Utilizarea senzorilor de nivel hidrostatici pentru îmbunătățirea eficienței tratării apei dulci

Apa curată și proaspătă este vitală. Instalațiile de tratare a apei potabile sunt prezente aproape peste tot. Pentru a funcționa eficient, aceste instalații trebuie să monitorizeze nivelul apei disponibile în puțuri, bazine de stocare, râuri, rezervoare și alte zone.

În funcție de aplicație și de condițiile de funcționare, nivelurile apei pot fi monitorizate utilizând dispozitive mecanice, cum ar fi flotoarele, sau dispozitive cu semiconductori, cum ar fi senzorii de nivel hidrostatici. Unele tehnologii sunt mai potrivite pentru aplicații la nivel punctual, pentru a monitoriza praguri de nivel specifice și pentru a preveni deversările. În schimb, altele sunt potrivite pentru măsurarea continuă a nivelului în sistemele de control al procesării și de gestionare a stocurilor.

Acest articol începe cu o prezentare generală a aplicațiilor de monitorizare la nivel punctual și la nivel continuu. Apoi, prezintă principiile de funcționare a senzorilor de nivel hidrostatici și analizează unele utilizări ale acestor senzori în instalațiile de tratare a apei potabile.

Analizează pe scurt modul în care Agenția pentru Protecția Mediului (EPA) din SUA ține evidența consumului de apă dulce utilizând un „registru de captare”, apoi analizează unii senzori de nivel hidrostatici disponibili de la Endress+Hauser. Se încheie cu sugestii de aplicații în cazul integrării senzorilor în instalații de infrastructură critică, cum ar fi instalațiile de tratare a apei potabile.

Senzorii de nivel cu flotor sunt dispozitive mecanice simple. Flotorul se ridică și coboară odată cu nivelul apei. Această mișcare deschide și închide un comutator mecanic care indică momentul în care a fost depășit un anumit nivel al apei. Acești senzori sunt adesea utilizați pentru a preveni umplerea excesivă a rezervoarelor și deversarea de apă sau umplerea excesivă și deteriorarea pompelor sau a altor echipamente.

Senzorii de nivel hidrostatici oferă o măsurare continuă a nivelului apei. Aceștia sunt utilizați în mod obișnuit în rezervoarele și bazinele de depozitare și tratare din instalațiile de tratare a apei dulci. Pe măsură ce bazinul se umple sau se golește, greutatea apei de deasupra senzorului de nivel hidrostatic se modifică, iar senzorul produce o ieșire în funcție de înălțime (Figura 1). Acest lucru îi face deosebit de utili pentru aplicațiile de control al proceselor.

Figura 1: Senzorii cu flotor se mișcă în sus și în jos (stânga) și pot monitoriza niveluri specifice într-un bazin, în timp ce senzorii hidrostatici sunt staționari și asigură monitorizarea continuă a nivelului (dreapta). (Sursa imaginii: Endress+ Hauser)

Senzorii de nivel hidrostatici măsoară presiunea coloanei de apă de deasupra diafragmei de pe partea inferioară a senzorului. Un ulei hidraulic incompresibil transmite presiunea de la diafragmă la mecanismul senzorului. Interfața de suprafață dintre uleiul hidraulic și apă este relativ mare, iar presiunea este concentrată pe o coloană mai mică care ajunge la mecanismul senzorului. Mecanismul de detecție constă într-o punte Wheatstone care își modifică rezistența pe măsură ce substratul este deviat (Figura 2).

Figura 2: Structura internă a unui senzor de nivel hidrostatic tipic (stânga) și o reprezentare a mecanismului de detectare cu punte Wheatstone care este deviat (dreapta). (Sursa imaginii: Endress+ Hauser)

Senzorii de nivel hidrostatici combină fiabilitatea ridicată cu costurile de instalare foarte scăzute. Aplicațiile lor variază de la stațiile de tratare a apei dulci, unde asigură funcționarea eficientă, până la monitorizarea ecosistemelor locale de apă pentru a asigura disponibilitatea apei pe termen lung.

Tratarea apei dulci

Captarea apei (retragerea, extracția și admisia apei) este primul pas în furnizarea apei potabile. Este procesul de preluare a apei din orice sursă. Cantitatea de apă disponibilă este monitorizată îndeaproape cu ajutorul unor dispozitive precum senzorii de nivel hidrostatici.

Restul detaliilor privind procesarea apei dulci variază în funcție de reglementările locale, dar este necesară monitorizarea nivelului apei în întreaga fabrică. Unele etape comune includ (Figura 3):

• Coagularea se realizează prin adăugarea de substanțe chimice cu sarcină pozitivă în apă pentru a neutraliza sarcina negativă a impurităților și a altor particule dizolvate.
• Flocularea implică un al doilea proces chimic în care particulele coagulate formează particule mai mari numite flocoane.
• Sedimentarea este momentul în care flocoanele se depun pe fundul apei, iar nămolul este eliminat.
• Filtrarea constă în îndepărtarea particulelor dizolvate rămase și a germenilor cu ajutorul diferitelor filtre.
• Dezinfecția utilizează clor sau cloramină pentru a ucide paraziții, bacteriile, virusurile și germenii.
• Stocare și distribuție. Procesarea apei dulci este un proces continuu, dar în majoritatea orașelor, consumul de apă atinge cote maxime dimineața și seara, necesitând instalații de stocare mari pentru a adapta disponibilitatea apei dulci în funcție de cerere.

