Installation der Raman-Spektroskopie in explosionsgefährdeten Bereichen (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Dieser Artikel der Lernplattform beschäftigt sich mit Raman-Systemen, die in gasexplosionsgefährdeten Bereichen installiert werden. Hierzu gehören Umgebungen, die den ATEX-Zonen 0/1/2, IECEx sowie in Nordamerika „Class I“ (NEC/CEC) entsprechen.

Er erklärt:

• Warum Raman-Systeme unter die Anforderungen für explosionsgefährdete Bereiche fallen und wann Installationen diese Anforderungen erfüllen müssen
• Wie Zündgefahren durch optische Strahlung entstehen, wie sie bewertet und gemindert werden
• Wie ATEX, IECEx und nordamerikanische Regelwerke die gleichen physikalischen Sicherheitsprinzipien in Regeln für Zertifizierung und Installation umsetzen
• Wie Zündgefahren durch optische Strahlung mithilfe von Konzepten zur Leistungsbegrenzung (Ex op is) und Systemen mit Verriegelung (Ex op sh) minimiert werden und welche Auswirkungen dies auf Kennzeichnung und Installation hat

Hinweis: Geräte für die Raman-Spektroskopie sind nicht für den Einsatz in Bereichen bestimmt, in denen Explosionsgefahren durch Staub, Pulver oder Fasern bestehen. Diese Umgebungen sind daher nicht Thema dieses Artikels.
Dieser Artikel geht auch nicht auf nicht-optische Zündmechanismen oder detaillierte Verfahren zur Einhaltung nationaler Vorschriften ein, die gesonderte Ansätze für die Auslegung und Zertifizierung der Systeme erfordern.

Raman-Systeme können zu einer potenziellen Zündquelle werden, wenn optische Strahlung in einer Atmosphäre mit brennbaren Gasen oder Dämpfen konzentriert wird, obwohl Raman-Sonden keine Funken oder heißen elektrischen Bauteile an der Messtelle erzeugen.

Die Zündgefahr entsteht durch lokale Erwärmung, die durch konzentrierte optische Energie an Oberflächen oder Partikeln verursacht wird. Sobald eine Raman-Installation einer Atmosphäre ausgesetzt ist, die ein Gemisch aus Sauerstoff und brennbaren Gasen, Dämpfen oder Nebeln enthalten könnte, gilt dies als Verwendung in einem explosionsgefährdeten Bereich. Die Installation muss dann die einschlägigen Anforderungen an Geräte in explosionsgefährdeten Bereichen erfüllen.

Bei der Raman-Spektroskopie ist für die Einhaltung der Vorschriften in explosionsgefährdeten Bereichen die Physik der Entzündung durch optische Strahlung maßgeblich, nicht nur elektrisch erzeugter Funkenflug oder die regionale Gesetzgebung.

Bei Raman-Systemen gelten bezüglich der Einhaltung der Vorschriften für explosionsgefährdete Bereiche weltweit die gleichen physikalischen Sicherheitsprinzipien. Regionale Regelwerke unterscheiden sich hauptsächlich darin, wie explosionsgefährdete Bereiche klassifiziert und dokumentiert werden, nicht in der Logik, die der Installation zugrunde liegt, oder in den Mechanismen zur Vermeidung von Zündquellen.

ATEX (Europa) und IECEx (international) verwenden ein auf Zonen basierendes Einteilungssystem (Zone 0, 1, 2) für die Festlegung der Wahrscheinlichkeit und Dauer des Bestehens von explosionsfähigen Gasatmosphären. Diese Zonen bestimmen, wo Raman-Sonden installiert werden dürfen und welche Schutzkonzepte angewendet werden müssen.

• ATEX(EU) ist der mit der CE-Kennzeichnung verknüpfte Rechtsrahmen.
• IECEx(international) stellt ein auf IEC-Normen basierendes weltweites Konformitätssystem bereit.

In Nordamerika (NEC/CEC) gelten Konzepte von „Class/Division“ oder „Class/Zone“ für gasexplosionsgefährdete Orte (Class I), wobei Gerätezulassungen üblicherweise von UL, FM oder CSA erteilt werden.

Die Terminologie ist zwar unterschiedlich, doch die Absicht ist gleich: Definieren von explosionsgefährdeten Orten und sicherstellen, dass Zündquellen kontrolliert werden.

