Dziś jest poniedziałek, 21 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
Nowy cykl szkoleń praktycznych związanych z programowaniem sterowników marki Siemens
więcej
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
15 wrzesień 2014.

Obwody iskrobezpieczne pracujące przy częstotliwościach radiowych

Obwody iskrobezpieczne pracujące przy częstotliwościach radiowych

Z historycznego punktu widzenia najczęściej używanym typem wyposażenia radiowego w warunkach przemysłowych były radiotelefony i krótkofalówki, a także różnego rodzaju sprzęt wykorzystujący połączenie między stacją naziemną, a satelitą. Obecnie, w dobie coraz popularniejszych bezprzewodowych systemów sieciowych, terminali wyposażonych w łączność GSM, bezprzewodowych systemów SCADA i im podobnych, powszechniejsze stało się zwiększone zapotrzebowanie na takie rozwiązania - w tym również w strefach zagrożonych wybuchem, gdzie sprostać one muszą zwiększonym wymaganiom.

Identyfikacja zagrożeń
Ryzyko związane z wykorzystaniem wyposażenia działającego w oparciu o fale radiowe można przyporządkować do dwóch kategorii:
- ryzyko związane z sygnałami elektrycznymi pomiędzy nadajnikiem i anteną
- ryzyko związane z promieniowaniem radiowym emitowanym przez antenę.

Sygnały elektryczne
Sygnał radiowy generowany przez obwód nadajnika jest zwykłą falą elektromagnetyczną o wysokiej częstotliwości. Jak wszystkie tego typu wielkości, może on być scharakteryzowany poprzez napięcie, natężenie prądu i moc, dzięki czemu standardowe przepisy zapobiegające wystąpieniu zapłonu w strefach zagrożonych wybuchem znajdują tu zastosowanie. Przykładowo, możliwe jest wykonanie obwodu nadajnika jako iskrobezpiecznego zgodnie z normą EN60079-11 lub ochrona nadajnika wraz z anteną poprzez zastosowanie obudowy zgodnie z EN60079-18. Jednakże podane metody okazują być niepraktyczne zważywszy na charakter urządzeń radiowych.

Promieniowanie radiowe
Pole elektromagnetyczne wytwarzane przez antenę może powodować ryzyko wystąpienia zapłonu w dwojaki sposób: poprzez bezpośrednie nagrzewanie oparów palnych substancji lub palnych gazów w bliskim jej sąsiedztwie bądź też poprzez indukowanie prądów w pobliskich elementach przewodzących. Bezpośrednie nagrzewanie oparów i gazów palnych przez fale radiowe jest na ogół minimalizowane na bazie szacunków mówiących, iż poziom moc wymagany do wytworzenia znaczącego wzrostu temperatury w gazie jest bardzo wysoką (dla przykładu: kuchenka mikrofalowa opiera swoją zasadę działania na bardzo efektywnym kojarzeniu ze sobą fal radiowych o określonej częstotliwości i mocy rzędu kilkuset watów skierowanych w wodę wewnątrz pożywienia, aby podnieść jego temperaturę).
Z kolei struktury przewodzące wystawione na działanie pola fal radiowych mogą same zachowywać się jak anteny i skutkiem tego
generować duże prądy indukowane. Jeżeli prąd taki osiągnie odpowiednio wysoką wartość, a przy tym występuje ubytek lub przerwa w strukturze przewodzącej, to tym samym pojawia się ryzyko wytworzenia iskry wzdłuż nieciągłości. Wytyczne przytoczone przez normę EN60079-0:2009 definiują maksymalny dopuszczalny poziom EIRP (moc wypromieniowywana przez antenę o idealnej charakterystyce radiacji) dla różnych grup gazowych oraz maksymalne poziomy energii emitowanej przez sygnały pulsujące.

Zgodność z limitami mocy dla sygnałów radiowych

Maksymalne poziomy EIRP określone w normie EN60079-0:2009 zostały wyznaczone w taki sposób, aby zapewnić łatwość wymiarowania nadajników niskiej mocy bez potrzeby wymiarowania także sąsiednich elementów oprzyrządowania (co często jest żmudne i problematyczne). Należy przy tym pamiętać, że wykorzystane urządzenia nadawcze nie mogą przekroczyć narzuconych limitów. Norma EN60079-0:2009 stwierdza, że zakres regulacji musi być ograniczany sprzętowo lub za pośrednictwem oprogramowania, do którego tylko użytkownik ma dostęp. Problem ten stanowi duże wyzwanie dla niektórych zastosowań radiowych takich jak bezprzewodowe urządzenia sieciowe, gdzie poziomy mocy sygnałów są powszechnie dostępne dzięki interfejsowi sieciowemu, a ponadto dopuszczalne wartości EIRP mogą zostać łatwo przekroczone w przypadku zastosowania anten zbierających.

