Prozesstransmitter in Chemieanlagen, Tanklagern, Raffinerien und anderen explosionsgefährdeten Bereichen müssen mehr erfüllen als die eigentliche Messaufgabe. Neben Messbereich, Genauigkeit und Medienverträglichkeit müssen auch Zone, Gerätekategorie, Zündschutzart, Gas- oder Staubgruppe, Temperaturklasse und Umgebungstemperatur zur Messstelle passen.
Bei einem eigensicheren 4–20-mA-Transmitter reicht es nicht aus, nur das Feldgerät mit ATEX-Zulassung zu bestellen. Transmitter, Speisetrenner oder Ex-Barriere, Leitung, SPS-Eingang, HART-Kommunikation und angeschlossene Prüfgeräte bilden gemeinsam einen eigensicheren Stromkreis. Seine Sicherheit muss anhand der jeweiligen Zertifikate und elektrischen Grenzwerte nachgewiesen werden.
Besonders häufig entstehen Fehler durch unvollständig ausgewertete Typenschilder, ungeeignete Kabelverschraubungen, fehlende Betrachtung der Umgebungstemperatur oder eine Barriere, die zwar den 4–20-mA-Strom überträgt, aber keine zuverlässige HART-Kommunikation ermöglicht.
Inhaltsverzeichnis
- ATEX, IECEx und betrieblicher Explosionsschutz
- Zone und erforderliches Schutzniveau bestimmen
- Ex-Kennzeichnung richtig lesen
- Was bedeutet Zündschutzart Eigensicherheit?
- Der vollständige eigensichere Stromkreis
- Ui, Ii, Pi, Ci und Li richtig vergleichen
- Ex-Barriere oder galvanischer Speisetrenner?
- 4–20-mA-Stromschleife auslegen
- HART-Kommunikation im Ex-Bereich
- Temperaturklasse und Umgebungstemperatur
- Gas- und Staubgruppen berücksichtigen
- Kabel, Verschraubungen und Blindstopfen
- Erdung, Schirmung und Potenzialausgleich
- Prozessanschluss und medienberührte Werkstoffe
- Welche Dokumentation wird benötigt?
- Inbetriebnahme und wiederkehrende Prüfung
- Loop-Check und HART-Diagnose
- Typische Planungs- und Installationsfehler
- Praxisbeispiel an einem Lösungsmitteltank
- Prozesstransmitter richtig auswählen
- Welche Produkte eignen sich?
- Fazit
- Häufige Fragen
ATEX, IECEx und betrieblicher Explosionsschutz
ATEX und IECEx verfolgen ähnliche Schutzziele, erfüllen jedoch unterschiedliche rechtliche beziehungsweise internationale Funktionen.
| Begriff | Bedeutung |
|---|---|
| ATEX 2014/34/EU | Europäische Produktrichtlinie für Geräte und Schutzsysteme zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen |
| IECEx | Internationales Zertifizierungssystem auf Grundlage der IEC-60079-Normenreihe |
| Zoneneinteilung | Bewertung des Betreibers, wie häufig und wie lange eine explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann |
| Explosionsschutzdokument | Dokumentation der Gefährdungsbeurteilung, Zoneneinteilung und festgelegten Schutzmaßnahmen |
Eine ATEX-Zulassung des Transmitters ersetzt weder die Zoneneinteilung noch das Explosionsschutzdokument. Der Betreiber muss zunächst festlegen, welche explosionsfähige Atmosphäre auftreten kann und welches Geräteschutzniveau erforderlich ist.
Auch IECEx und ATEX dürfen nicht pauschal gleichgesetzt werden. Für eine konkrete Anlage sind die am Aufstellungsort geltenden rechtlichen Anforderungen und die tatsächlich vorliegenden Zertifikate maßgeblich.
Zone und erforderliches Schutzniveau bestimmen
Bei Gasen, Dämpfen und Nebeln werden die Zonen 0, 1 und 2 unterschieden. Für brennbare Stäube gelten die Zonen 20, 21 und 22.
