Instalação da espectroscopia Raman em áreas classificadas (ATEX, IECEx, NEC/CEC)

Este artigo educativo tem como foco sistemas de espectroscopia Raman instalados em atmosferas gasosas explosivas, incluindo ATEX Zonas 0/1/2, IECEx e ambientes Classe I (NEC/CEC) da América do Norte.

Ele explica:

• Por que os sistemas Raman se enquadram em requisitos para áreas classificadas e quando as instalações exigem conformidade
• Como os riscos de ignição óptica surgem, são avaliados e mitigados
• Como as diretrizes da ATEX, IECEx e normas norte-americanas traduzem os mesmos princípios de segurança física em regras de certificação e instalação
• Como os riscos de ignição óptica são gerenciados usando os conceitos de limitação de potência (Ex op is) e sistemas com intertravamento (Ex op sh), e como isso afeta a rotulagem e a instalação

Nota: os equipamentos de espectroscopia Raman não são certificados para uso em atmosferas explosivas de poeira, pó ou fibras. Como resultado, esses ambientes estão fora do escopo deste artigo.
Este artigo também não aborda mecanismos de ignição não ópticos ou procedimentos detalhados de conformidade jurídica nacional, que exigem diferentes designs do sistema e abordagens de certificação.

Os sistemas de espectroscopia Raman podem se tornar uma fonte de ignição em potencial quando a radiação óptica fica concentrada em uma atmosfera de vapor ou gás inflamável, mesmo que as sondas Raman não gerem faíscas ou componentes elétricos quentes no ponto de medição.

O risco de ignição é resultado de um aquecimento localizado, causado pela energia óptica focada em superfícies ou partículas. Assim que uma instalação Raman é exposta a uma atmosfera que pode conter uma combinação de oxigênio e vapores ou névoa de gás inflamável, ele é considerado como estando em uma área classificada e deve estar em conformidade com os requisitos aplicáveis a equipamentos para áreas classificadas.

A conformidade para áreas classificadas da espectroscopia Raman é determinada pela física da ignição óptica, e não apenas por faíscas elétricas ou pela legislação local.

A conformidade dos sistemas Raman para áreas classificadas é regida pelos mesmos princípios de segurança física em todo o mundo. As diretrizes regionais diferem principalmente na forma como as áreas classificadas são categorizadas e documentadas, e não na lógica de instalação ou mecanismos de prevenção de ignição subjacentes.

A ATEX (Europa) e a IECEx (internacional) utilizam um sistema de classificação baseado em zonas (Zonas 0, 1, 2) para definir a probabilidade e a duração da presença de atmosferas com gases explosivos. Essas zonas determinam onde as sondas Raman podem ser instaladas e quais conceitos de proteção devem ser aplicados.

• A ATEX(UE) é uma diretriz legal vinculada à identificação CE.
• A IECEx(internacional) fornece um sistema de conformidade global com base nas normas IEC.

As normas norte-americanas (NEC/CEC) aplicam os conceitos de classe/divisão ou classe/zona para locais com risco de explosão por gás (Classe I), e as aprovações dos equipamentos são geralmente emitidas pela UL, FM ou CSA.

Embora a terminologia seja diferente, a intenção é a mesma: definir locais perigosos e garantir que as fontes de ignição sejam controladas.

• A classificação das áreas classificadas define onde as sondas ópticas e os componentes associados podem ser instalados (zonas na ATEX/IECEx; classe/divisão ou classe/zona na NEC/CEC).
• O limite do raio, incluindo intertravamentos em caminhos ópticos e conexões de fibra, junto com a limitação de potência do laser no ponto de medição (extremidade da sonda), evita a ignição óptica.
• Conceitos de proteção óptica são aplicados a nível do sistema para garantir que a radiação laser não provoque a ignição de uma atmosfera de gás inflamável.

Em instalações Raman, a localização da ponta da sonda determina os requisitos relativos à área classificada, pois é nesse ponto que a energia óptica é emitida intencionalmente no processo.

