Instrumentista de Sistemas-Áreas Classificadas, Notas de estudo de Eletrônica
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INSTRUMENTISTA DE SISTEMAS ÁREAS CLASSIFICADAS

2

INSTRUMENTISTA DE SISTEMAS

ÁREAS CLASSIFICADAS

3

© PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A. Todos os direitos reservados e protegidos pela Lei 9.610, de 19.2.1998.

É proibida a reprodução total ou parcial, por quaisquer meios, bem como a produção de apostilas, sem

autorização prévia, por escrito, da Petróleo Brasileiro S.A. – PETROBRAS.

Direitos exclusivos da PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.

TEIXEIRA, Paulo Roberto Frade

Universidade Tecnológica Federal do Paraná - UTFPR, 2006.

56 p.:il.

PETROBRAS – Petróleo Brasileiro S.A.

Av. Almirante Barroso, 81 – 17º andar – Centro CEP: 20030-003 – Rio de Janeiro – RJ – Brasil

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ÍNDICE 1 Classificação de áreas.............................................................................................................. 6 1.1 Definições ................................................................................................................................. 6 1.1.1 Atmosfera explosiva.................................................................................................................. 6 1.1.2 Área classificada....................................................................................................................... 6 1.1.3 Explosão ................................................................................................................................... 6 1.1.4 Ignição ...................................................................................................................................... 6 1.2 Classificação segundo as normas européias (IEC).................................................................. 7 1.2.1 Classificação em zonas ............................................................................................................ 7 1.2.2 Classificação em grupos........................................................................................................... 8 1.3 Temperatura de ignição espontânea........................................................................................ 9 1.3.1 Temperatura de superfície........................................................................................................ 9 2 Método de proteção................................................................................................................ 11 2.1 Possibilidade de explosão ......................................................................................................11 2.1.1 Métodos de prevenção ...........................................................................................................11 2.2 À prova de explosão (Ex d).....................................................................................................12 2.2.1 Características ........................................................................................................................ 13 2.2.2 Aplicações............................................................................................................................... 14 2.3 Pressurizados (Ex p)............................................................................................................... 14 2.4 Encapsulado (Ex m)................................................................................................................ 16 2.5 Imerso em óleo (Ex o)............................................................................................................. 16 2.6 Enchimento de areia (Ex q) .................................................................................................... 17 2.7 Segurança intrínseca (Ex i) ....................................................................................................17 2.8 Segurança aumentada (Ex e)................................................................................................. 17 2.9 Não ascendível (Ex n)............................................................................................................. 18 2.10 Proteção especial (Ex s)......................................................................................................... 19 2.11 Combinação das proteções.................................................................................................... 19 2.12 Aplicação dos métodos de proteção ...................................................................................... 19 3 Segurança intrínseca (ex i)..................................................................................................... 20 3.1 Origem .................................................................................................................................... 20 3.1.1 Energia de ignição .................................................................................................................. 21 3.1.2 Princípios ................................................................................................................................ 22 3.1.3 Energia elétrica ....................................................................................................................... 22 3.2 Limitadores de energia ........................................................................................................... 23 3.2.1 Limite de corrente ................................................................................................................... 24 3.2.2 Limite de tensão...................................................................................................................... 24 3.2.3 Cálculo da potência ................................................................................................................ 25 3.2.4 Armazenadores de energia..................................................................................................... 25 3.2.5 Elementos armazenadores controlados ................................................................................. 26 3.2.6 À prova de falhas .................................................................................................................... 26 3.2.7 À prova de defeitos ................................................................................................................. 27 3.2.8 Categorias proteção ............................................................................................................... 28 3.2.8.1 Categoria “ia” .......................................................................................................................... 28 3.2.8.2 Categoria “ï b” ......................................................................................................................... 28 3.2.9 Aterramento ............................................................................................................................ 28 3.2.10 Equipotencialidade dos terras................................................................................................. 29 3.2.10.1 Cálculo da sobretensão .......................................................................................................... 30 3.2.11 Isolação galvânica .................................................................................................................. 31 4 Marcação ................................................................................................................................ 33 4.1 A Certificação da segurança intrínseca.................................................................................. 34 4.1.1 Equipamento simples.............................................................................................................. 34

5

4.1.2 Equipamentos intrinsecamente seguros................................................................................. 34 4.1.3 Equipamentos intrinsecamente seguros associados ............................................................. 34 4.2 Parametrização....................................................................................................................... 35 4.2.1 Intrinsecamente seguro .......................................................................................................... 35 4.2.2 Intrinsecamente seguro associado ......................................................................................... 35 4.3 Conceito de entidade .............................................................................................................. 36 4.3.1 Aplicação da entidade ............................................................................................................ 37 4.3.2 Análise das marcações........................................................................................................... 38 4.4 Temperatura de ignição espontânea...................................................................................... 38 5 Aplicações típicas ................................................................................................................... 39 5.1 Barreiras Zener ....................................................................................................................... 39 5.1.1 Contato seco........................................................................................................................... 39 5.1.2 Sensor de proximidade ........................................................................................................... 40 5.1.3 Solenóides e sinalizadores .....................................................................................................40 5.1.4 Transmissores de corrente ..................................................................................................... 41 5.1.5 Conversor eletropneumático................................................................................................... 41 5.1.6 Termopares............................................................................................................................. 42 5.1.7 Termoresistências................................................................................................................... 42 5.2 Isoladores galvânicos ............................................................................................................. 43 5.2.1 Repetidores digitais ................................................................................................................ 44 5.2.2 Monitor de velocidade............................................................................................................. 44 5.2.3 Drives digitais.......................................................................................................................... 45 5.2.4 Repetidores analógicos .......................................................................................................... 46 5.2.4.1 Smart transmitters................................................................................................................... 47 5.2.5 Drives analógicos.................................................................................................................... 47 5.2.6 Termoresistências................................................................................................................... 48 5.2.7 Termopares............................................................................................................................. 49 5.2.8 Outras aplicações ................................................................................................................... 50

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CAPÍTULO I

1 Classificação de áreas

A identificação das áreas de risco das instalações industriais é normalmente executada por

engenheiros de processos ou químicos, altamente especializados na área.

1.1 Definições

A seguir estão alguns termos utilizados na identificação e classificação das áreas de risco,

potencialmente explosivas:

1.1.1 Atmosfera explosiva

Em processos industriais, especialmente em petroquímicas e químicas, onde se manipulam

substâncias inflamáveis, podem ocorrer em determinadas áreas a mistura de gases, vapores ou

poeiras inflamáveis com o ar quente, em proporções adequadas, formam a atmosfera potencialmente

explosiva.

1.1.2 Área classificada

Pode-se entender como um local aberto ou fechado, onde existe a possibilidade de formação

de uma atmosfera explosiva, podendo ser dividido em zonas de diferentes riscos, sem que haja

nenhuma barreira física.

1.1.3 Explosão

Do ponto de vista da química, a oxidação, a combustão e a explosão são reações

exotérmicas de diferentes velocidades de reação, sendo iniciadas por uma detonação ou ignição.

1.1.4 Ignição

É a chama ocasionada por uma onda de choque, que tem sua origem em uma faísca ou arco

elétrico ou por efeito térmico.

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1.2 Classificação segundo as normas européias (IEC)

A idéia de classificação das áreas de risco visa agrupar as diversas áreas que possuem grau

de risco semelhante, tornando possível utilizar equipamentos elétricos projetados especialmente para

cada área.

