Ex-Bilten 2016. Vol. 44, br. 1-2

Protueksplozijska zaštita opreme i zaštitnih sustava

Međulaboratorijsko poredbeno ispitivanje PTB Ex PTS –

Samosigurnost

Interlaboratory proficiency testing PTB Ex PTS – intrinsic safety

Rikard Slunjski, mag. ing. el. Ex-Agencija, Industrijska 25, Sveta Nedelja

e-mail: r.slunjski@ex-agencija.hr

Sažetak— U 2015. godini ExLAB sudjelovao je u petom programu poredbenog ispitivanja - Samosigurnost. Ovaj program temeljio se na ocjeni certifikacijske dokumentacije, a ne na stvarnom ispitivanju ispitnih uzoraka. Zadatak je bio pronaći sve pogreške (nesukladnosti) u certifikacijskoj dokumentaciji i na kraju donijeti ocjenu odgovara li proizvod zahtjevima norme IEC 60079-11 Ed. 6.0 - Samosigurnost i norme IEC 60079-0 Ed. 6.0 – Opći zahtjevi.

Ključne riječi— poredbeno ispitivanje, Ex PTS, samosigurnost, nesukladnost, Zenerova barijera, brojivi kvarovi, nebrojivi kvarovi, razmaci (odvajanja), zaljevna masa, temperature spoja.

Abstract— In 2015 ExLAB participated in the fifth program of proficiency testing, Intrinsic Safety. This program was based upon evaluation of certification documentation, not on the real measurement of the physical samples. The task was to find all non-conformances in the certification documentation, and at the end evaluate the product as failed or passed according to the requirements of the standard IEC 60079-11 Ed. 6.0 - Intrinsic Safety and to the standard IEC 60079-0 Ed. 6.0 - General requirements.

Keywords— proficiency testing, Ex PTS, intrinsic safety, non-conformance in documentation, Zener barrier, countable faults, non-countable faults, separation distances, encapsulation compound, junction temperature.

I. UVOD

U procesu ocjene sukladnosti i certifikacije opreme laboratorijska ispitivanja su ključan i nezaobilazan čimbenik bez kojeg bi neprepoznate neispravnosti Ex-zaštite mogle imati nesagledive posljedice na ljude i okoliš.

Osnove koje mora ispunjavati svaki ispitni laboratorij uključuju posjedovanje odgovarajuće, održavane i umjerene mjerne opreme, korištenje validiranih ispitnih metoda, rad u nadziranim laboratorijskim uvjetima, odgovarajuće čuvan ispitni uzorak i osposobljene ispitivače. Sve ovdje navedeno

obično nije dovoljno za osiguranje kvalitete ispitivanja dok se ne izađe iz okvira vlastitog laboratorija.

Norma ISO/IEC 17043 navodi definiciju međulaboratorijske usporedbe: Organizacija, izvedba i ocjena mjerenja ili ispitivanja na istom ili sličnom uzorku između dva ili više laboratorija prema preddefiniranim uvjetima. Također, norma navodi i osnovne zahtjeve koje laboratorij, organizator poredbenog ispitivanja, mora ispuniti.

Međulaboratorijska poredbena ispitivanja sukladno zahtjevima norme ISO/IEC 17025 najmoćniji su alat za provjeru i dokazivanje kvalitete rezultata ispitivanja laboratorija.

Organizator ovog poredbenog ispitivanja je Physikalishe-Technische Bundesanstalt iz Braunschweiga, Njemačka (PTB). IEC radna skupina WG10 2009. godine u Melbournu objavila je izvješće u kojem se navodi važnost međulaboratorijskih ispitivanja u domeni protueksplozijske zaštite te je na temelju toga PTB organizirao projektni tim koji je razvio koncept sheme međulaboratorijskog ispitivanja unutar međunarodne certifikacijske sheme, IECEx sheme. Tijekom IECEx sastanka u Hagu u listopadu 2014. donesena je odluka da se svi ovlašteni laboratoriji unutar IECEx sheme obvezuju sudjelovati na međulaboratorijskim ispitivanjima.

Ovo je prvo poredbeno ispitivanje u organizaciji PTB-a koje ne uključuje stvarna mjerenja, nego samo ocjenu certifikacijske dokumentacije. Rezultati laboratorijskih mjerenja koja su potrebna za ocjenu sukladnosti opreme u zaštiti samosigurnost dio su certifikacijske dokumentacije i nisu predmet razmatranja ovog programa poredbenog ispitivanja.

