IEC 60079-28 使用光輻射傳輸系統和設備的防護

本文作者：UL 台灣工程部 Sigurd Su

隨著時代的演進，今日工業設備在資料的處理、通訊、量測、檢測等方面，正在大量使用光輻射的技術，其中最為大家熟知使用光輻射的設備包含電氣燈泡、雷射、LEDs 以及光纖設備。本期電子報仍聚焦 IEC 60079 這本標準，但我們這次要將聚光燈投射在 IEC 60079-28 使用光輻射傳輸系統和設備的防護要求。

由於通訊中使用光信號進行大量的資料傳輸，能夠兼具速度與不易受外界干擾的特性，因此使得光傳輸日益重要。然而在受益於其便利性外，我們不能忽略當置於在危險環境中，光的輻射能量對於環境中的爆炸性氣體和塵體引燃所造成爆炸的能力，絕對是防爆產品考慮的重點項目。

光輻射引燃機制

這部份可參考 IEC 60079-28 裡所提及的光輻射引燃爆炸性氣體與塵體之引燃機制。

  1. 光輻射被物體表面或組成粒子吸收後，物體溫度上升將導致周遭爆炸性氣體和塵體引燃的可能。
  2. 光輻射的波長符合周遭爆炸性氣體或蒸汽的吸收頻譜，造成氣體引燃。
  3. 輻射紫外光波長範圍，使得周遭氧的光分解作用造成光化學引燃。
  4. 雷射的集中強光源直接照射，促使氣體分解產生電漿和震波，兩者最後作用造成引燃源。這個過程可由固體物質靠近氣體分解的狀況下發生。

不過以上四種引燃過程，在實務上僅會考慮低輻射功率的情況，第 1 項的高溫則為視為最有可能發生的引燃狀況；而在脈衝輻射的情況下，第 4 項的電漿震波交互作用也是考慮的重點。這兩種情況已包含在 IEC 60079-28 標準中。

接著雖然理論上亦應注意上述的第 2 項和第 3 項的引燃機制，但由於特殊情況下的紫外線輻射和大多數的氣體吸收特性 (參考 IEC 60079-28 標準 Annex A)，這兩種情況並未在 IEC 60079-28 標準中闡述。

事實上，IEC 60079-28 的考慮波長範圍包含 380 nm 到 10 um，以下示意的光譜所列出的不同顏色，表示具有不同的波長：

光輻射避免引燃防護方式

根據設計，在 IEC 60079-28 Table 1 中的光輻射系統設備的防護等級 EPL 規定，分別列舉如下表：

防護方式 防護 EPL
Inherently safe Optical Radiation
本質安全的光輻射

說明：可見光或紅外光的輻射，在光源電路零件正常和故障的情況下，
限制光輻射設備提供的能量不足以引燃特定的爆炸性的氣體或塵體。

 op is
Protected Optical Radiation
受保護的光輻射

說明：可見光或紅外光的輻射，在正常的情況下或附加的防護機構下，
限制光輻射僅存在光纖或其他介質中，以達到避免溢散的輻射到外界
爆炸性的氣體或塵體環境中。

 op pr
Optical System with Interlock
有互鎖式的光輻射系統

說明：系統使用互鎖切斷的機構，限制可見光或紅外光的光輻射
僅存在光纖或其他介質中；當系統的限制機制失效且造成輻射溢
散到外界的情況下，可於一定的時間內有效的減少光輻射能量強
度至安全的等級。

 op sh

光輻射引燃危險評估

在 IEC 60079-28 的 Annex C 中載有一個簡單的評估方式，可參見下圖，並見下方的說明：

  • A. 當光輻射吸收源 (Absorber) 存在時， 該吸收源以表面或粒子的型態呈現，則吸收光輻射能量可造成熱點和點火源。
  • B. 當輻射光源 (Radiation Source) 存在時，以開放式光源或光纖電纜破損且能量超過安全等級型態呈現。
  • C. 爆炸性氣體 (Explosive Gas)存在時，可能為 Zone 0、Zone1 或 Zone 2 的環境等級。

以上當三者同時存在，就可能發生爆炸。

設計光輻射設備防護等級

根據設計，在 IEC 60079-28 Table 1 光輻射系統設備的防護等級 EPL，以下即分別列舉表列：

防護方式 Ga, Da, Ma Gb, Db, Mb Gc, Dc
Inherently safe Optical Radiation ”op is”
本質安全的光輻射
safe with two faults (兩個失效依然安全) Y Y Y
safe with one fault (一個失效依然安全) N Y Y
safe in normal operation (正常運作下安全) N N Y
Protected Optical Radiation “op pr”
受保護的光輻射
with additional mechanical protection
(op pr 加上額外機構的防護)		 N Y Y
normal industrial use, but without
additional mechanical protection
(沒有額外的機構防護)		 N N Y
Optical System with Interlock “op sh”
有互鎖式的光輻射系統
Protected fibre optic cable “op pr” for
Gb/Db/Mb + shutdown functional safety
system based on ignition delay time
Gb/Db/Mb 防護性的光纖電纜
op pr + (失效時) 關機的功能性系統		 Y(1) Y Y
Protected fibre optic cable “op pr” for
Gc/Dc + shutdown functional safety system
based on eye protection delay times (IEC 60825-2)
Gc/Dc 防護性的光纖電纜 op pr +
(失效時)關機的功能性系統		 N Y(1) Y
Unprotected fibre optic cable (not “op pr”) +
shutdown functional safety system based
on eye protection delay times (IEC 60825-2)
無防護的光纖電纜 (非 op pr) +
(失效時)關機的功能性系統		 N N Y

Note: (1) 指在一個失效的情況下，安全地關閉系統。

結語

以上是針對光輻射傳輸系統和設備的防護概要說明。

現今的諸多工業設備皆植有光纖的傳輸系統，有些還有標籤掃描的功能。在一般環境的使用下，這些設備並不須考量工業安全及公共安全問題；然而一旦其被置於具有爆炸性氣體或塵體的危險環境下，即必須考慮光輻射的各種引燃可能性，這些相關機制可援用本文主述的 IEC 60079-28 的評估為參考，來進行與產品設計相對應的設備防護等級。

本文參考資料出處：

  1. 與本文搭配的圖一與圖二出處及文本參考網站：https://expeltec.com/2014/04/22/optical-radiatiodn-hazard/
  2. 本文的其他資訊，主要內容參考 IEC 60079-28, 2nd 和 Annex C
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