Датчики давления для пищевых применений: особенности конструкции
Датчики давления для пищевых производств должны обеспечивать точные показания, не создавать риск загрязнения продукта и выдерживать регулярную санитарную обработку. В статье разбираем основные особенности их конструкции: открытую мембрану, гладкие контактные поверхности, стойкие уплотнения, защищенный корпус и совместимость с режимами CIP-мойки и SIP-стерилизации.
Автор: Дмитрий Слесарев 
Время прочтения: 18 мин.
Давление контролируют на разных этапах пищевого производства: при хранении сырья, приготовлении продукта, фильтрации, пастеризации и розливе. По его значению оценивают работу насосов, выявляют засорение фильтров и определяют уровень продукта в емкостях.
Однако датчик для пищевого предприятия нельзя выбирать только по диапазону измерения и классу точности. Прибор может непосредственно контактировать с молоком, напитками, сиропами, маслами, соусами и другими продуктами. Поэтому его конструкция должна обеспечивать стабильные показания и полноценную санитарную обработку.
Чем пищевое исполнение отличается от общепромышленного
В общепромышленных приборах среда часто поступает к чувствительному элементу через узкий канал. При работе с чистыми газами и маловязкими жидкостями такая конструкция обычно не вызывает проблем.
В пищевом производстве канал может засоряться вязким, липким или кристаллизующимся продуктом. Остатки среды трудно удалить во время мойки. Они образуют застойные зоны, повышают риск микробиологического загрязнения и могут влиять на показания прибора.
Для прямого контакта с пищевой средой применяют датчики гигиенического исполнения. В их конструкции не должно быть труднодоступных полостей, резких переходов и участков, на которых задерживается продукт.
Конструкция контактирующей части
Конструкция элементов, соприкасающихся с рабочей средой, определяет очищаемость прибора и его пригодность для пищевого производства. Здесь важны исполнение мембраны, материалы поверхностей, уплотнения и способ подключения прибора к процессу.
Мембрана, установленная заподлицо
Одна из главных особенностей пищевого исполнения – открытая плоская (торцевая) измерительная мембрана, расположенная заподлицо с поверхностью технологического присоединения.
В такой конструкции нет узкого канала, по которому продукт должен поступать к чувствительному элементу. Среда воздействует непосредственно на мембрану, а ее поверхность остается доступной для мойки.
Во многих исполнениях полость за мембраной заполнена жидкостью, которая передает воздействие среды чувствительному элементу. Для пищевых производств применяют составы с подтвержденным пищевым допуском. Если мембрана будет повреждена из-за механического воздействия или перегрузки, небольшое количество жидкости может попасть в контролируемую среду. Использование технического состава без пищевого допуска в таком случае создает риск брака и изъятия всей затронутой партии.
При выборе также учитывают допустимую температуру заполняющей жидкости. Перегрев может привести к нестабильным показаниям, образованию паровой фазы и повреждению мембраны. Температурный диапазон должен соответствовать не только штатному процессу, но и режимам CIP-мойки и SIP-стерилизации.
Плоская мембрана особенно востребована при работе со следующими средами:
- молоком и молочными смесями;
- кремами и пастами;
- шоколадными массами;
- сиропами и соусами;
- растительными маслами;
- средами с твердыми частицами;
- продуктами, склонными к налипанию или кристаллизации.
Такая конструкция предусмотрена, например, в моделях DMK 331P, PBMN Flush и PFMN. DMK 331P предназначен прежде всего для вязких и пастообразных сред, а PBMN Flush и PFMN могут применяться для измерения давления и гидростатического уровня в пищевых емкостях и трубопроводах.
Характеристики мембраны должны соответствовать условиям эксплуатации. Слишком тонкое исполнение может быть чувствительно к гидроударам, абразивным частицам и механическому воздействию при очистке. Более прочная конструкция переносит перегрузки, однако ее параметры нужно сопоставлять с требуемыми диапазоном и точностью измерения.
Материалы и обработка поверхности
Контактирующие детали обычно изготавливают из коррозионностойкой нержавеющей стали. Материал должен выдерживать воздействие измеряемой среды, рабочую температуру, а также применяемые для мойки и дезинфекции растворы.
При подборе учитывают:
- химический состав и кислотность среды;
- концентрацию солей;
- наличие жиров;
- рабочую температуру;
- состав моющих средств;
- температуру и продолжительность санитарной обработки.