| Zone | Auftreten der explosionsfähigen Atmosphäre | Typisches erforderliches Schutzniveau |
|---|---|---|
| Zone 0 | Ständig, über lange Zeiträume oder häufig | Kategorie 1G beziehungsweise EPL Ga |
| Zone 1 | Im Normalbetrieb gelegentlich | Mindestens Kategorie 2G beziehungsweise EPL Gb |
| Zone 2 | Im Normalbetrieb normalerweise nicht oder nur kurzzeitig | Mindestens Kategorie 3G beziehungsweise EPL Gc |
| Zone 20 | Brennbare Staubatmosphäre ständig, langfristig oder häufig | Kategorie 1D beziehungsweise EPL Da |
| Zone 21 | Brennbare Staubatmosphäre im Normalbetrieb gelegentlich | Mindestens Kategorie 2D beziehungsweise EPL Db |
| Zone 22 | Brennbare Staubatmosphäre normalerweise nicht oder nur kurzzeitig | Mindestens Kategorie 3D beziehungsweise EPL Dc |
Ein Gerät mit höherem Schutzniveau kann grundsätzlich auch für eine weniger anspruchsvolle Zone geeignet sein, sofern alle weiteren Merkmale passen. Ein für Zone 1 zugelassener Transmitter darf dagegen nicht automatisch in Zone 0 eingesetzt werden.
Entscheidend ist die vollständige Kennzeichnung. Die allgemeine Aussage „ATEX-Ausführung“ genügt nicht.
Ex-Kennzeichnung richtig lesen
Eine mögliche Kennzeichnung eines eigensicheren Gasgeräts lautet beispielsweise:
II 1G Ex ia IIC T4 Ga
| Bestandteil | Bedeutung |
|---|---|
| II | Gerätegruppe für Bereiche außerhalb schlagwettergefährdeter Bergwerke |
| 1G | ATEX-Gerätekategorie 1 für Gasatmosphären |
| Ex | Explosionsgeschützte Ausführung |
| ia | Zündschutzart Eigensicherheit mit sehr hohem Schutzniveau |
| IIC | Gasgruppe mit besonders hohen Anforderungen |
| T4 | Maximal zulässige Oberflächentemperatur 135 °C unter den zertifizierten Bedingungen |
| Ga | Equipment Protection Level für Zone 0 |
Zusätzlich können Umgebungstemperaturbereich, Zertifikatsnummer und besondere Hinweise angegeben sein.
Kennzeichnung mit „X“
Ein „X“ am Ende der Zertifikatsnummer weist auf besondere Bedingungen für die sichere Verwendung hin. Diese können beispielsweise betreffen:
- eingeschränkten Umgebungstemperaturbereich,
- Schutz vor elektrostatischer Aufladung,
- besondere Kabelverschraubungen,
- mechanischen Schutz,
- Prozess- oder Gehäuseerdung,
- zulässige Werkstoffkombinationen.
Das Gerät darf erst eingebaut werden, nachdem diese Bedingungen ausgewertet und umgesetzt wurden.
Kennzeichnung mit „U“
Ein „U“ kennzeichnet üblicherweise ein Ex-Bauteil, das nicht als selbstständig einsetzbares vollständiges Gerät bewertet wurde. Ein solches Zertifikat darf nicht wie eine vollständige Gerätezulassung behandelt werden.
Was bedeutet Zündschutzart Eigensicherheit?
Bei der Zündschutzart Eigensicherheit wird die elektrische Energie im Stromkreis so begrenzt, dass unter den festgelegten Fehlerbedingungen keine zündfähigen Funken oder unzulässigen Erwärmungen entstehen.
Typische Schutzniveaus sind:
| Zündschutzart | Typischer Einsatz |
|---|---|
| Ex ia | Je nach vollständiger Zulassung bis Zone 0 |
| Ex ib | Je nach vollständiger Zulassung bis Zone 1 |
| Ex ic | Je nach vollständiger Zulassung bis Zone 2 |
Eigensicherheit bedeutet nicht, dass der Transmitter beliebig an eine normale 24-V-Stromversorgung angeschlossen werden darf. Zwischen sicherem Bereich und Ex-Bereich wird eine geeignete zugehörige elektrische Ausrüstung benötigt, beispielsweise ein eigensicherer Speisetrenner oder eine Ex-Barriere.
Der vollständige eigensichere Stromkreis
Der Nachweis der Eigensicherheit umfasst die gesamte Zusammenschaltung:
- Prozesstransmitter,
- Speisetrenner oder Zenerbarriere,
- Verbindungskabel,
- Klemmen und Steckverbindungen,
- gegebenenfalls Anzeige- oder Trennmodule,
- angeschlossene Prüf- und Kommunikationsgeräte.
Ein einzelnes eigensicheres Feldgerät garantiert noch keinen eigensicheren Stromkreis. Ebenso genügt eine zugelassene Barriere nicht, wenn ihre Ausgangswerte nicht zu den Eingangswerten des Transmitters passen.
Auch nachträglich angeschlossene HART-Modems, Handterminals oder Stromschleifenkalibratoren werden Bestandteil der betrachteten Zusammenschaltung. Für den Anschluss im Ex-Bereich müssen sie entsprechend zugelassen und in der Dokumentation berücksichtigt sein.
