Nachrüstung von Frequenzumrichtern - Namur

Sensorik
SensISCO – ein vereinfachtes
Verfahren zum Nachweis der Eigensicherheit
von pH-Messketten
Christian Lauer, BIS Prozesstechnik GmbH, Frankfurt am Main;
Rudolf Lehnig, BASF SE, Fachzentrum Prozessanalysentechnik, Ludwigshafen;
Uwe Nowak, BASF SE, Fachzentrum Prozessanalysentechnik, Ludwigshafen;
Martin Gotter, Bayer Technology Services GmbH, Leverkusen;
Ulrich Johannsmeyer, Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig
Einstabmessketten, die in einem Schaft eine Glaselektrode,
eine Referenzelektrode sowie ein Widerstandsthermometer
(Pt-100) enthalten, gelten nicht mehr als einfache elektrische
Betriebsmittel im Sinne der DIN EN 60079-11. Selbst wenn
sowohl die Einstabmesskette als auch der zugehörige Messumformer
eigensichere, baumustergeprüfte Geräte nach
ATEX-Richtlinie 94/9/EG darstellen, ist nicht sichergestellt,
dass man auch beim Zusammenschalten beider Teile ein
eigensicheres System erhält. Deshalb muss für jede Kombination
aus Einstabmesskette und Messumformer die Eigensicherheit
nachgewiesen werden. Um diese Prüfung so einfach
wie möglich zu gestalten, wurde vom Arbeitskreis 3.6.4 der
NAMUR die Empfehlung NE 116 „SensISCO“ erarbeitet. Darin
wird ein Konzept vorgestellt, nach dem die Elektroden und
Messumformer in zwei verschiedene Anschlussklassen eingeteilt
werden. Bei Kenntnis dieser Einteilung kann der
Anwender schnell und unkompliziert entscheiden, ob die
jeweilige Zusammenschaltung eigensicher ist oder nicht.
pH-Messung / pH-Messkette / Eigensicherheit /
NAMUR-Empfehlung / NE 116
1. Einführung
Bei vielen chemischen Reaktionen ist es erforderlich, den
pH-Wert der Reaktionslösung genau einzustellen, um das
gewünschte Produkt zu erhalten. Deshalb ist die Messung
des pH-Wertes eine der häufigsten Messungen, die neben
der Bestimmung von Druck, Temperatur und Durchfluss in
einer chemischen Anlage durchgeführt wird. Auch zur Beurteilung
der Güte von Abwasser ist der pH-Wert eine wichtige
Kenngröße. Das Mittel der Wahl zur Bestimmung des pH-
Wertes ist weiterhin die Glaselektrode. Außer der eigentlichen
Messelektrode benötigt man noch eine Bezugselektrode
und einen Messumformer. Es wird die Potentialdiffe-
SensISCO – a Simplified Procedure to Verify the Intrinsic Safety
of pH Measurement Chains
Combination electrodes for pH-measurements, which consist of
the glass and reference electrode as well as a resistance thermometer
(Pt 100), are no longer considered to be simple electrical
equipment according to DIN EN 60079-11. Even if both the
combination electrode as well as the corresponding transmitter
are intrinsically safe according to ATEX-Directive 94/9/EG and
type-examined devices themselves, it is not guaranteed that the
interconnection of both devices will lead to an intrinsically safe
system. For this reason the intrinsic safety has to be verified for
every combination of electrode and transmitter. In order to
carry out this verification as simple as possible the recommendation
NE 116 “SensISCO” has been devised by the working
group 3.6.4 of the NAMUR. Therein a concept is presented, in
which electrodes and transmitters are divided into two different
connecting classes. With the knowledge of this classification
the user can quickly and easily determine whether a particular
interconnection is intrinsically safe or not.
pH measurement / pH measurement chain / intrinsic safety /
NAMUR recommendation / NE 116
renz gemessen, die sich abhängig vom pH-Wert zwischen
der Glaselektrode und der Bezugselektrode aufbaut. Da die
gemessene Potentialdifferenz außer vom pH-Wert zusätzlich
noch von der Temperatur abhängt, muss für die korrekte
Ermittlung des pH-Wertes die Temperatur der Lösung zum
Beispiel mit einem Widerstandsthermometer gemessen werden.
