CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção. Instrumentação Fundamentos e Princípios de Segurança Intrínseca

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1 CPM - Programa de Certificação de Pessoal de Manutenção Instrumentação Fundamentos e Princípios de Segurança Intrínseca

2 FUNDAMENTOS E PRINCÍPIOS DE SEGURANÇA SENAI ES, 1999 Trabalho realizado em parceria SENAI / CST (Companhia Siderúrgica de Tubarão) Coordenação Geral Supervisão Elaboração Aprovação Evandro de Figueiredo Neto (CST) Robson Santos Cardoso (SENAI) Rosalvo Marcos Trazzi (CST) Fernando Tadeu Rios Dias (SENAI) Adalberto Luiz de Lima Oliveira (SENAI) Wenceslau de Oliveira (CST) Carlos Athico Prates (CST) Alexandre Kalil Hana (CST) Marcos Antônio Ribeiro Nogueira (CST) SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial CTIIAF Centro Técnico de Instrumentação Industrial Arivaldo Fontes Departamento Regional do Espírito Santo Av. Marechal Mascarenhas de Moraes, 2235 Bento Ferreira Vitória ES CEP Telefone: (027) Telefax: (027) CST Companhia Siderúrgica de Tubarão Departamento de Recursos Humanos Av. Brigadeiro Eduardo Gomes, s/n Jardim Limoeiro Serra ES CEP Telefone: (027) Telefax: (027)

3 ÍNDICE ASSUNTO PÁGINA 1 CLASSIFICAÇÃO DE ÁREAS INTRODUÇÃO DEFINIÇÕES Atmosfera Explosiva Controle Auto-Operado Explosão CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS EUROPÉIAS Classificação em Zonas Classificação em Grupos CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS AMERICANAS Classificação em Divisão Classificação em Classes Classificação em Grupos COMPARAÇÃO ENTRE AS NORMAS EUROPÉIA E AMERICANA Quanto aos Materiais Quanto a Periodicidade TEMPERATURA DE IGNIÇÃO ESPONTÂNEA Temperatura de Superfície 07 2 MÉTODOS DE PROTEÇÃO POSSIBILIDADE DE EXPLOSÃO Métodos de Prevenção À PROVA DE EXPLOSÃO Características Aplicações PRESSURIZADO ( Ex p ) ENCAPSULADO ( Ex m ) IMERSO EM ÓLEO ( Ex o) ENCHIMENTO DE AREIA ( Ex q ) SEGURANÇA INTRÍNSECA ( EX i ) SEGURANÇA AUMENTADA ( Ex e ) NÃO ASCENDÍVEL ( Ex n ) PROTEÇÃO ESPECIAL ( Ex s) COMBINAÇÕES DAS PROTEÇÕES APLICAÇÃO DOS MÉTODOS DE PROTEÇÃO 18

4 ASSUNTO PÁGINA 3 SEGURANÇA INTRÍNSECA ORIGEM Energia de Ignição Princípios Básicos Energia Elétrica LIMITADORES DE ENERGIA Limite de Corrente Limite de Tensão Cálculo de Potência Armazenadores de Energia Elementos Armazenadores Controlados À prova de Falhas À Prova de Defeitos Categorias de Proteção Categoria ia Categoria ib Aterramento Equipotencialidade dos Terras Cálculo da Sobretensão Isolação Galvânica 32 4 CERTIFICAÇÃO PROCESSO DE CERTIFICAÇÃO Certificado de Conformidade MARCAÇÃO A CERTIFICAÇÃO DA SEGURANÇA INTRÍNSECA Equipamentos Simples Equipamentos Intrinsecamente Seguros Equipamentos Seguros Associados PARAMETRIZAÇÃO Intrinsecamente Seguro Intrinsecamente Seguro Associado CONCEITO DE ENTIDADE Aplicação de Entidade Análise das Marcações TEMPERATURA DE IGNIÇÕA ESPONTÂNEA 41

5 ASSUNTO PÁGINA 5 CABLAGEM DE EQUIPAMENTOS SI REQUISITOS DE CONSTRUÇÃO REQUISITOS DE INSTALAÇÃO Canaletas Separadas Canaletas Metálicas Cabos Blindados Amarração de Cabos Separação Mecânica Multicabos MONTAGEM DE PAINÉIS Cuidados na Montagem Requisitos Gerais Efeitos de Indução 47 6 APLICAÇÕES TÍPICAS BARREIRAS ZENER Contato Seco Sensor de Proximidade Solenóides e Sinalizadores Transmissores de Corrente Conversor Pneumático Termopares Termoresistências ISOLADORES GALVÂNICOS Repetidores Digitais Monitor de Velocidade Drives Digitais Repetidores Analógicos Smart Transmiter Drives Analógicos Termoresistências Termopares Outras Aplicações 58 7 EXERCÍCIOS PROPOSTOS 60 8 ANEXO I Temperatura de Ignição Espontânea de Substâncias 62 9 ANEXO II Normas Técnicas 67