• Die Einteilung der explosionsgefährdeten Bereiche definiert, wo optische Sonden und zugehörige Komponenten installiert werden dürfen (Zonen bei ATEX/IECEx; „Class/Division“ oder „Class/Zone“ bei NEC/CEC).
• Die Einschränkung des Strahls, u. a. durch Verriegelungen an optischen Pfaden und LWL-Verbindungen, kombiniert mit der Begrenzung der Laserleistung an der Messstelle (Sondenende), verhindert optische Zündquellen.
• Optische Schutzkonzepte werden auf Systemebene angewendet, um sicherzustellen, dass Laserstrahlung eine Atmosphäre mit brennbaren Gasen nicht entzünden kann.

In Raman-Installationen bestimmt der Ort der Sondenspitze die Anforderungen des Ex-Bereichs, denn dort wird die optische Energie gezielt in den Prozess ausgesendet.

• Zone 0: explosionsfähige Atmosphäre ist ständig oder über lange Zeiträume vorhanden
• Zone 1: tritt wahrscheinlich gelegentlich auf
• Zone 2: ist unwahrscheinlich oder tritt für kurze Zeit auf

Das Gerät des Analysators wird oft in einem Nicht-Ex-Bereich (allgemeinen Bereich) installiert, und LWL-Kabel verbinden den Analysator mit der Sonde in Zone 0, 1 oder 2.

Selbst wenn der Analysator im allgemeinen Bereich installiert wird, kann es sein, dass er trotzdem über die Ex-Kennzeichnung für explosionsgefährdete Bereiche verfügen muss, wenn er Teil eines Systems ist, das optische Energie in eine Ex-Zone überträgt. In solchen Fällen wird der Analysator nicht nur nach dem Aufstellungsort des Geräts, sondern auch auf der Grundlage seiner funktionalen Verbindung zum explosionsgefährdeten Bereich beurteilt und gekennzeichnet.

Die folgende Liste gibt eine vereinfachte konzeptuelle Entsprechung zwischen ATEX-Gaszonen (links) und den in Nordamerika üblichen Einstufungen (rechts) an. Die Terminologie unterscheidet sich, doch die Logik in Bezug auf die Zündgefahr ist gleich.

• Zone 0 → Class I, Division 1
• Zone 1 → Class I, Division 1
• Zone 2 → Class I, Division 2

Die Kennzeichnung von Raman-Systemen umfasst die folgenden Elemente:

Gerätegruppe: Gruppe II (Übertageanlagen, beispielsweise in der chemischen und pharmazeutischen Industrie)

Geräteschutzniveau (Equipment Protection Level, EPL):

• Ga → Zone 0
• Gb → Zone 1
• Gc → Zone 2

Gasgruppen: IIA, IIB, IIC (wobei IIC die Gruppe mit den höchsten Anforderungen ist)

Temperaturklasse: z. B. T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Gasgruppe und Temperaturklasse werden vom Eigentümer der Anlage auf Basis von Prozessdaten angegeben und bestimmen die endgültige Kennzeichnung des Systems.

Optische Strahlung kann brennbare Atmosphären entzünden, wenn die Energie auf kleine Flächen oder Partikel konzentriert ist und von ihnen aufgenommen wird. IEC 60079-28:2015 beschreibt diesen Mechanismus und definiert Schutzkonzepte, um eine Zündung in explosionsfähigen Atmosphären zu verhindern.

Die Norm enthält Referenztabellen, in denen die Leistungsgrenzen der eigensicheren optischen Strahlung (Ex op is) für bestimmte Wellenlängen, Expositionsbedingungen und Gasgruppen definiert werden. Diese Tabellen bieten eine grundlegende Orientierungshilfe für die Werte der optischen Leistung, die unter den definierten Annahmen als nicht zündfähig angesehen werden.

Bei Raman-Anwendungen in der Praxis muss der jeweils anzuwendende sichere Leistungsgrenzwert durch eine Gefährdungsbeurteilung für Laser (Laser Hazard Assessment, LHA) bestätigt werden. Bei der LHA werden nicht nur die Standard-Referenzwerte berücksichtigt, sondern auch anwendungsspezifische Parameter. Hierzu gehören:

• Gasgruppe und Zündempfindlichkeit
• Wellenlänge und Strahlgeometrie
• Expositionsdauer und optische Fokussierung
• Konstruktionsweise der Sonde und Fehlerannahmen

Die LHA definiert deshalb die maximal zulässige Laserleistung an der Sondenspitze und die endgültige Ex-Kennzeichnung des Systems.

