Aktuální vydání

celé číslo

08

2022

MSV 2022

Projektování, konstruování a programování automatizačních a řídicích systémů

celé číslo

Systém Memosens a chytré senzory pro čištění a úpravu vody

Systém Memosens přináší nové přístupy do průmyslového měření a od svého uvedení na trh se stal uznávaným průmyslovým standardem. Na letošním veletrhu Watenvi v Brně (25. až 27. května) byly Zlatou medailí oceněny analytické senzory Endess+Hauser pro úpravu a čištění vody s digitální komunikací Memosens ve spojení s multikanálovým převodníkem Liquiline M.
 

Konvenční připojení senzorů k převodníku

 
V současné době se senzory pro kontinuální měření fyzikálně-chemických hodnot, jakými jsou např. pH a ORP (oxidačně redukční potenciál), rozpuštěný kyslík, aktivní a volný chlor, zákal a vodivost, standardně připojují k měřicímu převodníku speciálními vícežilovými kabely. Pro přenos hlavní analogové veličiny se v tomto kabelu používá stíněný koaxiální vodič, zatímco dva až čtyři přídavné vodiče bývají použity pro přenos signálu teploměru. Signál hlavní měřené hodnoty má podobu malých proudů v řádech nanoampérů nebo napětí v řádech milivoltů, v případě měření pH navíc na vysoké impedanci. Na kvalitu přenosu těchto signálů má vliv mnoho faktorů z okolního prostředí, hlavně rušivá elektrická pole nebo proudy procházející zemnicí smyčkou. Tyto vlivy lze více nebo méně úspěšně odstranit konstrukcí a použitými materiály kabelu a jeho správným zapojením.
 
Omezení představují také elektrické vlastnosti samotných kabelů, tj. odpor, kapacita a indukčnost. To vylučuje použití kabelů velké délky (obvykle nad 25 m) a montáž převodníků mimo měřicí místo. Speciální měřicí kabely jsou poměrně drahé a při mechanickém poškození je doporučeno vyměnit je v celé délce. Použití standardního kabelu a impedančního převodníku celý okruh jen prodražuje. Kabely se k senzoru připojují pomocí různých důmyslně řešených konektorů ze speciálních materiálů, s kontakty plátovanými zlatem a s vysokým stupněm krytí (IP68). Ale i přesto je nejslabším místem celého měřicího okruhu právě přechod z kabelu na senzor. Hlavně sem se při kalibraci nebo výměně senzoru dostanou mechanické nečistoty, vlhkost a popř. i agresivní okolní atmosféra, které v uzavřeném konektoru vedou ke korozi kontaktů, pájených spojů a materiálu vodičů. Koroze se může šířit i uvnitř propojovacího kabelu a způsobuje přechodové a svodové odpory a do převodníku potom přichází nesprávná měřená hodnota, chyba však není nijak detekována. Například při velkém svodu na kabelu měřiče pH je na převodníku hodnota pH 7, která ale může být považována za správnou. Chybné měření vede ke zhoršení kvality výroby a v nejhorším případě i znehodnocení celé šarže finálního produktu. To může zvláště ve farmaceutických a potravinářských provozech představovat ztrátu i statisíců až milionů korun.
 

Připojení systémem Memosens

 
Systém Memosens všechny tyto rušivé vlivy odstraňuje a navíc je vybaven dalšími funkcemi, které při přenosu klasickou analogovou technikou nejsou možné. Senzor Memosens je k převodníku připojen běžným čtyřžilovým komunikačním kabelem. Přechod mezi senzorem a kabelem zajišťuje místo konektoru bezkontaktní celoplastová bajonetová spojka. Senzor je tak automaticky galvanicky oddělen od převodníku. Odpadají proto starosti se správným zapojením uzemnění nebo vyrovnáním potenciálu. Informace o měřené hodnotě a kalibraci jsou ze senzoru v digitální formě přenášeny prostřednictvím indukční vazby a senzor je přes tuto vazbu i napájen potřebnou energií (obr. 1). Stejný typ přenosu energie se dnes běžně používá k dobíjení akumulátorů elektrických zubních kartáčků nebo holicích strojků.
 
