Procesinstrumenten

Hanna Instruments heeft een reeks wandmontageinstrumenten ontworpen die geen behuizing of uitsparing nodig hebben voor een heleboel verbindingen en draden. Bijna het complete gamma van paneelmontageinstrumentatie is beschikbaar in alleenstaande wandmontageversies voor snelle en eenvoudige 'plug & play' installatie. Hanna Instruments-wandmontagecontrollers zijn terug te vinden in een heleboel industrieën en toepassingen, zoals publieke sector, ketelwater en koeltorens, landbouw, serres, elektro bekleding, enz.

Paneel- of wandmontage

De meeste procesinstrumenten voor het meten en controleren van pH, ORP en geleidbaarheid zijn ontworpen voor installatie in paneelbehuizing. Paneelconfiguratie is noodzakelijk wanneer meerdere controletoestellen in een kleine ruimte geïnstalleerd worden. Deze instrumentlen kunnen bijvoorbeeld schakelaars, stroomschakelaars voor het voeden van doseerpompen, solenoïdekleppen, mengaanaandrijvingen, enz. zijn.

Gebruikers moeten vaak een eenvoudige en afgelegen oplossing dichtbij het meetpunt ontwerpen. Om dit probleem op te lossen, heeft Hanna Instruments een reeks wandmontage-instrumenten ontworpen die geen behuizing of uitsparing nodig hebben voor een heleboel verbindingen en draden. Bijna het hele gamma van paneelmontage-instrumentatie is beschikbaar in alleenstaande wandmontageversies voor snelle en eenvoudige 'plug & play' installatie.
Hanna Instruments wandmontagecontrollers vindt u terug in een heleboel industrieën en toepassingen, zoals de publieke sector, ketelwater en koeltorens, landbouw, serres, elektro, bekleding, enz.

pH-afhankelijke ORP-controle

ORP (oxidation reduction potential) is voornamelijk afhankelijk van de pH. Een verandering in een pH-eenheid kan de ORP van een oplossing verschuiven tot 60 mV. De ORP-meting en controle wordt gebruikt in industriële processen voor waterbehandeling, cyanide-oxidatie en chromaatreductie. Veel instrumenten voor pH- en ORP-controle zijn niet interactief en werken normaal gezien onafhankelijk. In dit geval is het mogelijk dat overdosering van een oxidant of reductor kan gebeuren wanneer de pH bijvoorbeeld niet op de correcte manier gecontroleerd is alvorens de gewenste ORP te bereiken.

Een voorbeeld van een 'worst case scenario' zou een procesopstart zijn met een pH-niveau van 7,0 in plaats van de vereiste 10,5 of 3. Wanneer het ORP-instrument op dat moment een doseringspomp activeert voordat de pH-controller het pH-niveau gecorrigeerd heeft, gebeurt er een rampzalige reactie en vervuiling van het proces.

Hanna Instruments heeft een controlesysteem ontworpen dat de ORP-controller verhindert te doseren (bv. natriumbisulfiet en natriumhypochloriet) wanneer de pH-waarde niet binnen het juiste werkingsbereik is, waardoor een potentieel gevaarlijke en dure reactie vermeden wordt.

Oplossing voor aardluseffect: aardingspin

Bij procestoepassingen die controllers en elektrodes gebruiken die inline of in reservoirs geïnstalleerd zijn, is de aardingspin de 'aardverbinding' die gebruikt wordt om te verhinderen dat aardluseffecten foutieve metingen en schade aan het systeem veroorzaken. Het is in feite een aardtoestel met een klem gemaakt uit materiaal dat inert is voor chemische aanvallen, meestal roestvrij staal of titanium.

De aardingspin is noodzakelijk wanneer een processtroom, die een elektrode bevat, of het nu in een buis of reservoir is, een potentieel verschil heeft (spanning) met betrekking tot de aarding, die een elektrische stroom veroorzaakt. De aardingspin verandert de stroom van de referentiecellen van de proceselektrode in feite van richting (bv. pH- of ORP-sensor). Dit voorkomt foutieve metingen en permanente schade aan de referentiecellen van de elektrode en verlengt de levensduur aanzienlijk.

Potentialen en transiënte stroom kan ook veroorzaakt worden door lekkage van onvoldoende geïsoleerde elektrische uitrusting (pompen en roerders), naast elektrostatische ladingen veroorzaakt door de beweging van mengbladen, of het bestaan van elektrische velden (elektrolyse) aanwezig in industriële baden.