Figura 3: Tratarea apei potabile poate include numeroase procese care trebuie monitorizate îndeaproape pentru a asigura calitatea apei și conformitatea cu reglementările legale. (Sursa imaginii: Endress+Hauser)

Registru de captare

Disponibilitatea adecvată a apei este necesară pentru a asigura procesarea eficientă a apei dulci. Legislația de mediu controlează captarea apei brute din surse naturale pentru a evita afectarea echilibrului local al apei.

În Europa, menținerea unor niveluri și debite adecvate de apă este dictată de Directiva-cadru privind apa, care se concentrează asupra gestionării cantitative și calitative a resurselor naturale de apă. În SUA, EPA are obiective similare și monitorizează îndeaproape captarea apei.

EPA colectează informații privind cantitatea de apă captată, precum și informații privind evacuările de apă, pentru a evalua riscul de captare excesivă. Datele sunt raportate într-un registru de captare elaborat anual. Senzorii de nivel hidrostatici sunt instrumente importante pentru monitorizarea sănătății ecosistemelor acvatice locale.

Senzori de nivel hidrostatici

Senzorii de nivel hidrostatici sunt dispozitive extrem de versatile. Aplicațiile tipice includ:

• Monitorizarea nivelurilor în râuri, lacuri, stații de măsurare și rezervoare
• Asigurarea disponibilității apei potabile în turnurile de apă și bazinele de stocare
• Măsurarea nivelului apei în puțuri

Diametrul compact, de 22 mm, al senzorilor de nivel hidrostatici submersibili Waterpilot FMX11 de la Endress+Hauser îi face ușor de integrat. Acești senzori furnizează un semnal de ieșire de la 4 la 20 mA, compatibil cu înregistratoare de date, contoare de panou, controlere logice programabile (PLC) și alte echipamente de control al proceselor.

Senzorii de nivel hidrostatici Waterpilot FMX11 au mai multe certificări pentru apă potabilă, inclusiv National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) în SUA, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) în Franța și TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser în Germania.

Carcasa este fabricată din aliaj de oțel inoxidabil 316 și este aprobată pentru aplicații cu apă potabilă de către Food and Drug Administration (FDA). Cablul de prelungire ecranat include un tub de compensare a presiunii atmosferice cu un filtru de teflon într-o manta din elastomer termoplastic (TPE) rezistent la abraziune și la lumina ultravioletă (UV). TPE și teflon sunt, de asemenea, aprobate de FDA pentru aplicații cu apă potabilă (Figura 4).

Figura 4: Senzorii de nivel hidrostatici Waterpilot au mai multe certificări internaționale pentru aplicații cu apă potabilă și sunt fabricați folosind materiale aprobate de FDA. (Sursa imaginii: DigiKey)

Specificații generale:

• Intervalul temperaturii de funcționare de la -10 °C la +70 °C
• Protecție IP68
• Precizie ≤ ±0,35 % pentru domeniul de măsurare al senzorului ≥ 400 mbar
• Precizie ≤ ±0,50 % pentru domeniul de măsurare al senzorului < 400 mbar
• Certificare cULus

Modele disponibile:

• FMX11-CA11DS06 cu un domeniu de detecție de la 0 la 0,2 bar (coloană de apă de 6,7 ft (2,04 m)) și un cablu de 6 m
• FMX11-CA11FS10 cu un domeniu de detecție de la 0 la 0,4 bar (coloană de apă de 13,4 ft (4,08 m)) și un cablu de 10 m
• FMX11-CA11GS20 cu un domeniu de detecție de la 0 la 0,6 bar (coloană de apă de 20,1 ft (6,12 m)) și un cablu de 10 m
• FMX11-CA11HS20 cu un domeniu de detecție de la 0 la 1 bar (coloană de apă de 33,5 ft (10,21 m)) și un cablu de 20 m
• FMX11-CA11KS30 cu un domeniu de detecție de la 0 la 2 bar (coloană de apă de 66,9 ft (20,39 m)) și un cablu de 30 m

Maximizarea disponibilității instalației de tratare a apei

Instalațiile de tratare a apei potabile sunt infrastructuri critice și necesită niveluri ridicate de fiabilitate. Senzorii Waterpilot FMX11 sunt testați conform liniilor directoare privind compatibilitatea electromagnetică (CEM) din EN 1000-4-5/IEC 61000-4-5, care definesc cerințele și metodele de testare a capacității de a rezista la supratensiuni.

Cu toate acestea, testele CEM de bază acoperă numai supratensiunile de până la 2 kV pe liniile electrice principale sau 1 kV pe liniile de semnal. Acest lucru poate fi insuficient pentru infrastructura critică, unde chiar și fulgerele indirecte sau operațiunile de comutare pot cauza supratensiuni de până la 10 kV în câteva microsecunde.