Ui, Ii, Pi, Ci und Li richtig vergleichen
Für die Zusammenschaltung werden die sicherheitstechnischen Grenzwerte von zugehöriger elektrischer Ausrüstung und Feldgerät verglichen.
| Barriere oder Speisetrenner | Feldgerät | Grundbedingung |
|---|---|---|
| Uo: maximale Ausgangsspannung | Ui: maximal zulässige Eingangsspannung | Uo ≤ Ui |
| Io: maximaler Ausgangsstrom | Ii: maximal zulässiger Eingangsstrom | Io ≤ Ii |
| Po: maximale Ausgangsleistung | Pi: maximal zulässige Eingangsleistung | Po ≤ Pi |
| Co: zulässige externe Kapazität | Ci plus Kabelkapazität | Co ≥ Ci + CKabel |
| Lo: zulässige externe Induktivität | Li plus Kabelinduktivität | Lo ≥ Li + LKabel |
Diese Gegenüberstellung ist der grundlegende Nachweis, ersetzt aber nicht die Hinweise des jeweiligen Zertifikats. Wenn gleichzeitig relevante Kapazitäten und Induktivitäten auftreten oder besondere Ausgangskennlinien vorliegen, können zusätzliche Einschränkungen gelten.
Die Kabelkapazität und Kabelinduktivität werden aus den Herstellerdaten und der tatsächlichen Leitungslänge ermittelt. Eine nachträgliche Verlängerung der Leitung kann deshalb den ursprünglichen Nachweis ungültig machen.
Ex-Barriere oder galvanischer Speisetrenner?
Zur Energiebegrenzung werden häufig Zenerbarrieren oder galvanisch getrennte Speisetrenner verwendet.
| Ausführung | Typische Eigenschaft | Wichtiger Planungspunkt |
|---|---|---|
| Zenerbarriere | Einfache Energiebegrenzung durch Zenerdioden, Widerstände und Sicherungen | Benötigt üblicherweise eine besonders zuverlässige eigensichere Erdverbindung |
| Galvanischer Speisetrenner | Galvanische Trennung zwischen Feld- und Steuerungsseite | Versorgungsspannung, Ausgangsleistung, HART-Durchlässigkeit und Kanaltrennung prüfen |
Galvanische Speisetrenner vereinfachen häufig Erdungs- und Potenzialprobleme. Sie müssen jedoch für den vorgesehenen Transmitter, den Ex-Nachweis und die Kommunikationsart geeignet sein.
Ein vorhandener Speisetrenner darf nicht allein deshalb weiterverwendet werden, weil er bereits einen anderen 4–20-mA-Transmitter versorgt. Die sicherheitstechnischen Ausgangsparameter und der verfügbare Spannungsbereich müssen erneut geprüft werden.
4–20-mA-Stromschleife auslegen
Der Prozesstransmitter benötigt neben einem eigensicheren Energieangebot auch genügend Betriebsspannung. Zu berücksichtigen sind:
- Mindestbetriebsspannung des Transmitters,
- Spannungsabfall am Speisetrenner,
- Widerstand des SPS-Analogeingangs,
- HART-Kommunikationswiderstand,
- Leitungswiderstand,
- weitere Anzeigen oder Trennmodule.
Vereinfacht kann der maximal verfügbare Schleifenwiderstand berechnet werden mit:
Rmax = (UVersorgung − UTransmitter − weitere Spannungsabfälle) / 0,02 A
Bei eigensicheren Stromkreisen muss für diese Berechnung die tatsächlich am Ausgang des Speisetrenners verfügbare Kennlinie verwendet werden. Die nominelle 24-V-Versorgung des Schaltschranks ist nicht automatisch die am Feldgerät verfügbare Spannung.
Ein Transmitter kann bei niedrigem Strom scheinbar funktionieren, bei 20 mA oder einem Fehlerstrom von mehr als 20 mA jedoch in Unterspannung geraten. Deshalb sollte die vollständige Schleife auch am oberen Signalende geprüft werden.
HART-Kommunikation im Ex-Bereich
Bei HART wird dem analogen 4–20-mA-Signal ein digitales Frequenzsignal überlagert. Der Mittelwert des analogen Messsignals bleibt dabei erhalten.
Für eine zuverlässige Kommunikation müssen folgende Komponenten HART-tauglich sein:
- Prozesstransmitter,
- Speisetrenner oder Ex-Barriere,
- SPS-Eingang oder HART-Multiplexer,
- Kommunikationswiderstand,
- Leitung und Schirmung,
- HART-Modem oder Handterminal.
