数字传感仪表——现场测量仪表的进化
- 2024/8/20 13:36:08 23749
- 来源：控制工程网
液体分析在一些过程工业中变得越来越重要，包括但不限于水/废水、食品和饮料、乳制品、化学品和制药。监测和应对相关参数的变化对于提高产品质量、优化产量、确保安全以及合规性和环境保护至关重要。
过去，在线过程液体分析测量使用的是诊断和测量质量参数有限的基本模拟仪器，但如今，数字通信协议和智能仪表已大大扩展了传感器的功能和用户友好性。
01 模拟传感器的局限性
在大规模开发和部署数字协议之前，通常使用基本的模拟仪表进行液体分析，每个仪表都由传感器、电缆和变送器等组成，以进行在线过程测量。然后，通过4至20mA模拟信号，将每个仪表测量的过程变量发送到监视、控制或其它主机系统。
这些仪表通常操作起来很麻烦，例如需要精细的试剂设置。传感器和变送器之间的模拟传输，除了腐蚀、形成盐桥和电磁干扰外，还容易受到连接点处湿气的影响。所有这些都可能会对变送器接收的原始信号产生不利影响，甚至发生在通过4到20mA电流信号将标度值发送到主机系统之前。
除了环境因素外，传感器电缆和变送器特性可能会影响测量值，因此这些细微差别必须包含在校准程序中。由于存在这类问题，也就无法在实验室中进行校准，需要技术人员将校准设备运输到现场，并在困难或危险工况下进行校准。现场校准通常需要花费比实验室校准更长的时间。例如，校准单个pH回路可能需要40-60分钟，并且通常需要多名技术人员。
基本模拟传感器不仅难以校准，而且由于缺乏仪表健康诊断指标，对其进行调试也很复杂，且难以维护。因此，工厂人员不可避免地要在配置、故障排除和维护上花费大量的时间和资源。
02 电感式数字仪表打破了模拟泡沫
为了解决这些问题，电感式数字传感器将测量值数字化，并通过非接触式连接将信号中继到变送器。数字信号不受上述环境因素的影响，传感器和变送器之间的电流隔离消除了潜在的干扰信号。
这类数字传感器技术使用的数字通信，不会因为传感器电缆和模拟信号传输而对主机系统接收的测量值产生影响，因而使实验室校准变得可行。包括校准信息在内的关键传感器数据都存储在传感器中，在现场就可以轻松更换经实验室校准的传感器。传感器校准后，工作人员可以在几分钟内更换有问题的传感器，从而最大限度地减少因设备故障而造成的停机时间。在现场部署前，仪表校准通常有12个月的有效期，为预先校准的替换仪表提供很长的保质期。
与现场校准所需的1个多小时相比，数字 pH 传感器可在10分钟内完成实验室校准，且无需将校准设备运送到现场。同时，在工厂现场用预先校准好的替代品更换有问题的传感器只需几分钟(图1)。
▲图1：与现场校准相比，使用数字传感器进行实验室校准，既方便又可以节省大量时间。
电感仪表技术最初是为pH测量而开发的，现已发展成为众多液体分析应用的平台，包括电导率、ORP、溶解氧、浊度、消毒特性、紫外线/可见光和分光光度测量等。这些传感器能进一步提高可靠性、过程管理和预测性维护，并存储与仪表和过程相关的其它大量信息(图2)。
▲图2：电感式传感器的操作、清洁和校准循环。
这些参数包括可编程CIP循环、pH和ORP探针的负载矩阵、校准检查和调整之间的区别、数字传感器标签、操作时间以及电流消毒、电导率和溶解氧传感器的电解质消耗监测。
03 改善加工过程中传感器的精度和维护
在金矿开采中，氰化是从低品位矿石中提取黄金的常见工艺。氰化物毒性极高，安全的氰化需要准确可靠的pH测量。
芬兰一家矿业公司就遇到了测量精度问题，员工在校准上花费了太多时间和资源。该公司对目前的工艺仪表不满意，尝试通过新的解决方案来提高安全性和效率，同时减少维护工作量。
这家矿业公司进行了为期一年的试验，比较了多家供应商的仪表和服务，最终他们选择了Endress+Hauser。通过密切合作，该团队在整个设施中安装了电感式数字Memosens pH传感器和变送器以应对技术挑战。
使用安装多年的老旧仪表，传感器的清洁既复杂、不方便又耗时，而且必须在现场手动完成，在温度低至-40℉的冬季，这可不是什么好事。相比之下，数字仪表可自动执行自清洁功能，从而提高效率和员工满意度。
转换后，仪表校准和维护工作总共减少了近90%，从每年2200个工时减少到仅240个工时。减少要求苛刻的现场维护工作可以降低成本，提高工人的安全性和便利性。此外，新型pH传感器改善了精度，提高了氰化过程的安全性和效率，将亚硫酸氢钠等化学品的消耗量减少了50%。
04 实现更高精度的测定
在食品生产中，用次氯酸盐清洗蔬菜可以杀死有害病原体，从而提高产品的安全性。更高的氯浓度意味着更快、更有力的消毒，但在处理洗涤水之前，氯的浓度必须被中和到严格的监管限值——可能低至0.2 mg/L。然而，很多氯传感器无法测量如此低的浓度，在此浓度下它们通常会进入休眠模式。
为了满足该应用中所需的低浓度要求，一家过程企业采用了包含感应式数字式余氯和pH传感器、流量组件和Liquiline变送器的机柜式解决方案。余氯传感器的设计旨在测量痕量氯，即使在低浓度下，也可以将其配置为避免睡眠模式。
通过精确的氯测量，可以高效投放亚硫酸氢盐以进行氯沉淀，从而降低运行成本。通过所安装的变送器来传输氯测量值，以调节亚硫酸氢盐泵，使用比例-积分-微分(PID)控制将氯设定值保持在0.08 mg/L，安全地低于0.2 mg/L的排放规定。
05 pH监测有效防止加工过程中的损坏
从乳糖和矿物质中分离乳清蛋白的过程，使用聚合物或陶瓷过滤膜，如果pH工况不合适，这些过滤膜很容易损坏。尤其是在聚合物膜清洗过程中，必须仔细监测和控制pH值，以防止此类危害(图4)。
陶瓷膜清洁溶液含有能分解膜孔中有机材料的酶，以及用于维持安全pH水平的化学缓冲液。然而，不准确的pH测量可能会很快导致问题，因为这些系统的清洁频率很高，有时每天多达4次。
与聚合物膜不同，陶瓷膜是用碱性溶液清洗的，不会造成同样的风险。然而，在常规操作过程中，监测仍然很重要，以防止损坏并确保有效分离。
乳清处理器在其每个工艺橇块的入口和出口安装了电感式数字pH传感器，以监测分离过程并防止损坏其膜。在带有聚合物膜的分离器上，加工商安装了传感器，因此在每个循环中都会对传感器进行清洁。
对于另一种应用，陶瓷分离器上的传感器安装在一个可伸缩的组件中，以避免暴露在清洁过程中所用的腐蚀性溶液中。这些传感器必须单独拆卸和清洁。
经过近300次清洗后，传感器没有出现任何明显的老化现象，并且每6到12个月一次的低校准频率，对加工制造商来说是非常可控的。
06 数字技术推动液体分析
具有数字数据传输功能的现代仪表解决了模拟传感器的许多问题，包括对环境条件的敏感性、缺乏仪表诊断和所需的现场校准等。
这些先进的数字仪表可帮助过程制造企业实现数字化转型，提高生产安全、工艺效率和产品质量，同时保持合规性并优化液体分析应用的运营。
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