Barreras Intrínsecas y Aisladores Galvánicos: Si no sabes lo que son aquí tienes todos los detalles.

Las barreras intrínsecamente seguras son dispositivos de protección utilizados en ambientes industriales con riesgo de explosión o incendio, como en industrias petroquímicas, refinerías, y plantas de procesamiento de gas o productos químicos. Su función principal es limitar la cantidad de energía (eléctrica y térmica) que puede llegar a un área peligrosa para evitar que las chispas o el calor generen una explosión.

“¿Qué tan segura es realmente la tecnología que utilizamos en áreas peligrosas?”

Imagina una planta industrial en pleno funcionamiento, con complejos equipos midiendo, controlando y regulando procesos que, aunque vitales, pueden generar atmósferas potencialmente explosivas. En estos entornos, una pequeña chispa podría desencadenar un desastre. Entonces, ¿Cómo podemos asegurar que estos dispositivos trabajen sin convertirse en una amenaza?

La respuesta está en un concepto que, para muchos, puede sonar tan técnico como vital: la seguridad intrínseca. Esta filosofía de diseño y tecnología permite que los instrumentos y equipos en áreas peligrosas operen de manera segura, reduciendo al mínimo el riesgo de ignición. Pero lograr esto no es tan sencillo; requiere una cuidadosa elección de dispositivos y el uso de barreras intrínsecamente seguras, dispositivos que controlan la energía que llega a las áreas de riesgo, evitando así cualquier posibilidad de explosión.

¿Por qué es importante entenderlas? Porque cada planta, cada proyecto, y cada sistema tiene sus propias particularidades, y la seguridad intrínseca no es una solución universal, sino una adaptación a las necesidades y riesgos específicos de cada caso. En este artículo, exploraremos cómo funcionan estas barreras, qué tipos existen, cuándo y dónde instalarlas, y cómo elegir la protección adecuada para cada situación.

Características principales de las barreras intrínsecamente seguras:

1. Limitación de energía: Estas barreras limitan la corriente, voltaje y potencia que pueden pasar al área peligrosa, de manera que incluso si ocurre un cortocircuito o falla en el sistema, la energía disponible será insuficiente para causar ignición.
2. Protección para señales de baja potencia: Están diseñadas principalmente para señales de baja potencia, como las de sensores y dispositivos de instrumentación, que no requieren altas corrientes o voltajes.
3. Componentes clave: Las barreras suelen incluir resistencias, fusibles y diodos zener, los cuales controlan los niveles de corriente y voltaje. Los diodos zener, en particular, limitan el voltaje máximo permitiendo que se disipe de forma segura si se excede el límite.
4. Ubicación de instalación: Se colocan en áreas seguras, típicamente en el límite entre las áreas clasificadas (zonas de riesgo) y las áreas seguras, para garantizar que cualquier exceso de energía no llegue a los dispositivos en zonas peligrosas.
5. Cumplimiento de normas: Deben cumplir con normativas internacionales como la IEC 60079 y ATEX, que regulan la seguridad en áreas con atmósferas explosivas.

Tipos de barreras intrínsecamente seguras

1. Diodo Zener: Utilizan diodos zener para limitar el voltaje y fusibles para evitar que excesos de corriente pasen a la zona peligrosa. Son simples y de bajo costo, pero no permiten la transmisión bidireccional de energía.
2. Barreras galvánicas: Usan aislamiento galvánico mediante transformadores o dispositivos ópticos para evitar la transmisión de energía en exceso. Son más versátiles que las de diodo zener y permiten conexiones bidireccionales, pero suelen ser más costosas.

Aplicaciones

Las barreras intrínsecamente seguras se usan en:

• Instrumentación de campo: transmisores de presión, temperatura, flujo y nivel.
• Sensores y actuadores: como aquellos en ambientes de zonas clasificadas.
• Sistemas de control y automatización: protegiendo circuitos de señal y comunicaciones en PLCs, SCADA y DCS.

Estas barreras son clave en sistemas de instrumentación y control en áreas peligrosas, ya que aseguran que los equipos puedan operar sin riesgo de ignición de atmósferas explosivas.

