Pomiar poziomu w strefach Ex (ATEX) – strefy 0/1/2, iskrobezpieczeństwo, bariery

Do strefy zagrożenia wybuchem (Ex/ATEX) wolno dobierać wyłącznie sondę hydrostatyczną ATEX z rodzajem ochrony iskrobezpiecznej Ex ia, zasilaną przez barierę iskrobezpieczną lub separator galwaniczny umieszczony w strefie bezpiecznej. Zwykła sonda przemysłowa, nawet w obudowie IP68, jest w atmosferze wybuchowej zabroniona i stanowi realne ryzyko inicjacji wybuchu.

Ten poradnik wyjaśnia, jak czytać oznaczenie Ex, czym różnią się strefy 0, 1 i 2, na czym polega zasada iskrobezpieczeństwa oraz jaką dokumentację trzeba mieć, by montaż w komorze fermentacyjnej biogazu czy w studzience kanalizacyjnej był zgodny z prawem. Adresujemy go do służb utrzymania ruchu w spółkach wod-kan i zakładach komunalnych.

Najpierw rozstrzygnij jedno: czy ten obiekt w ogóle jest strefą Ex? Przesądza o tym dokument zabezpieczenia przed wybuchem (DZPW) konkretnego zakładu, a nie sam typ obiektu. Duża część zwykłych, dobrze wentylowanych przepompowni sieciowych nie jest klasyfikowana jako strefa Ex i nie wymaga sondy iskrobezpiecznej. Wykonanie Ex dotyczy realnie biogazowni, komór fermentacyjnych, odsiarczalni oraz obiektów słabo wentylowanych z gnijącym osadem. Nie kupuj wersji Ex „na zapas” bez klasyfikacji – to droższy zakup (sonda Ex ia plus bariera), który w wentylowanej przepompowni zwykle nie jest potrzebny.

Dyrektywa ATEX 2014/34/UE w skrócie

ATEX to potoczna nazwa dwóch aktów prawnych: dyrektywa produktowa 2014/34/UE (w Polsce wdrożona rozporządzeniem MR) określa wymagania dla urządzeń przeznaczonych do stref Ex, a dyrektywa socjalna 1999/92/WE nakłada obowiązki na pracodawcę eksploatującego takie instalacje. Z punktu widzenia doboru aparatury liczy się ta pierwsza – to ona wymusza, by sonda do strefy Ex miała certyfikat badania typu UE, deklarację zgodności UE i prawidłowe oznaczenie.

Praktyczny wniosek: nie da się dobrać aparatury Ex wyłącznie po parametrach pomiarowych. Najpierw sprawdzamy klasyfikację strefy w danym miejscu (wynika z DZPW, który powinien posiadać zakład), a dopiero potem dobieramy urządzenie o odpowiedniej kategorii i grupie wybuchowości.

Strefy 0, 1 i 2 oraz przykłady w wod-kan

Strefy wyznacza się na podstawie prawdopodobieństwa i czasu występowania atmosfery wybuchowej. Dla gazów, par i mgieł (najczęstszy przypadek w wod-kan: biogaz, metan, siarkowodór) obowiązuje podział na trzy strefy. Warto od razu podkreślić: strefa Ex dotyczy atmosfery gazowej nad lustrem cieczy – przestrzeni przy głowicy, przepuście kablowym i włazie – a nie wnętrza samego medium. Niebezpieczna jest mieszanina gazu z powietrzem zbierająca się nad ściekami czy osadem, nie ciecz.

Reguły doboru są hierarchiczne. Urządzenie kategorii 1G nadaje się do stref 0, 1 i 2; kategorii 2G do stref 1 i 2; kategorii 3G wyłącznie do strefy 2. Innymi słowy do strefy 0 wolno wstawić tylko aparat kategorii 1G (poziom ochrony EPL Ga). Tę „kategoryjną” oś doboru trzeba odróżnić od osi iskrobezpieczeństwa (ia/ib/ic), o której niżej – to dwie niezależne klasyfikacje.

