کابل ابزار دقیق برای مدارهای IS

به مفهوم مدارهای Intrinsic safety نگاهی خواهیم داشت و نکاتی را پیرامون کابل های ابزار دقیق برای مدارهای IS تقدیم خواهیم نمود.

Intrinsic safety یا ایمنی ذاتی

مفهوم ایمنی در محیطهای قابل انفجار، ممانعت از ترکیب و حضور همزمان محیط خطرساز (hazardous) و منبع آتش است. برای ایجاد این ایمنی، راهبردهای زیر در نظر گرفته میشوند:

1. جلوگیری از آزاد شدن انرژی کافی برای احتراق ترکیب قابل انفجار
2. جدا سازی فیزیکی منبع انرژی از ترکیب قابل انفجار
3. مهار انفجار با ایجاد یک فاصلۀ مناسب؛ طوری که هیچ آسیبی را در پی نداشته باشد.

روشهای گوناگونی برای جلوگیری از خطر انفجار وجود دارد. در میان این حفاظتها، ساده ترین و مؤثرترین روش قابل استفاده در سیستمهای برقی و الکترونیکی، ایمنی ذاتی یا همان Intrinsic safety به اختصار IS است.

مدار ذاتاً ایمن، مداریست که در آن انرژی الکتریکی در محیط خطرساز محدود میشود تا قابلیت ایجاد جرقه و اثرات حرارتی که میتوانند منتهی به انفجار شوند، از بین روند.

تجهیزات الکتریکی در محیط خطرناک (مثلاً در صنایع نفت، گاز و پتروشیمی) و نیز تجهیزات ابزار دقیق متصل به آنها، باید به نحوی طراحی شوند که بتوانند ولتاژ مدار باز (V_OC) و جریان اتصال کوتاه را (I_SC) پایین بیاورند. در این صورت، با قطع یا اتصال کوتاه در مدار، امکان اشتعال ترکیبات قابل انفجار توسط آنها فراهم نمیشود.

اما اگر سیستم فاقد چنین حفاظتی باشد، وقوع این فالتها میتوانند سبب ایجاد دمای اضافی، جرقه و قوس الکتریکی شوند و جو انفجاری محیط خطرناک را مشتعل سازند.

ایمنی ذاتی یک تکنیک سیگنالدهی کم انرژیست با اطمینان از اینکه انرژی انتقال یافته به یک منطقۀ خطرناک بسیار کمتر از انرژی خروجی لازم برای شروع انفجار است. این سطوح انرژی تولیدی به طور قابل توجهی کوچکند؛ اما قابل استفاده و کافی برای کارکرد سیستمهای ابزار دقیق هستند.

اجزای سیستم IS

یک سامانۀ ایمنی ذاتی، شامل سه جزء اصلی زیر است:

1. دستگاه یا ابزار موجود در محیط ذاتاً ایمن
2. سد ایمن ساز یا دستگاه محدود کنندۀ انرژی (Safety barrier)
3. وایرینگ مدار ذاتاً ایمن که سد ایمن ساز را به دستگاه فیلد متصل میکند.

ایمنی ذاتی یک مفهوم سیستمیست و لازم است ایمنی هر یک از اجزای سیستم در نظر گرفته شود. سد ایمن ساز در شرایط عادی، عملکرد خاصی نخواهد داشت و ولتاژ و جریان منبع تغذیه، بدون تغییر به دستگاه حاضر در فیلد منتقل میشوند.

اگر خطایی در کنترلر رخ دهد، ولتاژ بالایی مانند 250 ولت به ترمینالهای ورودی سد ایمن ساز (دستگاه محدود کنندۀ انرژی) اعمال خواهد شد. اما خروجی این دستگاه در حد مجاز مانند 24 ولت باقی خواهد ماند. به طور مشابه، اگر اتصال کوتاهی در دستگاه واقع در منطقۀ خطرناک ایجاد شود، سد ایمن ساز، جریان فالت را به حداکثر سطح مجاز محدود میکند که میتواند از کنترلر به سمت محیط خطرناک جاری شود.