La decisión sobre el uso de barreras intrínsecamente seguras en un proyecto se toma principalmente en las etapas de ingeniería básica y detallada. Durante estas fases, se analizan los riesgos del proceso y se definen los requisitos de protección para los equipos y la instrumentación en áreas clasificadas como peligrosas.

Etapas y documento clave:

1. Estudio de Clasificación de Áreas Peligrosas:
   • Etapa: Ingeniería básica.
   • Descripción: En esta etapa, se realiza un análisis de las áreas potencialmente peligrosas, evaluando la presencia de gases, vapores, líquidos inflamables o polvos combustibles que podrían crear una atmósfera explosiva. Este análisis define las zonas y los grados de peligrosidad, asignando clasificaciones como Zona 0, Zona 1 o Zona 2 (según la IEC o normativa aplicable).
   • Documento clave: El Documento de Clasificación de Áreas (o Plano de Clasificación de Áreas) es el entregable que especifica las áreas clasificadas dentro de la planta y ayuda a determinar si se requiere protección intrínseca u otros métodos de protección en esas zonas.
2. Ingeniería de Instrumentación y Control:
   • Etapa: Ingeniería detallada.
   • Descripción: Aquí se evalúan los requisitos específicos de seguridad para los instrumentos y equipos en áreas peligrosas. Con base en el plano de clasificación de áreas y los requisitos del proceso, se define si cada instrumento debe tener protección intrínseca, encapsulamiento antideflagrante o protección aumentada. Este análisis se incorpora en la especificación de cada instrumento y en los diagramas eléctricos.
   • Documento clave: El Diagrama de lazo de control (Loop Diagram) y el Diagrama de interconexión (Interconnection Diagram) son documentos entregables en los que se especifica el uso de barreras intrínsecamente seguras para cada lazo o dispositivo. Además, las Hojas de Datos de Instrumentos (Instrument Data Sheets) incluyen los detalles técnicos de la protección intrínseca y los modelos específicos de las barreras.

Proceso de decisión sobre barreras intrínsecamente seguras

El uso de barreras intrínsecamente seguras se define de acuerdo con:

• Normas de seguridad aplicables (como IEC 60079 para atmósferas explosivas y ATEX).
• Clasificación de áreas en el documento correspondiente.
• Requisitos operativos del proceso, asegurando que los instrumentos cumplan con el nivel de protección necesario sin afectar la funcionalidad.

Para entenderlo mejor te doy algunos ejemplos prácticos de cómo se aplican barreras intrínsecamente seguras según la norma IEC 60079, que regula los equipos y sistemas en atmósferas explosivas. En cada ejemplo veremos el parámetro específico que influye en la selección de barreras y el tipo de barrera recomendada.

Ejemplo 1: Transmisor de presión en Zona 0

• Parámetro específico: Zona de clasificación (Zona 0)
  • Descripción: En una atmósfera de Zona 0, el riesgo de presencia continua de gases explosivos es alto, por lo cual los dispositivos deben estar diseñados con el mayor nivel de seguridad.
  • Tipo de barrera: Barrera de diodo Zener
  • Razón de elección: Las barreras de diodo Zener son una opción común en áreas de alto riesgo como la Zona 0, ya que limitan la energía al mínimo absoluto, proporcionando protección efectiva en condiciones normales y de falla. Los diodos zener, fusibles y resistencias en la barrera aseguran que el transmisor de presión no pueda generar suficiente energía para provocar una ignición.

Ejemplo 2: Sensor de nivel en un tanque de combustible en Zona 1

• Parámetro específico: Nivel de señal y ubicación (Zona 1)
  • Descripción: Un sensor de nivel en Zona 1 debe operar de manera segura en una atmósfera con posible presencia de gases inflamables en condiciones de operación normales.
  • Tipo de barrera: Barrera galvánica
  • Razón de elección: Las barreras galvánicas proporcionan aislamiento galvánico entre el circuito de control y el sensor, permitiendo que las señales de baja potencia se transmitan con seguridad. Este tipo de barrera también reduce el riesgo de potenciales diferencias de tierra, lo que es crucial para evitar fallas eléctricas que puedan inducir una chispa.