• Zona 0: atmosfera explosiva presente continuamente ou por longos períodos
• Zona 1: provável que ocorra ocasionalmente
• Zona 2: improvável ou presente por períodos curtos

O analisador é muitas vezes instalado fisicamente em uma área não classificada (geral), enquanto os cabos de fibra óptica conectam o analisador à sonda na Zona 0, 1 ou 2.

Mesmo quando instalado em uma área geral, o analisador ainda pode exigir um identificação de área classificada (Ex) se ele fizer parte de um sistema que transmite energia óptica para uma zona classificada. Nesses casos, o analisador é avaliado e identificado com base em sua conexão funcional à área classificada, e não apenas em seu local físico.

A lista a seguir mostra um mapeamento conceitual simplificado entre zonas de gás ATEX (à esquerda) e classificações norte-americanas (à direita). A terminologia difere, mas a lógica de risco de ignição é a mesma.

• Zona 0 → Classe I, Divisão 1
• Zona 1 → Classe I, Divisão 1
• Zona 2 → Classe I, Divisão 2

Os principais elementos para identificação do sistema Raman incluem:

Grupo do equipamento: Grupo II (indústrias de superfície como química e farmacêutica)

Nível de proteção do equipamento (EPL):

• Ga → Zona 0
• Gb → Zona 1
• Gc → Zona 2

Grupos de gases: IIA, IIB, IIC (IIC sendo o mais exigente)

Classe de temperatura: por ex., T6 (85°C), T4 (135°C)

O grupo de gases e a classe de temperatura são especificados pelo proprietário da planta industrial com base nos dados do processo e determinam a identificação final do sistema.

A radiação óptica pode causar a ignição de atmosferas inflamáveis quando a energia é concentrada e absorvida por pequenas superfícies ou partículas. A IEC 60079-28:2015 descreve este mecanismo e define os conceitos de proteção para evitar a ignição em atmosferas explosivas.

A norma inclui tabelas de referência que definem os limites de potência da radiação óptica inerentemente segura (Ex op is) para comprimentos de onda específicos, condições de exposição e grupos de gases. Essas tabelas fornecem orientações básicas para níveis de potência óptica que são considerados sem risco de ignição sob premissas definidas.

Em aplicações Raman práticas, o limite de potência segura aplicável deve ser confirmado através de uma avaliação de riscos do laser (LHA). A LHA leva em conta não apenas os valores de referência padrão, mas também os parâmetros específicos da aplicação, incluindo:

• Grupo de gases e sensibilidade à ignição
• Comprimento de onda e geometria do raio
• Duração da exposição e foco óptico
• Design da sonda e pressupostos de falha

A LHA define, portanto, a potência máxima permitida do laser na ponta da sonda e a identificação Ex final do sistema.

A Ex op is limita a energia óptica de forma que a ignição não seja possível durante a operação normal e condições de falha definidas. Nos sistemas Raman, isso normalmente é alcançado através da limitação da potência do laser na ponta da sonda.

Não existe um valor de potência do laser universalmente seguro. Embora a IEC 60079-28 forneça limites de referência, a potência máxima permitida permanece específica para a aplicação e deve ser validada pela LHA, que define os limites operacionais de segurança e a identificação final do sistema.

A Ex op sh permite maior potência óptica, mas depende de medidas de segurança planejadas e intertravamentos para garantir que a radiação óptica seja desativada sempre que condições relevantes para a ignição possam ocorrer.

Esse conceito é comumente usado quando:

• O desempenho de medição requer uma potência do laser acima dos limites da Ex op is
• Condições inseguras podem ser detectadas e mitigadas de forma confiável

A Ex op sh pode incluir:

• Detecção de ruptura do cabo
• Intertravamentos nas conexões de fibra
• Monitoramento das condições de processo (por ex.: perda de cobertura de líquido)
• Desligamento automático do laser

A Ex op sh se aplica a nível do sistema e pode envolver componentes localizados fora da área classificada.

