Kendinden güvenli (Ex i) koruma türü, potansiyel olarak patlayıcı bölgeye sahip sistemlerde, ölçme ve kontrol teknolojisi alanında dünya çapında kendini kanıtlamıştır. Birincisi, kurulum açısından diğer koruma türlerine kıyasla çok daha uygun maliyetlidir. Diğeri, bakım çalışmaları ve operasyon sırasında değişikliklere izin verir. Ayrıca, basit bir elektrik ekipmanını özel onay almadan kullanmak da mümkündür.

Ex i koruma tipinin arkasındaki prensip, potansiyel olarak patlayıcı bölgeye aktarılan ve orada depolanabilecek enerjiyi sınırlamaya dayanır. Bu, herhangi bir kıvılcımdan açığa çıkan enerjinin her zaman etraftaki potansiyel patlayıcı atmosferin asgari tutuşma enerjisinden daha az olduğu anlamına gelir.

• Ii  =   Max. permissible input current
• Pi  =  Max. permissible input power
• Ci= Max. internalcapacitance
• Li    =  Max. internalinductance
• Lc= Max. cable/line inductance
• Io=  Max. output current
• Po= Max. outputpower
• Co= Max. (connectable) external capacitance
• Lo= Max. (connectable) externalinductance

Ayrıca elektronik bileşenler gibi tutuşmaya neden olabilecek sıcak yüzeylerin oluşumunu engeller. Diğer tüm koruma türlerininaksine, Exi, yalnızca tek bir ekipmana değil, EN/IEC 60079-11’e uygun olarak tüm kendinden güvenli devreye de atıfta bulunur.

Ex i izolatörlerin özel anlamı

Kendinden güvenli devreler genellikle aşağıdaki elemanlardan oluşur:

• Kendinden güvenli donanım, yani Ex i bölgesine (örneğin bir Ex i sıcaklık vericisi) monte edilmiş bir tüketici
• Ex i bölgede olmayan bir kaynağı içeren ilişkili ekipman (Ex iizolatörü)
• Bağlantı kablosu

Ex  i izolatörleri  bu  noktada özellikle  önemlidir.  EN/ IEC 60079-0 ve -11 uyarınca, kendinden güvenli devrelere, kendinden güvenli olmayan diğer tüm devrelerden galvanik olarak güvenli izolasyon sağlarlar ve bu nedenle her Ex  i  MCR devresinde mutlak bir zorunlulukturlar. Dahası, Ex bölgesine iletilen enerjiyi, yani maksimum yüksüz gerilim Uo, maksimum kısa devre akımı Io ve maksimum güç Po’ı uygun seviyeye sınırlandırırlar. Aynı zamanda, Co ve Lo aracılığıyla, hangi maksimum enerji depolama elemanlarının – saha cihazındaki konsantre kapasitans Ci ve konsantre endüktans Li L, hat kapasitansları Ccve hat endüktansları Lc – devrenin kendinden güvenliğini tehlikeye sokmadan bağlanabileceğini belirlerler.

Exi koruma türünün bir diğer önemli yönü, belirli hataların ortaya çıkacağı varsayımı altında enerji sınırlamasının güvenilirliğidir. Bu nedenle, kendinden güvenli elektrik ekipmanı ve ilgili ekipmanın Ex i ile ilişkili anahtarlama kısımları, gerekli güvenilirliğe göre tasarlanır ve sırayla Ex bölgesindeki farklı bölgelerle aynı hizada olan farklı koruma seviyelerine ayrılır. Ex ia koruma seviyesi (çift hata toleransı) Zone 0’da (ve bu nedenle de Zone 1 ve 2’de), Ex ib koruma seviyesi (tek hata toleransı) Zone 1’de, (ve bu nedenle, Zone 2’de de) ve Ex ic koruma seviyesi (sıfır hata toleransı) yalnızca Zone 2’de kullanım için uygundur.

Resim 1: Kendinden güvenli bir devrenin parametre ve kriterleri.

Farklı üreticilerin Ex i saha cihazları ve izolatörlerini Kombine Etmek

İlgili bağlantının kıvılcım ve sıcak yüzey üretmemesini sağlamak için, kullanıcı veya sistem operatörü, “kendinden güvenlik kanıtı” göstermeli ve belgelendirmelidir. Bu, ATEX Direktifi RL 1999/92/EC ve BetrSichV’de  veya  BetrSichV’deya da Yeni GefStoffV ve elektriksel patlama koruması için standardizasyon şartlarında tanımlanmıştır. Bu proses kullanıcıya farklı gereksinimler doğrultusunda Exi saha cihazları ve izolatörleri seçip kombine edebilme avantajı sunar.

