بریر(Safety Barriers) یا بریر ایزوله ساز(Isolation Barrier) یک ماژول الکترونیکی است که انرژی عرضه شده به مدار را محدود می کند و محیط خطرناک را از انرژی اضافی محافظت می کند. منظور از انرژی می تواند جریان، ولتاژ و توان باشد این امر نگهداری و تعمیر مدارهای ذاتا ایمن را ساده می کند.با محدود کردن انرژی به یک سطح ایمن، مدارهای ذاتا ایمن IS(Intrinsic Safe) از جرقه های بالقوه انفجاری جلوگیری می کنند. بریر یکی از ایمن‌ترین راه‌ها برای اطمینان از این است که دستگاه الکتریکی نصب شده در مکان خطرناک نمی‌تواند منجر به آتش‌سوزی یا انفجار شود. آنها می توانند سیگنال های استاندارد مانند ۴ تا ۲۰ میلی آمپر و همچنین سیگنال های کمتر رایج را پردازش کنند. بریر های ایمنی زیادی وجود دارد که برای کاربردهای خاص توسعه یافته اند.
بریر از نوع برند Pepperl+Fuchs
برای نشان دادن اینکه چرا حفاظت از تجهیزات الکتریکی در یک محیط خطرناک حیاتی است، اجازه دهید به نصب مدار الکتریکی در چنین منطقه ای بدون هیچ گونه حفاظتی نگاه کنیم. یک سنسور الکتریکی در یک محیط خطرناک قرار می گیرد. برق از یک محیط امن، خارج از مکان خطرناک به آن تغذیه می شود. اگر خطا در ناحیه امن رخ دهد، ولتاژ ۲۵۰ ولت یا حتی بیشتر می تواند وارد محیط خطرناک شود.
علاوه بر این، اگر یک خطا در سنسور الکتریکی ما واقع در ناحیه خطرناک رخ دهد، یک جریان اتصال کوتاه با جریان بالا می تواند از منبع تغذیه ما به محل ناحیه خطرناک برود. در هر دوی این شرایطی که خطایی رخ داده است، دمای اضافی، آرک(Arc) ها و جرقه ها می توانند جو انفجاری موجود را مشتعل کنند.
بریر یک تکنیک حفاظتی بسیار مؤثر است که بر اساس اصل محدود سازی انرژی حرارتی و الکتریکی در تجهیزات و سیم‌کشی متصل به آن است.
یک سیستم ایمنی ذاتی شامل سه جزء اصلی است:
IS(Intrinsic Safety) یا ایمنی زاتی یک مفهوم سیستمی است و لازم است ایمنی هر یک از اجزای سیستم در نظر گرفته شود. بریر حداکثر مقدار ولتاژ، جریان و توان انتقالی به تجهیز میدانی را به سطوح ایمن محدود می کند. تحت عملکرد عادی، بریر به عنوان یک وسیله ایمنی مورد نیاز نیست. برای مثال، ولتاژ و جریان ورودی از منبع تغذیه، ممکن است مستقیماً بدون هیچ تغییری به دستگاه میدان منتقل شود.
از طرف دیگر، اگر خطای روی کنترلر رخ دهد و ۲۵۰ ولت به پایانه های ورودی بربر ما تحویل داده شود، ولتاژ خروجی همان حداکثر مقدار مجاز باقی می ماند، مثلاً در مورد ما ۲۴ ولت.
به طور مشابه، اگر یک خطا در تجهیزات فیلد ما واقع در محیط خطرناک رخ دهد، بریر این جریان خطا را به حداکثر سطح مجاز محدود می‌کند که می‌تواند از کنترلر ما به محیط خطرناک سرازیر شود.
برای بریر، حداکثر مقادیر مجاز برای حداکثر مقدار ولتاژ، جریان و توانی که بریر می‌تواند به یک منطقه خطرناک تحویل دهد، و همچنین حداکثر ظرفیت خازنی و القایی مجاز که ممکن است به طور ایمن به خروجی بریر متصل شود اعمال می‌شود.