Uwaga praktyczna o przepompowniach i studzienkach. W realiach wod-kan typowa otwarta lub dobrze wentylowana przepompownia ścieków bytowych jest najczęściej klasyfikowana jako strefa 2 (zagrożenie sporadyczne, przy zaburzeniu wentylacji lub wzmożonej fermentacji), a nie strefa 1. Strefa 1 dotyczy raczej obiektów zamkniętych, słabo wentylowanych, z gnijącym osadem (komory krat, zagęszczacze, niektóre pompownie osadu). To, czy konkretny obiekt jest strefą 1, 2, czy w ogóle nie jest strefą Ex, rozstrzyga wyłącznie DZPW i ocena ryzyka danego miejsca – nie wolno przypisywać studzienki na sztywno do strefy 1, bo prowadzi to do przewymiarowania doboru (droższe 1G zamiast wystarczającego 2G/3G). Szczegóły montażu poziomu w tych obiektach opisujemy w artykule pomiar poziomu w przepompowni ścieków.

Inaczej wygląda to w komorze fermentacyjnej oczyszczalni: medium pomiarowym jest osad, a atmosfera nad nim to biogaz (mieszanina metanu, CO2 i śladowych ilości H2S). Wnętrze zamkniętej komory to klasyczna strefa 0, dlatego pomiar poziomu osadu wymaga sondy 1G. To samo dotyczy zbiorników magazynowych biogazu.

Rodzaj ochrony Ex ia – iskrobezpieczeństwo

W przyrządach pomiarowych do stref Ex dominuje rodzaj ochrony Ex i (iskrobezpieczeństwo). Zamiast izolować źródło zapłonu od atmosfery, ogranicza on energię elektryczną w obwodzie tak nisko, że ani iskra, ani nagrzanie elementów nie są w stanie zapalić mieszaniny. To podejście idealne dla pętli 4-20 mA o niskim poborze mocy.

Iskrobezpieczeństwo to osobna oś niż kategoria urządzenia i występuje w trzech poziomach. Ex ia zachowuje bezpieczeństwo nawet przy dwóch jednoczesnych uszkodzeniach i jako jedyny jest dopuszczony do strefy 0. Ex ib wytrzymuje jedno uszkodzenie (do strefy 1), a Ex ic odpowiada normalnej pracy (strefa 2). Sondy hydrostatyczne dostarcza się zwykle jako Ex ia (kategoria 1G) – dla komór biogazu to wymóg, a w strefie 1 czy 2 jest to wybór z zapasem, nie minimum.

Sama sonda nie zapewnia jednak iskrobezpieczeństwa całego obwodu. Stanowi tzw. urządzenie iskrobezpieczne, które musi być zasilane z urządzenia towarzyszącego (bariery lub separatora) ograniczającego napięcie i prąd. Dopiero ten zestaw, opisany w certyfikacie systemu, tworzy bezpieczny obwód. Kluczowa zasada: nigdy nie wolno zasilać sondy Ex ia ze zwykłego, niebarierowanego zasilacza – podłączenie certyfikowanej sondy do obwodu bez ograniczenia energii unieważnia całą ochronę i czyni instalację niezgodną z prawem.

Bariery iskrobezpieczne i separatory na pętli

Element ograniczający energię montuje się zawsze w strefie bezpiecznej – najczęściej w szafie sterowniczej w budynku sterowni lub kontenerze AKPiA. Stosuje się dwa rozwiązania o różnej charakterystyce.

Bariera Zenera jest tania i prosta, ale działa poprawnie wyłącznie przy pewnym, niskoomowym uziemieniu iskrobezpiecznym. W rozproszonych obiektach wod-kan, gdzie występują różnice potencjałów między obiektami i długie trasy kablowe, częściej sprawdza się separator galwaniczny – eliminuje pętle masy, poprawia jakość sygnału trafiającego do telemetrii i SCADA oraz izoluje obwód terenowy od strony sterownika, co podnosi odporność na przepięcia. Te kwestie szerzej omawiamy w artykule ochrona przepięciowa i montaż sondy w terenie. Gotowe urządzenia tego typu znajdziesz w kategorii konwertery i separatory sygnału.