Senzor může být od převodníku vzdálen až 300 m. Stačí použít převodník s menším stupněm krytí (levnější) v provedení pro umístění v rozváděči ve velínu. Celý komunikační a napájecí okruh je hlídán diagnostickým systémem převodníku. Sebemenší chyba v přenosu dat nebo porucha senzoru jsou převodníkem zřetelně indikovány. Vždy je proto k dispozici buď správná měřená hodnota nebo poruchové hlášení. Paměť v hlavici senzoru navíc obsahuje mnoho údajů. S nimi pracuje systém kalibrace a diagnostiky převodníku. V senzoru pH jsou uloženy např. tyto údaje: výrobní a objednací číslo, hodnoty nulového bodu a strmosti z poslední kalibrace, datum a čas kalibrace, výrobní číslo převodníku, ve kterém kalibrace proběhla, hodnoty kalibračních roztoků, elektronický podpis pracovníka provádějícího kalibraci, provozní hodiny, indikátory špiček pro hlavní měřenou hodnotu a teplotu a další. Podobné údaje jsou uloženy i v ostatních typech senzorů Memosens. Na základě jejich vyhodnocení může převodník uživatele sám upozornit na odchylku parametrů a nutnost senzor vyměnit.
 

Snadná výměna senzoru

 
Při využití systému Memosens je možné mít v záloze již zkalibrovaný senzor, který je možné v případě potřeby během několika minut rychle použít. Záruka stability parametrů je např. pro nový senzor pH při správném skladování šest měsíců od převzetí z výroby. V místě měření se pouze vymění vlastní senzor, aniž je třeba cokoliv nastavovat na převodníku, který tudíž nemusí být umístěn v místě měření. Ve většině případů ani není třeba zastavit technologický proces (převodník „podrží“ poslední změřenou hodnotu).
 
Převodník si během několika sekund ze senzoru načte potřebná data a je připraven k provozu. U standardního analogového systému připojení to naopak znamená nejen výměnu samotného senzoru, ale i jeho novou kalibraci na místě. Kalibruje se vlastně celá smyčka – senzor, kabel, převodník. Tuto činnost by měl vykonávat vyškolený pracovník, který musí s sebou nést i všechno potřebné vybavení: vodu na očištění senzoru, kalibrační roztoky a potřebné nádobky a nářadí. V případě, že senzor nelze zkalibrovat, končí obvykle v odpadu bez toho, aby se ho někdo pokoušel očistit nebo zregenerovat. Měřicí místo může být navíc umístěno ve výškách, kanálech a šachtách, v prostředí s nebezpečím výbuchu nebo výronu jedovatých chemikálií, popř. vystaveno nepřízni okolí nebo počasí.
 
Senzor Memosens lze vyměnit snadno, rychle a tuto práci může dělat i méně kvalifikovaná obsluha. Původní senzor je po výměně předán do laboratoře, kde může být v podstatně vhodnějších podmínkách očištěn, zregenerován, zkalibrován (z kalibračního převodníku jsou do paměti senzoru zapsána aktuální data) a správně uložen pro další použití. Od uvedení systému Memosens na trh v roce 2006 bylo takto opakovaně použito minimálně 50 % senzorů, což vedle úspory nákladů vede k lepší využitelnosti provozní technologie a ke snížení zátěže životního prostředí.
 

Výhody systému Memosens

 
Systém Memosens od společnosti Endress+Hauser odstraňuje nepřesnosti, nejistoty a výpadky měření způsobené přenosem signálu, a tím zlepšuje kvalitu a spolehlivost analytické techniky. Při údržbě se ušetří 75 % času nutného k odstavení měřicího místa a minimálně 25 % nákladů potřebných na údržbu.
 
Díky tomu, že senzory různých veličin využívají jednotný systém komunikace Memosens, lze je všechny připojit k univerzálnímu převodníku Endress+Hauser Liquiline M CM442 s automatickým rozpoznáním senzoru, a snížit tak náklady na skladové zásoby nebo náhradní díly. Náklady na pořízení kompletního měřicího okruhu Memosens jsou díky použitému digitálnímu přenosu dat nižší než u klasické analogové komunikace. Cena samotných senzorů je srovnatelná.
 