Мембрана и технологическое присоединение должны быть совместимы со всеми средами, которые присутствуют в установке. Моющий раствор иногда воздействует на оборудование агрессивнее, чем сам продукт, поэтому оценивать только нормальный производственный цикл недостаточно.
На гигиеничность влияет и качество поверхности. Чем меньше ее шероховатость, тем ниже вероятность налипания продукта и тем проще удалить загрязнения. Для дополнительного сглаживания микронеровностей может применяться электрополировка.
Особое значение имеют поверхность мембраны, сварные швы, места установки уплотнений и переход между прибором и ответной частью. Если после монтажа образуется выступ, ступенька или непромываемая полость, качество обработки поверхности уже не обеспечит требуемую гигиеничность.
Уплотнения
Уплотнение находится между измерительным прибором и технологическим процессом. Оно должно сохранять герметичность при рабочих нагрузках, перепадах температуры и многократных циклах санитарной обработки.
Материал выбирают по составу среды, содержанию жиров, температуре процесса, режимам CIP- и SIP-обработки, а также применяемым кислотным и щелочным растворам.
Неподходящий эластомер может разбухать, терять упругость, растрескиваться или постепенно разрушаться. Это создает риск утечки и попадания частиц уплотнения в сырье или готовую массу.
После монтажа уплотнение не должно выступать внутрь трубопровода или образовывать углубление, в котором будут скапливаться остатки среды.
Гигиенические присоединения
Технологическое присоединение определяет, как датчик устанавливается на трубопровод, емкость или производственную установку. В пищевой промышленности применяют специальные исполнения, рассчитанные на санитарную обработку и минимизацию застойных зон.
Присоединение должно соответствовать ответной части оборудования, рабочим нагрузкам и принятому на предприятии способу мойки. При этом гигиеничность зависит не только от формы соединения, но и от его правильной установки.
Типы присоединений и особенности их выбора подробно рассмотрены в отдельной статье: «Виды разъемных соединений гигиенического исполнения».
Устойчивость к мойке и высокой температуре
Датчик должен сохранять работоспособность не только в штатном технологическом режиме, но и во время санитарной обработки. На его надежность влияют температура, моющие растворы, наружная мойка и передача тепла от процесса к электронному модулю.
CIP-мойка и SIP-стерилизация
Пищевое оборудование регулярно очищают без разборки. Во время CIP-мойки через систему проходят нагретые щелочные, кислотные и промывочные растворы. Для стерилизации может применяться горячая вода или пар.
Прибор одновременно подвергается воздействию высокой температуры, механических нагрузок, химически активных веществ и повторяющихся циклов нагрева и охлаждения. Поэтому отдельно проверяют:
- рабочую температуру продукта;
- допустимую температуру мойки или стерилизации;
- максимальную продолжительность температурного воздействия;
- химическую стойкость контактирующих материалов и уплотнений;
- возможность измерения непосредственно во время санитарной обработки.
Например, DMP 331P допускает CIP- и SIP-обработку при температуре до 150 °C. Датчик PBMH hygienic также рассчитан на CIP- и SIP-процессы, а PP20H устойчив к распространенным средствам CIP-мойки.
Электронное реле DS 200P подходит для задач, где наряду с передачей измеренного значения нужны локальная индикация и управление по дискретным выходам.
При резком нагреве мембраны возможен временный уход показаний. Если измерения требуется выполнять во время мойки или стерилизации, такую возможность проверяют по документации конкретного исполнения.
Корпус и электрическое подключение
При наружной мойке вода, пар и моющие средства воздействуют не только на корпус, но и на разъем, кабельный ввод и кабель. Струя может подаваться с высокой интенсивностью и попадать на прибор с разных направлений.
Одного обозначения степени защиты недостаточно. Следует учитывать температуру воды, интенсивность струи, расстояние до моечного оборудования, продолжительность воздействия и химический состав раствора.
Корпус должен иметь гладкую форму без глубоких углублений, выступов и горизонтальных площадок, на которых задерживается вода. Для открытых пищевых производств предпочтительны компактные исполнения из коррозионностойких материалов.
К таким приборам относятся модели санитарной серии PB3301 и PB3302. Их корпуса выполнены из нержавеющей стали, контактирующие элементы – из стали 316L, а заявленная степень защиты достигает IP69K.
