Cum să măsurați debitul de apă pentru a îmbunătăți eficacitatea și eficiența tratamentului

Monitorizarea și măsurarea debitului și volumului de apă sunt necesare pentru îmbunătățirea eficienței și sustenabilității centralelor electrice și energetice, operațiunilor agricole și miniere, instalațiilor industriale și municipale de tratare a apei și a apelor uzate, procesării alimentelor și băuturilor și altor operațiuni similare.

Proiectanții sistemelor de apă au la dispoziție numeroase instrumente la care pot apela pentru a cuantifica apa disponibilă și debitul acesteia. Aceste instrumente minimizează sau elimină contactul direct cu apa, pentru a-i menține starea de puritate. Contoarele electromagnetice de debit (debitmetre electromagnetice) oferă o modalitate de cuantificare a apei curgătoare fără contact. Nivelul apei din rezervoarele de stocare poate fi măsurat cu ajutorul senzorilor fără contact, cum ar fi modelele cu ultrasunete și cele bazate pe radar. O a treia alternativă este reprezentată de senzorii etanșați de măsurare a nivelului de presiune hidrostatică, certificați pentru aplicații cu apă potabilă.

Articolul de față analizează funcționarea și beneficiile utilizării debitmetrelor electromagnetice și a senzorilor de presiune hidrostatică și compară funcționarea și aplicațiile senzorilor de nivel fără contact, cum ar fi modelele cu ultrasunete și cele bazate pe radar de la Endress+Hauser. Apoi, discută despre modul în care un manager de date poate înregistra, afișa și monitoriza operațiunile, precum și despre modul în care IO-Link poate asambla rapid și eficient un sistem complet de monitorizare a apei, folosind o linie de procesare a alimentelor și băuturilor ca exemplu de aplicație.

Legea inducției a lui Faraday descrie principiul de funcționare al transformatoarelor, inductoarelor, generatoarelor și senzorilor de debit electromagnetici. Într-un debitmetru electromagnetic, particulele încărcate electric din fluidul măsurat trec printr-un câmp magnetic creat de două bobine de câmp și se induce o tensiune. Tensiunea indusă este măsurată cu doi electrozi de măsurare (Figura 1).

Figura 1: Într-un debitmetru electromagnetic, particulele încărcate electric dintr-un fluid (săgeata albastră) trec între două bobine de câmp (liniile roșii), iar sondele măsoară tensiunea indusă (liniile verzi). (Sursa imaginii: Endress+Hauser)

Tensiunea indusă este direct proporțională cu viteza și volumul debitului. Câmpul magnetic este generat de o tensiune de curent continuu (c.c.) cu impulsuri. Prin alternarea polarității tensiunii c.c., se stabilește un punct zero stabil care face ca măsurătorile debitului să fie insensibile la conductivitatea scăzută sau la lichidele neomogene.

Debitmetrele electromagnetice Picomag din seria DMA50 sunt potrivite pentru o gamă largă de aplicații. Afișajul color TFT de 1,4" cu retroiluminare se rotește automat în funcție de orientare și de direcția fluxului, simplificând instalarea. Aceste contoare pot măsura simultan debitul, temperatura și conductivitatea. Precizia de măsurare a debitului de ±0,5 % poate fi atinsă cu o gamă largă de debite.

Modelul DMA20-AAACA1 are un domeniu de măsurare de la 0,1 la 50 de litri pe minut (l/min) și o presiune maximă de 232 de livre pe țol pătrat (psi). Are o conexiune de ¾" și un interval al temperaturii de funcționare de la -10 °C la 60 °C. Ca toate debitmetrele electromagnetice Picomag din seria DMA50, acesta dispune de conectivitate IO-Link. Bluetooth este activat prin aplicația SmartBlue de la Endress+Hauser, care simplifică și accelerează operarea, întreținerea și punerea în funcțiune, chiar și în locații dificile (Figura 2).

Figura 2: Exemplu de debitmetru electromagnetic Picomag din seria DMA50 care măsoară debitul (l/min) și conductivitatea (µS/cm). (Sursa imaginii: Endress+Hauser)

Modelul DMA20-AAACA1 are garnituri inelare din fluoroelastomer (FKM) care rezistă la substanțe chimice și la condiții termice excesive și acceptă procesele automate de curățare la fața locului (CIP) și sterilizare la fața locului (SIP) utilizate pentru curățarea și sterilizarea fără dezasamblare a utilajelor, vaselor sau țevilor.