2. Explosionsschutz – Rechtlicher Hintergrund
Befindet sich die pH-Messung im explosionsgefährdeten
Bereich, muss nach der Betriebssicherheitsverordnung der
www.atp-online.de atp 3.2009 29

Sensorik
Tabelle 1: Definition der Anschlussklassen für Messumformer und pH-Messkette.
Messumformer pH-Messkette
Anschlussklasse 1 Anschlussklasse 2 Anschlussklasse 1 Anschlussklasse 2
Uo ≤ 12 V Uo ≤ 18 V Ui ≥ 12 V Ui ≥ 18 V
Io ≤ 30 mA Io ≤ 170 mA Ii ≥ 30 mA Ii ≥ 170 mA
Po ≤ 50 mW Po ≤ 200 mW Pi ≥ 50 mW Pi ≥ 200 mW
Co ≥ 110 nF Co ≥ 110 nF Ci ≤ 10 nF Ci ≤ 10 nF
Lo ≥ 0,6 mH Lo ≥ 0,6 mH Li ≤ 100 μH Li ≤ 100 μH
Betreiber der Anlage sicherstellen, dass von den Messgeräten
keine Zündung einer explosionsfähigen Atmosphäre
ausgelöst werden kann [1]. Stellen Glaselektrode, Bezugselektrode
und Widerstandsthermometer separate Geräte
dar, gelten sie jeweils für sich genommen als einfache elektrische
Betriebsmittel im Sinne der DIN EN 60079-11 [2]. Die
Situation ändert sich, wenn Glaselektrode und Bezugselektrode
zusammen mit einem Widerstandsthermometer (zum
Beispiel Pt-100) in einem gemeinsamen Schaft untergebracht
werden. Man spricht dann von einer Einstabmesskette,
die nicht mehr als einfaches elektrisches Betriebsmittel
gelten kann, weil mehrere Stromkreise in dem Schaft
integriert sind. Nach der ATEX-Richtlinie 94/9/EG ist der Hersteller
solcher Einstabmessketten unter anderem dazu verpflichtet,
die Entzündung von explosionsfähigen Atmosphären
durch elektrische und nichtelektrische Zündquellen zu
verhindern [3]. In der Regel werden sowohl die Einstabmessketten
als auch die Messumformer in der Zündschutzart
Eigensicherheit „ia“ ausgeführt.
3. Betriebliche Praxis
Es kann vorkommen, dass Elektroden an bestimmten Messstellen
wegen Alterungsprozessen häufig ausgetauscht werden
müssen. Außerdem kann es sein, dass unterschiedliche
Elektroden, die auch von verschiedenen Herstellern stammen
können, für bestimmte Messaufgaben mehr oder weniger
gut geeignet sind. Dies kann häufig nur durch systematisches
Austauschen von Elektroden herausgefunden werden.
Es ist daher der Wunsch der Anwender, verschiedene
Elektroden schnell und flexibel gegeneinander auswechseln
zu können. Dies ist im explosionsgefährdeten Bereich ohne
weitere Prüfungen möglich, falls Glaselektroden, Bezugselektroden
und Widerstandsthermometer getrennte Sensoren
darstellen, die jeweils für sich genommen im Sinne der
Zündschutzart Eigensicherheit als einfache elektrische
Betriebsmittel gelten. Werden Einstabmessketten eingesetzt,
die keine einfachen elektrischen Betriebsmittel sind, jedoch
die Zündschutzart Eigensicherheit erfüllen, ist ein einfaches
Tabelle 2: Anschlussmöglichkeiten von Messumformern und Messketten.
pH-Messkette → Anschlussklasse 1 Anschlussklasse 2
pH-Messumformer
↓
Anschlussklasse 1 ja ja
Anschlussklasse 2 nein ja
30
Austauschen von unterschiedlichen
Messketten nicht mehr ohne weiteres
möglich, wie im Folgenden erläutert
werden soll.
