Тема номера: Взгляд на датчики с безопасного расстояния

Все чаще возникает необходимость расположить датчики в очень опасных окружающих условиях. Возрастающие потребности и новые технологии позволяют по-новому взглянуть на эту проблему.

Вся наша жизнь опутана разными датчиками. Они повсюду: от домов и автомобилей до автоматических систем, управляющих и контролирующих производственные процессы. Как и большинство остальных компонентов, они — часть целого, системы, которая становится все сложнее. Перед установкой датчика в экстремальных условиях необходимо тщательно проанализировать задачу и тщательно подойти к выбору этого измерительного прибора.

В экстремальных условиях необходимо учесть особенно много факторов, отмечает Кармйит Сидх (Karmjit Sidhu), вице-президент American Sensor Technologies по стратегическому развитию, „установка датчиков в таких условиях — это весьма нетривиальная задача”. Арт Питрзук, сертифицированный TUV эксперт по технике безопасности из Rockwell Automation добавляет: мы работаем с опасностью, но она остается опасной. Подход в этом случае отличается от общепринятого. Сложное оборудование и строгие стандарты обеспечивают безопасность.

В опасных условиях работают всевозможные датчики в различных приложениях. Однако, существуют общие правила, многие из которых связаны с безопасностью выбора и установки.

Для безопасной работы датчики для взрывоопасных сред должны разрабатываться с учетом требований приложения, для которого они предназначены. В конструкции их компонентов всегда, за исключением единичных случаев, учитываются условия интеграции с другими частями системы. Это очень важная составляющая выбора и установки любого прибора, (источник: Honeywell, Rockwell Automation)

Классический подход

При правильном выборе и установке прибор, скорее всего будет работать правильно. Главное в этом случае — хорошо понимать задачу и приложение. Прибор с первым уровнем защиты может не работать, например, если окружающая среда токсична. „Это непонимание приложения и роли прибора" — предупреждает Сидх, „которое может привести к аварии”. Пользователь должен представлять, что он использует и для чего. Узнайте, что находится в том резервуаре, не полагайтесь на внешний осмотр. Может быть, для вашего приложения этот прибор будет излишним, а может быть он оправдает вложенные средства.

Для безопасной работы датчиков в экстремальных условиях необходимо учесть эти условия внешней среды еще при разработке конструкции датчика. Известно три основных метода: использовать взрывобезопасные или взрывоустойчивые приборы или установить систему продува-сжатия. Так как все приложения разные, специалисты, устанавливающие датчики во взрывоопасных условиях должны знать все варианты и учесть особенности конкретного приложения, а не только общие рекомендации этой статьи.

Взрывобезопасными являются датчики, энергии работы которых недостаточно для детонации окружающей среды. Сертификация датчика означает проверку прибора и определении энергии, необходимой для детонации. Во взрывобезопасных датчиках обычно используется „выносной элемент", который называется защитный барьер. Он служит, чтобы ограничить поток, а, следовательно, и энергию, которая может пройти в цепь в случае неполадок.

Пассивный барьер — это средства, ограничивающие напряжение и электрический ток. Если вдруг произойдет короткое замыкание, барьер предотвратит искрение. „Каждый прибор, который считается взрывобезопасным? обязан быть защищен барьером"- утверждает Эд Херцег (Ed Herceg), главный инженер Macro Sensors, но „не все барьеры одинаковы. Существует множество различных типов. Если это правильный барьер, он должен соответствовать параметрам вашего прибора. В противном случае он будет бесполезен. Тем не менее, мне не известны случаи, когда причиной какого-либо взрыва или пожара был взрывобезопасный прибор.

Эта фотография управляемого взрыва пыли в одной из испытательных лабораторий FM Approvals демонстрирует, что может произойти в случае воспламенения горючего газа или другой среды. FM Approvals, член группы FM Global в частности проводит сертификацию датчиков для взрывоопасных зон для предотвращения таких инцидентов. (источник: FM Global)

В менее критических условиях (Class I, Div. 2) вместо взрывобезопасных приборов используются взрывозащищенные датчики, оборудование и схемы соединения проводов. Датчик может быть расположен в защищенной от взрыва оболочке. В крайнем случае, она выдержит взрыв и не даст огню распространиться дальше. Такая технология уже давно отработана. При правильной установке взрывозащищенные датчики вполне можно использовать, если нет взрывобезопасного аналога.

Системы продува-сжатия — это еще один метод защиты взрывоопасной среды от работающих датчиков. Во всех модификациях в этих системах через газопроводы и другие компоненты проходит инертный газ (азот или углекислый газ). Таким образом, большая часть датчика защищается от взрывоопасной внешней смеси. Еще один вариант — герметичная оболочка без горючих материалов.

