在防爆危险区（ATEX、IECEx、NEC/CEC）安装拉曼光谱分析系统
了解如何在防爆危险区安全安装拉曼光谱分析系统。本文阐述了光学点燃风险、保护概念，以及ATEX、IECEx和北美标准如何影响合规的拉曼系统设计与安装。
简述
- 拉曼光谱分析系统受防爆法规约束
- ATEX、IECEx和NEC/CEC防爆危险区框架适用于拉曼系统安装
- 通过Ex op is和Ex op sh保护概念管控光学点燃风险
- 实际安装、标记与责任原则有助于确保在运行过程中符合防爆法规
引言
本文重点介绍安装在气体爆炸性环境中的拉曼光谱分析系统，包括ATEX Zone 0/1/2、IECEx和北美I类（NEC/CEC）环境。
阐述内容如下：
- 拉曼系统为何需要满足防爆危险区要求，以及在什么情况下安装必须合规
- 光学点燃风险的产生、评估和缓解措施
- ATEX、IECEx和北美框架如何将相同的物理安全原则转化为认证与安装规则
- 如何利用功率限制（Ex op is）和联锁系统（Ex op sh）概念管理光学点燃风险，以及这些措施如何影响标识和安装
注意：拉曼光谱分析系统未获准用于粉尘、粉末或纤维爆炸性环境。因此，这些环境不在本文的讨论范围内。
本文也不涉及非光学点燃机制或详细的国家法律合规程序（需要单独的系统设计和认证）。
拉曼系统安装是否需要符合防爆危险区要求？
即使拉曼探头在测量点不会产生火花或导致电子部件发烫，但当光辐射集中于易燃气体或蒸汽环境中时，拉曼光谱分析系统仍可能成为潜在点燃源。
点燃风险源于聚焦光能照射到表面或颗粒上引起的局部高温。一旦拉曼系统暴露于可能含有氧气和易燃气体蒸汽或雾气的混合物环境中，即被视为处于防爆危险区，必须符合相关的防爆设备要求。
关键要点
拉曼光谱分析系统的防爆合规性取决于光学点燃物理原理，而不仅仅是电火花或地区性法规。
防爆危险区框架：ATEX、IECEx和北美（NEC/CEC）
拉曼系统的防爆合规性遵循全球通用的物理安全原则。地区性框架之间的主要区别在于防爆危险区的分类和记录方式，而非底层安装逻辑或点燃预防机制。
相同的物理原理，不同的框架
ATEX（欧洲）和IECEx（国际）采用基于区域的分类系统（Zone 0、Zone 1、Zone 2）来定义爆炸性气体环境存在的可能性和持续时间。这些区域决定了拉曼探头的允许安装位置以及必须应用的保护概念。
北美标准（NEC/CEC）对气体危险场所（I类）应用“Class/Division”或“Class/Zone”概念，设备认证通常由UL、FM或CSA颁发。
尽管术语不同，但目的相同：定义危险场所并确保点燃源受到管控。
所有地区均适用相同的原则：
- 防爆危险区分类定义了光学探头及相关组件的允许安装位置（ATEX/IECEx标准中的“Zone”；NEC/CEC标准中的“Class/Division”或“Class/Zone”）。
- 通过光束限制（包括光路和光纤连接联锁）以及测量点（探头端）的激光功率限制防止光学点燃。
- 在系统层面应用光学保护概念，确保激光辐射不会引燃易燃气体环境。
Zone和Class：对探头和分析仪的意义
基于探头的区域划分和系统级评估
在拉曼系统安装中，探头末端的位置决定了防爆危险区要求，因为光能会在这里按设计发射至工艺过程。
- Zone 0：爆炸性环境持续或长时间存在
- Zone 1：爆炸性环境可能偶尔出现
- Zone 2：爆炸性环境不太可能出现或仅短暂出现
分析仪通常安装在非防爆危险区（一般区域），而光纤电缆则将分析仪连接到Zone 0、Zone 1或Zone 2的探头。
重要的系统级细节
即使分析仪安装在一般区域，如果它是向防爆危险区传输光能的系统的组成部分，则仍可能需要防爆（Ex）标记。这种情况下，分析仪的评估和标记将基于其与防爆危险区的功能连接，而不仅仅是其物理位置。
以下列表显示了ATEX气体区域（左）与北美分类（右）之间的简化概念映射。尽管术语不同，但点燃风险逻辑相同。
- Zone 0 → Class I，Division 1
- Zone 1 → Class I，Division 1
- Zone 2 → Class I，Division 2
