Jede Widerstandsmessung bringt Energie in das gemessene Element ein. In einer gewöhnlichen Installation denkt niemand darüber nach. In explosionsfähiger Atmosphäre ist genau das die Zertifizierungsfrage — und wie Sie sie beantworten, entscheidet darüber, wie viel Schutzbeschaltung am Ende zwischen Ihrem Sensor und Ihrem ADC sitzt.
Was die Norm tatsächlich verlangt
Eigensicherheit, definiert in IEC 60079-11, fragt nicht, ob eine Schaltung korrekt funktioniert. Sie fragt, ob die Schaltung genug Energie freisetzen kann — als Funke oder als Oberflächenwärme —, um die umgebende Atmosphäre zu zünden, und zwar sowohl im Normalbetrieb als auch bei einer definierten Anzahl von Fehlern. Das Schutzniveau Ex ia verlangt, dass die Sicherheit bei zwei angenommenen Fehlern erhalten bleibt; Ex ib bei einem.
Die beteiligten Energieschwellen sind klein. Mindestzündenergien liegen für Methan und Propan in der Größenordnung einiger hundert Mikrojoule und für Wasserstoff etwa eine Größenordnung darunter — im Bereich von zwanzig Mikrojoule. Gasgruppe IIC, die Wasserstoff und Acetylen umfasst, ist die schwierige — und es ist auch die, die in Raffinerien, Batterieräumen und Elektrolyseanlagen auftritt.
Daraus folgen zwei Dinge. Erstens: Die Reserven werden von der Physik gesetzt, nicht von Konventionen. Zweitens: Die Bewertung erfasst auch gespeicherte Energie — die Kapazität und die Induktivität in der Schaltung, nicht nur den Strom, den die Quelle liefern kann.
Die konventionelle Antwort, und was sie kostet
Der üblicherweise gewählte Weg ist, die Messung unangetastet zu lassen und Schutz um sie herum zu legen. Eine Sicherheitsbarriere oder ein galvanischer Trenner begrenzt Spannung und Strom an der Grenze. Serienwiderstände begrenzen den Fehlerstrom. Querelemente begrenzen die Spannung. Jedes Element ist redundant ausgelegt, damit es die für das Schutzniveau geforderte Fehleranzahl übersteht.
Das funktioniert. Es ist gut verstanden, breit zertifiziert — und es hat drei Kosten.
Es verschlechtert die Messung. Serienwiderstand im Messpfad ist Serienwiderstand in einer Widerstandsmessung. Barrieren bringen ihre eigene Toleranz, ihren eigenen Temperaturkoeffizienten und ihren eigenen Leckstrom mit, und diese Fehler legen sich direkt auf den Parameter, den Sie auf Milliohm auflösen wollen.
Es fügt Bauteile hinzu, die dieselbe Einstufung brauchen. In einer Hochtemperaturinstallation braucht nun jedes Schutzbauteil ebenfalls eine Temperatureinstufung. Die Barriere, die bei 40 °C einfach war, ist bei 175 °C ein Beschaffungsproblem.
Es verlagert die Zertifizierungslast in das System. Der Messkanal ist nur als Baugruppe eigensicher. Ändern Sie eine Leitungslänge, eine Kapazität, eine Induktivität — und die Bewertung muss erneut geführt werden.
Stattdessen die Energie aus der Messung nehmen
Es gibt einen anderen Weg, zu einem Widerstandswert zu kommen. Anstatt einen dauerhaften Erregerstrom einzuspeisen und die resultierende Spannung zu messen, können Sie eine Zeit messen.
Widerstand erscheint in der Zeitkonstante jeder Schaltung, die ihn mit einer bekannten Reaktanz kombiniert. Laden Sie eine bekannte Kapazität, entladen Sie sie über den unbekannten Widerstand und messen Sie die Dauer des Übergangs. Das Ergebnis ist ein Zeitintervall, das ein Zeit-Digital-Umsetzer sehr fein auflösen kann — und die beteiligte Energie wird vom Kondensator bestimmt, nicht von einem kontinuierlichen Strom.