A classificação baseia-se no grau de periculosidade da substância combustível manipulada e

na freqüência de formação da atmosfera potencialmente explosiva. Visando a padronização dos

procedimentos de classificação das áreas de risco, cada País adota as recomendações de Normas

Técnicas. No Brasil a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas) utiliza a coletânea de

Normas Técnicas da IEC (International Electrotechnical Commission), que trata da classificação das

áreas no volume IEC-79-10.

1.2.1 Classificação em zonas

A classificação em zonas baseia-se na freqüência e duração com que ocorre a atmosfera

explosiva, conforme demonstrado na Tabela 1.1 e ilustrado na Figura 1.1.

Tabela 1.1 – Classificação IEC em Zonas

Classificação em Zonas

Descrição

ZONA 0 Área onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustíveis, ocorre permanentemente ou por longos períodos.

ZONA 1 Área onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustíveis, provavelmente ocorra em operação normal dos equipamentos.

ZONA 2 Área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por

gases combustíveis, em condições normais de operação, e se ocorrer é por curto período de tempo.

ZONA 10 Área onde a atmosfera explosiva, formada por poeiras combustíveis, ocorre permanentemente ou por longos períodos.

ZONA 11 Área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por poeiras combustíveis, em condições normais de operação, e se ocorrer é por

curto período de tempo.

ZONA G Área onde a atmosfera explosiva, formada por substâncias analgésicas ou anti-

sépticas em centros cirúrgicos, ocorre permanentemente ou por longos períodos.

ZONA M Área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por substâncias analgésicas ou anti-sépticas em centros cirúrgicos, em condições

normais de operação, e se ocorrer é por curto período de tempo.

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Figura 1.1 – Exemplo de classificação por zonas

1.2.2 Classificação em grupos

Na classificação em grupos os diversos materiais são agrupados pelo grau de periculosidade

que proporcionam, conforme ilustra a Tabela 1.2 a seguir:

Tabela 1.2 – Classificação IEC em grupos

Grupos Descrição

Grupo I Ocorre em minas onde prevalecem os gases da família do metano (grisou) e poeira de carvão.

Grupo II Ocorre em indústrias de superfície (químicas, petroquímicas, farmacêuticas, etc), subdividindo-se em IIA, IIB e IIC.

Grupo IIA Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da família do propano.

Grupo IIB Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da família do etileno.

Grupo IIC Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalecem os gases da família do hidrogênio (incluindo-se o acetileno).

Os gases representativos são utilizados para ensaios de equipamentos em laboratório, pois

são mais perigosos que as outras substâncias que representam. O Anexo I lista as substâncias mais

comuns encontradas na indústria, de acordo com o grupo que pertencem.

NOTA 1: O grupo de a maior periculosidade é o Grupo IIC, conseqüentemente se um

equipamento é projetado para este grupo, também pode ser instalado no Grupo IIB e assim

sucessivamente.

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NOTA 2: Esta classificação segundo a normalização da IEC, não cobre as poeiras e fibras

combustíveis, a norma apropriada está em elaboração.

1.3 Temperatura de ignição espontânea

A temperatura de ignição espontânea de um gás é a temperatura em que a mistura se auto

detona, sem que seja necessário adicionar energia.

Este parâmetro é muito importante, pois limita a máxima temperatura de superfície que pode

ser desenvolvida por equipamentos que deve ser instalado em uma atmosfera potencialmente

explosiva.

O Anexo I, traz uma lista dos principais gases com suas respectivas temperaturas de ignição

espontânea, classificados segundo as normas IEC.

1.3.1 Temperatura de superfície

Todo equipamento para instalação em áreas classificadas, independente do tipo de proteção,

deve ser projetado e certificado para uma determinada categoria da temperatura de superfície,

analisando-se sob condições normais ou não de operação, e deve ser menor que a temperatura de

ignição espontânea do gás. A Tabela 1.3 ilustra as categorias de temperatura de superfície: segundo

as normas Européia e Americana.

Tabela 1.3 – Categorias de temperatura de superfície

Temperatura de Superfície

Categoria IEC / Européia

Categoria NEC / América

85ºC T6 T6

100ºC 120ºC

T5 T5

T4A

135ºC 160ºC 165ºC 180ºC

T4

T4 T3C T3B T3A

200ºC 215ºC 230ºC 260ºC 280ºC

T3

T3 T2D T2C T2B T2A

300ºC T2 T2

450ºC T1 T1

É importante notar que não existe correlação entre a energia de ignição do gás (grau de

periculosidade) e a temperatura de ignição espontânea, exemplo disto é o Hidrogênio que necessita

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de 20 µ Joules ou 560ºC, enquanto o Acetaldeído requer mais de 180µ Joules, mas detona-se

espontaneamente com 140ºC.

É evidente que um equipamento classificado para uma determinada Categoria de

Temperatura de Superfície, pode ser usado na presença de qualquer gás (de qualquer Grupo ou

Classe) desde que tenha a temperatura de ignição espontânea maior que a categoria do instrumento.

11

CAPÍTULO II

2 Método de proteção

2.1 Possibilidade de explosão

O risco da ignição de uma atmosfera existe se ocorrer simultaneamente:

• A presença de um material inflamável, em condições de operação normal ou

anormal;

• O material inflamável encontra-se em um estado tal e em quantidade suficiente para

formar uma atmosfera explosiva;

• Existe uma fonte de ignição com energia elétrica ou térmica suficiente para causar a

ignição da atmosfera explosiva.

• Existe a possibilidade da atmosfera alcançar a fonte de ignição (Figura 2.1)

Figura 2.1 – Triângulo de ignição

2.1.1 Métodos de prevenção

Existem vários métodos de prevenção, que permitem a instalação de equipamentos elétricos

geradores de faíscas elétricas e temperaturas de superfícies capazes de trabalhar em áreas de

atmosfera potencialmente explosiva.

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Esses métodos de proteção baseiam-se em um dos princípios:

• Confinamento: este método evita a detonação da atmosfera, confinando a explosão

em um compartimento capaz de resistir a pressão desenvolvida para as áreas

vizinhas. (exemplo: equipamentos à prova de explosão);

• Segregação: é a técnica que visa separar fisicamente a atmosfera potencialmente

explosiva da fonte de ignição (ex: equipamentos pressurizados, imersos e

encapsulados);

• Prevenção: neste método controla-se a fonte de ignição de forma a não possuir

energia elétrica e térmica suficiente para detonar a atmosfera explosiva (exemplo:

equipamentos intrinsecamente seguros).

2.2 À prova de explosão (Ex d)

Este método de proteção baseia-se totalmente no conceito de confinamento. A fonte de

ignição pode permanecer em contato com a atmosfera explosiva, conseqüentemente pode ocorrer

uma explosão interna ao equipamento.

Um invólucro à prova de explosão deve suportar a pressão interna desenvolvida durante a

explosão, impedindo a propagação das chamas, gases quentes ou temperaturas de superfície.

Desta forma o invólucro à prova de explosão deve ser construído com um material muito

resistente, normalmente alumínio ou ferro fundido, e deve possuir um interstício estreito e longo para

que os gases quentes desenvolvidos durante uma possível explosão, possam ser resfriados,

garantindo a integridade da atmosfera ao redor, conforme ilustra a Figura 2.2.

Figura 2.2 – Invólucro á prova de explosão

Os cabos elétricos que entram e saem do invólucro devem ser conduzidos por eletrodutos

metálicos, pois também são considerados como uma fonte de ignição. Para evitar a propagação de

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uma explosão interna, através das entradas e saídas de cabo do invólucro, devem ser instalados

Unidades Seladoras, que consistem de um tubo rosqueado para união do eletroduto com o invólucro,

sendo preenchida com uma massa especial que impede a propagação das chamas através dos

cabos.

