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Das „PTB Ex Proficiency Testing Scheme”

Tim Krause; Jia Wu; Lisa Ostermann; Harun Kanbur: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)

Das „PTB Ex Proficiency Testing Scheme”

Ergebnisse und Erkenntnisse aus den aktuellen Programmen

Autor: Tim Krause; Jia Wu; Lisa Ostermann; Harun Kanbur: Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Ex-Zeitschrift 2014: Seiten 82 - 89
Ex-Zeitschrift 2014: Seiten 82 - 89

1 Einleitung

Nach dem Beginn des Projektes „PTB Ex Proficiency Testing Scheme“ (PTB Ex PTS) zur Entwicklung von Ringvergleichsprogrammen im Bereich des Explosionsschutzes im Jahr 2010, gab es im Jahr 2014 einen ersten Bericht diesbezüglich in dieser Ex-Zeitschrift. Damals hatte man gerade die Pilotphase mit den ersten beiden Programmen zu den Schwerpunktthemen „Explosion Pressure“ im Bereich der IEC 60079-1 [1] sowie „Spark Ignition“ im Kontext der IEC 60079-11 [2] abgeschlossen. Dazu wurde ein Ausblick auf zwei neue Programme zu den Themen „Temperature Classification“ (IEC 60079-0 [3]) und „Flame Transmission“ (IEC 60079-1 [1]) gegeben. Die Entwicklung des PTB Ex PTS durch die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in enger Abstimmung mit dem IECEx System* steckte noch in den Kinderschuhen und der Teilnehmerkreis seitens der Ex-Prüflaboratorien war relativ überschaubar. Heute, sieben Jahre später im Jahr 2021, ist die Entwicklung des Projektes deutlich vorangeschritten, so dass sich ein weiterer Bericht zum aktuellen Stand und mit einem detaillierten Einblick in einige Ergebnisse und Erkenntnisse aktueller Programme lohnt. Das PTB Ex PTS hat sich inzwischen als wichtiges Werkzeug für den Kompetenz- und Leistungsnachweis der Ex-Prüflaboratorien weltweit etabliert. Der Erfolg lässt sich auch daran erkennen, dass die Teilnahme am Programm mittlerweile für alle Ex-Prüflaboratorien innerhalb des IECEx Systems verpflichtend ist. Neben dem eigentlichen Teilnehmerkern bestehend aus IECEx ExTLs (Ex Testing Laboratory) und IECEx ATFs (Additional Testing Facility) finden aber auch zunehmend Hersteller- und Betreiberlaboratorien sowie Forschungseinrichtungen aus dem Ex-Bereich ihren Weg in das Projekt. Dadurch versteht sich das PTB Ex PTS neben der Grundmotivation, die Fähigkeiten einzelner Ex-Prüflaboratorien zu bewerten, als Bindeglied unterschiedlicher Parteien im Bereich des Explosionsschutzes, um Probleme in den Prüfmethoden und Regelwerken zu identifizieren und so einen wesentlichen Beitrag zur internationalen Harmonisierung zu leisten.


* International Electrotechnical Commission System for Certification to Standards Relating to Equipment for Use in Explosive Atmospheres. Das IECEx System ist ein internationales Konformitätsbewertungssystem für Geräte, Dienstleistungen und Personen basierend auf IEC Normen.

2 Struktur und Teilnehmer

Beginnend mit der Pilotphase für zwei Programme im Jahre 2009 und ca. 40 teilnehmenden Ex-Prüflaboratorien wurden mittlerweile zehn Programme abgeschlossen. Die Gesamtzahl der Teilnehmer liegt aktuell bei 111 unterschiedlichen Ex-Prüflaboratorien aus 34 Ländern, wie in Abbildung 1 zur Übersicht dargestellt.