Effecten van aardlusstroom op proceselektrodes

Een elektrochemische (combinatie) cel, zoals een pH- of ORP-elektrode, bestaat uit twee halve cellen, de meetcel en de referentiecel. Beide zijn essentieel voor de elektrode om te functioneren en elk heeft een specifiek doel.
De volledige elektrode is galvanisch, zodat er geen uitwendige stroom aan de oplossing toegevoegd wordt. De elektrochemische cel is in vele opzichten een 'natte cel'-batterij. Wanneer de halve meetcel een leesbare meting van een testoplossing moet leveren, moet deze vergeleken worden met een stabiele referentiepotentiaal.

Het is heel belangrijk dat de potentiaal, geproduceerd door de halve referentiecel, consistent en stabiel is (ong. 210 mV), onafhankelijk van de eigenschappen van de testoplossing en de werkomstandigheden. De enige wisselende potentiaal wordt, als resultaat van de geteste oplossing, geproduceerd door de glazen bol van de meetcel. De referentie-elektrode moet ook contact maken met de testoplossing om een elektrochemische verbinding te vervolledigen. In tegenstelling tot de meetcel, die hermetisch gescheiden is door een glazen bol, bevat de referentiecel een doorlaatbaar membraan (referentiejunctie) die elektrolyten toelaat om in de oplossing te druppelen. Hierdoor ontstaat een ionische verbinding tussen de inwendige zilverreferentie en testoplossing waardoor het circuit volledig is. Hierdoor is de referentie nu elektrochemisch verbonden met de oplossing, die het kwetsbaar maakt voor overgaande stromen die aanwezig kunnen zijn in het proces. In tegenstelling tot een draagbare pH-meter en elektrode op batterijen, is het processysteem niet geïsoleerd voor potentiaalverschillen en de daaruit voortkomende stroomsterkte.

Het is mogelijk, wanneer er ongewenste potentialen in het proces zijn, dat de zilver/zilverchloridedraad van de referentie blootgesteld wordt aan een stroomsterkte duizend keer hoger dan normaal. In theorie kan dit niet gebeuren omdat de meeste procesinstrumenten een lage spanning hebben en de omvormer binnen in het instrument de twee potentialen galvanisch isoleert tussen het proces en het gebied van het elektrische systeem. Alles hangt dus af van de kwaliteit van de ingangsomvormer van het instrument. Zelfs met de beste isolatie kan er elektrische capaciteit opgewekt worden tussen het instrument en de processtroom. In dat geval wordt de referentie-elektrode beïnvloed door de resulterende EMF, kan deze niet langer correct werken en daardoor gaat de pH-meting verloren.

Door de aardingspin te introduceren, die fungeert als een grondverbinding, wordt de EMF herleid door de pin en galvanisch geïsoleerd van de inwendige massa van het instrument. Het instrument moet elektrisch uitgerust zijn om deze functie uit te voeren. Daardoor kan de aardingspin enkel gebruikt worden met controllers die een differentiële ingang en circuit hebben.
Weinig elektrode- en instrumentatieproducenten hebben de nodige aandacht besteed aan de aardingspin. Daardoor moest de gebruiker zelf hulpmiddelen ontwikkelen voor de aarding, die misschien niet correct werken. Hanna Instruments’ antwoord op dit probleem was het ontwerpen van een volledige reeks proceselektrodes, die elk uitgerust zijn met een geïntegreerde aardingspin.

Elektrodecontrole

Een pH-controlesysteem bestaat uit een pH-elektrode in contact met een testoplossing, een verbindingskabel en een meter voor metingen en aanpassingen. Het instrument is typisch bedoeld voor het controleren van zuur of alkalinedoseringen om een gewenste pH-waarde te behouden. Er is veel aandacht besteed aan functies zoals dosering in buizen en reservoirs, aan/uit of proportionele dosering, automatische temperatuurcompensatie, het gebruik van versterkers voor afstanden over 15 meter, paneel- of wandmontagemodellen, enz. Toch werd er weinig aandacht besteed aan het bepalen wanneer en wat er gebeurt wanneer een elektrode niet werkt.

Laten we bijvoorbeeld aannemen dat een proceselektrode geïnstalleerd is in een afvalwaterreservoir dat hexavalent chroom bevat. De ingestelde pH-waarde is 3,0 en elke keer deze waarde stijgt worden pompen of solenoïdekleppen geactiveerd om zwavelzuur te doseren om de ingestelde waarde te behouden. Stel u voor dat de proceselektrode dan beschadigd wordt en de pH-bol breekt. In normale omstandigheden produceert de elektrode een potentiaal gelijk met het verschil tussen de buffer in de glazen bol (pH 7,0) en de vloeistof die getest wordt (pH 3,0), bv. pH (7,0-3,0) x ong. 58,17 mV = 232,68 mV (waarde niet gecompenseerd voor temperatuurwisselingen).