2.2.1 Características

Os invólucros à prova de explosão não são permitidos, em zonas de alto risco (Zona 0), pois

a integridade do grau de proteção depende de uma correta instalação e manutenção. Abaixo

indicamos alguns desses problemas:

• A segurança do invólucro à prova de explosão depende da integridade mecânica,

tornando necessária uma inspeção de controle periódica;

• Não é possível ajustar ou substituir componentes com o equipamento energizado,

dificultando os processos de manutenção;

• Normalmente também se encontram dificuldades de se remover a tampa frontal, pois

necessita de ferramenta especial para retirar e colocar os vários parafusos, sem

contar o risco na integridade da junta (interstício);

• A unidade atmosférica e a condensação podem causar corrosões nos invólucros e

seus eletrodutos, obrigando em casos especiais a construção do invólucro e metais

nobres como o aço inoxidável, bronze, etc; tornando ainda mais caro, os invólucros,

devido ao seu peso.

Figura 2.3 – Invólucro a prova de explosão

14

2.2.2 Aplicações

Este tipo de proteção é indispensável nas instalações elétricas em atmosferas explosivas,

principalmente nos equipamentos de potência, tais como: painéis de controle de motores, luminárias,

chaves de comando, etc, conforme ilustrado nas Figuras 2.4, 2.5, 2.6 e 2.7.

2.3 Pressurizados (Ex p)

A técnica de pressurização é baseada nos conceitos de segregação, onde o equipamento é

construído de forma a não permitir que a atmosfera potencialmente explosiva penetre no equipamento

que contém elementos faiscantes ou de superfícies quentes, que poderiam detonar a atmosfera.

Figura 2.4 – Invólucro á prova de explosão com eletroduto e unidade seladora

Figura 2.6 – Micro switch à prova de explosção

Figura 2.7 – Sirene elétrica à prova de explosâo

Figura 2.5 – Luminária á prova de explosâo

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A atmosfera explosiva é impedida de penetrar no invólucro devido ao gás de proteção (ar ou

gás inerte) que é mantido com uma pressão levemente maior que a da atmosfera externa.

A sobrepressão interna pode ser mantida ou sem um fluxo contínuo, e não requer nenhuma

característica adicional de resistência do invólucro, mas recomenda-se a utilização de dispositivos de

alarme que detectam alguma anormalidade da pressão interna do invólucro e desenergizam os

equipamentos imediatamente depois de detectada a falha.

Esta técnica pode ser aplicada a painéis elétricos de modo geral e principalmente como uma

solução para salas de controle, que podem ser montadas próximas às áreas de risco, conforme

mostrado na Figura 2.8.

Figura 2.8- Painel eletrônico em ambiente pressurizado

O processo de diluição contínua deve ser empregado, quando a sala pressurizada possuir

equipamentos que produzam a mistura explosiva, tais como: salas cirúrgicas, analisadores de gases,

etc.

Desta forma o gás inerte deve ser mantido em quantidade tal que a concentração da mistura

nunca alcance 25% do limite inferior de explosividade do gás gerado.

O sistema de alarme neste caso deve ser baseado na quantidade relativa do gás de proteção

na atmosfera, atuando também na desenergização da alimentação.

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2.4 Encapsulado (Ex m)

Este tipo de proteção, também é baseado no princípio da segregação, prevendo que os

componentes elétricos dos equipamentos sejam envolvidos por uma resina, de tal forma que a

atmosfera explosiva externa não seja inflamada durante a operação.

Normalmente esse tipo de proteção é complementar em outros métodos, e visa evitar o curto

circuito acidental.

Esse método pode ser aplicado a um relé, botoeiras com cúpula do contato encapsulado,

sensores de proximidade e obrigatoriamente nas barreiras zener.

A Figura 2.9 ilustra um circuito eletrônico encapsulado:

Figura 2.9 – Circuito eletrônico encapsulado

2.5 Imerso em óleo (Ex o)

Também neste tipo de proteção, o princípio baseia-se na segregação, evitando que a

atmosfera potencialmente explosiva atinja as partes do equipamento elétrico que possam provocar a

detonação.

A segregação é obtida emergindo as partes “vivas” (que podem provocar faíscas ou as

superfícies quentes) em um invólucro com óleo.

Normalmente é utilizado em grandes transformadores, disjuntores e similares com peças

móveis, aconselhados para equipamentos que não requerem manutenção freqüente. A Figura 2.10

mostra um transformador imerso em óleo isolante.

Figura 2.10 – Transformador imerso em óleo

17

2.6 Enchimento de areia (Ex q)

Similar ao anterior sendo que a segregação é obtida com o preenchimento do invólucro com

pó, normalmente o pó de quartzo ou areia, evitando desta forma inflamar a atmosfera ao redor, quer

pela transmissão da chama, quer pela temperatura excessiva das paredes do invólucro ou da

superfície. Encontrado como forma de proteção para leito de cabos no piso, conforme a Figura 2.11.

Figura 2.11 – Leito de cabos imerso em areia

2.7 Segurança intrínseca (Ex i)

A Segurança Intrínseca é o método representativo do conceito de prevenção da ignição,

através da limitação da energia elétrica.

O princípio de funcionamento baseia-se em manipular e estocar baixa energia elétrica, que

deve ser incapaz de provocar a detonação da atmosfera explosiva, quer por efeito térmico ou por

faíscas elétricas.

Em geral pode ser aplicado a vários equipamentos e sistemas de instrumentação, pois a

energia elétrica só pode ser controlada a baixos níveis em instrumentos, tais como: transmissores

eletrônicos de corrente, conversores eletropneumático, chaves fim-de-curso, sinaleiros luminosos, etc.

Este método será amplamente abordado no próximo capítulo.

2.8 Segurança aumentada (Ex e)

Este método de proteção é baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição,

aplicável a equipamentos que em condições normais de operação, não produza arcos, faíscas ou

superfícies quentes que podem causar a ignição da atmosfera explosiva para a qual ele foi projetado.

São tomadas ainda medidas adicionais visando a proteção sob condições de sobrecargas previsíveis.

Esta técnica pode ser aplicada a motores de indução, luminárias, solenóides, botões de

comando, terminais e blocos de conexão e principalmente em conjunto com outros tipos de proteção.

18

As normas técnicas prevêem grande flexibilidade para os equipamentos de Segurança

Aumentada, pois permitem sua instalação em Zonas 1 e 2, onde todos os cabos podem ser

conectados aos equipamentos através de prensa-cabos, não necessitando mais dos eletrodutos

metálicos e suas unidades seladoras, conforme ilustrado nas Figuras 2.12 e 2.13:

2.9 Não ascendível (Ex n)

Também baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição, os equipamentos não

ascendíveis são similares aos de Segurança Aumentada.

Este método os equipamentos não possui energia suficiente para provocar a detonação da

atmosfera explosiva, como os de Segurança Intrínseca, mas não prevêem nenhuma condição de

falha ou defeito.

Sua utilização está restrita à Zona 2, onde existe pouca probabilidade de formação da

atmosfera potencialmente explosiva, o que pode parecer um fator limitante, mas se observar que as

maiores parte dos equipamentos elétricos estão localizados nesta zona, pode-se tornar muito

interessante.

Um exemplo importante dos equipamentos não ascendível são os multiplex, instalados na

Zona 2, que manipulam sinais das Zonas 1 e os transmite para a sala de controle, com uma

combinação perfeita para a Segurança Intrínseca, tornando a solução mais simples e econômica,

conforme a Figura 2.14.

