Installatie van Raman-spectroscopie in gevaarlijke omgevingen (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Dit artikel richt zich op Raman-spectroscopiesystemen in gasexplosieve omgevingen, waaronder ATEX-zones 0/1/2-, IECEx- en Noord-Amerikaanse klasse I (NEC/CEC)-omgevingen.

Het verduidelijkt:

• Waarom Raman-systemen onder de eisen voor gevaarlijke omgevingen vallen en wanneer installaties compliant moeten zijn
• Hoe optische ontstekingsrisico's ontstaan, worden beoordeeld en worden verminderd
• Hoe ATEX, IECEx en Noord-Amerikaanse frameworks dezelfde fysische veiligheidsprincipes naar certificering en installatievoorschriften vertalen
• Hoe optische ontstekingsrisico's worden beheerst met concepten op basis van vermogensbeperking (Ex op is) en gekoppelde systemen (Ex op sh), en welke invloed dit heeft op labeling en installatie

NB Raman-spectroscopie-apparatuur is niet gecertificeerd voor gebruik in stof, poeder of vezelexplosieve omgevingen. Hierdoor liggen deze omgevingen buiten het bestek van dit artikel.
Dit artikel gaat ook niet over niet-optische ontstekingsmechanismen of gedetailleerde nationale wettelijke compliantieprocedures, waarvoor andere systeemuitvoeringen en certificeringen nodig zijn.

Raman-spectroscopiesystemen kunnen een mogelijke ontstekingsbron worden als optische straling wordt geconcentreerd in een brandbare gas- of dampatmosfeer, ook als produceren Raman-sondes geen vonken of hete elektrische componenten bij het meetpunt.

De ontstekingsrisico's ontstaan door plaatselijke opwarming door geconvergeerde optische energie op oppervlakken of deeltjes. Zodra een Raman-installatie wordt blootgesteld aan een atmosfeer die een combinatie van zuurstof en brandbare gasdampen of mist zou kunnen bevatten, wordt deze beschouwd als zijnde in een gevaarlijke omgeving en moet worden voldaan aan de eisen voor apparatuur in gevaarlijke omgevingen.

Compliantie voor gevaarlijke omgevingen van Raman-spectroscopie is gebaseerd op optische-ontstekingsfysica, niet alleen op elektrische vonkvorming of regionale wetgeving.

De compliantie voor gevaarlijke omgevingen van Raman-systemen wordt wereldwijd bepaald door dezelfde fysische veiligheidsprincipes. Regionale frameworks verschillen met name in hoe gevaarlijke omgevingen worden geclassificeerd en gedocumenteerd, niet in de onderliggende installatielogica of ontstekingspreventiemechanismen.

ATEX (Europa) en IECEx (internationaal) maken gebruik van een zone-gebaseerd classificatiesysteem (zones 0, 1, 2) voor het bepalen van de waarschijnlijkheid en duur van de aanwezigheid van een explosieve gasatmosfeer. Deze zones bepalen waar Raman-sondes kunnen worden geplaatst en welke beveiligingsconcepten moeten worden toegepast.

• ATEX(EU) is een wettelijk framework gekoppeld aan CE-markering.
• IECEx(internationaal) voorziet in een mondiaal conformiteitssysteem op basis van IEC-normen.

Noord-Amerikaans (NEC/CEC) past klasse/divisie- of klasse/zone-concepten toe voor gasgevaarlijke locaties (klasse I), met apparatuurgoedkeuringen die doorgaans worden verstrekt door UL, FM of CSA.

Hoewel de terminologie verschilt, is de bedoeling hetzelfde: het bepalen van gevaarlijke locaties en waarborgen dat ontstekingsbronnen worden beheerst.

• Gevaarlijke-omgevingclassificatie bepaalt waar optische sondes en bijbehorende componenten kunnen worden geïnstalleerd (zones in ATEX/IECEx; klasse/divisie of klasse/zone in NEC/CEC).
• Straalbeperking, waaronder vergrendelingen voor optische paden en glasvezelverbindingen, samen met laservermogensbeperking bij het meetpunt (sonde-uiteinde), voorkomt optische ontsteking.
• Optische beveiligingsconcepten worden toegepast op systeemniveau om te waarborgen dat laserstraling een brandbare gasatmosfeer niet kan ontsteken.

In Raman-installaties worden de eisen voor gevaarlijke omgevingen bepaald door de plaats van de sondepunt, omdat vanaf hier de optische energie opzettelijk in het proces wordt uitgestraald.

• Zone 0: explosieve atmosfeer continu of langere tijd aanwezig
• Zone 1: kan vaker voorkomen
• Zone 2: niet of slechts korte tijd aanwezig

De analyzer wordt vaak fysiek in een niet-gevaarlijke (algemene) omgeving geïnstalleerd, waarbij glasvezelkabels de analyzer met de sonde in zone 0, 1 of 2 verbinden.

