Индуктивные (тороидальные) датчики электропроводности

Что такое датчик электропроводности и почему тороидальная конструкция?

Электропроводность — способность жидкости проводить электрический ток. Она зависит от вида и концентрации ионов в растворе, а также от температуры; в промышленности ее обычно выражают в мкСм/см, мСм/см или См/см. В средах, близких к чистой воде, электропроводность очень мала, а в растворах кислот, щелочей и солей достигает высоких значений. Поэтому измерение электропроводности — практичный способ непрерывно контролировать количество растворенных ионов и косвенно — концентрацию химических веществ.

Технологические датчики электропроводности делятся на две основные группы: контактные (электродные) кондуктометрические датчики, которые измеряют с помощью металлических электродов, непосредственно соприкасающихся со средой, и рассматриваемые здесь индуктивные, или тороидальные, датчики. В тороидальной конструкции измерительные катушки полностью заключены в химически стойкий полимерный корпус, и жидкость соприкасается только с материалом корпуса. Поскольку поверхности электродов нет, типичные для контактных датчиков источники погрешности — поляризация, загрязнение и коррозия электродов — в значительной мере исключаются.

Сам по себе индуктивный датчик полезного выходного сигнала не формирует. Он работает в паре с совместимым аналитическим преобразователем, который возбуждает катушки и обрабатывает измерительный сигнал. По постоянной ячейки датчика и показаниям встроенного термоэлемента преобразователь вычисляет электропроводность и передает результат в систему управления. Если контролируется концентрация, это значение интерпретируется через зависимость «электропроводность — концентрация» для конкретного раствора.

Физика индуктивного (тороидального) измерения электропроводности

Индуктивное измерение напоминает работу трансформатора: связь между двумя кольцевыми (тороидальными) катушками в корпусе датчика обеспечивает технологическая жидкость, которая проходит сквозь датчик и омывает его снаружи. Измерение выполняется в следующей последовательности:

1.      Возбуждение первичной катушки: Преобразователь подает переменное напряжение на первую (возбуждающую) катушку. Переменное магнитное поле в ее сердечнике индуцирует электрическое поле в жидкости, окружающей катушку.

2.      Замкнутый токовый контур в жидкости: Жидкость, проходящая через сквозное отверстие в корпусе датчика и охватывающая его снаружи, образует замкнутый проводящий контур. Ток, индуцируемый в этом контуре, прямо пропорционален электропроводности жидкости.

3.      Формирование сигнала в приемной катушке: Ток жидкостного контура проходит и через сердечник второй (приемной) катушки, наводя в ней сигнал, пропорциональный этому току. Электрического контакта между катушками нет — связь между ними создает только проводящая жидкость.

4.      Пересчет в электропроводность через постоянную ячейки: Сигнал приемной катушки оценивается с учетом постоянной ячейки (номинально 2,7 см⁻¹), которая характеризует геометрию жидкостного контура, и пересчитывается в значение электропроводности.

5.      Термокомпенсация: Электропроводность сильно зависит от температуры, поэтому встроенный в датчик термометр сопротивления Pt 100 измеряет температуру процесса. По этому значению преобразователь приводит показание к опорной температуре, чтобы колебания температуры не принимались за изменение концентрации.

Почему безэлектродное измерение выгодно в загрязненных и агрессивных средах?

У контактных датчиков измерение происходит на границе между поверхностью электрода и жидкостью. При высокой электропроводности поляризация на этой границе становится заметной; когда электрод покрывается маслом, шламом или кристаллическими отложениями, показания дрейфуют, а агрессивные химикаты непосредственно разрушают металлический электрод. У тороидального датчика единственная поверхность, смачиваемая жидкостью, — полимерный корпус. Тонкий слой отложений почти не меняет общее сопротивление токового контура, поэтому измерение гораздо терпимее к загрязнению, чем у электродных конструкций. Тем не менее рекомендуется периодический визуальный осмотр: толстые отложения способны сузить отверстие датчика.

