방폭 지역의 Raman 분광 시스템 설치(ATEX, IECEx, NEC/CEC)

본 글은 ATEX Zone 0/1/2, IECEx 및 북미 Class I(NEC/CEC) 환경을 포함한 가스 방폭 환경에 설치되는 Raman 분광 시스템에 대한 학습 자료로 작성되었습니다.

본 글에서는 다음과 같은 내용을 다룹니다.

• Raman 시스템이 방폭 지역 규정의 적용을 받는 이유와 설치 시 규정 준수가 필요한 상황
• 광학적 점화 위험의 발생 원인, 평가 방식 및 완화 방법
• ATEX, IECEx 및 북미 프레임워크가 동일한 물리적 안전 원칙을 인증 및 설치 규칙으로 전환하는 방식
• 광학적 점화 위험이 전력 제한(Ex op is) 및 인터록 기반 시스템(Ex op sh) 개념을 이용하여 관리되는 방식과 이것이 라벨링 및 설치에 미치는 영향

참고: Raman 분광 계기는 분진, 분말 또는 섬유 방폭 환경용으로 인증되지 않았습니다. 따라서 본 글에서는 이러한 환경에 대한 내용은 다루지 않습니다.
또한 본 글은 별도의 시스템 설계 및 인증 접근 방식을 요구하는 비광학적 점화 메커니즘이나 국가별 상세 법규 준수 절차는 다루지 않습니다.

Raman 분광 시스템은 Raman 프로브가 측정 포인트에서 스파크나 전기 부품 발열을 발생시키지 않더라도 광 방사가 가연성 가스나 증기에 집중될 경우잠재적인 점화원이 될 수 있습니다.

점화 위험은 집속된 광 에너지가 표면이나 입자에 국부적인 발열을 유발하면서 발생합니다. Raman 설치가 산소와 가연성 가스 증기 또는 미스트가 혼합될 수 있는 환경에 노출되는 즉시, 해당 설치는 방폭 지역에 위치한 것으로 간주되고 관련 방폭 지역 계기 요구사항을 준수해야 합니다.

Raman 분광 시스템의 방폭 지역 적합성은 전기적 스파크나 지역별 법규가 아니라 광학적 점화 메커니즘에 의해 결정됩니다.

Raman 시스템의 방폭 지역 적합성은 전 세계적으로 동일한 물리적 안전 원칙의 적용을 받습니다. 지역별 프레임워크의 차이는 주로 방폭 지역을 분류하고 문서화하는 방식에 있으며, 기본 설치 논리나 점화 방지 메커니즘 자체는 동일합니다.

ATEX(유럽)와 IECEx(국제)는 Zone 기반 분류 체계(Zone 0, 1, 2)를 사용해 가스 방폭 환경의 가능성과 지속 시간을 규정합니다. Zone에 따라 Raman 프로브를 설치할 수 있는 위치와 적용되어야 하는 보호 개념이 결정됩니다.

• ATEX(EU)는 CE 마킹과 연계된 법적 프레임워크입니다.
• IECEx(국제)는 IEC 표준을 기반으로 하는 글로벌 적합성 시스템을 제공합니다.

북미(NEC/CEC)는 가스 방폭 지역(Class I)에 대해 Class/Division 또는 Class/Zone 개념을 적용하며, 계기는 일반적으로 UL, FM 또는 CSA에서 승인합니다.

용어는 다르지만 목적은 동일합니다. 즉, 방폭 지역을 규정하고 점화원을 통제하는 것입니다.

• 방폭 지역 분류는 광학 프로브와 관련 구성요소를 설치할 수 있는 위치를 규정합니다(ATEX/IECEx에서는 Zone, NEC/CEC에서는 Class/Division 또는 Class/Zone).
• 광 경로와 광섬유 연결부의 인터록을 포함한 빔 차폐와 측정 포인트(프로브 끝단)의 레이저 출력 제한을 통해 광학적 점화를 방지합니다.
• 광학적 보호 개념은 시스템 수준에서 적용되어 레이저 방사가 가연성 가스 환경에서 점화를 일으키지 않도록 보장합니다.

Raman 설치에서는 광 에너지가 의도적으로 프로세스로 방출되는 위치인 프로브 팁 위치가 방폭 지역 요구사항을 결정합니다.