In vielen Anwendungen wird ein Schleifenwiderstand von ungefähr 250 Ω verwendet. Dieser kann bereits im SPS-Eingang, Speisetrenner oder Prüfgerät enthalten sein. Ein zusätzlicher Widerstand darf nicht unkontrolliert ergänzt werden, da er den verfügbaren Spannungsbereich reduziert.
Ein Speisetrenner kann den Gleichstrom korrekt übertragen und trotzdem die HART-Kommunikation dämpfen. Die ausdrückliche HART-Kompatibilität muss daher im Datenblatt angegeben sein.
Auch der Anschlusspunkt ist relevant. Ein nicht Ex-zugelassenes USB-HART-Modem darf nicht einfach innerhalb der Zone an den Feldstromkreis angeschlossen werden. Häufig wird auf der sicheren Seite des Speisetrenners oder an dafür vorgesehenen Prüfanschlüssen kommuniziert.
Temperaturklasse und Umgebungstemperatur
Die Temperaturklasse gibt bei Gasatmosphären die maximal zulässige Oberflächentemperatur des Geräts unter den zertifizierten Bedingungen an.
| Temperaturklasse | Maximale Oberflächentemperatur |
|---|---|
| T1 | 450 °C |
| T2 | 300 °C |
| T3 | 200 °C |
| T4 | 135 °C |
| T5 | 100 °C |
| T6 | 85 °C |
Eine niedrigere Temperaturklasse im Zahlenwert bedeutet eine höhere zulässige Oberflächentemperatur. T6 stellt damit strengere Anforderungen als T4.
Die erreichbare Temperaturklasse kann vom Umgebungstemperaturbereich, Prozessdruck, Prozessmedium und der Prozesstemperatur abhängen. Ein Transmitter kann beispielsweise bei moderater Umgebungstemperatur T4 erfüllen, bei höherer Umgebungstemperatur jedoch nur für eine andere Einstufung zugelassen sein.
Maßgeblich sind die Tabellen und besonderen Bedingungen im Zertifikat beziehungsweise in der Ex-Betriebsanleitung.
Gas- und Staubgruppen berücksichtigen
Bei Gasatmosphären werden die Gruppen IIA, IIB und IIC unterschieden. IIC stellt innerhalb dieser Reihe die höchsten Anforderungen und umfasst beispielsweise besonders leicht zündbare Gase.
Ein Gerät für IIC kann grundsätzlich auch für IIB oder IIA geeignet sein, sofern die übrige Kennzeichnung passt. Ein Gerät für IIA ist dagegen nicht automatisch für IIB oder IIC zugelassen.
Bei Staubatmosphären werden die Gruppen IIIA, IIIB und IIIC verwendet. Neben der Staubgruppe sind die zulässige Oberflächentemperatur, mögliche Staubschichten und die Schutzart des Gehäuses zu berücksichtigen.
Eine Gaszulassung darf nicht automatisch für einen Staubbereich verwendet werden. Die Kennzeichnung muss ausdrücklich die jeweilige Atmosphäre abdecken.
Kabel, Verschraubungen und Blindstopfen
Die Kabelverschraubung ist Bestandteil des Explosionsschutzkonzepts. Sie muss unter anderem passen zu:
- Zündschutzart des Gehäuses,
- Gas- oder Staubanwendung,
- Gewindeart und Gewindegröße,
- Kabeldurchmesser,
- Temperaturbereich,
- mechanischer Zugbelastung,
- Schutzart des Gehäuses.
Ein metrisches Gewinde darf nicht mit einem NPT-Gewinde verwechselt werden. Adapter dürfen nur eingesetzt werden, wenn sie für die konkrete Ex-Anwendung zulässig sind.
Nicht verwendete Gehäuseöffnungen müssen mit geeigneten zertifizierten Blindstopfen verschlossen werden. Ein einfacher industrieller Kunststoffstopfen erhält die Ex-Zulassung des Gehäuses nicht automatisch aufrecht.
Nach der Montage müssen Dichtung, Klemmung und Zugentlastung kontrolliert werden. Eine Kabelverschraubung schützt nur innerhalb des angegebenen Kabeldurchmesserbereichs zuverlässig.
Erdung, Schirmung und Potenzialausgleich
Metallische Transmittergehäuse, Prozessanschlüsse und Rohrleitungen müssen entsprechend dem Anlagenkonzept in den Potenzialausgleich einbezogen werden.
Die Kabelschirmung wird nach dem EMV- und Erdungskonzept der Anlage angeschlossen. Eine willkürliche beidseitige Erdung kann Ausgleichsströme verursachen, während eine ungeeignete einseitige Schirmung die HART-Kommunikation oder Störfestigkeit beeinträchtigen kann.