Figura 2.14 – Multiplex não incedível

Figura 2. 12 – Motor de segurança aumentada

Figura 2. 13 – Solenóide de segurança aumentada

19

2.10 Proteção especial (Ex s)

Este método de proteção, de origem Alemã, não está coberto por nenhuma norma técnica e

foi desenvolvido para permitir a certificação de equipamentos que não sigam nenhum método de

proteção, e possam ser considerados seguros para a instalação em áreas classificadas, por meios de

testes e análises do projeto, visando não limitar a inventividade humana.

2.11 Combinação das proteções

O uso de mais de um tipo de proteção aplicado a um mesmo equipamento é uma prática

comum. Como exemplos existem os motores à prova de explosão, com caixa de terminais Segurança

Aumentada; os botões de comando com cúpula dos contatos separados por invólucro Encapsulado;

os circuitos Intrinsecamente Seguros onde a barreira limitadora de energia é montada em um painel

pressurizado ou em um invólucro à prova de explosão.

2.12 Aplicação dos métodos de proteção

A aplicação dos métodos de proteção está prevista nas normas técnicas, e regulamenta as

áreas de risco onde os diversos métodos de proteção podem ser utilizados, pois o fator de risco de

cada área foi levado em conta na elaboração das respectivas normas, conforme a Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Aplicação dos métodos de proteção

Método de Proteção Código Zonas Princípios

À Prova de Explosão Ex d 1 e 2 Confinamento

Pressurizado Ex p 1 e 2

Encapsulado Ex m 1 e 2

Imersão em Óleo Ex o 1 e 2

Imerso em Areia Ex q 1 e 2

Segregação

0, 1 e 2 Intrinsecamente Seguro

Ex ia

Ex ib 1 e 2

Segurança Aumentada Ex e 1 e 2

Não Ascendível Ex n 2

Supressão

Especial Ex s 1 e 2 Especial

Nota: Os equipamentos projetados para a zona 0 podem ser instalados nas zonas 1 e 2, bem

como os da zona 1 podem também ser instalado na zona 2.

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CAPÍTULO III

3 Segurança intrínseca (ex i)

3.1 Origem

A origem da segurança intrínseca data do inicio do século na Inglaterra, quando uma

explosão em uma mina de carvão mineral provocou a perda de muitas vidas. Uma comissão foi

formada para investigar as causas do acidente, começou-se então a analisar a possibilidade da

ignição ter sido provocada por uma faísca elétrica, no circuito de baixa tensão que era utilizado na

época.

Os mineiros acionavam uma campainha avisando os trabalhadores da superfície, que os

vagões estavam carregados com o minério conforme a Figura 3.1.

A campainha era acionada por uma ferramenta metálica, que fechava o circuito através de um

par de fios distribuídos pelas galerias. Como a fonte de energia era composta por uma bateria de seis

células Leclanché, com baixa tensão e corrente, o circuito era considerado seguro.

Figura 3.1 - Sistema de sinalização em minas

Uma pesquisa posterior provou que o fator mais importante, a fim de considerar um circuito

seguro é a energia que ele armazena. No caso da mina, a energia estava armazenada no indutor da

campainha e nos longos fios de interligação. A circulação da corrente no ponto de chaveamento, se

não for devidamente limitada, pode gerar níveis de energia capazes de provocar um arco elétrico,

com potência suficiente para detonar uma mistura explosiva. O conceito de Segurança Intrínseca

havia nascido.

Desde então os equipamentos elétricos e seus circuitos tinham de ser projetados de forma a

não produzir arcos capazes de detonar as substâncias potencialmente explosivas.

21

Estava criado o primeiro órgão de teste e certificação de sistemas de sinalização para minas.

Os estudos subseqüentes e a aplicação de componentes eletrônicos permitiram a utilização dos

conceitos para as indústrias de superfícies.

3.1.1 Energia de ignição

Toda mistura explosiva possui uma energia mínima de ignição (MIE -Minimum Ignition

Energy) que abaixo deste valor é impossível se provocar a detonação da atmosfera potencialmente

explosiva.

A Figura 3.2 compara a curva do Hidrogênio com o Propano, ilustrando a energia da fonte de

ignição, que efetivamente provoca a detonação; em função da concentração da mistura, ou seja: da

quantidade de combustível em relação à quantidade de ar.

Figura 3.2 – Relação da energia de ignição em função da concentração

O ponto que requer menor energia para provocar a detonação é chamado de M I E (Minimum

Ignition Energie), sendo também o ponto onde a explosão desenvolve maior pressão, ou seja a

explosão é maior.

Fora do ponto de menor energia MIE, a mistura necessita de maiores quantidades de energia

para provocar a ignição, ou seja: a energia de ignição é função da concentração da mistura.

As concentrações abaixo do limite mínimo de explosividade LEL (Lower Explosive Limit) não

ocorrem mais à explosão, pois a mistura está muito pobre, ou seja, muito oxigênio para pouco

combustível.

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Analogamente quando a concentração aumenta muito, acima do limite máximo de

explosividade UEL (Upper Explosive Limit), também não ocorre mais a explosão devido ao excesso

de combustível, mistura muito rica.

Os circuitos de Segurança Intrínseca sempre manipulam e armazenam energias, abaixo do

limite mínimo de explosividade dos gases representativos de cada família, considerando assim as

concentrações mais perigosas.

Desta forma mesmo em condições anormais de funcionamento dos equipamentos o circuito

de Segurança Intrínseco não provoca a ignição, pois não possui energia suficiente para isto, tornando

a instalação segura permitindo montagens até mesmo na Zona O.

3.1.2 Princípios

O princípio básico da segurança intrínseca é manipular e armazenar baixa energia, de forma

que o circuito instalado na área classificada nunca possua energia suficiente (manipulada e

armazenada) capaz de provocar a ignição da atmosfera potencialmente explosiva, conforme a Figura

3.3.

Figura 3.3 – Manipulação e armazenagem de energia controlada

3.1.3 Energia elétrica

Dentro deste princípio, a energia total que o circuito intrinsecamente seguro pode conter deve

ser menor que a mínima energia I (mA) de ignição MIE.

23

Transportando a energia em potência elétrica, obtemos uma curva que ilustra as máximas

tensões versus as máximas correntes de um circuito, conforme a Figura 3.4.

Existem três curvas, uma para cada grupo, pois quanto maior a periculosidade da mistura

menor será a energia necessária para a ignição e menor a potência que pode ser seguramente

manipulada, desta forma nota que um equipamento projetado para o grupo IIC pode ser utilizado no

IIB.

Analisando a curva podemos notar que a segurança intrínseca pode ser aplicada com

sucesso a equipamentos que consomem pouca energia, tornando-se uma opção para a

instrumentação.

Figura 3.4 – Curva de máximas tensões e máximas correntes em um circuito

3.2 Limitadores de energia

Para uma instalação ser executada com a proteção da Segurança Intrínseca temos que

interfacear o elemento de campo com o instrumento de controle / sinalização, através de um limitador

de energia.

Para tornar claro esta idéia, imagine a montagem da próxima figura, onde tem um contato

mecânico proveniente de uma chave liga-desliga que deve acionar um relé auxiliar, montado no painel

de controle fora da área classificada.

24

É fácil prever que com a abertura ou fechamento do contato irá ocorrer uma centelha elétrica

com energia suficiente para inflamar a atmosfera, conforme a Figura 3.5.

Figura 3.5 – Circuito sem limite de energia

3.2.1 Limite de corrente

No circuito da Figura 3.6 a seguir acrescentamos um resistor que tem como função limitar a

corrente elétrica, o que ainda não é suficiente para eliminar a centelha apesar de reduzir sua energia.

