Folyadékáram-érzékelő élelmiszer- és gyógyszeripari alkalmazásra

Az elektromágneses elven működő folyadékáram-mérők fejlesztése több évtizeddel ezelőtt kezdődött Magyarországon a Gamma Művek Budapesti gyáregységében. Kezdetben a gyártás a német Krohne céggel, licencszerződés keretében, német exportra történt, de hamarosan gyakorlatilag egyeduralkodóvá vált a hazai víz- és szennyvíztelepeken. Jelen közlemény egy olyan kisméretű folyadékáram-érzékelő piaci bevezetéséről számol be, amelynek kifejlesztését még a „Gamma-hagyományokon” alapuló kutatás-fejlesztés tette lehetővé.

Az ipari folyamatok mérőérzékelői gyártásának alapvető követelménye, hogy rendelkezésre álljanak az érzékelő végellenőrzését és kalibrálását lehetővé tevő gyártóeszközök. A folyadékáram-érzékelők ebben a vonatkozásban különlegesek, mert a kalibrálásukra általában nincsenek készen kapható eszközök, hanem a termék fejlesztésébe a kalibráló eszköz fejlesztése is beletartozik. Különösen vonatkozik ez az elektromágneses elven működő folyadékáram-mérőkre ^[1]. A gyártónak egy nemzetközi szabvány (az ISO 9104:1991 „Measurement of fluid flow in closed conduits – Methods of evaluating the performance of electromagnetic flowmeters for liquids”) előírásainak megfelelő kalibráló berendezésre van szüksége ahhoz, hogy a gyártmányhoz kiállított bizonylatot hitelesnek elfogadják.
Az elektromágneses elven működő folyadékáram-érzékelő működési elve a mozgási indukció törvényén alapul, amely szerint, ha egy L hosszúságú vezetéket egy konstans B  indukciójú homogén mágneses térben, a térre merőlegesen v sebességgel mozgatunk, akkor a vezetékben indukált u feszültség