Zelfs als de analyzer is geïnstalleerd in een algemene omgeving kan een Gevaarlijke-omgeving (Ex) markering vereist zijn, als deze deel van een systeem is dat optische energie in een gevaarlijke zone afgeeft. In dergelijke gevallen wordt de analyzer beoordeeld en gemarkeerd op basis van zijn functionele verbinding met de gevaarlijke omgeving, niet alleen op de fysieke locatie ervan.

De volgende lijst toont een vereenvoudigde conceptuele mapping tussen ATEX-gaszones (links) en Noord-Amerikaanse classificeringen (rechts). De terminologie verschilt, maar de ontstekingsrisico-logica is hetzelfde.

• Zone 0 → klasse I, divisie 1
• Zone 1 → klasse I, divisie 1
• Zone 2 → klasse I, divisie 2

Belangrijke elementen voor Raman-systeemmarkering zijn onder andere:

Apparatuurgroep: groep II (bovengrondse industrieën zoals de chemische en farmaceutische)

Apparatuurbeschermingsniveau (EPL):

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

Gasgroepen: IIA, IIB, IIC (IIC met de strengste eisen)

Temperatuurklasse: bv. T6 (85 °C), T4 (135 °C)

Gasgroep en temperatuurklasse worden gespecificeerd door de installatie-exploitant op basis van procesgegevens en sturen de uiteindelijke systeemlabeling.

Optische straling kan brandbare atmosferen ontsteken als energie wordt geconcentreerd en geabsorbeerd door kleine oppervlakken of deeltjes. IEC 60079-28:2015 beschrijft dit mechanisme en definieert beveiligingsconcepten ter voorkoming van ontsteking in explosieve omgevingen.

De norm omvat referentietabellen met vermogensgrenzen voor inherent veilige optische straling (Ex op is) voor specifieke golflengten, blootstellingsomstandigheden en gasgroepen. Deze tabellen leveren een basislijnrichtsnoer voor optische vermogenniveaus die worden beschouwd als niet-ontstekingsgevaarlijk onder gedefinieerde omstandigheden.

In praktische Raman-toepassingen moet de toepasselijke veilige vermogensgrens worden bevestigd via een Laser Hazard Assessment (LHA). De LHA gaat niet alleen uit van de standaard-referentiewaarden, maar ook van toepassings-specifieke parameters, waaronder:

• Gasgroep en ontstekingsgevoeligheid
• Golflengte en straalgeometrie
• Blootstellingsduur en optische conversie
• Sonde-uitvoering en foutaannames

De LHA definieert daarom het maximaal toegestane laservermogen bij de sondepunt en de uiteindelijke Ex-labeling van het systeem.

Ex op is beperkt de optische energie zodat ontsteking niet mogelijk is onder normale bedrijfs- en gedefinieerde foutomstandigheden. In Raman-systemen wordt dit doorgaans bereikt door het laservermogen bij de sondepunt te beperken.

Er is geen universele veilige waarde voor het laservermogen. Hoewel IEC 60079-28 referentielimieten beschrijft, blijft het maximaal toelaatbare vermogen toepassings-specifiek en moet dit worden gevalideerd door de LHA, wat veilige operationele begrenzingen en de uiteindelijke systeemlabeling definieert.

Ex op sh maakt een hoger optisch vermogen mogelijk, maar vertrouwt op technische veiligheidsmaatregelen en vergrendelingen om te waarborgen dat optische straling wordt uitgeschakeld als ontstekings-relevante omstandigheden zouden kunnen ontstaan.

Dit concept wordt doorgaans gebruikt als:

• De meetuitvoering laservermogen boven Ex op is-limieten vereist
• Onveilige omstandigheden betrouwbaar kunnen worden gedetecteerd en verlicht

Ex op sh kan het volgende omvatten:

• Kabelbreukdetectie
• Vergrendelingen van glasvezelverbindingen
• Procestoestand-monitoring (bv. verlies van vloeistofmeting)
• Automatische laseruitschakeling

Ex op sh geldt voor het systeemniveau en kan betrekking hebben op componenten die zich buiten de gevaarlijke omgeving bevinden.

In veel procestoepassingen zijn Raman-sondes geïnstalleerd in omgevingen die normaal niet-explosief zijn, zoals vloeistofvoerende pijpleidingen of vaten. Bij een normale werking voorkomt de aanwezigheid van vloeistof de vorming van een brandbaar-gasatmosfeer bij de sondepunt.