Figura 3.6 – Circuito com limite de corrente elétrica

3.2.2 Limite de tensão

Visando limitar a potência, chegamos ao circuito da Figura 3.7, que possui um resistor

limitando a corrente, e um diodo zener para limitar a tensão no contato de campo. Desta forma

conseguimos eliminar a possibilidade de ignição pela manipulação da energia elétrica em áreas

classificadas, logicamente escolhendo os valores do resistor e do diodo zener que mantenham a

corrente e a tensão no contato de campo, abaixo dos limites estabelecidos na curva da Figura 3.4,

com os devidos fatores de segurança, que serão discutidos posteriormente.

Figura 3.7 – Circuito com limite de corrente e tensão

25

3.2.3 Cálculo da potência

Analisando-se o circuito podemos observar que com a chave aberta a máxima tensão que

chega ao circuito de campo é a tensão de corte do diodo zener que passaremos a chamar de Uo.

A corrente máxima ocorre quando a chave está fechada, sendo seu valor limitado pela

resistência R, onde também adotaremos a convenção de Io que pode ser calculado pela divisão de

Uo por R

Quando a tensão é máxima Uo a corrente é nula, pois a chave está aberta, e quando a

corrente é máxima Io a tensão é nula, pois a chave está fechada, portanto a máxima transferência de

potência ocorre no ponto médio da curva como ilustra a Figura 3.8.

Figura 3.8 – Curva de transferência de potência

3.2.4 Armazenadores de energia

Com o circuito anterior evitamos a detonação pelo controle da energia manipulada, mas não

consideramos que em vez de um simples contato poderia ter um circuito eletrônico, como de um

transmissor de corrente, invalidando o estudo que não previa o armazenamento da energia.

Este armazenamento de energia ocorre principalmente nos circuitos eletrônicos e no cabo de

interligação que em longos comprimentos passa a ter capacitância e indutância distribuída

consideráveis, conforme a Figura 3.9.

Figura 3.9 – Circuito armazenadores de energia

1

Uo

Uo/2

Po Maior

transferência de potência

1.1 Io/2 Io

P = U x I

Po = Uo x Io

2 2

Po = Uo x Io 4

26

A energia armazenada nos capacitores (E = V2 (1 C)/2) é liberada quando o contato fecha,

sobrepondo-se na alimentação do campo, gerando uma faísca que pode causar a ignição. Já o efeito

indutivo aparece quando se abre o contato, pois a energia gerada é proporcional a variação da

corrente

(E = I2 (1 L)/2).

3.2.5 Elementos armazenadores controlados

Como mostram as equações anteriores é muito complicado o cálculo das energias

armazenadas envolvidas, pois dependem dos efeitos transitórios, principalmente se consideramos os

efeitos em conjunto das capacitâncias e indutâncias.

Com uma forma prática as normas técnicas apresentam a idéia de limitarmos os elementos

armazenadores de energia do circuito de campo e do cabo.

Para tanto existem curvas de capacitância em função da tensão e indutância em função da

corrente do circuito (medidas em condições de defeitos), de forma que se respeitados estes valores o

circuito pode conter capacitores e indutores, mas a energia total envolvida permanece abaixo do MIE,

conforme a Figura 3.10.

Figura 3.10 – Circuito armazenadores de energia controlados

3.2.6 À prova de falhas

Como os circuitos de segurança intrínseca são projetados especialmente para operar em

áreas de risco, as normas técnicas determinam o estudo de falhas, que podem ser causados por

erros humanos.

Figura 3.11 - Circuito sujeito a falhas

27

No exemplo acima o limitador de energia que possui entrada prevista para 24Vcc, é

acidentalmente conectado ao 220Vca, provocando a ignição da atmosfera potencialmente explosiva.

Visando eliminar esta possibilidade incluímos no circuito um fusível, conforme ilustra a

próxima figura, que tem como função proteger o diodo zener.

O fusível se rompe abrindo o circuito, antes que a sobrecorrente danifique o diodo zener,

eliminando desta forma a possibilidade da tensão em corrente alternada atingir o contato de campo,

conforme a Figura 3.12.

Figura 3.12 - Circuito com proteção de falha

Logicamente pretende-se eliminar a maioria das falhas humanas, mas não significa que o

profissional que irá manusear os equipamentos seja um leigo completo; capaz de conectar o elemento

de campo diretamente a rede de corrente alternada.

3.2.7 À prova de defeitos

As normas técnicas também determinam o estudo de defeitos nos componentes do circuito,

no intuito de se assegurar à integridade e a confiabilidade dos equipamentos perante os defeitos.

A figura abaixo ilustra uma situação hipotética onde ocorre um defeito na isolação do

transformador, que passa a fornecer uma tensão mais elevada para o limitador de energia (defeito),

conforme a Figura 3.13.

Figura 3.13 - Circuito com proteção de defeitos

O diodo zener é um limitador de tensão por um problema de fabricação (defeito 1) como por

exemplo na dopagem do material semicondutor, se rompe rapidamente antes do tempo previsto para

abertura do fusível (defeito 2).

Analisando o circuito verificamos que existe ainda um outro diodo, que garante a segurança

do elemento instalado na área classificada.

28

3.2.8 Categorias proteção

Os equipamentos intrinsecamente seguros são classificados em duas categorias:

3.2.8.1 Categoria “ia”

Esta categoria é mais rigorosa e prevê que o equipamento possa sofrer até dois defeitos

consecutivos e simultâneos mantendo com um fator de segurança de 1.5, aplicado sobre as tensões

e correntes, visando a incapacidade de provocar a ignição. Motivo pelo qual se assegura a utilização

destes equipamentos até nas zonas de risco prolongado (Zona 0).

3.2.8.2 Categoria “ï b”

A categoria ib é menos rigorosa, possibilitando a instalação dos equipamentos apenas nas

Zonas 1 e 2 devemos assim assegurar a incapacidade de provocar a detonação da atmosfera quando

houver um defeito no circuito, mantendo também o fator de segurança como 1,5.

A aplicação dos fatores de segurança é objeto de estudo aprofundado para os projetistas dos

circuitos intrinsecamente seguros, não sendo um fator importante para os usuários dos instrumentos,

que devem preocupar-se apenas em utilizar os equipamentos nas zonas adequadas.

3.2.9 Aterramento

Visando ainda eliminar a possibilidade de ignição, o circuito deve estar apto a desviar as

sobretensões perigosas capazes de provocar uma centelha elétrica na área classificada, conforme

ilustra a Figura 3.14:

Figura 3.14 .Circuito com falta a terra

29

Um sistema de aterramento com alta integridade deve ser utilizado para a conexão do circuito

limitador de energia, como único recurso capaz de desviar a corrente gerada por uma sobretensão em

relação ao potencial de terra, conforme a Figura 3.15.

Figura 3.15 – Circuito com aterramento íntegro

As normas técnicas recomendam que o sistema de aterramento íntegro possuir impedância

menor que 1Ω, para garantir a eficácia do circuito.

O limitador de energia da figura anterior é também conhecido como barreira zener, que pode

variar ligeiramente dependendo de fabricante para fabricante e também devido ao tipo de sinal, mas

fundamentalmente tem a mesma função.

3.2.10 Equipotencialidade dos terras

Além do problema de mantermos o aterramento integro (<1Ω), as normas técnicas

recomendam que o loop intrinsecamente seguro possua apenas um ponto de conexão ao terra, além

de determinar que a isolação do elemento de campo seja superior a 500V, a Figura 3.16 ilustra um

exemplo de sistema de proteção.

