pomiarowej — projektowo dopasowujemy do dynamiki danej linii. Pełna lista Prozessanalysatoren oraz architektury sond są dostępne na stronach produktowych.

Wskazujemy też dwa praktyczne ograniczenia. Po pierwsze, certyfikacja ATEX/IECEx dotyczy konkretnej konfiguracji — wymiana sondy na inną klasę szczelności wymaga ponownej weryfikacji, której nie można zrobić „w terenie”. Po drugie, klasyfikacja stref jest zadaniem zakładu, nie dostawcy aparatury — dlatego w naszych projektach przed dokumentem feasibility prosimy o aktualny plan stref EX z opisem klasyfikacji i kategorii dopuszczalnego sprzętu. Jeśli interesuje Was projektowanie wielosondowych torów Ramana w warunkach przemysłowych, więcej szczegółów o topologii znajdziecie w naszym tekście o architekturach wielosondowych w Ramanie procesowym.

Pomiar testowy i konsultacja inżynierska

U nas, w Gekko Photonics, każde wdrożenie w strefie EX zaczynamy od 30-minutowej rozmowy z inżynierem aplikacyjnym, w której wspólnie czytamy plan stref, listę palnych mediów i wymagania zakładowe dla kategorii sprzętu. Następnie wykonujemy pomiar testowy na próbkach przesłanych z Waszego procesu — typowo w ciągu 2 tygodni — z raportem feasibility zawierającym propozycję konfiguracji sondy, klasy ATEX i estymację RMSECV (typowo rząd wielkości poniżej 0,2% wag. przy wąskich zakresach kalibracji) dla głównych analitów. Próbki przyjmujemy w obu trybach: stacjonarnie w laboratorium oraz, jeśli proces nie pozwala na próbkowanie, jako wizyta terenowa naszego zespołu z analizatorem X1 PORTABLE. Po feasibility decyzja o pełnym wdrożeniu inline pozostaje po Waszej stronie — bez zobowiązania CAPEX-owego do tego momentu. Szczegóły kontaktu i formularz feasibility znajdziecie na stronie /kontakt/.

FAQ – Häufig gestellte Fragen

Czy każda strefa EX w zakładzie chemicznym jest strefą 1?
Nie. Klasyfikacja jest pochodną rzeczywistego prawdopodobieństwa wystąpienia atmosfery wybuchowej. Przestrzenie wokół zamkniętych aparatów procesowych z palnymi rozpuszczalnikami często bywają sklasyfikowane jako strefa 2, podczas gdy wnętrze samych aparatów to strefa 0. Klasyfikacja jest dokumentowana w analizie HAC (Hazardous Area Classification), zwykle aktualizowanej przy każdej istotnej modyfikacji instalacji.

Czy światłowód analizatora wymaga oddzielnej certyfikacji ATEX?
Sam światłowód jako medium pasywne nie generuje sygnałów elektrycznych. Norma IEC 60079-28 obejmuje natomiast same systemy emitujące promieniowanie optyczne, jeśli to promieniowanie ma wnikać do strefy EX — czyli w praktyce sondę i jej tor optyczny. Certyfikacja dotyczy zatem elementów aktywnych: głowicy sondy, puszek połączeniowych i samego analizatora, jeśli stoi w strefie EX. W naszych projektach standardem jest certyfikowany odcinek końcowy światłowodu razem z głowicą sondy — co upraszcza dokumentację dla użytkownika.

Czy analizator w strefie bezpiecznej, połączony światłowodem 100 m, daje gorsze widmo niż umieszczony bliżej procesu?
Strata sygnału w światłowodzie 100 m jest mierzalna, ale w typowej konfiguracji 785 nm pozostaje w granicach kompensowanych przez nieco dłuższy czas akwizycji. W praktyce użytkownicy nie odczuwają różnicy w jakości widma — odczuwają natomiast różnicę w prostocie utrzymania (analizator w klimatyzowanej sterowni żyje dłużej niż w hali procesowej).

Czy Spectrally X1 w wersji ATEX różni się oprogramowaniem od wersji standardowej?
Nein. Spectrally OS, die Spektrenbibliothek und die chemometrischen Modelle (PLS, CNN) sind identisch. Die Unterschiede sind ausschließlich hardwarebedingt: die Laserleistung ist auf 30 mW begrenzt, der Sondenkopf ist zertifiziert und – optional – ein Ex p-Analysatorschrank, falls aus dem Zonenplan hervorgeht, dass der Analysator in Zone 2 stehen muss.

Czy Gekko Photonics ma wdrożenia analizatorów Ramana w strefach EX?
Die meisten unserer Implementierungen befinden sich in der Prozesschemie – bei Phenol-Formaldehyd- und Harnstoffharzen, und eben Düngemitteln. Im AdBlue-Bereich arbeiten wir sowohl mit Rohstoffherstellern als auch mit Abfüllanlagen, die die 32,5 %-Lösung für den Einzelhandel konfektionieren., Düngemitteln, Klebstoffen und Kohlenwasserstofffraktionen. Ein Teil dieser Bereiche sind klassische EX-Zonen, für die wir standardmäßig den Analysator auf der Wartenseite und die Sonde mit der entsprechenden Schutzklasse konfigurieren. Während der Machbarkeitsstudie überprüfen wir die spezifischen Anforderungen des Betriebs und passen die Konfiguration an die HAC-Klassifizierung der jeweiligen Anlage an.