6 1- CLASSIFICAÇÃO DE ÁREAS 1.1 INTRODUÇÃO Após a II Guerra Mundial, o uso de derivados de petróleo estimulou o aparecimento de plantas para extração, transformação e refino de substâncias químicas necessárias para o desenvolvimento tecnológico e industrial. Nos processos industriais, surgiram áreas consideradas de risco, devido a presença de substâncias potencialmente explosivas, que confinavam a instrumentação à técnica pneumática, pois os instrumentos eletrônicos baseados na época em válvulas elétricas e grandes resistores de potência, propiciavam o risco de incêndio devido a possibilidade de faíscas elétricas e temperaturas elevadas destes componentes. Somente com o advento dos semicondutores (transistores e circuitos integrados), pode-se reduzir as potências dissipadas e tensões nos circuitos eletrônicos e viabilizar-se a aplicação de técnicas de limitação de energia, que simplificadamente podem ser implantadas nos equipamentos de instrumentação, dando origem assim a Segurança Intrínseca. O objetivo desta apostila é explicar os princípios da técnica de proteção, baseada no controle de energia, presentes nos equipamentos com Segurança Intrínseca. Entretanto antes de abordarmos os conceitos de Segurança Intrínseca faremos um breve resumo da classificação de áreas de risco segundo Normas Técnicas Européias e Americanas, além dos princípios das diversas formas de proteção para equipamentos elétricos. Ressaltamos que a identificação e a classificação das áreas de risco dentro das instalações, são normalmente executadas por profissionais altamente especializados nas áreas DEFINIÇÕES A seguir estão alguns termos utilizados na identificação e classificação das áreas de risco, potencialmente explosivas: Atmosfera Explosiva Em processos industriais, especialmente em petroquímicas e químicas, onde manipulam-se substâncias inflamáveis, podem ocorrer em determinadas áreas a mistura de gases, vapores ou poeiras inflamáveis com o ar que, em proporções adequadas, formam a atmosfera potencialmente explosiva Área Classificada

7 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 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 Ignição É a chamada ocasionada por uma onda de choque, que tem sua origem em uma faísca ou arco elétrico ou por efeito térmico CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS EUROPÉIAS (IEC) A idéia de classificação das áreas de risco, visa agrupar as diversas áreas que possuem graus de riscos semelhantes, tornando possível utilizar equipamentos elétricos projetados especialmente para cada área. A classificação baseia-se no grau de periculosidade da substância combustível manipulada e na frequência 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 Electrical Commicion), que trata da classificação das áreas no volume IEC Classificação em Zonas A classificação em ZONAS baseia-se na frequência e duração com que ocorre a atmosfera explosiva. CLASSIFICAÇÃO EM ZONAS ZONA 0 ZONA 1 ZONA 2 DESCRIÇÃO Área onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustíveis, ocorre permanentemente ou por longos períodos Área onde a atmosfera explosiva, formada por gases combustíveis, provavelmente ocorra em operação normal dos equipamentos 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

8 ZONA 10 ZONA 11 ZONA G ZONA M Área onde a atmosfera explosiva, formada por poeiras combustíveis, ocorre permanentemente ou por longos períodos 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 Área onde a atmosfera explosiva, formada por substâncias analgésicas ou anticépticas m centros cirúrgicos, ocorre permanentemente ou por longos períodos. Área onde não é provável o aparecimento da atmosfera explosiva, formada por substâncias analgésicas ou anticépticas e centros cirúrgicos, em condições normais de operação, e se ocorre é por curto período de tempo Tabela 1.1 Classificação IEC em Zonas Figura 1.1 Exemplo de Classificação por Zonas 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: GRUPOS GRUPO I GRUPO II DESCRIÇÃO Ocorre em minas onde prevalece os gases da família do metano (grisou) e poeiras de carvão Ocorre em indústrias de superfície (químicas, petroquímicas, farmacêuticas, etc), subdividindo-se em IIA, IIB e IIC

9 GRUPO IIA GRUPO IIB GRUPO IIC Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalece os gases da família do propeno Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalece os gases da família do etileno Ocorre em atmosferas explosivas, onde prevalece os gases da família do hidrogênio (incluindo-se o acetileno) Tabela 1.2 Classificação IEC em Grupos Os gases representativos são utilizados para ensaios de equipamentos em laboratório, pois são mais perigosos que as outras substâncias que representam CLASSIFICAÇÃO SEGUNDO AS NORMAS AMERICANAS (NEC) A classificação de áreas de risco nos EUA é diferente da usada na Europa, pois seguem as normas técnicas americanas National Fire Protection Association NFPA 70 Artigo 500 do Nacional Electrical Code Classificação em Divisão A classificação em divisão baseia-se na fequência de formação da atmosfera. DIVISÃO DIVISÃO 1 DIVISÃO 2 DESCRIÇÃO Área onde a atmosfera explosiva, ocorre durante a operação normal dos equipamentos Área onde a atmosfera explosiva, somente ocorre em condições anormais de operação dos equipamentos Tabela 1.3 Classificação NEC em Divisão Classificação em Classes A classificação das atmosferas explosivas em classes, determina o agrupamento dos materiais dependendo da natureza das substâncias. CLASSES CLASSE I CLASSE II DESCRIÇÃO Mistura de gases ou vapores inflamáveis com o ar Mistura de poeiras combustíveis com o ar

