Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Měření úrovně hladiny a teploty ve varné pánvi minipivovaru

Malé pivovary zažívají v České republice rozkvět. I když je při vaření piva v minipivovarech dávána přednost tradičním výrobním postupům, je třeba usnadnit práci obsluze a eliminovat její případné chyby, které by ohrozily kvalitu piva. Proto jsou tyto malé pivovary vybavovány dokonalejší měřicí a řídicí technikou. Tento článek popisuje měření hladiny ve varné pánvi hydrostatickou zásuvnou sondou speciální konstrukce.

Měření výšky hladiny vody, resp. sladiny ve varné pánvi, představuje z technického hlediska ne úplně jednoduchý úkol, a to zejména pro přítomnost pěny a páry, pro trvale vysokou teplotu a z důvodu požadavku na čistitelnost. Moderní varny ve velkých pivovarech jsou obvykle vybaveny dávkovacími systémy, které tento úkol obcházejí: místo hladiny je měřeno proteklé množství. V malých pivovarech se tradičně používá dřevěná měrka s ryskami, kterou sládek po otevření kontrolního poklopu zasouvá do varné pánve.

Firma BHV senzory již několik let vyrábí ponornou sondu pro měření hydrostatického tlaku TSP-M B70, která je určena pro spojité měření hladiny silně znečištěných kapalin, kalů nebo vysoce viskózních suspenzí. Specifickou vlastností této sondy je, že je zhotovena jako svařenec z korozivzdorné oceli a opatřena dvěma velkými membránami též z korozivzdorné oceli. Je dodávána buď jako závěsná sonda, nebo jako tyčová zásuvná sonda. K měření hladiny ve varné pánvi byla upravena tak, aby odolávala trvalému působené teploty přibližně 100 °C. První zkušební kus byl dodán do minipivovaru, který je provozován Českou zemědělskou univerzitou v Praze. Nyní má firma BHV senzory za sebou další úspěšnou realizaci, tentokrát v komerčně provozovaném minipivovaru Pegas v Brně. 

Pivovar Pegas – původní řešení

Výrobní zařízení bylo do pivovaru Pegas dodáno v roce 1992 konsor­ciem tří německých firem: Caspary, Kaspar Schulz a Ziemann. Dodávka zařízení byla na svou dobu koncipována opravdu velkoryse, takže co do kvality a stupně vybavenosti patří i dnes, po dvaceti letech, ke špičkovým technologickým zařízením ve své třídě. Pohled na řídicí pult varny prozradí, že jenom samotná varna z hlediska řízení obsahuje přibližně třicet akčních členů: míchadla, čerpadla, servoventily, tepelné zdroje a další pohony, a k tomu příslušný počet měřicích míst. Řídicí systém je koncipován jako poloautomatický: na jedné straně sládkovi umožňuje, aby vařil pivo podle své intuice a citu, čímž se právě minipivovary odlišují od běžné průmyslové produkce piva, ale na druhé straně je maximální počet funkcí řízen ve zpětnovazební smyčce tak, aby byly dodrženy parametry, které sládek nastaví.

Pro spojité měření hladiny ve varné pánvi byla dodavatelem původně instalována „bublačka“, tedy měřicí zařízení založené rovněž na hydrostatickém principu. Trubicí vedenou ke dnu nádrže je do kapaliny vháněn vzduch. Průtok vzduchu je ventilem seškrcen tak, aby v trubici vznikala jen malé tlaková ztráta, a proto je tlak vzduchu za ventilem přibližně stejný, jako je hydrostatický tlak v místech, kde trubice ústí do kapaliny. Tlak vzduchu je snímán čidlem o měřicím rozsahu, který je dán hydrostatickým tlakem při maximální úrovni hladiny. Nevýhodou tohoto systému je, že při ucpání ústí trubice je čidlo přetíženo vysokým tlakem a poškodí se.

Úkolem tedy bylo nahradit jednak nespolehlivé měření hladiny a také měření teploty ve varné pánvi, které bylo nefunkční vinou vadného převodníku teploty. Protože se bez měření teploty při vaření piva nelze obejít, byl vadný převodník dočasně nahrazen elektronickým přímo ukazujícím teploměrem – ovšem bez možnosti využít automatickou regulaci teploty.

Podmínkou zadání bylo, aby analogové výstupní signály obou nově instalovaných měřicích zařízení byly přizpůsobeny nastavení vstupů dosavadního řídicího systému. Po dvaceti letech od dodávky je totiž téměř nemožné na tomto řídicím systému cokoliv měnit a provozovatelé pivovaru jsou rádi, že celou dobu funguje bez jediného servisního zásahu.

Přáním zadavatele kromě toho bylo, aby teplota i hladina byly zobrazovány výrazněji, než jak tomu bylo na zastaralém displeji řídicího systému, a aby dosažení zvolených mezních hodnot bylo indikováno zřetelnou optickou a akustickou signalizací.

Snímač hladiny a teploty

Snímač hladiny pracuje na hydrostatickém principu: tlak kapaliny u dna nádoby je měřen ponornou tyčovou sondou. Sonda svařované konstrukce je z obou stran opatřena dvěma oddělovacími membránami (obr. 2). Sonda i membrány jsou zhotoveny z korozivzdorné oceli.

Za oddělovacími membránami je kapalina, která přenáší tlak kanálkem na piezorezistivní čidlo tlaku (obr. 3). Jde o spojité měření s analogovým výstupním signálem. Jestliže je membrána stlačena např. při čištění – ať už mechanicky, nebo silným proudem vody – snímač nebude přetížen, protože olej je vytlačen pod protilehlou membránu. Oleje je pod membránou jen omezené množství, takže membrána při stlačení dosedne na tělo sondy a nehrozí její poškození.

