Hur man mäter vattenflödet för att förbättra reningens effektivitet och ändamålsenlighet

Övervakning och mätning av vattenflöde och vattenvolym är nödvändigt för att förbättra effektiviteten och hållbarheten i kraft- och energianläggningar, jordbruks- och gruvverksamheter, industriella och kommunala vatten- och avloppsreningsverk, livsmedels- och dryckesförädling och liknande verksamheter.

Det finns flera verktyg som konstruktörer av vattensystem kan använda sig av för att kvantifiera tillgängligt vatten och dess flöde. Verktygen minimerar eller eliminerar direktkontakt med vattnet för att bibehålla dess renhet. Elektromagnetiska flödesmätare är ett beröringsfritt sätt att kvantifiera flödande vatten. Vattennivån i lagringstankar kan mätas med hjälp av beröringsfria sensorer som ultraljud och radarbaserade konstruktioner. Ett tredje alternativ är förseglade hydrostatiska trycknivågivare som är certifierade för tillämpningar med dricksvatten.

Artikeln går igenom funktionen och fördelarna med att använda elektromagnetiska flödesmätare och hydrostatiska tryckgivare och jämför funktionen och tillämpningarna för beröringsfria nivågivare som ultraljud och radarbaserade konstruktioner från Endress+Hauser. Därefter diskuteras hur en dataadministratör kan registrera, visa och övervaka driften och hur IO-Link snabbt och effektivt kan koppla samman ett komplett vattenövervakningssystem med en processlinje för livsmedel och drycker som tillämpningsexempel.

Faradays induktionslag beskriver funktionsprincipen för transformatorer, induktorer, generatorer och magnetiska flödesmätare. I en magnetisk flödesmätare strömmar elektriskt laddade partiklar i den vätska som mäts genom ett magnetfält som skapas av två fältspolar varpå en spänning induceras. Den inducerade spänningen mäts med två mätelektroder (bild 1).

Figur 1: I en magnetisk flödesmätare strömmar elektriskt laddade partiklar i en vätska (blå pil) mellan två fältspolar (röda linjer), och sonderna mäter den inducerade spänningen (gröna linjer). (Bildkälla: Endress+Hauser)

Den inducerade spänningen är direkt proportionerlig mot flödets hastighet och volym. Magnetfältet genereras av en pulserande likspänning (DC). Genom att växla likspänningens polaritet etableras en stabil nollpunkt som gör flödesmätningarna okänsliga för vätskor med låg ledningsförmåga eller vätskor som inte är homogena.

Magnetiska flödesmätare i serien DMA50 är lämpliga för en rad olika tillämpningar. TFT-färgdisplayen på 1,4" med bakgrundsbelysning vrids automatiskt beroende på riktning och flödesriktning, vilket förenklar installationen. Mätarna kan mäta flöde, temperatur och konduktivitet samtidigt. En noggrannhet på ±0,5% vid flödesmätning går att uppnå i en stor mängd flödeshastigheter.

Modellen DMA20-AAACA1 har ett mätområde på 0,1 till 50 l/min och ett maximalt tryck på 232 psi. Den har en ¾” anslutning och ett drifttemperaturområde på -10 °C till 60 °C. Liksom alla magnetiska flödesmätare i DMA50-serien från Picomag så har den en IO-Link-anslutning. Bluetooth aktiveras via appen SmartBlue från Endress+Hauser som förenklar och snabbar upp drift, underhåll och driftsättning, även på utmanande platser (figur 2).

Figur 2: Exempel på en magnetisk flödesmätare i serien DMA50 från Picomag som mäter flöde (l/min) och konduktivitet (µS/cm). (Bildkälla: Endress+Hauser)

Modellen DMA20-AAACA1 har O-ringar av fluorelastomer (FKM) som är kemikaliebeständig, tål extrema värmeförhållanden, har stöd för automatiserade processer för rengöring på plats (CIP) samt sterilisering på plats (SIP) och används för att rengöra och sterilisera maskiner, kärl eller rör utan demontering.

