UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO,

RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO

Gregor Dernovšek

SENZORJI ZA ANALIZO ATMOSFERE V SKLADIŠČNIH

HLADILNICAH ZA SADJE

Diplomska naloga

Maribor, julij 2008

UNIVERZA V MARIBORU

FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO 2000 Maribor, Smetanova ul. 17

Diplomska naloga visokošolskega študijskega programa

SENZORJI ZA ANALIZO ATMOSFERE V SKLADIŠČNIH

HLADILNICAH ZA SADJE

Študent: Gregor DERNOVŠEK

Študijski program: visokošolski, Elektrotehnika

Smer: Elektronika

Mentor: doc. dr. Mitja SOLAR

Somentor: doc. dr. Bojan JARC

Maribor, julij 2008

II

SKLEP O DIPLOMSKI NALOGI

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se mentorju doc. dr. Mitji Solarju ter

njegovemu somentorju doc. dr. Bojanu Jarcu za

pomoč, nasvete ter vodenje pri opravljanju

diplomske naloge. Prav tako se zahvaljujem

podjetju EHO d.o.o iz Laškega, ki je podprlo tako

moj študij kot tudi diplomsko nalogo.

Posebna zahvala velja družini za vso podporo pri

študiju.

IV

SENZORJI ZA ANALIZO ATMOSFERE V SKLADIŠČNIH HLADILNICAH ZA SADJE

Ključne besede: hlajenje, sadje, kontrolirana atmosfera, krmiljenje, zorilnica,

kisik, ogljikov dioksid, etilen

UDK: 681.536.54 (043.2) Povzetek

Osnovna ideja diplomske naloge je predstavitev senzorjev z njihovimi funkcijami in

lastnostmi, ki so zahtevane pri analiziranju atmosfere v hladilnicah v katerih se skladišči

oziroma zori sadje. Raziskava senzorjev je izvedena na osnovi teorije njihovega delovanja,

kakor tudi na ugotovitvah pri že izvedenih hladilnih sistemih z vgrajeno analizo atmosfere.

Diplomsko delo se prav tako nanaša na možnosti umestitve novih senzorjev v sistem

analize, ki jih narekujejo nove tehnologije skladiščenja, kot je dinamična kontrolirana

atmosfera. Rezultate naloge predstavlja pregled obravnavanih senzorjev s tehničnega

vidika ter osnovne algoritme za umestitve meritev v krmilne sisteme hladilnic.

V

THE SENSORS FOR THE ANALYSIS OF THE ATMOSPHERE IN WAREHOUSE COLD

STORES FOR FRUIT Key words: cooling, fruit, controlled atmosphere, control, ripening room,

oxygen, carbon dioxide, ethylene

UDK: 681.536.54 (043.2) Summary

The basic idea of this thesis is the presentation of the sensors together with their

functions and characteristics which are required for the analysis of the atmosphere in cold

stores where fruit is kept. The research of these sensors is carried out on the basis of the

theory about their functioning as well as on the basis of the findings already acquired for

the existing cooling systems with installed analysis of the atmosphere. This thesis also

presents the possibilities of introducing new sensors required by modern technologies of

keeping fruit, such as the dynamic controlled atmosphere, in the system of the analysis.

The results of the thesis are presented by the overview of the sensors treated from the

technical point of view as well as the basic algorithms for including of these measurements

in the directing systems of cold stores.

VI

VSEBINA

1. UVOD 1

2. SPLOŠNA PREDSTAVITEV HLADILNEGA SISTEMA HLADILNICE 3

3. HLADILNICE ZA SKLADIŠČENJE JABOLK 8

4. SENZORJI KISIKA 12

4.1 Paramagnetni senzor kisika 12 4.1.1 Dinamični paramagnetni senzor kisika 13 4.1.2 Termo-paramagnetni senzor kisika 15

4.2 Elektrokemijski senzorji kisika 17

4.3 Cirkonijeva celica 22

4.4 Primerjava senzorjev z vidika vgradnje v hladilnico za skladiščenje jabolk 24

4.5 Izbira tipa analizatorja kisika v sistem krmiljenja hladilnice za skladiščenje jabolk s kontrolirano atmosfero 30

5.0 SENZORJI OGLJIKOVEGA DIOKSIDA 32

5.1 Splošno o CO2 ter njegove lastnosti v skladiščnih komorah za jabolka 32

5.2 Nedisperzijski in disperzijski infrardeči senzor CO2 (NDIR in DIR) 33

5.3 Teorija delovanja NDIR senzorja CO2 34

5.4 Analizator CO2 z vgrajenim NDIR senzorjem 37

6 PRINCIP DELOVANJA DINAMIČNE KONTROLIRANE 40

ATMOSFERE PRI SKLADIŠČENJU SADJA 40

6.1 Senzorji, vključeni v tehnologijo dinamične kontrolirane atmosfere 41

6.2 Senzorji etanola 42 6.2.1 Spektrometrija in spektrometer micro LGD 42

6.3 Idejna zasnova principa krmiljenja dinamične kontrolirane atmosfere 45

7. IZVEDBA HLADILNICE S KONTROLIRANO ATMOSFERO Z NIZKO VSEBNOSTJO KISIKA (ULO) 47

7.1 Izvedba meritve in krmiljenja kontrolirane atmosfere skladiščnih komor za jabolka 48

7.2 Uporabniški del centralno nadzornega sistema kontrolirane atmosfere skladiščnih komor za jabolka 56

VII

7.3 Izvedba kalibracije analizatorjev 59

8. PRINCIP DELOVANJA ZORILNICE BANAN 61

9 SENZORJI ETILENA 65

9.1 Katalitičen senzor etilena 65

9.2 Infrardeči senzor etilena 70

9.3 Primerjava izvedb z vidika vgradnje v zorilnice banan 71

9.4 Princip krmiljenja zorenja na osnovi meritve koncentracije etilena 72

10. REZULTATI IN UGOTOVITVE KONTROLE TER ANALIZE ATMOSFERE V SKLADIŠČIH SADJA 75

11. SKLEP 79

VIRI, LITERATURA 82

1

1. UVOD

Tema diplomske naloge je bila v osnovi zastavljena s strani podjetja EHO d.o.o. v

katerem sem zaposlen v oddelku elektro projektiranja in programiranja. Podjetje se ukvarja

s projektiranjem in izvedbo hladilnih sistemov. V to skupino sodijo tudi hladilnice za

sadje. Kvalitetno skladiščenje in zorenje sadja je poleg ustreznih temperaturnih razmer

pogojeno tudi s čim boljšim nadzorom atmosfere zraka v kateri se nahaja sadje. Izvedba

nadzora atmosfere pomeni pridobiti s pomočjo ustreznih senzorjev natančne podatke o

sestavi atmosfere (podatke o koncentracijah plinov, ki odločilno pogojujejo uspešno

skladiščenje oziroma zorenje sadja). Med te pline uvrstimo predvsem kisik, ogljikov

dioksid ter etilen. Pridobljene rezultate meritev je nato potrebno vključiti v centralno

nadzorni sistem kot krmilne parametre za vgrajene elemente, ki krmilijo sestavo atmosfere

v kateri se nahaja skladiščeno sadje (nitrogenerator, adsorber, vpih svežega zraka…).

Področje raziskave naloge je tehnični pregled senzorjev za analizo koncentracij predhodno

navedenih plinov ter njihove prednosti oziroma slabosti glede umestitve v centralno

nadzorni sistem hladilnic za sadje. Prav tako se raziskava dotika algoritmov krmiljenja, ki

pogojujejo delovanje kontrole atmosfere.

Cilj raziskave je pridobiti natančnejše podatke in znanje o vrstah, delovanju in lastnostih

senzorjev, ki so vgrajeni v analizatorje. Analizatorji, ki se pojavljajo na trgu so tako po

ceni kot po kvaliteti namreč zelo različni. Poleg tega je namen raziskave poiskati

morebitne nove rešitve krmiljenja v smislu povečanja avtomatizacije in zanesljivosti

delovanja hladilnega sistema z dodano kontrolirano atmosfero.

Diplomsko delo je razdeljeno v tri sklope. Prvi sklop (poglavje 2) predstavlja splošni

opis hladilnega sistema z osnovno predstavitvijo senzorjev, ki pogojujejo krmiljenje

sistema. Drugi sklop (poglavja 3-7) se nanaša na hladilnice jabolk s poudarkom na

vgrajeno kontrolirano atmosfero z nizko koncentracijo kisika (ULO). Poglavja 4 in 5

predstavljata teorijo delovanja senzorjev koncentracij kisika in ogljikovega dioksida v

zraku ter različne pristope izvedb meritev. Poglavje 6 je namenjeno dinamični kontrolirani

2

atmosferi kot nadgradnji klasične kontrolirane atmosfere z namenom izboljšanja kvalitete

skladiščenja. Poglavje zajema tudi predstavitev senzorja etanola za meritve pri zelo

majhnih koncentracijah, ki se zahteva za delovanje takšnega sistema. Zadnje poglavje

drugega sklopa predstavlja opis izvedenega stanja sistema z osnovnimi algoritmi

krmiljenja na objektu Slovan Progres d.o.o., ki se nahaja v kraju Selenča (Srbija). Zadnji

sklop (poglavja 8 in 9) je namenjen zorilnicam banan kot specifično izvedbo hladilnice za

sadje. Zorenje banan poteka na podlagi zorilnega plina etilena kot naravnega pospeševalca

zorenja. V tem sklopu je zajet opis senzorja etilena z vidika teorije delovanja ter njegovih

značilnosti in lastnosti. Prav tako so v tem sklopu predstavljene možnosti vključitve

meritve koncentracije etilena v krmilni sistem delovanja zorilnic.

3

2. SPLOŠNA PREDSTAVITEV HLADILNEGA SISTEMA HLADILNICE

Hladilni sistem zagotavlja vzdrževanje določenih temperaturnih režimov v hladilnih

komorah hladilnice na osnovi prenosa toplote. Hladilne sisteme glede na izvedbo načina

prenosa toplote delimo v dve osnovni skupini:

• direktni hladilni sistemi,

• indirektni hladilni sistemi.

Direktni hladilni sistem deluje na osnovi kompresiranja in uparjanja hladilnega medija, ki

napolnjuje hladilni sistem. Direktni hladilni sistem je vedno napolnjen z enim hladivom

(najpogosteje freon), spreminjajo pa se njegove termodinamične lastnosti. Obravnavani

sistem sestavljajo naslednji osnovni sklopi:

• kompresor oziroma sistem kompresorjev,

• kondenzator,

• ekspanzijski ventil,

• uparjalnik oziroma sistem uparjalnikov.

Naloga kompresorja oziroma sistema kompresorjev pri večjih hladilnih sistemih je

vzdrževanje tlaka hladiva v sistemu. Izhodna stran kompresorja oziroma sistema

kompresorjev zagotavlja visokotlačne vroče pline hladiva v sistemu, ki se dovajajo na

kondenzator. Naloga kondenzatorja je utekočinjanje vročih plinov v hladilnem sistemu.

Utekočinjeno hladivo na izstopu iz kondenzatorja potuje proti hladilni komori v kateri se

nahajajo elektromagnetni ventil, ekspanzijski ventil ter uparjalnik. Naloga

elektromagnetnega ventila je dostop oziroma zapora dotoka hladiva do ekspanzijskega

ventila glede za zahtevo po hlajenju (dejanska temperatura v hladilni komori je višja od

želene temperature v hladilni komori). V kolikor obstaja zahteva po hlajenju, hladivo

priteka preko odprtega elektromagnetnega ventila do ekspanzijskega ventila, ki se nahaja

pred uparjalnikom. Naloga ekspanzijskega ventila je omogočanje ekspanzije hladiva.

4

Ekspanzija hladiva praktično pomeni, da se na izhodu iz ventila ustvari delno tekočinsko

delno plinasto stanje hladiva (megla). Hladivo v takšnem stanju potuje na uparjalnik, kjer

se dokončno upari (na tem mestu je hladivo samo še v plinastem stanju). Pri postopku

uparjanja hladivo preko lamel uparjalnika sprejme toploto iz okolice (hladilne komore), kar

predstavlja cilj izvedbe hladilnega sistema. Hladivo iz uparjalnika kompresor zopet posesa

s čimer se zaključi krog delovanja hladilnega sistema. Shematsko je direktni hladilni

sistem predstavljen na naslednji sliki:

Slika 2.1: Shema direktnega hladilnega sistema

Indirektni hladilni sistem je sestavljen iz dveh ločenih hladilnih krogov in s tem tudi

dveh ločenih hladilnih medijev. Primarni del indirektnega hladilnega sistema dejansko

predstavlja sistem direktnega hladilnega sistema z razliko, da v tem primeru namesto

hlajenja zraka v hladilni komori hladimo sekundarno hladivo preko vgrajenega

izmenjevalca toplote. Kot sekundarno hladivo se navadno uporablja mešanica vode in

propilen glikola ali vode in etilen glikola. Sekundarno hladivo se ohlajuje na želeno

temperaturo s pomočjo prenosa toplote od primarnega hladiva in se akumulira v

akumulatorju hladilne mešanice. Hladilna komora pri indirektnem hladilnem sistemu je

opremljena s hladilno baterijo (dejansko zelo podobna uparjalniku direktnega hladilnega

sistema, vendar je ime uparjalnik neustrezno, saj se v njej ne vrši uparjanje), ki prav tako

preko njenih lamel odvzema toploto iz prostora.

Za zagotavljanje in regulacijo pretoka sekundarnega hladiva skozi hladilno baterijo se v

bližino hladilne baterije namesti črpalčni sklop, ki je običajno sestavljen iz:

• črpalke hladilne mešanice,

• tropotnega ventila hladilne mešanice,

• temperaturnega tipala hladilne mešanice in

• bojlerja z grelcem hladilne mešanice za odtaljevanje hladilne baterije.

KONDENZATOR

KOMPRESOREKSPANZIJSKIVENTIL

UPARJALNIK

HL. KOMORA

5

V kolikor se pojavi zahteva po hlajenju hladilne komore, je potrebno vključiti črpalko

hladilne mešanice in odpreti ventil za zagotavljanje pretoka skozi hladilno baterijo. Boljšo

regulacijo temperature je mogoče doseči z uporabo regulacijskega tropotnega ventila in

temperaturnega tipala hladilne mešanice. Sekundarno hladivo na ta način odvzema toploto

preko lamel hladilne baterije in ohlajuje prostor. Seveda se na ta račun ogreva. Za ustrezno

hlajenje sekundarnega hladiva pa skrbi regulacija na podlagi izmerjene temperature v

akumulatorju hladilne mešanice, ki vključuje primarni del indirektnega hladilnega sistema.

Shematsko je direktni hladilni sistem predstavljen na naslednji sliki:

Slika 2.2: Shema indirektnega hladilnega sistema

Vgradnja senzorjev v hladilne sisteme je osnovna tema te diplomske naloge. Iz

opisanih osnovnih principov izdelave hladilnih sistemov razberemo, da se v praktično vsak

sistem vgrajujeta naslednja dva senzorja:

• temperaturni senzor,

• tlačni senzor.

Temperaturni senzor je vedno osnova za krmiljenje elementov hlajenja v posamezni

hladilni komori, saj se hlajenje vključuje na osnovi izmerjene temperature v odnosu do

nastavljene želene temperature. V praksi se v veliki večini uporablja PT100 ali NTC tip

temperaturnega senzorja. Senzorja spadata v skupino uporovnih senzorjev. Na tržišču je

moč najti veliko proizvajalcev teh senzorjev. Njihove osnovne karakteristike s stališča

vgradnje v hladilni sistem so več ali manj zelo podobne, tako da se odločitev o izbiri

senzorjev nanaša predvsem na osnovi cen, zanesljivosti delovanja, izkušenj v praksi in

logističnih možnosti med ponudnikom in uporabnikom. Osnovne karakteristike senzorjev

REZERVOAR HL. BATERIJA

HL. KOMORA

TIC

KONDENZATOR

KOMPRESOR EKSPANZIJSKIVENTIL

TOPL. PRENOSNIK

Č BT

6

enega izmed proizvajalcev (Carel, Italija), ki je prisoten na našem tržišču so prestavljene v

naslednji preglednici:

Preglednica 2.1: Osnovni parametri temperaturnih senzorjev v hladilnem sistemu

Tip senzorja Temp. območje

delovanja (°C)

Natančnost Časovna

konstanta (s)

IP zaščita

NTC -50/+150 25°C: ±1% 75 (v zraku) 67

PT100 -50/+250 *po IEC751 razred B 75 (v zraku) 65

* vir [11].

Osnovni parameter, ki pogojuje izbiro temperaturnega senzorja je natančnost, ostali

parametri pa praktično presegajo zahteve, ki jih pogojuje hladilni sistem. Temperaturno

območje ni vprašljivo, prav tako ne časovna konstanta saj gre ob delovanju hladilnega

sistema za precej konstantne temperaturne pogoje in zelo hitri časovni odziv ni nujno

potreben. Dodatno pozornost velja polagati na IP zaščito, ker se tipala velikokrat

nameščajo tudi v vlažnih prostorih. Glede natančnosti je senzor tipa PT100 bolj natančen

od senzorja NTC, poleg tega se na trgu pojavlja veliko vrst NTC senzorjev, katerih

temperaturno/uporovne karakteristike so zelo različne, kar pomeni da med različni

proizvajalci merilne tehnike niso vedno kompatibilni. Zaradi boljših karakteristik senzorjev

PT100 (predvsem natančnosti) ter dejstvu, da so lastnosti tega senzorja določene s

standardom IEC751, se v praksi teži k uporabi teh senzorjev in so praktično v vseh večjih

sistemih tudi uporabljeni. Kljub vsemu pa se glede na cenenost senzorjev NTC predvsem v

manjših sistemih uporabljajo tudi le-ti. Dejstvo, da je razpon delovnega merilnega območja

majhno (temperatura v hladilni komori se ob delovanju sistema spreminja v območju 5-

7K), ter z izvajanjem periodičnih kalibracij merilnih zank se lahko tudi s tem senzorjem

izvede zadovoljiv merilno-regulacijski sistem.

Tlačni senzor je osnova za krmiljenje obremenitve kompresorja (ali kompresorjev v

kolikor jih je v sistemu več) in ventilatorjev zračnega kondenzatorja. Tlačni senzorji

aplikacij v hladilništvu so izvedeni na osnovi meritev upornosti membrane, ki je

izpostavljena tlaku v sistemu. Tudi na tem področju je prisotno precej proizvajalcev teh

senzorjev. Njihove osnovne karakteristike so zelo podobne. Osnovne karakteristike

tipičnega predstavnika tlačnega senzorja (proizvajalec Carel, Italija) so prikazane v

naslednji preglednici:

7

Preglednica 2.2: Osnovni parametri tlačnih senzorjev v hladilnem sistemu

Tip senzorja Območje

delovanja (bar)

Natančnost Časovna

konstanta (s)

IP zaščita

SPKT -0,5/7 ±4% fs* <10 65

*fs = full scale (celotno merilno območje)

Z ozirom na dejstvo, da se senzorji temperature in tlaka vgrajujejo že dolgo časa v hladilne

sisteme, so preizkušeni in izpolnjujejo zahteve, ki jih ustvarja hladilni sistem v katerega so

vgrajeni. Diplomska naloga zato ne zajema podrobnejših opisov principov delovanja,

karakteristik in lastnosti. V tem poglavju so predstavljeni predvsem z vidika prisotnosti v

hladilnem sistemu ter osnovnimi lastnostmi za vgradnjo le-teh v takšne sisteme. V

nadaljevanju bodo natančneje predstavljeni senzorji, ki nastopajo pri specifičnih izvedbah

hladilnic.

8

3. HLADILNICE ZA SKLADIŠČENJE JABOLK

Hladilnice za skladiščenje jabolk so specifična vrsta hladilnic. Uspešno in dolgotrajno

skladiščenje jabolk zahteva vzpostavljanje specifičnih atmosfer v komorah, kjer so jabolka

skladiščena.

