Sådan måler du vandgennemstrømningen for at forbedre behandlingseffektiviteten

Overvågning og måling af vandgennemstrømning og -mængde er nødvendig for at forbedre effektiviteten og bæredygtigheden af kraft- og energianlæg, landbrug og minedrift, industrielle og kommunale vand- og spildevandsbehandlingsanlæg, fødevare- og drikkevareforarbejdning og lignende aktiviteter.

Der er flere værktøjer, som designere af vandsystemer kan bruge til at kvantificere tilgængeligt vand og dets flow. Disse værktøjer minimerer eller eliminerer direkte kontakt med vandet for at bevare dets renhed. Elektromagnetiske flowmålere (mag-flow) er en berøringsfri måde at kvantificere strømmende vand på. Vandstanden i lagertanke kan måles ved hjælp af berøringsfrie sensorer som ultralyds- og radarbaserede designs. Et tredje alternativ er forseglede hydrostatiske trykniveausensorer, der er certificeret til drikkevandsapplikationer.

Denne artikel gennemgår driften og fordelene ved at bruge magnetiske flowmålere og hydrostatiske tryksensorer og sammenligner driften og anvendelsesmulighederne for berøringsfrie niveausensorer som ultralyds- og radarbaserede designs fra Endress+Hauser. Derefter diskuteres det, hvordan en datamanager kan registrere, vise og overvåge driften, og hvordan IO-Link hurtigt og effektivt kan sammensætte et komplet vandovervågningssystem ved hjælp af en føde- og drikkevareforarbejdningslinje som et anvendelseseksempel.

Faradays induktionslov beskriver driftsprincippet for transformatorer, induktorer, generatorer og magnetiske flowsensorer. I en magnetisk flowmåler strømmer elektrisk ladede partikler i den væske, der måles, gennem et magnetfelt skabt af to feltspoler, og der induceres en spænding. Den inducerede spænding måles med to måleelektroder (figur 1).

Figur 1: I en magnetisk flowmåler flyder elektrisk ladede partikler i en væske (blå pil) mellem to feltspoler (røde linjer), og proberne måler den inducerede spænding (grønne linjer). (Billedkilde: Endress+Hauser)

Den inducerede spænding er direkte proportional med flowets hastighed og volumen. En pulserende jævnstrømsspænding (DC) genererer magnetfeltet. Ved at skifte polaritet på DC-spændingen etableres et stabilt nulpunkt, der gør flowmålinger ufølsomme over for væsker med lav ledningsevne eller inhomogene væsker.

Picomags magnetiske flowmålere i DMA50-serien er velegnede til en lang række anvendelser. Det 1,4" store TFT-farvedisplay med baggrundsbelysning roterer automatisk afhængigt af orientering og flowretning, hvilket forenkler installationen. Disse målere kan måle flow, temperatur og ledningsevne på samme tid. Flowmålingens nøjagtighed på ±0,5 % kan opnås over en bred vifte af flowhastigheder.

Model DMA20-AAACA1 har et måleområde på 0,1 til 50 liter pr. minut (l/min) og et maksimalt tryk på 232 pund pr. kvadrattomme (psi). Den har en ¾"-tilslutning og et driftstemperaturområde på -10 °C til 60 °C. Som alle magnetiske flowmålere i Picomags DMA50-serie har den IO-Link-forbindelse. Bluetooth aktiveres via Endress+Hausers SmartBlue-app, som forenkler og fremskynder drift, vedligeholdelse og idriftsættelse, selv på udfordrende steder (figur 2).

Figur 2: Eksempel på en magnetisk flowmåler i Picomag DMA50-serien, der måler flow (l/min) og ledningsevne (µS/cm). (Billedkilde: Endress+Hauser)

Model DMA20-AAACA1 har O-ringe af fluorelastomer (FKM), der er modstandsdygtige over for kemikalier og høje temperaturer, og som understøtter automatiserede CIP- (clean-in-place) og SIP- (sterilization-in-place) processer, der bruges til at rengøre og sterilisere maskiner, beholdere eller rør uden adskillelse.

Andre modeller som DMA50-AAABA1 har O-ringe af ethylenpropylendien (EPDM), som er modstandsdygtige over for ozon, sollys og vejrlig. Typiske anvendelser for Picomag magnetiske flowmålere omfatter:

• Industriovne, der køles ved hjælp af vand, der strømmer gennem flere køleledninger
• Fødevareforarbejdningssystemer med dobbelt kappe, der skal måle flowet af varme- og kølevand
• Rengøring af beholdere som flasker og pasteuriseringsprocesser drager fordel af overvågning af vandtemperatur, tilførsel og afløb for at maksimere den effektive brug af vand.