Samosigurnost je vrsta protueksplozijske zaštite koja se temelji na ograničenju energije električnog kruga tako da ni iskra ni temperatura samih komponenata električnog kruga ne može upaliti eksplozivnu atmosferu. Ona ima osnovnu ulogu u procesnoj industriji na području mjerenja raznih fizikalnih veličina i kontrole samog procesa gdje postoji eksplozivna atmosfera.

U programu koji je počeo u ožujku 2015. sudjelovao je 61 laboratorij iz 23 zemlje, najvećim dijelom laboratoriji koji su članovi IECEx sheme certifikacije opreme, te manjim dijelom laboratoriji proizvođača opreme i laboratoriji koji imaju namjeru pristupiti IECEx shemi. Rok za objavu rezultata bio je ožujak 2016., a PTB je objavio završne rezultate međulaboratorijskog programa u rujnu 2016.

Rikard Slunjski: Međulaboratorijsko poredbeno ispitivanje PTB Ex PTS - Samosigurnost II. (a2 – a5)

Ex-Bilten 2016. Vol. 44, br. 1-2

II. PROGRAM SAMOSIGURNOST

Svrha programa bila je utvrđivanje sukladnosti certifikacijske dokumentacije Zenerove barijere oznake zaštite [Ex ia Ga] IIC sa zahtjevima norme IEC 60079-0 Ed. 6.0 i norme IEC 60079-11 Ed. 6.0. Zenerove barijere vrlo se često upotrebljavaju u svrhu odvajanja samosigurnih krugova od nesamosigurnih. One ograničavaju energiju izvora napajanja prema ugroženom prostoru: Najveći izlazni napon Zenerove barijere ograničen je naponom Zenerovih dioda, a najveća izlazna struja omjerom napona Zenerovih dioda i vrijednosti izlaznog otpornika.

Svaki laboratorij sudionik dobio je kopiju certifikacijske dokumentacije koja je sadržavala i sva potrebna laboratorijska izvješća (mjerenja) te fizički primjerak (model) Zenerove barijere (slika 1., slika 2. i slika 3.)

Slika 1. Zenerova barijera prednja strana

Slika 2. Zenerova barijera, tiskana pločica, prednja strana

Slika 3. Zenerova barijera, tiskana pločica, stražnja strana

Sam model ne predstavlja stvarnu izvedbu Zenerove barijere s obzirom na to da nema zaljevne mase. Certifikacijska dokumentacija sastoji se od glavnog dokumenta s opisom Zenerove barijere, tehničkih crteža (mehanička izvedba, shema), gerber-datoteka, uputa za uporabu te podatkovnih tablica za otpornike, osigurače i diode. Glavni dokument sadržava opis mehaničke konstrukcijske izvedbe, proračun samosigurnih parametara, proračun komponenti o kojima ovisi samosigurnost (osigurači, Zenerove diode, otpori) opis odvojnih razmaka, opis priključnih stezaljki i kontakata za uzemljenje, opis zalijevanja zaljevnom masom.

Greške unutar certifikacijske dokumentacije podijeljene su na one bitne ("nonconformance") u samoj izvedbi uređaja koje za posljedicu imaju negativan rezultat ocjene certifikacijske dokumentacije prema zahtjevima norme te na "inconsistency" (proturječnosti, greške u samoj dokumentaciji, greške u pisanju i sl.) čije postojanje se ne kosi s osnovnim zahtjevima norme.

Sama Zenerova barijera (slika 4.) standardne je izvedbe i sastoji se od: − ulaznog osigurača i diode D131 (1N4007) koji

nisu bitni za zaštitu samosigurnost, a služe sprečavanju obrnutog polariteta. Kod obrnutog spajanja ulaza dolazi do pregaranja osigurača koji je dostupan korisniku na samom kućištu barijere u svrhu zamjene istovjetnim.

− dijela bitnog za samosigurnost koji se sastoji od serije otpornika i osigurača (svrha otpornika je ograničenje maksimalne struje kroz osigurač ispod probojne moći osigurača), dvije paralelne grane Zenerovih dioda i paralele izlaznih otpornika. Svaka Zenerova dioda (1N5346B) nazivne je vrijednosti 9,1 V te serija od tri Zenerove diode tvori naponsko ograničenje od najvećih Uo = 28 V.

Rikard Slunjski: Međulaboratorijsko poredbeno ispitivanje PTB Ex PTS - Samosigurnost II. (a3 – a5)

Ex-Bilten 2016. Vol. 44, br. 1-2

Najveća izlazna struja ograničena je paralelom izlaznih otpornika R103 i R104 (390 Ω || 3240 Ω) nazivno, te iznosi Io = 85 mA. Budući da se ograničenje struje ostvaruje putem otpornika, izlazna karakteristika je linearna i najveća izlazna snaga iznosi Po = 595 mW. Standardno najveći ulazni napon koji se smije spojiti na Zenerovu barijeru da ne dođe do ugrožavanja izlaznog samosigurnog kruga iznosi Um = 250 VAC.