Poleg pravilno projektiranega hladilnega sistema je za dolgotrajno skladiščenje jabolk

potrebno zagotavljati atmosfero z nizko vsebnostjo kisika in ogljikovega dioksida. Meje

vsebnosti kisika in ogljikovega dioksida v atmosferi skladiščne komore so zelo ostro

določene. Prekoračitev le-teh lahko katastrofalno vpliva na kvaliteto jabolk, ki se

skladiščijo v njej. Zaradi tega je v sistemu hladilnice za skladiščenje jabolk zelo

pomembna meritev kisika in ogljikovega dioksida na podlagi katerih se zagotavlja ustrezna

atmosfera zraka v komorah. Poleg tega se pojavljajo vedno novi načini kako jabolka

uspešno skladiščiti čim dlje s čim manjšo izgubo kvalitete na sadežih. Eden izmed njih

(dinamična kontrolirana atmosfera) je predstavljen tudi v nadaljevanju te naloge. Glavni

problem izvedbe dinamične kontrolirane atmosfere je predvsem tehnološka izvedba

meritev določenih vrst plinov (etanol, acetat aldehid), ki nastajajo v skladiščni atmosferi in

so pokazatelji začetka nezaželenih sprememb na skladiščnih sadežih. Problem se ne

pojavlja v smislu načina detekcije teh plinov temveč v dejstvu, da jih je potrebno zaznati in

izmeriti v zelo nizkih koncentracijah (velikostni razred ppb).

Skladiščenje jabolk zahteva vzdrževanje temperaturnega režima v skladiščnih komorah

od 0,5°C do 2,5°C (odvisno od sorte jabolka) ter relativno vlažnost nad 90%. Izkušnje so

pokazale, da zagotavljanje teh parametrov najuspešnejše dosegamo z izvedbo indirektnih

hladilnih sistemov. Indirektni hladilni sistem, katerega osnovne lastnosti so že opisane v 2.

poglavju ima prednost pred direktnim sistemom predvsem zaradi naslednjih lastnosti:

• natančnejše nastavitve temperatur izpihanega zraka iz hladilne baterije,

• zagotavljanja boljših razmer glede relativne vlažnosti (z intenzivnejšim hlajenjem

se iz prostora odvzema vlaga),

9

• večje zanesljivosti delovanja,

• ker so ti sistemi navadno večjih kapacitet, izvedba direktnega hladilnega sistema

pomeni večji strošek na račun velike količine potrebnega hladiva. Pri indirektnih

hladivih to hladivo nastopa le kot primarno hladivo.

Poleg ustreznih temperaturnih pogojev ter pogojev glede relativne vlažnosti sodobno

skladiščenje jabolk zahteva tudi zagotavljanje kontrolirane atmosfere z nizko vrednostjo

kisika (orig. ULO – ultra low oxygen). Zagotavljanje kontrolirane atmosfere pomeni stalno

uravnavanje vsebnosti kisika in ogljikovega dioksida v skladiščni komori. To je pogojeno z

ustrezno meritvijo koncentracij navedenih plinov.

Postopek skladiščenja zahteva vzpostavitev kontrolirane atmosfere po ohladitvi pravkar

vskladiščenih jabolk. Komore je potrebno plinotesno zapreti, nato sledi postopek

odstranjevanja kisika iz skladiščne komore. V ta namen se poslužujemo generatorja dušika,

ki izpodrine kisik iz komore in na ta način zniža vsebnost kisika na okoli 4%. Po doseženi

vsednosti 4% kisika sledi postopek stalnega vzdrževanja primerne koncentracije kisika in

ogljikovega dioksida, ki traja ves nadaljnji čas skladiščenja (do 240 dni). Pri tem se v

skladiščni komori povečuje vrednost ogljikovega dioksida ter zmanjšuje vrednost kisika.

Za skladiščenje jabolk znaša primerna koncentracija kisika od 1% do 2%, ogljikovega

dioksida pa od 1,5% do 2,0%. Za dosego takšnih vrednosti je potrebno iz komore

odstranjevati ogljikov dioksid ter po potrebi dodajati kisik. Odstranjevanje ogljikovega

dioksida iz skladiščne komore dosežemo z napravami, ki delujejo na principu vezave le-

tega na aktivno oglje. Naprave, ki se uporabljajo s tem imenom se imenujejo separatni

odstranjevalci (adsorberji, scruberji). Kisik dodajamo v komoro s pomočjo vpiha

zunanjega zraka z ventilatorjem. Za pravilno delovanje naštetih naprav je potreben

kvaliteten mikroprocesorski krmilni sistem, ki je v večini primerov vezan na računalniški

nadzorni sistem. Pomemben del krmilnega sistema sta senzorja kisika in ogljikovega

dioksida, ki nam dajeta podatek o trenutni sestavi atmosfere v skladiščni komori. Podatki o

koncentracijah se preko senzorjev prenašajo v mikroprocesorski krmilnik v obliki

napetostnega ali tokovnega signala. Te analogne signale krmilnik nato digitalizira.

Elemente, ki omogočajo vzpostavitev kontrolirane atmosfere blokovno prikazuje naslednja

slika:

10

Slika 3.1: Elementi za vzpostavitev kontrolirane atmosfere

Senzorja kisika in ogljikovega dioksida sta vgrajena v stikalni blok, ki je v večini primerov

skupen za vse komore hladilnice. Rešitev sistema le s po enim senzorjem omogoča dejstvo,

da lahko vzorčenje atmosfere iz posamezne komore poteka intervalno, saj gre v komorah

za počasne spremembe atmosfere. Cevke za zajem vzorcev atmosfere vodimo iz

posamezne komore do posebnega razdelilca z vzorčevalnimi ventili, ki jih sekvenčno

vključujemo. S pomočjo mikroprocesorskega krmilnika v nastavljenih časovnih intervalih

zaporedoma vključujemo vzorčevalne ventile in na ta način zajemamo podatke o atmosferi

v posameznih komorah. Velikost in število generatorjev dušika ter adsorberjev ogljikovega

dioksida se izbira glede na število in velikost hladilnih komor. Podobno kot pri analizi

atmosfere je tudi v tem primeru smiselno izbrati en adsorber za večje število komor ter s

programskim algoritmom določiti sekvenčno delovanje adsorberja na posamezno komoro.

Iz naslednje slike je poleg adsorberja ogljikovega dioksida razviden razdelilec z ventili za

adsobiranje iz posamezne komore.

Slika 3.2: Adsorber ogljikovega dioksida z ventili posamezne komore

ANALIZATOR O IN CO2 2

HL. KOMORA

ADSORBER CO2 UPIH O2GENERATOR DU IKAŠ

11

Predhodno navedene vrednosti vsebnosti kisika in ogljikovega dioksida v skladiščni

atmosferi veljajo splošno za skladiščenje jabolk. Ker je tendenca pri skladiščenju dosegati

čim daljše roke skladiščenja brez ali z minimalnim upadom kvalitete na skladiščenih

sadežih, se natančne vrednosti koncentracij za vzdrževanje kontrolirane atmosfere določajo

posamezno glede na sorto jabolk, ki se skladiščijo. Preglednica 3.1 je povzeta po

predavanju dr. Hribarja z biotehniške fakultete na temo PROBLEMI PRI OBIRANJU IN

SKLADIŠČENJU SADJA in velja kot priporočilo za optimalno vzpostavitev pogojev

skladiščenja jabolk.

Preglednica 3.1: Priporočeni pogoji skladiščenja posameznih sort jabolk

sorta jabolk temperatura (°C) O2

(%) CO2

(%) idared +1 1,5 1,5

jonagold +1 1,3 1,5 zlati delišes +0,5 1,3 1,5

gloster 01 1,5 1,5 elstar +1,5 1,5 1,5 gala +0,5 1,7 1,7

melrose +1,5 1,5 1,5 jonatan +2 2,5 2

breaburne +1 1,3 1,5 mutsu +0,5 1,3 1,5

fuji +0,5 1,3 1,5

Namen tega poglavja je predstavitev zahtev in vlog, ki jih imajo senzorji analize zraka v

hladilnici jabolk z vgrajeno kontrolirano atmosfero. Dejstvo je, da pravilna meritev

parametrov skladiščne atmosfere z ustrezno izvedbo kontrole nad njimi direktno vpliva na

čas skladiščenja in minimalen upad kvalitete sadežev zaradi skladiščenja. Povedano

drugače, nenatančna meritev lahko povzroči veliko ekonomsko škodo na račun

nekvalitetnega produkta.

Izbira ustreznih senzorjev, ki so vključeni v sistem analizatorjev atmosfere v skladiščnih

komorah je zelo pomembna. Zato so v naslednjih dveh poglavjih teoretično predstavljeni

principi izvedb senzorjev kisika in ogljikovega dioksida z opisi delovanj in glavnimi

karakteristikami. Na podlagi tega je potrebno ugotoviti njihovo ustreznost glede umestitve

v sistem hladilnice jabolk.

12

4. SENZORJI KISIKA

Vse pogostejše zahteve po meritvah koncentracij kisika v industriji in medicini so

povzročile precejšen razvoj na področju senzorjev, ki se odraža v različnih izvedbah

senzorjev za detekcijo kisika. Za optimalno izbiro senzorja kisika v določeno aplikacijo je

potrebno upoštevati zahteve za meritev v odnosu z lastnostmi senzorja. Med osnovne

lastnosti senzorja spadajo merilno območje, natančnost, odzivni čas, način meritve ipd.

Glede na karakteristike atmosfere v skladiščnih komorah za trajno skladiščenje jabolk, ki

so predstavljene v 3. poglavju lahko določimo osnovne parametre, katerim mora zadostiti

senzor, da ga lahko umestimo v sistem hladilnice za skladiščenje jabolk.

Osnovni parametri so:

• delovno merilno območje pri zelo majhnih koncentracijah (1-2%). Maksimalna

koncentracija, ki ji je senzor lahko izpostavljen je koncentracija kisika v zraku

(20,9%),

• velika natančnost senzorjev pri malih koncentracijah. (kot je razvidno iz

preglednice 3.1)

• meritev se vedno izvaja v plinastem mediju,

• zahteve po hitrem časovnem odzivu niso velike,

• atmosferski pogoji (temperatura, relativna vlaga, tlak) medija v katerem se izvaja

meritev koncentracije kisika so zelo stabilni.

4.1 Paramagnetni senzor kisika

Paramagnetiki so snovi, ki imajo relativno magnetno permeabilnost malo večjo od 1 ter

imajo zato pozitivno magnetno susceptibilnost. Smer magnetizacije paramagnetne snovi je

v smeri zunanjega polja in se zato polje v prisotnosti takšne snovi malenkostno ojači.

13

Po izločitvi paramagnetne snovi iz magnetnega polja te snovi nimajo več nobenega

remanentnega magnetizma in se po tej lastnosti bistveno razlikujejo od feromagnetikov.

Kisik spada v majhno skupino plinov, ki posedujejo paramagnetne značilnosti. Izmed vseh

takšnih plinov ima ravno kisik daleč najvišjo stopnjo paramagnetnosti (nekaj 100-krat višjo

od ostalih plinov). To dejstvo je uporabljeno kot princip delovanja paramagnetnih

senzorjev kisika. Vzrok za paramagnetne lastnosti izhaja iz dejstva, da sta dva elektrona na

zunanji lupini molekule neparna, kar povzroča magnetno asimetrijo molekule.

4.1.1 Dinamični paramagnetni senzor kisika

Dinamični paramagnetni senzor spada med mehansko najobčutljivejše izvedbe senzorjev,

saj je zaradi gibljivih mehanskih delov zelo občutljiv na tresljaje in ravnovesno lego.

Senzor deluje na podlagi paramagnetnih lastnosti kisika. Senzor je zelo natančen in se v

praksi uporablja predvsem kot etalon delovnim senzorjem kisika.

Slika 4.1: Shematski prikaz zgradbe dinamičnega paramagnetnega senzorja kisika [1]

Tipalni del senzorja shematsko predstavlja levi del slike 4.1. V merilni komori sta

nameščena dva para magnetnih polov, ki ustvarjata magnetno polje v njej. V to magnetno

14

polje sta nameščeni dve diamagnetni kroglici napolnjeni z dušikom, ki sta pritrjeni na

skupno letvico. Letvica s kroglicami je vodoravno pritrjena na navpični torzijski trak, ki je

izdelan iz platine. Na sredini letvice z dušikovimi kroglicami je nameščeno majhno

ogledalo na katerega je centriran svetlobni žarek. Okoli letvice je navita tuljavica.

Princip delovanja je naslednji: v primeru, da vzorčni plin v merilni komori vsebuje

kisikove molekule le-te zaradi svoje paramagnetnosti privlači močnejše magnetno polje v

merilni komori. Posledica tega je odklon diamagnetnih kroglic in zrcala pritrjenega na

torzijskem traku. Odklon je premo sorazmerno odvisen od koncentracije kisika v merilni

komori. Naloga senzorja je sedaj pretvorba odmika letvice v električni signal. Rešitev je

izvedena s pomočjo svetlobnega vira, zrcala ter dveh fotocelic. Ničelno pozicijo senzorja

predstavlja situacija kadar v merilni komori ni prisotnih molekul kisika. Takrat je pozicija

svetlobnega izvora, zrcala ter para fotocelic takšna, da na fotocelici ne pada žarek svetlobe.

Ob prisotnosti molekul kisika v merilni komori senzorja pa pride do odklona zrcala.

Posledica odklona je sprememba odboja žarka in s tem osvetlitev ene izmed fotocelic.

Diferenčni izhod iz para fotocelic je ojačan s pomočjo ojačevalnika in pripeljan na

tuljavico, kar povzroči magnetno polje. Smer magnetnega polja tuljavice ustvarja nasprotni

moment odklonu, ki ga povzročajo molekule kisika. Naloga ojačevalnika je regulacija

tokovnega ojačanja na nivo, da se ustvari v tuljavici nasprotni moment, ki vrne zrcalce in s

tem svetlobni žarek v ničelno lego. Tok, ki povzroči nasprotni moment je premo

sorazmeren momentu, ki vrne sistem v ničelno lego in posledično premo sorazmeren

koncentraciji kisika v merilni komori senzorja.

Opis delovanja senzorja nakazuje, da je le-ta zelo občutljiv na mehanske sunke in

vibracije, zato je senzor uporaben predvsem v laboratorijskih aplikacijah. Odlikujeta ga

dobra linearnost, velika občutljivost in natančnost. Za dosego teh lastnosti pa je potrebna

ustrezna kalibracija, ki se vrši na dveh nivojih:

• mehanska kalibracija (ZERO kalibracija) se izvaja pod pogojem, da v merilni

komori ni prisotnosti kisika. Postopek omogoča mehansko nastavitev odklonskega

sistema v ničelno lego pri ničelnih pogojih,

• elektronska kalibracija (kalibracija ojačanja zanke) se izvaja ob prisotnosti

kalibracijskega plina (plina z znano vrednostjo kisika) v merilni komori senzorja. Z

nastavitvijo ojačanja povratne zanke, ki krmili odklonsko tuljavico je potrebno

15

nastaviti ničelno lego odklonskega sistema ob prisotnosti kalibracijskega plina, kar

nam dejansko določa naklon merilne premice senzorja.

Kombinacija mehanske in elektronske kalibracije nam torej v celoti določa odvisnost toka

(tok skozi tuljavico, ki povzroča držanje sistema v ničelni legi) od koncentracije kisika v

merilni komori senzorja.

4.1.2 Termo-paramagnetni senzor kisika

Bolj robustno oziroma industrijsko aplikacijo paramagnetnih senzorjev kisika predstavlja

termo-paramagnetni senzor kisika (dejansko ta tip senzorja proizvajalci pogosteje navajajo

pod originalnim nazivom magnetic wind senzor). Ta tip senzorja še vedno izkorišča dobre

lastnosti paramagnetnosti kisika (linearnost), vendar je povsem drugačen princip

delovanja. Delovanje namreč ni izvedeno v dinamični obliki, kar poveča robustnost

senzorja in ga zato lahko umestimo v industrijsko okolje, vendar na račun malo slabših

karakteristik senzorja v primerjavi z dinamično izvedbo.

Senzor izkorišča dejstvo, da se z dviganjem temperature kisikovih molekul občutno

zmanjšajo paramagnetne lastnosti le-teh.

Slika 4.2: Shematski prikaz zgradbe termo-paramagnetnega senzorja kisika [2]

Zgornja shema predstavlja princip meritve koncentracije kisika s termo-paramagnetnim

senzorjem. Tipalni del senzorja predstavlja merilna komora v obliki obroča s prečno

16

cevčico. Okoli prečne cevčice sta naviti dve grelni žici, ki tvorita dva kraka

Wheatstonovega mostiča. Polovica prečne cevčice je izpostavljena močnemu magnetnemu

polju, ki ga tvorimo s trajnim magnetom, ki obkroža cevčico. Na ta način se v prečni

cevčici tvori nehomogeno magnetno polje.

Princip analize prisotnosti kisika poteka po naslednjem principu: plin, ki ga analiziramo

potuje po levem in desnem kraku merilne komore. Molekule kisika, ki potujejo po levem

kraku merilne komore vstopajo v prečno cevčico, saj jih zaradi paramagnetnih lastnosti

molekul kisika privlači magnetno polje, ki ga ustvarjata trajna magneta. Mesto, kjer se

koncentrirajo kisikove molekule je ogrevano z predhodno opisanima grelnima žicama, ki

slabita paramagnetne lastnosti ogretih kisikovih molekul. Posledično nove kisikove

molekule, ki so še hladne in jih privlači magnetno polje izpodrinejo ogrete molekule

(katere so skoraj izgubile paramagnetne lastnosti) in jih potisnejo po prečni cevčici naprej

proti desnemu kraku merilne komore. Ta proces ustvarja pretok molekul kisika po prečni

cevčici merilne komore, ki je v izrazoslovju proizvajalcev senzorjev poznan kot magnetni

veter (magnetic wind). Ta pretok molekul povzroča zmanjševanje temperatur grelnih žic

saj molekule kisika absorbirajo toploto in jo odvedejo s seboj po prečni cevčici.

Zmanjšanje temperature je linearno odvisno od pretoka molekul kisika skozi prečno

cevčico merilne komore in posledično odvisno od koncentracije molekul kisika prisotnih v

analiziranem vzorcu plina, ki priteka v merilno komoro.

Grelni žici sta izdelani iz temperaturno odvisnega materiala, zato sprememba temperature

le-teh povzroči spremembo upornosti. Ker sta vezani v sklop Wheatstonovega mostiča

dobimo kot rezultat odklon iz ravnovesne lege mostiča. Odklon mostiča je odvisen od

koncentracije molekul kisika, ki so prisotne v merilni komori.

Uravnoteženje Wheatstonovega mostiča v ničelno lego se izvede v kolikor zagotovimo, da

v merilni komori senzorja ni prisotnega kisika (najpogosteje se to izvede z dovodom

dušika v merilno komoro).

Glede na zgradbo senzorja in že navedene paramagnetne lastnosti kisika ima senzor nekaj

omejitev oziroma slabosti:

• temperatura grelnih žic je odvisna od temperaturne prevodnosti plina, ki se vzorči.

Zaradi tega je potrebna kalibracija ob vzorčenju različnih zmesi plinov oziroma

zraka. V kolikor se sestava zraka močno spreminja med samim vzorčenjem, je

meritev s tem tipom senzorja lahko netočna,

17

• hidrokarbonske pare prav tako reagirajo na magnetno polje in grelno žico ter s tem

povzročajo pri meritvi podoben pojav kot kisik. Prisotnost hidrokarbonskih par

zatorej povzroča odstopanja,

• princip merilne komore zahteva natančno horizontalno namestitev senzorja, saj se

drugače pojavi pretok skozi prečno cevčico zaradi gravitacijskega učinka in s tem

povzroča netočnost meritve.

4.2 Elektrokemijski senzorji kisika

Elektrokemijski senzorji kisika delujejo na principu pretvorbe kemične energije v

električno. Podobno se to dogaja pri bateriji. Osnovna razlika med delovanjem senzorja in

baterije je mesto, kjer je kemična energija shranjena. Pri bateriji je le-ta shranjena znotraj

same baterije, medtem ko se pri senzorju dovaja od zunaj. Količina dovedene zunanje

kemične energije je proporcionalna izhodni električni veličini senzorja.