Andra modeller som DMA50-AAABA1 har O-ringar av EPDM-typ (Etenpropengummi) som är motståndskraftigt mot ozon, solljus samt väder och vind. Typiska användningsområden för de magnetiska flödesmätarna från Picomag är

• Industriugnar som kyls med hjälp av vatten som strömmar genom flera kylledningar
• Dubbelmantlade system för livsmedelsbearbetning som måste mäta flödet av värme- och kylvatten
• Rengöring av behållare som flaskor och pastöriseringsprocesser kan dra nytta av övervakning av vattentemperatur, tillförsel och dränering för att maximera den effektiva användningen av vatten

Nivåavkänning med ultraljud kontra radar

Nivåsensorer med ultraljud och radar implementerar flygtidsmätningar (ToF) baserade på ljudets respektive ljusets hastighet. Ultraljudsvågor reflekteras av förändringen i densitet mellan luften och materialet på den yta som ska mätas. Radarsensorer, som ibland kallas frirymdsradar, sänder ut mikrovågor som reflekteras baserat på övergången från ett lågdielektriskt (låg ε_r) media som luft till ett högre dielektriskt material.

I tillämpningar som pumpstyrningar och nivålarm är ultraljudsnivågivare i FMU30-serien från Prosonic konstruerade för beröringsfri nivåmätning av vätskor, inklusive dricks- och avloppsvatten, krämer och grova material. Eftersom det är en beröringsfri teknik har dessa givare minimala servicebehov. De är okänsliga för materialets dielektriska konstant och densitet eller den omgivande luftfuktigheten.

Mätområdet för FMU30-givarna beror på givarens storlek. De finns i två storlekar: 1½"-givare som t.ex. FMU30-AAHEAAGGF och har en räckvidd på 5 m i vätskor och 2 m i mängdmaterial, medan 2"-givarna har en räckvidd på 8 m i vätskor och 3,5 m i mängdmaterial.

FMU-givarna har ett drifttemperaturområde på -20 °C till +60 °C. De använder principen för flygtidsmätningar (ToF) för att mäta avståndet. Ljudhastigheten (och därmed ToF) varierar dock med temperaturen. Ultraljudssensorerna FMU30 har en integrerad temperatursensor och kompenserar automatiskt för temperaturförändringar för att garantera exakta och repeterbara mätningar.

Nivågivare med radar

Nivågivarna med radar i serien FMR10 från Micropilot är optimerade för användning med material med ett ε_r på minst 4. De är lämpliga för nivåmätning i lagringstankar, öppna bassänger, pumpschakt, kanalsystem och liknande tillämpningar. De hermetiskt förslutna kablarna förhindrar att vatten tränger in (bild 3). De har Bluetooth-anslutning för snabbare driftsättning med hjälp av smartphones och surfplattor. Andra funktioner och specifikationer inkluderar:

• Frekvens, K-band (ca 26 GHz)
• Mätområde på upp till 12 m
• Noggrannhet upp till ±5 mm
• Processtryck från -1 till 3 bar (-14 psi till 43 psi)
• Processtemperatur från -40  till +60 °C

Bild 3: Hermetiskt försluten nivågivare med radar och en räckvidd på upp till 12 m. (Bildkälla: DigiKey)

Hydrostatisk nivåmätning

Att övervaka tillgången på sötvatten i floder, sjöar, reservoarer, vattentorn och brunnar kan vara viktigt för en effektiv vattenförvaltning. I dessa tillämpningar kan konstruktörer av system för vattenhantering använda hydrostatiska nivåmätare som de hydrostatiska sonderna FMX11 som är certifierade för tillämpningar med dricksvatten (figur 4). FMX11 har följande funktioner och specifikationer:

• Kompakt storlek med en diameter på 22 mm (0,87") gör sonderna lämpliga i tillämpningar som borrhål och små brunnar med liten diameter
• Driftstemperaturområde mellan -10 och +70 °C
• Mätområde 0 till 2 bar, 20 m H20 och 0 psi till 30 psi, beroende på modell; Modell FMX11-CA11FS10 kan mäta upp till 0,6 bar (8,7 psi)
• Noggrannhet upp till ±0,35 %.
• Godkännanden för dricksvatten inkluderar franska Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), amerikanska
• NSF/ANSI 61 och två tyska certifieringar, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) och Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Analog kommunikation 4 till 20 mA

Bild 4: Hydrostatiska givare som denna är godkända för användning med dricksvatten. (Bildkälla: DigiKey)

Hantering av data

Oavsett vilka parametrar som övervakas - flöde, temperatur, nivå eller något annat - och vilken teknik som används, måste den data som skapas, samlas in och visas i ett format som stöder processhanteringen. Systemkonstruktörer kan använda sig av Ecograph T RSG35, en universell datahanterare som registrerar, visar och övervakar analoga eller digitala insignaler. Dessutom sparas de uppmätta värdena på ett säkert sätt och gränsvärdena kan övervakas.

