Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Prediktivní diagnostika senzoru pH základem efektivní údržby

Automa 10/2001

(sk)

Prediktivní diagnostika senzoru pH základem efektivní údržby

Regulační smyčky pH obsahují senzory s čidly neustále ohrožovanými korozí a vysokou teplotou. Posoudit, zda senzor ještě poskytuje věrohodné výsledky, není tudíž vždy snadné. Vhodně se přitom uplatňuje tzv. prediktivní diagnostika jako nástroj poskytující technikům cenné informace o stavu zařízení řídícího technologický proces. Předvídáním závad zařízení lze předcházet nákladným přerušením výroby a dosahovat větší kvality a výtěžnosti řízeného procesu.

Obr. 1.

Regulační smyčka pH, jejíž znalost napomáhá pochopit, co které diagnostické údaje znamenají a jak je lze použít k udržení chodu řízeného procesu v zadaných mezích, je přitom jen příkladem zařízení s vlastnostmi umožňujícími aplikovat postupy prediktivní diagnostiky. Na její základní způsobilost k diagnostikování navazuje vývoj nových programových prostředků, které usnadňují přístup k diagnostickým údajům i jejich použití k údržbě zařízení podle jeho skutečného stavu.

Úroveň využití diagnostických dat
Každá regulační smyčka pH obsahuje jako svůj klíčový prvek vestavěný snímač pracující v nepřetržitém režimu (in-line). Citlivé části snímače jsou přitom nepřetržitě vystaveny působení měřeného média, které má často vysokou teplotu anebo je agresívní.

V současné době jsou nejčastěji požadovány regulační smyčky pH schopné diagnostikování. Průzkumy uskutečňované v průmyslu však ukazují, že uživatelé dosud nemají dostatek zkušeností, a že tudíž nedokáží shromažďované údaje plně využít. Obsluha provozující technologické celky dosud hledá, na základě kterých údajů a jak dospět k obecným postupům a maximálně využít potenciál nabízený diagnostikou k minimalizaci nákladů na výrobu.

Výrobci reagují na tuto nepříliš utěšenou situaci tím, že rozšiřují diagnostické schopnosti dodávaných zařízení a vytvářejí dokonalejší programové vybavení v podobě např. otevřených systémů pro správu výrobních prostředků (Asset Management Systems – AMS) komunikujících prostřednictvím moderních protokolů pro přenos dat.

Impedance a citlivost jako ukazatele stavu snímače pH
Snímač pH se skládá z měřicí elektrody citlivé na pH, obvykle tvaru baňky jejíž stěna (membrána) je vyrobena z elektrodového skla, a z referenční (srovnávací) elektrody. Moderní senzory jsou zpravidla vybaveny i čidlem teploty (obvykle Pt 100), určeným především ke  kompenzaci vlivu teploty. Má--li být výsledek měření dostatečně hodnověrný, musí být všechny součásti snímače v odpovídajícím stavu.

Relativní stav senzoru je charakterizován třemi základními proměnnými: impedancí měřicí elektrody (impedance skla), impedancí srovnávací elektrody (referenční impedance) a směrnicí přímky určující vztah mezi pH a elektromotorickou silou galvanického článku tvořeného elektrodami a měřeným médiem (citlivost). Při konfigurování nadřazeného zařízení – diagnostického analyzátoru – nastavuje uživatel pro každou z uvedených veličin horní a dolní mez, jejichž překročení vyvolá výstražné hlášení se žádostí o zásah operátora (obr. 1).

Operátor se může, podle povahy závady, rozhodnout pro údržbu nebo výměnu snímače. Takováto instalace je proaktivní (protiklad reaktivního přístupu).

Impedance skla
Impedance skla je jednoduše definována jako odpor, který skleněná membrána měřicí elektrody klade procházejícím vodíkovým iontům. Představuje nepřetržitě měřenou diagnostickou proměnnou, jejíž hodnota je funkcí několika faktorů, mezi něž patří rozměry a tvar skleněné baňky, složení a stáří skla a stupeň znečištění povrchu membrány cizorodými látkami.