10 CLASSE III Fibras combustíveis em suspensão no ar Tabela 1.4 Classificação NEC em Classes Classificação em Grupos As classes I e II podem ser subdivididas em grupos: CLASSE GRUPOS DESCRIÇÃO CLASSE I GRUPO A GRUPO B GRUPO C GRUPO D GRUPO E Atmosfera de gases da família o Acetileno Atmosfera de gases da famíulia do Hidrogênio Atmosfera de gases da família do Etileno Atmosfera de gases da família do Propano Atmosfera de Poeiras Metálicas (Ex: Alumínio, Magnésio, etc) CLASSE II GRUPO F Atmosfera de Poeira de Carvão GRUPO G Atmosfera de Poeira de Grãos (Ex: trigo, farinhas, soja, etc) CLASSE III - Atmosfera de Fibras Combustíveis (Ex: fibra de tecido, lã de vidro) Tabela 1.5 Classificação NEC em Grupos 1.5- COMPARAÇÃO ENTRE AS NOAMAS EUROPÉIA E AMERICANA Quanto aos Materiais A tabela abaixo ilustra comparativamente a classificação dos elementos representativos de cada família segundo as normas IEC e NEC. Apresentamos ainda a mínima energia necessária para provocar a detonação de uma atmosfera explosiva formada por estas substâncias. MATERIAL IEC/Europa NEC/Americana ENERGIA DE IGNIÇÃO Metano GRUPO I Não Classificado - Acetileno Hidrogênio GRUPO IIC CLASSE I GRUPO A CLASSE I GRUPO B > 20 µjoules

11 Etileno GRUPO IIB CLASSE I GRUPO C > 60 µjoules Propano GRUPO IIA CLASSE I GRUPO D > 180 µjoules Poeiras de Carvão CLASSE II GRUPO E Poeiras Metálicas Poeiras de Grãos Em Elaboração CLASSE II GRUPO F CLASSE II GRUPO G - Fibras Combustíveis CLASSE III Tabela 1.6 Comparação IEC / NEC Substâncias * Nota: Para verificação da equivalência deve-se recorrer as listagens de gases por família segundo as duas normas Quanto a Periodicidade Pode-se notar, na tabela a seguir, que a Zona 2 é praticamente igual a Divisão 2, e que a Divisão 1, corresponde a Zona 1 e 0, ou seja um instrumento projetado para a Zona 1 não pode ser aplicado na Divisão 1. Já um instrumento projetado para a Zona 0, não possui e nem armazena energia suficiente para causar a ignição de qualquer mistura explosiva. FREQUÊNCIA ATMOSFERA CONTÍNUA ATMOSFERA INTERMITENTE CONDIÇÕES ANORMAIS IEC / Europa Zona 0 Zona 1 Zona 2 NEC / Americana Divisão 1 Divisão 2 Tabela 1.7 Comparação IEC / NEC - Periodicidade 1.6- TEMPERATURA DE IGNIÇÃO ESPONTÂNEA A temperatura de ignição de um gás, é a temperatura em que a mistura alto detona-se, sem que seja necessário adicionar energia. Este parâmetro é muito importante pois limita a máxima temperatura de superfície que pode ser desenvolvida por um equipamento que deve ser instalado em uma atmosfera potencialmente explosiva Temperatura de Superfície Todo equipamento para instalação em áreas classificadas, independe do tipo de proteção, deve ser projetado e certificado por uma determinada categoria de temperatura de superfície,

12 analisando-se sob condições normais ou não de operação, e não deve ser menor que a temperatura de ignição espontânea do gás. É importante notar que não existe correlação entre a energia de ignição do gás (grau de periculosidade) e a temperatura de ignição espontânea, exemplo dito é o Hidrogênio que necessita de 20 µjoule ou 560ºC, enquanto o Acetaldeido requer mais de 180 µjoule 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. TEMPERATURA DE SUPERFÍCIE Categoria / Europa IEC Categoria NEC / Americana 85ºC T6 T6 100ºC T5 T5 120ºC T4A 135ºC T4 T4 160ºC T3C 165ºC T3B 180ºC T3A 200ºC T3 T3 215ºC T2D 230ºC T2C 260ºC T2B 280ºC T2A 300ºC T2 T2 450ºC T1 T1 Tabela 1.8 Categorias de Temperatura de Superfície

13 2- MÉTODOS DE PROTEÇÃO 2.1- POSSIBILIDADE DE EXPLOSÃO O risco de 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 Triângulo de Ignição 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 detonar a atmosfera potencialmente explosiva. Estes 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 durante uma possível explosão, não permitindo a propagação 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. (exemplo: equipamentos pressurizados, imersos e encapsulados).

14 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) 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, consequentemente 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. Figura 2.2 Diagrama esquemático de um invólucro à prova de explosão Os cabos elétricos que entra, e saem do invólucro devem ser conduzidos por eletrodutos metálico, pois também são considerados como uma fonte de ignição. Para evitar a propagação de uma explosão interna, através das entradas e saídas de cabo do invólucro, devem ser instalados Unidades Seladoras, que consistem de um tubo roscado para união do eletroduto com o invólucro, sendo preenchida com uma massa especial que impede a propagação das chamas através dos cabos.

15 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 necessário uma inspeção de controle periódica. Não é possível ajustar ou substituir componentes com o equipamento energizado, dificultando os processos de manutenção. Normalmente também encontram-se dificuldades de se remover a tampa frontal, pois necessita da ferramenta especial para retirar e colocar vários parafusos, sem contar o risco na integridade da junta(interstício). A umidade 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 à Prova de Explosão

16 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. Figura 2.4 Invólucro à prova de explosão Figura 2.5 Luminária à Prova de Explosão Com Eletroduto e Unidade Seladora Figura 2.6 Micro Switch Figura 2.7 Sirene Elétrica À Prova de Explosão À prova de Explosão

17 2.3- PRESSURIZADO (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. 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 com ou sem 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 após 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 próximo as áreas de risco. Figura 2.8 Esquema de Equipamento Pressurizado O processo de diluição contínua deve ser empregado, quando a sala pressurizada possuir equipamentos que produzam a mistura explosiva, tais como: sala 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 da 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.