Bei Zenerbarrieren besitzt die eigensichere Erdung eine besondere sicherheitstechnische Bedeutung. Sie darf nicht mit einer beliebigen Funktionserde gleichgesetzt werden.
Auch blau gekennzeichnete Leitungen sind nicht allein aufgrund ihrer Farbe eigensicher. Die Farbkennzeichnung unterstützt die Identifikation, ersetzt aber weder Trennung, Dokumentation noch den rechnerischen Nachweis.
Prozessanschluss und medienberührte Werkstoffe
Die Ex-Zulassung beantwortet nicht, ob der Transmitter für das Prozessmedium geeignet ist. Zusätzlich zu prüfen sind:
- Druckart und Messbereich,
- maximaler Prozess- und Überlastdruck,
- Membran- und Anschlusswerkstoff,
- Dichtungswerkstoff,
- Korrosion und Wasserstoffpermeation,
- Prozesstemperatur,
- Reinigungs- und Spülmedien,
- frontbündiger Anschluss oder Druckmittler,
- Toträume und hygienische Anforderungen.
Bei heißen Medien kann ein Kühlstrecken-, Impulsleitungs- oder Druckmittlerkonzept erforderlich sein. Dabei muss berücksichtigt werden, wie sich die Prozesstemperatur auf das Transmittergehäuse und die zulässige Ex-Temperaturklasse auswirkt.
Die Druckmittlerausführung, Füllflüssigkeit und Membranfläche beeinflussen zusätzlich Messbereich, Temperaturfehler und Reaktionszeit.
Welche Dokumentation wird benötigt?
Eine nachvollziehbar geplante Messstelle sollte mindestens folgende Unterlagen enthalten:
- Zonenplan und Explosionsschutzdokument,
- Messstellenblatt mit Messbereich und Prozessdaten,
- vollständiger Bestellcode des Transmitters,
- EU-Konformitätserklärung,
- ATEX- beziehungsweise IECEx-Zertifikat,
- Ex-Betriebsanleitung und besondere Bedingungen mit „X“,
- Typenschild- beziehungsweise Kennzeichnungsdaten,
- Datenblatt des Speisetrenners oder der Barriere,
- rechnerischer Nachweis der Eigensicherheit,
- Kabeltyp, Länge, Kapazität und Induktivität,
- Stromlauf- und Anschlussplan,
- Angaben zu Kabelverschraubungen und Blindstopfen,
- Erdungs- und Potenzialausgleichskonzept,
- Inbetriebnahme- und Prüfprotokoll,
- Kalibrier- und Wartungsnachweise.
Nach Änderungen an Barriere, Leitung, Transmitter oder Anschlussgerät muss geprüft werden, ob der bestehende Ex-Nachweis weiterhin gültig ist.
SIL- und Ex-Dokumentation erfüllen unterschiedliche Aufgaben. Eine SIL-Eignung ersetzt keine Ex-Zulassung, und eine ATEX-Zulassung bestätigt nicht automatisch eine bestimmte funktionale Sicherheitsintegrität.
Inbetriebnahme und wiederkehrende Prüfung
Vor der ersten Inbetriebnahme sollten mindestens folgende Punkte kontrolliert werden:
- Typenschild stimmt mit Planung und Zone überein.
- Besondere Bedingungen des Zertifikats sind umgesetzt.
- Prozessanschluss, Dichtung und Werkstoffe passen zum Medium.
- Barriere und Transmitter erfüllen den Nachweis der Eigensicherheit.
- Kabeltyp und Leitungslänge entsprechen der Berechnung.
- Kabelverschraubungen und Blindstopfen sind korrekt montiert.
- Erdung, Schirmung und Potenzialausgleich entsprechen der Planung.
- 4–20-mA-Skalierung und HART-Parameter sind korrekt.
- Fehlerstrom, Alarmgrenzen und SPS-Diagnose werden geprüft.
- Die tatsächliche Ausführung wird dokumentiert.
Wiederkehrende Prüfungen sollten neben der Messfunktion auch den Zustand der Ex-relevanten Komponenten erfassen. Dazu gehören beispielsweise Korrosion, gelöste Verschraubungen, beschädigte Kabel, unzulässige Gehäuseöffnungen und nicht dokumentierte Änderungen.
Loop-Check und HART-Diagnose
Mit einem geeigneten Stromschleifenkalibrator kann die elektrische Messkette unabhängig vom Prozessdruck geprüft werden.
