Technische Informationen

Transkript

1 Technische Informationen SC24 Kombinierter 12 mm 4-in-1 Differenz-pH-Sensor YOKOGAW A 1. Ausgabe

2 2 1 Einleitung 1.1 Beschreibung des Differenz-pH- 4-in-1-Sensors Der SC24 stellt eine revolutionäre Lösung für die vielen Probleme bei ph-regelungsapplikationen dar, mit denen sich unsere Kunden abmühen. Bei dem Sensor handelt es sich um einen Differenz-Sensor, der eher auf ph-änderungen reagiert, als dass er den exakten ph-wert analysiert. Von daher ist es eigentlich korrekter, den Sensor als ph-regelungs-sensor und nicht als ph-mess-sensor zu bezeichnen. Ein ph-sensor misst die Spannung am ph-diaphragma als Funktion des ph-werts der Prozess-Stichprobe. Diese Spannung wird dann mit dem mv-ausgang einer Referenzzelle verglichen, die unabhängig vom ph-wert arbeitet. In einem ph-mess-sensor ist diese Referenzzelle üblicherweise eine Kombination aus Metall/unlöslichem Metallsalz/Salzlösung, die in eine Elektrolyt-Lösung (oder -Gel) eingetaucht wird, die vom Prozess durch ein Flüssigkeits-Diaphragma abgetrennt ist. Damit soll sichergestellt werden, dass sich die Elektrolyt-Zusammensetzung nicht durch Prozesseinflüsse ändert und sich daher die mv-ausgangsspannung ebenfalls nicht ändert. Früher verwendete man elektrochemische Systeme, die eine sehr genaue ph-messung lieferten, wenn sie ordnungsgemäß gewartet wurden. Das Referenzelement bestand häufig aus Calomel: Quecksilber/Quecksilberchlorid/ gesättigte Kaliumchloridlösung. Es war extrem stabil und zeigte praktisch keinen Einfluss durch Prozesskomponenten. Flüssigkeits- Diaphragma Abb. 1 Sensoraufbau Et Referenzelement Allerdings: Quecksilber darf aufgrund seiner hohen Toxizität nicht mehr eingesetzt werden und Calomel-basierte Sensoren sind hochproblematischer chemischer Sondermüll. Die Calomel-Elemente wurden durch Silber/ Silberchlorid/Kaliumchlorid-Elemente ersetzt, die zwar auch gut arbeiten, aber anfällig durch Vergiftung mit anderen Halogen-Ionen und Sulfid-Ionen sind. Früher wurde das Referenzelement vom Prozess mit einem porösen Keramik- oder Schliffdiaphragma getrennt und der Elektrolyt floss durch das Diaphragma aus der Elektrode, da die Eletrolytlösung unter Überdruck gehalten wurde. Mit dieser Methode wurde das Eindringen von Ionen aus dem Prozess in die Referenzzelle verhindert.

3 3 Heute fordern Anwender Verfahren zur In-Line- Messung unter Prozessbedingungen, um eine Echtzeit-pH-Regelung zu ermöglichen. Das zuvor beschriebene System weist unter diesen Voraussetzungen einige schwerwiegende Nachteile auf: 1. Steht der Prozess unter Druck, muss die Referenzzelle mit noch höherem Druck beaufschlagt werden. 2. Schwankt der Prozessdruck und der Druck in der Referenzzelle ist fest, ist der Elektrolytausfluss nicht konstant, was im günstigsten Fall nur zu einem erhöhten Elektrolytverbrauch führt. 3. Erhöht sich die Temperatur, erhöht sich auch der Elektrolytausfluss. 4. Der Elektrolyt-Vorratsbehälter muss immer nachgefüllt und dichtgehalten werden (besonders die Rohrleitungen), was einen regelmäßigen Wartungsaufwand bedeutet. Heute haben die Hersteller diese Probleme weitgehend im Griff, indem sie Doppelt- und Dreifach-Diaphragmen, feste Polymer-Systeme oder Silberionenfänger einsetzen, aber es ist trotzdem bekannt, dass 80 bis 90% aller Probleme bei der ph-messung von der Instabilität der Referenzzellen herrühren. Die einzige Lösung dafür ist, eine wirklich hermetisch abgedichtete Referenzzelle einzusetzen, wie man sie im Differenzsensor SC24 findet. In einem SC24 Differenzsensor ist diese Referenzzelle ebenfalls ein Glassensor, der auf ph-wert-änderungen innerhalb des Applikationsbereichs des Sensors nicht reagiert. Das bedeutet, dass der Sensor wirklich wartungsfrei ist und dass die Ausgangsspannung nur von der Salzkonzentration des Prozessmediums abhängt. Heute haben die Hersteller ph-sensoren mit festen Referenzelementen entwickelt. Das Referenzelement ist mit einem gelierten Elektrolyten gefüllt und es ist kein Nachfüllen erforderlich. Der Vorteil liegt auf der Hand: 1. Kann in unter Druck stehenden Applikationen eingesetzt werden. 2. Erfordert kein Nachfüllen. Ist der Elektrolyt verbraucht, wird der Sensor ausgetauscht. In den meisten Regelungsapplikationen ist die Salzkonzentration praktisch konstant, wodurch der Ausgang des SC24 Differenzsensors nur vom ph-wert des Prozesses abhängt. Als Faustregel gilt, dass eine Änderung der Salzkonzentration von +/ 25% eine Auswirkung von unter 0,1 ph auf den ph-messwert hat. Die Referenzzelle ist jedoch nach wie vor in offenem elektrolytischen Kontakt mit dem Prozess und die Elektrolytzusammensetzung ändert sich im Lauf der Zeit durch Diffusion, daher sind regelmäßige Kalibrierungen erforderlich. Der Prozess kann Ionen enthalten, die das Referenzelement vergiften, und diese Ionen dringen besonders bei hohen Temperaturen durch Diffusion in das Element ein.