Ejemplo 3: Detector de gas en una plataforma de perforación (Zona 2)

• Parámetro específico: Frecuencia de mantenimiento y accesibilidad (Zona 2)
  • Descripción: En zonas con bajo riesgo de atmósferas explosivas (como la Zona 2), la frecuencia de mantenimiento y el acceso a los equipos se consideran en la selección de barreras.
  • Tipo de barrera: Barrera de diodo Zener o galvánica (opcional)
  • Razón de elección: En Zona 2, se podría optar por barreras de diodo Zener si el presupuesto es una prioridad, ya que suelen ser más económicas. Sin embargo, si se requiere mantenimiento frecuente o si el detector está expuesto a interferencias de otros equipos, una barrera galvánica podría ser más adecuada, ya que ofrece un mejor aislamiento y reduce las interferencias sin depender de la conexión a tierra de manera crítica.

Ejemplo 4: Lazo de comunicación HART en un transmisor de temperatura en Zona 1

• Parámetro específico: Tipo de señal (comunicación HART)
  • Descripción: Los dispositivos que emplean señales de comunicación digital, como HART, requieren que la barrera permita la transmisión de señales tanto analógicas como digitales sin interferencia.
  • Tipo de barrera: Barrera galvánica con soporte HART
  • Razón de elección: Las barreras galvánicas con soporte para señales HART permiten el paso de comunicación digital superpuesta en señales de corriente de 4-20 mA, lo cual es esencial para la transmisión de datos en dispositivos de comunicación bidireccional sin comprometer la seguridad intrínseca.

Ejemplo 5: Instrumentación en un área con riesgo de diferencia de potencial de tierra

• Parámetro específico: Riesgo de diferencias de potencial de tierra entre equipos
  • Descripción: En áreas donde existen diferencias de potencial de tierra significativas, se debe evitar el uso de dispositivos conectados a tierra que puedan crear circuitos de retorno peligrosos.
  • Tipo de barrera: Barrera galvánica
  • Razón de elección: Las barreras galvánicas son ideales en estos casos porque no dependen de una conexión a tierra para limitar el voltaje. Esto elimina el riesgo de fallas inducidas por las diferencias de potencial, que podrían comprometer la seguridad en atmósferas explosivas.

Resumen de la selección según el parámetro y tipo de barrera

Parámetro específico	Zona	Tipo de Barrera	Justificación
Zona de clasificación (alta peligrosidad)	Zona 0	Diodo Zener	Protección básica y costo efectivo en áreas de riesgo elevado.
Nivel de señal y ubicación	Zona 1	Galvánica	Aislamiento superior para señales de baja potencia en ambientes de riesgo moderado.
Frecuencia de mantenimiento	Zona 2	Diodo Zener o Galvánica (opcional)	Economía o aislamiento adicional en función de la aplicación y el riesgo de mantenimiento.
Tipo de señal (comunicación HART)	Zona 1	Galvánica con soporte HART	Permite transmisión de señal digital sin comprometer la protección intrínseca.
Diferencias de potencial de tierra	Cualquier zona	Galvánica	Aislamiento completo, ideal en ambientes con diferencias de potencial de tierra.

La selección correcta de la barrera depende siempre de un análisis detallado de las condiciones del área, tipo de señal y requisitos de mantenimiento, todos en conformidad con IEC 60079 y las especificaciones del proyecto.

Diferencia entre una barrera Zener y un aislador intrínsecamente seguro

A menudo denominadas barreras ATEX, barreras de seguridad intrínseca o barreras I.S., tanto las barreras Zener como los aisladores galvánicos intrínsecamente seguros limitan la energía a la zona peligrosa. Sin embargo, existen notables diferencias en el diseño de cada tipo de dispositivo.

¿Qué es una barrera Zener?

Las barreras Zener son dispositivos sencillos formados por una disposición de diodos Zener, resistencias y fusibles que limitan la tensión, la corriente y la potencia de los dispositivos conectados en la zona peligrosa.

A continuación se muestra una instalación típica de una barrera Zener.