Typische Prüfpunkte sind:
- 4 mA als unterer Messbereichswert,
- 8 mA für 25 % der Spanne,
- 12 mA für 50 % der Spanne,
- 16 mA für 75 % der Spanne,
- 20 mA als oberer Messbereichswert,
- gegebenenfalls konfigurierte Fehlerströme.
Der Druck UPS4E Stromschleifen-Kalibrator kann 0 bis 24 mA messen und ausgeben, eine Schleifenversorgung bereitstellen und mit einem integrierten 250-Ω-Widerstand HART-Prüfungen unterstützen.
Für Arbeiten innerhalb eines Ex-Bereichs muss die entsprechend zugelassene Geräteausführung verwendet werden. Zusätzlich sind die zulässige Anschlussart, die Ex-Kennzeichnung und die sicherheitstechnischen Parameter des vollständigen Stromkreises zu beachten.
Ein Loop-Check prüft Verdrahtung, Analogeingang, Skalierung und Alarmfunktionen. Er ersetzt keine Druckkalibrierung des Transmitters. Dafür wird zusätzlich eine geeignete Druckreferenz und Druckerzeugung benötigt.
Typische Planungs- und Installationsfehler
Es wird nur „ATEX“ bestellt
Zone, Gasgruppe, Temperaturklasse und Zündschutzart sind nicht eindeutig festgelegt. Die gelieferte Ausführung passt möglicherweise nicht zur Messstelle.
Das Feldgerät ist Ex-zugelassen, die Barriere aber nicht passend
Uo, Io oder Po überschreiten die zulässigen Eingangswerte des Transmitters.
Die Kabeldaten fehlen
Kapazität und Induktivität der Leitung werden im Nachweis nicht berücksichtigt.
HART funktioniert trotz korrektem 4–20-mA-Signal nicht
Speisetrenner, SPS-Eingang oder Schleifenwiderstand sind nicht HART-tauglich oder die verfügbare Impedanz ist ungeeignet.
Ein nicht zugelassenes HART-Modem wird in der Zone angeschlossen
Durch das zusätzliche Gerät wird der dokumentierte eigensichere Stromkreis verändert.
Der Umgebungstemperaturbereich wird übersehen
Die Ex-Kennzeichnung gilt nur bis zu einer niedrigeren Temperatur als am Montageort tatsächlich auftritt.
Eine falsche Kabelverschraubung wird verwendet
Gewinde, Kabeldurchmesser oder Zündschutzart passen nicht zur Gehäusezulassung.
Nicht verwendete Öffnungen bleiben unzulässig verschlossen
Ein einfacher Blindstopfen erfüllt die Anforderungen des Ex-Gehäuses nicht.
SIL und ATEX werden gleichgesetzt
Funktionale Sicherheit und Explosionsschutz werden nicht getrennt bewertet.
Der Transmitter wird ausgetauscht, der Ex-Nachweis aber nicht aktualisiert
Obwohl Messbereich und Ausgangssignal gleich sind, können sich Ui, Ii, Pi, Ci oder Li unterscheiden.
Praxisbeispiel: Druckmessung an einem Lösungsmitteltank
An einem Lagertank für ein brennbares Lösungsmittel soll der Gasraumdruck gemessen werden. Die Messstelle liegt in Zone 1. Das Signal wird als 4–20 mA mit HART an das Leitsystem übertragen.
Die Planungsdaten lauten:
- Zone 1, Gasatmosphäre,
- erforderliche Gasgruppe IIB,
- Temperaturklasse mindestens T4,
- Umgebungstemperatur −20 bis +55 °C,
- Messbereich 0 bis 400 mbar relativ,
- Medium lösungsmittelhaltiger Dampf,
- 4–20 mA mit HART,
- Leitungslänge 180 m.
Ausgewählt wird ein Prozesstransmitter mit geeigneter Ex-ib- oder Ex-ia-Zulassung für mindestens EPL Gb, passender Gasgruppe und einem für +55 °C freigegebenen Umgebungstemperaturbereich.
Der galvanische Speisetrenner wird anhand seiner Ausgangsparameter mit den Eingangsparametern des Transmitters verglichen. Kabelkapazität und Kabelinduktivität werden für die vollständigen 180 m berücksichtigt.
Zusätzlich wird geprüft:
- verfügbare Spannung bei 20 mA,
- HART-Durchlässigkeit des Speisetrenners,
- vorhandener Schleifenwiderstand,
- Werkstoffverträglichkeit der Membran,
- korrekte Ex-Kabelverschraubung,
- Potenzialausgleich des Metallgehäuses.