برای دستگاه میدان IS، پارامترهای موجودیت مربوط به حداکثر مقدار مجاز ولتاژ، جریان و توانی است که ممکن است به عنوان ورودی دریافت شود، همچنین ظرفیت داخلی و اندوکتانس معادل.
ولتاژ خروجی بریر باید کمتر از ولتاژ تجهیز فیلد باشد. همین رابطه برای جریان و توان نیز صادق است.
حداکثر ظرفیت خازنی داخلی معادل دستگاه بریر باید کمتر از حداکثر ظرفیت مجاز بریر باشد. همین امر در مورد مقدار اندوکتانس نیز صادق است.
از آنجایی که کابل های سیم کشی میدان دارای مقادیر خازن و اندوکتانس هستند، این مقادیر نیز باید در نظر گرفته شوند. بنابراین، ظرفیت کل سیستم IS، ظرفیت دستگاه میدان به اضافه ظرفیت کابل ها است. این مجموع باید کمتر از حداکثر مقدار مجاز بریر باشد. به طور مشابه، اندوکتانس کل سیستم باید کمتر از اندوکتانس بریر باشد.
برای اینکه درک خود را از مفهوم سیستم ذلتل ایمن (IS) بیشتر کنید نمونه پارامتر زیر را در نظر بگیرید. آیا این سیستم ایمن خواهد بود؟ چرا بله یا چرا نه؟
یک نمونه از پارامترهای بریر
این سیستم شامل یک دستگاه میدان ایمن ذاتی با پارامترهای موجودیت فهرست شده زیر است:
ولتاژ ورودی ۳۰ ولت (Ui = 30 ولت) و جریان ورودی دستگاه میدان ۱۱۰ میلی آمپر (Ii = 110 میلی آمپر) است.
حداکثر ظرفیت خازنی ۲۰ نانوفاراد (Ci = 20 nF) و حداکثر اندوکتانس داخلی ۵ میکروهنری (۵ µH) است.
ماژول بریر دارای پارامترهای موجود زیر است:
ولتاژ خروجی ۲۴ ولت (Uo = 24 V)
جریان خروجی ۱۲۵ میلی آمپر (Io = 125mA)
حداکثر ظرفیت خازنی مجاز ۱۰۰ نانوفاراد (Co = 100nF) و حداکثر اندوکتانس مجاز ۳۵ میکروهنری (۳۵ µH) است.
۲۰ متر کابل نیز بریر را به دستگاه صحرایی متصل می کند.
رابطه جریان، ولتاژ،توان ، ظرفیت خازن و سلف بریر با تجهیزات فیلد
آیا این سیستم ایمن خواهد بود؟
همانطور که می بینیم، حداکثر ولتاژ خروجی بریر کمتر از حداکثر ولتاژ ورودی مجاز دستگاه IS است. این امن است.
حداکثر جریان خروجی بریر بالاتر از حداکثر جریان ورودی مجاز دستگاه میدان است. بنابراین استفاده از این بریر در ترکیب با این دستگاه ایمن نیست. ما باید یک بریر با جریان خروجی کمتر انتخاب کنیم. به عنوان مثال، اگر بریری با جریان خروجی ۱۰۰ میلی آمپر انتخاب کنیم، این جنبه از سیستم ایمنی ذاتی اکنون ایمن است.
اما هنوز باید مقادیر خازن و اندوکتانس را در نظر بگیریم. حداکثر ظرفیت معادل دستگاه ذاتا ایمن کمتر از حداکثر ظرفیت مجاز مجاز است که می تواند به بریر متصل شود.
همچنین حداکثر اندوکتانس معادل دستگاه IS کمتر از حداکثر اندوکتانس مجاز قابل اتصال به بریر است.
اما در مورد کابل های اتصال چطور؟ اگر برای ظرفیت کابل ۲۰۰ پیکوفاراد در هر متر و برای مقدار اندوکتانس کابل ۱ میکروهنری در هر متر در نظر بگیریم، پس نصب با کابل های اتصال ۲۰ متر ایمن است. اتصال سیم کشی می تواند طولانی تر باشد تا زمانی که اندوکتانس و ظرفیت کلی کابل ها و دستگاه ذاتا ایمن کمتر از مقادیر مجاز مانع باشد.