Ex op is begrenzt die optische Energie, sodass eine Zündung im Normalbetrieb und unter definierten Fehlerbedingungen nicht möglich ist. In Raman-Systemen wird dies üblicherweise durch Begrenzen der Laserleistung an der Sondenspitze erreicht.

Es gibt keinen universell gültigen Wert für die sichere Laserleistung. IEC 60079-28 gibt zwar Grenzwerte als Referenz an, doch die maximal zulässige Leistung bleibt anwendungsspezifisch. Sie muss durch die LHA validiert werden, die den sicheren Betriebsbereich und die endgültige Kennzeichnung des Systems definiert.

Ex op sh lässt eine höhere optische Leistung zu, beruht jedoch auf technischen Sicherheitsmaßnahmen und Verriegelungen, um sicherzustellen, dass die optische Strahlung immer deaktiviert wird, wenn zündungsrelevante Bedingungen auftreten könnten.

Dieses Konzept wird üblicherweise angewendet, wenn:

• Die Messleistung eine Laserleistung erfordert, die über den Grenzwerten von „Ex op is“ liegt
• Unsichere Bedingungen zuverlässig erkannt und minimiert werden können

„Ex op sh“ kann umfassen:

• Erkennung von Kabelbruch
• Verriegelungen an LWL-Verbindungen
• Zustandsüberwachung des Prozesses (z. B. Verlust der Bedeckung mit Flüssigkeit)
• Automatische Laserabschaltung

„Ex op sh“ wird auf der Systemebene angewendet und kann Komponenten einbeziehen, die sich außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs befinden.

In vielen Prozessanwendungen werden Raman-Sonden in Umgebungen installiert, die normalerweise nicht explosionsgefährdet sind, beispielsweise in mit Flüssigkeiten gefüllten Leitungen oder Behältern. Im Normalbetrieb verhindert die vorhandene Flüssigkeit, dass an der Sondenspitze eine zündfähige Gasatmosphäre entstehen kann.

Allerdings können sich Prozessbedingungen ändern. Ein Verlust der Bedeckung mit Flüssigkeit, Ausgasen, Trocknung oder ein anormaler Betrieb können zur vorübergehenden Bildung einer brennbaren Gas- oder Dampfphase an der Messstelle führen. In solchen Szenarien kann sich die Zündgefahr durch optische Strahlung dynamisch verändern, auch wenn die Installation nicht als ständig explosionsgefährdet eingestuft ist.

Leitlinien für die Industrie, u. a. die NAMUR-Empfehlungen, berücksichtigen dieses Szenario. Sie beschreiben die Verwendung von optischen Schutzkonzepten mit Verriegelung (Ex op sh) für das Management von Umgebungen, die unter bestimmten Bedingungen explosionsgefährdet sind . In diesen Fällen ermöglicht „Ex op sh“ nicht nur eine höhere optische Leistung, sondern stellt auch sicher, dass die optische Strahlung immer automatisch deaktiviert wird, wenn die Bedingungen in einen zündungsrelevanten Zustand übergehen (zum Beispiel, wenn die Bedeckung mit Flüssigkeit verloren geht).

Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, Raman-Spektroskopie sicher in Prozessen anzuwenden, in denen explosionsfähige Atmosphären im Normalbetrieb nicht zu erwarten sind, jedoch unter definierten Bedingungen von Abweichungen oder Transienten nicht ausgeschlossen werden können. Dies gilt unter der Voraussetzung, dass die Detektionslogik, Verriegelungen und das Abschaltverhalten auf der Systemebene klar definiert und validiert sind.

