Датчики pH и ОВП

Что такое датчики pH и ОВП?

pH — логарифмическая мера активности ионов водорода в растворе; она показывает, является ли жидкость кислой, нейтральной или щелочной. Из-за логарифмической шкалы сдвиг на одну единицу pH соответствует десятикратному изменению активности ионов водорода. Поэтому на таких стадиях, как нейтрализация, дозирование реагентов и защита от коррозии, даже небольшая погрешность измерения способна заметно сказаться на расходе реагентов и качестве продукта. ОВП (окислительно-восстановительный потенциал) выражает в милливольтах склонность раствора принимать или отдавать электроны и служит для контроля того, насколько эффективно действуют окислители или восстановители.

Промышленный датчик pH объединяет три элемента: чувствительный к pH стеклянный электрод, электрод сравнения со стабильным опорным потенциалом и диафрагму (электролитический ключ), через которую электролит сравнения находится в ионном контакте с технологической жидкостью. В датчиках ОВП вместо стеклянного электрода используется металлический измерительный электрод. В обоих случаях сам датчик выдает лишь первичный милливольтовый сигнал: через предусилитель он поступает на аналитический преобразователь, обрабатывается с учетом калибровочных данных и затем передается в систему управления.

Рассматриваемая группа датчиков включает модели общего назначения, погружные и врезные исполнения для трубопроводов и бассейнов, выдвижные датчики в металлическом корпусе, которые можно вывести из линии при работающем процессе, а также исполнения повышенного класса с обновляемыми диафрагмой и гелевым электролитом сравнения. Благодаря этому один принцип измерения удается адаптировать к самым разным требованиям монтажа и обслуживания.

Как работает потенциометрическое измерение pH и ОВП

Измерение pH и ОВП потенциометрическое: датчик регистрирует разность потенциалов между измерительным электродом и электродом сравнения, практически не потребляя тока из цепи. Измерительную цепь можно описать пятью этапами:

1.      Возникновение потенциала на стеклянной мембране: Тонкая стеклянная мембрана (шарик) на кончике pH-электрода взаимодействует с ионами водорода на своей поверхности и формирует потенциал, который зависит от разности pH между внутренним заполняющим раствором и технологической средой. Поэтому перед вводом в работу электрод слегка встряхивают: внутренний раствор должен полностью заполнить шарик, а на кончике не должно остаться воздуха.

2.      Электрод сравнения и диафрагма: Электрод сравнения создает постоянный потенциал в собственном электролите, а диафрагма образует ионный путь между этим электролитом и технологической средой. Загрязнение диафрагмы или истощение электролита приводит к смещению нуля измерения.

3.      Металлический электрод при измерении ОВП: В датчиках ОВП электрод из благородного металла, например платины, принимает потенциал, определяемый равновесием окисленных и восстановленных форм в растворе. Измеренный относительно электрода сравнения, этот потенциал непосредственно считывается как значение ОВП в милливольтах.

4.      Влияние температуры: Крутизна характеристики стеклянного электрода, выраженная в мВ/pH, меняется с температурой. Для корректного результата применяется термокомпенсация, а при калибровке датчику дают время принять температуру буферного раствора.

5.      Предусиление и преобразователь: Стеклянный электрод обладает очень высоким внутренним сопротивлением, поэтому его первичный сигнал чувствителен к электрическим помехам. Датчики выпускаются со встроенным предусилителем или без него; схема подключения определяется этим выбором, типом преобразователя и цветовой маркировкой жил кабеля. По крутизне и смещению нуля, найденным при калибровке, преобразователь вычисляет значение pH или ОВП.

Двухточечная калибровка по буферным растворам и стандартизация датчиков pH

Точность измерения pH обеспечивается калибровкой датчика в двух буферных растворах с известным значением pH. Датчик помещают в первый буфер и выжидают, пока он примет температуру раствора, а показание стабилизируется. Когда преобразователь принял первую точку, кончик датчика ополаскивают небольшим количеством второго буфера и повторяют процедуру во втором растворе. По двум точкам преобразователь заново рассчитывает смещение нуля (мВ) и крутизну (мВ/pH). Первую калибровку рекомендуется выполнять при пусконаладке.