Eens de glazen bol gebroken is, ontstaat er een kortsluiting tussen de referentiedraad van de glazen meetelektrode (bol) en de referentie-elektrode. Het resultaat hiervan is dat de volledige elektrodepotentiaal 0 mV is. Wanneer het instrument een 0 mV signaal bereikt, dan zal het ongeveer pH 7,0 aflezen en onmiddellijk zwavelzuur beginnen doseren om het pH-niveau van het reservoir te verminderen. Als de controller geen getimede overnamefunctie heeft om automatisch af te sluiten, zal het systeem blijven doseren in een poging om de ingestelde pH 3,0 waarde te bereiken. Dat zal zo blijven duren totdat het zuurvat leeg is en het proces gevaarlijk vervuild is. Zelfs wanneer een getimede overname in de controller geprogrammeerd is, zal dit enkel de vervuiling beperken. Wanneer de elektrode in de buurt van de ingestelde waarde kapot gaat, kan de controller verschillende minuten doseren voordat de overname het systeem afsluit. Dit is slechts één van de vele mogelijke voorbeelden van overdosering en vervuiling als resultaat van een ongemerkte elektrodefout.

Dure schade kan bij elke toepassing vermeden worden door automatische en continue controle van de toestand van de processensoren. Hanna Instruments heeft zo een systeem ontwikkeld. Het Sensor Check™-systeem controleert elke vijf seconden automatisch de toestand van de proceselektrode om een goede werking te verzekeren.

Een glazen pH-elektrode is een hoog impedantietoestel (tienden van een MΩ bij hoge temperaturen, en tot 1.000 MΩ voor temperaturen dichtbij nul). Het Sensor Check™-systeem controleert herhaaldelijk de impedantie van de kabel en de elektrode om er zeker van te zijn dat het niet onder de gemiddelde waarde van het systeem valt (op zijn minst 10 MΩ). Wanneer er een lagere waarde wordt vastgesteld, wat duidt op een elektrodefout, stopt het instrument alle doseringen en activeert het een alarm dat de gebruiker verwittigt. Hierdoor maakt het Sensor Check™-systeem overdosering en vervuiling door elektrodefouten een zaak van het verleden.

Hiernaast controleert het Sensor Check™-systeem de toestand van de referentie-elektrode. De pH-metende halve cel kan intact zijn en normaal werken, maar er kunnen problemen voorkomen die specifiek te wijten zijn aan het referentiedeel van de elektrode. Het doel van de referentiehelft van de elektrodecel is een consistente en stabiele potentiaal te leveren die onafhankelijk is van de geteste vloeistof. De stabiele potentiaal is de referentiewaarde waartegen de meethelft van de elektrode vergeleken wordt. Als gevolg is het potentiaalverschil tussen de meethelft en de referentie de waarde die gehanteerd wordt door het instrument om de pH-meting te produceren. De referentie-elektrode moet contact maken met de testoplossing om een elektrochemische verbinding te vervolledigen. Anders dan de meetcel, die hermetisch afgescheiden is door een glazen bol, bevat de referentiecel een doorlaatbaar membraan (referentiejunctie), die elektrolyten toelaat om in de oplossing te druppelen. Hierdoor ontstaat een ionische verbinding tussen de inwendige zilverreferentie en de testoplossing waardoor het circuit volledig is. Net zoals bij elke elektrochemische verbinding is vervuiling altijd een zorg en mogelijkheid. Wanneer vervuiling voorkomt, verandert de potentiaal van de referentie-elektrode en is de pH-meting niet langer betrouwbaar. Ook blootstelling aan vuil en deeltjes in de processtroom kunnen de poreuze referentiejunctie verstoppen, waardoor de referentie van de testvloeistof geïsoleerd wordt. Wanneer dit gebeurt, wordt de elektrochemische verbinding onderbroken en de elektrode wordt in feite uit de testoplossing getrokken, waardoor een correcte pH-meting onmogelijk is. Daarom is regelmatige reiniging van het elektrodesysteem noodzakelijk. Net zoals bij de pH-bol, produceert de referentiejunctie een meetbare weerstandswaarde, die onder normale omstandigheden ongeveer 1.000 Ω is.

Het Hanna Instruments Sensor Check™-systeem controleert de referentiejunctie elke vijf seconden om er zeker van te zijn dat de correcte weerstand behouden wordt. De gebruiker kan een maximum waarde voor de weerstand instellen, net zoals het pH-setpunt. Wanneer de weerstand van de verstopte junctie boven de ingestelde waarde komt, kan het instrument de dosering stoppen, een alarm laten afgaan of een automatische reiniging beginnen.