u = B L v

független a vezeték ellenállásától, és csak a vezeték sebességétől függ. Az indukciós áramlásérzékelőkben a vezetéket a cső falába szigetelten beépített elektródák között folyó, vezetőképes folyadék helyettesíti.
A valóságban természetesen ezt az elvi működést számtalan korrekcióval lehet csak megvalósítani. Az egyik ilyen probléma például az, hogy az állandó mágneses tér a folyadékban levő ionokat polarizálja, amik az elektródákra kirakódva szigetelő felületet állítanak elő. Ennek elkerülésére a mágneses teret váltakozó irányú impulzusokkal állítják elő. A másik probléma, hogy a folyadék sebessége a cső teljes keresztmetszetében nem egyforma, a cső falánál zérus, a többi pontban pedig a megelőző és követő csőszakasz alakjától és méretétől függ. A konstrukciós kivitel és a beépítés módja az Európai Unión belül már szabványosítva van, ezért az MSZ EN ISO 6817 „Vezetőképes folyadék áramának mérése zárt vezetékben. Mérési módszer elektromágneses árammérőkkel” szabvány előírásait mind a gyártónak, mind pedig a felhasználónak be kell tartania.
Azáltal, hogy az indukciós mérési elven alapuló folyadékáram-érzékelő működése – bizonyos határok között – független a folyadék tulajdonságaitól, különösen előnyössé teszi alkalmazását a gyógyszer- és élelmiszeriparban. Ugyanis az indukciós elven működő folyadékáram-érzékelő mérőcsőve egy szigetelő anyagból készült, sima falú, kiálló szerkezeti elemeket nem tartalmazó, egyenes cső, ami nagyon megkönnyíti tisztán tartását, és alkalmassá teszi szilárd részecskéket is tartalmazó, pépes, tömény savas vagy lúgos anyagok mérésére is. Hátránya viszont, hogy szigetelő folyadékok, pl. olaj, benzin mérésére nem használható. Az elektronika fejlődésével azonban ez a hátrány is egyre csökken, a jelenlegi kivitelek például már a néhány µS/cm vezetőképességű kazántápvíz mérésére is alkalmasak. Ugyancsak a hátránya, hogy beépítésekor nagy figyelmet kell fordítani a folyadékáram-érzékelő megfelelő földelésére, mert a mérésre szolgáló indukált feszültség mV nagyságrendű, és ha a folyadék áramoltatását végző szivattyúnak a szigetelési ellenállása nem elég nagy, akkor szivárgási árama – helytelen földelés esetén – az érzékelőn keresztül záródik a föld felé, és ez a mérőjelet meghamisítja.
Az elektromágneses folyadékáram-mérők külön csoportját képezik azok a kisméretű, általában 100 l/perc méréshatárú érzékelők, amelyek beépítve valamely berendezés részeként alkalmazhatók. Ezek gyártói, az ún OEM- (Original Equipment Manufacturer) -felhasználók különleges igényt támasztanak a könnyű cserélhetőség iránt, ezért szabványosították a beépítésre kerülő készülékek csőcsatlakozóit. Az általunk kifejlesztett SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő termékcsalád a gyógyszer- és élelmiszeriparban általánosan elterjedt, rozsdamentes acélcsöves alkalmazásokra a DIN 32676, illetve ISO 2852 szabvány szerinti Clamp-csőcsatlakozót a mérőcső részeként alkalmazza, ami azt jelenti, hogy a mérőcső és a csőcsatlakozó a kalibráláskor egy egységet képez (1. ábra). Ugyanezen elvet alkalmazza az általánosan elterjedt műanyagcsöves alkalmazásokra is azzal a különbséggel, hogy ott a svájci Georg–Fischer cég által széles körben elterjesztett, Adaptor Union nevű csőcsatlakozókat építi be a kalibrálást megelőzően (2. ábra). Nagy előnye ennek a megoldásnak, hogy a csőcsatlakozók egyben ellátják a folyadék földelésének feladatát is, mert a mérőcső két oldalán levő csőcsatlakozók fémrészei gyárilag elektromosan össze vannak kötve, ezáltal a szivattyú szivárgási áramának áramköre nem tud a mérőcsövön keresztül záródni. DN25 és DN40 méretű rozsdamentes acélcsövek, valamint az amerikai és távol-keleti piacokon általánosan használt 1” és 1,5” átmérőjű rozsdamentes acélcsövek ugyanazon 50,5 mm átmérőjű, Clamp-csőcsatlakozó szerelvényt alkalmazzák. Ez a kalibrálóberendezés fejlesztésénél nagyon előnyös, mert az EU-ban használt DIN- szabvány a cső belső átmérőjét, az USA-ban elterjedten alkalmazott ISO-szabvány ellenben a cső külső átmérőjét rögzíti. Ezáltal a Clamp-csatlakozóval kalibrált folyadékáram-érzékelők alkalmazási területe nagyon széles.
A széles körű alkalmazást az is elősegíti, hogy a SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelők elektronikájának többféle kimenőjele van (1, 10, 100 vagy 1000 impulzus/liter értékre beállítható impulzusszámossági jel, 4…20  mA-es áramkimenetű távadójel, továbbá RS485 digitális kimenőjel.) Különleges felhasználást tesz lehetővé a háromállású kapcsoló kimenőjele.
Az impulzusszámosság-kimenőjel általánosan alkalmazott jel, ha a folyadékáram-érzékelő egy PLC-vel van összekötve. Az RS485-szabvány szerinti digitális kimenőjel akkor használható, ha a folyadékáram- érzékelő számítógépes hálózatba van kapcsolva. Ugyanis a digitális kimenőjelre alkalmazott MODBUS RTU-protokoll szabad felhasználású, ezért az érzékelőknél az általánosan elterjedt, analóg 4…20 mA egyenáramú jelhez hasonlóan széles körű elterjedés előtt áll ^[2] , ^[3]. Az előzőekben említett kimenőjelek az érzékelő hátlapján levő csatlakozókon vannak kivezetve (2. ábra). A készülék különlegessége a tápkábelen kivezetett háromállású kapcsolókimenet. Ez a kapcsoló az átfolyt folyadékmennyiség vagy a folyadéksebesség egy beállítható értékénél kapcsol, és segítségével egy beavatkozó szervet (villanymotort vagy elektropneumatikus átalakítót) lehet működtetni. Ez teszi lehetővé ugyanis, hogy a SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő adagolási és folyadékáram-szabályozási feladatra is alkalmazható legyen. A hátlap kialakítása nagymértékben megkönnyíti a készülék szerelését. A „POWER” feliratú piros LED jelzi, hogy van tápfeszültség, a „FLOW” feliratú zöld LED mutatja, hogy van folyadékáram. A „MANUAL” feliratú QR-kódot okostelefonnal dekódolva olvasható a Kezelési Utasítás.
A folyadékáram-érzékelők fontos alkalmazási módja az átfolyt folyadék mennyiségének mérése. Ezért az elektronika kialakítása olyan, hogy csak egyirányú áramlást érzékel, ezért beépítésekor fontos vigyázni arra, hogy az áramlási irány egyezzen meg az oldalán feltüntetett nyíl irányával. Az ilyen alkalmazásoknál fontos szempont, hogy a táplálást ne lehessen lekapcsolni, mert minden bekapcsoláskor idő kell az elektronika feléledéséhez, ami a mérési eredményt meghamisítja. Ugyancsak meghamisíthatja a mérési eredményt az üzemszünetekben a folyadék szivárgó folyása. Ezt a hibát a SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő oly módon küszöböli ki, hogy a méréstartomány beállítható alsó 1…5%-ában nem méri az átfolyó mennyiséget.