Problemy z aktualnie stosowanymi zabezpieczeniami
Uznaje się, że wykonanie nadajnika radiowego zdolnego pracować w strefie zagrożonej wybuchem jest stosunkowo proste. Przykładowo, firma DACPOL posiada w swojej ofercie cały szereg urządzeń bezprzewodowych zabudowanych wewnątrz obudowy typu Ex d przeznaczonych do Strefy 1. Okazuje się jednak, że zabudowywanie anten w aluminiowych puszkach jest rozwiązaniem wysoce niepraktycznym. Z tego też powodu DACPOL rozbudował swoją ofertę o anteny ze zwiększonym poziomem bezpieczeństwa Ex e w obudowach z tworzywa sztucznego. Nie jest to najtańsze rozwiązanie, a i sama antena kierunkowa ogranicza możliwość zastosowania jej w aplikacjach przemysłowych. Inna możliwość jak umieszczenie anteny w masie hermetyzującej wymaga większych nakładów i uniemożliwia jej odłączenie od nadajnika, ponieważ nie występują tak wygodne sposoby połączeń jak przy wykorzystaniu obudowy w typie ochrony ognioszczelnej.

Aby zapewnić całkowitą uniwersalność wszystkich dostępnych anten przy minimalnych nakładach postanowiono zastosować iskrobezpieczne wyjście z nadajnika i właśnie to rozwiązanie okazało się optymalne. Biorąc pod uwagę pewne urządzenia, które mogą być określone jako iskrobezpieczne (bazując na schematach technicznych i samym ich wykonaniu) jest to zadanie wykonalne. Z drugiej strony, złożoność przekaźników radiowych często oznacza, że ich zapotrzebowanie związane z zasilaniem czyni to rozwiązanie ponownie niepraktycznym. Dodatkowo, dostęp i możliwość pełnej ingerencji w kompletną dokumentację bywa również utrudniony.

Z powodów podanych wyżej, jedyną realną możliwością do wykorzystania jest użycie obwodu bezpieczeństwa pomiędzy nadajnikiem (lub ochrona go w inny sposób bądź zupełne wyprowadzenie poza Strefę) i anteną z przewodem umieszczoną wewnątrz zagrożonego obszaru. Dwa ostatnie elementy mogą być potraktowane jako "proste urządzenia" zgodnie z normą EN60079-11:2007, dzięki czemu podstawowe wymagania bezpieczeństwa ich dotyczące mogą być rozpatrywane jedynie w kategoriach magazynowanej energii oraz charakterystyk termicznych (wyznaczanych w oparciu o parametry bezpieczeństwa obwodu), co można zrealizować na etapie produkcji lub przez użytkownika bez potrzeby kontaktowania się z jednostką nostryfikującą.

Proces certyfikacji sprzętu i urządzeń radiowych mających pracować w strefie zagrożonej wybuchem można podzielić na dwie grupy: zapewnienie zgodności i atestu urządzeniom o znanych parametrach oraz dostępnej (choćby częściowo) dokumentacji albo dokonywanie tego samego lecz w stosunku do "czarnej skrzynki", o której nic nie wiemy.

Określanie iskrobezpieczeństwa sygnału radiowego dla znanych urządzeń
Zgodnie z konwencjonalną metodą określania czy dany sygnał radiowy pochodzący z certyfikowanego urządzenia można uznać za iskrobezpieczny jest oszacowanie wartości prądu i napięcia zdolnego być dostarczonym do urządzenia ze źródeł zewnętrznych. W razie konieczności wejścia/miejsca podawania sygnału wejściowego mogą zostać ograniczone do bezpiecznych wartości poprzez zastosowanie separatorów lub odpowiednich barier. Dowodząc, iż wyrób nie jest w stanie magazynować zbędnej energii ani wywoływać skoków napięcia ponad dopuszczalny poziom - można określić wyjście takie urządzenia jako iskrobezpieczne. Jednakże sposób ten jest bardzo niepraktyczny z szeregu powodów.