Mit der Entscheidung des IECEx Management Committee die Teilnahme am PTB Ex PTS verpflichtend zu machen, bilden seit dem Jahr 2017 alle ca. 82 IECEx Prüflaboratorien die größte Gruppe im Teilnehmerfeld. Einzelne oder mehrere Programme werden aber auch zunehmend von Ex-Prüflaboratorien außerhalb des IECEx Systems absolviert, sei es zum Zweck der eigenen Leistungsbewertung oder aufgrund individueller Anforderungen seitens der nationalen Akkreditierungsstellen.

Abbildung 1: Übersicht zur internationalen Verteilung des Teilnehmerfeldes des PTB Ex PTS

Das PTB Ex PTS besteht aus einzelnen Programmen, die jeweils einer Messgröße oder einem relevanten Merkmal einer Zündschutzart zugeordnet sind. Da die Zündschutzarten und die damit einhergehenden Anforderungen in den entsprechenden technischen Normen der Serie IEC 60079‑0 [3] ff. beschrieben werden, sind auch jedem Programm ein oder mehrere Normen zugeteilt. Die einzelnen Programme sind wiederum in zwei Phasen gegliedert. In Phase I führen die Teilnehmer die entsprechend der Norm und der Programmanweisung beschriebene Prüfung bzw. den Test durch und übermitteln die Ergebnisse der PTB zwecks Auswertung, Bewertung und Analyse. Danach folgen ein Zwischenbericht sowie ein Workshop zur Diskussion der Ergebnisse, Erkenntnisse und möglicher Probleme. Anschließend folgt Phase II, in der die Teilnehmer die Möglichkeit haben, die Prüfungen zu wiederholen und neue Ergebnisse zu übermitteln. Aus diesen beiden Phasen wird anschließend der Abschlussbericht erstellt. Dieser beinhaltet die Analyse und Bewertung der Leistungen der Teilnehmer im Vergleich untereinander und gegenüber eines Referenzwertes („assigned value“). Als Ergebnis der statistischen Bewertung können die Teilnehmerlaboratorien Warn- und Eingriffssignale erhalten, die für die Prüflaboratorien des IECEx Systems zu weiteren Konsequenzen führen können. Die Erkenntnisse aus den Programmen werden anschließend in die jeweiligen Normengremien eingespeist, um einen möglichen unerwünschten Interpretationsspielraum in den Normentexten zu identifizieren oder Verbesserungspotential in den Prüfmethoden aufzuzeigen.

Die normative Basis für die Struktur des PTB Ex PTS sowie für die jeweiligen Programmdesigns sind in der ISO/IEC 17043 [5] beschrieben. Hierbei handelt es sich um allgemeine Anforderungen an Eignungsprüfungen. Die statistischen Verfahren für Auswertung und Bewertung sind in der ISO 13528 [6] definiert. Beide Dokumente stellen keine spezifische Norm für Eignungsprüfungen im Bereich des Explosionsschutzes dar, sondern beschreiben allgemeine Anforderungen, die entsprechend der speziellen Gegebenheiten adaptiert werden.

Tabelle 1: Übersicht der abgeschlossenen (grau) und neuen (grün) Programme innerhalb des PTB Ex PTS

3 Programme

Die Programme innerhalb des PTB Ex PTS mit der jeweils zugeordneten Norm und dem Jahr der Veröffentlichung sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Für den Programmzyklus 2021/2022 werden die Programme „Flameproof Joints“ und „Small Component Temperature“ durchgeführt.

Die für den Programmzyklus 2019/2020 durchgeführten und kürzlich abgeschlossenen Programme werden folgend detaillierter vorgestellt.


3.1 Programm "Test of Enclosures"

Für das Programm „Tests of Enclosures” wird der allgemeine Prüfablauf durch die Normen IEC 60079-0 [3] und IEC 60529 [8] beschrieben. Gehäuse, die in explosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt werden, müssen bestimmte Kriterien erfüllen und entsprechenden Prüfungen unterzogen werden. Diese Prüfungen sind in den oben genannten Normen definiert. Zwei wesentliche Kriterien für die Prüfung und Beurteilung des Explosionsschutzes sind die Tests der Gehäuse auf Schlagfestigkeit und auf den Schutz des Gehäuses gegen Eindringen von festen Fremdkörpern (Staub) und Wasser.