Dobierając barierę lub separator, trzeba zweryfikować dopasowanie parametrów iskrobezpiecznych (entity parameters): napięcie Uo i prąd Io urządzenia towarzyszącego muszą być mniejsze lub równe dopuszczalnym Ui, Ii sondy, a pojemność i indukcyjność kabla nie mogą przekroczyć dopuszczalnych Co i Lo. Także sama bariera/separator musi mieć certyfikat z kompletem parametrów [Uo, Io, Po, Co, Lo] – to one są punktem odniesienia w obliczeniu, które trzeba udokumentować.

Bariera „zjada” budżet pętli 4-20 mA

Bariera lub separator wprowadza do pętli dodatkowy spadek napięcia (typowo rzędu pojedynczych woltów) i rezystancję szeregową. To ogranicza napięcie pozostające na sondę oraz maksymalne obciążenie pętli, a więc pośrednio maksymalną długość kabla. Przy doborze trzeba więc policzyć budżet napięcia: napięcie zasilania minus spadki na barierze, rezystancji kabla i rezystorze pomiarowym musi pozostawić sondzie wymagane minimum. W rozległych obiektach z długimi trasami ten budżet bywa krytyczny – pomijany, kończy się sondą, która „nie wyrabia” na końcu zakresu.

Jak czytać oznaczenie Ex

Pełne oznaczenie na tabliczce sondy wygląda np. tak: II 1G Ex ia IIB T4 Ga. Najważniejsze człony to: II – grupa urządzeń (przemysł, nie górnictwo); 1G – kategoria dla gazów (1 = dopuszczenie do strefy 0); Ex ia – iskrobezpieczeństwo poziomu ia; IIB – grupa wybuchowości gazu; T4 – klasa temperaturowa (maks. temperatura powierzchni 135°C, poniżej temperatury zapłonu typowych gazów w wod-kan); Ga – poziom ochrony EPL dla strefy 0.

Praktyczny wniosek dla kupującego jest prostszy, niż wygląda tabliczka: w wod-kan dobiera się zwykle co najmniej IIB T4 i nie trzeba liczyć tego samodzielnie – wystarczy podać dostawcy strefę i medium. Dla orientacji: metan należy do mniej wymagającej grupy IIA, a siarkowodór (H2S) do IIB; grupa IIC (wodór, acetylen) w wod-kan praktycznie nie występuje, więc nie ma potrzeby jej zamawiać „na zapas”. W praktyce sondy Ex ia oferowane są i tak zwykle w grupie IIB (a często IIC), więc są odpowiednie dla biogazu z H2S bez dodatkowego doboru – nabywca rzadko musi się tym martwić.

Dobór i dokumentacja – na co zwrócić uwagę

Kompletny dobór sondy do strefy Ex obejmuje kilka warstw, które trzeba przejść po kolei. Pominięcie którejkolwiek kończy się albo niezgodnością formalną, albo błędem pomiaru.