• Zone 0: 방폭 환경이 연속적으로 또는 장시간 존재
• Zone 1: 간헐적으로 발생할 가능성이 있음
• Zone 2: 발생할 가능성이 낮거나 짧은 시간만 존재

분석기는 일반적으로 비방폭(일반) 지역에 물리적으로 설치되며, 광섬유 케이블을 통해 Zone 0, 1 또는 2에 위치한 프로브와 연결됩니다.

분석기가 일반 지역에 설치되더라도, 방폭 지역으로 광 에너지를 전달하는 시스템의 일부를 구성하는 경우 방폭 지역(Ex) 마킹이 필요할 수 있습니다. 이 경우 분석기는 단순히 물리적 위치가 아니라 방폭 지역과의 기능적 연결성을 기준으로 평가 및 마킹됩니다.

다음 목록은 ATEX 가스 Zone(좌측)과 북미 분류 체계(우측) 간의 개념적 대응 관계를 단순화하여 보여줍니다. 용어는 다르지만 점화 위험 관리 논리는 동일합니다.

• Zone 0 → Class I, Division 1
• Zone 1 → Class I, Division 1
• Zone 2 → Class I, Division 2

Raman 시스템 마킹의 주요 요소는 다음과 같습니다.

계기 그룹: Group II(화학이나 제약 같은 지상 산업)

계기 보호 등급(Equipment Protection Level, EPL):

• Ga → Zone 0
• Gb → Zone 1
• Gc → Zone 2

가스 그룹: IIA, IIB, IIC(IIC가 가장 엄격)

온도 등급: T6 (85 °C), T4 (135 °C) 등

가스 그룹과 온도 등급은 플랜트 운영자가 프로세스 데이터를 기반으로 지정하며, 최종 시스템 라벨링을 결정하는 요소입니다.

광 방사는 에너지가 작은 표면이나 입자에 집중되어 흡수될 경우 가연성 환경에서 점화를 일으킬 수 있습니다. IEC 60079-28:2015는 이러한 메커니즘을 설명하고 방폭 환경에서 점화를 방지하기 위한 보호 개념을 규정합니다.

이 표준에는 특정 파장, 노출 조건 및 가스 그룹에 대해 본질적으로 안전한 광 방사(Ex op is) 출력 한계를 규정한 기준 표가 포함되어 있습니다. 이 표는 규정된 조건에서 비점화성으로 간주되는 광 출력 수준에 대한 기본 지침을 제공합니다.

실제 Raman 애플리케이션에서는 적용 가능한 안전 출력 한계를 레이저 위험성 평가(Laser Hazard Assessment, LHA)를 통해 확인해야 합니다. LHA는 표준 기준값뿐만 아니라 다음과 같은 애플리케이션별 파라미터도 고려합니다.

• 가스 그룹 및 점화 민감도
• 파장 및 빔 형상
• 노출 시간 및 광 집속 조건
• 프로브 설계 및 고장 조건 가정

따라서 LHA는 프로브 팁에서 최대 허용 레이저 출력과 시스템의 최종 Ex 라벨링을 규정합니다.

Ex op is는 정상 작동 조건과 규정된 고장 조건에서 점화가 발생하지 않도록 광 에너지를 제한하는 개념입니다. Raman 시스템에서는 일반적으로 프로브 팁에서 레이저 출력을 제한하는 방식으로 이를 구현합니다.

보편적으로 안전한 레이저 출력 값은 존재하지 않습니다. IEC 60079-28이 기준 한계를 제공하더라도, 최대 허용 출력은 여전히 애플리케이션별로 달라지며, 안전 작동 범위와 최종 시스템 라벨링을 규정하는 LHA를 통해 검증되어야 합니다.

Ex op sh는 더 높은 광 출력을 허용하지만, 점화와 관련된 조건이 발생할 가능성이 있을 때 광 방사가 비활성화되도록 하는 안전 장치와 인터록에 의존합니다.

이 개념은 일반적으로 다음과 같은 경우에 사용됩니다.

• 측정 성능 확보를 위해 Ex op is 한계를 초과하는 레이저 출력이 필요한 경우
• 안전하지 않은 조건을 신뢰성 있게 감지하고 완화할 수 있는 경우

Ex op sh에는 다음이 포함될 수 있습니다.

• 케이블 단선 감지
• 광섬유 연결부 인터록
• 프로세스 조건 모니터링(예: 액체 커버리지 상실)
• 자동 레이저 셧다운

Ex op sh는 시스템 수준에서 적용되며, 방폭 지역 외부에 위치한 구성요소를 포함할 수도 있습니다.

