危険場所におけるラマン分光システムの設置（ATEX、IECEx、NEC/CEC）

この学習記事では、ATEXゾーン0/1/2、IECEx、北米規格クラスI（NEC/CEC）の環境を含む爆発性雰囲気に設置されたラマン分光システムを重点的に取り上げます。

以下について説明します。

• ラマン分光システムが危険場所規制の対象となる理由と、設置に適合性が必要なケース
• 光発火リスク発生の仕組み、評価、軽減方法
• ATEX、IECEx、および北米規格が、同一の物理的安全原則をどのように認証および設置要件へ反映しているか
• 出力制限（Ex op is）およびインターロック付システム（Ex op sh）コンセプトによる光発火リスクの管理、ラベリングおよび設置へのその影響

注：ラマン分光機器は、粉塵、粉体、光ファイバーの爆発性雰囲気での使用については認定されていません。そのため、この記事ではこれらの環境については触れません。
また、光発火以外のメカニズム、個別のシステム設計や認証手法を必要とする詳細な国内法令遵守の手順についても扱いません。

ラマン分光システムは、測定点でラマンプローブからの火花が生じなくても加熱状態の電気部品がなくても、光放射が可燃性ガスまたは蒸気雰囲気に集中した場合、潜在的な発火源になり得ます。

発火リスクは、表面または粒子に光エネルギーが集中することによる局所的な加熱から生じます。ラマン分光機器が酸素と可燃性ガスの蒸気またはミストが混ざる可能性のある雰囲気にさらされた場合、それは危険場所にあるとみなされ、該当する危険場所の機器要件を遵守しなければなりません。

ラマン分光システムの危険場所への適合性は、電気火花や現地の法規制だけでなく光発火の物理現象にも左右されます。

ラマン分光システムの危険場所への適合性は、世界中で同じ物理的安全原則によって規定されます。地域ごとの規制枠組の主な違いは、基本となる設置理論や発火防止のメカニズムではなく、危険場所の分類と文書化にあります。

ATEX（欧州）とIECEx（国際）では、ゾーンに基づく分類体系（ゾーン0、1、2）を使用して爆発性雰囲気が存在する可能性および継続期間を定義します。このゾーンによってラマンプローブの設置場所および適用される保護コンセプトが決まります。

• ATEX（欧州）は、CEマークに関連付けられた法的枠組です。
• IECEx（国際）は、IEC規格に基づく国際的な適合性評価システムです。

北米規格（NEC/CEC）では、通常はUL、FM、またはCSAによる機器認定を受けたガス危険場所（クラスI）にクラス/ディビジョンまたはクラス/ゾーンコンセプトを適用します。

用語は異なりますが、危険場所を定義して発火源を確実に制御するという目的は同じです。

• 危険場所の分類では、光学式プローブおよびその関連コンポーネントの設置場所が規定されています（ATEX/IECExではゾーン、NEC/CECではクラス/ディビジョンまたはクラス/ゾーン）。
• 光路およびファイバー接続のインターロックを含むビーム閉じ込めは、測定点におけるレーザー出力制限（プローブ終端）と共に光発火を防止します。
• 光放射防爆コンセプトはシステムレベルで適用され、レーザー放射によって可燃性ガス雰囲気で発火しないようにします。

ラマン分光システムの設置では、プローブ先端は光エネルギーが意図的にプロセスに放射される場所であるため、その位置によって危険場所の要件が決まります。

• ゾーン0：爆発性雰囲気が常時または長期間存在する
• ゾーン1：爆発性雰囲気が時々存在する可能性がある
• ゾーン2：爆発性雰囲気が存在する可能性が低い、または短時間のみ存在する

アナライザは物理的に非危険場所（一般）に設置されることが多く、ゾーン0、1、または2では光ファイバーケーブルでプローブに接続します。

アナライザは、一般区域に設置する場合であっても、光エネルギーを危険場所に伝送するシステムの一部であれば、危険場所（Ex：防爆）のマーキングが必要になることがあります。その場合、物理的な位置だけでなく、危険場所との機能的接続に基づいて評価、マーキングされます。

以下に、ATEXのガスゾーン（左）と北米規格の区分（右）の簡略化した概念の対応一覧を示します。用語は異なりますが、発火リスクの理論は同じです。

• ゾーン0 → クラスI、ディビジョン1
• ゾーン1 → クラスI、ディビジョン1
• ゾーン2 → クラスI、ディビジョン2

ラマン分光システムに関するマーキングの主な要素は以下です。

機器グループ：グループII（化学・製薬産業などの一般産業向け）

機器保護レベル（EPL）：

• Ga → ゾーン0
• Gb → ゾーン1
• Gc → ゾーン2

ガスグループ：IIA、IIB、IIC（IICが最も要求が厳しい）

温度等級：例：T6（85 °C）、T4（135 °C）

ガスグループと温度等級はプロセスデータに基づいてプラント所有者が設定し、最終的なシステムのラベリング表示を決定します。

小さな面や粒子にエネルギーが集中・吸収されると、光放射によって可燃性雰囲気が発火する可能性があります。IEC 60079-28:2015にはこのメカニズムについて記述され、爆発性雰囲気における発火を防止するための保護コンセプトが規定されています。