Eine typische Installation eines Raman-Systems umfasst:

• Einen Analysator, der sich in einem nicht explosionsgefährdeten Bereich oder, sofern zugreffend, in einem für die Installation in Zone 1 / Division 2 zertifizierten Gehäuse befindet
• LWL-Kabel (Glasfaserkabel), die in explosionsgefährdete Bereiche verlaufen
• Eine Ex-zertifizierte Raman-Sonde (ATEX, IECEx oder NEC/CEC (in Nordamerika), wie jeweils zutreffend), die in Zone 0, 1 oder 2 installiert ist

Je nachdem, welches optische Schutzkonzept gewählt wird (Ex op is oder Ex op sh), arbeitet das zertifizierte System mit der Beschränkung des Strahls, der Begrenzung der Laserleistung an der Sonde sowie zugehörigen, den Schutz gewährleistenden Messungen. Wenn zusätzliche Verriegelungen oder Überwachungsfunktionen unter Verwendung separater Geräte umgesetzt werden, sind sie nicht in der Zertifizierung des Raman-Systems enthalten und müssen vom Endanwender im Rahmen des Sicherheitskonzepts der Gesamtanlage bewertet werden.

Wie in der obigen Abbildung gezeigt, definiert der Ort der Sonde die Zoneneinteilung (Zone 0/1/2), wohingegen sich der Analysator üblicherweise in einem allgemeinen Bereich befindet. Die Zündgefahr durch optische Strahlung wird mittels Ex op is (Leistungsbegrenzung gemäß LHA) oder Ex op sh (optisches System mit Verriegelung: Kabelbruch/Zustandsüberwachung → Abschaltung des Lasers) kontrolliert. Die vollständige Kombination der Verriegelung mit Analysator, LWL und Sonde wird bewertet und als ein zertifiziertes Gesamtsystem gekennzeichnet. Wenn der Analysator funktional mit einer Ex-Zone verbunden ist, muss er trotzdem über eine Ex-Kennzeichnung verfügen.

„Ex op sh“ – was bei der Installation zu berücksichtigen ist: LWL, Steckverbinder und Verriegelungen

Bei Installationen in der Praxis zeigt sich die Anwendung von Ex op sh am deutlichsten während der Installation und Integration des Systems und weniger an der Sonde selbst.

Während die Raman-Sonde üblicherweise so konstruiert ist, dass sie definierte Schutzanforderungen in Bezug auf optische Strahlung erfüllt, wird die Kontrolle der Zündgefahr auf Systemebene oft dadurch bestimmt, wie die optische Energie vom Analysator in den explosionsgefährdeten Bereich übertragen wird. Hierzu gehören:

• LWL-Kabel, die durch Ex- und Nicht-Ex-Zonen verlaufen
• Optische Steckverbinder, die sich an Grenzen von Zonen oder in Gehäusen befinden
• Die Integrität des optischen Pfads zwischen Analysator und Sonde

Deshalb implementieren „Ex op sh“-Systeme Verriegelungen, welche die Durchgängigkeit von Kabeln und den Status von Steckverbindern überwachen. Damit gewährleisten sie, dass die Laserstrahlung automatisch deaktiviert wird, wenn der optische Pfad unterbrochen oder Risiken ausgesetzt ist. Besonders relevant sind diese Maßnahmen während:

• Installation und Inbetriebnahme
• Wartung oder Wiederherstellung von LWL-Verbindungen
• Anormalen Bedingungen, z. B. Kabelschäden

Im Hinblick auf die Installation verschiebt „Ex op sh“ den Fokus deshalb von der Zertifizierung auf Komponentenebene zum Verhalten auf Systemebene: Kabelführung, Handhabung von Steckverbindern und Validierung von Verriegelungen werden Teil des Sicherheitskonzepts für den explosionsgefährdeten Bereich und müssen bei Auslegung, Installation und Dokumentation berücksichtigt werden.

• Definieren der Einteilung des Bereichs (Zonen oder Classes)
• Spezifizieren von Gasgruppe und Temperaturklasse auf Basis von Prozessdaten
• Sicherstellen der korrekten Installation von Mechanik und Elektrotechnik
• Durchführen oder Beauftragen der Beurteilungen des explosionsgefährdeten Bereichs und der Gefahren beim Einsatz von Lasern

• Liefern der Ex-zertifizierten Raman-Geräte (Analysator, Sonde oder einzelne Komponenten, wie jeweils zugreffend). Die Sonde muss entsprechend den Anforderungen gekennzeichnet sein, die vom Explosionsschutzbeauftragten (Ex-Beauftragten) am Kundenstandort definiert wurden
• Mitteilen der verfügbaren Verfahren zum Schutz vor optischer Strahlung, die von dem Gerät unterstützt werden (z. B. „Ex op is“ oder „Ex op sh“)
• Definieren und Dokumentieren der zertifizierten Grenzwerte der Laserleistung, der integrierten Schutzfunktionen und der erforderlichen Gerätekennzeichnung
• Bei Anwendung von „Ex op sh“: klares Definieren des Geltungsbereichs der Zertifizierung und der Grenzen zwischen zertifizierten Geräten und der Integration in das Gesamtsystem des Kunden sowie der Verantwortlichkeiten für die Sicherheitsbeurteilung