После калибровки по буферам и адаптации датчика к среде измерение можно стандартизировать — прямо на линии или по отобранной пробе. Пробу берут вблизи датчика и измеряют вторым откалиброванным прибором с термокомпенсацией, после чего показание преобразователя приводят к полученному значению. Крутизна при стандартизации не меняется: компенсируются диффузионный потенциал диафрагмы и подобные мешающие эффекты, и показание приближается к фактическому pH процесса. Стандартизацию рекомендуется проводить при температуре процесса.

Калибровка датчика ОВП в растворе хингидрона

Датчики ОВП калибруют в стандартном растворе с известным потенциалом. Практичный способ — приготовить насыщенный раствор хингидрона, добавив несколько кристаллов в буфер pH 4 или pH 7; хингидрон растворяется плохо, поэтому нескольких кристаллов достаточно. Перед калибровкой датчик и преобразователь кратковременно соединяют электрически, чтобы снять накопившийся заряд. Затем датчик погружают в стандарт, дают ему одну-две минуты на стабилизацию и устанавливают на преобразователе значение ОВП, соответствующее эталонному для температуры раствора.

Например, при 25 °C насыщенный раствор хингидрона дает около 264 мВ в буфере pH 4 и около 87 мВ в буфере pH 7. С чистым платиновым электродом и насыщенным хлорсеребряным электродом сравнения (KCl/AgCl) показание должно укладываться в ±20 мВ от этих значений. Потенциал раствора хингидрона со временем становится нестабильным, поэтому стандарт готовят свежим перед каждой калибровкой; раствор кислый, и работать с ним следует в подходящих средствах индивидуальной защиты.

Контроль состояния датчика по данным калибровки

Калибровка не только корректирует показания, но и дает объективную информацию об остаточном ресурсе датчика. Если при двухточечной калибровке крутизна опускается ниже типичной нижней границы 40–50 мВ/pH, стеклянный электрод исчерпал ресурс. Смещение нуля, превышающее по модулю примерно 60 мВ, указывает на истощение системы сравнения. Замедленный отклик или нестабильные показания часто вызваны загрязнением поверхности электрода и устраняются очисткой; если очистка не помогает, датчик следует заменить.

При монтаже любой датчик устанавливают кончиком вниз с отклонением от вертикали не более 80°. Такое положение не дает воздушному пузырьку внутри датчика скапливаться у кончика стеклянного шарика и искажать измерение; горизонтальной установки и установки кончиком вверх следует избегать.

Конструктивные особенности датчиков

Группа датчиков предлагает конструктивные варианты, которые переносят один принцип измерения в разные сценарии монтажа, подключения и обслуживания.

·         Три концепции монтажа: Врезной датчик ввинчивается непосредственно в трубопровод, погружной закрепляется на конце трубы и опускается в бассейн, выдвижной извлекается через шаровой кран. Вариант выбирают по точке измерения и стратегии обслуживания.

·         Корпус с резьбой NPT с двух сторон: У врезных датчиков есть передняя резьба 1 дюйм NPT для присоединения к процессу (в некоторых исполнениях дополнительно ¾ дюйма NPT) и задняя резьба 1 дюйм NPT. Задняя резьба служит для крепления погружной трубы, благодаря чему кабельный ввод остается сухим.

·         Выдвижные датчики в металлическом корпусе: Датчики с металлическим корпусом наружным диаметром 25 мм (1 дюйм) выпускаются разной длины и присоединяются к процессу через компрессионный адаптер с обжимным кольцом или через выдвижное устройство с шаровым краном.

·         Безопасный механизм извлечения: Встроенный в корпус упор не позволяет датчику выскользнуть из монтажной арматуры и быть вытолкнутым давлением процесса. Защита кончика электрода предохраняет стекло от повреждения, когда датчик упирается в закрытый кран.

·         Варианты предусилителя: Датчики поставляются без предусилителя или со встроенным стандартным предусилителем; для датчиков pH доступен также интеллектуальный предусилитель. С выносной соединительной коробкой и удлинительным кабелем датчик можно разместить на удалении от преобразователя.

·         Обновляемая система сравнения: В некоторых датчиках повышенного класса диафрагма и гелевый электролит сравнения заменяемые. Если калибровка показывает большое смещение нуля, достаточно обновить только систему сравнения, а не менять датчик целиком.

·         Диагностика по данным калибровки: Значения крутизны и смещения нуля, которые преобразователь рассчитывает при каждой калибровке, служат конкретным критерием состояния стеклянного электрода и системы сравнения.