От электропроводности к концентрации

В растворах, где преобладает одно растворенное вещество, электропроводность и концентрация связаны определенной зависимостью — это и позволяет непрерывно контролировать концентрацию кислот, щелочей и солей. Однако во многих растворах электропроводность растет с концентрацией лишь до максимума, а затем снижается, так что одному значению электропроводности могут соответствовать две разные концентрации. Поэтому при проектировании измерения проверяют, остается ли рабочий диапазон концентраций на одной ветви кривой (монотонном участке), а термокомпенсацию настраивают специально для данного раствора.

Влияние места установки на измерение

Токовый контур, который регистрирует тороидальный датчик, охватывает и объем жидкости вокруг корпуса. Если датчик расположен слишком близко к стенке трубы или внутренней поверхности резервуара, геометрия контура искажается и эффективная постоянная ячейки отклоняется от номинала — это явление называют эффектом стенки. Рекомендуется оставлять вокруг датчика достаточный зазор; если это невозможно, калибровку выполняют с датчиком в рабочем положении. Пузырьки воздуха, задержавшиеся в отверстии датчика, также могут занижать показания, поэтому ориентацию при монтаже выбирают с учетом потока и отделения газа.

Конструктивные особенности

·         Измерение высокой электропроводности: Диапазон измерения до 2 000 000 мкСм/см (2 См/см) подходит для контроля концентрации в растворах кислот, щелочей и солей с высокой электропроводностью.

·         Химически стойкие варианты корпуса: Корпус датчика формуют из стеклонаполненного PEEK, стеклонаполненного ETFE или ненаполненного ETFE; материал подбирают по химическому составу и температуре среды.

·         Исполнение для высоких температур и давлений: Высокотемпературное исполнение из PEEK применяется при температуре процесса до 200 °C и давлении до 2 135 кПа (абс.).

·         Вибростойкая внутренняя конструкция: Усиленный внутренний металлический каркас повышает механическую прочность датчика в точках монтажа, подверженных вибрации.

·         Встроенный термометр сопротивления Pt 100: Термометр сопротивления Pt 100 в корпусе измеряет температуру среды непосредственно рядом с зоной измерения для термокомпенсации.

·         Два стандарта присоединения к процессу: Исполнение с наружной резьбой ¾ дюйма MNPT устанавливают напрямую или через адаптер, а исполнение с резьбой ⅝-11 UNC — через монтажный адаптер со стандартной прокладкой из EPDM. Для исполнения UNC доступны также прокладки из FKM и FFKM.

·         Экранированный и неэкранированный кабель: Стандартный встроенный кабель имеет длину 6,1 м; помимо вариантов 3 м, 10 м, 15 м и 30 м можно заказать экранированный кабель с улучшенной защитой от ЭМП/РЧП.

·         Извлечение без остановки процесса: Опциональные механические (с винтовым приводом) или ручные выдвижные устройства позволяют извлекать датчик из трубопроводов и резервуаров при работающем процессе.

·         Варианты документации: По запросу поставляются сертификаты калибровки, контурной калибровки и электронной калибровки, а также сертификат прослеживаемости материалов.

Технические характеристики

В таблице объединены данные самого индуктивного датчика, а также адаптеров и выдвижных устройств, применяемых с ним. Все значения давления — абсолютные. Допустимый предел системы в целом определяется наименьшим номиналом среди выбранных материала корпуса, адаптера и выдвижного устройства.

Выдвижные устройства совместимы только с конфигурацией датчика с присоединением ⅝-11 UNC и коротким кабелем. Нижняя граница диапазона измерения и достижимая точность зависят от преобразователя и подтверждаются для конкретного сочетания датчика и преобразователя на стадии проекта.

Основные преимущества

·         Высокая устойчивость к загрязнению: Поверхности электродов нет, поэтому тонкие отложения практически не влияют на измерение, а очистка требуется значительно реже, чем у электродных датчиков.

·         Нет металлического электрода, подверженного коррозии: Поверхность, контактирующая со средой, выполнена из химически стойкого полимера, поэтому датчик долго служит в агрессивных растворах кислот, щелочей и солей.

