Датчик IsFET для измерения pH уровня TopHit CPS 491

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: [email protected]
Internet:
http://www.endress.com
TI 377C/07/rus/07.03
51513174
15
Endress + Hauser