·         Искробезопасное исполнение: В зависимости от конфигурации исполнения с маркировкой Ex ia IIC и уровнем взрывозащиты оборудования Ga могут применяться на объектах со взрывоопасными зонами.

·         Альтернативное обжимное кольцо и простое восстановление уплотнения: Если стандартное кольцо из PTFE в компрессионном адаптере недостаточно надежно фиксирует датчик, его заменяют кольцом из нержавеющей стали; при появлении течи в адаптере герметичность восстанавливают заменой уплотнительного кольца.

Технические данные и варианты исполнения

В таблице сведены общие для группы датчиков данные по монтажу, присоединению, калибровке и применению во взрывоопасных зонах. Диапазон измерения, точность, температура и давление процесса, а также материалы, контактирующие со средой, зависят от типа датчика, поэтому для выбранной конфигурации их подтверждают отдельно на стадии проекта.

Температуры в маркировке взрывозащиты — это пределы температуры окружающей среды, их нельзя трактовать как пределы температуры процесса. Совместимость материалов, контактирующих со средой, с составом среды и условиями эксплуатации остается ответственностью пользователя и оценивается отдельно при подборе.

Основные преимущества

·         Монтаж под точку измерения: Отдельные концепции монтажа для трубопроводов, бассейнов и непрерывных процессов позволяют подобрать датчик под процесс, а не перестраивать точку измерения под датчик.

·         Обслуживание без остановки процесса: В пределах допустимого давления выдвижное устройство с шаровым краном позволяет вывести датчик из линии для очистки, калибровки или замены.

·         Предсказуемая замена датчиков: Критерии крутизны и смещения нуля позволяют планировать замену по измеренным характеристикам датчика, а не по календарю.

·         Снижение затрат жизненного цикла: У датчиков с обновляемой системой сравнения замена только диафрагмы и гелевого электролита может сократить расходы на расходные материалы по сравнению с заменой всего датчика.

·         Проверка в реальных условиях процесса: Стандартизация, дополняющая калибровку по буферам, компенсирует диффузионный потенциал и подобные эффекты, так что показание согласуется с результатом анализа пробы.

·         Применение во взрывоопасных зонах: Искробезопасные конфигурации с сертификацией Ex ia позволяют организовать точки измерения на участках процесса, отнесенных к взрывоопасным зонам.

·         Целостность сигнала на больших расстояниях: Встроенный предусилитель и выносная соединительная коробка помогают надежнее доставить высокоомный сигнал электрода до преобразователя.

Сценарии и области применения

В зависимости от концепции монтажа датчики pH и ОВП адаптируются к самым разным точкам измерения. Приведенные ниже сценарии показывают, как тип датчика выбирают под точку измерения; пригодность для конкретной отрасли оценивается отдельно — по химии процесса и совместимости материалов, контактирующих со средой.

Технологические трубопроводы

Врезной датчик ввинчивают передней резьбой NPT непосредственно в линию или в монтажный адаптер. На линиях, где реагент дозируется пропорционально расходу, измерение pH можно объединить в контуре регулирования с измерением расхода — например, электромагнитными расходомерами — и управлять дозирующим насосом или клапаном.

Бассейны, приямки и открытые резервуары

Датчик задней резьбой крепят к погружной трубе и опускают на нужную глубину; кабельное соединение находится внутри трубы и защищено от влаги. Выдвижные датчики тоже можно использовать на погружной трубе, установив компрессионный адаптер в обратном направлении.

Процессы, которые нельзя останавливать

Там, где опорожнение линии обходится дорого или невозможно, выдвижной датчик выводят на обслуживание через узел с шаровым краном — при условии, что давление в линии ниже допустимого давления извлечения.

Среды, склонные к отложениям масел и накипи

Масляные пленки удаляют мягким неабразивным моющим средством, а накипь — кратковременным выдерживанием в разбавленной соляной кислоте. В таких процессах выдвижной монтаж делает регулярную очистку практичной.

Контроль окислителей и восстановителей

Измерение ОВП отражает в милливольтах активность окислителей или восстановителей в процессе; вместе с измерением pH оно помогает подтвердить, что реакция достигла заданной конечной точки.

Объекты со взрывоопасными зонами

Искробезопасные конфигурации (Ex ia) применяются на участках процесса, отнесенных к взрывоопасным зонам, вместе с преобразователем и кабельной разводкой, отвечающими концепции искробезопасной цепи.