Impedanci skla lze měřit mnoha způsoby. Konkrétní z nich se volí podle typu membrány. Nejčastěji používané membrány jsou funkční při teplotách od 0 do 100°C a používají se zpravidla pro měření v oblasti pH 2 až pH 12. Většina nových membrán má při teplotě 25 °C impedanci mezi 25 až 400 MW. S časem se impedance membrány mění. Je-li známa úloha impedance skla, je možné předvídat zbývající dobu života membrány a nutnost údržby.

Vysoká impedance indikuje znečištění povrchu nebo stáří skla. Membránu (měřicí elektrodu) je pak třeba vyčistit, popř. vyměnit. S rostoucí impedancí skla klesá citlivost elektrody a prodlužuje se doba odezvy čidla anebo dochází i k chybnému měření pH. Malá hodnota impedance skla indikuje prasklou skleněnou membránu, kterou je třeba vyměnit. Protože jednotlivé elektrody (membrány) se od sebe mohou značně lišit, nelze univerzálně určit platné nastavení mezí aktivujících výstražná hlášení. Doporučuje se nastavit horní mez na hodnotu dvakrát až třikrát větší, než je počáteční hodnota impedance skla, a dolní mez na 4 MW. Horní mez se přitom určuje pro každý proces zvlášť podle konkrétních požadavků na řízení.

Při přesné regulaci pH (s nejistotou ±0,01 až ±0,4 pH) se musí impedance skla nacházet v dosti úzkém tolerančním pásmu. Důvodem je, že s rostoucí impedancí skla klesá rychlost odezvy snímače na změnu pH. Prodloužení časové konstanty snímače má v regulační smyčce za následek pozdní změny množství přidávané chemikálie, čímž může být ohrožena kvalita výsledného produktu. Prostřednictvím impedance skla si lze tudíž ověřit, zda je měřicí elektroda ve stavu umožňujícím regulovat pH s požadovanou přesností.

Referenční impedance
Druhou nepřetržitě měřenou diagnostickou proměnnou je impedance referenční elektrody, definovaná jako schopnost udržet stálý referenční potenciál nezávisle na měřenému médiu.

Hlavními částmi referenční elektrody snímače pH jsou vlastní vnitřní referenční prvek a referenční rozhraní. Jako celek je tato elektroda zdrojem konstantního potenciálu (nezávislého na pH média), proti kterému se měří proměnný potenciál měřicí elektrody.

Aby byl potenciál referenční elektrody skutečně konstantní, musí být referenční rozhraní čisté. Je-li zanesené, dojde k posunu naměřených hodnot pH oproti skutečnosti. Měřením impedance referenční elektrody lze zjistit, nakolik je referenční rozhraní znečištěno a zda není třeba je očistit.

Referenční rozhraní se volí podle typu měřeného média. Podobně jako u impedance skla zde existují dosti široká toleranční pásma dolních a horních mezních hodnot pro diagnostikování, které se volí podle aplikace.

Ve většině běžných senzorů, jejichž referenční impedance je v rozmezí 2 až 20 kW, je referenčním rozhraním membrána z polopropustného materiálu, např. teflonu nebo keramiky. Dolní mezní hodnota je obvykle pevně nastavena na 1 kW a uživatel mění pouze horní diagnostickou mez. Jestliže má nová sonda referenční impedanci např. 4 kW, je vhodné nastavit hodnotu horní meze dvakrát až třikrát větší (tedy 8 až 12 kW). Čím přesněji je třeba regulovat pH, tím užší je přípustné toleranční pásmo nejen impedance skla (jak je uvedeno výše), ale i referenční impedance.

Diagnostická informace získávaná měřením referenční impedance tak rovněž napomáhá optimalizovat údržbu snímačů pH a chování příslušné regulační smyčky.

Vliv citlivosti na přesnost
Třetí diagnostickou proměnnou, kterou lze použít k odhadu zbývající doby života a nutnosti údržby, je citlivost (definovaná jako změna potenciálu v milivoltech při změně pH o jednotku). Citlivost je pro uživatele ukazatelem kvality snímače.