18 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. Este método pode ser aplicado a reed relé, botoeiras com cúpula do contato encapsulado, sensores de proximidade e obrigatoriamente nas barreiras zener. 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, aconselhado para equipamentos que não requerem manutenção frequente. Figura 2.10 Transformador Imerso em Óleo

19 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 do quartz ou areia, evitando desta forma inflamar da chama, quer pela temperatura excessiva das paredes do invólucro ou da superfície. Encontrado como forma de proteção para leito de cabos no piso. Figura 2.12 Leito de cabos imersos 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 eletropneumáticos, chaves-fim-de-curso, sinaleiros luminosos, etc. Este método será amplamente abordado no próximo capítulo SEGURANÇA AUMENTADA (Ex e) Este método de proteção nos conceitos de supressão da fonte de ignição, aplicável 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

20 medidas adicionais durante a construção, com elevados fatores de segurança, 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. A 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 pensa-cabos, não necessitando mais dos eletrodutos metálicos e suas unidades seladoras. Figura 2.12 Motor de Segurança Aumentada Figura 2.13 Solenóide de Segurança Aumentada 2.9- NÃO ASCENDÍVEL (Ex n) Também baseado nos conceitos de supressão da fonte de ignição, os equipamentos não ascendível 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 será 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 a maior parte dos equipamentos elétricos estão localizados nesta zona, pode-se tornar muito interessante. Um exemplo importantes 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.

21 Figura 2.14 Multiplex Não Ascendível 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 COMBINAÇÕES DAS PROTEÇÕES O uso de mais um tipo de proteção aplicado a um mesmo equipamento é uma prática comum. Como exemplo temos: 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 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 e risco de cada área foi levado em conta na elaboração das respectivas normas.

22 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 Segregação IMERSO EM AREIA Ex q 1 e 2 Ex ia 0, 1 e 2 INTRINSICAMENTE SEGURO Ex ib 1 e 2 SEGURANÇA AUMENTADA Ex e 1 e 2 Supressão NÃO ASCENDÍVEL Ex n 2 ESPECIAL Ex s 1 e 2 Especial Tabela 2.1 Aplicação dos Métodos de Proteção Nota: os equipamentos projetados para a Zona 0 podem ser instalados na Zona 1 e 2, bem como os da Zona 1 podem também ser instalados na Zona 2 3- SEGURANÇA INTRINSECA (Exi) 3.1- ORIGEM A origem da segurança intrínseca data do início 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.

23 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 Leclanche, 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, afim 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 uma 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. Estava criado o primeiro órgão de teste e certificação de sistemas de sinalização para minas. Os estudos subsequentes e a aplicação de componentes eletrônicos permitiu a utilização dos conceitos para as indústrias e superfícies Energia de Ignição Toda mistura possui uma energia mínima de ignição (MIE - Minimum Ignition Energy)que abaixo deste valor é impossível se provocar a detonação; em função da concentração da mistura, ou seja: da quantidade de combustível em relação a quantidade de ar.

24 A figura abaixo compara a curva do Hidrogênio com o Propano, ilustrando a energia da fonte de ignição, que efetivamente provoca a detonação em função da concentração de mistura, ou seja, da quantidade de combustível em relação a 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 MIE (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 ocorre mais a explosão pois a mistura está muito pobre ou seja muito oxigênio para pouco combustível. 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 rico. Os circuitos de Segurança Intrínseca sempre manipulam e armazenam energias, abaixo do limite mínimo de explosividade dos gases representativos da cada família, considerando assim as concentrações mais perigosas. Desta forma mesmo em condições anormais de funcionamento dos equipamentos o circuitos de Segurança Intrínseca não provocam a ignição pois não possui energia suficiente para isto, tronando a instalação segura permitindo montagens até mesmo na Zona 0.

25 Princípios O princípio básico de 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. Figura 3.3 Manipulação e armazenagem de energia controlada Energia Elétrica Dentro deste princípio, a energia total que o circuito intrinsecamente pode conter deve ser menor que a mínima energia de ignição MIE. Transportando a energia em potência elétrica, obtemos a curva ao lado, que ilustra as máximas tensões versus as máximas correntes de um circuito Exi. 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 notamos que um equipamento projetado para IIC pode ser utilizado em 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.

26 Figura 3.4 Máxima Potência Elétrica Manipulável 3.2- LIMITADORES DE ENERGIA Para uma instalação ser executada com a proteção de 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 figura abaixo, onde temos um contato mecânico proveniente de uma chave liga-desliga que deve acionar um relé auxiliar, montado no painel de controle fora da área classificada. Figura3.5 Circuito sem Limite de Energia É fácil prever que com a abertura ou o fechamento do contato irá ocorrer uma centelha elétrica com energia suficiente para inflamar a atmosfera.

27 Limite de Corrente No circulo da figura abaixo 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 Limite da Tensão Visando limitar a potência, chegamos ao circuito abaixo 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 de 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, com os devidos fatores de segurança, que serão discutidos posteriormente. Figura 3.7 Circuito com Limite de Corrente e Tensão 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 que o diodo zener que passaremos a chamar de Uo.