Однако, „электронные компоненты датчика обязательно должны быть защищены от взрыва или быть взрывобезопасными"- говорит Лес Шевитц (Les Schaevitz), президент Everight Precision. „Часто оказывается дешевле вывести взрывобезопасный компонент наружу, чем устанавливать защиту для всего датчика. Хотя обе системы недешевые. При этом первый вариант даже предпочтительней, потому что он снижает вероятность взрыва. Многие хотят ликвидировать вероятность возникновения проблемы, даже если они защищены от нее.

Стандарты безопасности в алфавитном порядке

При выборе датчика для проведения измерений в экстремальных условиях необходимо обращать внимание на штамп, подтверждающий что этот прибор прошел соответствующую проверку специализированной организацией. В Северной Америке к таким организациям, которые проводят независимые испытания относятся UL (Underwriters Laboratories), FM (Factory Mutual) и CSA (Canadian Standards Association), они выдают сертификаты соответствия таким стандартам, как National Fire Protection Association’s National Electrical Code (код NFPA 70). В стандарте NEC, который должен быть знаком всем специалистам в США опасные среды делятся на пары и газы (класс 1, Class I), пыли, например уголь (класс 2, Class II) и волокна (класс 3, Class III). Разделы (divisions) описывают активность среды при нормальных условиях, в разделе 1 (Div. 1) активность присутствует, в разделе 2 (Div. 2) отсутствует. Более подробная классификация (группы Groups) описывает состав среды — водород, ацетилен и т.д.

В Европе недавно преобладал стандарт CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization — Европейский комитет по стандартизации электротехники), но в последнее время он был вытеснен ATEX (Equipment Intended for Use in Potentially Explosive Atmospheres — оборудование для взрывоопасной атмосферы). В Японии и некоторых азиатских регионах свои сертификационные организации. Наиболее близко к статусу международной подходит IEC (International Electrotechnical Commission — Международная комиссия по электротехнике). В соответствии с ее уставом, ее деятельность направлена на „сертификацию и тестирование электрических, электронных и связанных с ними приборов для правительства, а также физических и юридических лиц”.

Датчики для взрывоопасных сред выпускаются во множестве модификаций для различных приложений и несут на себе всевозможные сертификаты, разрешающие их использование в различных странах. Вот некоторые из них:

(1) AST4600, взрывоустойчивый датчик производства American Sensor Technologies, с сертификатом CSA, выдерживает вибрации, экстремальные температур и воздействие водорода.

(2) Датчики серии HLR — это LVDT (линейно-регулируемый дифференциальный трансформатор) производства Macro Sensors для газовых и паровых турбин и других экстремальных условиях с сертификатом UL/ULC для непрерывной работы в средах Class I, Division 2, Groups A, B, C and D и Class I, Zone 2, Group IIC (статьи NEC 500 и 505).

(3) Отводной датчик давления с конструкцией с монолитной диафрагмой, которая не дает взрывоопасным веществам проникнуть за диафрагму.

(Источник: American Sensor Technologies, Macro Sensors)

Подводя итоги, можно сказать, что в условиях глобализации экономики множество стандартов только затрудняет выбор, разработку, применение и продажу приборов. „Одна из проблем с датчиками следующая"- объясняет Герцег из Macro Sensors, „вы можете сертифицировать прибор для продажи в США и Канаде, но в Европе или Бразилии торговать им вы не можете. Такая ситуация — мощный стимул что-то делать, но из-за изменяющихся стандартов вы можете завтра потерять возможность продать прибор там, где сегодня можете это сделать”.

„IEC ближе всех подошла к разработке международного стандарта," говорит Лесли Нил (Leslie Neill), менеджер Honeywell Sensing and Control по взрывозащищенным и взрывобезопасным переключателям. В Европе принят стандарт ATEX, который преобладал в течение последних нескольких лет, но IEC предложила стандарт IECEx, пытаясь продвинуть его в качестве международного. Несколько „зонтов" покрывают разные области стандартизации, но они все перекрываются. IECEx — это попытка предложить общий стандарт. Но на настоящий момент этот стандарт приняла только одна страна — Австралия.

Всеобщая гармония

„Стандарты можно построить и на основании местных сертификационных систем в различных уголках земного шара" — добавляет Шевиц из Everight, „но мы должны ставить своей целью гармонизацию, потому что область промышленности, с которой мы работаем, обладает глобальным характером. Мы считаем, что модель ATEX позволит достичь поставленной цели, потому что она была задумана в качестве стандарта для международного сообщества. Также у стран-создателей АТЕХ, членов ЕС, есть тесные экономические и культурные связи с остальными нациями по всему миру. Мы ищем пути к более тесной интеграции глобальной экономики… и, разумеется, никто не относится к бюрократии так, как европейцы.