با این توضیحات، آشکار میشود که باید سازگاری میان مشخصات Safety barrier و Intrinsic safety field device وجود داشته باشد. مفهوم Entity یک روش شناخته شدۀ جهانیست که حداکثر انرژی را که یک سد ایمنی میتواند ارائه دهد، مشخص میکند. همین روش، حداکثر انرژی را که یک دستگاه فیلد میتواند دریافت کند و همچنان ایمن باشد، معین میسازد.

شرایط Intrinsic Safe Loop

در یک لوپ IS، پارامترهای Entity به حداکثر مقدار مجاز ولتاژ، جریان و توانی که ممکن است به عنوان ورودی دریافت شود و ظرفیت معادل خازنی و اندوکتانس داخلی، مرتبط است. برای مدار یا حلقۀ IS، باید شرایط زیر رعایت شوند:

1. ولتاژ، جریان و توان خروجی دستگاه سد ایمن ساز، باید کمتر از ولتاژ، جریان و توان دستگاه حاضر در فیلد باشد.
2. حداکثر کاپاسیتانس و اندوکتانس معادل دستگاه ذاتاً ایمن باید کمتر از حداکثر ظرفیت خازنی و اندوکتانس مجاز Safety barrier باشد.
3. چون کابل های ابزار دقیق در وایرینگ فیلد، خود دارای ظرفیت خازنی و اندوکتانس هستند، این مقادیر نیز باید در نظر گرفته شوند. به عبارت دیگر، ظرفیت خازنی و اندوکتانس کل سیستم IS، مجموع کاپاسیتانس و اندوکتانس دستگاه و کابلهاست و در کنار هم باید شرط 2 را برآورده سازند.

اگر به هر دلیلی این شرایط برقرار نباشند، مدار از ایمنی ذاتی برخوردار نخواهد بود.

کابل ابزار دقیق IS و تفاوتش با NIS

اولین نکته ای که در مورد مشخصات کابلهای ابزار دقیق برای مدارهای IS مطرح میشود، حفاظت از آنها در برابر آسیبهای مکانیکی و تأثیرات میدانهای الکتریکی یا الکترومغناطیسی خارجیست.

معمولاً بسیاری از کابلهای ابزار دقیق توسط شیلدهای کلی (OSCR) یا انفرادی و کلی (ISCR/OSCR)، در برابر نویزها و تداخلات الکترومغناطیسی (EMI) محافظت میشوند. برای افزایش مقاومت مکانیکی نیز میتوان از شکلهای مختلف آرمر (زره) در ساختار کابلها، بهره جست. این ویژگیها در کابلهای ابزار دقیق Non IS یا NIS هم وجود دارند.

بنابراین، هنگامی که از تفاوت کابل IS با NIS سخن به میان می آید، باید بر پارامترهای الکتریکی کابل های ابزار دقیق و تطابق آن با پارمترهای مدار IS در پروژه تمرکز کنیم. به عبارت دیگر، هنگامی که پارامترهای کابل در محاسبات IS تأیید شود و الزامات را برآورده کند، میتواند در لوپ IS مدنظر به کار رود.

ویژگیهای کابل ابزار دقیق IS باید به گونه ای باشد که از بیشینه مقادیر مجاز اندوکتانس و کاپاسیتانس مدار، فراتر نرود. در عمل، ترانسمیتر (های) موجود در مدار ابزار دقیق، ظرفیت خازنی و اندوکتانس ورودی را تعیین میکند. طراح سیستم ابزار دقیق و مدار Intrinsic Safe، باید از رزیستانس، کاپاسیتانس و اندوکتانس کابل در واحد طول مطلع باشد. پس از آن میتواند مطمئن شود که مجموع این مقادیر در حد بیشینه ظرفیت خازنی و اندوکتانس مجاز سد الکترونیکی (دیودهای زنر) یا ایزولاتور گالوانیکی مدار هستند یا خیر. این در حالیست که کابلهای ابزار دقیق مورد استفاده در مدارهای NIS، نیازی به داشتن پارامترهای Entity ندارند.