Senzor praktično predstavlja galvanski člen kovina-zrak, kjer je del kemične energije

shranjen v samem senzorju, medtem ko se reaktant (v tem primeru kisik) dovaja iz okolja,

v katerem je senzor nameščen.

Senzor je zgrajen iz treh osnovnih komponent: anode, katode in elektrolita. Katoda

predstavlja tipalno komponento senzorja oziroma mesto na katerega se dovaja kisik. Kisik

ima na tem mestu funkcijo reaktanta, ki ob prisotnosti elektrolita v senzorju sproži

naslednjo kemijsko reakcijo:

−− >−−−++ OHOHOe 424 22 (4.1)

Iz zgornje kemijske enačbe je razvidno, da se ob stiku molekule kisika s katodo senzorja

ob prisotnosti dveh molekul vode iz elektrolita tvori kemična reakcija v katerih nastanejo 4

hidroksidni ioni (4OH-) z negativnim električnim nabojem. Ti ioni tečejo preko elektrolita

do svinčene anode, kjer se sproži med ioni in svincem naslednja oksidacijska enačba:

−−− ++>−−−+ eOHHPbOOHPb 42262 22 (4.2)

18

Rezultat oksidacijske reakcije je pretok elektronov, ki je proporcionalen koncentraciji

kisika na katodi senzorja in se izmeri z zunanjim merilnim tokokrogom. Merilni tokokrog

je priključen na elektrodi senzorja.

Končni rezultat reakcij, ki se tvorijo na katodi in anodi senzorja ob prisotnosti elekrolita je

naslednji:

−− >−−−++ HPbOOHOPb 22 222 (4.3)

Iz končne kemične reakcije je razvidno, da ima element specifičen odziv ob prisotnosti

kisika. Predpogoj je, da v vzorčnem plinu, ki ga analiziramo ni prisotnih zmesi, ki bi

omogočile oksidacijo svinčeve anode. V to skupino spadajo halogeni elementi (jod, brom,

klor in flor).

Shematski princip izvedbe galvanskega senzorja predstavlja naslednja slika:

Slika 4.3: Shematski prikaz zgradbe elektrokemijskega senzorja kisika [3]

Merilna komora senzorja skozi katero se zagotovi pretok vzorčnega plina je ločena od

galvanskega dela s porozno membrano. Skozi membrano lahko prodirajo molekule kisika.

Membrana je pri večini senzorjev izvedena iz teflona. Elektrodi sta izvedeni iz različnih

materialov. Katoda je navadno prevlečena z eno izmed žlahtnih kovin (navadno zlato ali

srebro), anoda je narejena iz svinca. Lastnost anode je ta, da se s tvorjenjem predhodno

opisanih kemijskih reakcij troši. Iz obeh elektrod sta izvedena priključka za priključitev

19

merilnega kroga s katerim merimo tok elektronov. Tok elektronov je proporcionalen

koncentraciji kisika v merilni komori senzorja.

Realizacija meritve: Odvisnost izhodnega električnega signala senzorja od koncentracije

kisika v merilni komori senzorja je prikazana na naslednjem diagramu in ima naslednji dve

dobri lastnosti kar se tiče izvedbe meritve – ničelno točko in linearnost.

Slika 4.4: Odvisnost izhodnega signala od koncentracije kisika v merilni komori

elektrokemijskega senzorja kisika [1]

Ničelna točka in linearna odvisnost senzorja omogočata preprosto eno-točkovno

kalibracijo senzorja. Izbiro vrednosti pri kateri se izvede kalibracija je potrebno določiti

glede na merilno območje senzorja. Potrebno jo je izbrati čimbolj proti zgornji meji

merilnega območja, saj s tem zmanjšamo pogreške naklona ob kalibraciji.

Kot zelo poceni in tudi dovolj natančna referenca se najpogosteje uporabi kar zunanji zrak,

saj ima le-ta zelo stabilno koncentracijo (20,945%) po vsej zemeljski obli, vendar le pri

senzorjih z merilnim območjem 25%, ki je eno izmed standardnih območij senzorja. V

kolikor imamo senzor z merilnim območjem do 100% je kalibracija z zunanjim zrakom

neprimerna, saj izvedemo kalibracijo na približno 1/5 celotnega merilnega območja.

Posledica tega je, da se pogrešek, ki nastane ob kalibraciji multiplicira pri zgornjih

20

vrednostih merilnega območja. V navedenem primeru se v območju blizu 100% vrednosti

poveča približno za 5x, glede na to, da smo kalibracijo izvedli nekje na 1/5 merilnega

območja. V primeru, da senzor pokriva območje od 0-100% je potrebno kalibracijo izvajati

s pomočjo 100% koncentracije kisika iz jeklenke.

Pri kalibraciji senzorja z merilnim območjem 0-25% je kalibracija z zunanjim zrakom

smiselna, saj se nahajamo na približno 84% celotnega merilnega območja in s tem

pogreške pri kalibraciji zelo zmanjšamo. Kot je razvidno iz predhodnega opisa kalibracije

merimo koncentracijo kisika v procentih na volumsko enoto. Pri tem je potrebno

upoštevati dejstvo, da je ta tip senzorja občutljiv na parcialni tlak kisika v vzorčenem plinu.

Zato je odčitana vrednost smiselna le v kolikor se tlak vzorčnega plina ne spreminja.

Spodnja slika shematsko prikazuje, kako izhodni signal senzorja narašča, če narašča tlak v

merilni komori senzorja.

Slika 4.5: Odvisnost izhodnega signala od tlaka vzorčenega plina [1]

Dejstvo, prikazano na zgornji sliki lahko razložimo s pomočjo Daltonovega zakona o

parcialnih tlakih. Omenjeni zakon govori o tem, da je tlak, ki ga povzroča zmes plinov

21

enak vsoti tlakov posameznih plinov, ki to zmes sestavljajo. To v primeru zraka v

zemeljski atmosferi pomeni:

....22 ++++= NeArNOzraka PPPPP (4.4)

Ker je prispevek žlahtnih in ostalih plinov v zraku manjši kot 1% lahko za praktične

izračune upoštevamo naslednjo poenostavljeno enačbo:

22 NOzraka PPP += (4.5)

Iz enačbe sledi, da je dejansko v zraku razmerje parcialnih tlakov kisika in dušika 0,209

proti 0,760, oziroma 20,9% kisika, kar izmerimo tudi s senzorjem ob normalnem zračnem

tlaku.

V kolikor tlak iste zmesi plina povečamo (npr. 2-kratno kot prikazuje slika 4.5), se

razmerje plinov ne spremeni, temveč samo oddaljenost posameznih molekul med seboj. Ta

lastnost ima za posledico, da je pri meritvi v takšnih razmerah povečano število molekul

kisika na volumsko enoto (glede na sliko 3.5 dvakrat več) in dejansko na izhodu iz

senzorja dobimo ustrezno povečan rezultat meritve. V kolikor se torej izvajajo meritve pri

različnih tlakih je potrebno pri meritvi upoštevati razmerje med tlakom na katerem je

senzor umerjen in dejanskim tlakom pri izvajanju meritve.

Naslednji parameter, ki ga je potrebno upoštevati ob izvajanju meritve s elektrokemijskim

senzorjem je temperatura. Kot je že bilo rečeno je količina molekul kisika, ki dosežejo

katodo senzorja odvisna od difuzije le-teh skozi merilno membrano.

Ker je vsak proces difuzije temperaturno odvisen je prav tako tudi v tem primeru in ga ne

smemo zanemarjati, saj znaša 2,5%/°C.

Naslednja slika prikazuje rešitev problema temperaturne odvisnosti z uporabo termistorja z

negativnim temperaturnim koeficientom. Na ta način dobimo izhodni signal, ki je odvisen

le od koncentracije kisika v merilni komori.

22

Slika 4.6: Odvisnost izhodnega signala od temperature in izvedba temperaturne

kompenzacije [1]

4.3 Cirkonijeva celica

Cirkonijevo celico kot element za detekcijo kisika predstavlja cevčica iz cirkonijevega

oksida, ki je na eni strani zaprta. Shematska zgradba senzorja je prikazana na sliki 4.7.

Slika 4.7:Shematski prikaz zgradbe cirkonijeve celice[4]

23

Pol zaprta cevka je narejena iz cirkonijevega oksida in je na zunanji in notranji strani

prevlečena z poroznimi kovinskimi elektrodami. Kovinski elektrodi sta običajno izvedeni

iz platine.

Senzor izkorišča lastnost cirkonija, ki pri temperaturah nad 400°C postane prevoden za

kisikove ione. Rezultat te prevodnosti se odraža v napetosti, ki se generira med

elektrodama. Potencial te napetosti je odvisen od razlike parcialnega tlaka kisika v plinu, ki

se vzorči (običajno se vzorčeni plin dovaja na zunanjo stran cirkonijeve celice) ter

parcialnega tlaka kisika referenčnega plina (najpogosteje se uporablja kar zunanji zrak in

se dovaja na notranjo stran cirkonijeve celice.

Vrednost potenciala izhodne napetosti cirkonijeve celice se določi po Nernstovi enačbi:

2

1log4

303,2

P

P

F

TRU izh ⋅

⋅⋅= (4.6)

kjer je

R – splošna plinska konstanta (R = 8,314472(15) J K-1 mol-1),

T – absolutna temperatura celice v stopinjah Kelvina,

F – Faradayeva konstanta (9,648 534 15(39) · 104 C mol-1),

P1 – parcialni tlak kisika na referenčni strani (navadno tlak kisika v zraku)

P2 – parcialni tlak kisika v vzorčenem plinu.

Iz enačbe je razvidno, da v kolikor sta obe strani senzorja izpostavljeni isti zmesi zraka je

izhodna napetost senzorja enaka nič (log1=0). Princip delovanja senzorja predstavlja dobre

pogoje za izvedbo primerjalnih meritev med referenčnim plinom in vzorcem, ki ga

merimo. Referenčna elektroda je namreč negativna glede na vzorčeno elektrodo v primeru

višje koncentracije kisika v vzorcu in pozitivna v primeru nižjih koncentracij kisika v

vzorcu glede na referenco.

Izhodna napetost cirkonijeve celice znaša 45mV/dek in je na izhodu pretvorjena v enega

od tipičnih merilnih signalov, ki se uporabljajo v merilnih zankah (0..1V, 4..20mA).

24

4.4 Primerjava senzorjev z vidika vgradnje v hladilnico za skladiščenje jabolk

V nadaljevanju so navedeni tehnični podatki analizatorjev kisika z vgrajenimi različnimi

tipi senzorjev kisika. Izbrani so predvsem tehnični podatki, ki so pomembni pri odločitvi

kateri analizator je tehnično primeren za vgradnjo v hladilnico za skladiščenje jabolk.

Ker je cilj diplomske naloge oziroma rezultat raziskave najti primerno tehnično rešitev za

vgradnjo meritev koncentracij kisika v celotno mikroprocesorsko vodenje hladilnice, se v

nadaljevanju tega poglavja tehnični podatki nanašajo na analizatorje kisika in ne več zgolj

na senzorje kisika. Pojem analizator kisika predstavlja samostojni modul z vgrajenim

senzorjem kisika, sistemom za zajemanje vzorca zraka ter vmesnikom človek-stroj

(navadno kombinacija funkcijskih tipk ter LCD zaslona). Analizator uporabniku omogoča

prikaz opravljene meritve, izvajanje določenih nastavitev (izbira želenega območja..),

kalibracijo analizatorja ter opcijsko še nastavitve in javljanje alarmov ob izmerjenih

vrednostih izven nastavljenih meja ali napakah na samem senzorju.

Dodatna zahteva, ki pogojuje vključitev analizatorja v centralno nadzorni sistem hladilnice

je izhod analizatorja na katerem je mogoče zajeti podatek o izmerjeni vrednosti. Z ozirom

na dejstvo, da se za centralno nadzorni sistem uporablja mikroprocesorski logični krmilnik

z analognimi in digitalni vhodi ter izhodi, je najprimerneje iskati rešitev z uporabo

standardnih tokovnih in napetostnih signalnih zank. Ker se predvideva vgradnja

analizatorja v centralni stikalni blok hladilne tehnike je smiselno poiskati rešitev z uporabo

tokovne zanke 4..20mA. Tokovna zanka je bolj robustna kar se tiče motenj zaradi bližine

energetskih vodov (kabli ter zaščitni in stikalni elementi za napajanje hladilnega

postrojenja) pred napetostnimi merilnimi zankami.

Vsi analizatorji v nadaljevanju poglavja vsebujejo naslednje značilnosti, ki so pomembne

za realizacijo sistemov v hladilništvu:

• vsebujejo izhod s tokovno zanko 4..20mA za zajem podatka o izmerjeni vrednosti,

• so panelne izvedbe, ki omogoča vgradnjo v centralni stikalni blok analizatorja,

• poleg izhodne tokovne zanke vsebujejo tudi prikazovalnik o izmerjeni vrednosti

(kar omogoča kontrolo delovanja centralno nadzornega sistema hladilnice glede na

delovanje samega analizatorja),

• priključujejo se na standardno omrežno napajanje.

25

V nadaljevanju navedeni modeli analizatorjev se v osnovi razlikujejo po različnih

vgrajenih tipih senzorja kisika. Tako senzorji kot analizatorji so produkt istega

proizvajalca, razen pri analizatorju z vgrajenim termo-paramagnetnim senzorjem kisika.

Navedeni modeli so predstavljeni predvsem z vidika tehnične primerjave na osnovi

različnih tipov vgrajenih senzorjev:

1. PARAMAGNETNI ANALIZATOR KISIKA proizvajalec TELEDYNE model

3000MA

Deluje s pomočjo dinamičnega senzorja na osnovi paramagnetnih lastnosti kisika, kot

je opisano v poglavju 4.1.1. Njegove osnovne značilnosti so:

Merilno območje: 3-stopenjsko v razponu 0-5% do 0-100%

Natančnost: ±1%FS (full scale – celotnega izbranega merilnega

območja) pri konstantni temperaturi ter dodatnih

±5%FS pri temperaturah iznad delovnega

temperaturnega območja)

Odzivni čas: 90%FS znotraj 10sekund (pri temperaturi 25°C)

Linearnost: 1% O2

Ničelno lezenje (zero): 1% O2 / mesec

Lezenje razpona (span): 1%FS / mesec

Ponovljivost: 0,1% / FS

Temperaturno območje

analizatorja: 0 do 45°C

Temperaturno območje

Vzorca: 0 do 50°C

Poleg osnovnih podatkov je potrebno v obzir vzeti še vpliv morebitne prisotnosti

ostalih plinov, ki imajo prav tako paramagnetne lastnosti (bistveno manjše, ampak ne

nezanemarljive) in tako vplivajo na merilni rezultat.

Naslednja preglednica prikazuje seznam teh plinov z faktorji vplivanja:

26

Preglednica 4.1: Seznam plinov z faktorji vplivanja na paramagnetni senzor kisika [12]

Iz navedenega seznama lahko določimo, kolikšen je vpliv morebitnih prisotnih drugih

plinov, ki imajo šibke paramagnetne lastnosti in na ta način prispevajo k izmerjeni

vrednosti. Glede na znano sestavo zraka, ki je prisotna v skladiščni komori za jabolka v

kateri se vzdržuje kontrolirana atmosfera lahko iz seznama najdemo naslednja plina, ki

se lahko nahajata v njej in sicer:

Ogljikov dioksid: vzdržuje se konstantna vrednost med 1..2%,

Etilen: se proizvaja ob zorenju skladiščenih sadežev, in se pojavlja ob

vzpostavljeni kontrolirani atmosferi v zelo nizkih koncentracijah

(za izračun predpostavljamo 1%, kar je sicer nad dejansko

vrednostjo)

Skupni vpliv je torej:

%008,0%1)26,0(%227,0 −=⋅−+⋅−=CI (4.7)

Ničelna točka je torej za 0,008% premaknjena v minus, kar pa lahko v praksi glede na

dejstvo, da se izvajajo meritve na decimalko odstotka natančno zanemarimo.

27

2. TERMO-PARAMAGNETNI ANALIZATOR KISIKA proizvajalec

PANAMETRICS model TMO2D

Deluje s pomočjo termo-paramagnetnega senzorja in prav tako izkorišča paramagnetne

lastnosti kisika, kakor je opisano v poglavju 4.1.2. Njegove osnovne značilnosti so:

Merilno območje: nastavljivo v razponu 0-1% do 0-100%

Natančnost: ±1%FS

Odzivni čas: 63%FS znotraj 4 sekund

Linearnost: 0,1% O2

Ničelno lezenje (zero): 0,8% O2 / mesec

Lezenje razpona (span): 0,8%FS / mesec

Ponovljivost: 0,2% / FS

Temperaturno območje

analizatorja: 0 do 50°C

Glede na dejstvo, da tudi ta tip analizatorja izkorišča paramagnetne lastnosti plinov, je

prisoten podoben vpliv ostalih plinov na meritev, kot je navedeno v prejšnji točki.

3. ANALIZATOR Z CIRKONIJEVO CELICO proizvajalec TELEDYNE model

9060

Deluje s pomočjo cirkonijevega elementa po principu kot je opisan v poglavju 4.3.

Njegove osnovne značilnosti so:

Merilno območje: nastavljivo v razponu 0-1% do 0-100%

Natančnost: ±1% od izmerjene vrednosti

Odzivni čas: 90%FS znotraj 4 sekund

Ponovljivost: 0,5% / FS

Temperaturno območje

analizatorja: 0 do 50°C

28

Kot je že bilo v poglavju 4.3 navedeno se omenjeni pristop k meritvi koncentracij kisika

uporablja predvsem pri primerjalnih meritvah med nekim referenčnim in merjenim

vzorcem. Ker se takšen pristop v aplikaciji hladilnice za jabolka ne uporablja se omenjeni

tip analizatorjev glede na neugodne cenovne razmere praktično ne uporablja.

4. ELEKTROKEMIJSKI ANALIZATOR KISIKA proizvajalec TELEDYNE

model 3000PA

Deluje na podlagi kemične reakcije, katere intenzivnost je odvisna od koncentracije

prisotnega kisika, kot je opisano v poglavju 4.2. Njegove osnovne značilnosti so:

Merilno območje: 3-stopenjsko v razponu 0-5% do 0-100%

Natančnost: ±2%FS (full scale – celotnega izbranega merilnega

območja) pri konstantni temperaturi ter dodatnih

±5%FS pri temperaturah iznad delovnega

temperaturnega območja)

Odzivni čas: 90%FS znotraj 10 sekund (pri temperaturi 25°C)

Temperaturno območje

delovanja analizatorja: 0 do 50°C

Pri elektrokemijskem senzorju kisika je potrebno upoštevati dve lastnosti pri delovanju,

ki (predvsem v negativnem smislu) vplivata na izvedbo meritve.

Prva lastnost je dejstvo, da gre pri elektrokemijskem senzorju kisika za izgorevalno

celico. To pomeni, da se pri izvajanju meritev le-ta troši in v določenem času tudi

iztroši. Večina novejših analizatorjev periodično samo-testirajo senzor in javijo alarm

pri iztrošenju senzorja, kljub vsemu pa ostane na uporabniku, da senzor periodično

menjuje.

Druga lastnost senzorja je precejšnja občutljivost na atmosferske spremembe iz katere

zajema vzorčeni zrak. Med te spremembe spadajo temperatura, relativna vlaga in

zračni tlak, saj senzor deluje na parcialni tlak kisika. Z gledišča vgradnje senzorja v

hladilnico za skladiščenje jabolk to dejstvo sicer ni problematično, saj je ob

skladiščenju vzpostavljena zelo konstantna tako temperatura kot tudi relativna vlažnost,

29

hkrati pa črpalka za dovod zraka iz skladiščnih komor vzpostavlja tudi konstantne

tlačne razmere na vhodu v analizator.

Kljub vsemu lahko s spodnjim izračunom določimo kakšne so spremembe merilnih

rezultatov pri različnih zračnih tlakih.

