Pourquoi la sécurité intrinsèque domine l’instrumentation

Dans une raffinerie, on trouve des moteurs Ex d (antidéflagrant), des boîtes à bornes Ex e (sécurité augmentée), des armoires de contrôle Ex p (pressurisées) — mais la grande majorité de l’instrumentation (des milliers de transmetteurs de pression, détecteurs de niveau, thermocouples, débitmètres) utilise la sécurité intrinsèque Ex ia/ib. Pourquoi ?

1. Coût : un transmetteur Ex ia est généralement 20 à 40 % moins cher que son équivalent Ex d (pas d’enveloppe antidéflagrante lourde)
2. Travaux sous tension : on peut étalonner, remplacer ou dépanner des dispositifs Ex ia sous tension sans permis — l’énergie est déjà trop faible pour enflammer. Ex d nécessite la mise hors tension du circuit et un contrôle sans gaz avant ouverture.
3. Compatibilité avec les boucles 4-20 mA : le standard de signalisation industrielle dominant s’inscrit naturellement dans les limites IS (boucle alimentée 24 V, < 25 mA max même en défaut)
4. Fieldbus : FISCO simplifie les segments fieldbus multi-dispositifs
5. Presse-étoupes plus petits, installation plus légère, maintenance simplifiée

Le revers : Ex i est limité en puissance. On ne peut pas alimenter un moteur de 5 kW en IS — il faut Ex d ou Ex e pour cela. IS est réservé aux circuits basse puissance (typiquement < 1 W par boucle).

Les trois niveaux

Niveau	Tolérance aux défauts	Zones utilisables	EPL	Cas d’usage
Ex ia	2 défauts	Zone 0/1/2	Ga	Intérieur de cuves, autour des évents (plus strict)
Ex ib	1 défaut	Zone 1/2	Gb	Autour des équipements de process en fonctionnement normal
Ex ic	0 défaut	Zone 2 uniquement	Gc	Instrumentation extérieure, risque occasionnel

La plupart des installations standardisent sur Ex ia car la différence de coût par rapport à ib/ic est faible et la flexibilité supplémentaire (toute zone, y compris Zone 0) en vaut la peine. Ex ic existe pour les déploiements Zone 2 sensibles au coût mais est moins courant.

La vérification des paramètres entité

Lorsqu’on câble un transmetteur sur une barrière (ou un isolateur galvanique), la boucle doit être sûre selon le concept entité :

Transmetteur (côté zone)              Barrière (côté zone sûre)
─────────────────────────             ──────────────────────────
Ui = tension max        ≥   Uo = tension de sortie max barrière
Ii = courant max        ≥   Io = courant de sortie max barrière
Pi = puissance max      ≥   Po = puissance de sortie max barrière
Ci + Cc ≤ Co         (Ci dispositif + Cc câble ≤ capacité autorisée barrière)
Li + Lc ≤ Lo         (Li dispositif + Lc câble ≤ inductance autorisée barrière)

Où Cc et Lc sont les contributions du câble (environ 100 pF/m pour un câble IS typique, environ 1 µH/m). Pour un câble de 200 m, cela représente 20 nF + 0,2 mH — généralement bien en deçà de la tolérance de la barrière.

Si un paramètre dépasse la limite, la boucle n’est pas à sécurité intrinsèque et doit être reconçue (barrière différente, câble plus court, transmetteur différent, ou accepter le déclassement en Ex ib).

Barrière Zener ou isolateur galvanique

Deux types de dispositifs assurent l’interface côté zone sûre :

Barrière Zener : dispositif passif utilisant des diodes Zener, des fusibles rapides et des résistances. Limite Uo/Io par écrêtage. Avantages : bon marché (~50 €), aucune alimentation nécessaire. Inconvénients : nécessite une liaison équipotentielle soignée entre la masse zone dangereuse et la masse zone sûre (sinon boucles de terre). Point de défaillance unique si le PE est interrompu.

Isolateur galvanique : dispositif actif avec transformateur isolant ou optocoupleur interne. Avantages : AUCUNE dépendance à la terre, fiabilité accrue, souvent avec conversion de signal (4-20 mA entrée / 4-20 mA sortie, ou transparent HART). Inconvénients : plus coûteux (~150-300 €), nécessite une alimentation.

Pour les nouvelles installations, les isolateurs galvaniques sont de plus en plus préférés car les exigences de liaison à la terre sont plus strictes à maintenir et les isolateurs offrent de meilleurs diagnostics (certains signalent un court-circuit / rupture de ligne au système de contrôle).

FISCO — la révolution pour le fieldbus

Avant FISCO (introduit en 1999), chaque segment fieldbus IS nécessitait des calculs individuels de paramètres entité pour chaque dispositif ajouté. Ajouter ou déplacer un transmetteur était un exercice administratif.

FISCO définit des paramètres de tronc standardisés : si votre segment fieldbus + alimentation + câble + dérivations sont tous conformes à la norme FISCO, tout nombre de dispositifs certifiés FISCO peut être ajouté sans recalcul. Il suffit de vérifier le courant total et c’est bon.

Cela a considérablement simplifié les déploiements Foundation Fieldbus / PROFIBUS PA en environnements Ex. Aujourd’hui, la plupart des installations fieldbus IS sont basées sur FISCO.

Schémas de déploiement courants

Schéma 1 : Boucle IS point à point

[Transmetteur Ex ia] ────câble IS─── [Barrière Zener ou isolateur] ─── [E/S DCS]
        Zone 1                        Armoire zone sûre              Zone sûre

Schéma 2 : HART multi-drop sur IS

[Tx1] [Tx2] [Tx3]   ─câble IS── [Barrière multi-drop] ── [Multiplexeur HART] ─ DCS
   Chacun en Zone 1              Zone sûre                  Zone sûre

Schéma 3 : Segment fieldbus FISCO

[Dispositif 1 Ex ia] [Dispositif 2 Ex ia] ... [Dispositif N Ex ia]
       │                    │                        │
       └──── Câble tronc FISCO + alimentation ───────── Zone sûre
       (jusqu'à ~16 dispositifs par segment dans une implémentation Ex i typique)

Nouveautés de l’édition 2023

L’édition 7 (2023) apporte :

• Courbes d’inflammation mises à jour avec de meilleures données pour l’hydrogène et l’ammoniac (combustibles de la transition énergétique)
• Traitement clarifié des enveloppes à méthodes mixtes (combinaisons Ex eb [ia])
• Meilleure guidance sans fil/RF pour IS combiné à des radios embarquées (Bluetooth Low Energy, LoRaWAN)
• Conventions de paramètres entité mises à jour pour les puces d’isolation à état solide

Pour la communication HART sur les boucles IS, la norme reconnaît désormais explicitement le signal HART comme inhérent au porteur, ne nécessitant aucune certification séparée.

Lien avec nos outils

La calculatrice de mise à l’échelle 4-20 mA gère les calculs signal/unité physique des boucles IS, y compris les bandes de diagnostic NAMUR NE 43. Le statut de fréquence NAMUR gère les détecteurs de niveau à fourche vibrante généralement déployés en Ex ia en Zone 0/1.

Travaux futurs : un outil de décodage du marquage Ex + un outil de vérification des paramètres entité s’inscriraient naturellement dans notre catégorie /tools/instrumentation/.