Техническая информация TI 377C/07/rus/07.03 51513174 Датчик IsFET для измерения pH уровня TopHit CPS 491 Ионно-селективный транзистор полевой структуры для долговременно стабильного измерения pH уровня в средах с высокой степенью загрязнения. Применение: • Используется: - при быстро меняющихся значениях pH - переменных значениях температуры и давления • Очистка воды и сточных вод • Для сред с высоким загрязнением: - сыпучие материалы - эмульсии - с выпадением осадка Соответствие нормам ATEX и FM для использования во взрывоопасных зонах Преимущества: • Устойчивость к повреждениям - Корпус датчика выполнен из PEEK - Непосредственная установка в технологический процесс сокращает затраты труда и стоимость при отборе проб и лабораторном анализе. • Контрольная система из двух частей: - устойчивость к воздействию ядовитых веществ - гель без полиакриламида • Возможность использования в гранулосодержащих средах высокого уровня загрязнения • Возможность использования при низких температурах: - минимальное время срабатывания - высокая постоянная точность • Более длительные межповерочные интервалы, чем у стеклянных электродов - низкий уровень гистерезиса при переменных температурах - низкий уровень погрешности при температурной нагрузке - практически нет ошибок измерения щелочей и кислот. • Имеется встроенный температурный датчик для эффективной компенсации температурного воздействия TopHit CPS 491 Функциональный и системный дизайн Принцип измерения Ионно-селективные или в общем смысле ионно-чувствительные полевые транзисторы (IsFET) были разработаны в 1970х годах в качестве альтернативы стеклянным электродам для измерения уровня pH. Основной принцип: а) Ионно-селективные полевые транзисторы используют МОП структуру транзистора (Рис.1) где металлический затвор (поз.1) не является контрольным электродом. Напротив, среда (Рис 2, поз. 3) в датчике IsFET находится в прямом контакте с изолирующим слоем затвора (2). Две активно N-проводящих зоны распространяются в P-проводящий субстрат. (Рис 2, поз. 5) полупроводникового материала (Si). Эти Nпроводящие зоны являются поставляющими ток (Источник, S) и принимающими ток (Сток, D) электродами. Электрод металлического затвора (в случае MOSFET-полевой транзистор с МОП) соответственно среде (в случае IsFET) формирует конденсатор с нижним субстратом. Разница потенциалов между затвором и субстратом (UGS ) вызывает высокую плотность электронов между «Источником» и «Стоком». Формируется N-проводящий канал (Рис. 1, поз. 2 соотв. Рис.2, поз.4), т.е. индуцируется потребление тока (Id). Рис.1: Принцип MOSFET 1 Металлический затвор 2 N –проводящий канал Рис.2: Принцип IsFET 1 Базовый электрод 2 Изолирующий слой затвора 3 Среда 4 N –проводящий канал 5 P – уплотнительный силиконовый субстрат 6 Изолирующий слой (TopHit: стержень датчика) При использовании IsFET, среда находится в непосредственном контакте с изолирующим слоем затвора. Следовательно, H+ ионы среды, которые находятся на пограничном слое «среда/затвор» изолятора, создают электрическое поле (потенциал затвора). В зависимости от вышеописанного эффекта, формируется N-проводящий канал и индуцируется ток между «Источником» и «Стоком». Подходящие датчики используют зависимость от ионно-селективного потенциала для создания выходящего сигнала, пропорционально концентрации типа ионов. а) Металл-оксид-полупроводник 2 Endress + Hauser TopHit CPS 491 pH-селективный IsFET Изолятор затвора служит ионно-селективным слоем для H+ ионов. Изолятор затвора также непроницаем для ионов (эффект изоляции) но допускает наличие обратимых реакций H+ ионов с поверхностью. В зависимости кислотно-щелочного характера измеряемых растворов, радикалов на поверхности изолятора, принимающих или отторгающих H+ ионы (амфотерный характер радикалов). Это вызывает положительный ( принятие ионов H+ в кислотной среде) или отрицательный (отторжение ионов H+ в щелочной среде) заряд поверхности электрода. В зависимости от значения pH, определенный заряд поверхности можно использовать для контроля полевого эффекта в канале между «Источником» и «Стоком». Процессы, ведущие к созданию потенциала заряда и тем самым к оперативному напряжению UGS между «Затвором» и «Источником» описаны уравнением Нернста: UGS . Потенциал между