Viele Hersteller bescheinigen zwar
für ein System aus Einstabmesskette
und Messumformer, dass die Zündschutzart
Eigensicherheit „ia“ eingehalten
wird. Wenn die Einstabmesskette
aber gegen ein anderes Modell ausgetauscht
werden soll, muss für jeden einzelnen Fall der Nachweis
der Eigen sicherheit erneut erbracht werden. Selbst
wenn in diesem Fall sowohl der Messumformer als auch die
Einstabmesskette eigensichere, baumustergeprüfte Geräte
nach ATEX-Richtlinie 94/9/EG darstellen, ist bei ihrer Zusammenschaltung
nicht automatisch der Nachweis der Eigensicherheit
des Systems gegeben, da geprüft werden muss, ob
die sicherheitstechnischen Kenngrößen für Strom, Spannung,
Leistung, Kapazität und Induktivität zueinander passen.
4. „SensISCO“ – Sensor Intrinsically Safe Concept
Um den Nachweis der Eigensicherheit für verschiedene pH-
Einstabmessketten und Messumformer möglichst einfach zu
gestalten, wurde vom Arbeitskreis 3.6.4 der NAMUR die
Empfehlung NE 116 erarbeitet [4]. Darin wird das SensISCO
Konzept vorgeschlagen, nach dem alle eingesetzten Einstabmessketten
und Messumformer in jeweils zwei verschiedene
Klassen, SensISCO 1 und SensISCO 2, einzuteilen sind.
SensISCO steht für Sensor Intrinsically Safe Concept und soll
mit diesem Namen auf die Zündschutzart Eigensicherheit
hinweisen. Bei Kenntnis der SensISCO-Einteilung lässt sich
schnell entscheiden, ob eine bestimmte Kombination aus
Einstabmesskette und Messumformer als eigensicher eingestuft
werden kann.
Die Einteilung beruht auf dem Konzept, dass die Einstabmesskette
für Maximalwerte von Strom I i, Spannung U i und
elektrischer Leistung P i ausgelegt ist. Diese Maximalwerte
müssen größer sein als die Werte, die der Messumformer
maximal ausgeben kann (I o , U o und P o ). Für die Kapazität C i
und die Induktivität L i der Einstabmesskette gilt, dass beide
Größen kleiner sein müssen als die Kapazität C o und Induktivität
L o , die der Messumformer akzeptieren kann. Für die
Kapazität und Induktivität der Verbindungskabel zwischen
pH-Messkette und Messumformer wurden maximale Werte
von 100 nF und 500 μH angenommen. Bei handelsüblichen
Kabeln bedeutet dies eine maximale Kabellänge von 100 m,
die messtechnisch sowieso oberhalb des sinnvollen Wertes
liegt. Deshalb unterscheiden sich die Maximalwerte C i und L i,
die für die Messkette festgelegt wurden, um genau diese
Werte von den Werten für C o und L o, die der Messumformer
mindestens akzeptieren können muss. Es wurden zwei Sätze
von elektrischen Kenngrößen definiert, nach denen die Einteilung
in die beiden Klassen SensISCO 1 und SensISCO 2
erfolgen soll (siehe Tabelle 1).
Aus der Einteilung in die beiden Klassen SensISCO 1 und
SensISCO 2 ergibt sich nun eine einfache Tabelle, aus der
atp 3.2009 www.atp-online.de

die möglichen Anschlussmöglichkeiten von Messumformern
und Messketten abgelesen werden können (siehe
Tabelle 2).
5. Aufgabe der Hersteller
Die Aufgabe der Hersteller liegt nun darin, die angebotenen
Messumformer und Einstabmessketten für den explosionsgefährdeten
Bereich in die beiden Anschlussklassen SensISCO
1 und SensISCO 2 einzuteilen. Falls möglich, soll direkt
auf dem Messumformer oder der Einstabmesskette eine
Bezeichnung mit der Einteilung als zusätzliche Kennzeichnung
angebracht werden. Dann kann der Anwender vor Ort
leicht entscheiden, ob die gewählte Kombination aus Messkette
und Messumformer als eigensicher eingestuft werden
kann. Auf jeden Fall soll der Hersteller die SensISCO-Einteilung
mit Hilfe eines Formulars dokumentieren, das im
Anhang der NAMUR-Empfehlung NE 116 zu finden ist.
6. Aufgabe der Anwender
Eine Einteilung von Messumformern und pH-Einstabmessketten
in die beiden SensISCO-Klassen stellt für den Anwen-
Bild 1: Dokumentation des Anwenders zur Einstufung der Applikation
gemäß NE 116.