Resim 1, doğrusal veya omik bir kaynak karakteristik eğrisine sahip ilişkili ekipmandan (kaynak), kendinden güvenli bir ekipmandan ve bağlantı kablolarından  oluşan mavi ile işaretlenmiş kendinden güvenli bir devreyi gösterir. Şekil ayrıca, kendinden güvenliği sağlamak için gerekli olan güvenlik teknolojisi parametrelerini ve ayrıca devrenin gerçekten güvenli olmasını sağlamak için yerine getirilmesi gereken kriterleri gösterir. Parametreler AB muayene sertifikalarında ve kullanım kılavuzlarında veya veri sayfalarında bulunabilir.

Mevcut DINEN60079-11 ve DINEN60079-14 standardının (VDE 0165-1) güncel versiyonlarına göre, yüzde 50 kuralının kullanılıp kullanılmayacağını belirlemek için bir değerlendirme yapılmalıdır. Bunun nedeni, ilgili ekipmanın sertifikalı Co ve Lo değerlerinin yalnızca aşağıdaki durumlarda tam olarak kullanılabilmesidir. Konsantre kapasitansları(=Ci) ve konsantre endüktansları olmayan (=Li) basit kendinden güvenli devrelerde Li< %1 Lo veya Ci’nin Co’nun.   %<1 olması koşuluyla, konsantre kapasitanslı ve/veya konsantre endüktanslı karma kendinden güvenli bir devrede Li≥ %1 Lo ve Ci≥ %1 Co ise, onaylı Co ve Lo değerleri yüzde 50 azaltılmalıdır. Bu durumda, aşağıdakiler geçerlidir.

Ci + CC < 0.5 Co Li + LC < 0.5 Lo.

Bu durum için, bazı durumlarda – örneğin MACX MCR-EX ürün grubunda olduğu gibi test bölgelerinden türetilmiş, yarı değerden 1.5 kat daha büyük olan Cove Lo değer çiftleri vardır.

Resim 2: Kendinden güvenli bir ölçü devresi örneği

Bir sıcaklık ölçüm devresinin kendinden güvenlik kanıtı örneği

Proses mühendisliği uygulamalarında Ex bölgesindeki sıcaklık, basınç, debi, nem veya pH değeri gibi proses değişkenleri kendinden güvenli ölçüm transdüserleri (vericiler) ile toplanır ve 4… 20 mA standart elektrik sinyaline dönüştürülür. Bunlardan sıcaklık kesinlikle en sık ölçülen fiziksel değişkenlerden biridir. Bu sebeple, bir  hidrojen/  hava karışımından kaynaklanan potansiyel olarak patlayıcı bir atmosfer için Ex Zone 0’a kadar kendinden güvenli bir sıcaklık ölçüm devresinin kendinden güvenliğinin nasıl doğrulanacağını gösteren bir örnek sağlıyoruz. Ex i ölçüm devresi, doğrusal bir kaynak karakteristik eğrisine sahip aktif ilişkili ekipman öğesi olarak bir MACX MCR-EX-RPSSI-I tekrarlayıcı güç kaynağı ile iki pasif kendinden emniyetli ekipman öğesi arasında bir ara bağlantıdan oluşur: birFA MCR EX-HT- TS-I-OLP sıcaklık vericisi ve bir FAMCR-EX-DS- II işlem göstergesi (Resim2).

Kendinden güvenliği kanıtlamak için aşağıdaki kriterler yerine getirilmelidir:

• Zone 0 için Ex ia koruma seviyeleri ve kategoriler bölgelere uygun olmalıdır. Bu kriter, cihazın AB muayene sertifikasındaki göstergeyle, cihazın koruma seviyesini etkilemeden ia koruma seviyesine sahip bir Ex i devresinde kullanılabileceğini gösteren bildirimle karşılanmaktadır.

• Malzeme grupları eşleşir.

Tüm Ex i cihazları, IIC işaretine uygun olarak bir hidrojen/ hava karışımlı Ex atmosferi için onaylıdır. Aynısı, T4 sıcaklık sınıfı için de geçerlidir, böylece bu talep de karşılanmıştır.

• Ex i kriterlerini karşılaştıran Resim 1’de listelenen beş kriter karşılanmıştır.

Bu önkoşul, Resim 2’de gösterilen Ex i parametrelerine göre karşılanır. Ayrıca, yüzde 50 kuralını kullanmaya gerek olmayan karma bir Exi devresi ile ilgileniyoruz. Sadece proses göstergesi 35.1µH konsantre endüktansa sahiptir. Bu nedenle, hesaplamalara göre, 140 nF/km’lik özel Cc kablo kapasitesi ve 1 nH/km’lik Lc kablo endüktansı ile 750 metrelik, 107 nF Co değerine sahip kablo mümkündür 1964.9 metre’lik kablo ise 2 mH Lo değeri ve 35,1 µH Ci değeri ile mümkündür. Bu ara bağlantı, bu nedenle 750 metreye kadar kablo uzunluğu için kendinden güvenlidir.

