Brug af hydrostatiske niveausensorer til at forbedre effektiviteten af ferskvandsforarbejdning

Rent, frisk vand er afgørende. Der findes anlæg til behandling af drikkevand næsten overalt. For at kunne fungere effektivt skal disse anlæg overvåge den tilgængelige vandstand i brønde, lagertanke, floder, reservoirer og andre områder.

Afhængigt af anvendelsen og driftsbetingelserne kan vandstanden overvåges ved hjælp af mekaniske enheder som flydere eller solid state-enheder som hydrostatiske niveausensorer. Nogle teknologier er mere velegnede til punktanvendelser til overvågning af specifikke niveautærskler og forebyggelse af udslip. Andre er derimod velegnede til kontinuerlige niveaumålinger i processtyrings- og lagerstyringssystemer.

Denne artikel begynder med en oversigt over overvågningsapplikationer på punktniveau og kontinuerligt niveau. Derefter præsenteres driftsprincipperne for hydrostatiske niveausensorer, og nogle anvendelser af disse sensorer i drikkevandsanlæg gennemgås.

Den ser kort på, hvordan U.S. Environmental Protection Agency (EPA) holder styr på ferskvandsforbruget ved hjælp af et "abstraktionsregister", og gennemgår derefter nogle tilgængelige hydrostatiske niveausensorer fra Endress+Hauser. Den afsluttes med forslag til anvendelse, når man integrerer sensorer i kritiske infrastrukturinstallationer som f.eks. anlæg til behandling af drikkevand.

Flyderniveausensorer er enkle mekaniske enheder. Flyderen hæver og sænker sig i takt med vandstanden. Den bevægelse åbner og lukker en mekanisk kontakt, der indikerer, hvornår en bestemt vandstand er passeret. Disse sensorer bruges ofte til at forhindre, at tanke bliver for fulde og spilder vand, eller at de har for lavt niveau og beskadiger pumper eller andet udstyr.

Hydrostatiske niveausensorer giver en kontinuerlig måling af vandstanden. De bruges ofte i opbevarings- og forarbejdningstanke og -beholdere i ferskvandsforarbejdningsanlæg. Når beholderen fyldes eller tømmes, ændres vægten af vandet over den hydrostatiske niveausensor, og sensoren producerer et højdeafhængigt output (figur 1). Det gør dem særligt anvendelige til processtyring.

Figur 1: Flydesensorer bevæger sig op og ned (til venstre) og kan overvåge specifikke niveauer i en tank, mens hydrostatiske sensorer er stationære og giver kontinuerlig niveauovervågning (til højre). (Billedkilde: Endress+ Hauser)

Hydrostatiske niveausensorer måler trykket i vandsøjlen over membranen i bunden af sensoren. En inkompressibel hydraulikolie overfører trykket fra membranen til sensormekanismen. Overfladen mellem hydraulikolien og vandet er relativt stor, og trykket er fokuseret på en mindre søjle, der når sensormekanismen. Sensormekanismen består af en Wheatstone-bro, der ændrer modstand, når underlaget afbøjes (figur 2).

Figur 2: Den indre struktur af en typisk hydrostatisk niveausensor (venstre) og en fremstilling af Wheatstone-broens sensormekanisme, der afbøjes (højre). (Billedkilde: Endress+ Hauser)

Hydrostatiske niveausensorer kombinerer høj pålidelighed med meget lave installationsomkostninger. Deres anvendelser spænder fra ferskvandsanlæg, hvor de sikrer effektiv drift, til overvågning af lokale vandøkosystemer for at sikre langsigtet vandtilgængelighed.

Forarbejdning af ferskvand

Vandindvinding (indvinding, udvinding og indtag af vand) er det første skridt i leveringen af drikkevand. Det er processen med at tage vand fra en hvilken som helst kilde. Mængden af tilgængeligt vand overvåges nøje ved hjælp af enheder som hydrostatiske niveausensorer.

Resten af detaljerne i ferskvandsbehandlingen varierer afhængigt af lokale regler, men det er nødvendigt at overvåge vandstanden i hele anlægget. Nogle almindelige trin omfatter (figur 3):

• Koagulering gennemføres ved at tilsætte kemikalier med en positiv ladning til vandet for at neutralisere den negative ladning fra snavs og andre opløste partikler.
• Flokkulering indebærer en anden kemisk proces, hvor de koagulerede partikler danner større partikler, der kaldes flokke.
• Aflejring er, når flokker lægger sig på bunden af vandet, og slammet fjernes.
• Filtrering er, når forskellige filtre fjerner de resterende opløste partikler og bakterier.
• Desinfektion bruger klor eller kloramin til at dræbe parasitter, bakterier, vira og bakterier.
• Opbevaring og distribution. Behandling af ferskvand er en kontinuerlig proces, men i de fleste byer topper vandforbruget om morgenen og aftenen, hvilket kræver store lagerfaciliteter for at matche tilgængeligheden af ferskvand med efterspørgslen.

