Rodzaje budowy przeciwwybuchowej czujników temperatury.

Dla rodziny czujników uniwersalnych zazwyczaj certyfikuje się wchodzące w jej skład typy zarówno do atmosfer gazowych G, jak i pyłowych D jednocześnie.

Funkcjonują dwie rodziny czujników:

• rodzina czujników oparta na czujnikach iskrobezpiecznych - Ex ia
• rodzina czujników oparta na czujnikach ognioszczelnych - Ex d

Budowa czujników iskrobezpiecznych ia.

Powszechnie wiadomo, że czujniki temperatury bez głowicowych przetworników temperatury, zarówno rezystancyjne RTD jak i termoelektryczne TC można zaliczyć do urządzeń prostych w sensie iskrobezpieczeństwa. Powodem tego jest ich nieskomplikowana budowa, przebadane własności elektryczne pod kątem gromadzenia energii elektrycznej i spełnienia warunków określonych dla urządzeń prostych: 1.5V, 100mA, 25mW.   W związku z powyższym pojawia się pytanie o sens certyfikowania tych czujników, skoro producent nie jest w stanie zbudować czujników RTD czy TC, które nie spełniłyby wymagań elektrycznych dla urządzeń prostych.   Wymogi Dyrektywy ATEX nakładają na producenta wyrobów Ex szereg obowiązków, a najważniejsze z nich to: właściwe oznaczenie wyrobu dostarczenie użytkownikowi instrukcji bezpiecznego montażu, eksploatacji, naprawy. I te właśnie dokumenty kontrolowane są przez Stacje Badawcze podczas certyfikacji.

Większość czujników certyfikowanych jako iskrobezpieczne nie spełniają warunków odstępów izolacyjnych pomiędzy elementami przewodzącymi i nieprzewodzącymi prąd. Powodem tego są bardzo małe wymiary poprzeczne (średnice) wkładów pomiarowych stosowanych ze względu na wymaganą małą bezwładność czujników.

Spełnienia powyższego warunku nie wymaga się od czujników wyposażonych w głowicowe przetworniki temperatury galwaniczną izolacją obwodów wejście/wyjście-element przetwarzający. W tym przypadku nie jest wymagane nawet lokalne uziemienie obudowy.

Należy zwrócić uwagę, że uziemienie czujnika z uziemieniem bariery Zenera poprzez uziemienie do konstrukcji nie zawsze jest skuteczne ze względu na możliwą korozję złączy gwintowanych osłony czujnika-konstrukcja metalowa, jak również na użycie środków uszczelniających gwint, np. taśmy teflonowej.

Głowicowe przetworniki temperatury są produkowane przez specjalistyczne firmy, są oddzielnie certyfikowane, a zamontowanie ich w czujniku powoduje, że nabywa on cech przypisanych przetwornikowi.

Należy podkreślić, że pomimo potocznego określenia na budowę ia czujników - czujniki iskrobezpieczne, to same czujniki nie zapewniają bezpieczeństwa przeciwwybuchowego. Są one tak naprawdę elementem zwierającym obwód elektryczny, a bezpieczeństwo obwodu zapewniają wszystkie inne urządzenia podłączone do tego obwodu wraz z przewodami, a kluczową rolę odgrywają tutaj iskrobezpieczny zasilacz, oraz bariery Zenera ograniczające wzrost napięć w obwodzie w momencie wyładowań atmosferycznych.

Budowa czujników ognioszczelnych d.