4 4 mv a b Differenz-pH-Wert bei 60 g/l NaCl 50 c 0 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 ph Wie ist das Diagramm zu interpretieren? Im obigen Beispiel wird der ph-wert in einer Salzlösung (NaCl) mit 1 mol/l gemessen. Das heißt, dass pna = -10log1= 0 beträgt. Kurve c zeigt den mv-ausgang des Referenz-Glases. Im Bereich von 2 bis 14 ph erkennt man einen sehr gleichmäßigen mv-ausgang. Unter 2 ph zeigt der SC24-Sensor einen Empfindlichkeitsverlust aufgrund des Säurefehlers. Der Säurefehler ist vernachlässigbar, wenn der ph-wert mindestens 2 Einheiten höher liegt als der negative Logarithmus der Salzkonzentration. Salzlösung ist für die ph-messung ein schwieriges Medium, da die Salzionen bei herkömmlichen Referenzelementen tendenziell hohe Diaphragma-Potentiale bewirken. Im folgenden Diagramm ist dargestellt, wie das Referenzelement des Differenzsensors auf die Salzkonzentration reagiert. Abb. 2 ph-messung in Salzlösung 1.2 Typische Applikationen Der SC24 ist ideal für ph-regelungssysteme geeignet. Da es ein Differenz-Sensor ist, liefert er nicht den tatsächlichen ph-wert, aber in den meisten industriellen ph-applikationen handelt es sich um eine Prozessregelung und das Bedienpersonal ist für eine stabile Pro duktqualität und damit einen stabilen ph-messwert verantwortlich. Verantwortlich für den tatsächlichen ph-wert des über die ph-regelung hergestellten Produkts ist das Labor. Das Bedienpersonal stützt sich daher auf den Einsatz des SC24 zur Erreichung einer zuverlässigen Regelung, und das Labor setzt Off-Line einen herkömmlichen ph-sensor ein, um den tatsächlichen ph-wert zu messen. Das Prozess-Bedienpersonal verwendet diese Laborergebnisse, um mit dem SC24 eine Prozesskalibrierung durchzuführen, um sicherzustellen, dass beide Analysatoren den gleichen ph-wert liefern.

5 5 Potential (mv) 0 Sensitivität des Referenzglases für Kationen Na+ K+ Ca2+ Li Na+ K+ Li+ Ca2+ log(kation+) Wie ist das Diagramm zu interpretieren? Der ph-wert einer Lösung mit 10 g/l Kalziumchlorid ( CaCl 2 ) soll geregelt werden. Das Molekulargewicht von CaCl 2 ist 111, weshalb die Konzentration der Ca ++ -Ionen 10/111 mol/l = 0,09 beträgt. Der negative Logarithmus dieser Lösung ist 1,045, daher ist die Spannung dieses Referenzelements -160 mv gegenüber einer SCE (SCE = Saturated Calomel Electrode; Kalomelelektrode). Die Ausgangsspannung des ph-sensors bei ph=7 beträgt -40 mv gegenüber einer SCE, damit beträgt der Null-Offset (Asymmetriepotential) des Sensors 120 mv. Abb. 3 Sensitivität des Referenzglases Vermutlich werden 70 bis 80 % aller industriellen Anwendungen mit ph-regelung stark vom Einsatz des SC24 Differenz-Sensors profi tie ren, aber Anlagen mit Prozessen mit hohen Betriebstemperaturen, mit hohen Betriebs drücken und hohem Sensor-Ver schmutz ungspotential profitieren am meisten. Die einzigen Ausnahmen, in denen der Sensor nicht eingesetzt werden kann, sind Rein- und Reinstwasser-Applikationen, weil hier der Salzgehalt naturgemäß zu gering ist. Beispiele für Applikationen, in denen sich der Sensor hervorragend bewährt hat, sind: 1. Chlorproduktion (Elektrolyse von Salzlösung) 2. Bioethanol-Fermentationsprozesse