Разъем и кабельный ввод часто становятся наиболее уязвимыми частями прибора. Влага может проникнуть внутрь даже герметичного корпуса, если разъем подобран неправильно или недостаточно затянут.
При подборе электрического подключения проверяют:
- степень защиты собранного соединения;
- материал корпуса разъема;
- химическую и температурную стойкость кабеля;
- наличие уплотнительных элементов;
- возможность замены кабеля без нарушения герметичности прибора.
Кабель прокладывают так, чтобы вода не стекала непосредственно к разъему. Перед точкой подключения желательно предусмотреть направленную вниз петлю.
Температурная развязка
Высокая температура продукта или продолжительная стерилизация могут нагреть электронику датчика выше допустимого уровня. Чтобы снизить передачу тепла, между технологическим присоединением и корпусом предусматривают удлиненную шейку или охлаждающий элемент.
Например, гигиенические датчики давления DMP 331P в высокотемпературном исполнении оснащены охлаждающим элементом и рассчитаны на измерение давления сред с температурой до 300 °C (в зависимости от заполняющей жидкости внутри датчика).
Предельно допустимая температура зависит от конкретной комплектации прибора, включая заполняющую жидкость, материал уплотнения и конструкцию технологического присоединения.
Температурная развязка увеличивает монтажную высоту датчика. Это учитывают при установке в ограниченном пространстве и организации наружной мойки. Корпус не следует размещать там, где он будет дополнительно нагреваться горячим воздухом или паром, поднимающимся от трубопровода или емкости.
Особенности измерения и эксплуатации
Условия эксплуатации влияют на выбор диапазона, способ измерения и требования к выходному сигналу. Отдельно следует учитывать гидростатическое измерение уровня, возможные перегрузки и задачи системы автоматизации.
Измерение уровня по гидростатическому давлению
Для контроля заполнения пищевых емкостей применяют гидростатические уровнемеры, которые устанавливают в нижней части резервуара. Прибор измеряет давление столба жидкости и преобразует его в значение уровня.
Результат зависит не только от характеристик датчика, но и от плотности продукта. Если она меняется из-за температуры, рецептуры или концентрации, одному и тому же уровню могут соответствовать разные значения давления.
На точность также влияют:
- параметры газовой среды над продуктом;
- форма емкости;
- наличие мешалки;
- пенообразование;
- динамические нагрузки при заполнении;
- положение датчика относительно дна.
В закрытой емкости с избыточным воздействием газовой среды одного прибора в нижней точке может быть недостаточно. Для компенсации влияния газовой среды применяют дополнительное измерение или дифференциальный преобразователь.
Защита от гидроударов и перегрузок
При быстром закрытии клапана, запуске насоса или изменении направления потока в трубопроводе возникают кратковременные скачки давления. Их амплитуда может значительно превышать нормальное рабочее значение.
Поэтому диапазон датчика выбирают с запасом, учитывая:
- максимально возможную рабочую нагрузку;
- кратковременные перегрузки;
- давление во время мойки;
- испытательный режим системы;
- возможные гидроудары.
При сильных пульсациях применяют программное демпфирование сигнала, меняют место установки прибора или корректируют конструкцию технологической системы.
Устанавливать перед пищевым датчиком узкий дросселирующий канал следует с осторожностью: он может образовать труднопромываемую полость и свести к минимуму преимущества гигиенической конструкции.
Выходной сигнал и диагностика
Для передачи измеренного значения в систему управления обычно используется аналоговый сигнал. Также выпускаются приборы с цифровыми интерфейсами, встроенной индикацией и дискретными выходами.
Аналоговый сигнал подходит для непрерывной передачи данных, цифровой интерфейс – для настройки и диагностики, а дискретные выходы – для порогового управления оборудованием.
Дисплей упрощает наладку и локальный контроль, но его конструкция должна выдерживать наружную мойку. Если показания постоянно поступают в операторскую, компактное исполнение без экрана может оказаться практичнее.