Upoštevane so naslednje razmere: zračni tlak spreminja med 98kPa (980mbar) in

105kPa (1050mbar), v zraku je vseskozi konstantna koncentracija kisika 20,9%.

Na podlagi spremembe zračnega tlaka se spreminja tudi parcialni tlak kisika (na

podlagi katerega deluje senzor) in sicer v naslednjem območju od:

kPakPa 204980%9,20 =⋅ (4.8)

do:

kPakPa 2191050%9,20 =⋅ (4.9)

To pomeni, da bomo v primeru senzorja umerjenega na 20,9% kisika in zračnem tlaku

105kPa izmerili vrednost

%47,19219

204%9,20 =⋅

kPa

kPa (4.10)

v kolikor pade zračni tlak na 980kPa, oziroma obratno v kolikor smo senzor umerili pri

980kPa in tlak naraste na 1050kPa, potem bomo dejansko izmerili naslednjo vrednost:

%44,22204

219%9,20 =⋅

kPa

kPa. (4.11)

Podoben izračun lahko napravimo pri spreminjanju relativne vlage v zraku. V okviru

spreminjanja relativne vlage med 50% in 100% se parcialni tlak vode v zraku

spreminja med 2,5 in 5 kPa.

V kolikor upoštevamo konstantni zračni tlak 100kPa se parcialni tlak kisika zaradi

spremembe relativne vlažnosti spreminja med:

kPakPakPa 38,20)5,2100(%9,20 =−⋅ (4.12)

30

in

kPakPakPa 85,19)5100(%9,20 =−⋅ . (4.13)

To pomeni, da bomo v primeru senzorja umerjenega na 20,9% kisika in relativni vlagi

50% izmerili vrednost

%36,2038,20

85,19%9,20 =⋅

kPa

kPa (4.14)

v kolikor naraste relativna vlaga na 100%, oziroma obratno v kolikor smo senzor

umerili pri relativni vlagi 100% in le-ta pade na 50%, potem bomo dejansko izmerili

naslednjo vrednost:

%46,2185,19

38,20%9,20 =⋅

kPa

kPa (4.15)

4.5 Izbira tipa analizatorja kisika v sistem krmiljenja hladilnice za skladiščenje jabolk s kontrolirano atmosfero

Izbiro opreme v sisteme krmiljenja tako hladilnic, kakor ostalih sistemov krmiljenja

pogojujeta predvsem dva dejavnika:

• ustrezni tehnični parametri,

• ekonomska ustreznost ter ugodne logistične lastnosti (dobavni roki, servis ipd..).

Z enakim pristopom se pristopa tudi k izbiri ustreznega analizatorja kisika, ki ga želimo

vgraditi v sistem krmiljenja industrijskih hladilnic za skladiščenje jabolk.

Ob predhodno navedenimi tehničnimi lastnostmi posameznih tipov analizatorjev kisika ter

lastnostmi atmosfere v skladiščnih celicah lahko povzamemo, da so zgolj s stališča meritve

(natančnost, merilno območje, časovni odziv ipd..) dejansko primerni vsi tipi analizatorjev

ob upoštevanju nekaterih slabosti, ki jih je mogoče predvsem z ustrezno in redno

kalibracijo precej dobro izničiti oziroma omejiti.

31

Z ekonomskega vidika sta zanimiva predvsem termo-paramagnetni ter elektrokemijski

analizator, medtem ko sta dinamični paramagnetni analizator ter analizator, ki uporablja

cirkonijevo celico precej dražja in se večinoma uporabljata v aplikacijah, kjer pridejo do

izraza njihove glavne pozitivne značilnosti (zelo velika natančnost dinamičnega

paramagnetnega analizatorja ga uvršča predvsem v laboratorijske izvedbe kot etalon, hitri

odzivni časi ter možnost uporabe kot diferenčnega merilnika s cirkonijevo celico pa ga

uvrščata v specialne izvedbe npr. v medicini).

Zaradi teh okoliščin je potrebno predvsem izbirati ustrezni tip analizatorja kisika med

termo-paramagnetnim in elektrokemijskim. Glede na znano sestavo atmosfere v

skladiščnih komorah za jabolka lahko ugotovimo, da je prisotnost in s tem vplivanje ostalih

plinov, ki imajo paramagnetne lastnosti zelo nizko ter zelo konstantno. Ta konstantnost ob

ustrezni kalibraciji ne predstavlja večjega problema pri izvedbi meritve. Vpliv drugih

plinov s paramagnetnimi lastnostmi je v bistvu največja šibka točka tega tipa analizatorja.

Problem elektrokemijskih analizatorjev kisika je predvsem precejšnja občutljivost na

temperaturo, relativno vlago ter zračni tlak, kar pa glede na dejstvo, da samo krmiljenje

hladilnega sistema v skladiščnih komorah teži ravno k vzpostavitvi konstantnih razmer ne

predstavlja posebnega problema. Sicer je elektrokemijski analizator manj natančen od

ostalih vendar še vedno zagotavlja dovolj dobro meritev za krmiljenje kontrolirane

atmosfere.

Glavna šibka točka je predvsem lastnost senzorja, da se troši in ga je potrebno periodično

menjavati, kar predstavlja dodatno opravilo v smislu servisa hladilnice.

Glede na zahteve po čim večji avtomatizaciji sistema ter čim manjših potrebah po servisu

ter glede na nekoliko boljše karakteristike termo-paramagnetnega senzorja kisika,

predstavlja le-ta boljšo alternativo pri izvedbi meritve kisika za izvedbo krmiljenja

kontrolirane atmosfere z nizko koncentracijo kisika v skladiščnih komorah za jabolka.

32

5.0 SENZORJI OGLJIKOVEGA DIOKSIDA

5.1 Splošno o CO2 ter njegove lastnosti v skladiščnih komorah za jabolka

Ogljikov dioksid (CO2) spada med brezbarvne pline, njegovo molekulo pa sestavlja atom

ogljika in dva atoma kisika. Pri temperaturi višji od -78,5°C se nahaja v plinastem stanju,

pri nižjih temperaturah pa se nahaja v trdnem stanju. Ogljikov dioksid je sestavni del

zemeljske atmosfere in sicer je njegova koncentracija med 0,035% do 0,045%. Pomembna

lastnost CO2 je absorpcija svetlobnega valovanja v infrardečem spektru. Omenjena lastnost

danes v svetu povzroča precej preglavic, saj je delno odgovorna za nastajanje tople grede

na zemeljski obli.

V smislu detekcije in meritev koncentracij ogljikovega dioksida se izkorišča ravno

sposobnost absorpcije elektromagnetnega valovanja na točno določeni valovni dolžini v

infrardečem spektru. Naslednja slika prikazuje transmisijo (prepuščanje)

elektromagnetnega valovanja CO2 ter ostalih (po tej lastnosti sorodnih) snovi, ki imajo

prepustne pasove najbližje ogljikovemu dioksidu.

Slika 5.1: Absorpcija IR valovanja CO2 in snovi, ki so sorodne po tej lastnost [7]

33

V tretjem poglavju so že opisane lastnosti kontrolirane atmosfere z nizko vsebnostjo

kisika. Dejstvo, da skladiščena jabolka proizvajajo ogljikov dioksid zahteva meritev ter

kontrolo nad njim. S tem je pogojeno kvalitetno skladiščenje jabolk. Glede na navedene

lastnosti atmosfere lahko podamo osnovne lastnosti, ki jih mora izpolnjevati senzor CO2,

da ga lahko umestimo v sistem krmiljenja hladilnice za skladiščenje jabolk:

• delovno merilno območje pri nizkih koncentracijah (1-2%),

• velika natančnost senzorjev pri malih koncentracijah. (kot je razvidno iz

preglednice 3.1 se koncentracije določajo na desetinko % glede na skladiščeno

sorto jabolk),

• meritev se vedno izvaja v plinastem mediju,

• zahteve po hitrem časovnem odzivu niso velike,

• atmosferski pogoji (temperatura, relativna vlaga, tlak) medija v katerem se meri

koncentracija ogljikovega dioksida so zelo stabilni.

5.2 Nedisperzijski in disperzijski infrardeči senzor CO2 (NDIR in DIR)

Za razliko od senzorjev kisika, pri katerih obstaja kar nekaj različnih principov detekcije

in meritev koncentracij le-tega, je pri meritvah koncentracije ogljikovega dioksida

praktično v uporabi (za splošno namenske aplikacije) le ena metoda. To je metoda, ki

izkorišča absorpcijske lastnosti obravnavanega plina v infrardečem spektru.

Večina senzorjev CO2 so tako imenovani NDIR senzorji (non-dispersive infra red sensors).

Že samo ime pojasnjuje, da delujejo v infra rdečem spektru ter imajo nedisperzijski sistem

delovanja. Obstajajo tudi disperzijski senzorji (DIR-dispersive infra red sensors), njuna

razlika pri principu delovanja pa je prikazana na naslednji sliki:

34

Slika 5.2: Princip delovanja NDIR in DIR senzorja CO2 [5]

Pri NDIR tipu senzorja CO2 vsa svetloba, ki jo odda izvor svetlobe na oddajnem delu

senzorja potuje skozi merilno komoro senzorja v kateri se nahaja vzorčeni plin. Svetloba

se nato filtrira tik preden pade na sprejemni del senzorja, ki zazna intenziteto prejete

svetlobe in jo pretvori v električni izhodni signal kot rezultat meritve.

DIR senzorji pa vsebujejo takoj za izvorom svetlobe razpršilni element (navadno gre za

prizmo), ki selekcionira točno določeno valovno dolžino iz spektra, ki ga oddaja oddajni

del senzorja. Zgolj selekcionirana valovna dolžina izvorne svetlobe se nato usmeri preko

merilne komore senzorja v kateri se nahaja vzorčeni plin do sprejemnega dela senzorja.

Osnovna razlika med senzorjema je torej način izločitve točno določenega spektra

valovanja, ki ga želimo uporabiti za meritev. V praktičnem smislu so disperzijski senzorji

namenjeni bolj laboratorijskim izvedbam analizatorjev zaradi sposobnosti nastavitev

posameznih različnih valovnih dolžin glede na nastavitev razpršilne prizme. Zaradi tega

imajo bolj zapleteno zgradbo, so fizično večji in posledično tudi dražji.

V industrijskih aplikacijah se v veliki večini uporabljajo NDIR senzorji ogljikovega

dioksida.

5.3 Teorija delovanja NDIR senzorja CO2

Razmerje med absorpcijo plina in koncentracijo le-tega določa Beer-Lambertov zakon.

Obravnavano razmerje je sorazmerno, kar je razvidno iz naslednjih enačb:

cA ⋅⋅= λε (5.1)

35

cAIII

⋅⋅−− ⋅=⋅= λε1010 00 (5.2)

kjer je

I0 = intenziteta svetlobe, ki jo oddaja svetlobni izvor,

I = intenziteta svetlobe, ki pade na sprejemnik po prehodu skozi vzorčen plin,

A = absorpcija na enoto dolžine,

ε = absorpcijski koeficient,

λ = dolžina vzorčevalne celice v kateri se nahaja vzorčeni plin (dolžina poti, ki jo

prepotuje svetlobni žarek preko vzorčenega plina),

c = koncentracija.

Naslednja shema prikazuje blokovno zgradbo NDIR senzorja CO2 s osnovnimi

pripadajočimi sklopi:

Slika 5.3: Shematski prikaz zgradbe NDIR senzorja CO2 [6]

Meritev koncentracije CO2 temelji na podlagi razmerja jakosti infrardeče svetlobe

referenčnega signala (svetlobni snop, ki ni podvržen absorpciji) ter jakosti merilnega

signala (svetlobni snop, ki je podvržen absorpciji vzorčenega plina).

Tako referenčni signal kot merilni signal (svetlobni snop v infrardečem spektru)

prepotujeta pot od oddajnika do sprejemnika preko iste optične poti. Preden padeta signala

36

na sprejemnika potujeta preko ozkopasovnega filtra z ustrezno izbrano prepustno valovno

dolžino infrardeče svetlobe.

Svetlobni signal, ki se uporablja za meritev koncentracije CO2 prihaja na sprejemnik preko

filtra prepustnega na valovni dolžini 4,24µm. Ta valovna dolžina sovpada z valovno

dolžino na kateri ima CO2 največje absorpcijske lastnosti. Morebitne molekule CO2 v

vzorčevalni komori skozi katero potuje merilni signal zaradi svoje absorpcije ustrezno

zmanjšajo energijo infrardeče svetlobe, ki pripotuje (preko omenjenega filtra) na sprejemni

del senzorja.

Drugi svetlobni signal, ki se uporablja kot referenčni signal potuje do sprejemnika preko

filtra prepustnega na valovni dolžini 3,95µm. To pomeni, da je izven absorpcijskega pasu

ogljikovega dioksida, hkrati pa ne pokriva pasu absorpcije katerega izmed ostalih plinov.

Na ta način detektor referenčnega signala na sprejemnem delu senzorja sprejema vso

energijo, ki jo izvod na oddajnem delu senzorja odda.

S tem postopkom dobimo na sprejemnem delu senzorja dva podatka, ki predstavljata

razmerje med izvornim signalom in signalom, ki je lahko reduciran zaradi absorpcije CO2

v merilni komori senzorja. To razmerje je po enačbi 5.2 odvisno od koncentracije

obravnavanega plina.

Natančna meritev koncentracije ogljikovega dioksida zahteva stabilne temperaturne pogoje

meritve. Zaradi tega je potrebno tako oddajni, še posebej pa sprejemni del senzorja

natančno temperaturno regulirati. Temperaturna regulacija se vrši s pomočjo grelnih

elementov ter termistorjev tako v sprejemnem kot oddajnem delu senzorja.

Dobra temperaturna regulacija je potrebna predvsem zaradi sprejemnega dela senzorja, ki

je zgrajen iz piroelektričnega elementa. Osnovni del oddajnega dela predstavlja

širokopasovni infrardeči izvod svetlobe. Izvor svetlobe je pritrjen na parabolični reflektor z

namenom kolimacije svetlobe in s tem povečanjem energije svetlobe, ki potuje preko

optične poti do detektorja. Reflektor in optična pot sta prevlečena z zlatim nanosom z

namenom izboljšanja prenosa svetlobne energije preko poti do sprejemnega dela senzorja.

Detektor predstavlja piroelektrični element, katerega izhodna električna veličina (napetost)

je odvisna od prejete termične energije. Ker je detektor občutljiv na termično energijo je

torej nujno, da je sistem dobro temperaturno reguliran in sicer navadno na temperaturo

37

50°C. Termistorja sta nameščena na ohišje oddajnega in na ohišje sprejemnega dela

senzorja. Prav tako sta na obeh delih senzorja nameščeni grelni telesi, ki sta izvor toplotne

energije za vzdrževanje predhodno navedenega temperaturnega režima. Optična pot preko

katere potuje svetlobni signal in v kateri se nahaja vzorčeni plin je v mehanskem spoju z

ohišjem tako oddajnega dela kot tudi sprejemnega dela s čimer se zagotovi ustrezna

termična uravnoteženost celotnega senzorja. Za vzpostavitev stabilnih temperaturnih

pogojev je zato potrebno minimalno 10 minut delovanja ob vključitvi senzorja.

Naslednji parameter, ki vpliva na izvedbo meritve je tlak vzorca, ki se nahaja v merilni

komori senzorja. Kot je razvidno iz shematskega prikaza zgradbe senzorja (slika 5.3) je na

sprejemnem delu vgrajen tlačni pretvornik, ki daje na svojem izhodu podatek o

izmerjenem tlaku. Podatek o tlaku se pošilja na procesno enoto, kjer se upošteva pri

izračunu koncentracije CO2 v merjenem vzorcu. Na enak način se pošilja in upošteva v

procesni enoti tudi podatek o izmerjeni temperaturi.

Optična pot preko katere potuje svetlobni merilni signal in v kateri se nahaja vzorčeni plin

je lahko različne dolžine. Z spreminjanjem te razdalje lahko dosežemo različna merilna

območja, saj je od nje odvisna stopnja absorpcije. Z dolžino optične poti lahko

spreminjamo tudi občutljivost senzorja. Optična pot je navadno zaščitena s penastim

ohišjem, ki izboljšuje stabilnost termičnih pogojev ter mehansko ščiti sam senzor.

5.4 Analizator CO2 z vgrajenim NDIR senzorjem

Podobno kot pri analizatorjih kisika je tudi pri analizatorjih ogljikovega dioksida naloga

diplomske naloge najti ustrezno tehnično rešitev za vključitev meritve ogljikovega

dioksida v sistem centralno nadzornega sistema hladilnice.

V ta namen so v nadaljevanju navedeni tehnični podatki analizatorja ogljikovega dioksida

z vgrajenim NDIR senzorjem. Podobno kot za analizator kisika tudi pojem analizator

ogljikovega dioksida zajema samostojni modul z vgrajenim senzorjem, sistemom za

zajemanje vzorca ter vmesnikom človek-stroj, ki uporabniku omogoča prikaz opravljene

meritve, izvajanje nastavitev (izbira želenega območja…), kalibracijo analizatorja ter

opcijsko še signalizacijo alarmov ob izmerjenih vrednostih izven nastavljenih meja ter

napakah na samem senzorju.

38

Dodatna zahteva, ki pogojuje vključitev analizatorja v centralno nadzorni sistem hladilnice

je izhod analizatorja na katerem je mogoče zajeti podatek o izmerjeni vrednosti

analizatorja. Z ozirom na dejstvo, da se za centralno nadzorni sistem uporablja

mikroprocesorski logični krmilnik z analognimi in digitalni vhodi oziroma izhodi je

najprimerneje iskati rešitev z uporabo standardnih tokovnih in napetostnih signalnih zank.

Glede na dejstvo, da se predvideva vgradnja analizatorja v centralni stikalni blok hladilne

tehnike je smiselno poiskati rešitev z uporabo tokovne zanke 4..20mA, ker je bolj robustna

kar se tiče motenj zaradi bližine energetskih vodov (kabli ter zaščitni in stikalni elementi za

napajanje hladilnega postrojenja).

Analizator, katerega tehnični opis je naveden v nadaljevanju vsebuje naslednje značilnosti:

• vsebuje izhod s tokovno zanko 4..20mA za zajem podatka o izmerjeni vrednosti,

• je panelne izvedbe, ki omogoča vgradnjo v centralni stikalni blok,

• poleg izhodne tokovne zanke vsebuje tudi prikazovalnik o izmerjeni vrednosti (kar

omogoča kontrolo delovanja centralno nadzornega sistema hladilnice),

• priključuje se na napajanje 12-30VDC.

5. ANALIZATOR CO2 z vgrajenim NDIR senzorjem, proizvajalec LI-COR

model LI-820.

Merilno območje: 0-20000ppm (0-20%),

Natančnost: 0-1000ppm: ±4% od izmerjene vrednosti ±10ppm

1000-20000ppm: ±4% od izmerjene vrednosti,

pri tlaku 95kPa do 102kPa,

Ničelno lezenje (zero): <1ppm v 24urah pri 350ppm

Lezenje razpona (span): <3ppm v 24urah pri 350ppm

Ponovljivost: ±3ppm pri 350ppm

Temperaturno območje

analizatorja: -25 do 45°C

Navedeni tip analizatorja je le eden izmed množice analizatorjev CO2 z NDIR principom

meritve, ki so prisotni na tržišču. Ob pregledu tehničnih lastnosti le-teh je moč ugotoviti,

da so precej podobne, kar je ob enakem principu izvajanja meritev logično.

39

Pomembnejša lastnost, na podlagi katerih bi bil določen analizator primernejši za vgradnjo

v centralno nadzorni sistem hladilnice je predvsem ustrezno merilno območje (le-to se

nahaja med 1 in 2% oziroma eno standardnih merilnih območij 0-5% je ustrezno).