Po pierwsze, wszelkiego typu urządzenia elektryczne zazwyczaj potrzebują więcej mocy niż jest to dopuszczalne przez ograniczenia narzucone przez iskrobezpieczeństwo (dotyczy to także wartości prądu i napięcia). Po drugie, dopuszczalne wartości parametrów wyjściowych (maksymalne napięcie, prąd, moc, indukcyjność i pojemność) mogą się okazać niewystarczające dla zasilania. Innymi słowy: układ zasilania może nie być w stanie zapewnić wartości określanych przez normę. Z tego też powodu powszechną praktyką jest stosowanie barier bezpieczeństwa i separatorów na wyjściu urządzeń aby umożliwić osiągnięcie pożądanych parametrów.

Standardowe obwody bezpieczeństwa barier i separatorów na ogół działają w oparciu o elementy półprzewodnikowe takie jak diody Zenera, które ograniczają napięcie wyjściowe do określonego poziomu. Przy zasilaniu prądem stałym oraz przy niskich częstotliwościach rozwiązanie to jest bardzo efektywne i najczęściej nie wpływa w znaczący sposób na sam sygnał na wyjściu. Inaczej wygląda sytuacja przy wysokich częstotliwościach (powyżej ok. 100 kHz), kiedy to dioda Zenera i jej podobne urządzenia mogą osłabiać sygnał wyjściowy. Bierze się to zazwyczaj z dużej pojemności elektrycznej tego rodzaju podzespołów, a dodatkowo z faktu, iż przy eksponencjalnie malejącej impedancji - częstotliwość sygnału rośnie.
Możliwe jest opracowanie barier z wykorzystaniem elementów o niższej pojemności, lecz jest to osiągalne tylko do wielkości rzędu dziesiątek MHz. Wyposażenie radiowe w większości aplikacji i rozwiązań technicznych pracuje przy znacznie wyższych częstotliwościach: 400MHz do 6GHz i więcej. Dawniej z tą kwestią radzono sobie poprzez zwykłe stosowanie niezawodnych kondensatorów połączonych szeregowo z wyjściem sygnału radiowego nadajnika. Nie było to jednak rozwiązanie pozbawione wad związanych z bezpieczeństwem całości układu: moc sygnału radiowego generowanego przez nadajnik (zarówno wewnątrz jak i poza pasmem) - w przypadku niewłaściwych warunków pracy - była trudna do kontrolowania w tym także fakt, że przejściowe wartości prądów przechodzących przez kondensator podczas usterek nie były niczym ograniczone.

Aby pokonać te znane już trudności, DACPOL stworzył i wprowadził do swojej oferty szereg bezprzewodowych punktów dostępu z iskrobezpiecznymi wyjściami sygnałów radiowych. Bazują one na aspekcie sprzętowym nadajnika, dla którego charakterystyki obwodów zostały udostępnione przez producenta. Zasilanie wraz z interfejsami obsługi danych zostały zabezpieczone przed nagłym skokiem napięcia, a sygnał radiowy na wyjściu rozdzielony dzięki parze niezawodnych kondensatorów. Dodatkowo, rezystor ograniczający prąd przejściowy został dołączony do obwodu zgodnie z załączonym schematem.

Kondensatory obecne w układzie stanowią przerwę dla składowej stałej (sygnału DC) i generują dużą impedancję dla niskich częstotliwości sygnału AC. Dokonano ostrożnych szacunków odnośnie maksymalnej możliwej częstotliwości jaką mogą wytworzyć sygnały AC, które są generowane przez niedozwolone stany pracy urządzenia (w większości spowodowane pracą przełączników). Wartość napięcia pojawiająca się podczas tych usterek została przyjęta za maksymalną jaka może zostać podana na wejście - zważywszy na założenia projektowe przełącznika. Znane dzięki temu poziomy napięcia DC blokowanego przez kondensatory zostały uznane za maksymalne w celu zagwarantowania, że prądy tych niewłaściwych sygnałów AC są ograniczone zgodnie z zasadami kierującymi iskrobezpieczeństwem.
Sygnały radiowe mieszczące się w zakresie pracy nadajnika (nie będące aktualnie ograniczone przez kondensatory) zostały określone
przez instytucję nostryfikującą jako spełniające wymogi dyrektywy iskrobezpieczeństwa dla limitów 2W przy zastrzeżeniu, że użytkownik nie ma prawa samodzielnie ich modyfikować. Decyzja ta została podjęta przy założeniu, że promieniowanie rzędu 2Wrms w antenę 50? daje skok napięcia 14,14V i skok prądu 200mA, które to wartości bezproblemowo mieszczą się w przedziale określonym dla grupy gazowej IIC (nawet przy założeniu znaczącej indukcyjności i pojemności przewodu).