この規格には、特定の波長、露光条件、ガスグループに関して本質的に安全な光放射（Ex op is）の電力制限を規定した基準表が含まれます。この表は、定義された想定下で非発火性とみなされる光パワーのレベルに関する基準となる指針です。

実際のラマン分光アプリケーションでは、適用される安全な出力制限をレーザーによる危険性評価（LHA：Laser Hazard Assessment）によって確認する必要があります。LHAでは、標準の基準値だけでなく、以下を含むアプリケーション固有のパラメータについても考慮されています。

• ガスグループおよび発火感度
• 波長およびビーム形状
• 露光時間および焦光
• プローブ型式および不具合の想定

したがってLHAでは、プローブ先端の最大許容レーザー出力とシステムの最終的な防爆ラベリングが規定されています。

Ex op isは、エネルギーを制限して通常動作および定められたエラー状態では発火しないようにします。そのために、ラマン分光システムでは通常、プローブ先端のレーザー出力を制限します。

普遍的に安全なレーザー出力値はありません。IEC 60079-28には制限の基準値が規定されていますが、最大許容出力はアプリケーションごとに異なるため、安全な運転範囲および最終的なシステムのラベリングを規定したLHAで検証する必要があります。

Ex op shではより大きな光パワーを使用できますが、発火の可能性が生じた場合は安全対策とインターロックによって確実に光放射を無効にします。

このコンセプトは一般的に以下のような場合に使用されます。

• 測定性能にEx op isの制限を超えるレーザー出力が必要である
• 危険な状況を確実に検知してそれを軽減できる

Ex op shには以下が含まれる場合があります。

• ケーブル断線の検知
• ファイバー接続部のインターロック
• プロセスの状態監視（例：液体からの露出）
• レーザーの自動シャットダウン

Ex op shはシステムレベルで適用され、危険場所の外に設置されたコンポーネントが対象となることがあります。

多くのプロセスアプリケーションでは、ラマンプローブは通常、液体で満たされた配管や容器など通常は非爆発性の環境に設置されます。通常の動作では液体に浸されているため、プローブ先端に発火性雰囲気が形成されることを防ぐことができます。

ただし、プロセス条件が変わる可能性があります。プローブの液体からの露出、脱気、乾燥、または異常動作により、測定点に一時的に可燃性のガスや蒸気層が形成される場合です。このようなとき、設置は恒久的に危険でないと分類されても光発火リスクが動的に変化する可能性があります。

NAMUR推奨事項を含む産業ガイダンスには、この可能性を踏まえ、特定の条件が満たされた場合の爆発性雰囲気を管理するためのインターロック付光放射防爆コンセプト（Ex op sh）の使用が記載されています。このようなケースでは、Ex op shは、より大きな光パワーを使用できるだけでなく、発火の可能性がある状態（たとえば、液体から露出した）に移行するたび確実に光放射を自動的に停止します。

この手法により、通常の動作であれば爆発性雰囲気は想定されないが規定された異常状態または過渡状態では発生し得るプロセスでラマン分光法を安全に適用することができます。ただし、検知論理、インターロック、シャットダウン動作をシステムレベルで明確に定義して検証する必要があります。

ラマン分光システムの代表的な設置には以下のようなものがあります。

• 非危険場所、または該当する場合はゾーン1/ディビジョン2用として認定取得済みのエンクロージャー内に設置されたアナライザ
• 危険場所に配線された光ファイバーケーブル
• ゾーン0、1または2に設置された防爆認定取得済みのラマンプローブ（ATEX、IECEx、該当する場合は北米規格NEC/CEC）

選択した光放射防爆コンセプト（Ex op isまたはEx op sh）に応じて、認定取得済みシステムは、ビーム閉じ込め、プローブでのレーザー出力制限、および関連する保護対策に基づいて構成されます。個別の機器を使用して組み込む場合、追加のインターロックや監視機能はラマン分光システムの認定に含まれないため、設置全体および安全コンセプトの一部としてエンドユーザーが評価する必要があります。

上図に示すとおり、ゾーニング（ゾーン0/1/2）はプローブ設置位置によって決定される一方、アナライザは通常、一般区域に設置されます。光発火は、Ex op is（LHAによる出力制限）またはEx op sh（インターロック付光学システム：ケーブル断線/状態監視 → レーザーのシャットダウン）によって制御されます。アナライザ、ファイバープローブ、インターロックの組み合わせ全体を評価し、単一の認定取得済みシステムとしてマーキングしますが、機能上アナライザを危険場所に接続する場合は防爆マーキングも必要です。

設置時のEx op shに関する考慮事項 - 光ファイバーケーブル、コネクタ、インターロック

実際の設置では、Ex op shの適用は、プローブ自体よりも、システムの設置や統合時の方に関係します。

通常、ラマンプローブは定められた光放射防爆要件を満たすよう設計されていますが、システムレベルでの発火リスクの制御は多くの場合アナライザから危険場所への光エネルギーの伝送方法によって決まります。これには、以下が含まれます。