Naslednja lastnost, ki vpliva na izbiro je standardni tokovni izhod iz analizatorja, ki je bolj

primeren kot napetostni izhod, saj se analizator vgrajuje v centralni stikalni blok hladilnice,

v katerem potekajo tudi močnostna ožičenja. Močnostna ožičenja lahko povzročajo motnje

v merilnih signalih (inducirane napetosti). Glede vplivanja motenj na merilne signale je

tokovna zanka 4..20mA bistveno robustnejša od napetostne zanke 0..10V.

Prav tako je iz povsem praktičnih razlogov smiselno iskati analizator kisika kot

ogljikovega dioksida od istega proizvajalca, seveda od predpogoju, da vsi tehnični

parametri ustrezajo predhodno navedenim zahtevam.

40

6 PRINCIP DELOVANJA DINAMIČNE KONTROLIRANE

ATMOSFERE PRI SKLADIŠČENJU SADJA

Dinamična atmosfera je način skladiščenja sadja, kjer sestavo atmosfere v kateri se

skladišči sadje, prilagajamo trenutnemu fiziološkemu stanju sadja [8]. Začetna faza

skladiščenja zahteva ostrejše pogoje. To pomeni manjšo vrednost kisika ter povišano

vrednost ogljikovega dioksida v atmosferi skladišča. V nadaljnji fazi skladiščenja se

intenziteta dihanja sadja povečuje, zato je potrebno v atmosferi povišati vrednost kisika ter

znižati vrednost plina ogljikovega dioksida.

Ideja je torej skladiščeno sadje izpostaviti čim nižji vsebnosti kisika v skladiščni atmosferi,

vendar le do te meje, da se na skladiščenem sadju ne pojavijo škodljive reakcije zaradi

prenizke vsebnosti kisika. V kolikor je skladiščeno sadje izpostavljeno prenizki vrednosti

kisika se v njem sproži pojav anaerobnega metabolizma ter akumuliranje etanola in

acetataldehida [8]. Ti pojavi so seveda nezaželeni, saj zmanjšujejo kvaliteto sadja oziroma

privedejo v propad le-tega. Posledice na sadežu, ki je izpostavljen obravnavani atmosferi

so vidne na naslednji sliki.

Slika 6.1: Poškodbe, ki nastanejo zaradi pomanjkanja kisika [8]

41

Etanol, ki se akumulira v tkivu plodov v kolikor se le-ti nahajajo v atmosferi z prenizko

vrednostjo kisika prehaja iz plodov tudi v skladiščno atmosfero. Prisotnost etanola v

atmosferi skladišča je torej pokazatelj začetka anaerobnega metabolizma sadežev, ki so ga

sprožili neprimerni skladiščni pogoji v atmosferi skladiščne komore – prenizka vsebnost

kisika. Ideja za izvedbo dinamične kontrolirane atmosfere je torej izvesti meritev vsebnosti

etanola v atmosferi, ki je pokazatelj prehoda v (škodljivi) anaerobni metabolizem

skladiščenih plodov, ter glede na to vsebnost uravnavati sestavo skladiščne atmosfere.

6.1 Senzorji, vključeni v tehnologijo dinamične kontrolirane atmosfere

Kot je razvidno iz prejšnjega poglavja, ki predstavlja princip delovanja dinamične

kontrolirane atmosfere je tehnološko potrebno obdelati naslednje meritve, v smislu analize

skladiščne atmosfere:

1. meritev kisika (območje 0-3%),

2. meritev ogljikovega dioksida (območje 0-3%)

3. meritev etanola (območje 0,01ppm – 1ppm).

Izvedba prvih dveh meritev tehnološko ni problematična. Na tržišču obstaja množica

senzorjev, ki omogočajo dovolj natančne izvedbe meritev pri teh pogojih. Opisi teh

senzorjev ter njihove lastnosti in karakteristike so navedene v poglavjih 3 ter 4 in prav tako

ustrezajo umestitvi v sistem dinamične kontrolirane atmosfere.

Glavni tehnološki problem izvedbe dinamične kontrolirane atmosfere je meritev zelo

nizkih koncentracij etanola v skladiščni atmosferi. Za zagotavljanje delovanja dinamične

kontrolirane atmosfere je potrebno izvesti zanesljive meritve etanola v območju 0,01ppm –

1ppm [8].

Dovolj natančni in tudi cenovno dostopni senzorji, ki bi bili uporabni v komercialno-

industrijskih aplikacijah, kamor se uvrščajo hladilnice sadja so še več ali manj v fazi

razvoja. Kljub temu se že pojavljajo testne izvedbe takšnih senzorjev in po navezavi stikov

z enim od proizvajalcev (IR Microsystems, Švica) je mogoče v naslednjih letih pričakovati

tudi industrijske različice le-teh.

42

Tehnologija in princip izvedbe, ki obeta industrijske meritve etanola v zgoraj navedenih

merilnih območjih je predstavljena v poglavju 6.2.

6.2 Senzorji etanola

Kot je navedeno v uvodu tega poglavja ustvarjanje dinamične kontrolirane atmosfere v

hladilnici jabolk pogojuje uspešno detekcijo in meritev etanola zelo nizkih vrednosti

(0,01ppm-1ppm).

Tehnologija, ki se z svojimi lastnostmi približuje navedenim zahtevam in je po študijah in

testnih meritvah proizvajalcev predstavljenih na svetovnem spletu tudi v precejšnjem

razvoju, se imenuje spektrometrija. Kljub temu, da v tem trenutku na trgu še ni mogoče

pridobiti opreme industrijskega značaja, ki bi omogočila izvajanje zahtevane meritve, je v

nadaljevanju tega poglavja predstavljen splošni opis delovanja meritve na osnovi

spektrometrije. Idejna zasnova nadgradnje klasične kontrolirane atmosfere v dinamično

kontrolirano atmosfero za skladiščenje jabolk z vidika kontrole atmosfere v skladiščnih

komorah je predstavljena v poglavju 6.4.

6.2.1 Spektrometrija in spektrometer micro LGD

Spektrometrija oziroma spektrometri kot naprave, ki delujejo na tej podlagi so

tehnološko gledano nadgradnja klasičnih infrardečih senzorjev, ki delujejo na principu

absorpcije elektromagnetnega valovanja v infrardečem spektru.

Razlika v zgradbi spektrometrov, ki prinaša boljše lastnosti meritev je predvsem v načinu

izvora in detekcije IR svetlobe preko katere zaznavamo absorpcijo, ki je odvisna od

koncentracije merjenega plina. Opis delovanja v nadaljevanju je predstavljeno na osnovi

predstavnika spektrometrov micro LGD (proizvajalec IR Microsystems, Švica) s katerimi

smo vzpostavili stik v zvezi zahtev glede meritve koncentracije etanola pri izvedbi

dinamične kontrolirane atmosfere.

Osnovna lastnost, ki izboljšuje občutljivost spektrometrov glede na ostale tehnologije

industrijskih meritev in jo približuje navedenim zahtevam je uporaba tunelske laserske

diode. Ta tehnologija se pogosto naziva s kratico TDLAS – tuneable laser diode absorption

spectroscopy. Tunelska laserska dioda kot izvor IR svetlobe na podlagi katere merimo

43

absorpcijo proizvaja snop na točno določeni valovni dolžini, kar je prednost pred

klasičnimi infrardečimi senzorji, kjer s širokopasovnim izvorom svetlobe in uporabo

pasovno prepustnega filtra dosežemo prepustni pas minimalno okoli 100nm. Predstavljeni

spektrometer (pa tudi večino ostalih) uporablja cenovno ugodne telekomunikacijske

laserske diode, ki so dobavljive na valovnih dolžinah do 2,7µm. Zaradi tega se meritve

absorpcije določenega plina izvajajo na drugi in tretji absorpcijski liniji tega plina, saj se

osnovna absorpcijska linija večine plinov nahaja na valovni dolžini višji od 2,7µm. Z

meritvijo absorpcije druge ali tretje absorpcijske linije se nahajamo v intervalu med 0,8µm

in 2,3µm za večino plinov, ki se lahko merijo s tem postopkom. Ta interval nam omogoča

meritev z omenjeno telekomunikacijsko lasersko diodo. Opisane absorpcijske lastnosti tega

postopka in primerjava z klasičnim NDIR senzorjem so prikazane na naslednji sliki.

Slika 6.2: Primerjava delovanja NDIR senzorja in spektrometra [9]

44

Iz predhodno navedenih dejstev je razvidno, da je s spektrometrom mogoče zaznavati

večino plinov z absorpcijskimi lastnostmi, ki imajo lastno absorpcijsko linijo. Pomembno

za meritev je, da se valovna dolžina diode kot izvora prekriva z absorpcijsko linijo

merjenega plina.

Eden osnovnih parametrov, ki jih proizvajalci spektrometrov želijo dosegati oziroma

izboljševati je spodnja meja merilnega območja instrumenta. Na splošno velja, da je

mogoče spodnjo mejo merilnega območja zmanjševati na osnovi povečevanja absorpcijske

poti (razdalja med izvorom infrardeče svetlobe in sprejemnikom). Za spektrometer micro

LGD ta pot klasično znaša 20cm, za specialne izvedbe se absorpcijska pot poveča na

dolžino 1m. Med razvijalci, ki se ukvarjajo s tem področjem lahko zasledimo zanimivo

rešitev kako povečati absorpcijsko razdaljo, ne da bi s tem naredili ogromen instrument.

Poslužujejo se optično-refleksnega sistema. Preko konkavnih zrcal se merilni signal od

izvora do sprejemnika nekajkrat nadzorovano odbije in na ta način prepotuje (n+1)-krat

daljšo pot od same fizične dolžine merilne komore senzorja (pri čemer je n število

konkavnih zrcal v merilni celici). Z namenom izboljšanja delovanja spektrometrov se

lahko zasledi nekaj različic glede izvedbe merilne komore. V splošnem je mogoče

ugotoviti, da spektrometrija kot merilni postopek za meritev koncentracij plinov glede na

ostale tehnologije prinaša naslednje prednosti:

• manjšo verjetnost vplivanja ostalih plinov glede na absorpcijske pasove sosednjih

plinov. To je mogoče zaradi uporabe tunelske laserske diode kot elementa, ki

oddaja enobarvno koherentno svetlobo v primerjavi z NDIR in katalitičnimi

senzorji,

• manjša poraba energije v primerjavi z NDIR senzorji (pomembno vlogo igra ta

lastnost predvsem pri prenosnih napravah z lastnim napajanjem),

• ni staranja v primerjavi z elektrokemijskim pristopom izvajanja meritev,

• nizka spodnja meja merilnega območja (ki se sicer spreminja glede na to kateri plin

merimo, saj je odvisna od jakosti absorpcije le-tega),

Kljub nizki spodnji meji merilnega območja, ki jih dosegajo spektrometri, se v primeru

aplikacije meritve etanola v sklopu izvajanja dinamične kontrolirane atmosfere še vedno

nahajamo nad vrednostmi, ki pogojujejo uspešno in zanesljivo delovanje le-te.

45

6.3 Idejna zasnova principa krmiljenja dinamične kontrolirane atmosfere

Klasična kontrolirana atmosfera deluje na principu meritve koncentracij kisika in

ogljikovega dioksida, kot bo opisano glede na izvedbo v poglavju 7.

Naslednji opis predstavlja osnovno idejo za izvedbo algoritma za delovanje krmiljenja

dinamične kontrolirane atmosfere s katero bi se pristopilo na testno izvajanje ob

zagotovitvi ustrezne meritve koncentracije etanola v skladiščnih komorah. Detajli glede

delovanja krmiljenja bodo določeni ob testnih izvedbah skladiščenja glede na ugotovitve

ob vzdrževanju dinamične kontrolirane atmosfere in lastnostmi sadežev, ki se bodo

nanašala v njej.

Z integracijo meritve koncentracije etanola bo osnovni parameter za dovajanje kisika v

skladiščno komoro ob vzpostavljenem ULO režimu v njej prevzel podatek o morebitni

prisotnosti etanola v komori zaradi česar je potreba po zanesljivi in natančni meritvi na tem

mestu zelo velika. Klasična kontrolirana atmosfera kontrolira koncentracije kisika in

ogljikovega dioksida glede na nastavljeni želeni vrednosti, ki jih nastavi uporabnik na

centralno nadzornem sistemu (poglavje 7). Ob vključitvi dinamičnega delovanja

kontrolirane atmosfere se prav tako predvideva vzpostavitev atmosfere v skladiščni celici

glede na nastavljeno želeno koncentracijo kisika in ogljikovega dioksida. Razlika v

delovanju se predvideva po vzpostavitvi osnovnih pogojev za skladiščenje. Glede na

dejstvo, da skladiščena jabolka porabljajo razpoložljiv kisik v komori in proizvajajo

ogljikov dioksid, se ob dinamični kontroli atmosfere dovede nov kisik v komoro ob

pogoju, da je sistem zaznal minimalno koncentracijo etanola v atmosferi celice. To

pomeni, da so se pojavile razmere, ki pogojujejo (škodljive) anaerobne procese v

skladiščenih sadežih. V tem trenutku je potrebno avtomatsko vključiti dovod svežega zraka

v komoro in s tem za nastavljeno diferenco dvigniti koncentracijo kisika v komori ter s

strani nadzornega programa spremljati tendenco gibanja koncentracije etanola.

Glede na dejstvo, da je s strani investitorja investicija smiselna le ob pozitivnem rezultatu,

ki mu jih prinaša pridobitev in glede na dejstvo da bodo merilniki etanola z zahtevanimi

parametri spadali v višji cenovni razred je potrebno razmišljati o multipleksiranju meritev.

Pristop multipleksiranja je natančneje predstavljen v poglavju 7, saj se na ta način izvajajo

tudi meritve koncentracij kisika in ogljikovega dioksida v klasičnih kontroliranih

atmosferah. V osnovi gre pri multipleksiranju za uporabo vzorčevalnih ventilov, ki jih

46

krmili nadzorni program hladilnice. Ventili omogočajo, da na vhod enega analizatorja

dovajamo vzorce zraka iz različnih komor glede na to kateri vzorčevalni ventil je vključen.

V nadzorni program je smiselno vključiti parameter, ki določa kdaj so koncentracije kisika

v posameznih komorah zadostne in ni potrebe po vzorčenju celic glede z vidika

koncentracij etanola. Na ta način dosežemo pogostejše meritve koncentracij etanola na

komorah, ki se nahajajo v »kritičnih« pogojih in potrebujejo pogostejši nadzor nad

meritvijo etanola.

Multipleksiranje meritve pomeni intervalno vzorčiti zrak iz ene komore, interval pa se

povečuje z naraščanjem števila vključenih komor, zato je potrebno v tem primeru najti

kompromis glede na predviden maksimalni interval med vzorčenji ene komore.

Tako multipleksiranje kot ostale dopolnitve programa ter tudi alarmiranje in arhiviranje

podatkov je le nadgradnja sistema in ne predstavlja velikih odstopanj od ustaljene prakse

izvedb nadzora klasičnih kontroliranih atmosfer. Osnova problema in njegova rešitev s

tehničnega vidika temelji na zanesljivi meritvi zelo nizkih koncentracij etanola. Vključitev

v sistem delovanja krmiljenja bo natančno definiran ob testnih izvajanjih sistema.

47

7. IZVEDBA HLADILNICE S KONTROLIRANO ATMOSFERO Z NIZKO VSEBNOSTJO KISIKA (ULO)

V nadaljevanju je predstavljena tehnična rešitev kontrolirane atmosfere v skladiščnih

komorah hladilnice za jabolka na objektu Slovan Progres d.o.o. Selenča (Srbija).

Predstaviti želim predvsem krmilni del sistema, ki deluje na osnovi meritev koncentracij

kisika in ogljikovega dioksida v posamezni skladiščni komori.

Sistem krmiljenja, ki sem ga izvedel na omenjenem objektu, deluje na osnovi že izvedenih

podobnih sistemov ter na osnovi vgrajene opreme za vzdrževanje kontrolirane atmosfere.

Krmiljenje celotnega sistema se izvaja preko programabilnega krmilnika OMRON tip

CS1G-CPU45H in nadzornega programa OMRON CX-Supervisor v2.0, ki se izvaja na

osebnem računalniku in služi za izmenjavo podatkov in ukazov med operaterjem in

krmilnikom.

Z vidika sistema krmiljenja je delovanje skladiščne komore za jabolka izvedeno iz dveh

sklopov. Prvi sklop predstavlja osnovno funkcijo hladilnice – hlajenje, drugi sklop pa

predstavlja sistem za kontrolo atmosfere.

Glede na temo diplomske naloge se bom osredotočil na sistem kontrolirane atmosfere.

S stališča izvedbe krmiljenja so potrebni naslednji vhodni podatki krmilniku:

• izmerjena trenutna vrednost koncentracije kisika v komori,

• izmerjena trenutna vrednost koncentracije ogljikovega dioksida v komori,

• podatek o želenih vrednostih kisika in ogljikovega dioksida v času skladiščenja ter

• želeni način delovanja kontrole atmosfere s strani uporabnika.

Na osnovi teh podatkov je potrebno krmiliti naslednje elemente, ki vplivajo na sestavo

atmosfere v skladiščni komori:

• ventile adsorberja, katerega funkcija je odstranjevanje ogljikovega dioksida iz

skladiščne komore,

• ventile za dovod svežega zraka z namenom dovajanja kisika v skladiščno komoro v

kolikor je le-tega premalo.

48

7.1 Izvedba meritve in krmiljenja kontrolirane atmosfere skladiščnih komor za jabolka

Za izvedbo meritev koncentracij kisika in ogljikovega dioksida je upoštevano dejstvo, da

gre v hladilnih komorah za počasno spreminjanje koncentracij kisika in ogljikovega

dioksida, saj gre za velike volumne zraka katerega analiziramo. Spremembe v atmosferi

komore povzročajo skladiščena jabolka. Zaradi tega dejstva se lahko poslužujemo

multipleksiranja meritev koncentracij kisika in ogljikovega dioksida, kot je to shematsko

prikazano na sliki 7.1 Meritev koncentracij je izvedena s pomočjo analizatorjev

proizvajalca Fruit Control Equipment (Italija) in sicer tip FC481 za meritev ogljikovega

dioksida ter FC482 za meritev kisika.

Spodaj so navedeni osnovni tehnični podatki analizatorjev na podlagi katerega se izvršijo

tudi nastavitve delovanja analize na centralno nadzornem sistemu.

6. ANALIZATOR CO2 tip FC481 proizvajalec Fruit Control Equipment (Italija)

Tip analizatorja: ne-disperzijski infrardeči senzor (NDIR) Merilno območje: 0-13,3% Resolucija: 0,1% Natančnost: ±0,2% izmerjene vrednosti (pri konstantnem tlaku in

temperaturi po izvedeni kalibraciji) Odzivni čas: 20s Izhodni signal: 0-10V…..0-100%O2

7. ANALIZATOR O2 tip FC482 proizvajalec Fruit Control Equipment (Italija)

Tip analizatorja: elektro-kemijski Merilno območje: 0-25% Resolucija: 0,1% Natančnost: ±0,2% izmerjene vrednosti (pri konstantnem tlaku in

temperaturi po izvedeni kalibraciji) Odzivni čas: 20s Izhodni signal: 0-10V…..0-100%O2

49

Slika 7.1: Shematski prikaz izvedbe sistema multipleksiranja meritev O2 in CO2

V kombinaciji z nadzornim programom je analiza zraka v vseh komorah (v predstavljenem

primeru jih je sedem) izvedena s samo enim analizatorjem kisika in ogljikovega dioksida.

Analizatorja sta locirana v stikalni blok analizatorja, ki je nameščen poleg centralnega

stikalnega bloka hladilnice v katerem se nahaja tudi krmilnik. V stikalni blok analizatorja

so dovedene cevčice iz vsake izmed komor preko katerih dobivamo vzorec o atmosferi v

posamezni komori.

Izhodna signala iz analizatorjev (0..10V) s podatkoma o izmerjeni vrednosti kisika in

ogljikovega dioksida sta priključena na analogna vhoda krmilnika, na katerih vseskozi

dobivamo podatek o izmerjeni vrednosti kisika in ogljikovega dioksida.