Rezystor zastosowany w układzie ma za zadanie ograniczać składowe przejściowe prądu i w razie ich przechodzenia przez kondensator - zmniejszać do wcześniej zdefiniowanych wartości. Zostały one określone na podstawie maksymalnych wartości napięcia możliwych do wystąpienia na wyjściu sygnału radiowego. Jest to wielkość znana dlatego, że aplikacja jest zasilana z niezawodnego modułu napięciowego oraz na bazie obliczeń wykonanych dla obwodów wewnątrz urządzenia. Poziom tej rezystancji rzutuje także na maksymalną indukcyjność, podczas gdy maksymalna pojemność jest wyznaczana dzięki maksymalnemu napięciu bezpieczeństwa układu zasilającego.

Określanie iskrobezpieczeństwa sygnału radiowego dla nieznanych urządzeń
W przypadku gdy nieznana jest struktura/wewnętrzna budowa urządzenia, należy domyślnie przyjąć, że w przypadku wystąpienia niewłaściwych stanów pracy nadajnika mogą pojawić się napięcia i prądy każdej częstotliwości (aż do maksymalnych obsługiwanych przez urządzenie). Tradycyjne diody Zenera wraz z separatorami i barierami izolującymi działają przy założeniu, że uda im się ograniczyć każde przepięcie lub przeciążenie dla bezpiecznej wartości (dotyczy częstotliwości obsługiwanych przez urządzenie). Jednak założenie to wydaje się być postawione na przypuszczeniu, że wyposażenie będzie pracowało i było zasilane tylko przy niskich częstotliwościach. Skoro szło to w parze z wieloletnim bezpiecznym stosowaniem takich barier, to oznacza to, że ryzyko bycia nieefektywnymi jest drastycznie niskie.
W przypadku, gdy urządzenie jest przeznaczone do pracy przy wysokich częstotliwościach (np. nadajniki radiowe), typowa dioda Zenera nie będzie pracowała zgodnie ze swoim przeznaczeniem i zwyczajnie się nie sprawdzi. Dotyczy to również poziomu bezpieczeństwa, który nie będzie zachowany. W pewnym względzie jest to nieistotne, ponieważ tego typu bariera znacząco osłabiałaby sam sygnał, toteż istnieje mała szansa, że w ogóle byłaby zastosowana. Gdyby jednak się okazało, że z pewnych względów zostanie zastosowane takie zabezpieczenie i będzie ono miało pracować przy częstotliwościach radiowych, to bezwzględnie musi być w stanie w sposób bezpieczny ograniczyć wartości napięcia i prądu przy wysokich częstotliwościach do maksymalnego maksymalnego poziomu obsługiwanego przez nadajnik.

Pozostaje kwestią dyskusyjną w jakim stopniu urządzenie pracujące poza swoim standardowym zakresem częstotliwości jest w stanie generować niepożądane sygnały. Sytuację dodatkowo utrudnia fakt, że nie ma jasno określonych zasad bezpieczeństwa w tego typu przypadkach ani też żadna z instytucji nostryfikujących nie sprecyzowała w jakim zakresie ma się odbywać ochrona tudzież jak bardzo należy (i można) ograniczać sygnały prądowe i napięciowe.

Przy wszystkich powyższych zastrzeżeniach, należy także wziąć pod uwagę wytwarzaną moc sygnałów radiowych, które opisuje norma EN60079-0:2009. Jeżeli w urządzeniu istnieje możliwość regulacji mocy nadajnika przez użytkownika i funkcji tej nie da się wyłączyć, to wymagane jest zastosowanie dodatkowego zewnętrznego obwodu ograniczającego moc. Firma Extronics obecnie pracuje nad rozwiązaniami takich nadajników, których użycie będzie możliwe nie tylko w obudowach typu EX d (ognioszczelnych), ale także w obszarach poza Strefami przy wykorzystaniu dowolnej anteny i konfiguracji instalacji kablowej (zakładając, że spełnione są wszelkie parametry bezpieczeństwa i poziomy sygnałów określone przez EIRP). Celem tych badań jest stworzenie uniwersalnego rozwiązania, które będzie na tyle elastyczne, że z jednej strony wpłynie na obniżenie ogólnej ceny, a z drugiej pozwoli użytkownikowi w pełni wykorzystać możliwości jakie niesie ze sobą technologia bezprzewodowa.

Źródło: DACPOL Sp. z o.o.
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl