Prozess-Raman in Ex-Zonen – Leitfaden zu ATEX und IECEx

Explosionsgefährdete Bereiche sind Zonen, in denen das Auftreten einer jeden Zündquelle – auch diejenige, die von einem Messgerät ausgeht – zu einer Katastrophe führen kann. In der analytischen Praxis bedeutet dies ein anderes Projektbudget, eine andere Dokumentation und eine andere Geräteauswahl als in Standardräumen. Ex-Zonen sind ein fester Bestandteil unserer Gespräche mit Kunden aus der 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 und IECEx – zwei Ökosysteme, ein Ziel

ATEX steht für „atmosphères explosibles“ – ein Paket europäischer Vorschriften, das aus zwei zentralen Rechtsakten besteht: der Richtlinie 2014/34/EU über Geräte zur Verwendung in Ex-Zonen (manchmal als ATEX 114 bezeichnet) und der Richtlinie 1999/92/EG über Mindestanforderungen an die Sicherheit von Arbeitnehmern in explosionsfähigen Atmosphären (ATEX 137). Ein Gerätehersteller, der Ausrüstung auf den EU-Markt liefern möchte, muss die Anforderungen der ersten erfüllen. Das Werk, das eine Ex-Zone betreibt, ist für die Umsetzung der zweiten verantwortlich – einschließlich der Zoneneinteilung und der Risikobewertung.

IECEx ist ein paralleles, internationales Zertifizierungssystem, das von der Internationalen Elektrotechnischen Kommission entwickelt wurde. Es basiert auf derselben Normenfamilie – der Reihe IEC 60079 – wie ATEX, ist aber global anerkannt: Ein IECEx-Zertifikat wird in vielen Ländern außerhalb der EU akzeptiert (Australien, Golfstaaten, teilweise Asien). In der Praxis lassen sich Anbieter von Prozessinstrumentierung parallel auf beiden Wegen zertifizieren, da Werke polnischer und deutscher Chemiekonzerne, die z. B. in Singapur, Saudi-Arabien oder Brasilien betrieben werden, ein IECEx-Dokument benötigen, um ein Gerät vor Ort in Betrieb zu nehmen.

Gas- und Staubzonen – was die Nummern bedeuten

Die Zoneneinteilung basiert auf der Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer explosionsfähigen Atmosphäre und auf deren Dauer. Für brennbare Gase und Dämpfe gilt die Nummerierung 0/1/2:

• Zone 0 – explosionsfähige Atmosphäre ständig, über lange Zeiträume oder häufig vorhanden (typischerweise das Innere eines Behälters mit brennbarem Lösungsmittel, Gasphase über der Flüssigkeit).
• Zone 1 – explosionsfähige Atmosphäre kann im Normalbetrieb auftreten (z. B. im Bereich von Befüllstutzen, Kupplungen, Probenehmern, Mischern mit flüchtigen Monomeren).
• Zone 2 – explosionsfähige Atmosphäre sollte im Normalbetrieb nicht auftreten, und wenn doch, dann nur kurzzeitig (Nebenbereiche in der Nähe der Prozessapparatur).

Für staubhaltige Atmosphären (Mehl, Zucker, einige Düngemittel, Kohlenstaub, Polymerstaub) gilt die analoge Nummerierung 20/21/22. In Düngemittelwerken wird die Staubzoneneinteilung im ersten Ansatz mitunter übergangen – dabei entscheidet gerade sie über die Wahl der Analysatorgehäuse an den Mischlinien für Granulat oder Harnstoff.

Der Gerätehersteller ist dafür verantwortlich, das Gerät einer Gerätekategorie zuzuordnen (Gerätegruppe II, Kategorie 1G/2G/3G für Gase, 1D/2D/3D für Stäube). Das Werk ist dafür verantwortlich, dass ein Gerät einer bestimmten Kategorie nur in einer Zone installiert wird, für die diese Kategorie zulässig ist.

Warum Raman ein guter Kandidat für Ex-Zonen ist

Die Raman-Spektroskopie hat ein architektonisches Merkmal, das den meisten konkurrierenden Prozesstechniken fehlt: Analysator und Sonde sind physisch voneinander getrennt. Das optische Signal wird über einen Lichtwellenleiter übertragen, und der Lichtwellenleiter ist ein passives Übertragungsmedium – er führt keinen Strom und erzeugt keine elektrischen Funken. Das eröffnet eine entscheidende Möglichkeit bei der Auslegung: Der Analysator (elektronisch komplex, wärmeerzeugend, mit integrierter Lichtquelle) kann außerhalb des Gefahrenbereichs in einer sicheren Leitwarte untergebracht werden, während nur die Sonde mit einem Lichtwellenleiterabschnitt von bis zu mehreren Dutzend Metern Länge in den Prozess eingebracht wird.

Eine solche Anordnung – Analysator im sicheren Bereich, Sonde in der Ex-Zone – ermöglicht es, den Zertifizierungsumfang deutlich zu reduzieren. Der Schwerpunkt der ATEX/IECEx-Prüfung verlagert sich vom gesamten Analysatorschrank auf die Sonde selbst, was für den Anwender eine kostengünstigere und schnellere Implementierung und für den Integrator geringere Kosten für die Aufrechterhaltung der Konformität bedeutet.

Der Laser als potenzielle Zündquelle

Trotz der faseroptischen Architektur ist Raman nicht „von Haus aus“ eigensicher. Ein Laserstrahl mit 600 mW bei 785 nm – also die typische Prozesskonfiguration – ist eine Energiequelle, die lokal im Fokuspunkt die Matrix eines brennbaren Lösungsmittels oder absorbierende Partikel über die Zündtemperatur erwärmen kann. Die Norm IEC 60079-28 aus der Normenreihe IEC 60079 deckt genau diesen Fall ab: den Schutz von Geräten und Übertragungssystemen, die optische Strahlung im Bereich 380 nm – 10 μm emittieren und für den Einsatz in explosionsfähigen Atmosphären bestimmt sind. Die Norm definiert Grenzwerte für die zulässige Strahlungsleistung und Strahlungsleistungsdichte für verschiedene Geräteschutzniveaus (EPL Ga/Gb/Gc für Gase, Da/Db/Dc für Stäube).

In der Auslegungspraxis bedeutet das, dass die Leistung des Raman-Lasers in Ausführungen für explosionsgefährdete Bereiche begrenzt wird – typischerweise auf einige Dutzend Milliwatt. Für unsere Plattform Spectrally X1 planen wir die Konfiguration ATEX / IECEx Zone 0 mit auf 30 mW begrenzter Laserleistung für Juni 2027. Das ist ein Kompromiss: Eine geringere Leistung bedeutet eine längere Akquisitionszeit des Spektrums, um ein vergleichbares Signal-Rausch-Verhältnis zu erreichen. In dieser Konfiguration verlängert sich die Integrationszeit von typischerweise einigen Sekunden auf einige Dutzend Sekunden, was einen längeren Messzyklus zugunsten der Zündsicherheit bedeutet.

Zündschutzarten nach ATEX – wie man Ex-Kennzeichnungen liest

Die Normenreihe IEC 60079 definiert eine ganze Reihe von Zündschutzarten für elektrische Geräte. Im Zusammenhang mit Prozessanalysatoren begegnet man am häufigsten:

• Ex d (druckfeste Kapselung) – das Gehäuse hält einer Explosion im Inneren stand und verhindert, dass sie sich nach außen ausbreitet. Klassische Lösung für den Sondenkopf in Zone 1.
• Ex e (erhöhte Sicherheit) – die Konstruktion verhindert das Entstehen von Funken und Überhitzung im Normalbetrieb. Typisch für Anschlusskästen von Lichtwellenleitern.
• Ex i (Eigensicherheit) – begrenzt die im Stromkreis verfügbare elektrische Energie auf ein nicht zündfähiges Niveau. Eingesetzt in Signalkreisen aus dem Prozess.
• Ex p (Überdruckkapselung) – das Innere des Geräteschranks wird unter ständigem Überdruck eines Inertgases gehalten, wodurch das Eindringen einer explosionsfähigen Atmosphäre verhindert wird. Eingesetzt für komplette Analysatorschränke in Zone 2.
• Ex n – vereinfachter Schutz ausschließlich für Zone 2.

In der Praxis ist ein Raman-Analysator in einer Ex-Zone eine Kombination mehrerer Zündschutzarten zugleich: Sondenkopf in Ex d, Verteilerkasten in Ex e, Analysatorschrank in Ex p (falls er in Zone 2 stehen muss). Hinzu kommen in der Kennzeichnung die Gasgruppe (IIA/IIB/IIC – von Propan und Ethylen bis Acetylen und Wasserstoff) und die Temperaturklasse (T1–T6, wobei T6 eine maximale Oberflächentemperatur von 85 °C bedeutet – die strengste Klasse, für Dämpfe mit niedriger Zündtemperatur).