Systém Memosens odstraňuje vlivy prostředí na propojovací kabel a vlivy vlastního kabelu. Zaručuje spolehlivý a kontrolovaný přenos měřené hodnoty i lepší využití výrobní technologie a zvýšení kvality produktů. Senzory a čidla lze s výhodou kalibrovat v laboratoři. Například při měření rozpuštěného kyslíku v biologické části čistíren odpadních vod není možné kalibrovat senzory na místě měření při okolních teplotách pod 0 °C.
 
V tab. 1 jsou uvedeny přínosy a výhody pro tři skupiny možných uživatelů.
 

Převodníky a senzory

 
Systém Memosens od společnosti Endress+Hauser lze využít všude tam, kde se dnes běžně používají klasické analogové senzory. Ve spojení s univerzálními převodníky Endress+Hauser řady Liquiline M poskytuje Memosens možnost preventivně diagnostikovat a archivovat údaje o životnosti a kalibracích senzorů v externí databázi Endress+Hauser Memobase na PC. Tyto údaje jsou vyžadovány speciálně v oboru farmacie a potravinářství pro potřeby auditů, validací a správu dat s elektronickým podpisem podle požadavků FDA 21CFR11.
 
V současné době nabízí společnost Endress+Hauser Czech s. r. o. dva typy převodníků, které mohou plně využít funkce digitální komunikace Memosens, včetně systému preventivní diagnostiky. Prvním z nich je jedno- nebo dvoukanálový univerzální průmyslový převodník Liquiline M CM42 (obr. 2) napájený po proudové smyčce pro kompletní řadu skleněných senzorů a čidel IsFET k měření pH/ORP s komunikací Memosens, konduktivní senzor vodivosti Condumax CLS15D, CLS16D a CLS21D, ampérometrický senzor pro volný chlor Chloromax CCS142D a ampérometrický senzor pro rozpuštěný kyslík Oxymax COS51D.
 
Vícekanálový univerzální převodník Liquiline M CM442 (obr. 3) je určen hlavně pro zařízení na čištění a úpravu vody. Lze k němu připojit až osm senzorů Memosens; současně umožňuje automatickou konfiguraci a přiřazení kanálů.
 
K tomuto převodníku se samostatným napájením lze vedle již zmíněných senzorů připojit i další analytické přístroje: optický senzor pro měření rozpuštěného kyslíku Oxymax COS61D, senzor zákalu Turbimax CUS51D, indukční senzor vodivosti Indumax CLS52D a senzor Viomax CAS51D pro dusičnanový dusík (NO3-N) na principu absorpce UV světla. Do konce roku 2010 by měly být komunikací Memosens vybaveny i kombinované elektrody pro pH a ORP, smaltovaná keramická elektroda pro měření pH v těžkých podmínkách, kombinovaný senzor s iontově selektivními elektrodami (ISE) pro dusičnanový (NO3-N) a amoniakální dusík (NH4-N), UV senzor pro spektrálně absorpční koeficient 254 nm a indukční měření vodivosti Indumax CLS54D, splňující hygienické požadavky v potravinářství a farmacii.
 
Některé z těchto senzorů jsou vzhledem k vyšší energetické náročnosti připojeny pevným propojovacím kabelem, plně však využívají všechny přednosti digitální komunikace Memosens.
 
Dalibor Prokel,
 
Obr. 1. Informace o měřené hodnotě a kalibraci jsou ze senzoru Memosens v digitální formě přenášeny prostřednictvím indukční vazby a senzor je přes tuto vazbu i napájen potřebnou energií
Obr. 2. Univerzální převodník Liquiline M CM42 s komunikací Memosens
Obr. 3. Vícekanálový univerzální převodník Liquiline M CM442 pro zařízení na čištění a úpravu vody
 
Tab. 1. Výhody systému Memosens pro uživatele, projektanty a manažery řízení jakosti