Bei der Inbetriebnahme funktioniert das Stromsignal, die HART-Kommunikation ist jedoch zunächst instabil. Die Prüfung zeigt, dass der SPS-Eingang nur einen sehr kleinen Eingangswiderstand besitzt und kein zusätzlicher HART-Widerstand vorhanden ist.
Nach Ergänzung eines für die Messkette vorgesehenen Kommunikationswiderstands auf der sicheren Seite funktioniert die Kommunikation zuverlässig. Die zusätzliche Last wird anschließend erneut in der Spannungsbilanz der Stromschleife berücksichtigt und dokumentiert.
Prozesstransmitter richtig auswählen
Für eine belastbare Auswahl werden mindestens folgende Angaben benötigt:
- Messgröße und Druckart,
- minimaler, normaler und maximaler Prozessdruck,
- Prozessmedium und Werkstoffanforderungen,
- Prozess- und Umgebungstemperatur,
- Gas-, Dampf-, Nebel- oder Staubatmosphäre,
- Zone und erforderliches EPL beziehungsweise Gerätekategorie,
- Gas- oder Staubgruppe,
- Temperaturklasse beziehungsweise maximale Oberflächentemperatur,
- gewünschte Zündschutzart,
- 4–20 mA, HART oder Feldbus,
- vorhandener Speisetrenner beziehungsweise Barriere,
- Versorgungsspannung und SPS-Eingang,
- Kabeltyp und Leitungslänge,
- Prozessanschluss und Dichtungswerkstoff,
- Gehäusematerial und Schutzart,
- Druckmittler oder Impulsleitung,
- SIL- und Diagnoseanforderungen,
- Kalibrier- und Dokumentationsanforderungen.
Eine aussagekräftige Anfrage lautet beispielsweise:
Relativdrucktransmitter 0 bis 6 bar, Medium Ethanol, Prozesstemperatur −10 bis +80 °C, Umgebung −20 bis +50 °C, Zone 1, IIB T4, 4–20 mA mit HART, eigensicherer Zweileiterstromkreis, Prozessanschluss G ½ und medienberührte Teile aus Edelstahl.
Welche Produkte eignen sich?
Prozesstransmitter und Differenzdrucktransmitter
Die Kategorie Prozesstransmitter / Differenzdrucktransmitter umfasst Geräte für Relativdruck, Absolutdruck, Differenzdruck, Füllstand und Durchfluss.
Je nach Modell stehen 4–20 mA, HART, Feldbuskommunikation, unterschiedliche Messzellen, Druckmittler, SIL-Ausführungen sowie ATEX- und IECEx-Zulassungen zur Verfügung.
Siemens SITRANS P300
Der SITRANS P300 Prozesstransmitter ist ein digitaler Druckmessumformer für Relativ- und Absolutdruck.
Zu den wesentlichen Eigenschaften gehören:
- Messbereiche von niedrigen Drücken bis 400 bar,
- 4–20 mA mit HART,
- alternativ PROFIBUS PA oder FOUNDATION Fieldbus,
- Edelstahlgehäuse,
- Gewinde- und frontbündige Prozessanschlüsse,
- lokale Parametrierung über drei Tasten,
- Diagnose- und Simulationsfunktionen,
- eigensichere Ausführungen für Zone 0 oder Zone 1, abhängig von der bestellten Zulassung.
Der P300 eignet sich besonders für hygienische und anspruchsvolle Prozessanwendungen. Ex-Zulassung, Ausgangssignal, Prozessanschluss und Werkstoffe müssen im vollständigen Bestellcode festgelegt werden.
Weitere Prozesstransmitter für Ex-Anwendungen
Innerhalb der ICS-Kategorie stehen zusätzlich beispielsweise WIKA IPT-20/IPT-21, CPT-20/CPT-21 und Siemens SITRANS P320/P420 zur Verfügung.
Diese Geräte bieten abhängig von der Konfiguration unterschiedliche Messzellen, Gehäuse, HART-Funktionen, SIL-Eignungen, Druckmittleroptionen und Ex-Zulassungen. Die Auswahl richtet sich nach Messbereich, Medium, Genauigkeit, Diagnoseumfang und Explosionsschutzkonzept.
Druck UPS4E Stromschleifen-Kalibrator
Der Druck UPS4E eignet sich für Service, Inbetriebnahme und Fehlersuche an 4–20-mA-Stromschleifen.
Er bietet unter anderem:
- Messen und Ausgeben von 0 bis 24 mA,
- interne 24-V-Schleifenversorgung,
- Step-, Rampen- und Ventiltestfunktionen,
- integrierten 250-Ω-Widerstand zur Unterstützung von HART-Anwendungen,
- Datenlogger,
- ATEX-/IECEx-Ausführung für Arbeiten in explosionsgefährdeten Bereichen.