Figur 3: Behandling af drikkevand kan omfatte mange processer, som skal overvåges nøje for at sikre vandkvalitet og overholdelse af lovbestemmelser. (Billedkilde: Endress+Hauser)

Abstraktionsregister

Tilstrækkelig vandtilgængelighed er nødvendig for at sikre en effektiv ferskvandsbearbejdning. Miljølovgivningen kontrollerer indvindingen af råvand fra naturlige kilder for at undgå skader på den lokale vandbalance.

I Europa er opretholdelsen af tilstrækkelige vandniveauer og -strømme dikteret af vandrammedirektivet, som fokuserer på den kvantitative og kvalitative forvaltning af naturlige vandressourcer. I USA har EPA lignende mål og overvåger nøje vandindvindingen.

Miljøstyrelsen indsamler oplysninger om mængden af vandindvinding sammen med oplysninger om vandudledninger for at vurdere risikoen for overindvinding. Dataene rapporteres i et årligt abstraktionsregister. Hydrostatiske niveausensorer er vigtige værktøjer til overvågning af lokale vandøkosystemers sundhed.

Hydrostatiske niveausensorer

Hydrostatiske niveausensorer er meget alsidige enheder. Typiske anvendelser omfatter:

• Overvågning af niveauer i floder, søer, målestationer og reservoirer
• Sikre tilgængelighed af drikkevand i vandtårne og lagertanke
• Måling af vandstand i brønde

Den kompakte diameter på 22 mm af Endress+Hauser Waterpilot FMX11 nedsænkelige hydrostatiske niveausensorer gør dem nemme at integrere. Disse sensorer giver et 4 til 20 mA udgangssignal, der er kompatibelt med dataloggere, panelmålere, programmerbare logiske controllere (PLC'er) og andet processtyringsudstyr.

Waterpilot FMX11 hydrostatiske niveausensorer har flere drikkevandscertificeringer, herunder National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) i USA, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) i Frankrig og TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser i Tyskland.

Huset er lavet af 316 legeret rustfrit stål og er godkendt til drikkevandsapplikationer af Food and Drug Administration (FDA). Det afskærmede forlængerkabel inkluderer et rør til kompensation for atmosfæretryk med et teflonfilter i en slidstærk og UV-bestandig kappe af termoplastisk elastomer (TPE). TPE og teflon er også FDA-godkendt til drikkevandsapplikationer (figur 4).

Figur 4: Waterpilots hydrostatiske niveausensorer har flere internationale certificeringer til drikkevandsapplikationer og er fremstillet af FDA-godkendte materialer. (Billedkilde: DigiKey)

Generelle specifikationer:

• Driftstemperaturområde på -10 °C til +70 °C
• IP68-beskyttelse
• Nøjagtighed på ≤ ±0,35 % for sensorens måleområde ≥ 400 mbar
• Nøjagtighed på ≤ ±0,50 % for sensorens måleområde < 400 mbar
• cULus-certificering

Tilgængelige modeller:

• FMX11-CA11DS06 med et måleområde på 0 til 0,2 bar (6,7 fod vandsøjle) og et 6 m langt kabel
• FMX11-CA11FS10 med et måleområde på 0 til 0,4 bar (13,4 ft vandsøjle) og et 10 m kabel
• FMX11-CA11GS20 med et måleområde på 0 til 0,6 bar (20,1 ft vandsøjle) og et 10 m kabel
• FMX11-CA11HS20 med et måleområde på 0 til 1 bar (33,5 ft vandsøjle) og et 20 m kabel
• FMX11-CA11KS30 med et måleområde på 0 til 2 bar (66,9 ft vandsøjle) og et 30 m kabel

Maksimering af vandbehandlingsanlæggets tilgængelighed

Drikkevandsanlæg er kritisk infrastruktur og kræver en høj grad af pålidelighed. Waterpilot FMX11-sensorerne er testet i henhold til retningslinjerne for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) i EN 1000-4-5/IEC 61000-4-5, som definerer kravene og metoderne til at teste evnen til at modstå strømstød.

Grundlæggende EMC-test dækker dog kun overspændinger på op til 2 kV på hovedledninger eller 1 kV på signallinjer. Det kan være utilstrækkeligt for kritisk infrastruktur, hvor selv indirekte lynnedslag eller koblingsoperationer kan resultere i overspændinger på op til 10 kV i løbet af mikrosekunder.