Z nadzornim programom krmilimo tudi vzorčevalne ventile. Vsak elektromagnetni

vzorčevalni ventil predstavlja stikalo za vez zraka iz posamezne komore na vhod

analizatorjev kisika in ogljikovega dioksida. Na vsak vzorčevalni ventil je pripeljana

cevčica iz posamezne komore. S tem ko vključimo posamezni vzorčevalni ventil dobimo

ob pogoju delovanja črpalke zraka na vhod analizatorjev kisika in ogljikovega dioksida

50

zrak iz pripadajoče komore. Celotni nadzorni program hladilnega sistema sestavljajo

podprogrami, ki se izvajajo ciklično glede na zapisano zaporedje podprogramov.

Krmiljenje sistema kontrolirane atmosfere lahko razdelimo na štiri osnovne podprograme

in sicer:

1. PODPROGRAM ZAJEMANJA PODATKA O KONCENTRACIJI O2 IN CO2 IZ

ANALIZATORJA

Delovanje podprograma se izvaja po naslednjem algoritmu:

Slika 7.2: Algoritem podprograma beleženja koncentracij O2 in CO2

Napetostna izhoda 0-10V iz analizatorjev sta priključena na analogna vhoda modula

AD002 krmilnika OMRON. Podprogram se izvaja ciklično glede na potek izvajanja

celotnega programa. Njegova glavna naloga je zajemanje podatkov iz analizatorja.

Analogni vhod pretvori preko v modul vgrajenega A/D pretvornika vhodni signal 0-10V v

16-bitno digitalno besedo. Ob vsakem zajemanju podatkov iz analognih vhodov se

51

predhodno testira brezhibno stanje stikalnega bloka analizatorja (testira se delovanje

črpalke in tlačno stikalo za dovod zraka v analizator). Podatek o stanju analizatorjev

dobimo na krmilnik preko digitalnega vhoda. V kolikor se zazna napaka program generira

signal o napaki. Zajemanje podatkov o koncentraciji O2 in CO2 se prekine. Ob uspešnem

testiranju se izvede zajem podatka iz vhoda za meritev O2. Naslednji korak shrani zajeti

podatek v 16-bitni obliki na določeno spominsko lokacijo krmilnika ("DATA_O2").

Sledeča koraka sta identična predhodnima, le da se izvajata na lokaciji analognega vhoda

za zajemanje podatka o CO2 ter spominski lokaciji krmilnika "DATA_CO2", kjer se

digitalni podatek shrani. Po uspešnem zapisu podatkov se podprogram zaključi ter se glede

na potek izvajanja glavnega programa začne izvajati naslednji podprogram.

2. PODPROGRAM KRMILJENJA VZORČEVALNIH VENTILOV ANALIZATORJA

Delovanje podprograma se izvaja po naslednjem algoritmu:

Slika 7.3: Algoritem podprograma krmiljenja vzorčevalnih ventilov analize

52

Na podlagi predhodno navedenih lastnosti sistema, ki omogočajo izvajanje analize

atmosfere v skladiščnih komorah s pomočjo samo enega analizatorja kisika in ogljikovega

dioksida ter uporabo vzorčevalnih ventilov (princip multipleksiranja) je potrebno izvesti

sistem meritev koncentracij navedenih plinov v kombinaciji z vključevanjem vzorčevalnih

plinov. Glede na nastavitve uporabnika katere komore je vključil v analizo in glede na

nastavljen čas analize vključenih komorah program določa vrstni red komor pri analizi.

Hkrati je potrebno preveriti stanje ostalih vzorčevalnih ventilov. Možnost vključitve dveh

vzorčevalnih ventilov je nedopustna.

Pred začetkom preverjanja zahtev za analizo skladiščnih komor se preverja signal za

zahtevo po kalibraciji analizatorja. Zahtevo o kalibraciji vključi uporabnik preko stikala

kadar želi s kalibrirnim plinom preveriti delovanje analizatorjev kisika in ogljikovega

dioksida. V tem primeru se zaprejo vsi ostali vzorčevalni ventili, vključi pa se ventil

kalibracije, ki se prav tako nahaja v stikalnem bloku analizatorja. Dokler je zahteva aktivna

je prekinjeno analiziranje v vseh skladiščnih komorah oziroma nitrogeneratorja.

Ko podprogram dobi zahtevo za analizo določene komore vključi pripadajoči vzorčevalni

ventil. Sledi korak branja vrednosti na lokaciji "DATA_O2" (opisano v podprogramu pod

točko 1) ter zapis te vrednosti na lokacijo "DATA_O2_Cx". Na tej lokaciji se hrani

podatek o koncentraciji kisika, ki ga je analizator izmeril, ko je bil vključen vzorčevalni

ventil pripadajoče komore.

Naslednja dva koraka sta identična prejšnjima le da se nanašata na meritev koncentracije

CO2 (lokaciji "DATA_CO2" in "DATA_O2_Cx").

Po zaključenem prenosu podatkov na lokacije rezervirane za pripadajoče komore se

preverja ali je še prisotna zahteva za analiziranje te komore. V kolikor je zahteva še aktivna

sledi skok iz podprograma in nadaljevanje izvajanja glavnega programa. V kolikor zahteva

ni več aktivna, se izključi vzorčevalni ventil analizirane komore, program pa se nadaljuje

pri testiranju pogoja za vzorčenje naslednje komore.

Poleg analiziranja vseh komor se izvaja še analiza zraka, ki ga generira nitrogenerator.

Uporabnik lahko na ta način analizira kakšno sestavo zraka vpihuje v komoro ob izvajanju

»pull-downa« (začetnem zniževanju koncentracije kisika v skladiščni komori).

Po preverjanju zahteve za analiziranje nitrogeneratorja (in morebitni izvedbi analize) sledi

skok iz podprograma in nadaljevanje izvajanja glavnega programa.

53

3. PODPROGRAM KALIBRACIJE ANALIZATORJEV

Delovanje podprograma se izvaja po naslednjem algoritmu:

Slika 7.4: Algoritem podprograma kalibracije analizatorjev

Kar se tiče izvajanja podprograma kalibracije analizatorjev je postopek dokaj enostaven.

Zahteva po kalibraciji prihaja s strani uporabnika preko stikala (signal na digitalni vhod

krmilnika). Ob aktivni zahtevi je potrebno zapreti vse vzorčevalne ventile komor in

nitrogeneratorja ter vključiti ventil kalibracije (preko katerega se priključi kalibrirni plin na

vhode analizatorjev).

Sam postopek kalibracije se odvija neodvisno od nadzornega programa ker uporabnik

primerja izmerjeno vrednost analizatorjev z znanimi vrednostmi koncentracij kalibrirnega

plina in analizatorje po potrebi ustrezno korigira.

54

4. PODPROGRAM KRMILJENJA VENTILOV ZA ABSORBCIJO CO2 IN

DOVAJANJE O2

Delovanje podprograma se izvaja po naslednjem algoritmu:

Slika 7.5: Algoritem podprograma krmiljenja ventilov adsorbcije CO2 in doziranja O2

Prvi trije podprogrami so izvajali meritve koncentracij v posameznih komorah ter

omogočali izvedbo kalibracije analizatorjev kisika in ogljikovega dioksida. Obravnavani

55

podprogram pa izvaja postopke v primeru izmerjenih vrednosti koncentracij izven

nastavljenih okvirov. Naprava, katere namen je odvzemanje CO2 (proizvajajo ga

skladiščena jabolka) iz skladiščnih komor se imenuje adsorber. Prav tako je adsorberju

dodana funkcija , ki omogoča dodajanje kisika (svežega zraka) v kolikor le-ta v skladiščni

komori pade pod nastavljeno vrednostjo. Adsorber je sicer samostojna naprava, ki deluje

avtonomno. Lahko pa jo vključimo v centralno nadzorni sistem na ta način, da preko njega

krmilimo delovanje elektro-pnevmatskih ventilov adsorberja, ki so glavni aktuatorji te

naprave.

Uporabnik ob zagonu sistema na nadzornem računalniku nastavi želene vrednosti

koncentracij kisika in ogljikovega dioksida, ki naj se vzdržujejo v komori med

skladiščenjem jabolk. Podprogram primerja te vrednosti z izmerjenimi vrednostmi in v

primeru, da padejo izven predhodno nastavljenih okvirov pošlje zahtevo za delovanje

adsorberja na določeni skladiščni komori. Ob potrebi po odvzemanju CO2 iz komore se

vključi ventil adsorbcije pripadajoče komore. Pri zahtevi po doziranju kisika pa se prav

tako vključi isti ventil ter dodatno še skupni ventil za doziranje kisika v komoro s pomočjo

zunanjega zraka iz okolice adsorberja (20,9% O2). Glede na opisan način delovanja je

potrebno izključiti možnost, da bi delovalo hkratno adsorbiranje dveh komor istočasno.

Prav tako je potrebno izključiti hkratno adsorbiranje CO2 in doziranje O2.

Pri takšnem delovanju sistema obstaja nevarnost, da bi se delovanje adsorberja predolgo

zadržalo na eni izmed komor, medtem ko bi na ostalih komorah vrednosti koncentracij

padle izven nastavljenih meja, kar bi povzročilo škodljive posledice na skladiščenem

blagu. V ta namen je v podprogram vgrajena dodatna "varovalka" – maksimalni čas

enkratne adsorbcije oziroma doziranja. Na ta način prekinemo delovanje ne glede na

izmerjeno vrednost v odnosu do nastavljene ter nadaljujemo testiranje pogojev za

adsorbcijo oziroma doziranje ostalih komor. V kolikor ni potrebe po delovanju v ostalih

komorah se program vrne nazaj na "kritično komoro". Maksimalni časi enkratnega

delovanja se prav tako vnesejo ob zagonu preko nadzornega računalnika s strani

uporabnika hladilnice.

56

7.2 Uporabniški del centralno nadzornega sistema kontrolirane atmosfere skladiščnih komor za jabolka

Opisani podprogrami skupaj z ostalimi predstavljajo tako imenovani spodnji del

centralno nadzornega sistema. To pomeni, da se izvajajo na nivoju krmilnika in

uporabniku niso direktno dostopni. Uporabnik na njih vpliva preko zgornjega dela

centralno nadzornega sistema oziroma SCADE (supervisory control and data aquisition),

ki omogoča vpliv na potek programa. Poleg tega se preko tega dela sistema javljajo

morebitne napake, beležijo važni podatki, prikazuje stanje celotnega hladilnega sistema

ipd.

V nadaljevanju je predstavljen uporabniški del centralno nadzornega sistema s pomočjo

katerega uporabnik nastavi lastnosti delovanja celotne hladilnice. Glede na temo naloge je

prikazan le del, ki se nanaša na izvajanje kontrolirane atmosfere v skladiščnih komorah za

jabolka. Osnovni zaslon sistema je tlorisni prikaz hladilnice s prikazom nekaterih osnovnih

parametrov (temperature, trenutni način delovanja ipd.) ter možnostjo izvajanja

najosnovejših operacij na sistemu (vklop hlajenja, analize..). Zaslon ima naslednji izgled:

Slika 7.6: Osnovni zaslon centralno nadzornega sistema hladilnice

57

Pogoj za začetek vzpostavljanja ULO atmosfere so ohlajena skladiščena jabolka v plinsko

tesno zaprti hladilni komori.

Prvi del postopka vzpostavljanja ULO atmosfere se izvaja s pomočjo nitrogeneratorja, ki

izpodriva kisik iz hladilne komore z vpihavanjem dušika v komoro. Ta postopek se izvaja

ročno. Na centralno nadzornem sistemu se samo spremlja analiza atmosfere v pripadajoči

komori ter analiza zraka, ki ga nitrogenerator pošilja v skladiščno komoro. S tem

postopkom se doseže koncentracija kisika nekje okoli 5%, nato pa se ta postopek zaključi.

Temu postopku rečemo tudi pull-down (zaradi hitrega zmanjševanja koncentracije kisika).

Nadaljna kontrola atmosfere v skladiščnih komorah se izvaja avtomatsko s pomočjo

centralno nadzornega sistema, ki krmili glede na potrebe in nastavitve adsorber

ogljikovega dioksida. Glavne nastavitve se izvedejo na osnovnem zaslonu.

S klikom na gumb Analiza vključimo celico v sistem analize (ciklično vključujemo

vzorčevalni ventil kot je bilo predhodno opisano). Informacija v kateri komori se trenutno

izvaja analiza je prikazana s pomočjo simbola vzorčevalnega ventila (le-ta se obarva

rumeno, ko analiza poteka v nasprotnem primeru je obarvan sivo). Poleg tega je potrebno

ob prvem zagonu nastaviti čas izvajanja analize za vsako izmed skladiščnih komor.

Pomembno je, da je čas izvajanje analize večji od odzivnega časa obeh analizatorjev. Iz

predhodno navedenih podatkov o vgrajenih analizatorjih je razviden odzivni čas senzorja

20 sekund. Zaradi tega je v programu nadzornega sistema potrebno onemogočiti nastavitev

časa vzorčenja nižje od te vrednosti. Ob dejstvu, da se v komori ne dogajajo hitre

spremembe koncentracij ter podatka, da imamo na tem objektu le sedem skladiščnih komor

je smiselno vzorčevalni čas nekoliko podaljšati in s tem povečati zanesljivost meritve. Iz

teh razlogov je vzorčevalni čas nastavljen na 300s.

Ostale nastavitve, ki se tičejo vzdrževanja kontrolirane atmosfere v skladiščni komori se

izvajajo na zaslonu na nivoju posamezne komore in so prikazane na naslednji sliki:

58

Slika 7.7: Zaslon na nivoju komore s poudarkom nastavitev kontrolirane atmosfere

Sistem nadzornega sistema kontrolirane atmosfere je deljen na dva dela in sicer na sistem

nadzora kisika in sistem nadzora ogljikovega dioksida v skladiščni komori. Za vsak sklop

je mogoče nastaviti način delovanja (ročno ali avtomatsko).

59

Avtomatski način deluje glede na razliko med želeno in dejansko vrednostjo koncentracije

enega izmed plinov. Ob poizkusnem zagonu se ob vzpostavitvi ULO atmosfere izmeri

okvirni čas, ki je potreben za dodajanje 0,1% kisika oziroma absorbcijo 0,1% ogljikovega

dioksida. Glede na ta čas in razliko med dejansko in želeno koncentracijo se izračuna čas

potreben za doziranje kisika oziroma absorbcijo ogljikovega dioksida. Vendar je potrebno

upoštevati dejstvo da je adsorber tehnično izveden tako, da lahko adsorbira oziroma dozira

le v eno skladiščno komoro. Zaradi tega je potrebno omejiti delovanje na eni skladiščni

komori z maksimalnim časom delovanja, ki prekine delovanje na tej komori ne glede na

stanje v njej, saj bi se v nasprotnem primeru lahko v ostalih komorah koncentracije

dvignile izven dovoljenih meja.

Ročni način pomeni delovanje adsorbcije oziroma doziranja samo glede na časovne

nastavitve ne ozirajoč se na izmerjene vrednosti koncentracij iz analizatorjev.

Kot zaščitni ukrep je izvedena še nastavitev za alarmiranje nedovoljenih odstopanj

koncentracij ogljikovega dioksida in kisika v posamezni komori. Alarmiranje se izvaja na

podlagi nastavitve odstopanja od želene vrednosti koncentracije posameznega plina ter

časa zakasnitve. Čas zakasnitve pomeni, da mora biti za ta čas koncentracija ogljikovega

dioksida neprestano iznad oziroma koncentracija kisika izpod mejne vrednosti.

7.3 Izvedba kalibracije analizatorjev

Iz sheme sistema meritev koncentracij kisika in ogljikovega dioksida (slika 7.1) je

razvidno, da imamo v stikalnem bloku analizatorja dodan še dodaten ventil. Ta ventil je

namenjen kalibraciji analizatorjev. Glede na podatek, da je meritev kisika izvedena s

elektro-kemijskim senzorjem kisika, je redna kalibracija še toliko bolj pomembna.

Elektrokemijski senzorji so namreč v direktnem kontaktu z vzorčenim plinom, saj se na

podlagi merjenega plina izvaja kemijska reakcija. Na osnovi kemijske reakcije dobimo

električni izhod (napetost) kot podatek o izmerjeni koncentraciji. Omenjena kemijska

reakcija povzroča trošenje elementa in s tem z leti manjšo občutljivost in večje napake pri

meritvi. Zato se od uporabnika zahteva redna kalibracija pred začetkom vsakega

skladiščenja ter tudi med skladiščenjem ob morebitnem zaznavanju nerealnih vrednosti.

60

Ker je odvisnost izhodnega signala senzorja kisika in ogljikovega dioksida linearna od

izmerjene koncentracije se kalibracija izvaja v dveh točkah in sicer:

• V točki 0% kisika in 0% ogljikovega dioksida. Na ventil kalibracije se priključi

testna jeklenka s 100% dušikom. Na nadzornem sistemu je potrebno vključiti

program kalibracija, ki vključi ventil kalibracije in hkrati zapre vse ostale

vzorčevalne ventile ter prekine vse morebitne aktivne signale za delovanje

adsorberja, saj le-ta deluje na podlagi izmerjenih vrednosti analizatorja. Po

določenem času, ki mora biti večji od odzivnega časa senzorjev se izvede korekcija

v primeru odstopanja in sicer mehanska s pomočjo potenciometra na samem

analizatorju in nato še eventualno programska na nadzornem sistemu, v kolikor

prihaja do razhajanja med prikazom na analizatorju in centralno nadzornem

sistemu.

• V točki 20% kisika ter 10% ogljikovega dioksida. Točki sta izbrani tako, da

izvajamo kalibracijo v zgornjem delu merilnega območja senzorjev. Postopek za

izvedbo je praktično identičen prvemu, le-da na ventil kalibracije dovedemo

jeklenko z zgoraj navedeno kombinacijo koncentracij posameznih plinov. V

primeru morebitnega odstopanja se prav tako izvede mehanska kalibracija

analizatorja, programska kalibracija je bila že predhodno izvedena. Nelinearnosti

napetostnega izhoda iz analizatorja pa v praksi še nismo zasledili v okviru teh

senzorjev.

Po zaključeni kalibraciji se na nadzornem programu izključi izvajanje programa

kalibracije. Po izključitvi se avtomatsko nadaljuje ciklično vzorčenje iz posameznih komor

na mestu kjer je bilo predhodno prekinjeno zaradi izvedbe kalibracije.

Del osnovnega zaslona prikazuje tudi stanje analizatorja v naslednji obliki:

Slika 7.8: Del zaslona s prikazom delovanja analizatorja

61

8. PRINCIP DELOVANJA ZORILNICE BANAN

Dejstvo, da banane gojijo daleč stran od nas vodi do tega, da prihajajo s pomočjo ladij v

evropska pristanišča kot nedozorele (zelene banane). Le na ta način namreč lahko preživijo

tako dolgotrajno pot do končnega potrošnika.

Zaradi tega jim je potrebno preden gredo na trgovske police umetno ustvariti pogoje za

zorenje. Zorenje poteka v zorilnicah banan s pomočjo etilena (C2H4). Etilen je brezbarven

plin (spada v družino alkenov) in ga najdemo tudi v naravi. V naravi ima funkcijo

rastlinskega hormona, ki povzroča metabolične procese v rastlinah (povzroča zorenje in se

ustvarja kot produkt metaboličnih procesov). Zaradi teh lastnosti etilen postaja plin,

katerega koncentracijo želimo vse pogosteje spremljati in nadzorovati pri skladiščenju

sadja in zelenjave. Za razliko od dolgotrajnega skladiščenja sadja in zelenjave, kjer ga

obravnavano kot nezaželen element (povzroča predčasno zorenje) ga pri zorilnicah banan

dodatno kontrolirano vpihujemo v zorilnice in s tem ustvarjamo pogoje za zorenje banan.

Tehnološko gledano zorilnice banan predstavljajo skladiščne komore z vgrajenim

(običajno indirektnim) sistemom hlajenja ter nekaterimi specifičnimi dodatki, ki

omogočajo zorenje banan.