28 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, conforme ilustra a Figura 3.8 a seguir: P = U x I Po = Uo x Io 2 2 Po = Uo x Io 4 Figura 3.8 Curva de Transferência de Potência Armazenamento de Energia Com o circuito anterior evitamos a detonação pelo controle de energia manipulada, mas não consideramos que em vez de um simples contato poderíamos ter um circuito eletrônico, como de um transmissor de corrente, invalidando o estudo que não previa o armazenamento de 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.

29 A energia armazenadas nos capacitores ( E = ½ C.V 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 abre-se o contato pois a energia é proporcional a variação da corrente ( E = ½ L.I 2 ) Figura 3.10 Circuitos Armazenadores de Energia Elementos Armazenadores Controlados Conforme verificamos no item anterior, a energia armazenada em elementos armazenadores de energia é muito significativa, principalmente se considerarmos os efeitos em conjunto das capacitâncias e indutâncias, e portanto deve ser limitada. Com uma forma prática de normas técnicas apresentam a idéia de limitarmos os elementos armazenadores de energia do circuito do 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 defeito), de forma que se respeitados esses valores o circuito pode conter capacitores e indutores mas a energia total envolvida permanece abaixo do MIE. Figura 3.10 Circuitos Armazenadores de Energia Controlados

30 À Prova da Falhas Como os circuitos de segurança intrínseca são projetados especialmente para operar em áreas de risco, as normas técnicas determinam o estudo das falhas, que podem ser causados por erros humanos. Figura 3.12 Circuito Sujeito a Falhas No exemplo acima o limitador de energia que possui entrada prevista para 24Vcc, é acidentalmente conectado a 220Vca, provocando a ignição da atmosfera potencialmente explosiva. Visando eliminar esta possibilidade incluímos no circuito um fusível, conforme ilustra a figura abaixo, 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 do campo. Figura 3.13 Circuito com Proteção de Falha Logicamente pretende-se eliminar a maioria das falhas humanas, mas não significa que o profissional irá manusear os equipamentos seja um leigo completo capaz de conectar o elemento de campo diretamente a rede da corrente À Prova de Defeitos As normas técnicas também determinam o estudo de defeitos nos componentes do circuito, no intuito de se assegurar a integridade e a confiabilidade dos equipamentos perante os defeitos.

31 A figura abaixo ilustra uma situação hipotética onde ocorre um defeito na isolação do transformação, que passa a fornecer uma tensão mais elevada para o limitador de energia (defeito). Figura 3.14 Circuito à Prova 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 a 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 Categorias de Proteção Os equipamentos intrinsecamente seguros são classificados em duas categorias: 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 1,5, aplicado sobre as tensões e correntes, visando a incapacidade de provocar a ignição. Motivo pelo qual se assegura a utilização desses equipamentos até nas zonas de risco prolongados (Zona 0) Categoria ib A categoria é menos rigorosa, possibilitando a instalação dos equipamentos apenas nas Zonas 1 e 2 devendo 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 são objetos 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 em zonas adequadas.

32 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. Figura 3.15 Circuito com Falta a Terra Um sistema de aterramento com alta integridade deve ser utilizado para conexão do circuito limitador de energia, como único circuito capaz de desviar a corrente gerada por uma sobretensão em relação ao potencial da terra. Figura 3.16 Circuito com Aterramento Íntegro As normas técnicas recomendam que o sistema de aterramento íntegro deve possuir impedância menor que 1Ω, para garantir a eficácia do circuito. O limitador de energia da figura acima também é conhecido barreira zener, que pode variar ligeiramente dependendo de fabricante para fabricante e também devido ao tipo de sinal, mas fundamentalmente tem a mesma função Equipotencialidade dos Terras Além do problema de termos o aterramento íntegro (<1 Ω), as normas técnicas recomendam que o loop intrinsecamente seguros possua apenas um ponto de conexão ao terra, além de determinar que a isolação do elemento de campo seja superior a 500V.

33 Figura 3.17 Exemplo dos Sistema de Terra Protegendo a Instalação SI Fora isto a normalização regulamenta a equipotencialidade dos terras, ou seja, a necessidade de se igualar a impedância do sistema de aterramento, que não deve ser superior s 1 Ω, medido de dois pontos quaisquer da instalação. Este requisito é solicitado pois a falta de equipotencialidade é muito perigosa, para exemplificar esta afirmação vamos supor o circuito da figura 3.18 onde temos um conversor eletropneumático ligado saída de um controlador, através de uma barreira zener. Vamos calcular qual a sobretensão causada no elemento de campo devido a 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.

34 Cálculo da sobretensão Figura 3.18 Circuito com Desequilíbrio de Aterramento 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 da terra e do cabo, vamos desprezar a corrente desviada através de sua bobina. Figura 3.19 Circuito Equivalente 3.20 Cálculo de Sopbretensão Calculando a resistência equivalente: Req = (10Ω + 0,1Ω ) x 5Ω = 3,34 Ω (10Ω + 0,1Ω ) + 5Ω

35 Calculando a Tensão no Terra do Campo: U 1 = 3,34 Ω x 10 A = 33,4 V Calculando a Tensão U no Conversor: U = 33,4 V + 24 V = 57, 4 V Desta forma podemos verificar que a tensão do instrumento subiu de 24V para 57,4V o que põe em risco a instalação que era considerada segura Isolação Galvânica Conforme ilustra a figura abaixo, a barreira zener só é eficaz se o sistema de aterramento for íntegro, mas sabemos que na prática é muito difícil de se construir e manter um aterramento com impedância menor que 1 Ω. Figura 3.21 Falha de Aterramento na Barreira Zener Visando eliminar este problema desenvolveu-se a técnica de isolação galvânica que possibilita dispensar-se a conexão do limitador de energia ao sistema de aterramento seguro. A figura abaixo ilustra um circuito seguro 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 3.22 Acionador de Solenóide com Isolação Galvânica