Как выбрать датчик pH: параметры для оценки

Правильный датчик определяется совместной оценкой измерительной задачи, точки монтажа и имеющихся возможностей обслуживания. Перед технической оценкой рекомендуем уточнить следующее:

Измерительная задача и химия процесса

·         Измеряемая величина: pH, ОВП или обе

·         Ожидаемый диапазон pH/ОВП и разрешение, необходимое для регулирования

·         Состав среды и химическая совместимость с материалами, контактирующими со средой

·         Склонность к отложениям масел, накипи или твердых частиц

·         Минимальные / рабочие / максимальные температура и давление процесса

Концепция монтажа и механические условия

·         Тип монтажа: врезной, погружной или выдвижной

·         Имеющаяся присоединительная резьба (1 дюйм или ¾ дюйма NPT) и потребность в монтажном адаптере

·         Необходимая глубина погружения и длина датчика

·         Для выдвижного монтажа: сравнение давления в линии с допустимым давлением извлечения для данной длины датчика

·         Возможность соблюсти условие «кончиком вниз, не более 80° от вертикали» и достаточное рабочее пространство для извлечения

Электрическое подключение и взрывоопасная зона

·         Тип преобразователя и предпочтительный вариант предусилителя

·         Длина кабеля между датчиком и преобразователем; потребность в выносной соединительной коробке и удлинительном кабеле

·         Классификация зоны, требуемый вид взрывозащиты, температурный класс и диапазон температуры окружающей среды

·         Будут ли в той же точке контролироваться дополнительные параметры датчиками растворенного кислорода или индуктивными датчиками электропроводности

Калибровка, обслуживание и хранение

·         Планируемая периодичность калибровки и используемые буферные растворы

·         Возможность отбора пробы вблизи датчика для стандартизации

·         Предпочтение обновляемой системы сравнения и план запаса расходных материалов

·         Условия хранения резервных датчиков (помещение с контролем температуры, защитный колпачок)

Если в одной точке нужно контролировать несколько параметров анализа жидкостей, работа датчиков на общей платформе преобразователей упрощает и кабельную разводку, и планирование обслуживания.

Сертификаты взрывозащиты и сведения о соответствии

Ниже обобщены сертификаты взрывозащиты и сведения о соответствии, определенные для группы датчиков. Применимая маркировка зависит от типа датчика, наличия и типа предусилителя, поэтому ее необходимо подтверждать для заказываемой конфигурации.

Пригодность для взрывоопасной зоны проверяется в каждом проекте с учетом всей искробезопасной цепи — датчика, предусилителя, преобразователя и кабельной разводки. TLY Enerji помогает проектным командам в этой оценке.

Проектирование точки измерения pH/ОВП с TLY Enerji

TLY Enerji рассматривает измерение pH и ОВП как измерительную цепь из датчика, монтажной арматуры, кабельной разводки и преобразователя. На старте проекта мы оцениваем в комплексе состав среды, температуру и давление, склонность к отложениям и классификацию взрывоопасной зоны и определяем, какой монтаж — врезной, погружной или выдвижной — подходит для точки измерения. Для выдвижных решений длину датчика и допустимое давление извлечения сверяем с реальными условиями в линии.

Мы оказываем инженерную поддержку в согласовании датчика с преобразователем, выборе предусилителя и трассировке кабелей, интеграции в систему управления, первой калибровке по буферным растворам при пусконаладке и подготовке процедур калибровки и очистки для служб обслуживания. Наша цель — точка измерения, состояние которой на протяжении всего срока эксплуатации отслеживается по крутизне и смещению нуля, а обслуживание ведется по плану, а не по факту отказа.

·         Анализ точки измерения и выбор концепции монтажа

·         Оценка пригодности для взрывоопасной зоны применительно к проекту

·         Инжиниринг преобразователя, предусилителя и кабельной разводки

·         Интеграция в ПЛК / РСУ / SCADA и поддержка пусконаладки

·         Планирование калибровки, очистки и запаса расходных материалов

Часто задаваемые вопросы

Что такое датчик pH и как он работает?

Датчик pH — потенциометрический датчик, который непрерывно измеряет кислотность или щелочность жидкости. Чувствительный к pH стеклянный электрод формирует потенциал, зависящий от активности ионов водорода в среде, а электрод сравнения обеспечивает постоянный опорный потенциал. Совместимый преобразователь пересчитывает разность потенциалов в милливольтах в единицы pH с учетом крутизны и смещения нуля, найденных при калибровке, и передает результат в систему управления.