Alte modele, cum ar fi DMA50-AAABA1, au garnituri inelare din etilen-propilen-dien (EPDM) care rezistă la ozon, lumina soarelui și intemperii. Aplicațiile tipice pentru debitmetrele electromagnetice Picomag includ:

• Cuptoare industriale care sunt răcite cu ajutorul apei care curge prin mai multe țevi de răcire
• Sisteme de procesare a alimentelor cu manta dublă care trebuie să măsoare debitul apei de încălzire și răcire
• Curățarea containerelor, cum ar fi sticlele, și procesele de pasteurizare beneficiază de monitorizarea temperaturii apei, a alimentării și a scurgerii pentru a maximiza utilizarea eficientă a apei

Detectarea nivelului ToF cu ultrasunete vs. radar

Senzorii de nivel cu ultrasunete și radar implementează măsurători ale timpului de zbor (ToF) bazate pe viteza sunetului și, respectiv, a luminii. Undele ultrasonice sunt reflectate de schimbarea densității dintre aer și suprafața materialului care urmează să fie măsurat. Senzorii radar, denumiți uneori radare în spațiu liber, emit microunde care sunt reflectate ca urmare a trecerii de la un mediu cu dielectricitate scăzută (ε_r scăzut), precum aerul, la un material cu dielectricitate mai mare.

În aplicații precum controlul pompelor și alarmele de nivel, senzorii de nivel cu ultrasunete din seria Prosonic FMU30 sunt concepuți pentru măsurarea fără contact a nivelului fluidelor, inclusiv a apelor potabile și uzate, a pastelor și a materialelor grosiere în vrac. Deoarece este o tehnologie fără contact, acești senzori au nevoi minime de întreținere. Sunt insensibili la constanta dielectrică și densitatea materialului sau la umiditatea din jur.

Domeniul de măsurare al senzorilor FMU30 depinde de dimensiunea senzorului. Aceștia sunt oferiți în două dimensiuni: senzorii de 1½", precum FMU30-AAHEAAGGF, au o rază de acțiune de 5 m în lichide și de 2 m în materiale în vrac, în timp ce senzorii de 2" au o rază de acțiune de 8 m în lichide și de 3,5 m în materiale în vrac.

Senzorii FMU30 au un interval al temperaturii de funcționare de la -20 °C la +60 °C. Aceștia utilizează principiul ToF pentru a măsura distanța. Cu toate acestea, viteza sunetului (și, prin urmare, ToF) variază în funcție de temperatură. Senzorii cu ultrasunete FMU30 au un senzor de temperatură integrat și compensează automat schimbările de temperatură pentru a asigura măsurători precise și repetabile.

Senzori de nivel cu radar

Senzorii de nivel cu radar din seria Micropilot FMR10 sunt optimizați pentru utilizarea cu materiale cu un ε_r de cel puțin 4. Aceștia sunt potriviți pentru măsurarea nivelului în rezervoare de stocare, bazine deschise, puțuri de pompare, sisteme de canale și aplicații similare. Etanșarea ermetică a cablajului previne pătrunderea apei (Figura 3). Dispun de conectivitate Bluetooth pentru a accelera punerea în funcțiune cu smartphone-uri și tablete. Alte caracteristici și specificații includ:

• Frecvență, banda K (aproximativ 26 GHz)
• Domeniu de măsurare până la 12 m
• Precizie de până la ±5 mm
• Presiunea procesului de la -1 bar la 3 bar (-14 psi la 43 psi)
• Temperatura de proces de la -40 °C la +60 °C

Figura 3: Senzor de nivel cu radar etanșat ermetic cu o rază de acțiune de până la 12 m. (Sursa imaginii: DigiKey)

Măsurarea nivelului hidrostatic

Monitorizarea disponibilității apei dulci în râuri, lacuri, rezervoare, turnuri de apă și fântâni poate fi importantă pentru gestionarea eficientă a apei. În aceste aplicații, proiectanții de sisteme de gestionare a apei pot utiliza dispozitive de măsurare a nivelului hidrostatic, cum ar fi sondele hidrostatice FMX11, care sunt certificate pentru aplicații cu apă potabilă (Figura 4). Caracteristicile și specificațiile FMX11 includ:

• Dimensiunea compactă, cu un diametru de 22 mm (0,87"), face ca aceste sonde să fie potrivite pentru aplicații precum foraje și puțuri de liniștire cu diametru mic
• Intervalul temperaturii de funcționare de la -10 °C la +70 °C
• Interval de măsurare de la 0 bar la 2 bar, 20 m H20 și de la 0 psi la 30 psi, în funcție de model; modelul FMX11-CA11FS10 poate măsura până la 0,6 bar (8,7 psi)
• Precizie de până la ±0,35 %
• Aprobările pentru apă potabilă includ Attestation De Conformite Sanitaire (ACS) din Franța,
• NSF/ANSI 61 din SUA și două certificări germane, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) și Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Comunicare analogică de la 4 la 20 mA

Figura 4: Senzorii hidrostatici ca acesta sunt omologați pentru utilizarea cu apă potabilă. (Sursa imaginii: DigiKey)

Gestionarea datelor

Indiferent de parametrii monitorizați – debit, temperatură, nivel sau orice altceva – și de tehnologia utilizată, datele rezultate trebuie să fie capturate și afișate într-un format care să susțină gestionarea proceselor. Proiectanții de sisteme pot utiliza managerul universal de date Ecograph T RSG35 care înregistrează, afișează și monitorizează semnalele de intrare analogice sau digitale. În plus, valorile măsurate sunt salvate în siguranță, iar valorile limită pot fi monitorizate.

