Niezawodna technologia pomiarowa – wyzwania i rozwiązania

W porównaniu z innymi gazami, wodór ma specyficzne właściwości chemiczne i fizyczne. Jest to najlżejszy pierwiastek we wszechświecie, o niezwykle wysokiej dyfuzyjności. Oznacza to, że może przenikać przez wiele materiałów, a w konsekwencji prowadzić do zmęczenia materiału i nieszczelności sond. Wodór jest ponadto wysoce reaktywny: Nawet najmniejsze ilości tlenu wystarczają do powstania mieszanin wybuchowych. Przetworniki ciśnienia i urządzenia do pomiaru poziomu muszą zatem nie tylko pracować wyjątkowo precyzyjnie, lecz również być zabezpieczone przed dyfuzją i kruchością.

Pomimo prostej struktury atomowej składającej się z jednego protonu i jednego elektronu, wodór ma złożone właściwości chemiczne. Wyjątkowo krytyczne są:

• Wysoka reaktywność: Wodór tworzy wybuchowe mieszaniny z tlenem – energia zapłonu jest 15-krotnie niższa niż w przypadku metanu.
• Zdolność do dyfuzji: Małe molekuły wnikają w metal, co może spowodować nieszczelność. W przetwornikach ciśnienia napełnionych olejem może na przykład dojść do pęcznienia oleju.
• Kruchość wodorowa: Wodór gromadzi się na granicach ziaren w metalach, co po dłuższym czasie może doprowadzić do osłabienia, a nawet do nagłego pęknięcia.

Aby wyjść na przeciw tym wyzwaniom, producenci techniki pomiarowej do wodoru wykorzystują specjalne materiały, takie jak stal nierdzewna 316L oraz innowacyjne powłoki, jak na przykład złoto rodowane.

Wodór jest magazynowany pod bardzo wysokim ciśnieniem lub w skrajnie niskich temperaturach. Warunki te są znacznym obciążeniem dla aparatury pomiarowej. Wodór magazynowany jest często pod ciśnieniem od 400 do 700 barów, na przykład w zbiornikach wysokociśnieniowych lub systemach sprężania. Największe wyzwania:

• Sondy muszą wytrzymywać ekstremalne ciśnienia bez utraty dokładności pomiaru.
• Należy unikać zmęczenia materiału na skutek kruchości wodorowej.
• Dyfuzja może trwale naruszyć stabilność cel do pomiaru ciśnienia.

Do tych zastosowań VEGA oferuje solidne rozwiązania, takie jak VEGABAR 83, który może mierzyć ciśnienie do 1000 barów. Bezolejowa metalowa cela pomiarowa zapobiega dryftowi spowodowanemu dyfuzją wodoru, a złota powłoka rodowa zapewnia dodatkową ochronę.
 
Aby zmniejszyć objętość, wodór jest również skraplany i przechowywany w postaci płynnej. W tym celu gaz jest schładzany do temperatury od -240 do -253 °C. Ekstremalne temperatury stanowią szczególne wyzwanie dla aparatury pomiarowej:

• Sondy muszą działać stabilnie w temperaturach bliskich zera bezwzględnego.
• Materiały uszczelniające muszą być w stanie wytrzymać ekstremalnie niskie temperatury bez kruszenia się.
• Należy unikać mostków termicznych, ponieważ najmniejsze różnice temperatur mogą prowadzić do parowania.

W tym przypadku VEGA stosuje sondy radarowe z falowodem z serii VEGAFLEX, które umożliwiają niezawodne pomiary poziomu, nawet przy niskich wartościach stałej dielektrycznej.

VEGA stworzyła sondy specjalnie przystosowane do zastosowań wodorowych, które działają niezawodnie nawet w ekstremalnych warunkach. Jednymi z najważniejszych komponentów są:

• cele pomiarowe CERTEC®: Ceramiczne cele pomiarowe pracują bez oleju, a tym samym nie mają problemów z dyfuzją.
• Powłoki ze złota rodowanego: redukują dyfuzję wodoru w metalowych komponentach sondy i zapobiegają zmęczeniu materiału.
• Kompensacja temperatury i ciśnienia: zapewnia precyzyjne wartości pomiarowe nawet w dynamicznych procesach.
• Dyfuzyjnie szczelne systemy uszczelniające: zapobiegają wyciekom wodoru przy połączeniach procesowych.

Do przemysłowego zastosowania w systemach wysokociśnieniowych najlepiej nadaje się sonda VEGABAR 83 , podczas gdy sonda VEGABAR 82 z ceramiczną celą pomiarową to rozwiązanie stworzone specjalnie do agresywnych mediów takich, jak ług potasowy w elektrolizerach.