затвором и источником U0 ... Напряжение смещения 0 на выходе R ... Газовая постоянная (8,3143 J/molK) T ... Температура [K] n ... Электрохимическая величина (1/mol) F ... Число Фарадея (26,803 Ah) aion ... Активность типа иона (H+) Фактор Нернста При 20 °C (68 °F), фактор Нернста -58 mV/pH. Важные характеристики TopHit CPS 491 • Устойчивость к деформации Это наиболее очевидная черта датчика. Полная сенсорная технология встроена в стержень PEEK. Только высоко-устойчивый изолирующий слой и контрольный электрод имеют прямой контакт со средой. • Кислотно-щелочные погрешности Далее, важным преимуществом по сравнению со стеклянным электродом является более низкое число кислотно-щелочных погрешностей в экстремальной pH шкале. В отличие от стеклянных электродов, практически ни один посторонний ион не может накапливаться у затвора IsFET. Измеряемая погрешность < 0.01 pH (между pH 1 и 13) при 25°C близка к пределу чувствительности. Таблица внизу показывает кислотно-щелочную погрешность датчика IsFET при показателях pH от 1 до 13 в сравнении со стеклянным электродом (два разных pH стеклянных электрода) при pH-показателях от 0.09 до 13.86. Рис. 3: Сравнение кислотно-щелочных погрешностей 3 Endress + Hauser TopHit CPS 491 • Изометрические кривые - Уравнение Нернста определяет зависимость измеряемого напряжения, по содержанию иона водорода (pH показатель) и температуры. Это основа технологии измерения pH уровня, а также для датчиков IsFET. Температурно-зависимая величина потенциального перехода на pH показатель может быть выведена из этого уравнения (изометрическая кривая, потенциальный переход на pH показатель при определенной температуре). - Изометрические кривые датчика IsFET очень блики к теоретическим показателям (Рис. 4). Это служит дополнительным доказательством высокой точности измерения pHуровня прибора TopHit. Рис. 4: Изометрические кривые TopHit 1 Изометрическая кривая при 8 °C (46 °F), угловой коэффициент -55,8 mV/pH 2 Изометрическая кривая при 37 °C (99 °F), угловой коэффициент -61,5 mV/pH 3 Изометрическая кривая при 61 °C (142 °F), угловой коэффициент -66,3 mV/pH • Стабильность измерения и время срабатывания датчика Время срабатывания IsFET очень короткое по всей температурной шкале. У датчика IsFET нет (температурно-зависимой) настройки равновесия как в истоковой прослойке pH стекла стеклянного электрода. Они также могут быть использованы при низких температурах без замедления времени срабатывания. Большие и резкие перепады температуры и pH уровня имеют меньшее влияние на погрешность измерения (гистерезис) чем у стеклянного электрода, так как не оказывается давление на pH стекло. • Эталонная система Встроенный электрод сравнения TopHit это двухкамерная эталонная система с электролитным мостом. Он имеет следующие преимущества – эффективный и стабильный контакт между диафрагмой и контрольным проводом, и чрезвычайно длинный маршрут отравления. Электролитный мост имеет высокую сопротивляемость к изменениям температуры и давления . Измерительная система 4 Полная измерительная система включает в себя: •IsFET датчик TopHit •Измерительный кабель CPK 12 (с разъемом TOP 68) •Измерительный преобразователь, напр. Liquisys M CPM 223 (для настенного монтажа) или Liquisys M CPM 253 (полевое исполнение) или Mycom S CPM 153. •Погружная , проточная или выдвижная арматура, напр. CleanFit P CPA 471 (не CPA 450!) В зависимости от применения прилагаются дополнительные аксессуары: •TopClean S CPC 30 или TopCal S CPC 300 автоматическая очистка системы •Кабель-удлинитель, VBA или VBM соединительная коробка Endress + Hauser TopHit CPS 491 Химия и технологический процесс Рис. 5:Измерительная система с полным автоматическим измерением, очисткой и системой калибровки TopCal S 1 TopHit 5 Блок управления CPG 300 9 Блок промывки CPR 40 2 CleanFit H CPA 471 6 Очиститель воды, пара 10 Силовой кабель 3 Mycom S CPM 153 7 Очиститель, буферные 11 Сжатый воздух 4 Энергоснабжение растворы 12 Жидкости / очиститель 8 Многошланговый рукав Процесс стерилизации не является проблемой из-за широкого спектра применений pH датчика IsFET, не только относящихся к температуре, но также и к pH. Существует только небольшой спектр высоких pH показателей, связанных с высокими температурами, когда датчик