拉曼系统的设备标记要点
拉曼系统标记的关键要素包括：
设备组别：II组（化工、制药等表面科学行业）
设备保护级别（EPL）：
- Ga → Zone 0
- Gb → Zone 1
- Gc → Zone 2
气体组别：IIA、IIB、IIC（其中IIC的要求最严苛）
温度等级：例如T6（85°C）、T4（135°C）
气体组别和温度等级由工厂所有者根据过程数据指定，并决定最终的系统标识。
光学点燃与保护：IEC 60079-28:2015标准、Ex op is及最大功率
光学点燃风险
如果能量集中并被微小表面或颗粒吸收，则光学辐射会点燃易燃气体。IEC 60079-28:2015标准描述了这一机制，并定义了防止爆炸性环境中点燃的保护概念。
此标准包含一系列参考表格，定义了特定波长、暴露条件和气体组别下本质安全型光辐射（Ex opis）的功率限值。这些表格为在特定假设下被视为非点燃性的光学功率水平提供了基准指导。
在实际拉曼应用中，必须通过激光危害评估（LHA）来确认适用的安全功率限值。LHA不仅考虑标准参考值，还考虑特定应用参数，包括：
- 气体组别和点燃敏感性
- 波长和光束几何形状
- 暴露持续时间和光学聚焦
- 探头设计和故障假设
因此，LHA定义了探头末端的最大允许激光功率以及系统的最终防爆标识。
本质安全型光辐射（Ex op is）
Ex op is要求限制光能，确保在正常运行和规定故障条件下不会引燃。在拉曼系统中，这通常通过限制探头末端的激光功率来实现。
不存在普遍适用的安全激光功率值。虽然IEC 60079-28提供了参考限值，但最大允许功率仍取决于具体应用，且必须由LHA进行验证。LHA定义了安全工作范围和最终系统标识。
联锁光学系统（Ex op sh）
Ex op sh允许提高光功率，但依赖于工程安全措施和联锁装置，确保在可能出现点燃相关条件时切断光辐射。
此概念通常用于以下情况：
- 为了正常测量，激光功率需要超过Ex op is限值
- 能够可靠检测和缓解不安全条件
Ex op sh包括以下要素：
- 电缆断路检测
- 光纤连接联锁
- 过程条件监测（例如无液体覆盖）
- 自动关闭激光
Ex op sh应用于系统层面，并且可能涉及防爆危险区外的组件。
为何Ex op sh同样适合非永久性防爆危险区
在许多工艺应用中，拉曼探头安装在通常不具备爆炸性的环境中，例如注满液体的管路或容器。正常工作条件下，液体的存在可防止在探头末端形成可燃气体环境。
然而，过程条件可能发生变化。无液体覆盖、脱气、干燥或异常操作可能导致测量点短暂形成可燃气体或蒸气相。此类情况下，即使安装点未被归类为永久性防爆危险区，光学点燃风险也会动态变化。
包括NAMUR建议在内的行业指南认识到这一情况，并规定使用联锁光学保护概念（Ex op sh）来管控条件性爆炸环境。此类情况下，Ex op sh不仅允许提高光功率，还能确保条件转变为点燃相关状态时（例如无液体覆盖时）自动切断光辐射。
这种方法使得拉曼光谱分析法可以安全地应用于正常工作期间不会出现爆炸性环境，但在特定异常或瞬态条件下无法排除爆炸性环境的工艺过程中，前提是检测逻辑、联锁装置和切断行为在系统层面得到明确定义和验证。
典型系统架构和安装模式
典型的拉曼系统安装包括：
- 位于非防爆危险区，或在适用情况下位于满足Zone 1 / Division 2防爆要求的外壳内的分析仪
- 敷设至防爆危险区的光纤电缆
- 安装在Zone 0、Zone 1或Zone 2的防爆拉曼探头（根据适用情况，符合ATEX、IECEx或北美NEC/CEC标准）
根据所选的光学保护概念（Ex op is或Ex op sh），认证系统遵循光束限制、探头处的激光功率限制以及相关的保护措施。使用单独设备实现的额外联锁或监测功能则不属于拉曼系统认证的范畴，最终用户必须将其作为整体安装和安全方案的组成部分进行评估。
图1：在防爆危险区安装拉曼系统的系统级视图