Em muitas aplicações de processo, as sondas Raman são instaladas em ambientes que normalmente não são explosivos, como linhas ou recipientes preenchidos com líquidos. Em condições normais de operação, a presença de líquido evita a formação de uma atmosfera de gás inflamável na ponta da sonda.

No entanto, as condições do processo podem mudar. A perda de cobertura pelo líquido, liberação de gás, secagem ou operação anormal podem levar à formação temporária de uma fase gasosa ou de vapor inflamável no ponto de medição. Nesses cenários, o risco de ignição óptica pode mudar dinamicamente, mesmo que a instalação não seja classificada como permanentemente perigosa.

Diretrizes industriais, incluindo as recomendações NAMUR, reconhecem esse cenário e descrevem o uso de conceitos de proteção óptica com intertravamento (Ex op sh) para gerenciar ambientes com risco condicional de explosão. Nesses casos, a Ex op sh não apenas permite maior potência óptica, mas garante que a radiação óptica seja automaticamente desativada sempre que as condições mudam para um estado relevante para a ignição (por exemplo, quando a cobertura do líquido é perdida).

Essa abordagem permite que a espectroscopia Raman seja aplicada com segurança em processos em que atmosferas explosivas não são esperadas durante a operação normal, mas não podem ser excluídas em condições anormais ou transitórias definidas, desde que a lógica de detecção, os intertravamentos e o comportamento de desligamento sejam claramente definidos e validados a nível do sistema.

Uma instalação típica do sistema Raman inclui:

• Um analisador localizado em uma área não classificada ou, quando aplicável, em um gabinete certificado para instalação na Zona 1/Divisão 2
• Cabos de fibra óptica que entram em áreas classificadas
• Uma sonda Raman com certificação Ex (ATEX, IECEx ou norma norte-americana NEC/CEC, conforme aplicável) instalada nas Zonas 0, 1 ou 2

Dependendo do conceito de proteção óptica selecionado (Ex op is ou Ex op sh), o sistema certificado depende do confinamento do raio, da limitação da potência do laser na sonda e das medidas de proteção associadas. Intertravamentos adicionais ou funções de monitoramento quando implementados usando equipamentos separados, não fazem parte da certificação do sistema Raman e devem ser avaliados pelo usuário final como parte do conceito geral de instalação e segurança.

Conforme mostrado na ilustração acima, o local da sonda define o zoneamento (Zona 0/1/2) enquanto o analisador geralmente fica localizado em uma área geral. A ignição óptica é controlada através da Ex op is (potência limitada pela LHA) ou Ex op sh (sistema óptico de intertravamento: monitoramento da ruptura do cabo/condição → desligamento do laser). A combinação completa entre analisador, fibra, sonda e intertravamento é avaliada e identificada como um sistema único certificado, e o analisador ainda requer uma identificação Ex quando conectado funcionalmente a uma zona classificada.

Considerações Ex op sh durante a instalação - Fibras, conectores e intertravamentos

Em instalações práticas, a aplicação da Ex op sh é mais visível durante a instalação e integração do sistema, e não na sonda em si.

Embora a sonda Raman seja normalmente projetada para atender a requisitos de proteção óptica definidos, o controle de risco de ignição a nível do sistema é frequentemente determinado pela forma como a energia óptica é transmitida do analisador para a área classificada. Isto inclui:

• Cabo de fibra óptica que passa por zonas classificadas e não classificadas
• Conectores ópticos localizados nos limites da zona ou dentro de invólucros
• A integridade do caminho óptico entre o analisador e a sonda

Por essa razão, os sistemas Ex op sh implementam intertravamentos que monitoram a continuidade do cabo e o status do conector, garantindo que a radiação laser seja automaticamente desativada se o caminho óptico for interrompido ou exposto. Estas medidas são particularmente relevantes durante:

• Instalação e comissionamento
• Manutenção ou reconexão da fibra
• Condições anormais, como danos no cabo

Do ponto de vista da instalação, a Ex op sh muda o foco da certificação a nível dos componentes para o comportamento a nível do sistema: o roteamento de cabos, manuseio de conectores e validação de intertravamentos tornam-se parte do conceito de segurança da área classificada e deve ser considerado durante o planejamento, instalação e documentação.