انواع مختلفی از بریر ذاتا ایمن (IS) در تجهیزات الکتریکی مانند دتکتور گاز، دتکتور آتش، آلارم‌ها و نصب بیشتر در یک محیط خطرناک و قابل انفجار وجود دارند. بریرهای IS تجهیزات را در برابر افزایش جریان که در غیر این صورت خطر تبدیل تجهیزات به منبع احتراق را به خطر می اندازد محافظت می کند. و مقدار انرژی مجاز برای عبور به منطقه خطرناک را محدود می کند و از اشتعال در جو جلوگیری می کند.
در حالت کلی ۲ نوع مانع ذاتی ایمن وجود دارد:
علاوه بر عملکرد محافظت در برابر انفجار، بریر ایزوله گالوانیکی برای محافظت از مدارهای اندازه گیری و کنترل در برابر اعوجاج سیگنال و نوسانات خطرناک به کار گرته می شود. همچنین، این ماژول ها رابط سیگنال های فیلد و کنترل را تبدیل، استاندارد و تقسیم می کنند. در این نوع بریر ها از اوپتو کوپر به جای زنر به کار گرفته می شود.
بریر ایزوله شده(گالوانیک)
بریر زنر از انتقال انرژی بیش از حد بالا بین ناحیه غیر انفجاری به ناحیه خطرناک جلوگیری می کند. علاوه بر این، ماژول های رابط به گونه ای انتخاب می شوند که به ایزولاتور گالوانیکی نیاز نباشد.
بریر زنر (دیود شنت)
به هر حال، بریر ذاتاً ایمن باید بین دستگاه‌های موجود در ناحیه خطرناک و تجهیزات کنترلی (نصب شده در یک منطقه امن) قرار گیرد. بریر ها سطوح انرژی را در مدارها محدود می کند تا از احتراق مخلوط بالقوه انفجاری، حتی در صورت خرابی سیستم جلوگیری شود. به طور خلاصه، دو نوع مانع ذاتی ایمن برای کنترل سطوح انرژی در مدار الکتریکی وجود دارد. به طور خاص، موانع زنر انرژی اضافی را از طریق فیوز و دیودهای زنر به زمین هدایت می کنند. و ایزولاتورهای گالوانیک مدارها را در مناطق خطرناک و آنهایی را که در مناطق امن هستند از طریق رله ها، ترانسفورماتورها و ایزولاتورهای اوپتو کوپلر ایزوله می کنند.
همانطور که می بینیم، حداکثر ولتاژ خروجی بریر کمتر از حداکثر ولتاژ ورودی مجاز دستگاه IS است. این به ایمن سازی دستگاه منجر می شود.
حداکثر جریان خروجی بریر بالاتر از حداکثر جریان ورودی مجاز دستگاه میدان است. بنابراین استفاده از بریر در ترکیب با این دستگاه بی خطر نیست. ما باید یک بریر با جریان خروجی کمتر انتخاب کنیم. به عنوان مثال، اگر یریری با جریان خروجی ۱۰۰ میلی آمپر انتخاب کنیم، این جنبه از سیستم ایمنی ذاتی اکنون ایمن است.
اما هنوز باید مقادیر خازن و اندوکتانس را در نظر بگیریم. حداکثر ظرفیت معادل دستگاه ذاتا ایمن کمتر از حداکثر ظرفیت مجاز است که می تواند به بریر متصل شود.
همچنین حداکثر اندوکتانس معادل دستگاه IS کمتر از حداکثر اندوکتانس مجاز قابل اتصال به بریر است.
اما در مورد کابل های اتصال چطور؟ اگر برای ظرفیت کابل ۲۰۰ پیکوفاراد در هر متر و برای مقدار اندوکتانس کابل ۱ میکروهنری در هر متر در نظر بگیریم، پس نصب با کابل های اتصال ۲۰ متر ایمن است. سیم کشی می تواند طولانی تر باشد تا زمانی که اندوکتانس و ظرفیت کلی کابل ها و دستگاه ذاتا ایمن کمتر از مقادیر مجاز بریر باشد.