Maar de procesomstandigheden kunnen veranderen. Verlies van vloeistofmeting, ontgassing, droging of abnormale werking kunnen leiden tot de tijdelijke vorming van een brandbare gas- of dampfase bij het meetpunt. In dergelijke scenario's kan het optische ontstekingsrisico dynamisch veranderen, zelfs als de installatie niet wordt geclassificeerd als permanent gevaarlijk.

Industrierichtsnoeren, waaronder NAMUR-aanbevelingen, erkennen dit scenario en beschrijven het gebruik van vergrendelde optische beveiligingsconcepten (Ex op sh) voor het beheren van omgevingen met een explosieve toestand. In deze gevallen zorgt Ex op sh niet alleen voor een hoger optisch vermogen, maar zorgt deze dat optische straling automatisch wordt uitgeschakeld zodra de omstandigheden veranderen in een ontstekings-relevante toestand (bijvoorbeeld als de vloeistofmeting verloren is gegaan).

Door deze methode kan Raman-spectroscopie veilig worden toegepast in processen waarbij explosieve omgevingen tijdens de normale werking niet te verwachten zijn, maar niet kunnen worden uitgesloten bij gedefinieerde abnormale of tijdelijke omstandigheden, vooropgesteld dat de detectielogica, vergrendelingen en uitschakelgedrag duidelijk zijn gedefinieerd en gevalideerd op het systeemniveau.

Een typische Raman-systeeminstallatie omvat:

• Een analyzer geïnstalleerd in een niet-gevaarlijke omgeving of, indien van toepassing, in een behuizing die is gecertificeerd voor installatie in zone 1 / divisie 2
• Glasvezelkabels aangebracht in gevaarlijke omgevingen
• Een Ex-gecertificeerde Raman-sonde (ATEX, IECEx of Noord-Amerikaans NEC/CEC zoals van toepassing) geïnstalleerd in zone 0, 1 of 2

Afhankelijk van het geselecteerde optische beveiligingsconcept (Ex op is of Ex op sh) vertrouwt het gecertificeerde systeem op straalbeperking, laservermogenbegrenzing bij de sonde en bijbehorende beschermende maatregelen. Extra vergrendelingen of bewakingsfuncties, geïmplementeerd door afzonderlijke instrumenten, vallen niet onder de certificering van het Raman-systeem en moeten worden beoordeeld door de eindgebruiker als onderdeel van de algehele installatie en het veiligheidsconcept.

Zoals getoond in bovenstaande afbeelding bepaalt de sondelocatie de zonering (zone 0/1/2) terwijl de analyzer zich in een algemene omgeving bevindt. De optische ontsteking wordt geregeld via Ex op is (vermogensbeperking door LHA) of Ex op sh (vergrendeld optisch systeem: kabelbreuk/toestandsbewaking → laseruitschakeling). De complete combinatie van analyzer en glasvezelsondevergrendeling wordt beoordeeld en gemarkeerd als een enkel gecertificeerd systeem en de analyzer benodigt nog steeds Ex-markering indien functioneel verbonden met een gevaarlijke zone.

Ex op sh aandachtspunten tijdens de installatie – glasvezels, stekkers en vergrendelingen

In praktische installaties is de toepassing van Ex op sh het meest zichtbaar tijdens de systeeminstallatie en -integratie en minder bij de sonde zelf.

Hoewel de Raman-sonde doorgaans is uitgevoerd om te voldoen aan gedefinieerde optische beschermingseisen, wordt de regeling van het ontstekingsrisico op systeemniveau vaak bepaald door de manier waarop de optische energie wordt overgebracht van de analyzer naar de gevaarlijke omgeving. Dit bevat:

• Aanleg van glasvezelkabel door gevaarlijke en niet-gevaarlijke zones
• Optische connectors bij zonegrenzen of in behuizingen
• De integriteit van het optische pad tussen analyzer en sonde

Om deze reden implementeren Ex op sh-systemenvergrendelingen die de kabelcontinuïteit en de connectorstatus bewaken, zodat de laserstraling automatisch wordt uitgeschakeld als het optische pad wordt onderbroken of blootgesteld. Deze maatregelen zijn met name relevant tijdens:

• Installatie en ingebruikname
• Onderhoud of doorverbinding van glasvezelkabel
• Abnormale omstandigheden, zoals beschadiging van de kabel

Vanuit een installatieperspectief verschuift Ex op sh daarom de nadruk van certificering op componentniveau naar gedrag op systeemniveau: kabelaanleg, connectorbehandeling en vergrendelingsvalidatie worden onderdeel van het veiligheidsconcept voor gevaarlijke omgevingen en moet worden beschouwd tijdens het ontwerp, de installatie en de documentatie.