Standardversionen levereras utan analoga dataingångar. Vissa modeller levereras med upp till tre valfria ingångskort som kan läggas till, vart och ett med fyra analoga universella ingångar för totalt fyra, åtta eller 12 analoga ingångar. Modellen RSG35-C2A har t.ex. åtta universella analoga ingångar, ett RJ45-uttag för Ethernet-anslutning och internetåtkomst samt ett USB-uttag för kringutrustning och dataöverföring. Som alla modeller har RSG35-C2A sex digitala ingångar.

Datahanteraren i den integrerade webbservern i Ecograph T har stöd för fjärrkonfiguration och visualisering. Essential-versionen av programmet Field Data Manager ingår också och kan användas för att spara data i en säker SQL-databas som lagras i internminnet eller på ett separat SD-kort för analys. TFT-färgskärmen på 5,7" kan visa mätvärden i fyra grupper, med digital visning, stapeldiagram och visning av kurvor (bild 5). Ytterligare funktioner inkluderar:

• 100 ms skanninghastighet för alla kanaler
• Manövrering med hjälp av den integrerade navigatorn (vred) eller användarvänlig manövrering med PC via den inbyggda webbservern
• E-postmeddelanden kan skickas vid larm och gränsöverträdelser
• Stöd för gränssnitt som Ethernet, RS232/485, USB och slavfunktion för Modbus RTU/TCP (tillval) påskyndar integrationen i industriella automationssystem
• Med appen WebDAV kan data som sparats på SD-kortet överföras direkt till en PC via HTTP utan ytterligare programvara.

Bild 5: Datahanteraren kan visa värden för fyra parametrar och skicka data till en extern dator med hjälp av den inbyggda webbservern. (Bildkälla: DigiKey)

IO-Link och skids

IO-Link är standardiserat i International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-9, där det kallas "Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI)".

Skids (modulära bearbetningssystem inom en ram, vilket gör dem enklare att transportera och installera) används ofta inom livsmedels- och dryckesindustrin, allmän maskinbyggnad och biovetenskapliga tillämpningar.

En typisk skid innehåller mindre än 50 fältenheter som flödesgivare, av/på-omkopplare, ventiler, tryckomvandlare, frekvenomsriktare, pumpar etc. Skids förlitar sig ofta på IO-Link-anslutningar. Skids har ibland ett gränssnitt mellan människa och maskin, som t.ex. en platt skärm för lokal interaktion, och anslutning till anläggningens automationssystem på högre nivå med hjälp av ett industriellt Ethernet-protokoll, t.ex. EtherNet/IP eller PROFINET. En typisk arkitektur med skids omfattar (figur 6):

• Ett externt styrsystem ➊ som använder ett protokoll som EtherNet/IP eller PROFINET (gröna linjer) för att ansluta de dedicerade styrenheterna i respektive skid för att samordna deras verksamhet.
• I externa funktioner som värmeväxlare använder enheter som magnetiska flödesmätare från Picomag ➋ IO-Link (röda linjer) för att tillhandahålla ytterligare processdata och öka effektiviteten och drifttiden.
• En IO-Link-masteranslutning ➌ samlar in information från enskilda sensorer och ställdon och överför den till styrningen av skidsen med hjälp av ett protokoll som EtherNet/IP eller PROFINET. IO-Link-mastern kan även skicka kommandon från skid-styrenheten till enheter som ventiler och ställdon.
• Enheter med fyra trådar som inte kan anslutas med en IO-Link-kontakt med tre trådar ➍ ansluts direkt till skid-styrenheten med ett fältnivåprotokoll som EtherNet/IP eller PROFINET.

Bild 6: IO-Link (röda linjer) används för intern kommunikation i en skid, och EtherNet/IP eller PROFINET (gröna linjer) används för både intern kommunikation och extern anslutning. (Bildkälla: Endress+Hauser)

Sammanfattning

Övervakning och mätning av vattenmängder och vattenrörelser är viktigt i många olika tillämpningar. Lyckligtvis har konstruktörer av system för vattenhantering flera verktyg till sitt förfogande, bland annat magnetiska flödesmätare, ultraljuds- och radarbaserade nivågivare, hydrostatiska nivågivare och datahanterare. Dessa enheter, tillsammans med IO-Link-anslutningar, används ofta för att bygga modulära skids i tillämpningar som livsmedels- och dryckesbearbetning.