Yukarıda tarif edilen kendinden güvenlik kanıtı, kafa tipi transdüserin saha-yan bağlantılarının termokupl ve dirençli sıcaklık algılayıcı (RTD) ile birbirine bağlanması için ayrı olarak uygulanmalıdır.

Basit elektrik ekipmanı

EN 60079-11’e göre termokupllar ve RTD’ler “basit elektrikli ekipman” olarak kabul edilir. Bu, alternatif olarak, sıcaklık sensörlerinin onaysız da kullanılabileceği anlamına gelir. Bununla  birlikte kullanıcı,  termokuplların  ve RTD’lerin   EN 60079-11’de belirtilen enerji depolama ve üretim şartnamelerindeki özelliklere uymasını sağlamalıdır. Ayrıca, kullanıcı, bir sıcaklık sınıfı atamak için cihazların yüzey ısınma işlemlerini Po değeri üzerinden belirlemelidir.

İşlevsel verilerin ayrı değerlendirilmesi

Cihazları seçerken, kendinden güvenlik kanıtı ile birlikte işlevsel verilerin boyutlandırılması dikkate alınmalıdır. Örneğin, MACXMCR-EX-SL-RPSSI-I tekrarlamalı güçkaynağı, 20 mA’da 16 V besleme gerilimi ile FA MCR EX-HAT-TS-I-OLP sıcaklık transdüserini besler. Sıcaklık transdüseri en az 11 V DC besleme gerilimi gerektirir. FAMCR EX-DS-I-I proses göstergesi için <1 V (HART ile <1.9 V) hafif gerilim düşümü faydalıdır, çünkü Ex i kaynakları için besleme gerilimi Ex i olmayan cihazlardan daha düşüktür. Sonuç olarak, bir hatla ilgili gerilim düşümü için ve bir yedek olarak 3.1V mevcuttur.

Maksimum esneklik için çok sayıda onay

12,4 mm ince MACX MCR Ex gibi yenilikçi Ex i izolatör serisi, ideal olarak koordine edilmiş Io, Uo ve Po değerleriyle göze çarpar ve onları çok sayıda Ex i saha cihazı ile uyumlu hale getirir. Ürün yelpazesini geliştirirken, bunun maksimum uygulanabilir kablo uzunluğunu belirlemek için gerekli bir parametre olduğu göz önüne alındığında, mümkün olan en yüksek Co değerine de önem verilmiştir (Resim 3).

MACX MCR Ex serisi Ex i izolatörleri mevcut ATEX direktifine göre 2014/34/EU ve Ex II (1) G [Ex ia Ga] IIC ve Ex II (1) ile patlamaya karşı koruma standartlarına uygun olarak onaylanmıştır; Ex zone 0 (gaz) ve Ex zone 20’ye (toz) kadar olan Exi devreleri çin ExII(1)[ExiaGa]IICveExII(1)D[Ex ia Da] II Ex işaretler. Bu nedenle, tüm malzeme grupları için tüm Ex bölgelerinde kullanılabilirler ve bu da yüksek esneklik sağlar.

Ayrıca, Ex n koruma tipine göre Ex zone 2’ye MACX cihazları monte edilebilir ve bu sayede dağıtık otomasyon konseptlerinde kullanımları kolaylaşır. IECEx, EAC ve UL gibi diğer uluslararası onaylar dünya çapındaki uygulamalarda kullanımları için önkoşuldur.

SIL 2 veya SIL 3’e kadar işlevsel güvenlik

Ex sistem yapısındaki bir MCR sinyali koruma kademesininbir parçasıysa sistem operatörü, kendinden güvenlik kanıtına ek olarak, süreklilik ve kalite bakımından sinyal iletimi niteliği taşımalıdır. Bu nedenle MACX MCR-…Ex i izolatör serisi ve FA MCR… proses göstergeleri ve saha cihazları EN 61508’e göre emniyet odaklı devrelerde kullanım için geliştirilmiştir. Bağımsız test kurumları bunları SIL 2 veya SIL 3’e kadar uygulamalarda kullanım için onaylamıştır.

