【儀表網 行業科普】現代儀表采用先進的數字式傳感器技術來提高液體分析應用的準確性、可靠性和易用性。
液體分析在一些過程工業中變得越來越重要，包括但不限于水/廢水、食品和飲料、乳制品、化學品和制藥。監測和應對相關參數的變化對于提高產品質量、優化產量、確保安全以及合規性和環境保護至關重要。
過去，在線過程液體分析測量使用的是診斷和測量質量參數有限的基本模擬儀器，但如今，數字通信協議和智能儀表已大大擴展了傳感器的功能和用戶友好性。
01 模擬傳感器的局限性
在大規模開發和部署數字協議之前，通常使用基本的模擬儀表進行液體分析，每個儀表都由傳感器、電纜和變送器等組成，以進行在線過程測量。然后，通過4至20mA模擬信號，將每個儀表測量的過程變量發送到監視、控制或其它主機系統。
這些儀表通常操作起來很麻煩，例如需要精細的試劑設置。傳感器和變送器之間的模擬傳輸，除了腐蝕、形成鹽橋和電磁干擾外，還容易受到連接點處濕氣的影響。所有這些都可能會對變送器接收的原始信號產生不利影響，甚至發生在通過4到20mA電流信號將標度值發送到主機系統之前。
除了環境因素外，傳感器電纜和變送器特性可能會影響測量值，因此這些細微差別必須包含在校準程序中。由于存在這類問題，也就無法在實驗室中進行校準，需要技術人員將校準設備運輸到現場，并在困難或危險工況下進行校準。現場校準通常需要花費比實驗室校準更長的時間。例如，校準單個pH回路可能需要40-60分鐘，并且通常需要多名技術人員。
基本模擬傳感器不僅難以校準，而且由于缺乏儀表健康診斷指標，對其進行調試也很復雜，且難以維護。因此，工廠人員不可避免地要在配置、故障排除和維護上花費大量的時間和資源。
02 電感式數字儀表打破了模擬泡沫
為了解決這些問題，電感式數字傳感器將測量值數字化，并通過非接觸式連接將信號中繼到變送器。數字信號不受上述環境因素的影響，傳感器和變送器之間的電流隔離消除了潛在的干擾信號。
這類數字傳感器技術使用的數字通信，不會因為傳感器電纜和模擬信號傳輸而對主機系統接收的測量值產生影響，因而使實驗室校準變得可行。包括校準信息在內的關鍵傳感器數據都存儲在傳感器中，在現場就可以輕松更換經實驗室校準的傳感器。傳感器校準后，工作人員可以在幾分鐘內更換有問題的傳感器，從而最大限度地減少因設備故障而造成的停機時間。在現場部署前，儀表校準通常有12個月的有效期，為預先校準的替換儀表提供很長的保質期。
與現場校準所需的1個多小時相比，數字 pH 傳感器可在10分鐘內完成實驗室校準，且無需將校準設備運送到現場。同時，在工廠現場用預先校準好的替代品更換有問題的傳感器只需幾分鐘(圖1)。
▲圖1：與現場校準相比，使用數字傳感器進行實驗室校準，既方便又可以節省大量時間。
電感儀表技術最初是為pH測量而開發的，現已發展成為眾多液體分析應用的平臺，包括電導率、ORP、溶解氧、濁度、消毒特性、紫外線/可見光和分光光度測量等。這些傳感器能進一步提高可靠性、過程管理和預測性維護，并存儲與儀表和過程相關的其它大量信息(圖2)。
▲圖2：電感式傳感器的操作、清潔和校準循環。
這些參數包括可編程CIP循環、pH和ORP探針的負載矩陣、校準檢查和調整之間的區別、數字傳感器標簽、操作時間以及電流消毒、電導率和溶解氧傳感器的電解質消耗監測。
03 改善加工過程中傳感器的精度和維護
在金礦開采中，氰化是從低品位礦石中提取黃金的常見工藝。氰化物毒性極高，安全的氰化需要準確可靠的pH測量。