Endress+Hauser anbefaler brug af overspændingsafledere for at sikre anlæggets tilgængelighed. Overspændingsafledere fås og er designet til DIN-skinnemontering i kontrolkabinetter og til direkte montering i marken:

• HAW562-overspændingsafledere som HAW562-AAD til beskyttelse af strøm- og kommunikationslinjer i kontrolkabinetter
• HAW569-overspændingsafledere til procesfeltinstrumenter som HAW569-CB2C til strømforsynings- og signalkabler og HAW569-DA2B til signalkabler (figur 5).

Figur 5: HAW569-CB2C til strøm- og signalkabler (øverst) og HAW569-DA2B til signalkabler (nederst). (Billedkilde: Endress+Hauser)

Den anbefalede installation for maksimal tilgængelighed omfatter (figur 6):

1. Waterpilot FMX11 hydrostatisk niveausensor
2. HAW-overspændingsafledere
3. Display- og evalueringsenhed med en indgang til et 4 til 20 mA sensorsignal
4. Strømforsyning

Figur 6: Waterpilot FMX-installationsblokdiagram, der viser placeringen af de to overspændingsafledere (2). (Billedkilde: Endress+ Hauser)

Strømforsyningsspændingen er 8 V_DC til 28 V_DC, og strømforbruget er højst 22 mA og mindst 2 mA. Ved udendørs brug skal strømforsyningen placeres i en IP66/IP67-klassificeret terminalboks. En afbryder, der opfylder kravene i IEC 61010, anbefales på det kraftigste.

Waterpilot FMX11 hydrostatiske niveausensorer har integreret beskyttelse mod omvendt polaritet og vil ikke blive beskadiget, hvis strømkablerne ikke er tilsluttet korrekt. I tilfælde af en tilslutning med omvendt polaritet er enheden ikke funktionsdygtig.

Sikkerhedsintegritetsniveauer og eksplosive atmosfærer

Hydrostatiske niveausensorer skal også fungere sikkert, selv i nærheden af eksplosive atmosfærer. IEC 61508 definerer sikkerhedsintegritetsniveauer (SIL), og IEC 61511 er en applikationsspecifik tilpasning af IEC 61508 til procesindustrien. HAW569-enhederne er designet til brug i feltinstrumentering og opfylder SIL2-kravene. HAW562-overspændingsafledere er beregnet til brug i mindre farlige applikationer i udstyrskabinetter og fås som ekstraudstyr med SIL2.

Situationen svarer til den, der bruges i eksplosive (Ex) atmosfærer. HAW562-overspændingsafledere fås som ekstraudstyr med Ex-godkendelser for egensikkerhed. To almindelige Ex-certificeringer er Ex ia og Ex d.

Ex ia-certificering giver egensikker beskyttelse, der sikrer, at den maksimale interne energi i enheden og dens ledninger forbliver under det energiniveau, der kræves for at forårsage antændelse, selv i tilfælde af en fejl. Den er beregnet til brug i områder, hvor en eksplosiv gasblanding er til stede i længere perioder eller konstant og udgør en betydelig fare.

Ex d-certificerede enheder er designet til at modstå en intern eksplosion uden at tage skade. Disse enheder er beregnet til brug i kritiske områder, hvor der sandsynligvis vil opstå en eksplosiv gasblanding under normal drift, hvilket udgør en periodisk farlig tilstand.

HAW569-enheder, der er designet til at beskytte signalkabler, fås som ekstraudstyr med Ex ia-godkendelse, mens Ex d-godkendelse er en mulighed for dem, der er designet til samtidig beskyttelse af signal- og strømkabler. HAW562-overspændingsafledere fås også med valgfri Ex-godkendelse for egensikkerhed.

Konklusion

Der er flere anvendelsesmuligheder for hydrostatiske niveausensorer, herunder processtyring og lagerstyring i drikkevandsanlæg samt overvågning af vandkilder som brønde, floder, søer og reservoirer for at sikre vandets tilgængelighed og bæredygtighed. Drikkevandsanlæg er kritisk infrastruktur og skal beskyttes tilstrækkeligt for at sikre kontinuerlig drift.

Waterpilot FMX11 hydrostatiske niveausensorer er fremstillet af FDA-godkendte materialer til drikkevandsapplikationer og har flere relaterede internationale godkendelser. Endress+Hauser anbefaler også at bruge overspændingsafledere og tilbyder modeller med SIL2-ydelse og Ex ia- og Ex d-certificeringer til Waterpilot FMX11-sensorer.