Citlivost snímače je pravidelně vypočítávána ze dvou nebo tří naměřených hodnot pH. Na rozdíl od obou impedancí není tedy měřena nepřetržitě. Aby byla zajištěna, a to zejména při cyklických změnách pH, dostatečně velká přesnost měření, musí být citlivost snímače, tj. jeho měřicí elektrody, co možná největší.

Z Nernstovy rovnice (viz např. [2]), která popisuje vztah mezi elektrickým potenciálem elektrody a koncentrací vodíkových iontů, vyplývá, že i dokonale citlivé zařízení nemůže mít větší citlivost než 59,17 mV/pH. Většina výrobců snímačů pracuje s maximální citlivosti 60 mV/pH, takže již předem počítají s případnou chybou při kalibraci apod.

Dolní mez citlivosti pro diagnostikování nastavuje výrobce na 48 až 52 mV/pH s tím, že nastavení je možné měnit podle povahy řízeného procesu a významu daného měření pro chod závodu.

Například u procesů, kde se hodnota pH pravidelně mění o osm jednotek (např. mezi pH 2 až pH 12), je třeba nastavit dolní mez citlivosti na 52 mV/pH. Naopak mění-li se pH v rozsahu pouhých dvou až tří jednotek, je možné zadat dolní mez citlivosti menší než 50 mV/pH. Poklesne-li jeho citlivost pod 50 mV/pH, doporučuje se snímač vyměnit.

Použití softwaru k proaktivní údržbě
Aby uživatel efektivně využil již popsané diagnostické schopnosti, musí sledovat vývoj měřených diagnostických proměnných v čase a vyvozovat z něj příslušné závěry. Údaje přitom může zpracovávat buď ručně, nebo automatizovaně při použití vhodného aplikačního softwaru. S nejnovějšími softwarovými balíky lze přitom na základě analýzy naměřených údajů realizovat úplnou proaktivní strategii údržby závodu.

Současné systémy používají k obousměrnému přenosu dat mezi řídicí stanicí a snímači protokol HART s číslicovým přenosem dat na základě analogové proudové smyčky 4 až 20 mA anebo čistě digitální protokoly, jako Foundation Fieldbus, Modbus aj.

Obr. 2.

Operátor si může vyžádat naměřené údaje anebo diagnostická data z kteréhokoliv snímače zapojeného v síti (obr. 2). Objeví-li se problém, lze rozlišit, zda je měřicí řetězec jen špatně nakonfigurován, nebo zda je skutečně vadný snímač. Tímto způsobem se šetří čas jinak nutný ke kontrole snímače přímo na místě jeho instalace. Navíc může technik nalézt v programu i návod, jak si dál nejlépe počínat, ať už při závadě snímače nebo při změně konfigurace.

Mnohé aplikační programy nabízejí i komplexní kontrolní funkce, archivování historie konfigurace a kalibračních dat apod. S použitím archivu kalibrací lze sledovat změny kalibračních závislostí (citlivosti a posunutí) a z uložených časových průběhů diagnostických proměnných usuzovat na aktuální stav snímačů.

Komplexní přístup k údajům současně ze všech možných zdrojů umožní v budoucnosti lépe plánovat kalibrace, údržbu a výměny snímačů tak, aby náklady spojené s těmito činnostmi byly co možná nejmenší. V ideálním případě bude software v budoucnu nejen evidovat kalibrační data, ale bude také ověřovat diagnostické parametry. Plánování údržby tak bude moci být zcela automatické a bude vycházet bezprostředně z potřeb zařízení.

Lze konstatovat, že prediktivní diagnostika senzorů s využitím aplikačního softwaru je pro uživatele automatizační techniky stále důležitější především proto, že výrazným způsobem zvyšuje efektivitu práce.

Literatura:

[1] WALSH, K.: Predictive maintenance profits from sensor diagnostics. InTech, June 1999, pp. 36-38, ISA 1999; také http://www.rauniloc.com//1-800-854-8257/05_library_00.php

[2] KADLEC, K.: Elektrochemické snímače. Automatizace, 42, 1999, č. 12, s. 901-905.