Abbildung 2: Gehäuse des Test Samples TE während der IP 5X Prüfung

Das für das Programm betrachtete Merkmal von Interesse war daher die Einhaltung des IP-Schutzgrades von Gehäusen. Neben diesem Merkmal wurden auch andere Aspekte wie die Durchführung der Prüfungen auf Wärme- und Kältebeständigkeit und der Vergleich von Testbedingungen während der Prüfungsdurchführung analysiert. Die Prüfgegenstände (Test Sample TE) an denen die Prüfungen durchgeführt wurden bestanden aus zwölf vorpräparierten Leergehäusen aus glasfaserverstärktem Polyesterharz mit den Außenmaßen 170 mm x 170 mm x 91 mm, wie in Abbildung 2 dargestellt.

Entsprechend der Programmbeschreibung waren folgende Prüfungen durch die teilnehmenden Ex-Prüflaboratorien durchzuführen:

  • Prüfung der thermischen Beständigkeit nach Abschnitt 26.8 / 26.9 der IEC 60079‑0, Edition 7 [3],
  • Prüfung der Schlagfestigkeit nach Abschnitt 26.4.2 der IEC 60079-0, Edition 7 [3],
  • IP-Test nach Abschnitt 13 / 14 der IEC 60529, Edition 2.2 [8],
    • Schutz gegen Eindringen von Wasser (IP X4),
    • Schutz gegen Eindringen von Staub (IP 5X).

 

4.2 Programm "Battery Testing"

Für das Programm „Battery Testing” wird der allgemeine Prüfablauf durch die Norm IEC 60079-11 [2] beschrieben. Die stetig fortschreitende Digitalisierung und Vernetzung von Prozessen und Anwendungen im Bereich des Explosionsschutzes führt zu neuen Herausforderungen hinsichtlich der Mobilität.

Abbildung 3: Primärzelle des Test Samples BT während der Kurzschlussprüfung

So steigt auch die Anzahl der Batterien und Zellen, die Energie für mobile Geräte liefern, deutlich an. Diese Batterien und Zellen werden häufig in Geräten der Zündschutzart "Eigensicherheit" eingesetzt und müssen nach der oben genannten Norm geprüft werden. Wesentliche Kenngrößen zur Prüfung und Beurteilung des Explosionsschutzes sind die maximale Oberflächentemperatur und der Innenwiderstand von Batterien und Zellen. Diese beiden Kenngrößen wurden daher als Messgrößen/Merkmale von Interesse für das Programm ausgewählt. Die in Abbildung 3 dargestellten Prüfgegenstände (Test Sample BT) bestehen aus 26 Primärzellen vom Typ IEC LR6.

Entsprechend der Programmbeschreibung waren folgende Prüfungen durch die teilnehmenden Ex-Prüflaboratorien durchzuführen:

Kurzschlussversuch zur Bestimmung

  • des thermischen Hotspots,
  • der maximalen Oberflächentemperatur nach Abschnitt 10.5.3 b) der IEC 60079‑11 [2],
  • des Innenwiderstandes nach Abschnitt 10.5.3 a) der IEC 60079-11 [2].

4 Ergebnisse & Erkenntnisse

Für jedes der Programme wird folgend ein Ausschnitt der Ergebnisse dargestellt und die sich aus der Programmanalyse ergebenen Erkenntnisse werden andiskutiert. Die Bestimmung des Referenzwertes und die Festlegung der Bewertungskriterien erfolgt aufgrund des unterschiedlichen Charakters der Messgrößen/Merkmale für beide Programme different.