Lösungen von Gekko Photonics für Ex-Zonen

In unserer Produktfamilie Spectrally X1 behandeln wir den explosionsgefährdeten Bereich als Konfiguration – nicht als separates Produkt. Die gesamte Produktreihe aus Spectrally X1 INLINE, Spectrally X1 LAB und Spectrally X1 PORTABLE bieten wir heute in der Konfiguration für den sicheren Bereich an. Die Konfiguration ATEX / IECEx Zone 0 für Spectrally X1 INLINE mit der Sonde X1 PROBE (Laser 30 mW) planen wir für Juni 2027; bis dahin liegen Messstellen in Ex-Zonen außerhalb des Lieferumfangs. Den Umfang legen wir in der Machbarkeitsphase fest, nach der Klassifizierung des Bereichs durch den Kunden.

Die für Juni 2027 geplante Konfiguration ATEX / IECEx Zone 0 (Spectrally X1 INLINE mit der Sonde X1 PROBE) sieht Folgendes vor:

• Analysator im sicheren Bereich (Leitwarte, Elektroraum), über einen Lichtwellenleiter mit bis zu 100 m Länge mit dem Prozess verbunden;
• Eintauchsonde mit einem gemäß den Anforderungen der Zielzone geschützten Sondenkopf, mit ATEX/IECEx-Zertifizierung seitens des Sondenherstellers;
• auf 30 mW begrenzter Laser zur Einhaltung der Grenzwerte der IEC 60079-28 für optische Strahlung in explosionsfähiger Atmosphäre;
• Kommunikation mit dem übergeordneten System über Modbus auf der Analysatorseite – ohne dass eine digitale Leitung durch die Ex-Zone geführt werden muss;
• Analyseebene in Spectrally OS, mit PLS- und CNN-Modellen, Spektrenarchivierung und RBAC-konformem Audit-Trail.

Für viskose, klebrige oder zur Ablagerung neigende Medien (typisch bei Phenol-Formaldehyd-Harzen, Polyurethanklebstoffen, einigen petrochemischen Fraktionen) konfigurieren wir außerdem das selbstreinigende Sondenmodul Retractex. Seinen Zyklus – Rückzug aus dem Prozess, Spülen des optischen Fensters, Rückkehr in die Messposition – passen wir projektspezifisch an die Dynamik der jeweiligen Linie an. Die vollständige Liste der Prozessanalysatoren sowie die Sondenarchitekturen finden Sie auf den Produktseiten.

Wir weisen außerdem auf zwei praktische Einschränkungen hin. Erstens bezieht sich die ATEX/IECEx-Zertifizierung auf eine konkrete Konfiguration – der Austausch der Sonde gegen eine Sonde mit anderer Schutzart erfordert eine erneute Prüfung, die nicht „im Feld“ durchgeführt werden kann. Zweitens ist die Zoneneinteilung Aufgabe des Werks, nicht des Geräteanbieters – deshalb bitten wir in unseren Projekten vor dem Machbarkeitsbericht um einen aktuellen Ex-Zonenplan mit Beschreibung der Einteilung und der Kategorien zulässiger Geräte. Wenn Sie sich für die Auslegung von Mehrsonden-Raman-Messstrecken unter industriellen Bedingungen interessieren, finden Sie weitere Details zur Topologie in unserem Beitrag über Mehrsondenarchitekturen in der Prozess-Raman-Spektroskopie.