Endress+Hauser recomandă utilizarea descărcătoarelor de supratensiune pentru a asigura disponibilitatea instalației. Descărcătoarele de supratensiune sunt disponibile și proiectate pentru montare pe șină DIN în dulapuri de comandă și pentru montare directă într-o carcasă de câmp:

• Descărcătoare de supratensiune HAW562, cum ar fi HAW562-AAD, pentru a proteja liniile de alimentare și de comunicații din dulapurile de comandă
• Descărcătoare de supratensiune HAW569 pentru instrumentația de câmp de procesare, cum ar fi HAW569-CB2C pentru cabluri de alimentare și de semnal și HAW569-DA2B pentru cabluri de semnal (Figura 5)

Figura 5: HAW569-CB2C pentru cabluri de alimentare și semnal (sus) și HAW569-DA2B pentru cabluri de semnal (jos). (Sursa imaginii: Endress+Hauser)

Instalația recomandată pentru disponibilitate maximă include (Figura 6):

1. Senzor de nivel hidrostatic Waterpilot FMX11
2. Descărcătoare de supratensiune HAW
3. Unitate de afișare și evaluare cu o intrare pentru un semnal de senzor de la 4 la 20 mA
4. Sursă de alimentare

Figura 6: Schema bloc a instalației Waterpilot FMX care prezintă pozițiile celor două descărcătoare de supratensiune (2). (Sursa imaginii: Endress+ Hauser)

Tensiunea de alimentare este cuprinsă între 8 V_c.c. și 28 V_c.c., iar consumul de curent este de maximum 22 mA și minimum 2 mA. Atunci când este utilizată în exterior, sursa de alimentare trebuie să fie amplasată într-o cutie de borne clasificată IP66/IP67. Un întrerupător de circuit care îndeplinește cerințele IEC 61010 este foarte recomandat.

Senzorii de nivel hidrostatici Waterpilot FMX11 au protecție integrată împotriva polarității inverse și nu vor fi deteriorați în cazul în care cablurile de alimentare sunt conectate necorespunzător. În cazul unei conexiuni cu polaritate inversă, dispozitivul nu este operațional.

Nivelurile de integritate a siguranței și atmosferele explozive

De asemenea, senzorii de nivel hidrostatici trebuie să funcționeze în siguranță, chiar și în prezența atmosferelor explozive. IEC 61508 definește nivelurile de integritate a siguranței (SIL), iar IEC 61511 este o adaptare specifică aplicației IEC 61508 pentru industria de proces. Unitățile HAW569 sunt proiectate pentru utilizare în instrumentația de teren și îndeplinesc cerințele SIL2. Descărcătoarele de supratensiune HAW562 sunt destinate utilizării în aplicații mai puțin periculoase în dulapuri de echipamente și sunt disponibile opțional cu SIL2.

Situația este similară cu cea utilizată în atmosferele explozive (Ex). Descărcătoarele de supratensiune HAW562 sunt disponibile opțional cu aprobări Ex cu siguranță intrinsecă. Două certificări Ex comune sunt Ex ia și Ex d.

Certificarea Ex ia oferă protecție intrinsecă care garantează că energia internă maximă a dispozitivului și a cablajului acestuia rămâne sub nivelul de energie necesar pentru a provoca aprinderea, chiar și în cazul unei defecțiuni. Este destinată utilizării în zonele în care un amestec de gaze explozive este prezent pe durate lungi de timp sau continuu și reprezintă un pericol semnificativ.

Dispozitivele certificate Ex d sunt proiectate să reziste la o explozie internă fără a suferi daune. Aceste dispozitive sunt destinate utilizării în zone critice în care este probabil să apară un amestec de gaze exploziv în timpul funcționării normale, prezentând o condiție periculoasă intermitentă.

Unitățile HAW569 concepute pentru protejarea cablurilor de semnal sunt disponibile opțional cu aprobare Ex ia, în timp ce aprobarea Ex d este o opțiune pentru cele concepute pentru protecția simultană a cablurilor de semnal și de alimentare. De asemenea, descărcătoarele de supratensiune HAW562 sunt disponibile cu aprobări opționale Ex cu siguranță intrinsecă.

Concluzie

Există mai multe aplicații pentru senzorii de nivel hidrostatici, inclusiv controlul proceselor și gestionarea stocurilor în instalațiile de tratare a apei potabile, precum și monitorizarea surselor de apă, cum ar fi puțuri, râuri, lacuri și rezervoare, pentru a asigura disponibilitatea și durabilitatea apei. Instalațiile de tratare a apei potabile sunt infrastructuri critice și trebuie protejate într-un mod adecvat pentru a asigura funcționarea continuă.

Senzorii de nivel hidrostatici Waterpilot FMX11 sunt fabricați folosind materiale aprobate de FDA pentru aplicații cu apă potabilă și au mai multe aprobări internaționale conexe. Endress+Hauser recomandă, de asemenea, utilizarea descărcătoarelor de supratensiune și oferă modele cu performanță SIL2 și certificări Ex ia și Ex d pentru senzorii Waterpilot FMX11.