1. Ustal klasyfikację strefy (0/1/2) w miejscu montażu na podstawie DZPW i oceny ryzyka.
2. Określ gaz wiodący (metan, H2S) i wynikającą z niego grupę wybuchowości oraz klasę temperaturową – zwykle wystarczy IIB T4.
3. Dobierz sondę Ex ia o odpowiedniej kategorii (1G dla strefy 0).
4. Dobierz barierę lub separator i sprawdź dopasowanie parametrów iskrobezpiecznych z kablem oraz budżet napięcia pętli.
5. Dobierz parametry stricte pomiarowe: zakres, przeciążenie, klasę dokładności, materiał przyłącza i metalowej (lub ceramicznej) przepony pomiarowej, kabel wentylowany do kompensacji barometrycznej. Konstrukcję dobiera się do medium: do czystej wody (ujęcia, zbiorniki wody surowej) sprawdza się sonda do wody czystej HS-1, a do ścieków i osadu – odporniejsza sonda do ścieków HS-1S z membraną odporną na zarastanie. W strefie Ex obie konfiguruje się jako osobny, certyfikowany wariant w wykonaniu Ex ia (standardowa wersja nie jest „po prostu” konfigurowalna do strefy 0 – wymaga odrębnej certyfikacji). Uwzględnij gęstość medium (osad typowo 1000-1080 kg/m³) oraz – przy zbiorniku zamkniętym – nadciśnienie w przestrzeni gazowej, opisane niżej.

Co wysłać w zapytaniu ofertowym na wersję Ex

Żeby dostać trafną ofertę za pierwszym razem, dołącz do zapytania komplet danych Ex – inaczej niż przy zwykłej sondzie:

1. Klasyfikację strefy z DZPW (0/1/2) dla konkretnego punktu montażu.
2. Gaz wiodący (biogaz/metan, H2S) – przekłada się na grupę wybuchowości.
3. Zakres / głębokość zanurzenia i wymaganą dokładność.
4. Długość kabla wentylowanego oraz trasę do strefy bezpiecznej.
5. Czy zbiornik jest zamknięty (nadciśnienie w fazie gazowej – patrz niżej).
6. Parametry istniejącej bariery, jeśli to wymiana 1:1 w czynnym obiekcie.

Przy wymianie 1:1 nie zakładaj, że nowa sonda Ex „wejdzie” pod starą barierę innego producenta. Każda zmiana w obwodzie iskrobezpiecznym (sonda, kabel, bariera) wymaga ponownej weryfikacji entity parameters – dopasowanie Ui/Ii, Co, Lo trzeba przeliczyć od nowa i udokumentować, nawet jeśli wymieniasz tylko zepsutą sondę.

Po stronie dokumentacji odbierający instalację powinien dysponować: certyfikatem badania typu UE sondy i urządzenia towarzyszącego (bariery/separatora), deklaracją zgodności UE producenta, instrukcją z warunkami bezpiecznego stosowania oraz obliczeniem dopasowania entity parameters. Bez tego zestawu instalacja nie przejdzie odbioru ani kontroli. Kupujący może i powinien tych dokumentów wprost zażądać od dostawcy.

Koszt, leadtime i serwis wersji Ex

Wersja Ex ia to wyższy koszt niż sonda standardowa, a bariera lub separator to osobna pozycja w ofercie – liczona zwykle po jednej na pętlę (na sondę). Przy budżetowaniu i przetargu trzeba ująć oba elementy plus ewentualny separator do telemetrii. Wykonania Ex częściej bywają realizowane na zamówienie, z dłuższym terminem dostawy niż wersja standard – warto to uwzględnić w harmonogramie inwestycji.

Eksploatacja w strefie ma też swoją organizację pracy. Wyciąganie i czyszczenie sondy w czynnym obiekcie Ex to praca wymagająca zwykle zezwolenia, pomiaru stężenia gazów i – w komorach – procedur dla przestrzeni zamkniętych (confined space). Modyfikacje obwodu iskrobezpiecznego powinny wykonywać osoby przeszkolone w zakresie urządzeń Ex. To realny koszt i czas, który warto zaplanować, a nie odkrywać przy pierwszej awarii. Do szczelnego montażu sondy i wentylowanego kabla przydają się dedykowane akcesoria montażowe (uchwyty wyjmowane bez wchodzenia do komory, dławiki, obciążniki).

