In die Praxis umgesetzt

Dipl.- Ing. (FH) Volker Pohl

Die am häufigsten verwendeten Temperaturmessgeräte in der Prozesstechnik sind Mantelthermometer. Sie beinhalten einen Kopfmessumformer, der das Fühlersignal in ein mA-Normsignal umwandelt. Innerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches kommen Kopfmessumformer in verschiedenen Ausführungen, d. h.

oder Zweidrahtmessumformer für die Hutschienenmontage zum Einsatz. Außerhalb des explosionsgefährdeten Bereiches übernehmen diese Aufgabe Temperaturmessumformer mit oder ohne Programmierung bzw. Online-Auswertung.

Generell gilt beim Nachweis der Eigensicherheit, dass Ui Generell gilt beim Nachweis der Eigensicherheit, dass Ui Uo, Ii Uo, Ii Io und Pi Io und Pi Po sein muss. Der Index i steht für input und bezieht sich auf das passive Betriebsmittel. Der Index o kommt von output und charakterisiert das aktive Gerät. Die Li- und Ci-Daten definieren zusammen mit den Lo- und Co-Werten sowie den Kabelbelägen (Ck, Lk) die maximale Installationslänge der Verbindungsleitung. Zur Berechnung der Länge l gilt:

C = Co-Ci [nF] und

l [km] = C[nF]/Ck [nF/km]

Gleiches gilt sinngemäß für die Induktivitätswerte, wobei meist die Kapazitätswerte die Leitungslänge bestimmen. Diese Werte gehen aus den jeweiligen Baumusterprüfbescheinigungen bzw. Datenblättern hervor. Die folgenden Abschnitte erläutern systematisch, wie die Nachweise erfolgen.

Die Daten Ui, Ii, Pi, Ci und Li sowie die Temperaturklasse und die Gasgruppe des passiven Fühlers sind in der Baumusterprüfbescheinigung angegeben. Fehlt eine der Angaben bei den U-, I- oder P-Werten, so ist dieser Wert i. d. R. beliebig. Existiert kein C- oder L-Wert, ist dieser als ~0 zu betrachten. Trotz der kurzen Verbindungsleitungen im Fühlerrohr, sollte die Länge pro forma berechnet werden.

Temperaturfühler sind im Sinne der Normen so genannte einfache eigensichere Betriebsmittel und nicht bescheinigungspflichtig (Zone 1,2). Der Anwender kann mittels den technischen Kennwerten (thermischer Widerstand) die maximale zulässige Umgebungstemperatur und die Einstufung in die geeignete Temperaturklasse nach EN 60079–14 Absch.12.2.5 selbst berechnen. Die Einstufung in die Gasgruppe sowie die Beurteilung des Gehäuses und der Trennabstände des eigensicheren Kreises kommen hinzu. Somit sollte die Beurteilung durch eine fachkundige Person erfolgen.

Beim Anschluss des Kopfmessumformers an ein Speisegerät ist für den Nachweis der Eigensicherheit der Messumformer passiv und das Speisegerät aktiv. Folgendes Beispiel veranschaulicht die Vorgehensweise. Zum Einsatz kommt ein Kopfmessumformer (Speisegerätanschluss) mit Ui = 30 , Ii= 160 mA und Pi = max. 1 W. Li und Ci liegen bei 0. Das Speisegerät hat die Kenndaten U = 21 V, Io = 75 mA, Po = 660 mW, Co = 178 nF und Lo = 6,7 mH . Bei der Berechnung der maximalen Leistungslänge zwischen den beiden Geräten, fällt auf, dass mit Co = 178 nF erheblich mehr Kapazität als üblich zur Verfügung steht. Um dieses zu erreichen, hat der Hersteller bei der Entwicklung ein kleines Uo angestrebt. Auch der Kopfmessumformer hat bewusst kein Ci, so dass die 178 nF voll für die Anschlussleitung zur Verfügung stehen. Bei Standardleitungen mit 120 nF/km ergeben sich:

l = 178 nF/120 nF/km = 1,483 km

Eine Berechnung auf Basis Lo erlaubt noch mehr Kabellänge, relevant ist jedoch der kleinere Wert von beiden.

Bei der Programmierung von Messumformern erfolgt in den meisten Fällen ein zusätzlicher Leistungseintrag durch den Laptop/PC. Je nach Aufbau können bei der Programmierung die Ex-Daten des Kopfmessumformers beeinflusst werden. Die Geräte in Bild 1 berücksichtigen diese zusätzliche Leistung in der Baumusterprüfbescheinigung. So ist beispielsweise eine (Um)programmierung bei laufender Anlage (Fühler im Ex-Bereich) möglich, wenn ein Feuererlaubnisschein vorliegt.