Ultralyd vs. radar ToF niveaumåling

Ultralyds- og radarniveausensorer implementerer ToF (Time Of-Flight) baseret på henholdsvis lydens og lysets hastighed. Ultralydsbølger reflekteres af ændringen i tæthed mellem luften og materialets overflade, der skal måles. Radarsensorer, også kaldet frirumsradar, udsender mikrobølger, der reflekteres på baggrund af skiftet fra et lavt dielektrisk (lav ε_r) medium som luft til et materiale med højere dielektrisk konstant.

I applikationer som pumpestyring og niveaualarmer er Prosonics ultralydssensorer i FMU30-serien designet til berøringsfri niveaumåling af væsker, herunder drikke- og spildevand, pastaer og grove bulkmaterialer. Da det er en berøringsfri teknologi, har disse sensorer et minimalt behov for service. De er ufølsomme over for materialets dielektriske konstant og densitet eller den omgivende luftfugtighed.

Måleområdet for FMU30-sensorer afhænger af sensorens størrelse. De tilbydes i to størrelser: 1½"-sensorer som FMU30-AAHEAAGGF har en rækkevidde på 5 m i væsker og 2 m i bulkmaterialer, mens 2"-sensorer har en rækkevidde på 8 m i væsker og 3,5 m i bulkmaterialer.

FMU30-sensorerne har et driftstemperaturområde på -20 °C til +60 °C. De bruger ToF-princippet til at måle afstand. Men lydens hastighed (og dermed ToF) varierer med temperaturen. FMU30-ultralydssensorerne har en integreret temperatursensor og kompenserer automatisk for temperaturændringer for at sikre nøjagtige og gentagelige målinger.

Radar-niveau-sensorer

Micropilot FMR10-seriens radarniveausensorer er optimeret til brug med materialer med en ε_r på mindst 4. De er velegnede til niveaumålinger i lagertanke, åbne bassiner, pumpeskakter, kanalsystemer og lignende anvendelser. De hermetisk forseglede ledninger forhindrer vandindtrængning (figur 3). De har Bluetooth-forbindelse, så de hurtigere kan sættes i drift ved hjælp af smartphones og tablet-computere. Andre funktioner og specifikationer omfatter:

• Frekvens, K-bånd (ca. 26 GHz)
• Måleområde op til 12 m
• Nøjagtighed på op til ±5 mm
• Procestryk fra -1 bar til 3 bar (-14 psi til 43 psi)
• Procestemperatur fra -40 °C til +60 °C

Figur 3: Hermetisk forseglet radarniveausensor med en rækkevidde på op til 12 m. (Billedkilde: DigiKey)

Hydrostatiske niveaumålinger

Overvågning af tilgængeligheden af ferskvand i floder, søer, reservoirer, vandtårne og brønde kan være vigtig for en effektiv vandforvaltning. I disse tilfælde kan designere af vandhåndteringssystemer anvende hydrostatiske niveaumålere som FMX11 hydrostatiske sonder, der er certificeret til drikkevandsapplikationer (figur 4). FMX11's funktioner og specifikationer omfatter:

• Kompakt størrelse med en diameter på 22 mm (0,87") gør disse sonder velegnede til anvendelser som borehuller og brønde med lille diameter.
• Driftstemperaturområde på -10 °C til +70 °C
• Måleområde på 0 bar til 2 bar, 20 m H20 og 0 psi til 30 psi, afhængigt af modellen; model FMX11-CA11FS10 kan måle op til 0,6 bar (8,7 psi).
• Nøjagtighed op til ±0,35 %.
• Drikkevandsgodkendelser omfatter fransk Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), amerikansk
• NSF/ANSI 61 og to tyske certificeringer, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) og Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Analog 4 til 20 mA-kommunikation

Figur 4: Hydrostatiske sensorer som denne er godkendt til brug med drikkevand. (Billedkilde: DigiKey)

Håndtering af data

Uanset hvilke parametre der overvåges - flow, temperatur, niveau eller andet - og hvilken teknologi der anvendes, skal de resulterende data indfanges og vises i et format, der understøtter processtyring. Systemdesignere kan bruge Ecograph T RSG35 universal data manager, der registrerer, viser og overvåger analoge eller digitale indgangssignaler. Desuden gemmes de målte værdier sikkert, og grænseværdierne kan overvåges.