• 危険ゾーンおよび非危険ゾーンの光ファイバーケーブルの配線
• ゾーンの境界またはエンクロージャー内部にある光コネクタ
• アナライザとプローブ間の光路の完全性

このため、Ex op shシステムにはケーブルの導通およびコネクタの状態を監視するインターロックが組み込まれ、光路が遮断されたり露光したりするとレーザー放射が自動的に止まるようになっています。これらの対策は特に以下のような場合に有効です。

• 設置および初期調整時
• メンテナンスまたは光ファイバーケーブルの再接続時
• ケーブルの損傷などの異常な状態が生じたとき

したがって設置の観点から、Ex op shでは重点がコンポーネントレベルの認定からシステムレベルの対応に移ります。つまり、ケーブル配線、コネクタの取扱い、インターロックの検証は危険場所の安全コンセプトの一部となり、設計、設置、文書化の際に考慮しなければなりません。

• エリア分類の決定（ゾーン、クラス）
• プロセスデータに基づくガスグループおよび温度等級の指定
• 機械系統および電気系統の適切な取付け
• 危険場所およびレーザーによる危険性評価の実施または委託

• 防爆認定取得済みのラマン機器（アナライザ、プローブ、または必要に応じて個々のコンポーネント）に、お客様側の現場の防爆責任者が定めた要件に従ってマーキングされたプローブを提供する
• 機器に対応する光放射防爆方式（例：Ex op isまたはEx op sh）を周知する
• 認定済みのレーザー出力制限、内蔵の保護機能、必要な機器のラベリングを定義、文書化する
• Ex op shの適用時、認定範囲、認定機器、およびお客様側のシステム全体の統合と安全性評価の責任範囲の区分を明確に定義する

危険場所の適合性は、個々のコンポーネントではなく、ラマン分光システム全体が対象です。アナライザ、プローブ、光ファイバー、出力設定、および安全機能で単一の認定取得済みの構成となります。何らかの変更が生じた場合は必ず再評価が必要です。

防爆区域用の機器の選択前にお客様側の防爆責任者が実施すべき手順

1. 危険場所の分類の確定および文書化
2. ガスグループおよび温度等級の定義
3. レーザーによる危険性評価（LHA）の実施
4. Ex op is（出力制限）またはEx op sh（インターロック付システム）のどちらが必要かの判断
5. 認定取得済みのアナライザおよび/またはプローブの選択、防爆プローブのマーキングが危険場所の分類時に決めたガスグループおよび温度等級に対して適切であるかの確認
6. 設置構成および光ファイバー配線の計画
7. マーキング（EPL、ガスグループ、温度等級、光放射防爆コンセプト）の検証
8. 設置の関連資料の準備および証明書の保管
9. 安全操作に関する作業員のトレーニング

「レーザー出力は機器によって決まっている」

いいえ。最大許容出力はアプリケーションに固有であり、危険場所の状況によって決まります。

「アナライザが認定取得済みであればそのシステムも適合性がある」

いいえ。適合性はシステムレベルで評価されるため、防爆プローブも必要です。

「IECEx、ATEX、北米規格（NEC/CEC）の設置はそれぞれ異なる規則に従う」

いいえ。ゾーン分類を用いるかディビジョン分類を用いるかの違いであって、設置理論は同じです。危険場所の分類と認定方法に違いがあります。

「Ex op shは例外である」

いいえ。Ex op shは特定の用途向けとして広く認知された標準の防爆コンセプトです。通常はラマンプローブウィンドウが液体サンプルに浸っており、危険な状態（ガス、霧、蒸気と酸素が混ざり合った状態）は液体がない場合のみ発生する可能性があり、確実に検知、軽減することができます。

1. 1910.307 - Hazardous (classified) locations. | Occupational Safety and Health Administration（1910.307 - 危険（分類済み）場所 | 労働安全性と健康管理）
2. ATEX指令2014/34/EU – EU legal framework governing equipment intended for use in potentially explosive atmospheres （潜在的爆発性雰囲気での使用を意図した機器を規定するEUの法的枠組）
3. Guide to the Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition– A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week（カナダ規格協会、パート1[i]のガイド、第26版 – ロードマップ：セクション18危険場所 - 電気産業ニュースウィーク）
4. 危険場所の分類（北米）– Overview of Class / Division and Zone concepts used in NEC and CEC frameworks（NECおよびCECの規制枠組におけるクラス/ディビジョンおよびゾーンコンセプトの概要）
5. IEC 60079-28:2015 – International standard defining ignition risks and protection concepts (Ex op is, Ex op sh) for optical radiation in explosive atmospheres （爆発性雰囲気における光放射による発火リスクおよび防爆コンセプトを規定する国際規格（Ex op is、Ex op sh））
6. IECExシステム概要 – International conformity assessment system for Ex equipment based on IEC standards（IEC規格に基づく防爆機器の国際的な適合性評価システム）
7. NAMUR（ユーザー協会）ガイダンス – Industry recommendations on practical implementation of explosion protection concepts in process automation（プロセスオートメーションにおける防爆コンセプト導入に関する業界の推奨事項）