El principio de funcionamiento de una barrera Zener es relativamente sencillo. Las resistencias restringen la corriente que entra en la zona peligrosa, mientras que los diodos Zener actúan en caso de fallo bloqueando la tensión y desviando el exceso de corriente a tierra. Hay un fusible para proteger los diodos Zener en caso de sobrecarga.

Diferencia entre barreras aisladas frente a barreras Zener.

Para un correcto funcionamiento y para mantener la seguridad intrínseca, se requiere una toma a tierra I.S., que debe instalarse y mantenerse de acuerdo con IEC 60079-14.

Este requisito, junto con una carga de lazo más restrictiva y limitaciones funcionales, hace que las barreras Zener hayan sido sustituidas en gran parte por aisladores galvánicos intrínsecamente seguros.

¿Qué es un aislador galvánico intrínsecamente seguro?

El diseño de los aisladores galvánicos intrínsecamente seguros, como los dispositivos de la serie PR 9000 es distinto al de las barreras Zener.

Ambos dispositivos limitan la energía disponible en la zona peligrosa, pero mediante el uso de componentes como transformadores y optoaisladores en el diseño es posible lograr el aislamiento galvánico entre la entrada, la salida y la alimentación. Esto se conoce como aislamiento galvánico de 3 vías, como se muestra en el gráfico de abajo.

Según la aplicación, también hay disponibles aisladores galvánicos de 2 vías y alimentados por lazo.

A continuación se muestra un aislador galvánico típico de 3 vías intrínsecamente seguro.

Como estos dispositivos incorporan aislamiento galvánico, no se requiere una toma de tierra de S.I. específica. Sólo esto simplifica la instalación y el mantenimiento continuo en comparación con las barreras Zener.

Estas son otras ventajas de los aisladores galvánicos intrínsecamente seguros:

• Menor carga de lazo
• Capacidad de convertir y amplificar señales
• Mejora la inmunidad al ruido y a las sobretensiones

Para obtener más información sobre las diferencias entre las barreras Zener y los aisladores galvánicos intrínsecamente seguros, ver Barreras aisladas frente a barreras Zener.

¿Qué es un equipo certificado para zonas peligrosas?

Los equipos que se instalen en zonas peligrosas o equipos asociados deben ser seguros para el uso previsto y cumplir con cualquier método de protección contra explosiones que se emplee.

En la UE, estos equipos deben tener certificación ATEX.

Aunque la certificación ATEX es necesaria en Europa, también existe la certificación IECEx, reconocida internacionalmente en varios países.

Aunque la IECEx está muy aceptada, es posible que se necesiten algunas certificaciones específicas de cada país.

Las certificaciones deben ser realizadas por un organismo notificado y demostrarán el cumplimiento de las normas y métodos de protección pertinentes.

Los certificados contienen información importante sobre el producto, como por ejemplo:

Organismo notificado Número de certificado Normas de referencia Números de referencia aplicables Descripción del producto  Requisitos de marcado del producto Datos eléctricos Parámetros de la entidad Requisitos de instalación Condiciones de uso específicas Requisitos de salud y seguridad Historial de certificación

Para garantizar la seguridad, los equipos certificados para zonas peligrosas deben instalarse según las instrucciones de instalación correspondientes y cumplir las condiciones especiales de uso estipuladas en el certificado.

Barrera Parámetros de la unidad y cálculo del lazo

Un circuito típico de seguridad intrínseca o lazo de S.I. está formado por 3 componentes principales que hay que tener en cuenta:

• Equipos intrínsecamente seguros: dispositivos de campo certificados instalados en la zona peligrosa.
• Equipos asociados: dispositivos instalados en la zona segura que interactúan con los dispositivos de la zona peligrosa, por ejemplo, la barrera I.S.
• Cableado de campo: cable de interconexión compatible.

El diseño seguro de los circuitos de seguridad intrínseca requiere un cálculo del “lazo de seguridad intrínseca I.S.”.

Las características específicas o “parámetros de la entidad” están disponibles para cada componente o dispositivo del lazo. Los valores se pueden consultar en la certificación del producto y los planos de instalación.