 

Abbildung 4: Darstellung der Ergebnisse der IP 5X Staubprüfung für Phase I und Phase II

4.1 Programm „Tests of Enclosures"

In Abbildung 4 sind die Ergebnisse für den Test zur Bestimmung des IP-Schutzgrades für die IP 5X Staubprüfung für beide Phasen dargestellt. Auf der Y-Achse ist die Anzahl der Gehäuse aufgetragen bei denen Staub eingedrungen ist und die vom Teilnehmerlaboratorium entsprechend mit „durchgefallen“ bewertet wurden. Auf der X-Achse sind die Teilnehmer in anonymisierter Form aufgetragen. Der Referenzwert (Assigned value), mit dem die einzelnen Ergebnisse verglichen werden, ist in Rot dargestellt und ergibt sich aus der Gesamtheit der Teilnehmerergebnisse (Median). Die Bewertungsgrenzen in Form von Warnsignal (Warning signal) und Eingriffssignal (Action signal) sind als gelb- und rot gestrichelte Linien eingefügt und wurden von der PTB aus dem Programmdesign und der Gestaltung der Prüfgegenstände abgeleitet. Die Teilnehmerlaboratorien LC0085 bis LC0089, haben lediglich an Phase II teilgenommen.

Für Phase I lässt sich erkennen, dass die Ergebnisse von sieben Teilnehmern deutlich vom Referenzwert abweichen und ein Warnsignal verursachen. Für eines der Ex-Prüflaboratorien liegt ein Eingriffssignal vor. In Phase II ist eine Verbesserung der Ergebnisse insgesamt und im Speziellen für die Teilnehmer mit einem Warn- und Eingriffssignal aus Phase I zu erkennen. Für Phase II liegen weder Warn- noch Eingriffssignale vor.

Eine Analyse der Daten hat im Wesentlichen folgende Gründe identifiziert, die zu den unterschiedlichen Ergebnissen bei der IP 5X Staubprüfung geführt haben:

  • Die vorpräparierten Schwachstellen bei der Prüfung der Schlagfestigkeit wurden teilweise nicht korrekt identifiziert,
  • Zum Teil wurde für die Prüfung auf Schlagfestigkeit ein Schlagstück mit einem Kragen/Absatz verwendet, welches nicht den geometrischen Vorgaben der aktuellen Edition 7 der IEC 60079-0 [3] entspricht,
  • Für die Prüfung der Schlagfestigkeit wurde teilweise kein vertikaler und freier Fall des Schlagstückes gewährleistet.

Im Zuge der Analyse der Programmdaten ist ein weiterer Sachverhalt aufgefallen, der in diesem Fall zwar sehr wahrscheinlich keinen Einfluss auf das Ergebnis hatte, für andere Prüfmuster und Prüfspezifikationen allerdings relevant sein könnte. Zum Teil wurden die Vorgaben der Temperaturen während der Prüfung der Schlagfestigkeit nicht eingehalten.

 

Abbildung 5: Darstellung der Ergebnisse zur Bestimmung des Innenwiderstandes für Phase II

4.2 Programm "Battery Testing"

Die Ergebnisse zur Bestimmung des Innenwiderstandes der Primärzellen sind in Abbildung 5 für Phase II dargestellt. Der interne Widerstand der Zelle ist auf der Y-Achse angegeben. Auf der X-Achse sind die Teilnehmer in anonymisierter Form aufgetragen. Das jeweilige Ergebnis eines Teilnehmers (blaue Markierung) ergibt sich aus dem arithmetischen Mittelwert der Einzelmessungen (blaue Punkte) und ist innerhalb des Streubereiches des Teilnehmers (blaue Box) angegeben. Der Referenzwert (Assigned value) ergibt sich nach ISO 13528 [6] aus dem robusten Mittelwert der Teilnehmerergebnisse. Die zwei- bzw. dreifache robuste Standardabweichung definiert das Warn- (Warning signal) und Eingriffssignal (Action signal).

Die Ergebnisse zeigen, dass der Großteil der Teilnehmerergebnisse innerhalb des akzeptablen Bereiches liegt. Für fünf Teilnehmer liegt ein Warnsignal vor. Ein weiterer Teilnehmer liegt außerhalb des akzeptablen Bereiches, woraus ein Eingriffssignal folgt. In Phase I (hier nicht dargestellt) lagen drei Warn- und vier Eingriffssignale vor. Die robuste Standardabweichung als Maß der Streuung beträgt für Phase II sII* = 12,9 mΩ. Für Phase I lag der Wert bei sI* = 16,1 mΩ. Dies zeigt, dass sich die Ergebnisse in Phase II im Vergleich zu Phase I verbessern konnten, sowohl bei den Warn- und Eingriffssignalen als auch bei der Gesamtstreuung der Teilnehmerergebnisse.