36 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, 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 extremamente seguro. 4- CERTIFICAÇÃO 4.1- PROCESSO DE CERTIFICAÇÃO Como as instalações elétricas em atmosferas potencialmente explosivas, envolvem risco de vidas humanas e patrimônios, obrigando cada País a elaborar legislações regulamentando a fabricação a utilização de equipamentos destinados a esta finalidade. No Brasil o órgão legislador é o Conmetro (Conselho Nacional de Metrologia e Normalização Industrial), órgão subordinado ao Ministério da Justiça. A legislação atual determinou que todos os equipamentos devem ser certificados para utilização em áreas classificadas, independentemente de serem ou não fabricadas no País. O processo de certificação é coordenado pelo Inmetro (Instituto Nacional de Metrologia e Normalização Industrial) que utiliza a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), para a elaboração de normas técnicas para os diversos tipos de proteção. O Inmetro também credencia laboratórios que baseados nas normas técnicas verificam através de ensaios e análises, se os equipamentos atendem as normas e realmente podem ser instalados em atmosferas potencialmente explosivas. Para a segurança intrínseca o único laboratório credenciado até o momento, é o Labex no centro de laboratórios do Cepel no Rio de Janeiro, onde existem instalações e técnicos especializados para executar os diversos procedimentos solicitados pelas normas, até mesmo realizar explosões controladas com os gases representativos de cada família.

37 O processo de certificação utilizado é conhecido como Certificado de Protótipo, onde o fabricante encaminha uma amostra do equipamento ao laboratório, que analisa o projeto, realiza os ensaios e se aprovado, emite um Relatório de Inspeção e Ensaios com os resultados obtidos encaminhando ao Inmetro para a emissão do certificado, conforme ilustra a próxima página. No momento estamos em um processo de transição visando certificar a linha de produção, onde o Certificado teria um prazo de validade e durante este período o Inmetro com o Cepel realizam uma inspeção na linha de fabricação verificando se os processos e os componentes utilizados permanecem os mesmos do protótipo aprovado, inclusive devem ser recolhidas amostras para análises mais detalhadas no laboratório. Este processo de certificação é aplicado a todos os tipos de proteção, ou seja, todos os produtos fabricados no Brasil deverão possuir seu Certificado com inspeção da fabricação Certificado de Conformidade A figura 4.1 ilustra um certificado de conformidade emitido pelo Inmetro, após os testes e ensaios realizados no laboratório Cepel / Labex: 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.

38 Figura 4.1 Certificado de Conformidade

39 4.3- A CERTIFICAÇÃO DA SEGURANÇA INTRÍNSECA A certificação da segurança intrínseca depende do tipo de equipamento, pois eles se subdividemse em: Equipamentos Simples Neste grupo estão enquadrados os equipamentos e componentes simples que manipulam e armazenam energia abaixo de 20µJoules, ou seja, não pode exceder nenhuma das grandezas: 1,2V, 0,1A ou 25mW. Como estes equipamentos não possuem energia suficientes para provocar a ignição da atmosfera, não é necessário a sua certificação, como exemplo podemos citar os sensores passivos (termopares, termoresistências, potenciômetros, etc.) Equipamentos Intrinsecamente Seguros São os equipamentos que possuem todos 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 Equipamentos Intrinsecamente Seguros Associados São os circuitos de interfaceamento dos equipamentos SI (Intrinsecamente Seguros)com os equipamentos comuns NSI (não intrinsecamente seguros), ou seja, o equipamentos que contém o circuito limitador de energia, como por exemplo as barreiras zener, os isoladores galvânicos com entradas e saídas intrinsecamente seguras. No processo de certificação destes equipamentos são verificados 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, cuja fonte deve ser instalada fora da área classificada.

40 4.4- 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 a verificação de compatibilidade entre eles, visando eliminar a certificação conjunta dos equipamentos permitindo ao usuário livre escolha entre os modelos e fabricantes 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 de entrada. Ci - capacitância interna máxima Capacitância interna máxima vista através dos terminais intrinsecamente seguro de entrada. Li - indutância interna máxima Indutância interna máxima vista através dos terminais intrinsecamente seguros de entrada. 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 Intrinsecamente Seguro Associado Uo - tensão máxima 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. Po - potência máxima de saída Máxima potência que pode ser obtida nos terminais intrinsecamente seguros de um equipamentos elétrico.

41 Co - capacitância externa máxima Máxima capacitância que pode ser conectado aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o tipo de proteção. Lo - indutâncica externa máxima Máxima indutância que pode ser conectada aos terminais intrinsecamente seguros, sem afetar o tipo de proteção 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 ao 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 a 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 Aplicação da Entidade Para exemplificar o conceito da entidade, vamos supor o exemplo da figura abaixo, onde temos um transmissor de pressão Exi conectado a um repetidor analógico com entrada Exi.