PTB je unutar certifikacijske dokumentacije ubacio 11 bitnih grešaka i 16 proturječnosti. U daljnjem tekstu bit će navedene sve bitne greške koje su podijeljene u četiri skupine: − greške vezane uz odvojne razmake (1, 9, 10

i 11), − greške vezane uz zaljevnu masu (2 i 8), − greške vezane uz terećenje komponenti (3 i 7) i − greške vezane uz oznaku zaštite i zahtjeve za

dokumentaciju (4, 5 i 6). 1) Greška odvojnih razmaka na tiskanoj pločici:

Prema zahtjevima IEC 60079-11 za napon od 30 V potrebni odvojni razmak je 0,7 mm kroz zaljevnu masu po površini tiskane pločice, dok je razmak na tiskanoj pločici samo 0,3 mm.

Radi se o odvojnom razmaku čiji kvar može uzrokovati kratki spoj preko izlaznog otpornika te ugroziti izlazni samosigurni krug. Prikaz greške dan je na slici 5., označen crvenim kružićem uz broj "1".

2) Temperature površine izlaznog otpornika pri najvećoj izlaznoj struji (kratki spoj izlaza barijere) prelazi najveću kontinuiranu radnu temperaturu zaljevne mase (COT).

Najveća moguća temperatura svih komponenata unutar zaljevne mase mora biti ispod COT. Svrha zaljevne mase je smanjenje potrebnih odvojnih razmaka i smanjenje termalnog otpora komponenata unutar zaljevne mase.

Slika 4. Zenerova barijera, shema

Slika 5. Zenerova barijera, nacrt tiskane pločice, prednja strana

3) Podatkovna tablica Zenerove diode (1N5346B) navodi da je najveća temperatura spoja za kontinuirano DC opterećenje 150 °C. U certifikacijskoj dokumentaciji proračuni za najveću moguću snagu Zenerove diode pri najvećoj temperaturi okoline izrađeni su korištenjem pogrešnog podatka za najveću temperaturu spoja od 200 °C.

4) Na crtežu natpisne pločice pogrešno je upisana oznaka zaštite: Ex[ia Ga], a trebalo bi pisati [Ex ia Ga].

5) U uputama za upotrebu pogrešno je napisana oznaka zaštite: [Ex ia Gb] IIC umjesto [Ex ia Ga] IIC. Također pogrešno su napisane vrijednosti parametara Um i Po.

6) U uputama za upotrebu moraju biti navedene norme ako se uz upute ne prilaže certifikat.

7) Izlazni otpornici R103 i R104 jedan su blizu drugoga te certifikacijska dokumentacija ne pokriva njihov termički međuutjecaj: Jedan otpornik svojom toplinom može zagrijati drugi otpornik u blizini iznad najveće temperature koja se dobiva proračunom za njega.

8) Najveća temperatura površine Zenerove diode prelazi COT zaljevne mase od 130 °C.

9) Odvojni razmak između točke spoja F101/R101 prema ulaznom pinu "2" ne odgovara razmaku od 6 mm za 375 V. Na slici 5. označen brojem 9.

10) Udaljenost između tijela otpornika R101 i voda na tiskanoj pločici ne odgovara naponu od 375 V. Na slici 5. označen brojem 10.

11) U tablici parametara za izlazni keramički otpornik R103 nije navedena debljina keramike, a ona mora biti veća od 0,5 mm za odvojni razmak kroz krutu izolaciju za napon od 30 V.

Osim ovdje navedenih svih bitnih grešaka, možemo spomenuti i neke proturječnosti koje su se dijelom

Rikard Slunjski: Međulaboratorijsko poredbeno ispitivanje PTB Ex PTS - Samosigurnost II. (a4 – a5)

Ex-Bilten 2016. Vol. 44, br. 1-2

temeljile na greškama u pisanju i pogrešnom engleskom jeziku: − na crtežu tiskane pločice dioda D131 pogrešno je

okrenuta. Ulazni dio za sprečavanje obrnutog polariteta nema utjecaja na izlazni samosigurni krug

− greške u pisanju tipa ATEZ umjesto ATEX, oznaka diode 1N5346 umjesto 1N5346B i sl.