Figura 3.16 – Exemplo do sistema de terra protegendo a instalação SI

Fora isto a normalização regulamenta a equipotencialidade dos terras, ou seja, a necessidade

de se igualar à impedância do sistema de aterramento, que não deve ser superior a 10, medido de

dois pontos quaisquer da instalação.

30

Este requisito é solicitado, pois a falta de equipotencialidade é muito perigosa, para

exemplificar esta afirmação vamos supor o circuito da Figura 3.17, onde temos um conversor

eletropneumático ligado à saída de um controlador, através de uma barreira zener.

Figura 3.17 – Circuito com desequilíbrio de aterramento

Vamos calcular qual é a sobretensão causada no elemento de campo devido à diferença de

impedância entre o terra da barreira e o terra do campo.

Para tanto vamos supor que ocorra um defeito na conexão do equipamento de campo que

acidentalmente seja conectado ao terra dos equipamentos eletrônicos, tais como: controladores,

fontes de alimentação, conversores, etc, que geram ruídos elevados, vamos supor 10A.

3.2.10.1 Cálculo da sobretensão

A Figura 3.18 mostra o circuito eletrônico realmente afetado pelo ruído elétrico gerado pelos

instrumentos eletrônicos. Como a resistência interna do conversor eletropneumático é muito maior

que as resistências do terra e do cabo, vamos desprezar a corrente desviada através de sua bobina

.

Figura 3.18 – Circuito equivalente

31

Calculando a Resistência Equivalente:

Req = (10Ω+0,1Ω)x5Ω )/ = 3,34Ω (10Ω+0,1Ω)+5Ω )

Calculando a Tensão no Terra do Campo

U1 = 3,34Ωx10A = 33,4V

Calculando a Tensão U no Conversor

U = 33,4V + 24V = 57,4V

Desta forma podemos verificar que a tensão do instrumento subiu de 24V para 57,4V o que

põem em risco a instalação que era considerada segura

3.2.11 Isolação galvânica

Conforme ilustra a Figura 3.19, a barreira zener só é eficaz se o sistema de aterramento for

integro, mas sabemos que na prática é muito difícil de se construir e manter um aterramento com

impedância menor que 1Ω

Figura 3.19 – Falha de aterramento na barreira Zener

Visando eliminar este problema desenvolveu-se a técnica da isolação galvânica que

possibilita dispensar-se a conexão do limitador de energia ao sistema de aterramento seguro. A

Figura 3.20 ilustra um circuito básico de isolador galvânico, onde temos a rede de corrente alternada

conectada a um transformador redutor de tensão e a seguir uma fonte de corrente contínua.

Figura 3.20 – Acionador de solenóide com isolação galvânica

32

A tensão em corrente contínua é aplicada ao isolador galvânico, que oscila o sinal em

corrente contínua para enviá-lo a um transformador isolador, que separa os sinais de entrada e saída

da unidade. Em seguida o sinal é reconstituído através de um retificador com filtro, e enviado ao

elemento de campo através do circuito limitador.

Neste circuito não existe mais a possibilidade do potencial perigoso da rede CA atingir o

elemento de campo, pois além dos defeitos previstos pelas normas de segurança intrínseca (defeitos

3 e 4) teríamos que ter ainda outros defeitos, para que a tensão atingisse o circuito limitador.

O transformador isolador é normalizado de forma a garantir alta isolação, e confiabilidade

total de sua incapacidade de transferir sinais elevados, por efeitos de saturação, tornando-o um

componente infalível.

33

CAPÍTULO IV

4 Marcação

A marcação é a identificação do equipamento, que visa informar o tipo de proteção e as condições que deve ser utilizado, apresentado de uma forma simples para fácil memorização e identificação dos instrumentos.

34

4.1 A Certificação da segurança intrínseca

A certificação da segurança intrínseca depende do tipo de equipamento, pois eles se

subdividem em:

4.1.1 Equipamento simples

Neste grupo estão enquadrados os equipamentos e componentes simples que manipulam e

armazenam energia abaixo de 20 µJoules, ou seja, não pode exceder nenhuma das grandezas: 1,2V,

O, 1 A ou 25mW.

Como estes equipamentos não possuem energia suficiente para provocar a ignição da

atmosfera, não é necessária a sua certificação, como exemplo pode citar os sensores passivos

(termopares, termoresistências, contatos secos, potenciômetros, etc).

4.1.2 Equipamentos intrinsecamente seguros

São os equipamentos que possuem todos os circuitos intrinsecamente seguros, ou seja, os

equipamentos de campo: transmissores de corrente, posicionadores, válvulas solenóides, sensores de

proximidade, etc.

Estes equipamentos devem ser certificados para verificar os requisitos das normas, visando

confirmar a quantidade máxima de energia que seguramente se podem manipular, além de quantificar

o armazenamento de energia nos circuitos internos, o que permite sua instalação dentro da atmosfera

explosiva.

4.1.3 Equipamentos intrinsecamente seguros associados

São os circuitos de interfaceamento dos equipamentos SI (intrinsecamente seguros) com os

equipamentos comuns NSI (não intrinsecamente seguros), ou seja, os equipamentos que contem o

circuito limitador de energia, como por exemplo, às barreiras zener, os isoladores galvânicos com

entradas e saída intrinsecamente seguras.

No processo de certificação destes equipamentos são verificadas a conformidade do projeto

com as normas, visando determinar a máxima energia enviada para o equipamento de campo,

baseado nas máximas energias que podem ser manipuladas em cada grupo, deve ser instalado fora

da área classificada.

35

4.2 Parametrização

A parametrização é um sistema de certificação próprio para a Segurança Intrínseca, que

informa parâmetros para o equipamento intrinsecamente seguro, elemento de campo, e para os

equipamentos intrinsecamente seguros associados, limitador de energia, de forma a tornar fácil à

verificação de compatibilidade entre eles, visando eliminar a certificação conjunta dos equipamentos

permitindo ao usuário livre escolha entre os modelos e fabricantes.

4.2.1 Intrinsecamente seguro

Ui - tensão máxima de entrada

Máxima tensão que pode ser aplicada aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o

tipo de proteção.

Ii - corrente máxima de entrada

Máxima corrente que pode ser aplicada aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o

tipo de proteção.

Pi – potência de entrada

Máxima potência de entrada que pode ser seguramente dissipada internamente no

equipamento intrinsecamente seguro.

Ci - capacitância interna

Capacitância interna máxima vista através dos terminais intrinsecamente seguros de entrada.

Li – indutância interna máxima

Indutância interna máxima vista através dos terminais intrinsecamente seguros de entrada.

4.2.2 Intrinsecamente seguro associado

Uo – tensão max. de circuito aberto

Máxima tensão (Pico ou CC) que aparece nos terminais intrinsecamente seguros de saída,

em circuito aberto.

Io – corrente máxima de curto-circuito

Máxima corrente (pico ou CC) que pode ser obtida nos terminais intrinsecamente seguros de

saída, quando em curto-circuito.

36

Po – potência máxima de saída

Máxima potência que pode ser obtida nos terminais intrinsecamente seguros de um

equipamento elétrico.

Co – capacitância externa máxima

Máxima capacitância que pode ser conectado aos terminais intrinsecamente seguros, sem

afetar o tipo de proteção.

Lo – indutância externa máxima

Máxima indutância que pode ser conectada aos terminais intrinsecamente seguros, sem

afetar o tipo de proteção.

Um - Tensão máxima

Máxima tensão RMS ou CC que pode ser aplicada aos terminais não intrinsecamente seguros

de um equipamento associado, sem afetar o tipo de proteção.

4.3 Conceito de entidade

O conceito de entidade é quem permite a conexão de equipamentos intrinsecamente seguros

com seus respectivos equipamentos associados.