Eine Analyse der Programmdaten hat im Wesentlichen folgende drei Gründe für die Unterschiede in den Ergebnissen bei der Bestimmung des Innenwiderstandes identifiziert:

  • Zum Teil wurden mechanische Schalter für den Prüfaufbau verwendet, was zu erhöhten Innenwiderständen der Kurzschlussstrecke führen konnte,
  • Bei der Messdatenerfassung wurde teilweise eine geringe Abtastrate (<1kHz) verwendet, was zu reduzierten Kurzschlussströmen führen konnte,
  • Die Berechnung des Innenwiderstandes der Zelle basierte teilweise auf unterschiedlichen maximalen Leerlaufspannungen (Messwert versus Vorgabe aus Tabelle 13 der IEC 60079‑0 [3]).

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die in diesem Bericht diskutierten Ergebnisse stellen einen Auszug der Analyse der Teilnehmerdaten der Programme „Tests of Enclosures“ und „Battery Testing“ dar. Es zeigt sich, dass es trotz der Anwendung einheitlicher technischer Anforderungen in Form von Normen zu Abweichungen zwischen den Teilnehmerergebnissen kommen kann. Teilweise sind diese Abweichungen auf Unterschiede bei der Anwendung des Messequipments sowie durch Fehler beim Prüfaufbau und der Prüfmusterpräparation zurückzuführen. Diese Art von Einflussfaktoren können durch Aufklärung und Schulungen deutlich reduziert werden. Die Programmauswertungen zeigen aber ebenfalls, dass die Streuungen der Ergebnisse teilweise auch durch Interpretationsspielräume in den Normen zu begründen sind.

Das Ziel des PTB Ex PTS ist es, die im Bereich des Explosionsschutzes täglich angewendeten Prüfmethoden zu betrachten und Schwachstellen zu identifizieren, um dadurch letztendlich die Vergleichbarkeit zwischen den Ex-Prüflaboratorien weltweit zu verbessern. Die entwickelten Programme sind geeignet, um sich dem Ziel schrittweise anzunähern. Das zeigt sich gerade im Hinblick auf die Verbesserung der Vergleichbarkeit der Teilnehmerergebnisse innerhalb der Programme von Phase I zu Phase II. Die Abweichungen konnten unmittelbar reduziert und Ausreißer minimiert werden. Langfristig werden Vorschläge zur Verbesserung der Prüfmethoden als Resultat der Erkenntnisse aus den Programmen in das entsprechende Normungsgremium mit eingebracht, um die Regelwerke für alle Parteien nachhaltig zu verbessern und verständlicher zu machen.

Literaturverzeichnis

[1]       IEC 60079-1 (2014). Explosive atmospheres – Part 1: Equipment protection by flameproof enclosures “d”, Edition 7.0.

[2]       IEC 60079-11 (2011). Explosive atmospheres - Part 11: Equipment protection by intrinsic safety “I”, Edition 6.0.

[3]       IEC 60079-0 (2017). Explosive atmospheres – Part 0: Equipment – General requirements, Edition 7.0.

[4]       IEC 60079-32-2 (2015). Explosive atmospheres - Part 32-2: Electrostatics hazards - Tests.

[5]       ISO/IEC 17043 (2010). Conformity assessment — General requirements for proficiency testing, Edition 1.0.

[6]       ISO 13528 (2015). Statistical methods for use in proficiency testing by interlaboratory comparisons, Edition 2.0.

[7]       IEC 60079-2 (2014). Explosive atmospheres - Part 2: Equipment protection by pressurized enclosure “p”, Edition 6.0.

[8]       IEC 60529 (2013). Degrees of protection provided by enclosures (IP Code), Edition 2.2.

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