·         Измерение без поляризации при высокой электропроводности: Диапазон до 2 См/см дает стабильные данные в области высокой электропроводности, где у контактных датчиков проявляется поляризация.

·         Непрерывные данные для регулирования концентрации: Изменения концентрации кислоты, щелочи или соли отслеживаются в реальном времени, и дозирование корректируется без ожидания результатов лабораторного анализа.

·         Работа в тяжелых условиях процесса: Высокотемпературное исполнение, предел давления 2 135 кПа и вибростойкая внутренняя конструкция позволяют применять датчик на линиях с жесткими условиями эксплуатации.

·         Непрерывность процесса при обслуживании: С выдвижным устройством датчик можно извлечь для осмотра, очистки или замены без опорожнения линии.

·         Простая интеграция в действующие установки: Два стандарта резьбы и врезные адаптеры из разных материалов облегчают установку датчика на существующие технологические присоединения.

Процессы с индуктивным измерением электропроводности

Индуктивные датчики электропроводности применяют в процессах с высокопроводящими, загрязненными или агрессивными средами и там, где концентрацию химических веществ нужно контролировать непрерывно. Ниже показано, как конфигурацию датчика подбирают под условия процесса.

Контроль концентрации кислот и щелочей

При приготовлении, разбавлении или дозировании растворов кислот и щелочей электропроводность служит непрерывным показателем концентрации. Материал корпуса — PEEK или ETFE — выбирают по типу раствора и рабочей температуре.

Растворы солей и электролиты с высокой электропроводностью

В высокопроводящих электролитах, например растворах солей, индуктивное измерение дает стабильные показания до 2 См/см без проблем поляризации электродов.

Загрязненные среды, склонные к отложениям

В средах со взвешенными частицами, маслами или осадками отсутствие поверхности электродов снижает влияние налипаний на измерение и увеличивает межсервисные интервалы.

Линии агрессивных химикатов

На линиях, где металлические электроды быстро корродировали бы, датчик в полимерном корпусе контактирует с технологической жидкостью только через химически стойкий материал. Материал прокладки (EPDM, FKM или FFKM) также подбирают с учетом химии процесса.

Высокотемпературные линии под давлением

Высокотемпературное исполнение из PEEK применяется при температуре процесса до 200 °C вместе с подходящим адаптером из нержавеющей стали или механическим выдвижным устройством. Предел системы необходимо проверять с учетом номиналов выбранной монтажной арматуры.

Съемный монтаж в резервуарах и трубопроводах

На непрерывно работающих резервуарах и трубопроводах механическое или ручное выдвижное устройство позволяет извлечь датчик через шаровой кран без остановки процесса; пределы давления и температуры у механического устройства выше.

Руководство по выбору датчика электропроводности

Выбор индуктивного датчика требует совместного анализа химии раствора, диапазона температуры и давления процесса, геометрии монтажа и требований к интеграции. Ответы на следующие вопросы до подготовки предложения и инженерной проработки позволяют быстро прийти к правильной конфигурации:

Химия процесса и диапазон электропроводности

·         Тип измеряемого раствора (кислота, щелочь, соль или смесь) и ожидаемый диапазон электропроводности

·         При измерении концентрации: остается ли рабочий диапазон на монотонном участке кривой «электропроводность — концентрация»

·         Не стоит ли для сред с очень низкой электропроводностью рассмотреть контактный датчик вместо индуктивного

·         Химическая совместимость материалов корпуса (PEEK / ETFE) и прокладки (EPDM / FKM / FFKM)

·         Если наряду с концентрацией нужен контроль pH — точка измерения, спроектированная совместно с датчиками pH и ОВП

Диапазон температуры и давления

·         Минимальная / рабочая / максимальная температура процесса (выше 120 °C требуется высокотемпературное исполнение из PEEK)

·         Максимальное давление процесса и допустимый предел для материала корпуса