не всегда стабилен (см. раздел "Технологический процесс"). Среда с данными характеристиками удаляет оксидный изолятор со схемы IsFET. Поскольку pH и температурный диапазон CIP очистки среды, то pH датчик IsFET должен использоваться только совместно с автоматической выдвижной арматурой. Преимущества полного автоматического измерения TopCal, очистки и системы калибровки: • CIP очистка Датчик, встроенный в выдвижную арматуру автоматически выдвигается из среды перед очисткой. В блоке промывки выдвижной арматуры, датчик очищается соответствующими моющими растворами. • Калибровочные циклы могут быть установлены индивидуально. • Низкие эксплутационные затраты благодаря полной автоматической очистке и калибровочным функциям. • Результаты измерений оптимально воспроизводимы и индивидуальные значения допуска очень низкие из-за автоматической калибровки. 5 Endress + Hauser TopHit CPS 491 Вода и сточные воды Рис. 6: Измерительная система для волы и сточных вод. 1 TopHit 2 Погружная арматура DipFit W CPA 111 3 Специальный измерительный кабель CPK 12 4 Преобразователь Liquisys M CPM 223/253 Ввод Измеряемые величины Уровень pH Температура Диапазон измерений 0 до 14 pH –15 до 135 °C (5 до 275 °F) Внимание! Обратите внимание на условия эксплуатации 6 Endress + Hauser TopHit CPS 491 Питание Электрическое соединение Датчик TopHit подсоединяется к измерительному преобразователю специальным измерительным кабелем CPK 12. Рис. 7: Специальный измерительный кабель CPK 12 Внимание! • Жилы кабеля желтого и белого цвета подсоединяются со стороны датчика. • Убедитесь, что вы действуете в соответствии с инструкциями при подсоединении датчика (монтажная схема), указанных в Инструкции по эксплуатации преобразователя. Преобразователь должен соответствовать датчикам IsFET (например, Liquisys M CPM 223/253-IS). Преобразователь, имеющий только один типовой pH ввод, не применим. Эксплутационные характеристики Время срабатывания < 5 сек. Для буферного перехода от pH 4 до pH 7 при исходных рабочих условиях Исходные рабочие условия Исходная температура: 25 °C (77 °F) Исходное давление: 1013 мбар (14.7 psi) Максимальная погрешность измерения pH: Температура: Воспроизводимость ± 0,1 % измерительного диапазона Запуск Каждый раз при включении измерительного прибора регулируется контур управления. В течение этого времени измеренная величина сдвигается к истинной величине. ± 0.2 % измерительного диапазона Класс B согласно DIN / IEC 751 Время установки зависит от вида прерывания и времени прерывания: • Перерыв в подаче напряжения, оставить датчик в среде: приблизительно от 3 до 5 минут • Прерывание жидкой пленки между pH-чувствительным IsFET и контрольным проводом: приблизительно от 5 до 8 минут. • Продолжительное сухое хранение датчика: до 30 минут 7 Endress + Hauser TopHit CPS 491 Установка Установка датчика При установке датчика TopHit, обратите внимание на направление потока среды. Микросхема IsFET должна быть закреплена приблизительно под углом 45° к направлению потока среды (Рис. 9). Произвести фиксацию микросхемы под правильным углом легко благодаря вращающейся штекерной головке датчика TopHit. Рис. 8: Установка датчика, вид спереди 1 Логотип компании E+H (боковой, прибл. 90°) 2 Серийный номер 3 Шильд Рис. 9: Установка датчика, объемный чертеж 1 Логотип компании E+H 4 Вращающаяся часть штекерной головки 5 Микросхема ISFET 6 Направление потока среды При установке датчика используйте гравированный серийный номер на штекерной головке для правильного расположения датчика. Серийный номер всегда расположен в той же плоскости что микросхема ISFET и шильд (направления z-y, рис. 8). В дополнение, вы можете использовать выгравированный логотип E+H для правильного ориентирования датчика. Плоскость, где размещен логотип, вращается на 70° - 90° от плоскости размещения микросхемы ISFET (Рис. 9, поз. 1). 