گفتنیست که اغلب برای کابلهای ابزار دقیق که در مدارهای ذاتاً ایمن قرار خواهند گرفت، روکش نهایی به رنگ آبی روشن درخواست میشود تا از این طریق، خطر بالقوۀ مدار الکتریکی و نیاز به توجه ویژه، شناسایی شود. برای تمایز، رنگ روکش کابلهای ابزار دقیق خارج از مدار IS، مشکی یا طوسی خواهند بود. در Junction box یا JB نیز رنگ ترمینالها برای این کابلها به ترتیب آبی و طوسی هستند.

در برخی مقالات، برای اطمینان از مقاومت مکانیکی کابل ابزار دقیق IS، پیشنهاد استفاده از روکش پلی اورتان مطرح شده است. باید گفت، کمتر تولید کننده ای در دنیا روکش PUR را برای کابلهای ابزار دقیق انتخاب میکند و از این متریال معمولاً برای ساخت کابلهای کنترل و شبکۀ صنعتی استفاده میشود. در استانداردهای کابلهای ابزار دقیق مانند EN 50288-7 نیز روکشهایی از جنس PE، PVC و LSZH پیشنهاد شده اند.

معمولاً روکشهای PVC یا LSZH با ویژگیهای بازدارندۀ گسترش شعله (Flame retardant) و مقاوم در برابر UV به همراه آرمر فولادی نواری یا سیمی، میتوانند کابل را برای مدارهای IS مناسب سازی و از آسیبهای مکانیکی که میتوانند ایمنی الکتریکی را به خطر بیندازند، جلوگیری کنند.

مثالی برای بررسی حلقۀ IS

در تصویر زیر، مثالی از بررسی پارامترهای الکتریکی Loop یا مدار IS را مشاهده میفرمایید:

در این مثال، شرایط لازم برای برقراری مدار ذاتاً ایمن، فراهم است. ملاحظه میفرمایید که با افزایش طول کابلها، ظرفیت خازنی و اندوکتانس آن بیشتر خواهد شد. طول کابلها میتواند افزایش یابد؛ اما تا زمانی شرایط مدار IS برقرار خواهد بود که اندوکتانس و کاپاسیتانس کلی کابلها و دستگاه در محیط ایمنی ذاتی، بیشتر از ظرفیت خازنی و اندوکتانس مجاز سد ایمن ساز نشود.

یکی از راههای تنظیم مدار IS و برقراری شرایط لازم آن، انتخاب دستگاه محدود کنندۀ انرژی با مقادیر خروجی متناسب و دارای گواهینامۀ Ex i است.

استاندارد مرتبط با مدار و کابل ابزار دقیق IS

• DIN EN IEC 60079-14: طراحی، انتخاب و نصب تأسیسات الکتریکی در محیطهای انفجاری
• DIN EN IEC 60079-17: بازرسی و نگهداری تأسیسات برقی در محیطهای انفجاری
• DIN EN IEC 60079-25: ارزیابی سیستمهای IS

---

منابع:

1. دهقاندار فاطمه، کارشناس ارشد HSE، «کابل های IS و Non IS؛ چه تفاوتی بین این دو وجود دارد؟» (ترجمه)، نشریۀ داخلی صنعت سیم و کابل، شمارۀ 80، پاییز 1399.
2. Singh Nilima, Instrumentation and control Engineer, “Difference between Intrinsic Safe and Non-Intrinsic Safe Cables”, instrumentationtools.com
3. hazcon.com
4. Cancelosi John R., “Cables Used in Intrinsically Safe Circuits”, okonite.com