많은 프로세스 애플리케이션에서 Raman 프로브는 일반적으로 비방폭 환경(예: 액체로 채워진 배관 또는 용기)에 설치됩니다. 정상 작동 중에는 액체가 존재하기 때문에 프로브 팁 주변에 점화 가능한 가스 환경이 형성되지 않습니다.

그러나 프로세스 조건은 변할 수 있습니다. 액체 커버리지 상실, 탈기, 건조 또는 비정상적인 작동으로 인해 측정 포인트에 일시적으로 가연성 가스 또는 증기상이 형성될 수 있습니다. 이 경우 설치 환경이 영구적인 방폭 지역으로 분류되지 않더라도 광학적 점화 위험은 동적으로 변할 수 있습니다.

NAMUR 권고안을 포함한 업계 가이드라인에서는 이러한 시나리오를 인정하며, 조건부 방폭 환경을 관리하기 위한 인터록 기반 광학적 보호 개념(Ex op sh)의 사용을 설명하고 있습니다. 이 경우 Ex op sh는 단순히 더 높은 광 출력을 가능하게 하는 것에 그치지 않고, 조건이 점화 위험 상태로 전환될 때(예: 액체 커버리지가 상실될 때) 광 방사가 자동으로 비활성화되도록 보장합니다.

이 접근 방식은 정상 작동 중에는 방폭 환경이 예상되지 않지만, 규정된 비정상 조건 또는 과도 조건에서는 완전히 배제할 수 없는 프로세스에서도 Raman 분광법을 안전하게 적용할 수 있도록 합니다. 단, 이를 위해서는 감지 로직, 인터록 및 셧다운 동작이 시스템 수준에서 명확히 규정되고 검증되어야 합니다.

일반적인 Raman 시스템 설치 구성에는 다음이 포함됩니다.

• 비방폭 지역에 설치되었거나, 필요에 따라 Zone 1 / Division 2 설치 인증을 받은 외함에 설치된 분석기
• 방폭 지역으로 연결되는 광섬유 케이블
• Zone 0, 1 또는 2에 설치된 Ex 인증 Raman 프로브(적용 지역에 따라 ATEX, IECEx 또는 북미 NEC/CEC 인증)

선택한 광학적 보호 개념(Ex op is 또는 Ex op sh)에 따라 인증된 시스템은 빔 차폐, 프로브의 레이저 출력 제한 및 관련 보호 조치에 의존합니다. 별도의 장치를 사용하여 구현되는 추가 인터록 또는 모니터링 기능은 Raman 시스템 인증 범위에 포함되지 않으며, 전체 설치 및 안전 개념의 일부로서 최종 사용자가 평가해야 합니다.

위 그림에서처럼 프로브 위치에 따라 Zone(Zone 0/1/2)이 결정되고, 분석기는 일반적으로 비방폭 지역에 설치됩니다. 광학적 점화는 Ex op is(LHA에 따른 출력 제한) 또는 Ex op sh(인터록 기반 광학 시스템: 케이블 단선/상태 모니터링 → 레이저 셧다운)를 통해 통제됩니다. 분석기-광섬유-프로브-인터록 조합 전체는 하나의 인증된 시스템으로 평가 및 마킹되며, 분석기는 방폭 지역과 기능적으로 연결되어 있는 경우 여전히 Ex 마킹이 필요합니다.

설치 시 Ex op sh 고려사항 – 광섬유, 커넥터 및 인터록

실제 설치 환경에서 Ex op sh의 적용은 프로브 자체보다 시스템 설치 및 통합 과정에서 더욱 두드러집니다.

일반적으로 Raman 프로브 자체는 규정된 광학적 보호 요구사항을 충족하도록 설계되지만, 시스템 수준의 점화 위험 통제는 분석기에서 방폭 지역까지 광 에너지가 전달되는 방식에 따라 결정되는 경우가 많습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다.

• 방폭 지역 및 비방폭 지역을 통과하는 광섬유 케이블
• Zone 경계 또는 외함 내부에 위치한 광학 커넥터
• 분석기와 프로브 사이 광 경로의 무결성

이러한 이유로 Ex op sh 시스템은 케이블 연속성과 커넥터 상태를 모니터링하는 인터록을 구현하여 광 경로가 끊기거나 노출될 경우 레이저 방사가 자동으로 비활성화되도록 합니다. 이러한 조치는 특히 다음 상황에서 중요합니다.