·         Требуется ли канадская регистрация оборудования под давлением (CRN)

·         Пределы по температуре и давлению для выбранного адаптера или выдвижного устройства

Монтаж и механические условия

·         Будет ли датчик установлен в линии стационарно (врезной/погружной монтаж) или съемно с выдвижным устройством

·         Имеющееся присоединение: ¾ дюйма MNPT, ⅝-11 UNC или 1½ / 2 дюйма MNPT через адаптер

·         Диаметр трубы и зазор вокруг датчика (эффект стенки); при необходимости — калибровка в рабочем положении

·         Вибрация, скорость потока и риск задержки пузырьков воздуха

·         Ход погружения и рабочее пространство, необходимые для выдвижного устройства

Кабель, преобразователь и документация

·         Расстояние между датчиком и преобразователем и соответствующая длина кабеля; экранированный кабель на объектах с сильными электрическими помехами

·         Совместимость с используемым преобразователем для анализа жидкостей и необходимость пересчета в концентрацию

·         Будут ли на той же платформе обрабатываться другие измерения анализа жидкостей, например сигналы датчиков растворенного кислорода

·         Отдельная точка измерения с преобразователями температуры, если температуру процесса нужно контролировать независимо

·         Требования к сертификатам калибровки, контурной калибровки, электронной калибровки и прослеживаемости материалов

Данные об электропроводности полезны и при оценке применимости приборов, принцип измерения которых зависит от проводимости жидкости, — например, электромагнитных расходомеров. Если датчик планируется применять на объекте со взрывоопасными зонами, пригодность оценивается отдельно на стадии проекта.

Сертификаты, регистрация по давлению и стандарты присоединения

Документы, которые можно заказать с индуктивным датчиком, пределы, действующие при регистрации по давлению, и применяемые стандарты резьбы приведены ниже:

Если датчик планируется использовать на объекте со взрывоопасными зонами, пригодность сочетания датчика и преобразователя следует отдельно обсудить с TLY Enerji на стадии проектирования.

Комплексная поддержка TLY Enerji в измерении электропроводности

Надежный результат измерения электропроводности зависит не только от возможностей датчика, но и от химии среды, геометрии монтажа и правильно настроенной термокомпенсации. Инженеры TLY Enerji совместно анализируют тип раствора и диапазон концентраций, температуру и давление процесса, геометрию трубы или резервуара в точке монтажа и на этой основе определяют сочетание материала корпуса, типа присоединения и монтажной арматуры. Предел системы проверяется по наименьшему номиналу среди датчика, адаптера и выдвижного устройства.

Для задач измерения концентрации мы проверяем, однозначна ли зависимость «электропроводность — концентрация» во всем рабочем диапазоне, и поддерживаем проектные команды при выборе и настройке преобразователя, планировании кабелей и соединительных коробок, интеграции в систему управления и пусконаладке. В результате точка измерения электропроводности с первой калибровки корректно отражает изменения химии процесса и становится входным сигналом для регулирования с предсказуемым обслуживанием.

·         Анализ химии процесса и диапазона концентраций

·         Выбор корпуса, прокладки и монтажной арматуры

·         Оценка эффекта стенки и геометрии монтажа

·         Настройка преобразователя и интеграция в ПЛК / РСУ / SCADA

·         Поддержка пусконаладки и планирования обслуживания

Часто задаваемые вопросы

Что такое индуктивный (тороидальный) датчик электропроводности?

Это датчик, который измеряет удельную электропроводность жидкости индуктивным методом, без металлических электродов. Из двух катушек внутри полимерного корпуса одна индуцирует в жидкости токовый контур, а другая регистрирует этот ток, величина которого пропорциональна электропроводности. Благодаря отсутствию поверхности электродов датчик надежно работает в загрязненных, агрессивных и высокопроводящих растворах и применяется для контроля концентрации кислот, щелочей и солей.

Чем индуктивный датчик электропроводности отличается от контактного?