1. ábra

2. ábra

Gyógyszeripari alkalmazásoknál lényeges szempont, hogy a folyadékáram-érzékelő robbanásbiztos kivitelű legyen. Ha a mért folyadék önmagában nem is robbanásveszélyes, a készülék környezetében mégis lehet gyúlékony anyagot szállító csővezeték, aminek meghibásodása esetén a környezet robbanásveszélyessé válik. Minden elektromágneses érzékelőelektronika tartalmaz egy jelentős induktivitású mágneses áramkört, amit nem lehet gyújtószikramentes kialakításúvá tenni.
A SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelőben ez a probléma úgy van megoldva, hogy az elektronika tápegységet és tekercset tartalmazó része műgyantával ki van öntve, ezért meghibásodáskor a robbanásveszélyes térben nem keletkezhet gyújtóképes szikra. Ugyancsak a robbanásveszélyes környezetbeli használhatóság követeli meg azt a megoldást, hogy a táplálás és a 100 mA-nél nagyobb áramú kapcsolóáramkör ne csatlakozón keresztül, hanem a belső elektronikától galvanikusan leválasztva, kábellel legyen a készülékhez csatlakoztatva.
Adagolási alkalmazásnál a SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő kapcsolóáramköre egy szelepet nyit ki mindaddig, amíg a beállított mennyiségű folyadék át nem folyt, majd a szelepet bezárja. A mennyiség beállítására a készülék hátlapján elhelyezett „DISPLAY”-feliratú csatlakozóhoz hozzá lehet kapcsolni a SENSOFLO™ folyadékáram-kijelzőt (3. ábra), amelynek előlapján be lehet állítani a beadagolandó mennyiséget, és le lehet olvasni a ténylegesen átfolyt folyadékmennyiséget. Élelmiszer- és gyógyszeripari alkalmazásoknál különösen előnyös a SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő összeépítése a Festo VZQA szeleppel, mert ez a szelep az érzékelő mérőcsövével azonos átmérőjű, rugalmas falú cső, ahol az átfolyó folyadék mennyiségét a cső falának levegővel történő összenyomásával lehet szabályozni (4. ábra). Ezáltal a szelep a mérőcső része, azzal együtt kalibrálható, és minden tisztíthatósági követelménynek megfelel.