Testmessung und technische Beratung

Bei Gekko Photonics beginnen wir jedes Projekt in einem Werk mit Ex-Zonen mit einem 30-minütigen Gespräch mit einem Applikationsingenieur, in dem wir gemeinsam den Zonenplan, die Liste der brennbaren Medien und die werksinternen Anforderungen an die Gerätekategorien durchgehen. Die Konfiguration ATEX / IECEx Zone 0 planen wir für Juni 2027, daher liegt eine Messstelle in einer Ex-Zone bis dahin außerhalb des Lieferumfangs. Anschließend führen wir eine Testmessung an Proben aus Ihrem Prozess durch – typischerweise innerhalb von 2 Wochen – mit einem Machbarkeitsbericht, der einen Vorschlag zur Sondenkonfiguration und eine RMSECV-Schätzung (typischerweise in einer Größenordnung unter 0,2 Gew.-% bei engen Kalibrierbereichen) für die Hauptanalyten enthält. Proben nehmen wir auf beiden Wegen entgegen: stationär im Labor sowie, falls der Prozess keine Probenahme zulässt, im Rahmen eines Vor-Ort-Besuchs unseres Teams mit dem Analysator X1 PORTABLE. Nach der Machbarkeitsstudie liegt die Entscheidung über die vollständige Inline-Implementierung bei Ihnen – ohne CAPEX-Verpflichtung bis zu diesem Zeitpunkt. Kontaktdaten und das Formular für die Machbarkeitsstudie finden Sie auf der Seite /kontakt/.

FAQ – Häufig gestellte Fragen

Ist jede Ex-Zone in einem Chemiewerk eine Zone 1?
Nein. Die Einteilung leitet sich aus der tatsächlichen Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer explosionsfähigen Atmosphäre ab. Bereiche um geschlossene Prozessapparate mit brennbaren Lösungsmitteln werden häufig als Zone 2 eingestuft, während das Innere der Apparate selbst Zone 0 ist. Die Einteilung wird in der HAC-Analyse (Hazardous Area Classification) dokumentiert, die in der Regel bei jeder wesentlichen Änderung der Anlage aktualisiert wird.

Benötigt der Lichtwellenleiter des Analysators eine separate ATEX-Zertifizierung?
Der Lichtwellenleiter selbst erzeugt als passives Medium keine elektrischen Signale. Die Norm IEC 60079-28 erfasst jedoch Systeme, die optische Strahlung emittieren, wenn diese Strahlung in die Ex-Zone gelangen soll – in der Praxis also die Sonde und ihren optischen Pfad. Die Zertifizierung betrifft daher die aktiven Elemente: den Sondenkopf, die Anschlusskästen und den Analysator selbst, sofern er in der Ex-Zone steht. In unseren Projekten ist ein zertifizierter Endabschnitt des Lichtwellenleiters zusammen mit dem Sondenkopf Standard – was die Dokumentation für den Anwender vereinfacht.

Liefert ein Analysator im sicheren Bereich, der über einen 100-m-Lichtwellenleiter angebunden ist, ein schlechteres Spektrum als einer, der näher am Prozess steht?
Der Signalverlust in einem 100-m-Lichtwellenleiter ist messbar, bleibt aber in der typischen 785-nm-Konfiguration in einem Rahmen, der durch eine etwas längere Akquisitionszeit kompensiert wird. In der Praxis bemerken die Anwender keinen Unterschied in der Spektrenqualität – wohl aber einen Unterschied in der Einfachheit der Instandhaltung (ein Analysator in einer klimatisierten Leitwarte hält länger als in einer Prozesshalle).

Wird sich die geplante ATEX-Konfiguration des Spectrally X1 softwareseitig von der Standardversion unterscheiden?
Nein. Spectrally OS, die Spektrenbibliothek und die chemometrischen Modelle (PLS, CNN) werden identisch sein. Die für Juni 2027 geplante ATEX-Konfiguration unterscheidet sich ausschließlich in der Hardware: die Laserleistung wird auf 30 mW begrenzt, der Sondenkopf wird zertifiziert und – optional – kommt ein Ex p-Analysatorschrank hinzu, falls aus dem Zonenplan hervorgeht, dass der Analysator in Zone 2 stehen muss.

Hat Gekko Photonics Implementierungen von Raman-Analysatoren in Ex-Zonen?
Die meisten unserer Implementierungen befinden sich in der Prozesschemie – bei Phenol-Formaldehyd- und Harnstoffharzen, Kosmetika, Düngemitteln, Klebstoffen und Kohlenwasserstofffraktionen. Ein Teil dieser Bereiche sind klassische EX-Zonen; die Konfiguration mit dem Analysator auf der Wartenseite und der Sonde in der entsprechenden Schutzklasse ist für Juni 2027 geplant, bis dahin liegen Messstellen in Ex-Zonen außerhalb unseres Lieferumfangs. Während der Machbarkeitsstudie überprüfen wir die spezifischen Anforderungen des Betriebs und passen die Konfiguration an die HAC-Klassifizierung der jeweiligen Anlage an.