− nije definirana debljina tiskane pločice ni debljina bakrenog sloja koja mora biti veća od 33 µm

− korištenje pogrešne formule za proračun najveće temperature otpornika na temelju krivulje "derating curve" iz tablice podataka

− pogrešno prepisan temperaturni otpor diode D131 iz tablice parametara.

III. ZAVRŠNO IZVJEŠĆE PTB Ex PTS

U rujnu 2016. PTB je objavio završno izvješće. U njemu svaki laboratorij ima kodno ime od četiri slova i

nijedan laboratorij ne zna kodno ime drugih laboratorija, pa tako i ne može odrediti koji rezultati pripadaju kojemu laboratoriju.

Težinski faktor bitnih grešaka iznosi 75%, naspram 25% koliko iznosi težinski faktor proturječnosti.

Od ukupno 11 bitnih grešaka, koliko je bilo potrebno pronaći, srednja vrijednost broja bitnih grešaka svih laboratorija iznosi 4,5, dok srednja vrijednosti broja proturječnosti iznosi 3,1 od ukupno 16. Rezultat procjene Zenerove barijere svih ispitnih laboratorija bio je da ona ne odgovara zahtjevima norme.

Budući da se radi o ocjeni certifikacijske dokumentacije, a ne o stvarnom laboratorijskom ispitivanju, drugi krug "međulaboratorijskog ispitivanja" ne postoji. U izvješću objavljenom nakon prvog kruga sve greške unutar certifikacijske dokumentacije su poznate.

Slika 6. Grafički prikaz rezultata pojedinih laboratorija

Nakon objave privremenih rezultata u svibnju 2016., svi laboratoriji sudionici pozvani su na raspravu i komentiranje rezultata putem e-maila. PTB je na temelju svih pristiglih poruka i komentara promijenio i dodao neke bitne greške i proturječnosti te ih objavio unutar završnog izvješća. Također, završno izvješće sadržava i "popis tema za raspravu" od 30 točaka, koje su uglavnom prikupljene na temelju rasprava putem e-maila i PTB-ovih radionica održanih u svibnju 2016. u Braunschweigu, Njemačka. Za njih PTB smatra da se ne ubrajaju ni u bitne greške ni u proturječnosti. Neki od primjera tema za raspravu su: − uz određeni napon na ulazu Zenerove barijere koji

bi kontinuirano držao Zenerove diode u proboju, toplina generirana na Zenerovim diodama mogla

bi lokalno povisiti temperaturu okoline izlaznih otpornika te tada proračun najvećeg opterećenja izlaznih otpornika ne bi vrijedio

− način provođenja zalijevanja zaljevnom masom nije definiran u dokumentaciji

− certifikacijska dokumentacija ne navodi vanjske izvore grijanja kao što je montaža više Zenerovih barijera jedna do druge i njihov međusobni toplinski međuutjecaj

− najveća dopuštena snaga otpornika za izlazno ograničenje struje je procijenjena, dok najveći dopušteni napon na otporniku nije.

Na slici 6. prikazan je grafički rezultat svih laboratorija sudionika. Laboratorij Ex-Agencije ima

Rikard Slunjski: Međulaboratorijsko poredbeno ispitivanje PTB Ex PTS - Samosigurnost II. (a5 – a5)

Ex-Bilten 2016. Vol. 44, br. 1-2

oznaku BKSN te je vidljivo da je rezultat u gornjoj četvrtini rezultata svih laboratorija. Možemo zaključiti da se laboratorij Ex-Agencije svrstava u sam vrh svjetskih laboratorija iz područja Ex-zaštite.