Bezpieczeństwo jest centralnym aspektem w technologii wodorowej. Zakres wybuchowości wodoru jest bardzo szeroki: mieszaniny z tlenem lub powietrzem są wybuchowe przy zawartości wodoru od 4 do 77 procent objętości. Wodór ma również wyjątkowo niską energię zapłonu. W celu zminimalizowania ryzyka stosowane są wielopoziomowe koncepcje ochrony:

1. Podstawowa ochrona przeciwwybuchowa: Unikanie mieszanin wybuchowych, np. poprzez bezpieczne oddzielanie wodoru i tlenu w elektrolizerach.
2. Wtórna ochrona przeciwwybuchowa: Eliminacja źródeł zapłonu dzięki iskrobezpiecznym czujnikom o niskim poborze energii elektrycznej.
3. Trzeciorzędowa ochrona przeciwwybuchowa: Środki ograniczające szkody w przypadku wystąpienia zapłonu.

Sondy VEGA są certyfikowane zgodnie z ATEX, IECEx i SIL i umożliwiają bezpieczne użytkowanie w strefach zagrożonych wybuchem, a także w funkcjach bezpieczeństwa.

W jaki sposób cyfryzacja przyczynia się do niezawodności procesów?
Oprócz samego pomiaru, nowoczesna technologia pomiarowa oferuje dodatkowe funkcje cyfrowe, które podnoszą poziom bezpieczeństwa operacyjnego. Sondy VEGA posiadają:

• Funkcje autodiagnozy: Stałe monitorowanie statusu sondy w celu wczesnego wykrywania nieprawidłowości.
• Cyfrowe przesyłanie danych Bezproblemowa integracja z systemami Przemysł 4.0 za pośrednictwem protokołów IO-Link i HART.
• Zdalna obsługa przez Bluetooth: Konserwacja i parametryzacja z bezpiecznej odległości.

Ponadto VEGA Inventory System umożliwia nadzór zasobów, pozwalający uniknąć niedoborów zapasów oraz ich planowane uzupełnianie.

Postępująca cyfryzacja i integracja sieciowa procesów przemysłowych zwiększa zagrożenie cyberatakiem w zakładach produkcyjnych. Urządzenia pomiarowe są również coraz częściej celem ataków hakerów. Manipulowanie tymi urządzeniami nie tylko zagraża bezpieczeństwu danych, ale także znacząco pogarsza bezpieczeństwo operacyjne. Dlatego też kluczowa jest skuteczna ochrona technologii operacyjnej (OT) w celu ochrony zarówno kontroli produkcji, jak i integralności systemów pomiarowych przed cyberatakami. VEGA spełnia te wyzwania dzięki kompleksowej koncepcji bezpieczeństwa, która jest zintegrowana w sondzie VEGAPULS 6X. Sonda radarowa VEGAPULS 6X spełnia wymagania normy IEC 62443-4-2 i zapewnia niezawodną ochronę przed manipulacją danymi, szpiegostwem i atakami typu "odmowa usługi" dzięki wielopoziomowej strategii ochrony (Defense-in-Depth). Najważniejsze środki bezpieczeństwa obejmują:

• Szyfrowane przesyłanie danych chroniące przed cyberatakami
• Weryfikacja użytkownika w celu ochrony przed nieupoważnionym dostępem
• Kontrola integralności oprogramowania firmware w celu zapewnienia wyłącznie autoryzowanych aktualizacji
• Pamięć zdarzeń dokumentująca próby manipulacji

Innym centralnym elementem strategii bezpieczeństwa VEGA jest wewnątrzzakładowa jednostka Product Security Incident Response Team (PSIRT). Zespół ten stale nadzoruje bezpieczeństwo, tworzy prewencyjne aktualizacje i szybko reaguje na potencjalne zagrożenia. Dzięki kombinacji cyberbezpieczeństwa, bezpieczeństwa funkcjonalnego oraz cyfrowych mechanizmów ochronnych firma VEGA jest w stanie zapewnić bezpieczeństwo instalacji wodorowych pracujących również w sieciach cyfrowych.

Wodór stawia przed technologią pomiarową wysokie wymagania – od zastosowań wysokociśnieniowych przez kriogenikę po bezpieczeństwo w obszarach Ex. Solidne przetworniki ciśnienia, urządzenia do pomiaru poziomu i rozwiązania cyfrowe VEGA zapewniają niezawodną podstawę wydajnych i bezpiecznych procesów przetwarzania wodoru. Dzięki innowacyjnym materiałom, zaawansowanym systemom kompensacji i cyfrowym narzędziom analitycznym, VEGA wyznacza nowe standardy w gospodarce wodorowej. W ten sposób to obiecujące źródło energii może być optymalnie wykorzystywane – bezpiecznie, precyzyjnie i wydajnie.