液體分析在一些過程工業(yè)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(xué)品和制藥。監(jiān)測(cè)和應(yīng)對(duì)相關(guān)參數(shù)的變化對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量、優(yōu)化產(chǎn)量、確保安全以及合規(guī)性和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要。
 

　　過去，在線過程液體分析測(cè)量使用的是診斷和測(cè)量質(zhì)量參數(shù)有限的基本模擬儀器，但如今，數(shù)字通信協(xié)議和智能儀表已大大擴(kuò)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(guī)模開發(fā)和部署數(shù)字協(xié)議之前，通常使用基本的模擬儀表進(jìn)行液體分析，每個(gè)儀表都由傳感器、電纜和變送器等組成，以進(jìn)行在線過程測(cè)量。然后，通過4至20mA模擬信號(hào)，將每個(gè)儀表測(cè)量的過程變量發(fā)送到監(jiān)視、控制或其它主機(jī)系統(tǒng)。
 

　　這些儀表通常操作起來很麻煩，例如需要精細(xì)的試劑設(shè)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(diǎn)處濕氣的影響。所有這些都可能會(huì)對(duì)變送器接收的原始信號(hào)產(chǎn)生不利影響，甚至發(fā)生在通過4到20mA電流信號(hào)將標(biāo)度值發(fā)送到主機(jī)系統(tǒng)之前。
 

　　除了環(huán)境因素外，傳感器電纜和變送器特性可能會(huì)影響測(cè)量值，因此這些細(xì)微差別必須包含在校準(zhǔn)程序中。由于存在這類問題，也就無法在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，需要技術(shù)人員將校準(zhǔn)設(shè)備運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，并在困難或危險(xiǎn)工況下進(jìn)行校準(zhǔn)。現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)通常需要花費(fèi)比實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)更長(zhǎng)的時(shí)間。例如，校準(zhǔn)單個(gè)pH回路可能需要40-60分鐘，并且通常需要多名技術(shù)人員。
 

　　基本模擬傳感器不僅難以校準(zhǔn)，而且由于缺乏儀表健康診斷指標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)試也很復(fù)雜，且難以維護(hù)。因此，工廠人員不可避免地要在配置、故障排除和維護(hù)上花費(fèi)大量的時(shí)間和資源。
 

　　02  電感式數(shù)字儀表打破了模擬泡沫
 

　　為了解決這些問題，電感式數(shù)字傳感器將測(cè)量值數(shù)字化，并通過非接觸式連接將信號(hào)中繼到變送器。數(shù)字信號(hào)不受上述環(huán)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(hào)。
 

　　這類數(shù)字傳感器技術(shù)使用的數(shù)字通信，不會(huì)因?yàn)閭鞲衅麟娎|和模擬信號(hào)傳輸而對(duì)主機(jī)系統(tǒng)接收的測(cè)量值產(chǎn)生影響，因而使實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)變得可行。包括校準(zhǔn)信息在內(nèi)的關(guān)鍵傳感器數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在傳感器中，在現(xiàn)場(chǎng)就可以輕松更換經(jīng)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)的傳感器。傳感器校準(zhǔn)后，工作人員可以在幾分鐘內(nèi)更換有問題的傳感器，從而最大限度地減少因設(shè)備故障而造成的停機(jī)時(shí)間。在現(xiàn)場(chǎng)部署前，儀表校準(zhǔn)通常有12個(gè)月的有效期，為預(yù)先校準(zhǔn)的替換儀表提供很長(zhǎng)的保質(zhì)期。
 

　　與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)所需的1個(gè)多小時(shí)相比，數(shù)字 pH 傳感器可在10分鐘內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，且無需將校準(zhǔn)設(shè)備運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)。同時(shí)，在工廠現(xiàn)場(chǎng)用預(yù)先校準(zhǔn)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(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)相比，使用數(shù)字傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)，既方便又可以節(jié)省大量時(shí)間。
 

　　電感儀表技術(shù)最初是為pH測(cè)量而開發(fā)的，現(xiàn)已發(fā)展成為眾多液體分析應(yīng)用的平臺(tái)，包括電導(dǎo)率、ORP、溶解氧、濁度、消毒特性、紫外線/可見光和分光光度測(cè)量等。這些傳感器能進(jìn)一步提高可靠性、過程管理和預(yù)測(cè)性維護(hù)，并存儲(chǔ)與儀表和過程相關(guān)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(zhǔn)循環(huán)。
 

