Цифровые приборы для качественного анализа жидкостей

Ограничения аналоговых датчиков

До разработки и масштабного внедрения цифровых протоколов анализ жидкостей обычно проводился с помощью базовых аналоговых приборов, состоящих из первичного преобразователя, кабеля и передатчика для проведения измерений в режиме реального времени. Измеренное значение с каждого прибора затем передавалось аналоговым сигналом 4–20 мА.

С этими приборами часто было сложно работать, например требовался тщательный подбор реагентов.

Аналоговая передача между датчиком и передатчиком была чувствительна к попаданию влаги, коррозии, образованию солевых мостиков и электромагнитным помехам — все это могло отрицательно повлиять на исходный сигнал, принимаемый передатчиком, даже до отправки преобразованного токового сигнала 4–20 мА.

Помимо факторов окружающей среды, к ухудшению результатов измерений могут привести разные типы кабелей датчиков и особенности передатчика. Такие нюансы должны учитываться при калибровке. По этой причине часто калибровку невозможно проводить в специальной лаборатории и приходится транспортировать калибровочное оборудование на полевую площадку и выполнять все операции на месте, в потенциально сложных или опасных условиях.

Калибровка в полевых условиях обычно занимает гораздо больше времени, чем в лаборатории. Например, один цикл калибровки pH-метра может занимать 40–60 мин и часто требует участия более одного специалиста.

Аналоговые датчики сложно не только калибровать, но и вводить в эксплуатацию и обслуживать из-за отсутствия диагностических индикаторов состояния. В результате персонал предприятия неизбежно тратит много времени и ресурсов на настройку, устранение неполадок и техническое обслуживание.

Индуктивные цифровые приборы

Индуктивные цифровые датчики лишены указанных проблем. Измеренные значения преобразовываются в цифровой сигнал, который передается через бесконтактные соединения. Таким образом, факторы окружающей среды не оказывают негативного влияния, а гальваническая развязка между первичным преобразователем и передатчиком устраняет потенциальные помехи.

На чередующиеся дискретные сигналы не воздействуют кабели датчиков и передатчиков, поэтому цифровые приборы можно калибровать лабораторно. Параметры хранятся в съемных модулях, поэтому неисправный датчик легко заменить. Наличие откалиброванных датчиков, готовых к работе, сводит к минимуму время простоя из-за сбоев, поскольку персонал может быстро заменить вышедшее из строя устройство (рис. 1). Калибровка обычно действительна в течение 12 месяцев, то есть заранее откалиброванные запасные датчики могут храниться относительно долго.

Рис. 1. Удобная лабораторная калибровка с помощью Memosens с существенной экономией времени по сравнению с калибровкой по месту

Значительно сокращается и время калибровки. Если калибровка в полевых условиях занимает около 1 ч, цифровой датчик pH может быть откалиброван в лаборатории менее чем за 10 мин. При этом одновременно устраняется необходимость транспортировки калибровочного оборудования.

Технология индуктивного измерения разрабатывалась для определения pH, но со временем стала универсальной платформой для многих жидкостных анализаторов. В настоящее время с ее помощью определяют электропроводность, окислительно-восстановительный потенциал (ORP), количество растворенного кислорода, мутность, светопроницаемость и другие параметры.

Первоначально разработанная для измерения рН, технология индуктивных приборов превратилась в универсальную платформу для многих показателей анализа жидкостей, включая электропроводность, ОВП, растворенный кислород, мутность, дезинфицирующие свойства, УФ/видимый свет, спектрофотометрические параметры и многое другое. Эти датчики повышают надежность измерительной системы, упрощают управление технологическими процессами и техническое обслуживание благодаря способности хранения множества дополнительной информации (рис. 2). К таким параметрам относятся программируемые циклы CIP-моек, матрица загрузки датчиков pH и ORP, различие между проверками калибровки и регулировками, цифровые метки датчиков, часы наработки и мониторинг расхода электролита.

Рис. 2. Работа, калибровка и настройка датчика с Memosens

Повышение точности датчиков и техническое обслуживание в золотодобывающей отрасли

Цианистое выщелачивание остается самым распространенным способом извлечения золота из упорных руд. Цианид чрезвычайно токсичен, и безопасное цианирование требует точного и надежного измерения рН.

Финская горнодобывающая компания испытывала проблемы с точностью измерений pH, и персонал тратил слишком много времени и ресурсов на калибровку. Существующие приборы КИП не могли удовлетворить компанию, которая стремилась повысить безопасность и эффективность при одновременном сокращении затрат на техническое обслуживание с помощью новых решений.