3. ábra

4. ábra

A szabályozási célra alkalmazott szelepek áramlási karakterisztikáját általában a szelepülék-szeleptest célszerű geometriai kialakításával befolyásolják.^[4] , ^[5]. Az ilyen szelepek mozgatása villamos motorral vagy pneumatikus hengerrel a szelepszár helyzetére visszacsatolt szabályozóval, az ún. helyzetbeállítóval történik. E megoldás hátránya, hogy a beállított karakterisztika csak akkor teljesül, ha a szelepen 1 bar nyomásesés lép fel. A szelepkarakterisztika egy szabadalom-bejelentés alatt álló megoldással függetleníthető a szelepen fellépő nyomáseséstől, ha a szelepet SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelővel építik össze, és az átfolyó folyadékáram van visszacsatolva a vezető jelre. Az így kialakított folyadékáram-beállító nagy előnye, hogy nincs szükség a szelepülék-szeleptest páros különleges kialakítására.  
Keverést igénylő vegyipari technológiák elterjedten alkalmazzák a nem folytonos, hanem egyszerre csak egy adagon végrehajtott, ún. „batch process” eljárást. Ennek lényege, hogy a folyadékfázisú alapanyaghoz szabályozott hőmérséklet- és nyomásviszonyok között, folytonos mechanikus keverés közben adnak hozzá egy másik anyagot, és ennek eredményeként, a reakcióidő elteltével létrejön egy másik termék. Az élelmiszeriparban a legtöbb esetben az új termék létrehozásához szükségtelen keveréskor a folyamatot adagokra bontani. A szakaszos technológia helyett sokkal célszerűbb a folytonos technológia alkalmazása, ahol a keverést statikus keverővel hozzák létre. Statikus keverők szabályozására a 4. ábrán bemutatott, szeleppel összeépített SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő különösen előnyösen alkalmazható, mivel átfolyási karakterisztikája független a szelepen fellépő nyomáseséstől.
Az 5. ábra mutatja a SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő alkalmazását statikus keverők szabályozására. A technológiai feladat a C termék létrehozása az A és B termék összekeverésével. Az 1 szivattyú által szállított folyadék áramló mennyiségét a 2 folyadékáram-érzékelő méri, és a mérőjelet továbbítja a 3 szabályozónak. A 4 szeleppel összeépített SENSOFLO™ folyadékáram-érzékelő a B folyadék áramló mennyiségét méri. A jelet továbbítja a 3 szabályozónak, amely az 5 szelepet úgy állítja be, hogy az A és B folyadékáram aránya, a 6 statikus keverő előtt, a nyomáseséstől függetlenül az előírt érték legyen.

5. ábra

Szerző: Dányi Dezső – Dányi Engineering

^[1] Léb György, Dr. Szilassy László: Ami egy 0,1%-os áramlásmérő-hitelesítő mögött van. Magyar Elektronika, 2014/1-2

^[2] Pástyán Ferenc: Áram- és teljesítménymérők RS485 interfésszel. Magyar Elektronika, 2014/10

^[3] Com-Forth Kft: Próbálgatás helyett – intelligens RS485 Magyar Elektronika 2014/5

^[4] Dányi Dezső, Dr. Telkes Zoltán: Szabályozó berendezések, Egyetemi tankönyv. Tankönyvkiadó, Budapest, 1981.

^[5] Mizsey Péter: Folyamatirányítási Rendszerek. Egyetemi tankönyv.TYPOTEX  Budapest 2011.

Dányi Engineering – DE Flowmeters Kft.
1141 Budapest, Cserebogár utca 39.
Tel.: +36 1 469 0485
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.danyi-engineering.hu

Címkék: indukciós | áramlásmérés | élelmiszeripar | gyógyszeripar