Sensorik
der eine große Erleichterung der täglichen Arbeit dar, weil
schnell und ohne großen Aufwand für verschiedene Kombinationen
von Messkette und Messumformer entschieden
und dokumentiert werden kann, ob die Zündschutzart
Eigensicherheit eingehalten wird. Wenn es aus Platzgründen
nicht möglich ist, die SensISCO-Kennzeichnung direkt auf
der Einstabmesskette oder dem Messumformer anzubringen,
kann der Anwender eine Tabelle erzeugen, aus der
hervorgeht, welche im jeweiligen Betrieb eingesetzten
Geräte zusammengeschaltet werden dürfen. Der Anwender
ist gut beraten, das SensISCO-Konzept an Stelle des rechnerischen
Nachweises der Eigensicherheit anzuwenden. Tragen
Elektroden keine SensISCO-Kennzeichnung, sollte die
Einteilung in die Anschlussklassen beim Hersteller der
pH-Einstab messket ten und Messumformer angefordert werden.
Literatur
[1] Betriebssicherheitsverordnung vom 27. September 2002 (BGBl. I
S. 3777), zuletzt geändert durch Artikel 5 der Verordnung vom
6. März 2007 (BGBl. I S. 261).
[2] DIN EN 60079-11 (VDE 0170-7) Explosionsfähige Atmosphäre – Teil
11: Geräteschutz durch Eigensicherheit „i“ (IEC 60079-11:2006); Deutsche
Fassung EN 60079-11 : 2007.
Bild 2: Dokumentation des Herstellers zur Einstufung des Messumformers
gemäß NE 116.
www.atp-online.de atp 3.2009 31

Sensorik
[3] Richtlinie 94/9/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom
23. März 1994 zur Angleichung der Rechtsvorschriften der Mitgliedstaaten
für Geräte und Schutzsysteme zur bestimmungsgemäßen
Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen, ABl. L 100 vom
19.4.1994, S. 1–29.
[4] NAMUR-Empfehlung 116, Version: 27.11.2006, NAMUR Arbeitskreis
3.6.4 „Aktuelle Themen der pH-Messtechnik“, NAMUR-Geschäftsstelle
c/o Bayer Technology Services GmbH, Gebäude K9, 51368 Leverkusen.
Zusammenfassung
Das von der NAMUR eingeführte Konzept SensISCO
(NAMUR-Empfehlung NE 116) erlaubt dem Anwender
unkompliziert und schnell zu entscheiden, ob das eingesetzte
System aus Einstabmesskette und Messumformer
die Zündschutzart Eigensicherheit erfüllt. Die Einführung
von SensISCO war notwendig, weil die weit verbreiteten
modernen Einstabmessketten im Gegensatz zu den einfachen
Elektroden nicht mehr als einfache elektrische
Betriebsmittel der Zündschutzart Eigensicherheit gelten,
sondern weil sie die Zündschutzart Eigensicherheit hinsichtlich
kompatibler sicherheitstechnischer Daten erfüllen
müssen. Bei Verschaltung der Einstabmesskette mit
dem zugehörigen Messumformer, der in der Regel auch
die Zündschutzart Eigensicherheit erfüllt, ist nicht ohne
weiteres gewährleistet, dass auch die Kombination beider
Geräte eigensicher ist, weil die sicherheitstechnischen
Kenngrößen Strom, Spannung, elektrische Leistung,
Kapazität und Induktivität zueinander passen müssen.
Sobald die Hersteller die angebotenen Geräte in die beiden
Anschlussklassen SensISCO 1 und SensISCO 2 eingeteilt
haben, erhält der Anwender ein einfaches Konzept
zur Prüfung der Eigensicherheit eines Systems von pH-
Einstabmesskette und Verstärker, das auch die Leitungsreaktanzen
berücksichtigt.
Ausblick
32
Manuskripteingang: 15.12.08
Es ist geplant, das Konzept SensISCO auch auf andere
Messmethoden auszuweiten, bei denen zwei eigensichere
Betriebsmittel miteinander verbunden werden sollen,
wie zum Beispiel bei Leitfähigkeitsmessungen.