芬蘭一家礦業公司就遇到了測量精度問題，員工在校準上花費了太多時間和資源。該公司對目前的工藝儀表不滿意，嘗試通過新的解決方案來提高安全性和效率，同時減少維護工作量。
這家礦業公司進行了為期一年的試驗，比較了多家供應商的儀表和服務，最終他們選擇了Endress+Hauser。通過密切合作，該團隊在整個設施中安裝了電感式數字Memosens pH傳感器和變送器以應對技術挑戰。
使用安裝多年的老舊儀表，傳感器的清潔既復雜、不方便又耗時，而且必須在現場手動完成，在溫度低至-40℉的冬季，這可不是什么好事。相比之下，數字儀表可自動執行自清潔功能，從而提高效率和員工滿意度。
轉換后，儀表校準和維護工作總共減少了近90%，從每年2200個工時減少到僅240個工時。減少要求苛刻的現場維護工作可以降低成本，提高工人的安全性和便利性。此外，新型pH傳感器改善了精度，提高了氰化過程的安全性和效率，將亞硫酸氫鈉等化學品的消耗量減少了50%。
04 實現更高精度的測定
在食品生產中，用次氯酸鹽清洗蔬菜可以殺死有害病原體，從而提高產品的安全性。更高的氯濃度意味著更快、更有力的消毒，但在處理洗滌水之前，氯的濃度必須被中和到嚴格的監管限值——可能低至0.2 mg/L。然而，很多氯傳感器無法測量如此低的濃度，在此濃度下它們通常會進入休眠模式。
為了滿足該應用中所需的低濃度要求，一家過程企業采用了包含感應式數字式余氯和pH傳感器、流量組件和Liquiline變送器的機柜式解決方案。余氯傳感器的設計旨在測量痕量氯，即使在低濃度下，也可以將其配置為避免睡眠模式。
通過精確的氯測量，可以高效投放亞硫酸氫鹽以進行氯沉淀，從而降低運行成本。通過所安裝的變送器來傳輸氯測量值，以調節亞硫酸氫鹽泵，使用比例-積分-微分(PID)控制將氯設定值保持在0.08 mg/L，安全地低于0.2 mg/L的排放規定。
05 pH監測有效防止加工過程中的損壞
從乳糖和礦物質中分離乳清蛋白的過程，使用聚合物或陶瓷過濾膜，如果pH工況不合適，這些過濾膜很容易損壞。尤其是在聚合物膜清洗過程中，必須仔細監測和控制pH值，以防止此類危害(圖4)。
陶瓷膜清潔溶液含有能分解膜孔中有機材料的酶，以及用于維持安全pH水平的化學緩沖液。然而，不準確的pH測量可能會很快導致問題，因為這些系統的清潔頻率很高，有時每天多達4次。
與聚合物膜不同，陶瓷膜是用堿性溶液清洗的，不會造成同樣的風險。然而，在常規操作過程中，監測仍然很重要，以防止損壞并確保有效分離。
乳清處理器在其每個工藝橇塊的入口和出口安裝了電感式數字pH傳感器，以監測分離過程并防止損壞其膜。在帶有聚合物膜的分離器上，加工商安裝了傳感器，因此在每個循環中都會對傳感器進行清潔。
對于另一種應用，陶瓷分離器上的傳感器安裝在一個可伸縮的組件中，以避免暴露在清潔過程中所用的腐蝕性溶液中。這些傳感器必須單獨拆卸和清潔。
經過近300次清洗后，傳感器沒有出現任何明顯的老化現象，并且每6到12個月一次的低校準頻率，對加工制造商來說是非常可控的。
06 數字技術推動液體分析
具有數字數據傳輸功能的現代儀表解決了模擬傳感器的許多問題，包括對環境條件的敏感性、缺乏儀表診斷和所需的現場校準等。
這些先進的數字儀表可幫助過程制造企業實現數字化轉型，提高生產安全、工藝效率和產品質量，同時保持合規性并優化液體分析應用的運營。
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