Med te dodatke spadajo predvsem ventilatorji za cirkulacijo zraka, ki ustvarjajo zadosten

pretok zraka skozi palete, v katerih se nahajajo banane. Zadosten pretok zraka je potreben

zaradi prenosa toplote med bananami in zrakom. Proces zorenja zahteva poleg prisotnosti

etilena tudi ustrezne temperaturne pogoje za začetek zorenja. V ta namen so vgrajeni na

izstopni strani ventilatorjev električni grelci, ki po potrebi segrevajo zrak v zorilnici.

S stališča regulacije delovanja hladilnega sistema so dograjena temperaturna tipala ploda,

na podlagi katerega se krmili hladilni sistem v zorilnici. Drugi element regulacije je sistem

za dovajanje zorilnega plina (elitena). Dovajanje etilena se vrši preko zorilnega registra.

Nanj je priključena jeklenka z zorilnim plinom ter elektromagnetnimi ventili preko katerih

se spoji preko cevčic jeklenka zorilnega plina in zorilnica.

62

Izgled zorilnice z njenimi glavnimi elementi je prikazana na sliki 8.1. Glede na temo

diplomske naloge se v nadaljevanju opis nanaša zgolj na sistem dovajanja zorilnega plina

(etilena) ter krmiljenje tega sistema. Večina dosedanjih izvedb zorilnic nima vgrajenih

merilnikov koncentracij etilena, oziroma jih imajo vgrajene le v smislu informacije o

koncentraciji in niso vključeni v centralno nadzorni sistem kot element regulacije. Z

namenom povečanja kakovosti zorenja in predvsem zanesljivosti delovanja sistema se v

prihodnosti predvideva tudi vgradnja senzorjev etilena kot regulacijskega elementa

(omenjeno temo obravnava poglavje 9).

Slika 8.1: Fotografija zorilnice

Vstop zorilnega plina v zorilnico iz stropa (ni vidno iz fotografije)

Ventilatorji cirkulacije zraka

Palete z bananami

Temperaturno tipalo ploda (vbodeno v banano).

63

Obstoječi sistemi zorilnic količino vnesenega etilena v zorilnico regulirajo preko nadzora

časa odprtja elektromagnetnega ventila zorilnega plina na registru zorenja preko katerega

dovajamo plin v zorilnico.

Jeklenke zorilnega plina vsebujejo navadno 4 ali 5% etilena. Na registru zorilnega plina se

nahaja mehanski pretočni regulator in merilnik pretoka. S tema elementoma lahko

nastavimo in odčitamo pretok zorilnega plina v zorilnico v litrih na minuto.

Praksa zorenja je prinesla ugotovitev, da optimalno zorenje banan poteka pri koncentraciji

etilena v zorilnici med 400 in 500ppm. Poleg ustrezne koncentracije etilena potrebni tudi

ustrezni temperaturni pogoji. Iz navedenih podatkov o želeni koncentraciji, nastavljenem

pretoku in iz prostornine zorilnice se izračunava čas, ko mora biti odprt ventil zorilnega

plina, da se v zorilnico dovede želena koncentracija etilena, ki bo povzročila postopek

zorenja banan v njej.

Opisani princip delovanja se je v praksi pokazal za dovolj dobrega za izvedbo sistema. V

takšnem primeru pa ni vgrajenega nobenega varnostnega mehanizma (razen podatek o

prazni jeklenki zorilnega plina), ki bi zaznal morebitno napako na sistemu, katera lahko

onemogoča pravilen dovod zorilnega plina v zorilnico. Zaradi tega je potrebna večja

prisotnost tehnologa, ki vrši zorenje banan.

Že predhodno je bilo omenjeno, da je poleg ustrezne koncentracije etilena potrebno

ustvariti tudi ustrezne temperaturne pogoje ploda (banane), ki so se vnesle v zorilnico z

namenom zorenja. Temperatura ploda (za začetek zorenja mora biti okoli 16°C) se meri z

vbodnimi PT100 tipali, ki so preko pretvornika PT100/4..20mA spojeni na krmilnik in

posledično centralno nadzorni sistem. Ob izpolnjenem temperaturnem pogoju se dovede

etilen v zorilnico. Po dovedenem etilenu je zorilnica zaprta in ima za nastavljen čas na

centralno nadzornem sistemu blokiran sistem prezračevanja, ki bi sicer izpihal etilen iz

zorilnice. V tem času etilen opravi svojo funkcijo zorenja. Nato se vključi sistem

prezračevanja, skladiščene banane pa se po programu ustrezno ohlajuje pred dokončnim

transportom na trgovske police.

Obstoječa izvedba centralno nadzornega sistema tipične zorilnice je predstavljena na

naslednji sliki:

64

Slika 8.2: Centralno nadzorni sistem zorilnice banan.

To poglavje v osnovi opisuje sistem delovanja zorilnice banan predvsem z vidika meritve

in regulacije koncentracije etilena, dovedenega v zorilnico ob začetku zorenja. Ideja o

umestitvi senzorja etilena kot regulacijskega elementa centralno nadzornega sistema

zorilnic je predstavljena v poglavju 9. V prvem delu poglavja so predstavljeni principi

delovanja senzorjev za meritev koncentracij etilena, nato še zasnova algoritma

podprograma, ki vključuje meritev etilena v krmilni sistem zorilnice.

65

9 SENZORJI ETILENA

V osnovi se na tržišču pojavljata dve osnovni tehnologiji senzorjev za meritev koncentracij

etilena v zraku. Ena izmed tehnologij izkorišča absorpcijo elektromagnetnega valovanja

etilena v infrardečem spektru. Tehnologija je identična tehnologiji, ki je opisana v poglavju o

principu delovanja senzorjev ogljikovega dioksida. Razlika je le v tem, da se meritev izvaja

na drugi valovni dolžini glede na absorpcijske lastnosti etilena.

Druga tehnologija izkorišča dejstvo, da je etilen gorljiv plin. Intenziteta izgorevanja plina

povzroča sorazmerno spremembo temperature. Sprememba temperature je tako odvisna od

količine izgorelega plina kar posledično pomeni odvisnost temperature od koncentracije

gorljivega plina. Tehnologija se imenuje katalitična, ker se izgorevanje pospešuje s pomočjo

katalitičnega materiala. Delovanje je opisano v nadaljevanju na podlagi opisa zgradbe in

delovanja katalitičnega senzorja.

9.1 Katalitičen senzor etilena

Katalitičen senzor je kalorimeter, ki meri energijo, katera se sprosti ob izgorevanju

gorljivega plina ali njegovih hlapov. Med te pline spada tudi etilen.

Vsak gorljiv plin ima svojo karakteristično temperaturo pri kateri le-ta zagori. Temperatura se

imenuje vžigna temperatura. Vžigno temperaturo je mogoče dodatno znižati ob prisotnosti

določenega kemijskega medija, ki ima tako imenovane katalitične lastnosti. Izgorevanje plina

ob prisotnosti katalitičnega materiala imenujemo katalitično izgorevanje. Katalitične snovi

oziroma katalizatorji, ki se uporabljajo pri izdelavi senzorjev etilena, kot tudi ostalih gorljivih

plinov so platina, redkeje pa tudi paladij in torij.

Fizično je tipalni del senzorja izveden kot katalitična »kapljica« kot je prikazano na sliki 9.1

66

Slika 9.1: Katalitična »kapljica« kot tipalni del senzorja etilena [10]

Element prikazan na zgornji sliki ima v svojem jedru fino žično navitje izdelano iz platine.

Navitje ima dve funkciji. Prva funkcija je zagretje elementa na delovno temperaturo, ki

znaša okoli 500°C. Druga funkcija je detekcija spremembe temperature do katere je prišlo

zaradi izgorevanja etilena. Zaradi teh funkcij je platina zelo primeren element za izdelavo,

saj ima visok pozitiven temperaturni koeficient, ki je med 500°C in 1000°C (delovno

območje senzorja) tudi linearno odvisen od temperature. Posledica te linearnosti je

linearnost izhodnega električnega signala v odvisnosti od koncentracije etilena v zraku.

Poleg tega ima platina tudi ustrezne mehanske lastnosti za izvedbo navitij.

Platinasto fino žično navitje je vgrajeno v keramično ohišje z obliko kapljice, ki je

prevlečeno z materialom s katalitičnimi lastnostmi na katerem oksidira (izgoreva) etilen.

Senzor je izdelan iz dveh takšnih elementov, ki pa se razlikujeta po eni lastnosti.

Predhodno opisani element, ki je prevlečen s katalitično snovjo predstavlja merilni del

senzorja, drugi element pa predstavlja referenčni del senzorja. Referenčni element ima

identično zgradbo, le da keramično ohišje ni prevlečeno s katalitično snovjo. Referenčni

element tako reagira na spremembe vlažnosti merjenega vzorca zraka in na spremembo

temperature okolice. Ne reagira pa na etilen, saj le ta ne izgoreva, ker ni prisotne

katalitične snovi.

Merilni in referenčni element senzorja sta priključena v vejo Wheatsonovega mostiča, kot

je prikazano na sliki 9.2.

67

Slika 9.2: Wheatstonov mostič z vgrajenima elementoma senzorja etilena [10]

Izhodna električna veličina (napetost) je premo sorazmerna z intenzivnostjo izgorevanja

gorljivega plina (etilena).

Maksimalna izhodna vrednost se pojavi pri koncentraciji gorljivega plina pri kateri vse

molekule gorljivega plina reagirajo z vsemi prostimi molekulami kisika, kar se v zraku

dogaja glede na naslednjo kemično formulo:

222224 8282 NOHCONOCH ++=++ (9.1)

Iz enačbe je razvidno, da se za izvedbo reakcije 1 mola metana potrebuje 10 molov zraka.

To praktično pomeni, da je za popolno izgorevanje metana potrebna koncentracija 9,09% v

zraku. Kot je bilo že v uvodu predstavljeno delovanje senzorja temelji na osnovi oksidacije

gorljivih plinov, kar pomeni, da je senzor občutljiv na večino hidro-karbonatov (metan,

etilen, etanol, butan….). Senzorji takšnega tipa torej lahko zaznavajo celo paleto gorljivih

plinov s to slabostjo, da ni mogoče izvesti selekcije kateri plin merimo v kolikor imamo

zmes več različnih plinov. Seznam plinov s korekcijskimi faktorji, ki jih lahko merimo s

katalitičnem senzorjem je naveden v tabeli 9.1.

68

Dejstvo je, da večina proizvajalcev katalitične senzorje kalibrira v območju 0-100% LEL

metana. Kratica LEL (lower explosive limit) predstavlja spodnjo koncentracijo pri kateri je

določen plin eksploziv. Za metan znaša ta koncentracija 5% te koncentracije pa se navadno

nahajajo na polovici koncentracije popolnega izgorevanja. Za meritve ostalih gorljivih

plinov se nato uporabijo korekcijski faktorji s katerimi množimo dobljeni rezultat, da

dobimo pravilno koncentracijo merjenega plina. Metan, kot osnovni kalibrirni plin je

izbran predvsem zaradi dejstva, da je mnogo aplikacij izvedenih ravno za meritev metana,

hkrati pa je lahko dostopen za izvajanje kalibracij.

Korekcijski faktorji za ostale gorljive pline so predstavljeni v naslednji preglednici:

Preglednica 9.1: Seznam gorljivih plinov s korekcijskimi faktorji za senzorje, umerjene na metan

(M) in propan (P)

Detector Calibration P M Detector Calibration P M

Acetaldehyde 0.8 1.6 Ethylene 0.7 1.2

Acetic Acid 0.8 1.6 Ethylene Dichloride 0.7 1.4

Acetic Anhydride 1.0 2.0 Ethylene Oxide 0.9 1.8

Acetone 0.9 1.6 N Heptane 1.3 2.3

Acetylene 0.8 1.7 N Hexane 1.3 2.0

Acrylonitrile 1.0 2.0 Hydrogen 0.6 1.2

Alkyl Alcohol 0.9 1.9 Kerosene 1.4 2.8

Ammonia 0.35 0.6 LPG 1.1 2.1

N Amyl Alcohol 1.4 2.8 Methane (LNG) 0.5 1.0

Aniline 1.2 2.5 Methanol 0.5 1.2

Benzene 1.1 1.9 Methyl Chloride 4.0 8.0

1.3 Butadiene 0.8 1.3 Methyl Cyclohexane 1.0 2.0

N Butane 0.8 1.6 Methylene Dichloride 0.5 1.0

Iso Butane 0.9 1.8 Dimethyl Ether 0.7 1.4

Butene 1 1.0 2.0 Methyl Ethyl Ether 1.0 2.0

N Butanol 1.4 2.9 Methyl Ethyl Ketone 1.1 2.2

I Butanol 0.9 1.9 Methyl N Propyl Ketone 1.6 3.2

Tert Butanol 0.6 1.3 Naphthalene 1.3 2.8

Butyl Acetate 1.5 3.0 N Nonane 1.4 2.8

N Butyl Benzene 1.4 3.0 N Octane 1.3 2.6

69

Iso Butyl Benzene 1.4 3.0 N Pentane 1.0 1.9

Carbon Monoxide 0.6 1.2 Iso Pentane 1.0 1.9

Carbon Disulphide 4.0 8.0 Petrol 1.0 1.9

Carbon Oxysulphide 0.5 1.0 Propane 0.65 1.3

Cyclohexane 0.9 2.0 N Propanol 1.0 2.0

Cyclopropane 0.8 1.6 I Propanol 0.9 1.8

N Decane 1.4 2.8 Propylene 0.9 1.8

Diethylamine 0.9 1.8 Propylene Oxide 1.0 2.0

Dimethylamine 0.8 1.6 Iso Propyl Ether 1.0 2.0

2.3 Dimethylpentane 1.1 2.2 Propyne 1.1 2.2

2.2 Dimethylpropane 1.1 2.2 Styrene Monomer 4.0 8.0

Dimethyl Sulphide 1.1 2.2 Tetra Hydra Furan 1.0 2.1

Dioxane 1.0 2.0 Toluene 1.1 1.9

Ethane 0.7 1.4 Trimethylbenzene 1.5 3.0

Ethyl Acetate 0.9 1.8 White Spirit 1.5 3.0

Ethanol 0.6 1.85 o Xylene 1.2 2.8

Ethyl Benzene 1.3 2.6 m Xylene 1.1 2.2

Ethyl Bromide 0.5 1.0 p Xylene 1.1 2.2

Ethyl Chloride 0.8 1.6

Ethyl Cyclopentane 1.1 2.2

Ethyl Ether 1.0 2.1

Pri namenskih senzorjih ali analizatorjih etilena, ki so obravnavani v tem poglavju so

korekcijski faktorji že upoštevani. Na svojih izhodih oziroma prikazovalnikih že

prikazujejo vrednosti koncentracij etilena v zraku. V kolikor pa se uporabi splošni 0..100%

LEL metan senzor je potrebno upoštevati faktor za etilen, ki ga poda proizvajalec senzorja.

Ta faktor je odvisen od več parametrov senzorja, zato se ti faktorji lahko od proizvajalca

do proizvajalca nekoliko razlikujejo.

Glede na lastnosti katalitičnega senzorja lahko povzamemo, da so le-ti relativno preprosti

za izdelavo, hkrati pa zelo zahtevni pri izbiri (katalitičnih) materialov in kemijskih

postopkov za izdelavo. Izdelava in materiali močno vplivajo na kvaliteto senzorja. Zaradi

tega je pri izbiri teh senzorjev potrebna določena previdnost, saj se lahko od proizvajalca

do proizvajalca kvaliteta zelo razlikuje.

70

9.2 Infrardeči senzor etilena

Princip delovanja infrardečega senzorja etilena je identičen delovanju infrardečega

senzorja za detekcijo koncentracije ogljikovega dioksida. Princip delovanja je opisan v

poglavju 5.3. V nadaljevanju so navedene samo absorpcijske lastnosti etilena na podlagi

katerega so umerjeni pasovno prepustni filtri senzorja etilena.

Slika 9.3: Absorpcijske lastnosti etilena [10]

Iz zgornje slike je razviden absorpcijski pas etilena na podlagi katerega je potrebno

namestiti prepustni filter na sprejemnem delu senzorja. Običajno se za merilni signal

uporabi valovanje preko prepustnega filtra na valovni dolžini 11µm. Kot referenčni signal

pa se uporabi signal valovne dolžine izven območja med 10 in 12µm. Ostale lastnosti

delovanja so identične NDIR senzorju ogljikovega dioksida (poglavje 5.3), zato niso

ponovno navedene.

71

9.3 Primerjava izvedb z vidika vgradnje v zorilnice banan

V tem poglavju so navedeni karakteristični tehnični podatki obeh predhodno opisanih

predstavnikov merilnikov etilena. Prav tako kot pri meritvah koncentracij kisika in

ogljikovega dioksida je tudi v tem primeru s strani vgradnje meritve etilena potreben

zanesljiv prenos podatka o izmerjeni vrednosti na vhod krmilnika. V ta namen se tudi v

tem primeru koristi tokovna merilna zanka 4..20mA.

8. KATALITIČNI SENZOR ETILENA tip SX912 proizvajalec SENSOREX

Deluje na osnovi katalitičnih lastnosti etilena, kot je opisano v poglavju 9.1. Njegove

osnovne značilnosti so:

Merilno območje: 0-2000ppm…..0-2%

Odzivni čas: 90%FS znotraj 10sekund

Temperaturno območje: -10 do 55°C

Napajanje: 17..28VDC ali 15-24VAC

Kalibracija: minimalno 1x letno

Življenjska doba: minimalno 5 let

9. INFRARDEČI SENZOR ETILENA tip RI555 proizvajalec CEA Instruments

Inc.

Deluje na osnovi absorbcije elektromagnetnega valovanja v infrardečem spektru ob

prisotnosti etilena, kot je opisano v poglavju 9.2. Njegove osnovne značilnosti so:

Merilno območje: 0…5%

Natančnost: ±2% FS

Odzivni čas: 90%FS znotraj 10sekund

Temperaturno območje: 0….40°C

Napajanje: 115/230VAC

Kalibracija: proizvajalec ne navaja podatka

72

Življenjska doba: proizvajalec ne navaja podatka

S tehničnega stališča je vgradnja senzorja etilena, ki deluje na principu absorpcije boljša

rešitev. Prednost je mišljena predvsem z vidika pogostejše zahtevane kalibracije in samega

trošenja senzorja, ki deluje na katalitičnem principu. Vendar je pri dejanski izvedbi

potrebno upoštevati tudi dejstvo, da je cenovno razmerje približno 1:3 v korist

katalitičnega senzorja.

Glede na dejstvo, da je bil katalitičen senzor etilena SX912 že vgrajen v sistem zorilnice

(sicer samo v merilne namene, ni pa bil vgrajen v krmilni sistem zorilnice) in so bili

rezultati v skladu s podatki, ki jih podaja proizvajalec lahko umestimo tudi ta tip senzorja v

sistem zorilnice banan. Seveda je ob tem potrebna večja pazljivost s strani upravljalca

sistema oziroma servisne službe z vidika vzdrževanja in kalibracije senzorja.

9.4 Princip krmiljenja zorenja na osnovi meritve koncentracije etilena

Kot je bilo že v predhodnem poglavju opisano se v dosedanjih izvedbah zorilnic banan

koristi sistem za doziranje zorilnega plina na osnovi meritve časa doziranja (čas odprtja

ventila doziranja) ter nastavitve pretoka zorilnega plina iz jeklenke proti zorilnicam. Z

vgradnjo senzorja etilena kot krmilnega elementa za doziranje zorilnega plina bi njegova

meritev postala osnovni parameter za krmiljenje dozirnega ventila za zorilni plin. Na

centralno nadzornem sistemu se s strani tehnologa nastavi želena koncentracija etilena v

zorilnici na podlagi katere bi se zaprl dozirni ventil. Z namenom povečanja zanesljivosti ter

čim boljše detekcije morebitnih napak bi obstoječe »časovno« krmiljenje lahko prevzelo

funkcijo varovala na sistemu. Nastavljen časovni interval bi prevzel vlogo maksimalnega

dovoljenega časa doziranja, ker je mogoče predvideti čas v katerem se v zorilnici vzpostavi

želena koncentracija. Ta čas se nastavi na maksimalno predvideno vrednost v kateri bi se

želena koncentracija etilena v zorilnici morala vzpostaviti. V kolikor bi doziranje potekalo

preko maksimalnega časa, koncentracija v zorilnici pa še vedno ne bi bila dosežena, bi to

evidentno pomenilo napako na sistemu za dovajanje zorilnega plina ali dovajanje etilena v

odprto zorilnico. V tem slučaju je smiselno zapreti ventil doziranja ter na centralno

73

nadzornem sistemu generirati alarmno sporočilo o nedoseganju želene koncentracije

etilena v pripadajoči zorilnici.