Nadciśnienie w zamkniętej komorze i pomiar różnicowy

Komora fermentacyjna biogazu to zbiornik zamknięty, w którym nad lustrem osadu utrzymuje się nadciśnienie biogazu – typowo od kilku do kilkudziesięciu mbar, zależnie od konstrukcji zbiornika gazu (przy obciążonych zbiornikach membranowych czy dzwonowych górny koniec dochodzi do kilkudziesięciu mbar). Sonda hydrostatyczna z kablem wentylowanym kompensuje wyłącznie ciśnienie atmosferyczne (pomiar względny, gauge), bo jej kapilara jest wyprowadzona do atmosfery, a nie do przestrzeni gazowej zbiornika. W efekcie sonda mierzy sumę: ciśnienie słupa osadu plus nadciśnienie headspace’u, czyli odczyt jest obciążony offsetem równym nadciśnieniu w fazie gazowej – przy kilkudziesięciu mbar to nawet kilkadziesiąt centymetrów pozornego słupa osadu.

Aby usunąć ten błąd, stosuje się pomiar różnicowy: druga sonda lub przetwornik referencyjny mierzy ciśnienie w fazie gazowej, a układ (przetwornik różnicowy albo algorytm w sterowniku/SCADA) odejmuje nadciśnienie headspace’u od wskazania sondy zanurzonej. Gdy nadciśnienie jest stabilne i znane, można zastosować stałą korektę offsetu, ale przy zmiennym ciśnieniu pracy komory wiarygodny jest tylko pomiar różnicowy. Pomijanie nadciśnienia to częsty błąd przenoszony wprost z otwartych studzienek, gdzie problem nie występuje.

Gęstość osadu a przeliczanie ciśnienia na poziom

Pomiar hydrostatyczny przelicza ciśnienie na poziom według zależności poziom = ciśnienie / (gęstość × g), więc błędna gęstość daje systematyczny błąd poziomu. W komorze fermentacyjnej medium to osad o gęstości typowo 1000-1080 kg/m³, zmiennej w czasie i zależnej od zagęszczenia, stopnia przefermentowania oraz uwarstwienia. Skonfigurowanie przeliczenia na gęstość czystej wody (1000 kg/m³) zaniża wynik o stosunek gęstości: dla osadu 1080 kg/m³ rzeczywiste zaniżenie poziomu to 1 − (1000/1080) ≈ 7,4% (orientacyjnie „około 8%”), a w praktyce eksploatacyjnej spotyka się odchylenia rzędu kilku do kilkunastu procent.

W konfiguracji przetwornika lub systemu nadrzędnego należy więc zadać realną gęstość osadu, najlepiej zweryfikowaną laboratoryjnie, i okresowo ją aktualizować. Trzeba też pamiętać o ograniczeniu metody: przy silnie uwarstwionym osadzie (gradient gęstości na głębokości) pojedyncza wartość gęstości jest tylko przybliżeniem, a pomiar hydrostatyczny zwraca poziom „ekwiwalentny”. W takich przypadkach warto rozważyć uzupełnienie innej metody lub regularną kalibrację względem odniesienia – o czym poniżej.

Kiedy hydrostatyka jest złym wyborem – alternatywy

Hydrostatyka jest tania, prosta i sprawdzona, ale ma granice. Tam, gdzie występuje silny kożuch, gruba piana, krystalizujący osad albo wyraźne uwarstwienie, pomiar zanurzeniowy staje się zawodny: membrana zarasta, a przeliczenie na poziom traci sens przy gradiencie gęstości. W takich komorach warto rozważyć radar bezkontaktowy 80 GHz (mierzy z góry, nie dotyka medium, jest odporny na zabrudzenie przepony) lub ultradźwięk – choć radar bywa droższy i wrażliwy na gęstą pianę. Praktyczne podejście to często redundancja metod: hydrostatyka jako pomiar podstawowy i niezależny czujnik kontrolny.

Redundancja, sucho-bieg i zatykanie w obiekcie Ex

Bezpieczeństwo wybuchowe to jedno, ale w przepompowni i komorze osadu o niezawodność pomiaru walczy się równolegle z zatykaniem i o ciągłość sterowania pompami. Te wątki w obiekcie Ex muszą być rozwiązane w wykonaniu Ex.