Vor dem Anschluss an eine eigensichere Messstelle müssen die konkrete Ex-Kennzeichnung, der zugelassene Betriebsmodus und die Auswirkungen auf den vollständigen Stromkreis geprüft werden.
Fazit: Nicht der Transmitter allein, sondern die vollständige Messstelle muss Ex-konform sein
Ein Prozesstransmitter darf nur eingesetzt werden, wenn seine vollständige Ex-Kennzeichnung zur Zone, Stoffgruppe, Temperaturklasse und Umgebungstemperatur der Messstelle passt.
Bei eigensicheren 4–20-mA-Stromkreisen bilden Transmitter, Speisetrenner, Leitung und angeschlossene Geräte ein gemeinsames Sicherheitssystem. Uo, Io und Po der zugehörigen elektrischen Ausrüstung müssen innerhalb der zulässigen Werte Ui, Ii und Pi des Feldgeräts liegen. Kabelkapazität und Kabelinduktivität sind ebenfalls einzubeziehen.
HART benötigt zusätzlich geeignete Schleifenimpedanz und HART-durchlässige Barrieren beziehungsweise Speisetrenner. Ein funktionierendes Analogsignal bestätigt noch keine zuverlässige digitale Kommunikation.
Kabelverschraubung, Blindstopfen, Erdung, Prozesswerkstoffe und Temperaturbedingungen sind ebenso relevant wie das eigentliche Messgerät. Besondere Bedingungen eines Zertifikats mit der Kennzeichnung „X“ müssen zwingend umgesetzt werden.
Eine sichere und auditfähige Messstelle entsteht deshalb erst durch eine abgestimmte Geräteauswahl, einen dokumentierten Ex-Nachweis, fachgerechte Installation sowie kontrollierte Inbetriebnahme und Wartung.
Häufige Fragen zu Prozesstransmittern in Ex-Zonen
Reicht eine allgemeine ATEX-Zulassung für Zone 1 aus?
Nein. Zusätzlich müssen Gerätekategorie beziehungsweise EPL, Zündschutzart, Gas- oder Staubgruppe, Temperaturklasse und Umgebungstemperatur zur Messstelle passen.
Kann ein Ex-ia-Transmitter direkt an einen normalen SPS-Eingang angeschlossen werden?
Üblicherweise wird eine geeignete Ex-Barriere oder ein galvanischer Speisetrenner benötigt. Die vollständige Zusammenschaltung muss anhand der sicherheitstechnischen Parameter bewertet werden.
Was bedeuten Ui, Ii und Pi?
Sie geben die maximal zulässige Eingangsspannung, den Eingangsstrom und die Eingangsleistung des eigensicheren Feldgeräts an. Die Ausgangswerte der Barriere dürfen diese Grenzen nicht überschreiten.
Warum müssen Kabelkapazität und Kabelinduktivität berücksichtigt werden?
Leitungen können elektrische Energie speichern. Ihre Werte werden deshalb zusammen mit der internen Kapazität und Induktivität des Feldgeräts in den Nachweis der Eigensicherheit einbezogen.
Funktioniert HART über jede Ex-Barriere?
Nein. Die Barriere oder der Speisetrenner muss für HART geeignet sein und das digitale Signal ausreichend übertragen. Zusätzlich ist eine passende Schleifenimpedanz erforderlich.
Darf ein normales HART-Modem im Ex-Bereich angeschlossen werden?
Nur wenn das Gerät und die konkrete Anschlussart dafür zugelassen sind. Nicht Ex-zugelassene Kommunikationsgeräte werden üblicherweise auf der sicheren Seite des Stromkreises angeschlossen.
Was bedeutet das „X“ hinter einer Ex-Zertifikatsnummer?
Das „X“ weist auf besondere Bedingungen für die sichere Verwendung hin. Diese müssen vor Installation aus Zertifikat und Betriebsanleitung ermittelt und umgesetzt werden.
Ist ein SIL-Transmitter automatisch für Ex-Bereiche geeignet?
Nein. SIL betrifft die funktionale Sicherheit. Für den Explosionsschutz wird eine separate, zur Messstelle passende Ex-Zulassung benötigt.
Welche Angaben benötigt ICS Schneider für die Auswahl?
Benötigt werden Messbereich, Druckart, Medium, Prozess- und Umgebungstemperatur, Zone, Gas- oder Staubgruppe, Temperaturklasse, gewünschte Zündschutzart, Ausgangssignal, vorhandene Barriere, Leitungslänge, Prozessanschluss, Werkstoffe sowie Anforderungen an SIL, Kalibrierung und Dokumentation.