Ein Auswahlkriterium ist die galvanische Trennung zwischen dem Versorgungs- und dem Fühleranschluss. Gerade bei Ex-Geräten empfiehlt es sich, galvanisch getrennte Geräte einzusetzen, um eventuellen Erdungsproblemen vorzubeugen. Ist bei geschweißten Fühlern der Messstromkreis geerdet, darf bei einfachen, nicht galvanisch getrennten Geräten der Versorgungsstromkreis nicht geerdet sein.

Mittels dem Hart-Protokoll können Messumformer im Feld einfach programmiert bzw. ausgelesen werden. Das dazu notwendige Handheld-Terminal sollte dazu an den nicht-Ex-Kreis bzw. an den dazu vorgesehenen Anschluss des (Hart-fähigen) Speisegerätes angeschlossen werden. Muss der Anwender jedoch, beispielsweise wegen einer Fehlersuche, das Handheld-Terminal (in Zündschutzart Ex-i) in den eigensicheren Kreis einschalten, geht dies nicht ohne vorherige Berechnung. Das Handheld-Terminal ist im Sinne der Eigensicherheit ein aktives Betriebsmittel, das eine Baumusterprüfbescheinigung besitzt und zusätzlich im worst case eine zweite Leistung in den Ex-i-Kreis einspeist. Man spricht dann von der Verschaltung zweier aktiver Betriebsmittel, deren Nachweis der Eigensicherheit aus EN 60 079–14 Absch. 12.2.5.2. incl. Anhang B hervorgeht. Für diesen Fall gilt im Anhang B das Bild „Parallelschaltung-Stromaddition“ jedoch nur, wenn Speisegerät und Handheld eine lineare Ausgangskennlinie haben. Ist eine der beiden Kennlinien nicht linear, muss der Nachweis anhand des PTB-Berichtes TH Ex 10 geführt werden. Um sich diesen Aufwand zu sparen, ist der Anwender gut beraten ,ein Speisegerät wie in Bild 2 einzusetzen, bei dem der Hersteller den Anschluss eines Handheld-Terminals in der Bescheinigung schon berücksichtigt hat.

Der Anschluss eines Messumformers an einen eigensicheren Bus gestaltet sich einfach, wenn alle Komponenten des Bussystems dem Fisco-Modell entsprechen. Entsprechen die verwendeten Geräte (eine Speisequelle, maximal 32 Busgeräte, zwei Abschlusswiderstände) und Leitungen sowie die Verschaltung den Fisco-Spezifikationen, wird das System als angemessen sicher betrachtet. Die sicherheitstechnische Dokumentation vereinfacht sich auf eine Auflistung der verwendeten Betriebsmittel zusammen mit den Zertifikaten.

Die Anforderungen an Messumformer lassen sich aus den Speisequellen ableiten. Die Maximalwerte dieser so genannten Segmentkoppler betragen: Io = 380 mA, Po = 5,32 W und Uo = 17,5 V. Diese Werte liegen weit über denen der 2-Draht-Technik. An die Entwicklungsabteilungen stellen sich große Herausforderungen, wenn in gleichen Gehäuseformen sowohl konventionelle, als auch busfähige Kopfmessumformer implementiert werden sollen.

Als Ci sind maximal 5 nF, als Li maximal 10 µH zulässig und die Geräte müssen für die Gruppe IIC und die Temperaturklasse T4 klassifiziert sein.

Kopfmessumformer sind, durch die nahe Montage am Prozess, oft hohen Temperaturen ausgesetzt, die die Lebensdauer der Geräte verkürzen. Diesen Nachteil kann der Anwender ausschließen, wenn er einen Messumformer für die Schienenmontage im explosionsgefährdeten Bereich einsetzt. Diese Produkte sind nicht viel größer als eine Klemme, die i. d. R. ohnehin im Unterverteiler installiert wird. Zwar gibt es für Kopfmessumformer auch Hutschienenadapter, jedoch benötigen diese mehr Platz (Bild 3).

Mittels Ausgleichsleitungen kann die Temperaturmessung auch im Schaltschrank erfolgen. Beim Nachweis der Eigensicherheit gilt wieder, dass die U-, I- und P-Werte verglichen werden müssen. Die Leitungslänge berechnet sich ebenfalls auf Basis der C- bzw. L-Parameter. Die programmierbaren Geräte in Bild 1 stellen sicher, dass eine zusätzliche Programmierleistung keinen Einfluss auf die Eigensicherheit hat. Die Geräte sind übrigens ohne Anschluss an eine separate Versorgung programmierbar.

Jeder Anwender ist gut beraten, wenn er vor dem Kauf die Werte vergleicht, um zu überprüfen, ob die evaluierten Geräte zusammengeschaltet werden dürfen. Dieser Vergleich ist im heutigen Zeitalter problemlos, da man bei vielen Herstellern sowohl die Datenblätter als auch die Baumusterprüfbescheinigungen downloaden kann. Zudem stehen fachkompetente Ansprechpartner zur Verfügung.

Halle 12, Stand B46

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