Czujniki ognioszczelne d elektrycznie odpowiadają standardowym czujnikom temperatury. Ich funkcja przeciwwybuchowa tworzona jest  poprzez zastosowanie specjalnej głowicy przyłączeniowej odpornej na wybuchy wewnętrzne i tłumienie płomieni w miejscach połączeń jej elementów tak, aby płomienie nie spowodowały zapłonu otaczającej czujnik mieszaniny wybuchowej. Głowice są zazwyczaj oddzielnie certyfikowane jako komponenty z literą U na końcu certyfikatu.   Wkłady pomiarowe tych czujników również posiadają specjalną budowę, która tworzy szczelinę ogniową. Taka konstrukcja dzieli objętość wewnętrzną czujnika na dwie, minimalizuje objętość zagrożoną wybuchem do objętości głowicy i pozwala na dowolną zmianę długości (objętości) osłony wkładu pomiarowego bez wpływu na ciśnienie  wybuchu w głowicy przyłączeniowej.

Czujniki Ex d mogą być również certyfikowane do grupy 1/2G do strefy 0. W tym przypadku drugi niezależny rodzaj zabezpieczenia przeciwwybuchowego stanowi odpowiednio gruba ścianka osłony czujnika wykonana ze stali odpornej na korozję. Czujniki Ex d mogą być również certyfikowane bez osłony do grupy 2G do strefy 1 , oraz 1D do strefy 20. W tym przypadku wkład pomiarowy musi być wykonany jako płaszczowy, a jego wyjście z głowicy szczelne – minimum IP65.

Budowa czujników o zabezpieczeniu przez obudowę tD.

Zabezpieczenie przeciwwybuchowe tych czujników polega na zachowaniu odpowiedniej szczelności obudowy czujnika (głowica+osłona+wpust kablowy). Obudowa o odpowiedniej szczelności (wyrażonej stopniem ochrony obudowy IP), oraz odporność na uderzenia jest elementem zabezpieczającym przed przedostawaniem się pyłów do wnętrza czujnika do otwartych styków elektrycznych mogących stanowić źródło zapłonu pyłu wymieszanego z powietrzem lub osiadłego pomiędzy zaciskami elektrycznymi kostki.

Norma EN 61241-1 rozróżnia dwie praktyki możliwe do wyboru do certyfikacji:

Pojawia się pytanie, którą praktykę stosować ? Jeżeli wcześniej czujnik lub głowica (przed pojawieniem się normy) był badany dla określenia jego IP to wygodnie jest certyfikować go po nowemu do pyłu według praktyki A (taką praktykę stosuje firma Termoaparatura).

Budowa czujników iskrobezpiecznych certyfikowanych opyłu iD.

Ten sposób zabezpieczenia przeciwwybuchowego dotyczy czujników podłączonych do obwodu iskrobezpiecznego i bez obudowy (goła spoina pomiarowa lub opornik pomiarowy) zanurzonego w pyle, lub wystawionego na działanie mieszaniny pyłu z powietrzem.

Norma ogranicza moce rozproszone urządzeń w zależności od temperatury otoczenia. Norma dotyczy także takich elementów jak płytki drukowane czy potencjometry pracujące w obecności pyłu.

Oznaczenie czujnika iskrobezpiecznego ia certyfikowanego jednoczenie do pyłu jako tD.

Jakie oznaczenie powinien nosić czujnik iskrobezpieczny ia, który jednocześnie został certyfikowany do pyłu jako tD?

Oznaczenie czujników ia do gazu: II 1/2G Ex ia IIC T5
Oznaczenie czujników tD do pyłu D: II 1D Ex tD A20 IP65 T100°C

Powyższe oznaczenie nie przewiduje znaku ia.

II 1D Ex ia tD A20 IP65 T100°C

Ponieważ producent głowicy Ex e użytej do budowy czujników nie wykonał badań temperatura/moc zainstalowana, pozostały do wykorzystania dwie drogi. Wybrano tą pierwszą.

Klasa temperaturowa przemysłowych czujników temperatury.

Przemysłowe czujniki temperatury używane są do pomiaru temperatury w rurociągach, zbiornikach czy komorach reakcyjnych w zakresie -200 do +1200°C.