如上图所示，探头位置决定了区域划分（Zone 0/1/2），而分析仪通常位于一般区域内。光学点燃风险通过Ex op is（按LHA规定限制功率）或Ex op sh（联锁光学系统：电缆断路/状态监测 → 激光切断）管控。完整的分析仪、光纤及探头联锁组合经过评估并标记为一个整体认证系统。但当分析仪实际连接到防爆危险区时，本身也需要防爆标记。
安装过程中的Ex op sh考量因素：光纤、连接器和联锁装置
在实际安装中，Ex op sh的应用主要体现在系统安装和集成环节，而非探头本身。
虽然拉曼探头通常设计为满足特定的光学保护要求，但系统级点燃风险管控通常取决于光能从分析仪传输到防爆危险区的方式。这包括：
- 分别敷设在防爆危险区和非防爆危险区的光纤电缆
- 位于区域边界或外壳内部的光学连接器
- 分析仪与探头之间光路的完整性
因此，Ex op sh系统采用联锁装置来监测电缆连续性和连接器状态，确保在光路中断或暴露时自动切断激光辐射。这些措施在以下情况下尤为重要：
- 安装和调试
- 维护或光纤重连
- 出现异常情况时，例如电缆损坏
从安装角度来看，Ex op sh因此将重点从组件级认证转向系统级行为：电缆敷设、连接器处理和联锁验证成为防爆危险区安全概念的组成部分，必须在设计、安装和文档编制过程中予以考虑。
防爆拉曼系统中的角色、职责与系统完整性
工厂厂方 / 运营商
- 定义区域分类（Zone或Class）
- 根据过程数据指定气体组别和温度等级
- 确保机械和电气安装正确
- 执行或委托执行防爆危险区和激光危害评估
供应商/集成商
- 负责供应防爆拉曼仪表（分析仪、探头或单个选配组件），探头需根据客户现场防爆负责人规定的要求标记
- 告知设备支持的光学保护方法（例如Ex op is或Ex op sh）
- 定义并记录经认证的激光功率限值、内置保护功能以及所需的设备标识
- 当应用Ex op sh时，明确定义认证范围以及认证设备与客户整体系统集成和安全评估责任之间的界限
系统完整性原则
防爆危险区合规适用于整套拉曼系统，而非单个组件。分析仪、探头、光纤、功率设置和安全功能共同构成一个整体认证配置。任何变更都需要重新评估。
客户现场防爆负责人在选择防爆设备前需采取的措施
- 确认并记录防爆危险区分类
- 定义气体组别和温度等级
- 执行激光危害评估（LHA）
- 决定需要Ex op is（功率限制）还是Ex op sh（联锁系统）
- 选择认证分析仪和/或探头，确保防爆探头标记适用于防爆危险区分类中定义的气体组别和温度等级
- 规划安装架构和光纤敷设
- 验证标记（EPL、气体组别、温度等级、光学保护概念）
- 完成竣工文档并保留证书
- 为相关人员提供安全操作培训
关于安装在防爆危险区的拉曼系统的常见误区
“激光功率由仪表确定。”
并非如此。最大允许功率取决于具体应用，由防爆危险区条件决定。
“只要分析仪通过认证，系统整体就是合规的。”
并非如此。合规性是在系统层面评估的，因此还需要搭配防爆探头使用。
“IECEx、ATEX和北美标准（NEC/CEC）的安装遵循不同的规则。”
并非如此。无论采用“Zone”还是“Division”体系，安装逻辑都是相同的。区别在于防爆危险区的分类和认证方式。
“Ex op sh是个例外。”
并非如此。Ex op sh是一种标准的、公认的保护概念，适用于特定应用场景，通常是指拉曼探头窗口浸没在液体样品中，而危险条件（气体、雾气或蒸汽与氧气混合）只有在此类液体缺失的情况下才会出现，并且能够可靠地检测和缓解。
术语表
常见问题
参考文献
- 1910.307 - 危险（分类）场所。| 美国职业安全与健康管理局
- ATEX指令2014/34/EU – 欧盟关于在潜在爆炸性环境中使用的设备的法律框架
- 加拿大电气规范指南，第1部分[i]，第26版 – 路线图：第18节 危险场所 - 电气行业新闻周刊
- 危险区域分类（北美） – NEC和CEC框架中使用的Class/Division和Zone概念综述
- IEC 60079-28:2015 – 定义爆炸性环境中光辐射点燃风险和保护概念（Ex op is、Ex op sh）的国际标准
- IECEx体系概述 – 基于IEC标准的防爆设备国际合规评定体系
- NAMUR（用户协会）指南 – 关于过程自动化中防爆概念实际应用的行业建议