“A tensão (ou corrente) que o equipamento intrinsecamente seguro pode receber e manter-se

ainda intrinsecamente seguro deve ser maior ou igual à tensão (ou corrente) máxima fornecido pelo

equipamento associado”.

“Adicionalmente, a máxima capacitância (e indutância) do equipamento intrinsecamente

seguro, incluindo-se os parâmetros dos cabos de conexão, deve ser maior ou igual à máxima

capacitância (e indutância) que pode ser conectada com segurança ao equipamento associado”.

Se estes critérios forem empregados, então a conexão pode ser implantada com total

segurança, independentemente do modelo e do fabricante dos equipamentos.

Uo Ui

Io ≤ Ii

Po ≤ Pi

Lo ≥ Li + Lcabo

Co ≥ Ci + Ccabo

37

4.3.1 Aplicação da entidade

Para exemplificar o conceito da entidade, vamos supor o exemplo da Figura 4.1, onde temos

um transmissor de pressão Exi conectado a um repetidor analógico com entrada Exi. Os dados

paramétricos dos equipamentos foram retirados dos respectivos certificados de conformidade do

Inmetro / Cepel, e para o cabo o fabricante informou a capacitância e indutância por unidade de

comprimento.

Figura 4.1 – Exemplo de interconexão

Transmissor de Pressão BR Exia IIC T6

Ui=38V Ii=103mA Pi=0.98W Li=0mH e Ci=30nF

Repetidor Analógico [ BR Exib ] IIC

Uo=28,7V I o=98mA Po=703mW Lo=3mH e Co=65nF

Cálculo de Interconexão

Energia Manipulada

Ui=38 V ≥ Uo=28,7V

Ii=103mA ≥ Io=98mA

Pi=980mW ≥ Po= 703mW

Energia Armazenada

Li + Lcabo=0+1mH ≤ Lo=3mH

Ci + Ccabo=30nF+10nF ≤ Co=65nF Como todas inequações foram satisfeitas, concluímos que é perfeitamente segura a interconexão dos instrumentos.

Cabo de Interconexão Comprimento 500m Indutância 2mH/km

Lcabo = 2mH/km x 0.5km = 1mH Capacitância 20nF/km

Ccabo = 20nF/km x 0,5km = 10nF

Transmissor Exd

Cabo de interligação

Repetidor analógico Exd

38

4.3.2 Análise das marcações

Um limitador de energia pode ser certificado para as duas categorias e para os três grupos de

gases, sendo que quanto menor o grau de risco, maior será os elementos armazenadores de energia

que poderão ser conectados, conforme ilustra a Tabela 4.1 a seguir:

Tabela 4.1 – Parâmetros e Entidades

Categoria ia ib

Grupo IIC IIB IIA IIC IIB IIA

Lo 2,5mH 5mH 10mH 38mH 155mH 460mH

Co 514nF 1,9µF 5,5µF 1,1µF 6µF 30µF

Equipamentos de marcações diferentes podem ser seguramente interconectados, desde que

a favor da segurança, ou seja:

- Um instrumento de campo “ia” pode ser conectado com um limitador de energia “ib”, desde

que a associação seja instalada em zona 1 ou 2.

Podem-se utilizar os dados de armazenamento de energia de um instrumento para o grupo IIB

e efetuar os cálculos com um limitador de energia IIC, desde que utilizado apenas nos grupos IIB e

IIA.

Também podem ser utilizados os dados de um limitador de energia ib IIA, para o cálculo com

um instrumento de campo ia IIC, desde que utilizados apenas nas zonas 1 e 2 e no grupo IIA.

4.4 Temperatura de ignição espontânea

Lembramos que todo equipamento para atmosferas explosivas possui uma classificação

segundo a temperatura de superfície que pode ser desenvolvida, conforme apresentado no item 1.5.1.

A classificação por temperatura é independente da classificação por grupos e zonas, como

por exemplo, o etileno do grupo IIB que possui temperatura de ignição espontânea de 425ºC, que é

menor que a do Hidrogênio do grupo IIC (mais perigoso) que é da ordem de 560ºC.

No Anexo I apresentamos uma lista dos gases mais comuns encontrados na indústria,

classificados por grupo e com suas respectivas temperaturas de ignição espontânea.

39

CAPÍTULO V

5 Aplicações típicas

Neste capítulo iremos ilustrar aplicações típicas dos equipamentos Intrinsecamente Seguros

tipo Barreira Zener e Isoladores Galvânicos, classificando as aplicações de acordo com a função do

elemento do campo.

5.1 Barreiras Zener

As barreiras zener podem diferenciar-se quanto à disposição dos componentes, adaptando-se

ao tipo de sinal manipulado (contínuo positivo, ou negativo ou ainda alternado), mas sua função

básica é idêntica ao descrito anteriormente.

5.1.1 Contato seco

A Figura 5.1 ilustra um circuito com um contato seco que atua um relé auxiliar, protegido pela

barreira que possui diodo zener de 28V, acima da tensão da fonte.

Figura 5.1 – Barreira Zener com contato seco

É importante notar que o circuito acrescenta uma resistência “end to end” de 300Ω (que

considera a resistência do fusível e do resistor).

Para efeitos operacionais foi introduzida no circuito, uma resistência de “loop” de 600Ω, sem

considerar a resistência da cablagem, o que pode influir no funcionamento, pois o relé se não for

devidamente escolhido, pode não operar devido à baixa corrente.

40

5.1.2 Sensor de proximidade

Na aplicação com sensores de proximidade tipo Namur, próprio para instalação em áreas

classificadas, a barreira zener deve ser instalada entre o sensor e o amplificador para os

sensoresNamur (DIN-19234), conforme ilustra a Figura 5.2.

Figura 5.2 – Barreira Zener com sensor Namur

Recomenda-se um teste prático para confirmar o funcionamento operacional do amplificador

Namur com a introdução da barreira zener.

5.1.3 Solenóides e sinalizadores

As aplicações de barreiras zener para acionamentos não são muito encontradas na prática,

pois estes elementos necessitam de potências mais altas, da ordem de 1 W o que se torna inviável

para os limitadores de corrente resistivos. De qualquer maneira, as Figuras 5.3 e 5.4 ilustram

aplicações deste tipo de configuração.

Figura 5.3 – Barreira Zener com solenóide

41

Figura 5.4 – Barreira Zener com sinalizador luminoso

5.1.4 Transmissores de corrente

No caso de transmissores de corrente deve-se escolher a barreira zener de forma que a

resistência "end to end" não seja suficiente para causar uma queda de tensão capaz de impedir o

funcionamento do transmissor devido à tensão de alimentação estar abaixo do mínimo.

Deve-se analisar ainda a soma das resistências do cabo de conexão com a resistência "end to

end" da barreira, que não deve ser superior a máxima resistência de loop do transmissor. A Figura 5.5

mostra um transmissor de corrente.

Figura 5.5 – Barreira Zener com transmissor de corrente

Nota: Deve-se ainda assegurar que a barreira zener permite a passagem de sinais digitais nas

aplicações com transmissores inteligentes.

5.1.5 Conversor eletropneumático

Nas aplicações com conversores deve-se assegurar que a barreira zener não ofereça uma

resistência (R "end to end" + R do cabo), superior ao permitido pelo instrumento de campo.

42

A Figura 5.6 mostra a barreira zener com conversor eletropneumático.