• 설치 및 시운전
• 유지보수 또는 광섬유 재연결
• 케이블 손상과 같은 비정상 상태

따라서 설치 관점에서 볼 때 Ex op sh는 인증의 초점이 구성요소 수준이 아니라 시스템 수준 동작에 있습니다. 이에 따라 케이블 배선, 커넥터 취급, 인터록 검증 등이 방폭 지역 안전 개념의 일부로 편입되며, 설계, 설치 및 문서화 단계에서 반드시 함께 고려되어야 합니다.

• 방폭 지역 분류 규정(Zone 또는 Class)
• 프로세스 데이터를 기반으로 가스 그룹 및 온도 등급 지정
• 올바른 기계적 및 전기적 설치 보장
• 방폭 지역 평가 및 레이저 위험성 평가 수행 또는 위탁

• 고객 현장의 Ex 책임자가 규정한 요구사항에 따라 마킹된 프로브를 포함하여 Ex 인증 Raman 계기(분석기, 프로브 또는 해당 개별 구성요소) 공급
• 계기가 지원하는 광학적 보호 방식 전달(예: Ex op is 또는 Ex op sh)
• 인증된 레이저 출력 한계, 내장 보호 기능 및 필수 계기 마킹 규정 및 문서화
• Ex op sh가 적용되는 경우 인증 계기와 고객 측 전체 시스템 통합 및 안전 평가 책임 간의 경계와 인증 범위를 명확히 규정

방폭 지역 적합성은 개별 구성요소가 아니라 Raman 시스템 전체에 적용됩니다. 분석기, 프로브, 광섬유, 출력 설정 및 안전 기능이 하나의 인증된 구성을 형성하며, 어떠한 변경에도 재평가가 필요합니다.

고객 현장의 Ex 책임자가 Ex 지역용 계기를 선정하기 전에 수행해야 하는 단계

1. 방폭 지역 분류 확인 및 문서화
2. 가스 그룹 및 온도 등급 규정
3. 레이저 위험성 평가(LHA) 수행
4. Ex op is(출력 제한) 또는 Ex op sh(인터록 기반 시스템) 필요 여부 결정
5. 방폭 지역 분류 과정에서 Ex 프로브 마킹이 규정된 가스 그룹 및 온도 등급에 적합한지 확인한 후 인증된 분석기 및/또는 프로브 선정
6. 설치 아키텍처 및 광섬유 배선 계획
7. 마킹 검증(EPL, 가스 그룹, 온도 등급, 광학적 보호 개념)
8. 준공 문서 작성 및 인증서 보관
9. 안전한 작동에 대한 인력 교육 실시

"레이저 출력은 계기에 의해 고정된다."

아닙니다. 최대 허용 출력은 애플리케이션별로 달라지며 방폭 지역 조건에 따라 결정됩니다.

"분석기가 인증되었다면 시스템 전체가 적합하다."

아닙니다. 적합성은 시스템 수준에서 평가되므로, Ex 인증 프로브도 반드시 필요합니다.

"IECEx, ATEX 및 북미 표준(NEC/CEC) 설치는 서로 다른 규칙을 따른다."

아닙니다. Zone 분류를 사용하든 Division 분류를 사용하든 설치 논리는 동일합니다. 차이는 방폭 지역을 분류하고 인증하는 방식에 있습니다.

"Ex op sh는 예외적인 방식이다."

아닙니다. Ex op sh는 특정 사용 사례를 위해 마련된 표준 공인 보호 개념입니다. 일반적으로 Raman 프로브 윈도우가 액체 샘플에 잠겨 있고 방폭 조건(산소와 함께 존재하는 가스, 미스트, 증기)이 해당 액체가 존재하지 않는 경우에만 발생하며 이를 신뢰성 있게 감지 및 완화할 수 있는 경우에 적용됩니다.

1. 1910.307 - Hazardous (classified) locations. | Occupational Safety and Health Administration
2. ATEX Directive 2014/34/EU – EU legal framework governing equipment intended for use in potentially explosive atmospheres
3. Guide to the Canadian Electrical Code, Part 1[i], 26th Edition– A Road Map: Section 18 Hazardous Locations - Electrical Industry News Week
4. Hazardous area classification (North America) – Overview of Class / Division and Zone concepts used in NEC and CEC frameworks
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
6. IECEx system overview – International conformity assessment system for Ex equipment based on IEC standards
7. NAMUR (user association) guidance – Industry recommendations on practical implementation of explosion protection concepts in process automation