Bariery Zenera w ochronie przeciwwybuchowej – działanie, zalety i ograniczenia

1. Czym jest bariera Zenera?

Bariera Zenera to pasywny element zabezpieczający, który ogranicza przepływ sygnałów elektrycznych lub obwodów między strefą bezpieczną a strefą zagrożoną wybuchem w taki sposób, aby żadna energia zapalająca nie mogła przedostać się do strefy zagrożonej.

Zazwyczaj składa się z:

• Rezystory do ograniczania prądu,

• Diody Zenera do ograniczania napięcia,

• oraz bezpiecznik, który przerywa obwód w razie awarii.

Dzięki temu napięcie, prąd i energia w obwodzie pozostają na wystarczająco niskim poziomie, aby zapobiec zapłonowi atmosfery wybuchowej nawet w przypadku wystąpienia usterki.

2 Dlaczego stosuje się bariery Zenera?

W strefach ATEX energia elektryczna zawsze stanowi potencjalne zagrożenie zapłonem. Czujniki, przełączniki lub sondy zainstalowane w strefach 0, 1 lub 2 (gaz) albo w strefach 20, 21 lub 22 (pył) wymagają zatem bezpiecznego ograniczenia energii.

Bariery Zenera spełniają tę rolę:

• Chronią obwody iskrobezpieczne (Ex i).

• Umożliwiają one korzystanie ze standardowych urządzeń sterujących lub pomiarowych poza strefą.

• Stanowią one ekonomiczne i sprawdzone rozwiązanie dla sygnałów analogowych lub binarnych.

Typowe zastosowania:

• Pomiar temperatury, ciśnienia i poziomu

• Czujniki na rurach i zbiornikach

• Linie sygnałowe między układem sterowania a urządzeniami polowymi

3. Planowanie i wykorzystanie – co należy wziąć pod uwagę?

🔹 a) Klasa certyfikacji i ochrony

Bariery Zenera muszą posiadać ważne certyfikaty zgodności z normami ATEX lub IECEx. Na tabliczce znamionowej znajdują się takie oznaczenia, jak:

II (1) G [Ex ia Ga] IIC  
II (1) D [Ex ia Da] IIIC

Oznaczają one strefę i grupę substancji, dla których urządzenie zostało dopuszczone do użytku.

🔹 b) Miejsce montażu

Bariery Zenera montuje się w strefie bezpiecznej, zazwyczaj na szynie DIN w szafie sterowniczej.

Nie wolno ich montować w strefie Ex.

🔹 c) Uziemienie

Niezbędne jest bezpieczne uziemienie.

To jedyny sposób na bezpieczne rozproszenie nadmiaru energii, która jest rozpraszana przez diody Zenera.

Brakujące lub luźne uziemienie to częsty i niebezpieczny błąd instalacyjny.

🔹 d) Konstrukcja pętli i linki

Wartości graniczne mają zastosowanie do każdej bariery Zenera w przypadku:

• Maksymalne napięcie i prąd

• maksymalna indukcyjność (L) i pojemność (C) linii

Wartości te należy uwzględnić w obliczeniach pętli.

Przekroczenie tych wartości może spowodować utratę bezpieczeństwa iskrobezpiecznego – nawet jeśli wszystkie poszczególne elementy posiadają certyfikaty.

🔹 e) Dokumentacja

Każda instalacja obwodów iskrobezpiecznych musi zostać udokumentowana:

• Schemat obwodu z przypisaniem bariery ↔ czujnika

• Parametry punktu uziemienia i pętli

• Certyfikaty i świadectwa zgodności

4. Czego bariera Zenera nie jest w stanie zrobić

Bariery Zenera są proste, niezawodne i niedrogie – ale nie mają uniwersalnego zastosowania.

Należy zwrócić uwagę na następujące kwestie:

• Nie zapewniają one izolacji galwanicznej. Różnice potencjałów między obwodem pomiarowym a układem sterującym mogą zatem powodować błędy pomiarowe.

• Nie nadają się do obwodów zasilających ani do siłowników o większym zapotrzebowaniu na energię.

• Nie będą działać, jeśli uziemienie jest niewystarczające.

• Nie są one całkowicie bezobsługowe – w szczególności należy regularnie sprawdzać uziemienie i bezpieczniki.

W wielu nowoczesnych systemach coraz częściej stosuje się zatem galwanicznie izolowane wzmacniacze izolacyjne iskrobezpieczne, gdy rosną wymagania dotyczące dokładności pomiarów lub kompatybilności elektromagnetycznej.

5. etykietowanie i testowanie

Bariery Zenera są wyraźnie oznaczone, aby wskazać ich obszar zastosowania.

Przykładowe oznakowanie:

Ex ia IIC Ga  
Uo = 28 V DC  
Io = 93 mA  
Po = 660 mW  
Lo = 10 mH  
Co = 83 nF  

Wartości te wskazują maksymalną energię, jaką może dostarczyć obwód wyjściowy – a tym samym, czy podłączony obwód czujnika mieści się w dopuszczalnych granicach.

Lista kontrolna do przeprowadzenia testów:

• Czy etykiety są kompletne i czytelne?

• Czy napięcie, prąd i moc są zgodne z przewidywanym zastosowaniem?

• Czy uziemienie zostało udokumentowane i zmierzone?

• Czy długość kabla mieści się w obliczonych granicach?

6. Zrób

Bariery Zenera to sprawdzony i prosty sposób na iskrobezpieczne przesyłanie sygnałów elektrycznych do obszarów zagrożonych wybuchem.

Zapewniają ochronę dzięki ograniczeniu mocy, są wytrzymałe i niedrogie – wymagają jednak starannego zaplanowania, uziemienia i dokumentacji.

Błędy w uziemieniu lub obliczeniach pętli sprawiają, że nawet najlepsza bariera staje się nieskuteczna.

W związku z tym bariery Zenera nie są elementami instalacyjnymi, lecz elementami zabezpieczającymi.

7. krótko mówiąc