Osłona czujnika wyposażona jest w łącznik gwintowany, lub kołnierz służący do mocowania do ścianek  osłaniających proces. Część pomiarowa osłony znajduje się w procesie, część dystansowa z głowicą przyłączeniową w temperaturze otoczenia. Tak zamontowany czujnik stanowi element przewodzący ciepło z procesu do otoczenia gdy Tp>Tot, lub z otoczenia do procesu gdy Tp Tak więc istnieją trzy stany czujnika w zależności od temperatury proporcji temperatur procesu i odniesienia. Proporcje tych temperatur decydują, która część czujnika ma najwyższą temperaturę.

Poniższa tabela opisuje te przypadki.

Powyższa tabela daje wskazówki, który element czujnika należy brać pod uwagę przy sprawdzaniu warunku unikania zapłonu mieszaniny wybuchowej od gorących powierzchni.

Należy zwrócić uwagę, że w przypadku atmosfer gazowych zakłada się, że pomimo wysokiego stopnia szczelności (np. IP65) , gaz znajduje się wewnątrz czujnika ze względu na własności penetracyjne gazów(wodór przechodzi przez metalowe ścianki), oraz zjawisko pompowania w przypadku zmian temperatur procesu. Oznacza to, że  mieszanina wybuchowa znajduje się wewnątrz osłony czujnika i osiąga temperaturę procesu.

Jaką klasę temperaturową można przypisać czujnikowi, którego zakres pomiarowy wynosi -200 do +550°C (czujnik RTD) ?

Stare podejście niektórych stacji badawczych polegało na tym, że określano klasę temperaturową czujnika umieszczonego nie w procesie a w temperaturze pokojowej. Była ona określana na podstawie badania samonagrzewania się elementu pomiarowego czujnika i dla czujników bez przetworników głowicowych była zawsze T6, i taką klasę temperaturową umieszczano w certyfikacie w oznaczeniu czujnika.

Taka informacja podana użytkownikowi razem z zakresem pomiarowym czujnika, np. -200 do +550°C bez komentarza o warunkach w jakich przeprowadzano badania była dezinformacją. Dlatego też certyfikat zawierał informację o warunkach stosowania wyrobu, mówiący o odpowiedzialności użytkownika. Użytkownik czujnika był odpowiedzialny za takie zamontowanie czujnika, aby temperatura najbardziej gorącej część czujnika nie przekraczała temperatury samozapłonu otaczającej atmosfery wybuchowej.

Taki sposób opisu wyrobu nie odpowiada wymaganiom norm, które mówią, że urządzenia procujące w atmosferach gazowych należy przyporządkować do określonej klasy temperaturowej. Norma mówi o warunkach pracy urządzenia do których zostało przeznaczone. W tym przypadku czujnik powinien być zamontowany do rurociągu i mierzyć temperaturę procesu.

W tym przypadku pojawia się pytanie, czy wnioskodawcy o certyfikację i stacja badawcza mogą określić klasę temperaturową uniwersalnych czujników przemysłowych nie mając świadomości w jakiej temperaturze zostaną one zamontowane przez użytkownika?

Temperatura powierzchni czujnika jest sumą:

Ts = Tp + Tsn + Tot

Gdzie:
Ts – temperatura powierzchni czujnika
Tp – temperatura procesu
Tsn – temperatura od procesu samonagrzewania (mocy rozproszonej)
Tot – temperatura otoczenia

Oznacza to, że o temperaturze powierzchni czujnika decyduje temperatura procesu w który został on umieszczony.

Tak więc można przyjąć:
Ts = Tp

II 1/2G Ex ia IIC T6-T1

Dla zakresu temperaturowego czujnika TC : -40 do +1200°C oznaczenie będzie następujące:

II 1/2G Ex ia IIC T6-T1  (450°C)

Amoniak - 560°C
Chlorek metylenu - 660°C
Cyjanogen - 850°C
Wodór - 580°C

Powyższą uwagę producent zobowiązany jest umieścić także w DTR. Ze względu na powyższe uwagi na końcu numeru certyfikatu umieszczona jest litera X.