Sadece 12,5 mm’lik genişlik

Yukarıda açıklanan Exi tekrarlamalı güç kaynaklarına ekolarak, portföy aynı zamanda iki galvanik olarak izole edilmiş 4… 20 mA çıkışlı (sinyal çoklayıcı) ve iki kanallı tasarımda analog giriş sinyalleri için Ex i MACXMCR-EX-SL serisi izolatörleri içerir. Sinyal çoklayıcı durumunda, kullanıcılar hem her iki4… 20 mA çıkışın HART sinyalini ilettiği ya da ikinci çıkışın HART sinyalini filtrelediği versiyonlar arasından seçim yapabilir. Bu, hassasiyeti yüksek girişler için önemlidir. MCR teknolojisi ile ilgili diğer tüm sinyalleri işlemek için – örneğin termokupllar, RTD’ler, analog çıkış sinyalleri (örneğin,oransalvalflerikontrol etmek için), NAMUR sensörlerinden gelen ikili giriş sinyalleri veya On/Off valflerini ve alarmı çalıştırmak için kontaklar ve ikili çıkışlar – Ex i izolatörlerinin MACX MCR-EX-SL serisi, Ex i izolatörler, sinyal çoklayıcılar, ölçüm transdüserleri ve limit anahtarlarında kapsamlı ve eksiksiz bir fonksiyonel spektrum sunar.

Bu cihazlar, diğerlerinin yanı sıra, toplam genişliği sadece 12,5 milimetre olan tüm tek ve iki kanallı tasarımlar için idealdir. Bu, kullanıcılara pazardaki mevcut boyutlara kıyasla yüzde 45 daha fazla alan tasarrufu sağlar. Kompakt tasarım, patentli bir dönüştürücü ve düşük güç tüketimli devre tasarımı sayesinde mümkün olur. Aynı zamanda, devre tasarımında elektrolitik kapasitörlerin bulunmaması, nihai değerin tipik olarak yüzde 0.05’i kadar tutarlı bir iletim doğruluğu ile daha uzun bir servis ömrüne katkıda bulunur.

Genişletilmiş diyagnostik işlevlerine sahip döngü beslemeli sıcaklık vericileri

Sürekli genişleyen Field Analog ürün yelpazesi ile Phoenix Contact, sıcaklık sensörleri için vericiler ve proses göstergeleri gibi saha cihazları da sağlıyor. Yeni döngü beslemeli sıcaklık vericileri, iki termokuplu veya RTD’yi işlemek ve onları ölçeklendirilebilir bir 4… 20 mA veya HART sinyaline dönüştürmekiçinkullanılabilir. Opsiyon olarak mevcut işlevler arasında ortalama değer üretme, karşılaştırma, çıkarma veya sensör yedeklemesi bulunur. Ek olarak, HART protokolü ile serbestçe ayarlanabilen dört adede kadar değer aşağı çevre birimlere iletilebilir. Sıcaklık vericisi, HART ve yaprogramlama arayüzü ile geliştirilmiş diyagnostik fonksiyonların yanı sıra, yüksek doğruluk, güvenilirlik ve uzun süreli stabilite sunar. Bu cihaz iki farklı tasarıma sahiptir: DIN rayına montaj için muhafaza ve DIN50446’ya göre bir B bağlantı kafasına montaj için (Resim4).

Resim 3: MACX Analog Ex: 12.5 mm toplam genişliğe sahip kapsamlı ürün gamı

Resim 4: MCR Field Analog ürün gamına ait cihazlar

Farklı koruma sınıfında çok fonksiyonlu proses göstergeleri

Bu döngü beslemeli, HART uyumlu proses göstergeleri, ölçülen değerlerin esnek şekilde görüntülenmesini sağlar, böylece veriler istenen birimlerde ölçeklenebilir ve görselleştirilebilir. Cihazlar HART master olarak tasarlandığından, kullanıcılar daha önce kullanılmamış HART fonksiyonlarından faydalanabilir. Şimdi, HART protokolü kullanılarak ekranda dört adede kadar ek ölçüm değeri gösterilebilir.

Çok fonksiyonlu proses göstergeleri, klasik sinyal koşullayıcılarının özelliklerini esnek gösterge cihazlarının avantajlarıyla birleştirir. Çok fonksiyonlu giriş, akım, gerilim, termokupllar veya RTD’ler gibi farklı analog değerleri yakalamak için kullanılabilir. Giriş ayrıca gerekirse sensöre gerilim sağlar. İki röle çıkışı farklı sınır değer anahtarlama fonksiyonları için kullanılabilirken, sinyal analog çıkış üzerinden aşağı sistemlerine iletilir. Esnek ayar seçenekleri sayesinde ekran, kullanıcının tüm gereksinimlerini karşılayacak şekilde ayarlanabilir. Ölçülen değerlerin bildirimi istenildiği şekilde ölçeklendirilebilir ve sinyal, istenen birim veya ölçüm noktası ile birlikte iletilebilir. Hem çok işlevli proses göstergeleri hem de HART uyumlu proses göstergeleri IP20 ve IP66 koruma sınıfında mevcuttur.