Versiunea standard vine fără intrări de date analogice. Unele modele vin cu până la trei plăci de intrare opționale care pot fi adăugate, fiecare cu patru intrări universale analogice pentru un total de patru, opt sau 12 intrări analogice. De exemplu, modelul RSG35-C2A are opt intrări analogice universale, o mufă RJ45 pentru a facilita conexiunile Ethernet și accesul la internet, precum și un conector USB pentru periferice și transferuri de date. Ca toate modelele, RSG35-C2A include șase intrări digitale.

Serverul web integrat în managerii de date Ecograph T acceptă configurarea și vizualizarea de la distanță. Versiunea Essential a software-ului Field Data Manager este, de asemenea, inclusă, și poate fi utilizată pentru a salva datele într-o bază de date SQL securizată stocată în memoria internă sau pe un card SD separat pentru analiză. Ecranul color TFT de 5,7" poate afișa valorile măsurate în patru grupe, cu afișare digitală, de bare grafice și curbe (Figura 5). Caracteristicile suplimentare includ:

• Rata de scanare de 100 ms pentru toate canalele
• Operare cu ajutorul navigatorului integrat (selector cadru cu cadru/alternativ) sau operare simplă cu un PC prin intermediul serverului web integrat
• Pot fi trimise notificări prin e-mail în cazul alarmelor și al încălcării limitelor
• Suportul pentru interfețe precum Ethernet, RS232/485, USB și funcția opțională de slave pentru Modbus RTU/TCP accelerează integrarea în sistemele de automatizare industrială
• Aplicația WebDAV permite transmiterea directă a datelor salvate pe cardul SD, prin HTTP către un PC, fără software suplimentar.

Figura 5: Acest manager de date poate afișa valorile pentru patru parametri și poate trimite datele către un computer extern utilizând serverul web integrat. (Sursa imaginii: DigiKey)

IO-Link și unitățile modulare cu patine

IO-Link este standardizat prin standardul 61131-9 al Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC), unde se numește „Interfață de comunicare digitală single-drop (SDCI) pentru senzori și actuatoare mici”.

Unitățile modulare cu patine (sisteme de procesare modulare într-un cadru, care facilitează transportul și instalarea acestora) sunt adesea utilizate în procesarea alimentelor și băuturilor, în construcția de utilaje în general și în aplicațiile din domeniul științelor vieții.

O unitate modulară cu patine tipică va include mai puțin de 50 de dispozitive de câmp, cum ar fi senzori de debit, comutatoare de pornire/oprire, supape, traductoare de presiune, variatoare de frecvență, pompe etc. Unitățile modulare cu patine se bazează adesea pe conectivitatea IO-Link. Unitățile modulare cu patine includ uneori o interfață om-mașină, cum ar fi un ecran plat pentru interacțiuni locale, și se conectează la sistemul de automatizare a instalației de nivel superior utilizând un protocol Ethernet industrial, cum ar fi EtherNet/IP sau PROFINET. O arhitectură tipică de unitate modulară cu patine include (Figura 6):

• Un sistem de control extern ➊ care utilizează un protocol precum EtherNet/IP sau PROFINET (liniile verzi) pentru conectarea controlerelor dedicate ale fiecărei unități modulare cu patine pentru a coordona operațiunile acestora.
• În operațiunile auxiliare, cum ar fi schimbătoarele de căldură, dispozitive precum senzorii de debit electromagnetici Picomag ➋ utilizează IO-Link (liniile roșii) pentru a furniza date suplimentare despre proces și pentru a crește eficiența și timpul de funcționare.
• O conexiune master IO-Link ➌ colectează informațiile de la senzorii și actuatoarele individuale și le transmite la controlerul unității modulare cu patine utilizând un protocol precum EtherNet/IP sau PROFINET. De asemenea, masterul IO-Link poate să transmită comenzi de la controlerul unității modulare cu patine către dispozitive precum supape și actuatoare.
• Dispozitivele cu patru fire care nu se pot conecta cu un conector IO-Link cu trei fire ➍ se conectează direct la controlerul unității modulare cu patine utilizând un protocol la nivel de câmp precum EtherNet/IP sau PROFINET.

Figura 6: IO-Link (liniile roșii) este utilizat pentru comunicarea internă pe o unitate modulară cu patine, iar EtherNet/IP sau PROFINET (liniile verzi) se utilizează atât pentru comunicarea internă, cât și pentru conectivitatea externă. (Sursa imaginii: Endress+Hauser)

Concluzie

Monitorizarea și măsurarea cantității și mișcării apei este importantă în diverse aplicații. Din fericire, proiectanții sistemelor de gestionare a apei au la dispoziție mai multe instrumente, inclusiv debitmetre electromagnetice, senzori de nivel cu ultrasunete și radar, senzori de nivel hidrostatic și manageri de date. Aceste dispozitive, împreună cu conectivitatea IO-Link, sunt adesea utilizate pentru a construi platforme modulare pentru aplicații precum procesarea alimentelor și băuturilor.