42 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 4.2 Exemplo de Interconexão Transmissor de Pressão Br Exia IIC T6 Ui = 38 V Ii = 103 ma Pi = 0,98 W Li = 0 mh Ci = 30 nf Repetidor Analógico Br Exib IIC U0 = 28,7 V Io = 98 ma Po = 703 mw Lo = 3mH Co = 65 nf Cabo de Interconexão Comprimento 500 m Indutância de 2 mh/km Lcabo = 1 mh Capacitânica 20 nf/km Ccabo = 10 nf

43 CÁLCULO DA INTERCONEXÃO: Energia Manipulada Ui = 38 V Uo = 28,7 V Ii = 103 ma Io = 98 ma Pi = 980 mw Po = 703 mw Energia Armazenada Li + Lcabo = mh = 1 mh Lo = 3 mh Ci + Ccab0 = 30 nf + 10 nf = 40 nf Co = 65 nf Como todas as inequações foram satisfeitas, concluimos que é perfeitamente segura a interconexão dos instrumentos 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 serão os elementos armazenadores de energia que poderão ser conectados, conforme ilustra a tabela 4.1 a seguir: CATEGORIA ia ib GRUPO IIC IIB IIA IIC IIB IIA Lo 2,5 mh 5 mh 10 mh 38 mh 155mH 460 mh Co 514 nf 1,9 µf 5,5 µf 1,1 µf 6 µf 30 µf Tabela 4.1 Parâmetros e Entidades Equipamentos de marcadores 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 uma Zona 1 ou 2. Pode-se utilizar os dados de armazenamento de energia de um instrumento para o grupo IIB e efetuar ao cálculos com um limitador de energia IIC, desde que utilizados apenas em grupo IIB e IIA. Também pode-se utilizar ao dados de um limitador de energia ib IIA, para o cálculo com um instrumento de campo ib IIC, desde que utilizamos apenas nas Zonas 1 e 2 e no grupo IIA.

44 4.6- 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 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 de elementos químicos e substâncias mais comuns encontrados na indústria, classificados por grupo e com suas respectivas temperaturas de ignição espontânea. 5- CABLAGEM DE EQUIPAMENTOS SI A norma de instalação não detalha o suficientemente os requisitos de construção e instalação dos fios e cabos em circuitos intrinsecamente seguros REQUISITOS DE CONSTRUÇÃO: A rigidez elétrica deve ser maior que 500 Uef. O condutor deve possuir isolante de espessura maior que 0,2 mm. Quando houver blindagem esta deve cobrir no mínimo 60% da superfície REQUISITOS DE INSTALAÇÃO: O principal requisito de instalação dos cabos de segurança intrínseca, que passaremos a chamar apenas de cabos SI, é a isolação em relação aos circuitos não intrinsecamente seguros, que chamaremos de NSI. A intenção da isolação é de não permitir que em casos de falhas o limitador de energia seja eliminado do loop Exi, o que certamente provocaria a detonação da atmosfera explosiva. Visando esclarecer os procedimentos práticos apresentamos as configurações mais indicadas para as fiações intrinsecamente seguras:

45 Caneletas Separadas Os cabos SI podem ser separados dos cabos NSI, através de caneletas separadas. Especialmente indicado para as fiações internas de gabinetes e armários de barreiras Caneletas Metálicas Figura 5.1 Canaletas Plásticas Separadas As caneletas metálicas podem ser usadas para separar as fiações Si da NSI, desde que devidamente aterradas no mesmo aterramento das estruturas metálicas das áreas classificadas (não precisa ser o aterramento íntegro com impedância menor que 1Ω). Normalmente indicado para as bandejas e leitos de cabos Cabos Blindados Figura5.2 Canaletas Metálicas Separadas Quando a separação dos cabos em caneletas distintas não for prática, pode-se utilizar cabos blindados com malha de terra devidamente aterrada no condutor equipotencial, no mesmo ponto que o circuito SI do qual ele faz parte. Caso haja necessidade de aterramento por razões funcionais em outros pontos, deve-se utilizar capacitores cerâmicos inferiores a 1nF/1500V.

46 Amarração dos Cabos Figura 5.3 Mesma Canaleta, Cabos Blindados Os cabos SI e NSI podem ser montados em uma mesma caneleta desde que separados com uma distância superior a 50 mm, devidamente amarrados. Empregado normalmente em painéis com circuitos SI, onde seu encaminhamento através de caneletas não é prático Separação Mecânica Figura 5.4 Mesma canaleta, Cabos Amarrados A separação mecânica dos cabos SI dos NSI é uma forma simples e eficaz para a separação dos circuitos. Quando utiliza-se caneletas metálicas, deve-se aterrar junto as estruturas metálicas.

47 Multicabos Figura 5.5 Canaletas com Separação Cabo multivias com vários circuitos SI não deve ser usado em Zona 0, sem antes um estudo das combinações das possíveis falhas. Cabos multivias fixo, com proteção externa adicional contra danos mecânicos, somente circuitos SI (<60Vp)correndo em núcleos adjacentes, pode ser considerado como não sujeito a falhas MONTAGEM DE PAINÉIS Figura 5.6 Multicabos Blindados Em instalações elétricas com circuitos intrinsecamente seguros, aos terminais SI devem ser efetivamente separados dos terminais NSI, como ilustra as figuras abaixo, onde no interior do painel as fiações SI possuem canaleta própria.

48 Figura 5.7 Exemplo de Separação por Canaletas A separação dos circuitos SI e NSI podem também ser efetivada por placas de separação metálicas ou não, ou por uma distância maior que 50 mm. Figura 5.8 Montagem com Entradas Separadas Figura 5.9 Montagem com Separador Cuidados na Montagem Além de um projeto apropriado cuidados adicionais devem ser observados nos painéis intrinsecamente seguros, pois como ilustra a figura 5.10 onde por falta de amarração nos cabos, uma falha pode ocorrer. Já na figura 5.11 a falta da placa de separação provocou a falha.