Zudem beabsichtigt der NAMUR AK 3.6.4 dieses Konzept
auch für Elektroden und Messumformer mit induktiver
Kopplung wie Memosens und Inducon ® einzuführen, da
auch bei diesen Systemen zukünftig eine Kombination
von Betriebsmitteln verschiedener Hersteller zu erwarten
ist.
Dr. Christian Lauer (57) war nach seinem Studium der
Physik an der TH Darmstadt in verschiedenen Unternehmen
der Chemischen Industrie im Bereich Analysen-
und EMR-Technik tätig. 1991 wechselte er zur
damaligen Hoechst AG, deren MSR- und Analysentechnik
2005 u.a. von der früheren Rheinhold &
Mahla, der heutigen Bilfinger Berger Industrial Services
AG, übernommen wurde. In deren Tochterunternehmen
BIS Prozesstechnik GmbH ist er für die
Laboratorien und die Instandhaltung der Analysentechnik
zuständig. Er ist Leiter des Namur AK 3.6.4
„Aktuelle Themen der pH-Messtechnik“.
Adresse: BIS Prozesstechnik GmbH, MSR- & Analysentechnik, Industriepark
Höchst, Gebäude D 710, Zimmer 105, D-65926 Frankfurt am Main,
Tel. +49 69 305 17248, Fax +49 69 305 81774, E-Mail: christian.lauer@bis.
bilfinger.com, Internet: www.BIS.bilfinger.com/pte
Dr. Rudolf Lehnig (32) arbeitet nach einem Chemiestudium
an der Ruhr-Universität Bochum, an -
schließender Promotion an der Universität Regensburg
und einem dreijährigen Postdoktorandenaufenthalt
in Kanada seit 2008 bei der BASF SE. Dort
beschäftigt er sich im Fachzentrum Prozessanalysentechnik
mit pH-Messungen, Titrimetrie, Leitfähigkeitsmessungen
und TOC-Messtechnik.
Adresse: BASF SE, GTF/EB – L426, D-67056 Ludwigshafen,
Tel. +49 621 60-54528, Fax +49 621 60-56424,
E-Mail: rudolf.lehnig@basf.com
Dr. Uwe Nowak (56) ist Physiker. Er leitet in der BASF
SE Ludwigshafen im Fachzentrum Prozessanalysentechnik
den Service und ist verantwortlich für die
Arbeitsgebiete pH-Messung, Leitfähigkeit, Titrimetrie
und Abwassermesstechnik.
Adresse: BASF SE, GTF/EB – L426, D-67056 Ludwigshafen,
Tel. +49 621 60-54606, Fax +49 621 60-56424,
E-Mail: uwe.nowak@basf.com
Dr.-Ing. Ulrich Johannsmeyer (57) ist in der Physikalisch-Technischen
Bundesanstalt (PTB) Leiter des
Fachbereichs „System- und Eigensicherheit“ sowie
seit 2006 Leiter der PTB-Zertifizierungsstelle für
Explosionsschutz. Er arbeitet in vielen nationalen
und internationalen Normengremien mit und ist
Chairman des IEC Komitees SC31G (Eigensicherheit)
und in Europa von CENELEC SC 31-3 mit gleichem
Scope.
Adresse: Physikalisch-Technische Bundesanstalt
(PTB), Bundesallee 100, D-38116 Braunschweig, Tel.
+49 531 592 3600, Fax +49 531 592 3605, E-Mail:
ulrich.johannsmeyer@ptb.de, Internet: www.ptb.de
Dr. Martin Gotter (32) studierte Chemie an der Universität
zu Köln und promovierte dort im Fachbereich
Physikalische Chemie nach zwei Forschungsaufenthalten
an der Lund University. Seit 2007 arbeitet
er bei der Bayer Technology Services GmbH, wo
er gegenwärtig das Competence Center Process
Analyser Technology Service Leverkusen leitet.
Adresse: Process Analyser Technology Service Leverkusen,
Bayer Technology Services GmbH, Geb. H1,
D-51368 Leverkusen, Tel. +49 214 30 71030, Fax: +49
214 30 96 25090, E-Mail: martin.gotter@bayertechnology.com,
Internet: www.bayertechnology.com
atp 3.2009 www.atp-online.de