Контактные (электродные) датчики измеряют ток между металлическими электродами, непосредственно соприкасающимися с жидкостью; это преимущество при низкой электропроводности, но на них влияют отложения, поляризация и коррозия. В индуктивном датчике измерительные элементы герметично заключены в полимерный корпус, а измерение основано на токе, индуцированном в жидкости. Поэтому тороидальные конструкции предпочтительны для высокопроводящих, загрязненных и агрессивных сред, а для сред с очень низкой электропроводностью следует рассматривать контактные датчики.

При каких значениях электропроводности применяют индуктивный датчик?

Описанный на этой странице датчик измеряет растворы электролитов с высокой электропроводностью до 2 000 000 мкСм/см (2 См/см). Его номинальная постоянная ячейки — 2,7 см⁻¹. Нижняя граница диапазона и достижимая точность зависят от преобразователя, с которым работает датчик, поэтому для задач в области низкой электропроводности сочетание датчика и преобразователя следует отдельно оценить на стадии проекта.

Как определить концентрацию по электропроводности?

В растворах кислот, щелочей или солей, где преобладает одно растворенное вещество, электропроводность и концентрация связаны определенной зависимостью; измеренная и приведенная по температуре электропроводность пересчитывается в концентрацию по этой зависимости. Во многих растворах электропроводность при некоторой концентрации достигает максимума и затем снижается, поэтому рабочий диапазон должен оставаться на одной ветви кривой. Иначе одной и той же электропроводности могут соответствовать две разные концентрации.

Как выбрать материал корпуса датчика?

Материал корпуса выбирают по химии процесса, температуре и давлению. Корпус из стеклонаполненного PEEK применяется до 120 °C в стандартном и до 200 °C в высокотемпературном исполнении, в обоих случаях до 2 135 кПа. Корпуса из стеклонаполненного или ненаполненного ETFE ограничены 120 °C и 1 480 кПа и выбираются, когда этого требует химическая совместимость. Материал прокладки (EPDM, FKM или FFKM) следует включать в ту же оценку.

Зачем оставлять свободное пространство вокруг датчика при монтаже?

Токовый контур, измеряемый тороидальным датчиком, проходит и через жидкость вокруг корпуса. Если датчик находится слишком близко к стенке трубы или резервуара, геометрия контура меняется и эффективная постоянная ячейки отклоняется — это называют эффектом стенки. Вокруг датчика рекомендуется оставлять достаточный зазор. Если в узких трубах это невозможно, практичный способ компенсировать погрешность от эффекта стенки — калибровка датчика в рабочем положении.

Как температура влияет на измерение электропроводности?

Электропроводность растворов заметно растет с повышением температуры, поэтому без компенсации изменение температуры может выглядеть как изменение концентрации. Встроенный в датчик термометр сопротивления Pt 100 измеряет температуру процесса, и преобразователь по этому значению приводит электропроводность к опорной температуре. Для корректного измерения концентрации компенсацию нужно настроить именно для измеряемого раствора.

Можно ли извлечь датчик без остановки процесса?

Да, с выдвижным устройством. Механическое устройство рассчитано на 200 °C и 2 135 кПа, ручное — на 130 °C и 343 кПа; максимальный ход погружения составляет соответственно 267 мм и 305 мм. Устройства присоединяются резьбой 1½ дюйма MNPT к отдельно поставляемому шаровому крану и используются с конфигурацией датчика с присоединением ⅝-11 UNC и коротким кабелем. После выведения датчика кран закрывают, и обслуживание выполняется без вскрытия линии.

Какой кабель выбрать — экранированный или неэкранированный?

На объектах с сильными электрическими помехами — приводами электродвигателей, насосами, мощным оборудованием — следует выбирать экранированный кабель с улучшенной защитой от ЭМП/РЧП. Для некоторых преобразователей рекомендуется неэкранированный кабель, а часть преобразователей с экранированным исполнением не применяется, поэтому выбор определяется преобразователем. Стандартная длина встроенного кабеля — 6,1 м; доступны и другие длины от 3 до 30 м, а линию можно удлинить через соединительную коробку.