Pro měření teploty je v dříku sondy umístěn platinový odporový teploměr Pt100.

Sonda byla do varné pánve namontována na místo odříznuté původní bublací trubice (obr. 1). Kabel byl skrz stěnu nádoby provléknut zbytkem bublací trubice. Sonda je se zbytkem trubice vodotěsně mechanicky spojena šroubením se zářezným prstencem.

Rozvaděč měření

Samotná tyčová sonda je dlouhodobě vystavena teplotě až 100 °C, a proto je elektronická část měřicího systému umístěna mimo sondu, v místě s normální teplotou. V pivovaru Pegas jsou elektronické obvody umístěny v samostatném rozváděči rozměrů 25 × 20 × 10 cm (obr. 4). Rozváděč je vodotěsný, s krytím IP54.

Zařízení instalované v rozváděči je určeno k vykonávání těchto funkcí:

– zobrazení úrovně hladiny a teploty,

– optická signalizace dosažení nastavených mezí (jedna hladina, tři teploty),

– akustická signalizace při dosažení nastavených mezí,

– analogový výstupní signál pro řídicí systém varny.

Původním záměrem bylo sestavit rozvaděč ze sériově vyráběných prvků běžně dostupných na trhu: z převodníku teploty a z panelových ukazatelů. Jenže jednoduché přístroje nedovolují zvolit výstupní signály takových parametrů, jaké jsou nastaveny na vstupech řídicího systému, a se složitějšími přístroji by jednak nebylo možné dodržet rozpočet a jednak jejich ovládání a návody jsou příliš komplikované. Proto firma BHV senzory nakonec rozváděč osadila elektronikou z vlastního digitálního tlakoměru a převodníku tlaku PM111 a jako převodník a ukazatel teploty použila „sesterský“ přístroj TM111 od bratislavské firmy Meret.

Obě použité elektronické jednotky umožňují nastavit čtyři mezní stavy hladiny, resp. teploty; mezní hodnoty si uživatel může nastavit v celém měřicím rozsahu. Při dosažení nastavené meze relé sepne, čehož lze využít nejen k signalizaci, ale třeba i k řízení provozu, např. k regulaci topení anebo plnění nádoby.

Akustická signalizace: zdánlivě jednoduchý úkol

Speciální a účelově sestrojená jednotka nakonec musela být použita pro akustickou signalizaci nastavených mezí. Oba dříve uvedené přístroje PM 111 a TM 111, podobně jako všechny běžné panelové zobrazovače, mají mezní relé, které spíná při dosažení naprogramované hodnoty měřené veličiny. Toto relé je využíváno k např. k rozeznění akustického signálu. Jenže provozní podmínky varny vyžadují, aby signál sice upozornil obsluhu, že je třeba provést určité technologické kroky, a poté aby ztichl, přestože překročení nastavené meze ještě trvá. Jestliže by obsluha měla signál vypnout jednoduchým ručním vypínačem, vznikalo by riziko, že při startu dalšího pracovního cyklu signál zůstane vypnutý. Navíc jsou signály celkem čtyři a vypnutím jednoho z nich nesmí být odstaven jiný signál, což vyžaduje čtyři vypínače. Aby tedy akustická signalizace fungovala „přátelsky“ pro čtyři různé meze, je třeba řešit docela složitou úlohu z logického řízení.

Pro zajištění této funkce byl proto zkonstruován mikroprocesorem řízený logický obvod akustické signalizace, který umožní zpracovat pokyn k signalizaci od čtyř vstupů a přerušit signál stiskem tlačítka; kromě toho je možné ručně („jumperem“) nastavit, jak dlouho signál bude znít, než sám od sebe ztichne, jakož i nastavit hlasitost signálu.

Další informace jsou uvedeny na adrese www.bhvsenzory.cz 

Jan Vaculík, BHV senzory

Obr. 1. Umístění hydrostatické sondy ve varné pánvi; v popředí je míchadlo s řetězem, který zabraňuje připékaní směsi ke dnu; řetěz je měděný, což pomáhá upravit chuť piva vzhledem ke kvalitě použité vody; vlevo je trojice elektrod, které jsou určeny k indikaci minimální a maximální hladiny; nejkratší elektroda indikuje „přepěnění“ směsi

Obr. 2. Detail hydrostatické sondy TSP-M B70

Obr. 3. Řez hydrostatickou sondou TSP-M B70: 1 – dvojice oddělovacích membrán, 2 – kapalina přenášející tlak, 3 – piezorezistivní čidlo tlaku

Obr. 4. Detail rozváděče s optickou a akustickou signalizací

Obr. 5. Pohled na varnou pánev; v popředí ovládací pult s řídicím systémem

Varná pánev

Varná pánev je nádoba z korozivzdorné oceli, ve které se „vaří pivo“. Voda se sladem a dalšími příměsemi prochází ve varné pánvi několikastupňovou tepelnou úpravou, až vznikne roztok se značným obsahem cukru – sladina. Ta je po scezení a filtrování povařena s chmelem a pak se nechá zkvasit, čímž vzniká alkoholický mok. V malých pivovarech se varna skládá z varné pánve a z pánve scezovací, které jsou navenek upraveny do podoby kotlů opláštěných měděným plechem. Další procesy, kvašení a dozrávání, probíhají při nízké teplotě ve studených sklepích.

Celkový pohled na varnou pánev situovanou v interiéru restaurace