Naslednji algoritem predstavlja delovanje podprograma, ki bi zagotavljal doziranje

zorilnega plina na podlagi meritve koncentracije etilena:

Slika 9.4: Algoritem delovanja dozirnega sistema na podlagi meritve etilena

74

Prvo prednost, ki jo predstavlja vgraditev senzorja etilena v zorilnico banan predstavlja

povečana zanesljivost pri sistemu dovajanja zorilnega plina na način, kot je to prikazano na

prejšnjem algoritmu (slika 9.4).

Dodatno prednost, ki jo lahko pričakujemo ob meritvi koncentracije etilena, se nanaša na

dejstvo, da banane v procesu zorenja prisotni etilen porabljajo. To pomeni, da

koncentracija etilena med zorenjem pada. Tehnolog zorenja lahko na podlagi beleženja o

porabi dovedenega etilena ter svojimi izkušnjami dodatno spremlja postopek zorenja ter

morebiti s pomočjo ustreznih nastavitev temperaturnih režimov korigira proces zorenja.

S strani izboljšanja zanesljivosti postopka zorenja bi bilo mogoče vključiti dodatno

varovalo, ki bi javljalo morebitno prehiter izpust zorilnega plina iz zorilnice. Program po

vnosu zorilnega plina blokira prezračevanje zorilnice za čas nastavljen s strani tehnologa

na centralno nadzornem sistemu. Vklop prezračevanja po plinjenju bi izpihalo doveden

zorilni plin, kar bi prekinilo postopek zorenja. V kolikor bi v času blokade prezračevanja

koncentracija drastično padla to pomeni, bodisi nepričakovano vključenje prezračevanja,

bodisi odprtje vrat v zorilnici. Vsekakor bi to pomenilo prekinitev procesa zorenja banan,

zato bi v takšnih primerih bilo smiselno na centralno nadzornem sistemu generirati

sporočilo ob takšnem dogodku.

75

10. REZULTATI IN UGOTOVITVE KONTROLE TER ANALIZE ATMOSFERE V SKLADIŠČIH SADJA

Iz predhodnih poglavij diplomske naloge lahko razberemo pomembnost kontrole in

analize atmosfere v kateri se skladišči oziroma zori sadje (čeprav se diplomska naloga

dotika predvsem na skladiščenje jabolk in zorenje banan se nekateri drugi sadeži

obravnavajo precej podobno).

Kvalitetno skladiščenje jabolk pomeni ponuditi trgu kvalitetno blago tudi izven sezone, kar

posledično pomeni višjo ceno in prednost pred konkurenco glede kvalitete, ki je v

današnjih časih zelo ostra tudi na tem področju. S tehnološkega stališča kvalitetno

skladiščenje jabolk pomeni povečevanje skladiščne dobe brez pretirane izgube kvalitete.

Podaljševanje skladiščne dobe pomeni vzdrževanje atmosfere z nizko vsebnostjo kisika na

robu malo nad mejo, kjer se začno v jabolkih dogajati anaerobne reakcije, ki praktično

uničujejo sadeže.

Tehnično to pomeni zagotavljati stalno kvalitetno analizo in vršiti natančno kontrolo nad

atmosfero v kateri se skladiščijo jabolka. Osnova zato je predvsem zanesljiva in točna

meritev ključnih sestavin atmosfere kot sta kisik in ogljikov dioksid. Potrebna zanesljivost

analize atmosfere je zelo velika saj kapaciteta ene skladiščne komore predstavlja tudi preko

10% letnega pridelka nekega proizvajalca.

Klasična kontrolirana atmosfera kot je opisana v poglavju 3 temelji na meritvah kisika in

ogljikovega dioksida. Tako tehnični podatki zbrani v poglavju 4 in 5, ki opisujejo pristope

in lastnosti različnih senzorjev kisika ter ogljikovega dioksida, kot tudi že izvedeni sistemi

prikazujejo, da je ob umestitvi ustreznih senzorjev, redni in pravilni kalibraciji le-teh

mogoče izvesti ustrezno analizo atmosfere, ki jo zahteva tehnologija ter jo ob ustrezni

opremi tudi nadzorovati. Glede izbire senzorjev kisika in ogljikovega dioksida je

pomembna lastnost sistema, da gre za počasne spremembe atmosfere v skladiščni komori.

To pomeni, da je mogoče analizo več skladiščnih komor mogoče izvesti z enim

analizatorjem, ki naj bi bil čim bolj kvaliteten predvsem kar se tiče natančnosti na

delovnem merilnem območju. Hitri odzivni časi senzorjev niso potrebni, pomembno pa je,

da so upoštevani pri multipleksiranju meritev s strani centralno nadzornega sistema. Pri

analizatorjih kisika je zaradi tega optimalna izbira analizatorjev, ki uporabljajo termo-

76

paramagnetne senzorje, medtem ko je pri analizi ogljikovega dioksida optimalna izbira

analizatorja z vgrajenim infra rdečim senzorjem.

Klasična kontrolirana atmosfera z nizko vsebnostjo kisika praktično pomeni dovolj dobro

aplikacijo za skladiščenje jabolk v dobi okoli 6 mesecev z ustrezno kvaliteto. Vendar je

znano, da ob teh pogojih še vedno obstajajo določene rezerve, ki jih skuša izkoristiti

dinamična kontrolirana atmosfera. Osnovna razlika med klasično in dinamično

kontrolirano atmosfero je v tem, da pri dinamični kontrolirani atmosferi želimo dejansko

spremljati stanje skladiščenih jabolk. Pri klasični kontrolirani atmosferi parametre

nastavimo glede na predhodne raziskave (seveda z nekaj rezerve). Spremljanje stanja

skladiščenih jabolk omogoča prilagajanje atmosfere (spuščanje koncentracije kisika) glede

na dejansko stanje in jo tako še bolj približati še dopustni meji. Doseganje oziroma

prekoračenje dopustne meje (nizke vrednosti kisika) pomeni sprožanje anaerobnih reakcij

v skladiščenih jabolkih, ki imajo za posledico tvorjenje predvsem etanola, ki se izloča v

atmosfero.

Spremljanje stanja skladiščenih jabolk tehnično pomeni zaznati koncentracije etanola v

zelo nizkih koncentracijah (območje nekaj ppb). Te koncentracije sporočajo dosego

spodnje meje koncentracije kisika v skladiščni komori ter izvajanje določenih ukrepov

(doziranje kisika).

Meritev etanola kot plina ni problematična, saj ima tako kot ostali ogljikovodiki tudi etanol

pas v katerem absorbira infrardeče valovanje. Problem se pojavi predvsem pri zelo nizkem

delovnem merilnem območju senzorja, ki ga zahteva tehnologija dinamične kontrolirane

atmosfere.

Kot je opisano v poglavju 6 se na trgu trenutno pojavljajo laboratorijske izvedbe

analizatorjev, ki se približujejo tako nizkim merilnim območjem. Vendar se meritve

izvajajo na nivoju laboratorijev in so seveda tudi analizatorji posledično zelo dragi.

Dejstvo je, da v praksi na našem širšem območju še ni izvedene dinamične kontrolirane

atmosfere, predvsem zaradi dejstva da zanesljivost takšnega sistema še ni popolna. S

stališča uporabnika bo dinamična kontrolirana atmosfera povečala kvaliteto in predvsem

dolžino skladiščenja. Vendar je tveganje zaradi ne dovolj velike zanesljivosti meritev

preveliko, saj so posledice prekoračitve dopustnih mej glede nizkih koncentracij kisika

lahko katastrofalne. Zato je smiselno spremljati razvoj in pojav industrijskih izvedb

analizatorjev etanola na zelo nizkih merilnih območjih ter ob ustrezni ponudbi le-teh testno

77

izvesti sistem dinamične kontrolirane atmosfere z namenom preizkusiti delovanje in

zanesljivost sistema.

Drugo področje, ki ga zajema diplomska naloga je meritev in krmiljenje dovajanja etilena

kot naravnega receptorja za povzročanje zorenja banan (poglavje 8 in 9). S stališča

uporabnika zorilnic banan meritev etilena predstavlja predvsem dodatno ugodnost, ki

izboljša kvaliteto procesa zorenja v zorilnicah in poveča zanesljivost delovanja zorilnice.

S tehničnega vidika se izvajanje meritve etilena vrši bodisi na podlagi katalize, bodisi na

podlagi absorpcije elektromagnetnega valovanja v infra rdečem spektru. Katalitični pristop

meritve je preprostejši, zato so tudi senzorji oziroma analizatorji tega tipa precej cenejši.

Kljub nekaterim slabostim katalitičnih senzorjev (iztrošenje, odziv na ostale gorljive pline)

se je v aplikaciji zorilnice banan pokazal glede na zahtevano merilno območje, časovno

odzivnost in dejstvo, da v zorilnicah ni prisotnih ostalih gorljivih plinov pokazal za

ustrezno rešitev. V poglavju 9 je predstavljen pristop kako vključiti podatek o etilenu v

sistem krmiljenja oziroma v delovanje centralno nadzornega sistema. V tem poglavju

prikazan algoritem, ki predstavlja osnovno izhodišče krmiljenja je smiselno v enem od

naslednjih projektov izvesti in testirati. Glede na ugotovitve testiranj skupaj s tehnologi

zorenja banan je potrebno izkoristiti dobljene podatke v smislu še večje avtomatizacije in

zanesljivosti delovanja.

Sorodno področje, kjer se senzorji etilena vse pogosteje pojavljajo v praksi, so skladišča

zelenih banan. Skladišča zelenih banan se navadno gradijo v sklopu večjih sistemov za

zorenje banan. To so velika hlajena regalna skladišča v katerih se skladišči zelena banana

preden gre v postopek zorenja. Velike količine skladiščenih banan pa v atmosfero

sproščajo tudi etilen, ki ob takšnih količinah banan ni zanemarljiv in lahko aktivira ter

pospešuje (v tem trenutku) nezaželeno zorenje banan. Zaradi tega dejstva je potrebno

takšna skladišča opremiti z ustreznim sistemom prezračevanja, s katerim izpihamo nastali

etilen iz objekta. Meritev etilena se tako ponekod uporablja kot zaščitni element v

skladiščih zelene banane, oziroma kot krmilni element sistema prezračevanja.

Kot zaključek lahko ugotovimo, da sodobne hladilnice sadja ne temeljijo zgolj na

vzdrževanju ustreznih temperaturnih režimov, temveč tudi na čim boljši analizi in kontroli

atmosfere v kateri se nahaja skladiščeno blago. To pomeni večjo kvaliteto blaga, ki prihaja

na prodajne police. Z ustrezno izvedbo meritev ključnih elementov v atmosferi (kisik,

ogljikov dioksid, etilen) so že izvedeni sistemi, ki zagotavljajo ustrezno skladiščenje

78

vendar nove tehnologije kot npr. dinamična kontrolirana atmosfera za skladiščenje jabolk

obetajo še dodatne kvalitete pri skladiščenju. Seveda je to mogoče ob ustrezni tehnični

rešitvi dodatne analize atmosfere (etanol), kar bo verjetno ob razvoju ustreznih senzorjev

izvedljivo v prihodnjih letih.

79

11. SKLEP

V hladilnicah želimo kontrolirati temperaturo, tlak v komori in sestavo zraka. Predvsem

so pomembni kisik, ogljikov dioksid in etilen. V nalogi so obravnavani v prvem delu

senzorji za analizo zraka v drugem pa vključitev podatkov pridobljenih preko teh senzorjev

v krmilni del centralno-nadzornega sistema hladilnice.

Z vidika senzorjev za analizo zraka diplomsko delo prinaša naslednje zaključke. S

poglobitvijo v teorijo delovanja senzorjev ter z analizo njihovih tehničnih podatkov lahko

lažje ugotovimo primernost oziroma neprimernost umestitve določenega tipa senzorja v

izbrano aplikacijo (predvsem z vidika aplikacij v hladilništvu in pri skladiščenju sadja).

Posebej meritev kisika prinaša zelo različne pristope pri izvedbi senzorjev

(elektrokemijski, paramagnetni, cirkonijeva celica…). Pri drugih obravnavanih senzorjih

različnih tehnologij za izvedbo ni tako veliko, je pa prisotnih več izpeljank senzorjev, ki

prinašajo specifične izvedbe:

• glede na pridobljene podatke in informacije iz teorije delovanja senzorjev lahko

ugotovimo, da termo-paramagnetni senzor kisika in nedisperzijki infra rdeči

senzor ogljikovega dioksida predstavljata optimalno rešitev za izvedbo aplikacij v

hladilnicah za jabolka.

• v praksi so pogostokrat vgrajeni elektrokemijski senzorji kisika, vendar je

ugotovljeno, da je to slabša rešitev predvsem zaradi trošenja senzorja med

njegovim delovanjem. Zato je potrebno uporabnika ob morebitni vgradnji

elektrokemijskega senzorja posebej opozoriti na to dejstvo. Razen problema

trošenja je potrebno skrajšati periodo izvajanja kalibracij. Glede drugih zahtev

(natančnost, odzivni časi) je tudi elektrokemijski senzor kisika ustrezna izbira.

• drugi predstavljeni tipi senzorjev so tako specifični, da zaradi ekonomskega

vidika v praksi ne pridejo v izbor za vgradnjo.

• v poglavju o dinamični kontrolirani atmosferi ter senzorju etanola je ugotovljen in

predstavljen problem pri meritvah koncentracije etanola v zelo nizkih merilnih

območjih (ppb), ki jih zahteva tehnologija dinamične kontrolirane atmosfera.

80

Ob izvedbi diplomske naloge so bile pridobljene določene informacije, ki obetajo v

prihodnosti industrijske izvedbe takšnih senzorjev in na ta način izvedbo dinamične

kontrolirane atmosfere z namenom izboljšanja kvalitete skladiščenja. Vključitev

pridobljenih meritev v krmilne sisteme hladilnic predstavlja drugo področje diplomske

naloge. V tem delu je predstavljen obstoječi krmilni sistem kontrolirane atmosfere v

hladilnici jabolk, ki je bil spuščen v obratovanje v letu 2007. Poleg tega so v poglavju o

zorilnicah banan in senzorju etilena predstavljene dodatne rešitve v krmilnem sistemu, ki

bi ob vgrajenem senzorju etilena lahko prinesle večjo zanesljivost delovanja (krmiljenje

doziranja plina na podlagi meritve koncentracije v zorilnici, nadzor nad prezračevanjem in

dodatno alarmiranje).

Z vidika izboljšav, ki jih prinaša diplomsko delo velja poudariti predvsem izboljšano

krmiljenje koncentracije etilena v zorilnicah in skladiščih za banane na podlagi meritev

izvedenih z vgrajenim senzorjem etilena. Izboljšave krmilnih algoritmov so mogoče pri

sistemu dovajanja etilena v zorilnico v fazi zorenja (iz obstoječega sistema z nastavitvijo

pretoka ter meritvijo časa dovajanja lahko izboljšamo sistem dovajanja plina glede na

izmerjeno koncentracijo v zorilnici). Prav tako je mogoče z vgraditvijo senzorja etilena v

skladišča zelene banane mogoče izboljšati sistem prezračevanja. Prezračevanje v takšnih

skladiščih je nujno zaradi izpiha etilena, ki ga proizvajajo skladiščene banane. Obstoječi

sistemi prezračevanja delujejo intervalno, nastavitve intervala so izvedene glede na

pridobljene izkušnje. Z vgradnjo senzorja etilena pa lahko intenziteto prezračevanja

določimo glede na ugotovljeno prisotnost etilena v skladišču. Prezračevanje izpihuje hladni

zrak iz skladišča na prosto in s tem lahko povzročamo pretirane izgube energije ob

neracionalnem sistemu prezračevanja. Pridobljene informacije in karakteristike o

delovanju posameznih senzorjev prinašajo predvsem lažje in kvalitetnejše odločitve glede

izbire opreme za analizo kontrolirane atmosfere, ki se pojavlja na tržišču in se vgrajuje v

obravnavane sistema.

Z diplomsko nalogo pridobljeno znanje in informacije prinašajo izhodišča za nadaljne

delo predvsem na naslednjih področjih:

• prvo področje je izdelava dodatnih programskih algoritmov, ki bodo še

izboljševali zanesljivost delovanja centralno nadzornega sistema predvsem v

81

smislu odkrivanja napak in alarmiranja ob neustrezni sestavi zraka v katerem se

nahaja sadje. Nekaj idej je predstavljenih v nalogi (nadzor doziranja zorilnega

plina, nadzor prezračevanja), dodatne ideje je smiselno pridobivati s strani

uporabnikov (tehnologov) ob predstaviotvi vključitve merilne opreme v

hladilnice za sadje.

• Drugo področje se nananaša na predvidevane izvedbe novih tehnologij za

skladiščenje jabolk, kot je dinamična kontrolirana atmosfera. Eden osnovnih

dejavnikov za realizacijo so ustrezne meritve sestave zraka (etanol). V nalogi so

predstavljeni problemi izvajanja teh meritev na območjih, ki jih zahteva

tehnologija dinamične kontrolirane atmosfere. Na podlagi tega je potrebno

spremljati razvoj ustreznih analizatorjev na trgu ter izvesti testne meritve, ko se

le-ti pojavijo na trgu. Po uspešno opravljenih meritvah je potrebno razmišljati o

njihovi vključitvi v krmilni del nadzornega sistema hladilnice.

82

VIRI, LITERATURA [1] Jay Lauer, Sensors for gas phase oxygen analysis. Dostopno na naslovu:

http://www.teledyneanalytical.com/pdf/lauer.pdf

[2] Analyser theory – general theory. Dostopno na naslovu:

http://www.analyzer.com/theory/documents/Oxygen%20Analysis/General%20The

ory.aspx

[3] Galvanic (Full Cell)-principle of operation. Dostopno na naslovu: http://www.delta-f.com/O2Guide/O2GuideGal.html

[4] Sensor technologies, galvanic and zirconia oxygen sensors. Dostopno na naslovu: http://www.hitech-inst.co.uk/pdfs/technical/oxygen_sensors.pdf

[5] Theory and operation of NDIR sensors. Dostopno na naslovu:

http://www.raesystems.com/~raedocs/App_Tech_Notes/Tech_Notes/TN-

169_NDIR_CO2_Theory.pdf

[6] LI-COR Biosciences; LI-820 gas analyser instruction manual. Dostopno na

naslovu: http://ftp.licor.com/env/LI-820/Manual/LI-820_Manual.pdf

[7] Carbon dioxide – What is CO2. Dostopno na naslovu: http://www.vaisala.com/instruments/products/carbondioxide/what%20is%20co2.pdf

[8] J.Hribar, R. Vidrih, T. Požrl, E. Zlatič, A. Plestenjak, M.Simčič Biotehniška

fakulteta, Oddelek za živilstvo, Ljubljana SKLADIŠČENJE SADJA V DINAMIČNI ATMOSFERI , SDHK V. posvetovanje, Zreče 2000.

[9] Spectometry application examples. Dostopno na naslovu: http://www.ir-microsystems.com/web/examples/AppExGas0605.pdf

[10] Catalytic combustible gas sensor. Dostopno na naslovu: http://www.intlsensor.com/pdf/catalyticbead.pdf

83

[11] EN 60751:1995 Industrial platinum resistance thermometer sensors, Avgust 1995

[12] Paramagnetic oxygen purity analyser Teledyne 3010MA-operating instructions. Dostopno na naslovu: http://www.teledyneanalytical.com/manuals/man_3010ma.pdf