• Determinar a classificação da área (zonas ou classes)
• Especificar o grupo de gases e a classe de temperatura com base nos dados do processo
• Garantir que a instalação mecânica e elétrica estejam corretas
• Realizar ou contratar avaliações de áreas classificadas e de riscos do lasers

• Fornecer o equipamento Raman com certificação Ex (analisador, sonda ou componentes individuais, conforme aplicável), com a sonda identificada de acordo com os requisitos definidos pelo profissional responsável pela segurança Ex na planta industrial do cliente
• Comunicar os métodos de proteção óptica disponíveis compatíveis com o equipamento (por exemplo, Ex op is ou Ex op sh)
• Definir e documentar os limites de potência do laser certificados, recursos de proteção integrados e a identificação necessária do equipamento
• Quando a Ex op sh é aplicada, definir claramente o escopo da certificação e o limite entre equipamentos certificados e as responsabilidades gerais de integração do sistema e avaliação de segurança do cliente

A conformidade em áreas classificadas se aplica a todo o sistema Raman, não a componentes individuais. Analisador, sonda, fibra óptica, configurações de potência e funções de segurança formam uma única configuração certificada. Qualquer alteração implica em uma reavaliação.

Etapas que devem ser realizadas pelo profissional responsável pela segurança Ex em uma planta industrial do cliente antes de selecionar o equipamento para a área Ex

1. Confirmar e documentar a categorização da área classificada
2. Definir o grupo de gases e a classe de temperatura
3. Efetuar a avaliação de risco do laser (LHA)
4. Decidir se a Ex op is (limitação de potência) ou a Ex op sh (sistema de intertravamento) é necessária
5. Selecionar um analisador e/ou sonda certificado, garantindo que aidentificação da sonda Ex seja adequada para o grupo de gases e classe de temperatura definidos durante a categorização da área classificada
6. Planejar a arquitetura da instalação e o roteamento das fibras
7. Verificar as identificações (nível de proteção do equipamento, grupo de gases, classe de temperatura, conceito de proteção óptica)
8. Elaborar a documentação as-built e manter os certificados
9. Treinar a equipe em operações seguras

"A potência do laser é predefinida pelo instrumento."

Não. A potência máxima permitida depende da aplicação específica e é definida pelas condições da área classificada.

"Se o analisador for certificado, o sistema está em conformidade."

Não. A conformidade é avaliada a nível do sistema, portanto uma sonda certificada Ex também é necessária.

"As instalações das normas IECEx, ATEX e normas norte-americanas (NEC/CEC) seguem regras diferentes."

Não. Seja usando a classificação de Zona ou Divisão, a lógica de instalação é a mesma. A diferença está na forma como as áreas classificadas são categorizadas e certificadas.

"A Ex op sh é uma exceção."

Não. A Ex op sh é um conceito de proteção padrão reconhecido projetado para casos de uso específicos, geralmente quando a janela da sonda Raman fica submersa em uma amostra líquida e condições classificadas (gás, névoa ou vapor em combinação com oxigênio) podem ocorrer somente na ausência desse líquido, e podem ser detectadas e mitigadas com confiança.

1. 1910.307 - Hazardous (classified) locations. | Occupational Safety and Health Administration
2. Diretriz ATEX 2014/34/EU –
4. Categorização de áreas classificadas (América do Norte) – Visão geral dos conceitos de Classe/Divisão e Zona utilizados nas normas NEC e CEC
5. IEC 60079-28:2015 –
6. Visão geral de sistemas IECEx –
7. Orientações NAMUR (associação de usuários) –