Standardversionen leveres uden analoge dataindgange. Nogle modeller leveres med op til tre valgfrie indgangskort, der kan tilføjes, hver med fire analoge universalindgange til i alt fire, otte eller 12 analoge indgange. For eksempel har model RSG35-C2A otte universelle analoge indgange, et RJ45-stik til at lette Ethernet-forbindelser og internetadgang og et USB-stik til perifere enheder og dataoverførsler. Som alle andre modeller har RSG35-C2A seks digitale indgange.

Den integrerede webserver i Ecograph T data managers understøtter fjernkonfiguration og -visualisering. Essential-versionen af Field Data Manager-softwaren medfølger også og kan bruges til at gemme data i en sikker SQL-database i den interne hukommelse eller på et separat SD-kort til analyse. Den 5,7" store TFT-farveskærm kan vise målte værdier i fire grupper med digital visning, søjlediagram og kurvevisning (figur 5). Yderligere funktioner omfatter:

• 100 ms scanningshastighed for alle kanaler
• Betjening ved hjælp af den indbyggede navigator (jog/shuttle dial) eller brugervenlig betjening med en pc ved hjælp af den indbyggede webserver
• E-mail-meddelelser kan sendes i tilfælde af alarmer og grænseoverskridelser
• Understøttelse af grænseflader som Ethernet, RS232/485, USB og valgfri slavefunktion til Modbus RTU/TCP fremskynder integrationen i industrielle automatiseringssystemer.
• WebDAV-appen gør det muligt at overføre data, der er gemt på SD-kortet, direkte til en pc via HTTP uden yderligere software.

Figur 5: Denne datamanager kan vise værdier for fire parametre og sende data til en ekstern computer ved hjælp af den indbyggede webserver. (Billedkilde: DigiKey)

IO-Link og skids

IO-Link er standardiseret i International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-9, hvor det kaldes "Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI)".

Skids (modulære processystemer i en ramme, der gør dem lettere at transportere og installere) bruges ofte i fødevare- og drikkevareforarbejdning, generel maskinbygning og biovidenskabelige anvendelser.

En typisk skid indeholder mindre end 50 feltenheder som flowsensorer, tænd/sluk-kontakter, ventiler, tryktransducere, frekvensomformere, pumper osv. Skids er ofte afhængige af IO-Link-forbindelse. Skids indeholder nogle gange en menneske-maskine-grænseflade som en fladskærm til lokal interaktion og forbindes til det overordnede anlægsautomatiseringssystem ved hjælp af en industriel Ethernet-protokol som EtherNet/IP eller PROFINET. En typisk skid-arkitektur omfatter (figur 6):

• Et eksternt kontrolsystem ➊ der bruger en protokol som EtherNet/IP eller PROFINET (grønne linjer) til at forbinde hver skid's dedikerede controllere for at koordinere deres drift.
• I hjælpeprocesser som varmevekslere bruger enheder som Picomag magetiske flowsensorer ➋ IO-Link (røde linjer) til at levere yderligere procesdata og øge effektiviteten og oppetiden.
• En IO-Link-masterforbindelse ➌ indsamler oplysningerne fra individuelle sensorer og aktuatorer og sender dem til skid-controlleren ved hjælp af en protokol som EtherNet/IP eller PROFINET. IO-Link-masteren kan også kommunikere kommandoer fra skid-controlleren til enheder som ventiler og aktuatorer.
• Enheder med fire ledninger, som ikke kan tilsluttes med et IO-Link-stik med tre ledninger ➍ tilsluttes direkte til skid-controlleren med en protokol på feltniveau som EtherNet/IP eller PROFINET.

Figur 6: IO-Link (røde linjer) bruges til intern kommunikation på en skid, og EtherNet/IP eller PROFINET (grønne linjer) bruges til både intern kommunikation og ekstern tilslutning. (Billedkilde: Endress+Hauser)

Konklusion

Overvågning og måling af vandets mængde og bevægelse er vigtig i forskellige sammenhænge. Heldigvis har designere af vandhåndteringssystemer flere værktøjer til rådighed, herunder magnetiske flowmålere, ultralyds- og radarbaserede niveausensorer, hydrostatiske niveausensorer og databehandlere. Disse enheder bruges sammen med IO-Link-forbindelse ofte til at bygge modulære skids til applikationer som fødevare- og drikkevareforarbejdning.