IV. ZAKLJUČAK

PTB-ovo izvješće ne predstavlja apsolutno gledište na certifikacijsku dokumentaciju, nego samo jedan oblik razmatranja. Budući da nema mjerenja stvarne fizikalne veličine, nego samo analiza certifikacijske dokumentacije prema IEC normama, teško je s apsolutnom sigurnošću definirati koje su greške bitne, a koje su samo proturječnosti. PTB se uglavnom vodio jednostavnom metodom: ako nešto nije u skladu sa zahtjevima norme, onda je to bitna greška. Problem takva gledišta je sama norma koji je napisana vrlo općenito i nije uvijek jednostavno primijeniti zahtjeve norme na konkretan problem. Predmet ove analize bilo je najjednostavniji primjer pridruženog uređaja koji se sastoji od samo 15 elektroničkih elemenata, uključujući redne stezaljke i kontakte za uzemljenje zalemljene na tiskanu pločicu. Danas su mnogi pridruženi uređaji mnogo kompliciraniji, napravljeni su prema principu izolacijskih pojačala. Pa i na ovako jednostavnom uređaju mnogi su laboratoriji zanemarili neke bitne greške koje mogu izravno ugroziti vrstu zaštite, dok je neke greške PTB deklarirao bitnima, ali njihovo postojanje neće izravno ugroziti samosigurnost, a dio su zahtjeva norma. 80% svih laboratorija pronašlo je bitne greške pod brojem 1, 4 i 5. Greška broj 1 (odvojni razmak na izlaznom otporniku) najvažnija je greška odvojnih razmaka i kvar na tom odvojnom razmaku izravno uzrokuje dokidanje samosigurnih parametara izlaznog kruga. Greške 4 i 5 samo su greške oznake zaštite, instalacija samosigurnog Ga uređaja u zoni 1 (pogrešna oznaka Gb) nema negativan utjecaj na samosigurnost jer sama Zenerova barijera zapravo je razine Ga. Oznaka "Ex" izvan uglate zagrade samo je na razini greške u pisanju. U samom procesu ocjene certifikacijske dokumentacije najmanje dvije osobe rade provjeru i takve greške teško da se u stvarnosti mogu dogoditi. PTB također navodi kao bitnu grešku izostanak popisa norma unutar uputa za upotrebu, s obzirom na to da se uz takve upute obično ne prilaže certifikat, dok neke bitne tehničke zahtjeve izostavlja.

Nasuprot gore nabrojenim greškama, bitnu grešku pod brojem 7 pronašlo je samo 5% laboratorija. Otpornik R103 fizički je velik žičani otpornik postavljen vrlo blizu malom metal-film otporniku R104. Najveća temperatura otpornika R103 iznad je najveće temperature otpornika R104 proračunate za svaki otpornik zasebno te je moguće grijanje otpornika R104 iznad proračunate najveće temperature, što u krajnju ruku može dovesti do njegova uništenja.

PTB je, prema mojem mišljenju, zanemario neke greške i nije ih uvrstio u bitne. Tako, na primjer, greška u poziciji zagrade oznake zaštite jest bitna greška, dok izostanak deklaracije unutar certifikacijske dokumentacije za debljinu bakrenog sloja na tiskanoj pločici i debljine same tiskane pločice nije, što je jasan zahtjev norme. Također, proračun najveće dopuštene temperature izlaznog otpornika pri najvećoj temperaturi okoline rađen je prema pogrešnoj formuli.

Velik problem koji se javlja u praksi pri instalaciji više pridruženih uređaja jedan do drugoga, npr. izolacijskih pojačala na DIN nosač unutar instalacijskog ormarića jest njihov temperaturni međuutjecaj. Svako izolacijsko pojačalo ima samo definiranu najveću dopuštenu temperaturu okoline. Stavljanje više uređaja jedan do drugog može izazvati lokalno zagrijavanje uređaja na mnogo veću temperaturu nego što bi se zagrijao uz deklariranu temperaturu okoline. Tada svi proračuni za najveće dopušteno terećenje elektroničkih elemenata više ne vrijede. U ovom se slučaju radi o Zenerovoj barijeri kod koje u normalnom radu znatno disipira toplinu samo izlazni otpornik snagom od oko 2 W kod kratkog spoja izlaza.

Iz svega navedenog možemo zaključiti da certifikacija uređaja u zaštiti samosigurnost nije jednostavan problem. Prilikom ove ocjene najjednostavnijeg pridruženog uređaja, tj. Zenerove barijere, broj pitanja za raspravu (pogotovo pitanja tehničke prirode) veći je od broja pronađenih grešaka, a prosječna vrijednost broja pronađenih grešaka svih laboratorija relativno je niska.

Sudjelovanje u PTB-ovu programu bilo je iznimno korisno, s obzirom na to da su se na vrlo jednostavnom uređaju pokazale neke bitne greške u analizi certifikacijske dokumentacije koje mnogi ispitni laboratoriji zanemaruju. Također, otvorena su mnoga pitanja za raspravu koja bi trebala dovesti do unapređenja u razumijevanju bitnih zahtjeva norme IEC 60079-11, ali također i do promjene same norme u onim točkama koje su loše ili nedovoljno kvalitetno napisane.

I. LITERATURA [1] IEC 60079-0:2011 Ed. 6.0 – Opći zahtjevi [2] IEC 60079-11:2011 Ed. 6.0 – Vrsta zaštite samosigurnost 'i' [3] PTB, Final report for the program Intrisic Safety – Test Round 2015 [4] K. Cofek, Međulaboratorijsko poredbeno ispitivanje PTB Ex PTS –

Test round 'i', Ex-Bilten 1-2/2012, Ex-Agencija