Barriere Zener e isolatori, la scelta migliore

16 dic 2021 / di GM International

Categorie: Safety news

Per limitare l’energia presente in campo, anche in caso di guasto, esistono due tipologie di dispositivi differenti, barriere Zener e isolatori.

Partiamo anzitutto con la definizione di “ATEX”, acronimo di “ATmosphere EXplosive”. Un’atmosfera esplosiva è una miscela di sostanze infiammabili allo stato di gas, vapori, nebbie o combustibili in stato pulverulento con aria o comburente, in determinate condizioni atmosferiche nelle quali, con l’innesco, la combustione si propaga alla miscela infiammabile. Affinché si formi un’atmosfera potenzialmente esplosiva, la sostanza infiammabile o combustibile deve essere presente in una determinata concentrazione; se la concentrazione è troppo bassa o troppo alta si determina una scarsa tendenza alla formazione di una esplosione, ma si può produrre una reazione di combustione, o addirittura nessuna reazione. Posto che una miscela pericolosa può essere presente in condizioni ordinarie di funzionamento dell’impianto o occasionalmente, è possibile prevenire il pericolo di un’esplosione utilizzando tre principali tecniche di protezione: contenimento (a prova di esplosione), segregazione (incapsulamento) e prevenzione (sicurezza intrinseca).

La sicurezza intrinseca è, dunque, una tecnica di protezione destinata al funzionamento sicuro delle apparecchiature elettriche in aree pericolose dovute alla presenza di sostanze infiammabili o combustibili, limitando l’energia disponibile per l’accensione. In caso di segnali e circuiti che possono operare con basse correnti e tensioni, l’utilizzo della sicurezza intrinseca semplifica le architetture di impianto e riduce i costi di installazione rispetto ad altri metodi di protezione. Le norme europee armonizzate alla Direttiva Europea ATEX 2014/34/UE sono di fondamento per la definizione dei requisiti progettuali e costruttivi delle apparecchiature e dei sistemi a sicurezza intrinseca.

 

I dispositivi per il loop di misura

Nelle applicazioni a sicurezza intrinseca è bene privilegiare un approccio di sistema considerando differenti dispositivi, apparecchiature e interfacce. In particolare, le barriere Zener sono dispositivi passivi che deviano l’energia di guasto verso terra tramite diodi Zener. Gli isolatori son invece dispositivi attivi che usano trasformatori o opto-accoppiatori per bloccare l’energia di guasto e per fornire un isolamento tra i circuiti in area pericolosa e quelli in area sicura. Posto che le applicazioni a sicurezza intrinseca sono molto complesse e coinvolgono molti fattori, questi e altri dispositivi utilizzati devono essere conformi agli standard previsti e al caso d’uso più sfavorevole. Inoltre, l’utilizzo di un isolatore o di una barriera non è condizione sufficiente per raggiungere uno stato di sicurezza. Il sistema o il loop di misura dev’essere verificato o certificato nella sua interezza, includendo perciò gli elementi di campo (termocoppie, termoresistenze, switch, resistenze, semiconduttori) i relativi parametri di sicurezza, i dispositivi a sicurezza intrinseca (trasmettitori, valvole, sensori di prossimità, segnalatori led, modem ecc.), i cablaggi, le temperature e l’eventuale utilizzo con altri sistemi certificati (Ex, SIL, TUV) o protezioni contro le sovratensioni. È preferibile che i dispositivi siano certificati per stabilire i loro “Entity parameters” prima della loro installazione in un circuito a sicurezza intrinseca. Il modello “Entity” sfrutta il concetto di sicurezza intrinseca, definendo valori minimi di tensione, corrente e livelli di potenza con il rispetto dei quali i dispositivi possono essere certificati.

 

Le barriere Zener

Le barriere Zener sono dispositive semplici e a basso costo (ma per nulla semplici da scegliere) che hanno avuto una grande diffusione soprattutto nel passato. Attualmente sono impiegate perlopiù in progetti di revamping o applicazioni OEM. Sono basate sul concetto della deviazione dell’energia e costituite da una rete, molto semplice, di componenti.

Questo tipo di protezione può essere montato in zona sicura e dunque richiede che il sensore in campo sia isolato. Le barriere consistono in un semplice circuito elettrico formato da diodi Zener in serie a resistenze e fusibili. Questa protezione devia una sovracorrente o un eccesso di tensione sul collegamento a massa (o a terra), prima che possano entrare in area classificata e causare un innesco dell’atmosfera esplosiva. Le barriere Zener richiedono diversi controlli di routine, costi di installazione relativamente elevati e una precisione inferiore rispetto agli isolatori.

In condizioni normali di lavoro, la barriera passa i segnali elettrici, in entrambe le direzioni, senza attenuarli. Quando una tensione di guasto si presenta ai terminali della barriera rivolti verso l'area sicura, la conseguente corrente viene deviata verso terra attraverso il fusibile ed i diodi Zener. Durante il transiente di guasto, la tensione a circuito aperto, presente ai terminali verso l’area pericolosa, viene limitata alla tensione di Zener, mentre la corrente di corto circuito, in area pericolosa, è limitata dal resistore di limitazione. L’efficienza della barriera dipende dalla connessione verso terra, che deve garantire il ritorno della corrente di guasto in area sicura prevenendo ogni sostanziale aumento della tensione e della corrente nei terminali dell’area pericolosa. Ciò viene garantito dall’uso di un conduttore di terra dedicato per questo impiego e separato da ogni altra connessione di terra. La resistenza del collegamento tra la terra della barriera Zener e quella più lontana del punto di riferimento deve essere mantenuta inferiore ad 1Ohm.

 

Gli isolatori

Questo tipo di unità, al contrario delle barriere, mantengono un alto grado d’isolamento che impedisce la trasmissione di sovracorrenti o sovratensioni dall’area sicura a quella pericolosa. Il sistema di funzionamento si basa sull’utilizzo di trasformatori e accoppiatori ottici garantendo la segregazione e le caratteristiche d’isolamento. Quando si usa un isolatore galvanico, la connessione a massa non è più necessaria, assicurando che la trasmissione dati operi in maniera bilanciata, cioè che il segnale non sia alterato da correnti parassite o di deriva dovute dalla messa a terra.

Maggiormente precisi e robusti gli isolatori o barriere isolate che si basano sul principio di isolare l’energia potenzialmente pericolosa. La differenza consiste nel fornire un isolamento tra i circuiti in area pericolosa e quelli in area sicura, usando componenti quali trasformatori e optoisolatori, che devono essere conformi alle normative della sicurezza intrinseca alfine di garantire la sicurezza contro il pericolo di esplosione. Se ben progettate, le barriere a isolamento, non permettono alla tensione di guasto di raggiungere il circuito di limitazione di energia che deve essere in grado di sopportare soltanto la tensione presente sul secondario del trasformatore. L’isolamento galvanico permette ai circuiti di limitazione di essere flottanti rispetto a terra; pertanto, sia il collegamento di terra che i fusibili, per questo circuito non sono più necessari. I parametri di sicurezza sono determinati in modo similare a quello applicato per le barriere Zener. Utilizzabili con duplicatori, architetture ridondanti 1oo2, applicazioni critiche (in aree pericolose o con vibrazioni), gli isolatori sono facilmente programmabili, possono anche fornire segnali standard e disporre di I/O a bordo.

 

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