8 Endress + Hauser TopHit CPS 491 Угол установки датчика Датчики IsFET можно устанавливать в любом положении, так как в них нет жидкостинаполнителя. Тем не менее, в случае установки в верхней позиции возможно возникновение воздушной подушкиа) в контрольной системе, что может прерывать электрический контакт между средой и диафрагмой. Рис. 10: Угол установки датчика TopHit Внимание! • Установленный датчик может находится в сухих условиях максимум 6 часов (это также применимо при верхней установке) • Убедитесь, что вы действуете в соответствии с рабочими инструкциями для используемого прибора. Окружающая среда Температура окружающей среды Внимание! Опасность повреждений при замерзании Не эксплуатируйте прибор при температуре ниже -15°C Температура хранения от 0 до 50 °C Степень защиты IP 68 (с TOP 68 штекерной системой) Световая чувствительность Как и каждый полупроводник, датчик IsFET чувствителен к свету (возникают колебания измеряемого показателя). Избегайте прямого попадания солнечных лучей во время калибровки и работы датчика! Обычный дневной свет не влияет на точность измерения. а) Датчик поставляется без воздушных подушек. Формирование воздушной подушки возможно в случае работы с пониженным давлением, например очистка резервуаров. 9 Endress + Hauser TopHit CPS 491 Технологический процесс Зависимость температуры среды от уровня pH При продолжительных высоких температурах, щелочь безвозвратно разрушает оксидный слой изолятора затвора. Датчик может использоваться только в обозначенном диапазоне (Рис. 11) из расчета его срока службы. Если датчик постоянно подвергается воздействиям 2%-го раствора гидроксида натрия при температуре 80°C, срок службы прибора снижается приблизительно до 10 – 15 часов. Рис.11 Температура и уровень pH Использование датчика при низких температурах Область применения датчика согласно коду заказа (см. информацию по заказам, структура заказа). График давление – температура Давление / температура: 10 бар / макс. 100 °C (145 psi / 212 °F), 3 бар / макс.110 °C (43.5 psi / 230 °F) Рис. 12: Давление и температура Осторожно! Опасность повреждения датчика! Никогда не используйте датчик TopHit в случаях, не предусмотренных данной спецификацией 10 Endress + Hauser TopHit CPS 491 Механическая конструкция Схема, размеры Рис. 13: TopHit CPS 491 Вес 0.1 кг (0.2 фунта) Материал Стержень датчика Впаи Рис 14: Наконечник датчика 1 штекерная головка Top68 2 стержень электрода 3 электрод сравнения 4 микросхема ISFET 5 впай (перфторированный эластомер) PEEK, соответствует требованиям FDA Перфторированный эластомер Технологическое соединение Pg 13.5 Шероховатость поверхности Ra < 0.8 µ м (0.03 µ дюйм) Датчик температуры Pt 1000 (класс B согласно DIN IEC 751) Штекерная головка ESB; TOP 68, вращающаяся Диафрагма Открытая Сертификаты и нормы Сертификат FM/CSA по взрывозащищенному исполнению •FM Класс. I, раздел 1, группы A, B, C, D, соотносится с прибором Mycom S 153-O/-P •CSA Класс. I, раздел 1, группы A, B, C, D, соотносится с прибором Mycom S 153-S Сертификат ATEX по взрывозащищенному исполнению Тип устройства II, категория 1G взрывозащищенная EEx ia IIC T4/T6 11 Endress + Hauser TopHit CPS 491 Структура заказа Структура заказа CPS 491 Датчик PEEK ISFET для измерения pH-уровня без использования стеклянного электрода для среды с высоким уровнем загрязнения, также содержащей органические растворители интегрированный температурный датчик Pt 1000 эталонная система из двух отсеков, с устойчивым к отравлению гелем открытая диафрагма впай: перфторированный эластомер диапазон использования: pH от 0 до 14, от -15 до 110 °C (от 5 до 230 °F) взрывоопасное и взрывобезопасное исполнение для измерительного кабеля CPK 12 Длина стержня 2 120 мм 4 225 мм 5 360 мм 6 425 мм Штекерный наконечник ESB Штекерный наконечник с резьбой, Pg 13.5, TOP 68, вращается Опции 2 Изоляция микросхемы: перфторированный эластомер 9 Специальная версия сооотв. спецификации заказчика CPS 491 12 Полный код заказа Endress + Hauser TopHit CPS 491 Аксессуары Преобразователи o Liquisys M CPM 223/253 Преобразователь для pH и ОВП, корпус для открытого монтажа или монтажа на щите, взрывоопасный или взрывобезопасный, протоколы Hart® или PROFIBUS, Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация o Mycom S CPM 153 Преобразователь для pH и ОВП, одноканальные или двухканальные версии, взрывоопасный или взрывобезопасный , протоколы Hart® или PROFIBUS Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация Полностью автоматические измерительные системы o TopCal S CPC 300 Полностью автоматическая система измерения, очистки и калибровки; взрывоопасный или взрывобезопасный, автоматическая очистка и калибровка без демонтажа, автоматический контроль датчика. Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация o TopClean S CPC 30 Полностью автоматическая система измерения и очистки; взрывоопасный или взрывобезопасный, автоматическая очистка, автоматический контроль датчика. Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация Арматура o CleanFit P CPA 471 Выдвижная арматура для установке в резервуаре или трубе, Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация o CleanFit P CPA 473 Управляемая пневматически или вручную выдвижная арматура, с шариковым вентилем для надежного ограничения процесса; комплектующие, находящиеся в контакте со средой выполнены из нержавеющей стали (AISI 316L) Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация o CleanFit P CPA 474 Управляемая пневматически или вручную выдвижная арматура, с шариковым вентилем для надежного ограничения процесса; комплектующие, находящиеся в контакте со средой выполнены из PP, PEEK или PVDF Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация Рис. 15: CleanFit P CPA 471 13 Рис. 16: CleanFit P CPA 473 Рис. 17: CleanFit P CPA 474 Endress + Hauser TopHit CPS 491 o CleanFit H CPA 475 Выдвижная арматура для установке в резервуаре или трубе в стерильных условиях, Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация o DipFit W CPA 111 Иммерсионная и монтажная арматура для отрытых и закрытых резервуаров, Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация o UniFit H CPA 442 Монтажная арматура для пищевой промышленности, биотехнологии и фармацевтической промышленности, с EHEDG и 3A сертификатом, Заказ по структуре продукта, см. Техническая информация Рис. 18: CleanFit H CPA 475 Буферные растворы Рис. 20: UniFit H CPA 442 Технические буферные растворы, погрешность 0.02 pH, соотв. NIST/DIN pH 4.0 красный, 100 мл (0.026 US гал.), код заказа. CPY 2-0 pH 4.0 красный, 1000 мл (0.264 US гал.), код заказа. CPY 2-1 pH 7.0 зеленый, 100 мл (0.026 US гал.), код заказа. CPY 2-2 pH 7.0 зеленый, 1000 мл (0.264 US галл.), код заказа. CPY 2-3 Технические буферные растворы для одноразового использования, погрешность 0.02 pH, соотв. NIST/DIN pH 4.0 20 x 20 мл (0.005 US гал.), код заказа. CPY 2-D pH 7.0 20 x 20 мл (0.005 US гал.), код заказа. CPY 2-E Длина кабеля HA Длина кабеля: 5 м (16.41 ф), TPE покрытие, макс. 130 °C (266 °F) HB Длина кабеля: 10 м (32.82 ф), TPE покрытие, макс. 130 °C (266 °F) HC Длина кабеля: 15 м (49.23 ф), TPE покрытие, макс. 130 °C (266 °F) HD Длина кабеля: 20 м (65.64 ф), TPE покрытие, макс. 130 °C (266 °F) HF Длина кабеля: от 5 до 20 м (16.41 до 65.64 ф), TPE покрытие, макс. 130 °C (266 °F) HG Длина кабеля: 16 -160 фт, TPE покрытие, макс. 130 °C (266 °F) Версия А Стандартная версия Концевая заделка 1 Концевая втулка на стороне прибора, экранирование оплеточного кабеля Выравнивание потенциалов А Внешнее выравнивание потенциалов при помощи плоского разъема Кабель CPK12 14 Рис. 19: DipFit W CPA 111 Полный код заказа Endress + Hauser TopHit CPS 491 Документация Арматура • • • • • • Преобразователи • Liquisys M CPM 223/253,Техническая информация TI 194C/07/rus; номер заказа 51500277 • Mycom S CPM 153, Техническая информация TI 233C/07/rus; номер заказа 51503788 Полностью автоматические системы • TopCal S CPC 300, Техническая информация TI 236C/07/rus; номер заказа 51504329 • TopClean S P CPC 30, Техническая информация TI 235C/07/rus; номер заказа 51504335 Кабель • CPK 1-12, Техническая информация TI 124C/07/rus; номер заказа 50068526 CleanFit P CPA 471, Техническая информация TI 217C/07/rus; номер заказа 51502596 CleanFit P CPA 473, Техническая информация TI 344C/07/rus; номер заказа 51510923 CleanFit P CPA 474, Техническая информация TI 345C/07/rus; номер заказа 51510925 CleanFit H CPA 475, Техническая информация TI 240C/07/rus; номер заказа 51505599 DipFit W CPA 111, Техническая информация TI 112C/07/rus; номер заказа 50066450 UniFit H CPA 442, Техническая информация TI 297C/07/rus; номер заказа 51506724 Endress+Hauser GmbH+Co. KG Instruments International P.O. Box 2222 D-79574 Weil am Rhein Germany Tel. (07621) 975-02 Tx 773926 Fax (07621) 975 345 e-mail: info@ii.endress.com Internet: http://www.endress.com TI 377C/07/rus/07.03 51513174 15 Endress + Hauser