В течение года компания тестировала различные приборы от разных поставщиков, пока не остановилась на цифровых индуктивных датчиках pH, с помощью которых удалось решить имеющиеся технические проблемы.

При использовании устаревших измерительных приборов, которые были установлены ранее, очистка датчиков была сложной, неудобной процедурой, занимающей много времени. Ее приходилось проводить вручную, что доставляло дополнительные сложности в зимние месяцы, когда температура опускалась до –40 °С. Новые приборы способны выполнять автоматическую самоочистку, повышая эффективность и упрощая работу персонала.

После технического перевооружения затраты на калибровку и обслуживание измерительных приборов сократились почти на 90% — с 2200 лишь до 240 ч в год. Кроме того, повышение точности, обеспечиваемое новыми датчиками pH, улучшило качество процесса цианирования, сократив потребление химических реагентов, например, использование метабисульфита натрия снизилось на 50%.

Высокоточное измерение содержания хлора воды в пищевой промышленности

Гипохлоритная обработка овощей и фруктов в пищевой промышленности используется для дезинфекции и уничтожения патогенных микроорганизов. Перед утилизацией хлор в воде должен быть нейтрализован до строгих нормативов — его остаточное содержание не должно превышать 0,2 мг/л (в РФ по нормам СанПиН 2.1.4.1074-01 содержание остаточного хлора в водопроводной воде должно быть не менее 0,3 мг/л и не более 0,5 мг/л). Многие датчики хлора не способны осуществлять измерение столь низких концентраций.

Новейшие устройства решают эту проблему. На рис. 3 показано объединение индуктивного цифрового датчика хлора с анализатором рН и блоком управления потоком. Датчик хлора проводит измерения остаточных концентраций хлора, и благодаря одновременному измерению pH его можно сконфигурировать таким образом, чтобы он не переходил в спящий режим даже при низких концентрациях хлора.

Рис. 3. Проточный узел Endress+Hauser CYA27 и датчик хлора CCS51E Memosens 2.0 обеспечивают прецизионную точность измерений даже при низких концентрациях растворенного хлора

Благодаря точному измерению содержания хлора дозирование бисульфита для осаждения хлора может проводиться с высокой точностью, снижая эксплуатационные расходы. Измерения содержания хлора передаются в контроллер, который осуществляет ПИД-регулирование бисульфитным насосом для поддержания заданного значения содержания хлора.

Контроль рН при переработке молочной сыворотки

В процессе отделения сывороточного протеина от лактозы и минералов используются полимерные или керамические мембранные фильтры. Из-за неправильного уровня pH эти фильтры могут быть легко повреждены. Особенно тщательный контроль и поддержание уровня pH требуются при очистке фильтров (рис. 4). Чистящие растворы содержат ферменты, разлагающие органические вещества в порах мембраны. Процедура очистки проходит до четырех раз в день, неточности pH могут накапливаться.

Рис. 4. Контроль рН имеет решающее значение для предотвращения повреждений мембранных фильтров во время их очистки

Едкий раствор не представляет для керамических мембран фильтров такой опасности, как для полимерных, но при регулярной эксплуатации все же важно контролировать pH среды для обеспечения правильного технологического процесса.

Одна компания, занимающаяся переработкой молочной сыворотки, установила индуктивные цифровые датчики pH на входе и выходе каждого из процессных блоков для контроля процесса разделения и предотвращения повреждения мембран. На сепараторах с полимерными мембранными фильтрами датчики были установлены в линию с очищением во время каждого цикла. В другом случае датчики на сепараторах с керамическими мембранами были установлены в выдвижном корпусе, чтобы избежать воздействия едкого раствора, используемого во время очистки. Такие датчики необходимо снимать и чистить отдельно.

Настройка оставалась эффективной в течение долгого времени, без какого-либо заметного ухудшения качества измерения и после 300 циклов очистки. Дополнительной калибровки не требовалось в течение 6–12 месяцев.

Цифровое ускорение анализа жидкостей

Современные приборы с цифровой передачей данных решают многие проблемы, присущие аналоговым датчикам: чрезмерная чувствительность к условиям окружающей среды, отсутствие наглядной диагностики приборов и необходимость проведения калибровок в полевых условиях. Такие приборы помогают предприятиям продолжать цифровизацию, повышая безопасность производства, улучшают технологические процессы и качество выпускаемой продукции, сохраняя при этом соответствие нормативным требованиям и оптимизируя операции при анализе жидкостей.