Примеры приборов для пищевых применений
В таблице представлены компактные преобразователи, гигиенические датчики с открытой мембраной и электронные реле. Характеристики прибора зависят от заказного исполнения, поэтому при подборе проверяют присоединение, уплотнение, заполняющую жидкость и комплект сертификатов.
| Датчик | Производитель | Особенности для пищевого применения | Особенности выбора |
| PB3301 | EMA | Санитарное исполнение, контактирующий элемент из стали 316L, IP69K, диапазон −1…2 бар | Проверить пищевые документы, материал уплотнения и санитарный адаптер |
| PB3302 | EMA | Санитарное исполнение, сталь 316L, IP69K, диапазон −1…5 бар, кратковременное воздействие температуры до 150 °C | Уточнить пищевую совместимость и условия высокотемпературной мойки |
| DMP 331P | BD SENSORS | Гигиеническое исполнение, открытая мембрана с низкой шероховатостью, CIP/SIP до 150 °C, сертификаты 3-A и EHEDG | Выбрать присоединение, заполняющую жидкость и температурное исполнение |
| DMK 331P | BD SENSORS | Открытая приварная мембрана для вязких и пастообразных продуктов, исполнения для высокого давления | Для контакта с продуктом выбрать подходящую заполняющую жидкость и гигиеническое присоединение |
| DS 200P | BD SENSORS | Гигиеническое электронное реле с дисплеем, открытой мембраной, сертификатами 3-A и EHEDG | Определить количество выходов, тип аналогового сигнала и температурный диапазон |
| PP20H | Baumer | Полностью сварное исполнение, устойчивость к CIP, сертификаты 3-A и EHEDG, соответствие FDA, поддержка IO-Link | Подобрать гигиенический адаптер и размер присоединения |
| PBMN Flush | Baumer | Открытая мембрана, полностью сварное присоединение, устойчивость к CIP, высокая точность | Использовать именно исполнение Flush, а не общепромышленные версии PBMN |
| CombiPress PFMN | Baumer | Бесполостное присоединение, устойчивость к CIP, сенсорный дисплей, декларация для пищевых применений | Согласовать присоединение и требования санитарной зоны |
| PBMH hygienic | Baumer | Полностью сварное гигиеническое исполнение, 3-A, EHEDG, FDA, поддержка CIP/SIP, варианты для сред до 200 °C | Заказывать именно hygienic-исполнение и учитывать ограничения SIP по времени и температуре |
Как выбрать датчик давления для пищевого производства
Перед заказом оборудования следует описать не только штатный режим работы, но и условия мойки, стерилизации и возможных перегрузок.
Для подбора потребуются следующие данные:
- Измеряемая среда, ее вязкость и химический состав.
- Рабочее и максимально возможное давление.
- Температура продукта.
- Температура и продолжительность CIP-мойки или SIP-стерилизации.
- Тип технологического присоединения.
- Материалы контактирующих деталей и уплотнений.
- Тип и температура заполняющей жидкости, наличие пищевого допуска.
- Требования к шероховатости поверхности.
- Возможные гидроудары и пульсации.
- Условия наружной мойки.
- Требуемая точность, выходной сигнал и функции диагностики.
- Необходимые сертификаты и документы на контактирующие материалы.
Для маслонаполненного исполнения характеристики заполняющей жидкости проверяют с учетом рабочего процесса, CIP-мойки и SIP-стерилизации. Выбирать вариант с чрезмерным температурным запасом нецелесообразно: специальные жидкости и дополнительные элементы температурной развязки, как правило, увеличивают стоимость прибора.
Необходимо учитывать все режимы эксплуатации. Например, прибор может работать с холодной средой, но ежедневно подвергаться мойке при высокой температуре. Если при подборе ориентироваться только на штатный режим, выбранная модель может не выдержать санитарную обработку.
Заключение
Пищевой датчик давления выбирают не только по диапазону и точности. Его конструкция должна соответствовать свойствам продукта, режимам мойки, рабочей температуре, типу присоединения и возможным перегрузкам.
Даже подходящий по характеристикам прибор не обеспечит требуемую гигиеничность при неправильном монтаже, неподходящем уплотнении или наличии застойной зоны в ответной части оборудования. Поэтому датчик следует рассматривать как элемент всей технологической установки.
Грамотно подобранный прибор обеспечивает стабильные измерения, упрощает санитарную обработку и снижает риск загрязнения продукта. Инженеры «РусАвтоматизации» подберут измерительное оборудование под конкретную среду и условия эксплуатации.
Скачать статью в формате PDF
Вас может заинтересовать
- Комментарии