49 Figura 5.10 Falta de Amarração Figura 5.11 Falta de Separação Requisitos Gerais deve-se estudar o método de fiação para evitar que um circuito SI entre em contato com o NSI no caso de um fio ser desconectado. Os circuitos SI (invólucros, terminais, cabos, etc) devem ser identificados claramente, através de placas ou códigos de cores (recomenda-se o azul) Efeitos de Introdução Nos circuitos intrinsecamente seguros deve-se evitar os efeitos dos campo elétricos ou eletromagnéticos, oriundos da proximidade com cabos de alta tensão e corrente. Para tal deve-se utilizar a boa prática de se elevar a distância de escoamento da fonte de perturbação, além de utilizar técnicas de transposição e blindagem nos cabos dos circuitos SI. 6- 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 BARREIRAS ZENER As barreiras zener podem diferenciar-se quanto a 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.

50 Contato Seco A figura 6.1 a seguir 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. É importante notar que o circuito acrescenta uma resistência end to end de 300 Ω (que considera a resistência do fusível e do resistor). Para efeitos operacionais foi introduzido no circuito uma resistência de loop de 600 Ω, sem considerar a resistência da cablagem, o que pode influir no funcionamento, pois o relé se não for devidamente escolhido, pode não operar devido a baixa corrente. Figura 6.1 Barreira Zener com Contato Seco 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 sensores Namur (DIN ). Recomenda-se um teste prático para confirmar o funcionamento operacional do amplificador Namur com a introdução da barreira zener.

51 Solenóides e Sinalizadores Figura 6.2 Barreira Zener com Sensor Namur A aplicação da barreiras zener por acionamento, não é muito encontrada na prática pois estes elementos necessitam de potências mais altas, da ordem de 1W o que se torna inviável para os limitadores de corrente resistivos. Figura 6.3 Barreira Zener com Solenóide

52 Figura 6.4 Barreira Zener com Sinalizador Luminoso 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 a 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. Figura 6.6 Barreira Zener com Transmissor de Corrente Nota: Deve-se assegurar que a barreira zener permite a passagem de sinais digitais nas aplicações com transmissores inteligentes.

53 Conversor Eletropneumático Nas aplicações com conversores deve-se assegurar que a barreira zener não ofereça uma resistência (R end to end mais R do cabo), superior ao permitido pelo instrumento de campo. Figura 6.7 Barreira Zener com Conversor Eletropneumático Termopares Deve-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 de resistência end to end da barreira zener Termoresistências Figura 6.8 Barreira Zener com Termopares nas aplicações com termoresistências deve-se utilizar barreira 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.

54 Visando aumentar a precisão do sistema pois é importante que o circuito de medição de resistência seja livre de correntes de alimentação para diminuir a queda de tensão na cablagem ISOLADORES GALVÂNICOS Figura 6.9 Barreira Zener com Termoresistência Os isoladores galvânicos são mais complexos em termos de eletrônica, com custo mais elevados comparativamente com as barreiras zener mas em contra partida oferecem mais vantagens práticas, tais como: Não necessitam de aterramento íntegro (<1 Ω) Mantém as entradas isoladas eletricamente das saídas Apresentam maior rejeição de ruídos de modo comum Possibilitam a conversão 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 bourn out

55 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). Figura 6.11 Repetidor Digital Galvanicamente Isolado para Contato Seco ou Sensor de Proximidade 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. Figura 6.12 Eixo com Roda dentada e Sensor de Proximidade

56 O instrumento pode fornecer um alarme de rotação ou ainda um sinal analógico proporcional a rotação do equipamento monitorado. Figura 6.13 Conversor de Frequênica / Corrente com Entrada Intrinsecamente Segura 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. Figura 6.14 Drive Digital Galvanicamente Isolado para Solenóide, Sinaleiro Luminoso e Sonoro

57 São ideais para o acionamento de sinaleiros luminosos, sonoros e até pequenas válvulas solenóides. Figura 6.15 Sinaleiro Luminoso Exi Figura 6.16 Sinaleiro Sonro Exi 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. Figura 6.17 Repetidor Analógico Galvanicamente Isolado para Transmissores de 4-20 ma

58 Smart Trasmiters 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. Figura 6.18 Programação Remota de um Transmissor Inteligente Drives Analógicos Os drives analógicos (saída analógica Exi) tem como função acionar posicionadores e conversores eletropneumáticos, retransmitindo precisamente o sinal de corrente 4-20mA recebido do controlador. Figura 6.19 Drive Analógico Galvanicamente Isolado para Conversores de 4-20 ma

59 A confirmação do posicionamento da válvula pode ser obtida, instalando-se um potenciômetro junto a válvula de forma que o cursor seja movimentado em conjunto com o embolo. 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 Termoresistências Figura 6.20 Válvula Borboleta com Potenciômetro de Posição 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. Figura 6.21 Repetidor Analógico Galvanicamente Isolado para Termoresistências Pt-100

60 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. Figura Repetidor Analógico Galvanicamente Isolado para termopares J, K, R, S, T Outras Aplicações Aplicações mais específicas também podem ser realizadas com isoladores galvânicos, como por exemplo a medição de peso através de células de carga, conforme ilustra a figura 6.23: Figura 6.23 Conversor para Células de Carga