Figura 5.6 – Barreira Zener com conversor eletropneumático

5.1.6 Termopares

Devem-se utilizar barreiras para sinais alternados, pois alguns termopares geram sinais

positivos e negativos. Deve-se ainda certificar-se que o indicador ou controlador conectado ao

termopar não será afetado pela introdução da resistência “end to end” da barreira zener. A Figura 5.7

mostra uma barreira zener para o uso com termopares.

Figura 5.7 – Barreira Zener com termopares

5.1.7 Termoresistências

Nas aplicações com termoresistências devem-se utilizar barreiras zener com configuração

própria para termoresistências, ou seja, a barreira deve ter uma seção para fornecer alimentação ao

termosensor e outra seção que permita a leitura da resistência com fios de interligação

independentes.

Visando aumentar a precisão do sistema, pois é importante que o circuito de medição da

resistência seja livre de correntes de alimentação para diminuir a queda de tensão na cablagem.

43

A Figura 5.8 mostra uma barreira zener para o uso com termoresistências.

Figura 5.8 – Barreira Zener com termoresistências

5.2 Isoladores galvânicos

Os isoladores galvânicos são mais complexos em termos de eletrônica, com custo mais

elevado comparativamente com as barreiras zener, mas em contra partida oferecem mais vantagens

práticas, tais como:

• Não necessitam de aterramento integro (< 1Ω ) ;

• Mantém as entradas isoladas eletricamente das saídas;

• Apresenta maior rejeição de ruídos de modo comum;

• Possibilitam a conversão de sinais em padrões de engenharia.

Funções adicionais de controle e supervisão, como as citadas abaixo, podem ainda ser

encontradas em alguns fabricantes especializados no setor:

• Possibilidade de programação do estado normal da saída;

• Conversão de sinais tipo: PT -100, TP, mV e V para sinal em corrente 4-20mA;

• Indicação de sinais através de display digital;

• Sinalização de alimentação, saída ou entrada e de defeitos;

• Monitoração de defeitos no circuito de campo com indicação por relé e led;

• Programação do estado da saída sob defeitos burn out;

44

5.2.1 Repetidores digitais

As barreiras com esta função (entrada digital Exi) repetem sinais on/off do elemento de campo

que pode ser um contato seco de botoeiras, chaves fim-de-curso, chaves de nível, contatos auxiliares,

termostatos, pressostatos, botões de comando ou sensores de proximidade com configuração elétrica

Namur (DIN 19234). A Figura 5.9 mostra um repetidor digital galvânico.

Figura 5.9 – Repetidor digital galvânico isolado para contato seco ou sensor de proximidade

5.2.2 Monitor de velocidade

Unidades específicas podem ser utilizadas para monitorar velocidade em máquinas giratórias,

tais como: agitadores, motores, redutores, ventiladores, centrifugadores, etc; utilizando-se sensores

de proximidade Namur em conjunto com rodas dentadas, conforme a Figura 5.10.

Figura 5.10 – Eixo com roda dentada e sensor de proximidade

45

O instrumento pode fornecer um alarme de rotação ou ainda um sinal analógico proporcional

a rotação do equipamento monitorado. A Figura 5.11 mostra um conversor de freqüência.

Figura 5.11 – Conversor de freqüência / corrente com entrada intrinsecamente segura

5.2.3 Drives digitais

Os drives digitais (saídas Exi) são na realidade fontes de alimentação Exi, ou seja, fornecem

tensão em corrente contínua para acionar elementos instalados em áreas classificadas. A Figura 5.12

mostra um drive galvanicamente isolado para solenóide.

Figura 5.12 – Drive galvanicamente isolado para solenóide, sinaleiro luminoso e sonoro

46

São idéias para o acionamento de sinaleiros luminosos, sonoros e até pequenas válvulas

solenóides, conforme as Figuras 5.13 e 5.14 a seguir:

Figura 5.13 – Sinaleiro luminoso Exi Figura 5.14 – Sinaleiro sonoro Exi

5.2.4 Repetidores analógicos

Estas unidades (entrada analógica Exi) são próprias para operar com transmissores de

corrente intrinsecamente seguros. O instrumento fornece alimentação segura ao transmissor 2 fios e

reconhece o sinal de corrente 4-20mA, que é precisamente repetido na saída da unidade que é

totalmente isolada da entrada do transmissor. A Figura 5.15 mostra um drive galvanicamente isolado

para transmissores 4-20mA.

Figura 5.15 – Repetidor analógico galvânicamente isolado para transmissores de 4-20mA

47

5.2.4.1 Smart transmitters

Alguns modelos de repetidores analógicos permitem a programação do transmissor

inteligente através do programador portátil que pode ser ligado nos fios que interligam a unidade com

o respectivo controlador, conforme a Figura 5.16.

Figura 5.16 – Programação remota do transmissor inteligente

5.2.5 Drives analógicos

Os drives analógicos (saída analógica Exi) têm como função acionar posicionadores e

conversores eletropneumático, retransmitindo precisamente o sinal de corrente 4-20mA recebido do

controlador. A Figura 5.17 mostra um drive analógico galvanicamente isolado para conversores 4-20.

Figura 5.17 – Drive analógico galvânicamente isolado para conversores de 4-20mA

48

A confirmação do posicionamento da válvula (Figura 5.18) pode ser obtida, instalando-se um

potenciômetro junto à válvula de forma que o cursor seja movimentado em conjunto com o êmbolo.

A resistência do potenciômetro, desta forma será proporcional a abertura da válvula, sendo

que a medição da resistência poderá ser implementada por uma unidade intrinsecamente segura para

potenciômetros, que converte a variação de resistência em um sinal de corrente em 4-20mA.

Figura 5.18 – Válvula borboleta com potenciômetro de posição

5.2.6 Termoresistências

A medição de temperatura através de termoresistências pode ser implementada através do

Repetidor de PT -100, que é um conversor de resistência em corrente elétrica 4-20mA. Alguns

modelos possuem precisos ajustes de zero e span, que resultam em grande precisão e flexibilidade

de determinação das faixas de medição.

49

A Figura 5.19 mostra um repetidor analógico galvanicamente isolado para termoresistências.

Figura 5.19 – Repetidor analógico galvânicamente isolado para termoresistências PT-100

5.2.7 Termopares

Os repetidores de termopares são conversores de mV, que podem operar com vários tipos de

termopares, sempre com compensação de junta fria e poderosos ajustes de zero e span. Com a

isolação galvânica é possível utilizar termopares aterrados. A Figura 5.20 mostra um repetidor

analógico galvanicamente isolado para termoresistências.

Figura 5.20 – Repetidor analógico galvânicamente isolado para termopares J,K,R,S,T

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5.2.8 Outras aplicações

As aplicações mais específicas também podem ser realizadas com isoladores galvânicos,

como, por exemplo, à medida de peso através de células de carga, conforme ilustra o diagrama da

Figura 5.21:

Figura 5.21 – Conversor para células de carga

A unidade possui uma saída para alimentar a célula de carga, uma entrada para medir a

efetiva tensão recebida na célula que possibilita compensar a queda de tensão no cabo.

Existe ainda uma outra entrada que permite medir a diferença de tensão na célula, sinal que é

isolado e precisamente convertido em um sinal de corrente 4-20mA.

O instrumento pode ser ajustado para as faixas de medição desejada, através de ajustes de

zero (tara), span e números de células utilizadas.

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BIBLIOGRAFIA BEGA, Egidio A.: Instrumentação Industrial - Interciência - Rio de Janeiro – 2003 Norma IEC60079-10: Electrical apparatus for explosive gas atmospheres - Classification of hazardous areas TEIXEIRA, Paulo F.: Apostila de Áreas Classificadas - SENAI-PR 2002 www.smar.com

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ANEXOS Temperatura de ignição

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