Die Einhaltung der Vorschriften für explosionsgefährdete Bereiche gilt für das gesamte Raman-System, nicht nur für einzelne Komponenten. Analysator, Sonde, LWL-Komponenten, Leistungseinstellungen und Sicherheitsfunktionen bilden eine als Gesamtheit zertifizierte Konfiguration. Jede Änderung erfordert eine erneute Beurteilung.

Erforderliche Schritte, die der Ex-Beauftragte an einem Kundenstandort auszuführen hat, bevor er Geräte für den Ex-Bereich auswählt

1. Bestätigen und Dokumentieren der Einteilung des explosionsgefährdeten Bereichs
2. Definieren der Gasgruppe und der Temperaturklasse
3. Durchführen der Gefährdungsbeurteilung für Laser (Laser Hazard Assessment, LHA)
4. Entscheiden, ob Ex op is (Leistungsbegrenzung) oder Ex op sh (System mit Verriegelung) erforderlich ist
5. Auswählen des zertifizierten Analysators und/oder der zertifizierten Sonde. Dabei ist sicherzustellen, dass die Ex-Kennzeichnung der Sonde für die Gasgruppe und Temperaturklasse geeignet ist, die bei der Einteilung des explosionsgefährdeten Bereichs definiert wurden
6. Planen der Installationsarchitektur und der Führung der LWL-Kabel
7. Verifizieren der Kennzeichnungen (Geräteschutzniveau (EPL), Gasgruppe, Temperaturklasse, Schutzkonzept gegen optische Strahlung)
8. Vervollständigen der Bestandsdokumentation („As-built“) und Aufbewahren der Zertifikate
9. Schulen des Personals in der sicheren Bedienung

„Die Laserleistung ist durch das Messgerät festgelegt.“

Nein. Die maximal zulässige Leistung ist anwendungsspezifisch und wird durch die Bedingungen im explosionsgefährdeten Bereich definiert.

„Wenn der Analysator zertifiziert ist, ist das System konform.“

Nein. Die Konformität wird auf der Systemebene bewertet, deshalb muss auch die Sonde Ex-zertifiziert sein.

„Installationen gemäß IECEx, ATEX und nordamerikanischen Normen (NEC/CEC) folgen unterschiedlichen Regeln.“

Nein. Unabhängig davon, ob eine Einteilung nach „Zone“ oder „Division“ vorgenommen wird, folgt die Installation der gleichen Logik. Die Unterschiede liegen darin, wie explosionsgefährdete Bereiche eingeteilt und zertifiziert werden.

„Ex op sh ist eine Ausnahme.“

Nein. „Ex op sh“ ist ein standardmäßiges, anerkanntes Schutzkonzept, das für spezifische Anwendungsfälle bestimmt ist. Üblicherweise wird es angewendet, wenn das Fenster der Raman-Sonde in eine flüssige Probe getaucht wird und explosionsgefährliche Bedingungen (durch Gas, Nebel oder Dampf in Verbindung mit Sauerstoff) nur auftreten können, wenn diese Flüssigkeit nicht vorhanden ist und wenn dies zuverlässig erkannt und Risiken gemindert werden können.

1. 1910.307 - Hazardous (classified) locations. | Occupational Safety and Health Administration
2. ATEX-Richtlinie 2014/34/EU – EU-Rechtsrahmen für Geräte zur bestimmungsgemäßen Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen
3. Guide to the Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition – A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week
4. Hazardous area classification (North America) – Overview of Class / Division and Zone concepts used in NEC and CEC frameworks
5. IEC 60079-28:2015 – International standard defining ignition risks and protection concepts (Ex op is, Ex op sh) for optical radiation in explosive atmospheres
6. IECEx system overview – International conformity assessment system for Ex equipment based on IEC standards
7. Leitlinien der NAMUR (Interessengemeinschaft) – Empfehlungen für die Industrie zur praktischen Umsetzung von Explosionsschutzkonzepten in der Prozessautomatisierung