6 6 1.3 Merkmale und Produktvorteile Merkmal Vorteil Hermetisch abgedichtet Keine Kontamination des Prozesses durch Elektrolyt Kein poröses Diaphragma, keine Diffusion Hohe Stabilität, geringer Wartungsaufwand 4-in-1: ph, Ref, Temperatur, Flüssigkeitserde (ORP) Eine ph-applikation = 1 Sensor, 1 Kabel 12 mm PG13.5 Kompatibel zu gebräuchlichsten Industriearmaturen Werkstoffe mit Medienkontakt nur Pt und Glas Hohe chem. Beständigkeit, Hygieneanwendungen Kein Kontakt des Elektrolyten mit dem Prozess Universelle Anwendung, keine Fallstricke Abb. 4 Sensor SC Kompatibilität Der SC24 ist ein Differenz-pH-Sensor, der zwei hochohmige mv-quellen darstellt. Analysator: Der ph-analysator muss über zwei hochohmige Eingänge verfügen, wobei die Eingangsimpedanz jedes der beiden Ein gänge höher als Ohm sein muss. Außerdem muss der ph Analysator über einen Differenzverstärker verfügen, der gemeinsame Anschluss wird mit der aus Platin bestehenden Flüssigkeitselektrode verbunden. Falls der ph-analysator über die Möglichkeit verfügt, ORP und ph gleichzeitig zu messen, kann der SC24-Sensor für die Messung von ph, ORP, ph & ORP und ph & rh eingesetzt werden. Der Sensor kann in Kombination mit allen Analysatoren PH402G, PH202G, PH202S, PH150G und PH450G von YOKOGAWA verwendet werden, jedoch nicht mit den Geräten PH400G, PH200G und PH100. Verkabelung: Der Sensor ist mit einem 8-poligen Variopin-Verbinder ausgestattet und kann mit einem Doppel-Koax VP8-Kabel mit einer maximalen Länge von 20 m verwendet werden. Wir empfehlen folgende Kabel: WU10-VP-D-03 WU10-VP-D-05 WU10-VP-D-10 WU10-VP-D-15 WU10-VP-D-20

7 7 Armaturen: Der SC24 Differenz-pH-Sensor ist eine Standardausführung mit 12 mm Außen-Ø mit PG13.5-Prozessanschluss und VP8-Verbindung, wodurch er sich in den am häufigsten verwendeten industriellen Prozessanschlüssen PG13.5 einsetzen lässt. Da der Sensor in den Längen 120 mm und 225 mm erhältlich ist, passt er in die meisten handelsüblichen Direkteinsatzarmaturen einschließlich Yokogawa PR10 und EXATRAC. Die 120 mm-version passt auch in die Serie der kompakten ph-armaturen von Yokogawa: PF20, PD20 und PS20. Der SC24 Differenz-pH-Sensor ist außerdem kompatibel mit der größeren Anschlussbasis der FF20-, FS20- oder FD20-pH-Armaturen, sofern der (vorübergehend) beiliegende Adapter K1520JN (PVC) verwendet wird. Wenn der Sensor in der Serie der PH8- Armaturen von Yokogawa HA S3, HA PP oder HA PV verwendet werden soll, muss der Adapter K9148NA, K9148NB beziehungsweise K9148NC mitbestellt werden. Soll der Sensor in den Leitfähigkeitsarmaturen FF40/FD40 oder FS40 von Yokogawa verwendet werden, ist der Adapter K1523JA zu spezifizieren.

8 YOKOGAWA ELECTRIC CORPORATION World Headquarters 9-32, Nakacho 2-chome, Musashino-shi Tokyo Japan YOKOGAWA CORPORATION OF AMERICA 2 Dart Road Newnan GA USA YOKOGAWA EUROPE BV Euroweg HD AMERSFOORT The Netherlands YOKOGAWA ELECTRIC ASIA Pte. LTD. 5 Bedok South Road Singapore Singapore YOKOGAWA CHINA CO. LTD. 3F Tower D Cartelo Crocodile Building No.568 West Tianshan Road Changing District Shanghai, China YOKOGAWA MIDDLE EAST B.S.C.(c) P.O. Box 10070, Manama Building 577, Road 2516, Busaiteen 225 Muharraq, Bahrain YOKOGAWA Deutschland GmbH Broichhofstr D Ratingen Tel Fax Yokogawa verfügt über ein ausgedehntes Netz von Niederlassungen. Bitte informieren Sie sich auf der europäischen Internetseite: um eine Niederlassung in Ihrer Nähe zu finden. Änderungen vorbehalten Copyright Gedruckt in den Niederlanden, (A) I