Das ist die entscheidende Konsequenz. Die auf einem Kondensator gespeicherte Energie beträgt ein halbes C mal V zum Quadrat. Zehn Pikofarad bei einem Volt sind fünf Pikojoule. Ein Nanofarad bei einem Volt sind fünfhundert Nanojoule. Der Entwickler wählt das Energiebudget direkt, indem er Reaktanz und Erregerspannung wählt — und die Messung verbraucht diese Energie einmal pro Wandlung statt kontinuierlich.
Vergleichen Sie das mit den Zündenergien oben. Eine Messung, die Energie im Nanojoule-Bereich einbringt, liegt drei bis vier Größenordnungen unter der Mindestzündenergie von Wasserstoff — dem schwierigsten Gas der schwierigsten Gruppe.
Warum das keine Abkürzung bei der Zertifizierung ist
Es wäre falsch zu sagen, ein energiearmes Messprinzip mache ein System eigensicher. Das tut es nicht, und jeder Lieferant, der Ihnen etwas anderes erzählt, verdient einen zweiten Blick.
Die Zertifizierung wird an der vollständigen Schaltung bewertet, einschließlich alles, was Energie speichert oder liefert: die Versorgungsspannung, Leitungskapazität und -induktivität, die Steckverbinder, das Gehäuse und die Temperaturklasse der Bauteile. Ein Gerät, das die von ihm eingebrachte Energie begrenzt, nimmt einen der größten Beiträge aus dieser Bewertung heraus — es nimmt nicht die Bewertung heraus.
Was es verändert, ist die Form des Problems. Statt eine Messung zu entwerfen und sie anschließend zu schützen, beginnen Sie mit einer Messung, an der sehr wenig zu schützen ist. Der verbleibende Schutz ist kleiner, günstiger und beeinträchtigt das Gemessene weniger.
Wo die Kompromisse tatsächlich liegen
Widerstandsmessung im Zeitbereich ist nicht kostenlos.
Die Auflösung kommt aus der Zeitmessung, also zählt die Qualität der Zeitmessung. Die für die Zeit-Digital-Wandlung verwendete Referenz und deren Stabilität über Temperatur werden zu einem Beitrag erster Ordnung zur Messgenauigkeit. Das ist ein anderer Satz von Entwurfsproblemen als bei einer konventionellen Erreger-und-Mess-Eingangsstufe — kein leichterer.
Wandlungsrate und Energie stehen gegeneinander. Weniger Energie pro Wandlung bedeutet in der Regel kleinere Signale und längere Einschwingzeiten.
Leitungs- und Steckverbinder-Parasitäten gehen in die Messung ein. Das tun sie bei jeder hochgenauen Widerstandsmessung, aber der Mechanismus unterscheidet sich, und die Leitungskompensation muss für die jeweilige Topologie entworfen werden, statt von einem ratiometrischen Vierleiter-Frontend übernommen zu werden.
Keiner dieser Punkte ist ein Grund, den Ansatz zu meiden. Es sind die Fragen, die man bei seiner Bewertung stellt.
Wenn Sie einen Messkanal für einen Ex-Bereich spezifizieren
Drei Dinge sollten geklärt sein, bevor die Architektur gewählt wird.
Welche Gasgruppe und welches Schutzniveau. Ex ia IIC ist ein völlig anderer Ausgangspunkt als Ex ib IIB, und der Unterschied zeigt sich in jedem nachgelagerten Energiebudget.
Welche Genauigkeit bis zu welcher Temperatur erhalten bleiben muss. Genauigkeit bei 25 °C ist eine andere Spezifikation als Genauigkeit über den gesamten Betriebsbereich — und Schutzbauteile sind am oberen Ende des Bereichs oft der dominante Fehlerterm.
Wie der Fehlersatz in Ihrer Installation tatsächlich aussieht, einschließlich der Leitungswege. Die Norm definiert die Fehleranzahl; Ihre Installation definiert die parasitären Elemente.
Wenn Sie an einer Widerstandsmessung in einem Ex- oder Hochtemperaturbereich arbeiten, sagen Sie uns, gegen welche Norm Sie qualifizieren und welche Genauigkeit halten muss. Wir können Ihnen sagen, was ein Bauteil für Sie tut und was nicht — bevor Sie es eindesignen.