　　這些參數(shù)包括可編程CIP循環(huán)、pH和ORP探針的負(fù)載矩陣、校準(zhǔn)檢查和調(diào)整之間的區(qū)別、數(shù)字傳感器標(biāo)簽、操作時(shí)間以及電流消毒、電導(dǎo)率和溶解氧傳感器的電解質(zhì)消耗監(jiān)測(cè)。
 

　　03  改善加工過程中傳感器的精度和維護(hù)
 

　　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(zhǔn)確可靠的pH測(cè)量。
 

　　芬蘭一家礦業(yè)公司就遇到了測(cè)量精度問題，員工在校準(zhǔn)上花費(fèi)了太多時(shí)間和資源。該公司對(duì)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(shí)減少維護(hù)工作量。
 

　　這家礦業(yè)公司進(jìn)行了為期一年的試驗(yàn)，比較了多家供應(yīng)商的儀表和服務(wù)，最終他們選擇了Endress+Hauser。通過密切合作，該團(tuán)隊(duì)在整個(gè)設(shè)施中安裝了電感式數(shù)字Memosens pH傳感器和變送器以應(yīng)對(duì)技術(shù)挑戰(zhàn)。
 

　　使用安裝多年的老舊儀表，傳感器的清潔既復(fù)雜、不方便又耗時(shí)，而且必須在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)完成，在溫度低至-40℉的冬季，這可不是什么好事。相比之下，數(shù)字儀表可自動(dòng)執(zhí)行自清潔功能，從而提高效率和員工滿意度。
 

　　轉(zhuǎn)換后，儀表校準(zhǔn)和維護(hù)工作總共減少了近90%，從每年2200個(gè)工時(shí)減少到僅240個(gè)工時(shí)。減少要求苛刻的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)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(xué)品的消耗量減少了50%。
 

　　04  實(shí)現(xiàn)更高精度的測(cè)定
 

　　在食品生產(chǎn)中，用次氯酸鹽清洗蔬菜可以殺死有害病原體，從而提高產(chǎn)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(yán)格的監(jiān)管限值——可能低至0.2 mg/L。然而，很多氯傳感器無法測(cè)量如此低的濃度，在此濃度下它們通常會(huì)進(jìn)入休眠模式。
 

　　為了滿足該應(yīng)用中所需的低濃度要求，一家過程企業(yè)采用了包含感應(yīng)式數(shù)字式余氯和pH傳感器、流量組件和Liquiline變送器的機(jī)柜式解決方案。余氯傳感器的設(shè)計(jì)旨在測(cè)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(cè)量，可以高效投放亞硫酸氫鹽以進(jìn)行氯沉淀，從而降低運(yùn)行成本。通過所安裝的變送器來傳輸氯測(cè)量值，以調(diào)節(jié)亞硫酸氫鹽泵，使用比例-積分-微分(PID)控制將氯設(shè)定值保持在0.08 mg/L，安全地低于0.2 mg/L的排放規(guī)定。
 

　　05  pH監(jiān)測(cè)有效防止加工過程中的損壞
 

　　從乳糖和礦物質(zhì)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(xì)監(jiān)測(cè)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(jī)材料的酶，以及用于維持安全pH水平的化學(xué)緩沖液。然而，不準(zhǔn)確的pH測(cè)量可能會(huì)很快導(dǎo)致問題，因?yàn)檫@些系統(tǒng)的清潔頻率很高，有時(shí)每天多達(dá)4次。
 

　　與聚合物膜不同，陶瓷膜是用堿性溶液清洗的，不會(huì)造成同樣的風(fēng)險(xiǎn)。然而，在常規(guī)操作過程中，監(jiān)測(cè)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(gè)工藝橇塊的入口和出口安裝了電感式數(shù)字pH傳感器，以監(jiān)測(cè)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(gè)循環(huán)中都會(huì)對(duì)傳感器進(jìn)行清潔。
 

　　對(duì)于另一種應(yīng)用，陶瓷分離器上的傳感器安裝在一個(gè)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(dú)拆卸和清潔。
 

　　經(jīng)過近300次清洗后，傳感器沒有出現(xiàn)任何明顯的老化現(xiàn)象，并且每6到12個(gè)月一次的低校準(zhǔn)頻率，對(duì)加工制造商來說是非常可控的。
 

　　06  數(shù)字技術(shù)推動(dòng)液體分析
 

　　具有數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸功能的現(xiàn)代儀表解決了模擬傳感器的許多問題，包括對(duì)環(huán)境條件的敏感性、缺乏儀表診斷和所需的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)等。
 

　　這些先進(jìn)的數(shù)字儀表可幫助過程制造企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提高生產(chǎn)安全、工藝效率和產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)保持合規(guī)性并優(yōu)化液體分析應(yīng)用的運(yùn)營(yíng)。