В настоящее время Европа приняла АТЕХ и не перейдет на другой стандарт, хотя большинство считает UL, FM и CSA такими же, или более строгими, чем АТЕХ. Аналогично делению на классы и разделы в США, зоны АТЕХ делятся на Зону 0, соответствующую средам со взрывоопасной концентрацией горючих газов или паров, которые постоянно или в течение долгого времени присутствуют в нормальных условиях работы. Зона 1 отличается кратковременным, Зона 2 — случайным, или в случае аварий наличием взрывоопасной среды.

„За последние две декады разделение на Зоны находит все больше и больше сторонников" — отмечает Тим Адам (Tim Adam), менеджер технического отдела FM Global group по определению местоположения взрывоопасных сред для сертификата FM Approvals. В настоящее время FM Approvals сертифицирует как на основе зон, так и классов/разделов.

Адам отмечает, что пользователи тоже требуют глобальной системы сертификации, так как производители ориентируются на международный рынок. „Мы постоянно расширяемся" — говорит Адам. „Мы работали в США и Канаде, но недавно открыли офис и в Великобритании для сертификации АТЕХ, чтобы наши клиенты могли продавать свою продукцию в Европе. Мы понимаем, что время вывода на рынок очень важно для клиентов и стараемся выполнять работу как можно быстрее."

Большинство согласно, что разные стандарты — это просто вариации вокруг одной точки и необходим глобальный стандарт, охватывающий все уже существующие. „Некоторые приборы можно продавать только в Европе, в то время как сертификат UL или CSA на них получить не удастся и наоборот" — говорит Боб Никельс (Bob Nickels), директор по стратегическому развитию Honeywell Sensing and Control. „Нам пришлось получать сертификаты ATEX и UL/CSA на один и тот же переключатель. Это превращает создание нового прибора в кошмар, да и затраты на получение сертификатов немаленькие. Разработчики должны учитывать требования всех стандартов одновременно. А после создания прибора он проходит длительную процедуру сертификации перед выходом на рынок."

„Это одна из основных причин требования глобальной сертификации со стороны производителей" — настаивает Никельс. „Принцип действия прибора остается одинаковым, изменяется только описание и способ тестирования. Если мы согласимся с этим, то нужда в параллельном, избыточном тестировании отпадет. Если выполнены основные требования, которые определяются конструкцией прибора, то производитель должен иметь право продавать его где угодно. Я верю, что в будущем все стандарты будут глобальными"- завершает Никельс.

Будущее уже наступило

„Технический прогресс также требует глобализации. В области схем управления изменяются датчики, но не сами приборы" — отмечает Адам из FM Approvals. „У оборудования много возможностей, мы должны их использовать. Но при этом развитие не должно увеличивать риск эксплуатации”.

„Разработка и производство датчиков -уже зрелая технология"- признает Никельс из Honeywell. „Принципы работы не изменяются, развиваются только сопутствующие устройства и компоненты. 30 — 40 лет назад полупроводниковых приборов еще не было. Каждый датчик представлял собой электромеханическое устройство. Теперь появились сетевые технологии и системы для взрывоопасных сред. Они снизили стоимость системы и позволили использовать большее число сенсоров”.

Камило Аладро (Camilo Aladro), менеджер по продажам Rockwell Automation согласен с Никельсом. „25 лет назад переключатели были электромеханическими. Новые стандарты, например IEC 61508 (Безопасность электрически, электронных программируемых приборов, используемых в системах безопасности) разработаны для современных микропроцессорных приборов, которые работают с мизерными напряжениями. Поэтому, по крайней мере, их вычислительная часть точно взрывобезопасна. Напряжения на выходе также снизились, раньше они были 5 В, теперь 3,3 или 1,8 В.

„Опасные среды будут использоваться всегда" — продолжает Аладро. „К взрывоопасному газу всегда нужно относиться осторожно, как делают современные „разумные" приборы. Конструируются новые и изменяются старые сенсоры, чтобы внедрить в них интеллектуальные компоненты, например, проверку калибровки. В результате получается интеллектуальный прибор, который самостоятельно проверяет собственное состояние, чтобы убедиться в правильности своих показаний."

„Датчики — это один из самых важных компонентов системы" — заключает Питрзук из Rockwell. „Сегодня подход к сертификации изменился: вместо директив новые стандарты основаны на требованиях производства. Они начинаются с анализа рисков и определения разумного уровня риска. Безопасность — это не только средство защиты людей, но и неплохой бизнес. Если оборудование не взрывается, то производство работает и приносит прибыль."