• Definieer de gebiedsclassificatie (zones of klassen)
• Specificeer gasgroep en temperatuurklasse op basis van procesgegevens
• Waarborg correcte mechanische en elektrische installatie
• Voer de beoordelingen met betrekking tot gevaarlijke omgevingen en lasergevaren uit of activeer deze

• Lever de Ex-gecertificeerde Raman-apparatuur (analyzer, sonde of individuele componenten, indien van toepassing), waarbij de sonde is gemarkeerd volgens de eisen die zijn gedefinieerd door de Ex-verantwoordelijke persoon bij de klant
• Communiceer de beschikbare optische beschermingsmethoden die worden ondersteund door de apparatuur (bijvoorbeeld Ex op is of Ex op sh)
• Definieer en documenteer de gecertificeerde laservermogenslimieten, ingebouwde beschermingsfuncties en vereiste apparatuurlabeling
• Is Ex op sh toegepast, definieer dan duidelijk het bereik van de certificering en de grens tussen gecertificeerde apparatuur en de verantwoordelijkheid van de klant voor de totale systeemintegratie en de veiligheidsbeoordeling

Compliantie voor gevaarlijke omgevingen geldt voor het gehele Raman-systeem, niet voor afzonderlijke componenten. Analyzer, sonde, glasvezeloptiek, vermogensinstellingen en veiligheidsfuncties vormen een enkele gecertificeerde configuratie. Veranderingen vereisen een nieuwe beoordeling.

Vereiste stappen van een Ex-verantwoordelijke persoon bij een klant voordat apparatuur voor een Ex-omgeving wordt geselecteerd

1. Bevestig en documenteer de gevaarlijke-omgevingclassificatie
2. Definieer gasgroep en temperatuurklasse
3. Voer een Laser Hazard Assessment (LHA) uit
4. Beslis of Ex op is (vermogensbeperking) of Ex op sh (vergrendeld systeem) nodig is
5. Selecteer een gecertificeerde analyzer en/of sonde en zorg dat de Ex-sondemarkering correct is voor de gasgroep en temperatuurklasse gedefinieerd tijdens de gevaarlijke-omgevingclassificatie
6. Planinstallatie-architectuur en aanleg glasvezel
7. Controleer markeringen (EPL, gasgroep, temperatuurklasse, optisch beveiligingsconcept)
8. Voltooi as-built documentatie en houd certificaten
9. Instrueer personnel over een veilige werking

“Het laservermogen wordt bepaald door het instrument.”

Nee. Het maximale toegestane vermogen is toepassings-specifiek en wordt bepaald door gevaarlijke-omgevingsomstandigheden.

“Als de analyzer gecertificeerd is, is het systeem compliant.”

Nee. Compliantie wordt beoordeeld op systeemniveau, dus ook een Ex-gecertificeerde sonde is vereist.

“IECEx, ATEX en Noord-Amerikaanse normen (NEC/CEC) voor installaties volgen verschillende regels.”

Nee. Of nu zone- of divisieclassificatie wordt gebruikt, de installatielogica is hetzelfde. Verschillend is, hoe gevaarlijke omgevingen worden geclassificeerd en gecertificeerd.

“Ex op sh is een uitzondering.”

Nee. Ex op sh is een norm, een erkend beveiligingsconcept bedoeld voor specifiek gebruik, met name als het Raman-sondevenster wordt ondergedompeld in een vloeistofmonster en gevaarlijke omstandigheden (gas, mist of damp in combinatie met zuurstof) alleen kunnen optreden bij afwezigheid van die vloeistof, en betrouwbaar kan worden gedetecteerd en verlicht.

1. 1910.307 - Gevaarlijke (geclassificeerde) locaties. | Werkveiligheids- en gezondheidsdienst
2. ATEX-richtlijn 2014/34/EU – EU-regelgevingskader voor apparatuur bedoeld voor gebruik in mogelijk explosieve omgevingen
3. Handleiding voor de Canadese Elektrische Code, Deel 1[i], 26e editie– Een routkaart: paragraaf 18 Gevaarlijke locaties - Electrical Industry News Week
4. Gevaarlijke-omgevingsclassificatie (Noord-Amerika) – Overzicht van klasse/divisie- en zoneconcepten gebruikt in NEC- en CEC-frameworks
5. IEC 60079-28:2015 – Internationale norm voor ontstekingsrisico's en beveiligingsconcepten (Ex op is, Ex op sh) voor optische straling in explosieve omgevingen
6. IECEx-systeemoverzicht – Internationaal conformiteitsbeoordelingssysteem voor Ex-apparatuur gebaseerd op IEC-normen
7. NAMUR (gebruikersvereniging) leidraad – Industrie-aanbevelingen met betrekking tot praktische implementatie van explosiebeveiligingsconcepten in de procesautomatisering