Redundancja i sucho-bieg. Sonda hydrostatyczna nie powinna być jedynym czujnikiem sterującym pompą. Zatkanie sondy daje fałszywy, stały poziom – a to oznacza albo zalanie komory, albo pracę pompy na sucho. Standardem jest sonda plus niezależny pływak awaryjny (backup min/max), a zabezpieczenie sucho-biegu i sygnalizację przelania realizuje się jako interlock – próg dolny powiązany z autodiagnostyką sygnału prądowego (NAMUR NE43, ≤3,6 mA przy usterce wewnętrznej przetwornika). W strefie Ex pływak i okablowanie sygnalizatora także muszą być w wykonaniu Ex.

Zatykanie, kożuch, włóknina, tłuszcz. W komorze osadu i przepompowni membrana zarasta szybciej niż w czystej wodzie. Sondę montuje się w perforowanej rurze osłonowej, kilka centymetrów nad dnem, poza strumieniem napływu, na uchwycie pozwalającym wyjąć ją bez wchodzenia do komory, i czyści cyklicznie. To ogranicza fałszywy offset od osadu na przeponie i skraca czas pracy ekipy w warunkach uciążliwych (i, w strefie Ex, kosztownych proceduralnie).

Wpływ pracy pompy. Turbulencja, fala i podciśnienie przy starcie pompy dają szpilki w odczycie. Warto włączyć damping/uśrednianie w sterowniku i rozważyć rurę uspokajającą – inaczej algorytm sterowania reaguje na chwilowe zaburzenia zamiast na realny poziom.

Siarkowodór: nie tylko wybuch, ale i korozja oraz toksyczność

H2S w przepompowniach i komorach to zagrożenie wielowymiarowe. Po pierwsze wybuchowe (stąd cały reżim Ex). Po drugie toksyczne – dla ludzi obsługujących obiekt, co łączy się z procedurami pracy w przestrzeni zamkniętej. Po trzecie, często pomijane, korozyjne: biogenny H2S utlenia się w fazie gazowej do kwasu siarkowego (H2SO4), który atakuje przepust kablowy, głowicę, zaciski i ekran kabla. Stal 316L na przeponie tego nie rozwiązuje – w wysokim H2S z wilgocią bywa narażona na korozję wżerową, a krytyczne są elementy w fazie gazowej, nie sama zanurzona membrana. Dlatego przy trudnych warunkach chroni się głowicę i przepust (materiał, zalewanie), a w skrajnych przypadkach sięga po tytan lub stop niklowy dla części zwilżanych.

Najczęstszy błąd: zwykła sonda lub sonda bez bariery w strefie Ex

Najgroźniejszy i niestety najczęstszy błąd ma dwie odmiany. Pierwsza to tania sonda przemysłowa w komorze z biogazem: IP68 dotyczy szczelności wobec wody i pyłu i nie ma nic wspólnego z ochroną przeciwwybuchową – sonda bez certyfikatu ATEX może zainicjować wybuch. Druga to podłączenie certyfikowanej sondy Ex ia do zwykłego zasilacza lub wejścia sterownika bez bariery – co unieważnia ochronę i jest tak samo niedopuszczalne jak brak certyfikatu. Ochrona działa wyłącznie jako kompletny, udokumentowany system: sonda Ex ia + właściwa bariera + zgodne entity parameters.

Jeśli nie masz pewności co do klasyfikacji strefy lub doboru zestawu sonda + bariera, skonsultuj projekt z producentem. Skontaktuj się z naszym działem technicznym ELKAL – pomożemy dobrać sondę hydrostatyczną w wykonaniu Ex ia (wariant do wody czystej HS-1 lub odporniejszy na ścieki i osad HS-1S) wraz z odpowiednią barierą lub separatorem i kompletem dokumentacji do odbioru instalacji. Podstawy doboru pomiarowego opisujemy w artykule jak dobrać sondę hydrostatyczną.