El cálculo del lazo I.S. simple se puede utilizar para determinar qué dispositivos se pueden conectar de forma segura, junto con la longitud máxima del cable de interconexión.

En la siguiente tabla se muestran los parámetros de entidad típicos para cada componente del lazo.

Los valores del aparato asociado se comparan con los valores correspondientes del aparato intrínsecamente seguro para determinar si los dispositivos son compatibles. A continuación, se realiza un cálculo para determinar la longitud máxima del cable en función de los valores de capacitancia e inductancia relevantes.

A continuación se muestran los requisitos del lazo I.S.:

Las barreras intrínsecamente seguras deben estar instaladas en áreas seguras, fuera de las zonas clasificadas como peligrosas. Generalmente, se ubican en paneles de control, gabinetes o centros de control que están físicamente separados de las áreas de riesgo, como la sala de control o paneles de instrumentación. Esto garantiza que cualquier exceso de energía se limite antes de que pueda llegar a los dispositivos en el campo, reduciendo la posibilidad de ignición en áreas peligrosas.

Ubicación de las barreras intrínsecamente seguras

• Paneles de instrumentación o de control en áreas seguras: Las barreras se suelen montar en racks o en gabinetes que están aislados de las áreas clasificadas.
• Interfases entre zonas seguras y peligrosas: Las barreras se colocan en la interfaz donde las señales de los dispositivos de campo ingresan al área segura, como en gabinetes de control ubicados en salas de instrumentos.

Instrumentos de campo intrínsecamente seguros

Existen dispositivos e instrumentos de campo que son intrínsecamente seguros por diseño y no requieren una barrera externa. Esto es posible en los siguientes casos:

1. Instrumentos con certificación de seguridad intrínseca integrada:
   • Algunos dispositivos están certificados como intrínsecamente seguros según IEC 60079 y cumplen con los requisitos para ser instalados directamente en áreas peligrosas. Estos equipos tienen componentes internos que limitan su energía de manera que no pueden generar chispas ni calor excesivo, cumpliendo con las restricciones de energía requeridas para operar de manera segura en zonas de riesgo.
   • Ejemplo: Transmisores de presión o temperatura que cumplen con la certificación Ex ia (intrínsecamente seguros para Zona 0) pueden instalarse sin una barrera adicional, siempre y cuando el circuito completo cumpla con los requisitos de seguridad.
2. Instrumentos de baja potencia:
   • Si el dispositivo de campo utiliza una señal de muy baja energía y cumple con la clasificación de seguridad intrínseca para su zona específica, podría no necesitar una barrera externa. Sin embargo, en la práctica, se suele usar una barrera adicional como medida de redundancia y para proteger el lazo de control completo.
   • Ejemplo: Sensores de temperatura de baja potencia en áreas de baja clasificación de riesgo (Zona 2).
3. Sistemas de control con protección integral:
   • En algunos casos, los sistemas de control completos, como PLCs o sistemas DCS, están diseñados para operar de manera intrínsecamente segura en la entrada de las señales. Si el sistema ofrece esta protección y está certificado, no sería necesario agregar una barrera externa para cada dispositivo, aunque esta práctica es más común en sistemas especializados.

Consideraciones clave

Aunque algunos dispositivos de campo son intrínsecamente seguros por sí mismos, la norma IEC 60079 recomienda una evaluación del lazo completo para garantizar la seguridad. Esto implica que, aunque el dispositivo esté certificado, el entorno y las conexiones también deben cumplir con los requisitos de seguridad. Por esta razón, las barreras adicionales se utilizan frecuentemente como una medida extra de protección y para asegurar que todo el sistema (y no solo el dispositivo) sea seguro en condiciones normales y de falla.

En resumen:

• Las barreras deben instalarse en áreas seguras, cerca de las interfases con zonas peligrosas.
• Los dispositivos de campo pueden ser intrínsecamente seguros y no requerir barreras adicionales, pero esto depende de la certificación específica del dispositivo y el análisis del lazo completo.
• En la práctica, se suelen utilizar barreras adicionales para garantizar una mayor seguridad, incluso cuando el equipo de campo es intrínsecamente seguro.