Чем измерение pH отличается от измерения ОВП?

Измерение pH показывает активность ионов водорода, то есть кислый или щелочной характер раствора, и выполняется стеклянным электродом. Измерение ОВП выражает в милливольтах склонность раствора к окислению или восстановлению и выполняется металлическим электродом, например платиновым. Оба метода основаны на одном потенциометрическом принципе, поэтому монтажная арматура у них сходная; однако способы калибровки различаются, и каждое измерение отвечает на свой технологический вопрос.

Как калибровать датчик pH?

Наиболее надежный способ — двухточечная калибровка по буферным растворам. Датчик сначала погружают в первый буфер и ждут, пока он примет температуру раствора, а показание стабилизируется. После того как преобразователь принял эту точку, кончик датчика ополаскивают вторым буфером и повторяют шаг во втором растворе. По двум точкам преобразователь рассчитывает смещение нуля (мВ) и крутизну (мВ/pH). Калибровку рекомендуется выполнять при пусконаладке.

Что такое стандартизация pH и чем она отличается от калибровки по буферам?

Стандартизация — это приведение показания к известному значению pH процесса после калибровки по буферам и адаптации датчика к среде. Пробу, отобранную рядом с датчиком, измеряют вторым откалиброванным прибором с термокомпенсацией и устанавливают полученное значение на преобразователе. В отличие от калибровки по буферам, стандартизация не меняет крутизну; она компенсирует мешающие эффекты, например диффузионный потенциал диафрагмы. Проводить ее рекомендуется при температуре процесса.

Как калибровать датчик ОВП?

Датчик ОВП калибруют в стандартном растворе с известным потенциалом. Обычно используют насыщенный раствор хингидрона: в буфер pH 4 или pH 7 добавляют несколько кристаллов хингидрона. Датчик погружают в раствор, выжидают одну-две минуты и устанавливают на преобразователе эталонное значение для температуры раствора — например, около 264 мВ в буфере pH 4 при 25 °C. Раствор со временем теряет стабильность, поэтому его каждый раз готовят заново.

Как понять, что датчик pH пора менять?

Нагляднее всего об этом говорят данные калибровки. Если крутизна при двухточечной калибровке упала ниже типичной нижней границы 40–50 мВ/pH, стеклянный электрод выработал ресурс. Смещение нуля более примерно 60 мВ по модулю означает истощение системы сравнения; у датчиков с обновляемой системой сравнения в этом случае можно заменить диафрагму и гелевый электролит и повторно откалибровать датчик. Замедленный или нестабильный отклик сначала пытаются устранить очисткой.

Можно ли извлечь датчик pH без остановки процесса?

Выдвижные датчики, работающие с выдвижным устройством на шаровом кране, можно вывести из линии для очистки или замены. Делать это допускается только при давлении в линии ниже максимального давления извлечения для данной длины датчика: 5,4 бар (изб.) для датчика 533 мм и 3,4 бар (изб.) для датчика 914 мм. Кран закрывают только после того, как датчик полностью выведен до упора; необходимы защитный щиток для лица и безопасное рабочее положение. Согласно требованиям безопасности, по возможности давление и температуру снижают до безопасного уровня.

Как чистить и хранить датчик pH?

Масляные отложения удаляют мягким неабразивным моющим средством, накипь — выдерживанием электродов в 5 %-ной соляной кислоте от одной до пяти минут. Металлические электроды ОВП можно отполировать увлажненной питьевой содой (гидрокарбонатом натрия). Храните датчик в оригинальной упаковке в помещении с контролем температуры; после распаковки — кончиком вниз, в защитном колпачке с раствором KCl. Для коротких перерывов, например на ночь, подойдут водопроводная вода или буфер pH 4.

Можно ли применять датчики pH и ОВП во взрывоопасных зонах?

Да, в соответствующих конфигурациях. Для датчиков имеются сертификаты искробезопасности по ATEX, UKEX, IECEx и EAC с маркировкой Ex ia IIC T4/T5 Ga, а для США и Канады — с маркировкой для Class I, Division 1 и Zone 0. Применимая маркировка зависит от типа предусилителя. Пластмассовые поверхности протирают только влажной тканью, металлические корпуса защищают от ударов и трения. Пригодность всей цепи оценивается для каждого проекта.