Hydrostatiska nivågivare förbättrar effektiviteten vid behandling av färskvatten

Rent färskvatten är livsviktigt. Anläggningar för behandling av dricksvatten finns nästan överallt. För att dessa anläggningar ska fungera effektivt måste de övervaka den tillgängliga vattennivån i brunnar, lagringstankar, floder, reservoarer och andra områden.

Beroende på tillämpning och driftsförhållanden kan vattennivån övervakas med hjälp av mekaniska anordningar som flottörer eller solid state-enheter som hydrostatiska nivågivare. Viss teknik är mer lämpad för tillämpningar på punktnivå för att övervaka specifika gränsvärden för nivåer och förhindra spill. Andra lämpar sig däremot för kontinuerlig nivåmätning i system för processtyrning och lagerhantering.

Artikeln inleds med en översikt tillämpningar för övervakning på punktnivå och för kontinuerlig nivåövervakning. Därefter presenteras funktionsprinciperna för hydrostatiska nivågivare och några användningsområden för dessa givare i anläggningar för dricksvatten.

Här beskrivs kortfattat hur U.S. Environmental Protection Agency (EPA) håller reda på färskvattenförbrukningen med hjälp av ett "abstraktionsregister". Den granskar sedan några tillgängliga hydrostatiska nivågivare från Endress+Hauser. Avslutningsvis ges förslag på tillämpningar för integrering av givare i viktig infrastruktur, som t.ex. anläggningar för behandling av dricksvatten.

Nivågivare med flottörer är enkla mekaniska anordningar. Flottören höjs och sänks i takt med vattennivån. Rörelsen bryter och sluter en mekanisk omkopplare för att indikera när en viss vattennivå har passerats. Givarna används ofta för att förhindra att tankar blir för fulla och läcker ut vatten eller att de blir för låga och skadar pumpar eller annan utrustning.

Hydrostatiska nivågivare ger en kontinuerlig mätning av vattennivån. De används ofta i lagrings- och bearbetningstankar och kärl i anläggningar för behandling av färskvatten. När behållaren fylls eller töms ändras vikten på vattnet ovanför den hydrostatiska nivågivaren och givaren ger ett höjdberoende utslag (figur 1). Det gör dem särskilt användbara för tillämpningar inom processtyrning.

Figur 1: Flottörgivare rör sig upp och ned (vänster) och kan övervaka specifika nivåer i en tank, medan hydrostatiska givare är stationära och ger kontinuerlig nivåövervakning (höger). (Bildkälla: Endress+Hauser)

Hydrostatiska nivågivare mäter trycket i vattenpelaren ovanför membranet på givarens undersida. En okomprimerbar hydraulolja överför trycket från membranet till givarmekanismen. Ytgränssnittet mellan hydrauloljan och vattnet är relativt stort och trycket fokuseras i en mindre pelare som når givarens mekanism. Avkänningsmekanismen består av en Wheatstone-brygga som ändrar resistans när substratet böjs (figur 2).

Figur 2: Inre uppbyggnad i en typisk hydrostatisk nivågivare (vänster) och en bild av Wheatstone-bryggans avkänningsmekanism som böjs (höger). (Bildkälla: Endress+Hauser)

Hydrostatiska nivågivare kombinerar hög tillförlitlighet med mycket låga installationskostnader. Användningsområdena sträcker sig från anläggningar för behandling av färskvatten, där de garanterar effektiv drift, till övervakning av lokala vattenekosystem för att garantera långsiktig tillgång till vatten.

Behandling av färskvatten

Vattenabstrahering (uttag, utvinning och intag av vatten) är det första steget vid leverans av dricksvatten. Det är en process där man tar vatten från valfri källa. Mängden tillgängligt vatten övervakas noga med hjälp av enheter som hydrostatiska nivågivare.

Resten av detaljerna kring behandling av färskvatten varierar beroende på lokala bestämmelser, men vattennivåerna behöver övervakas i hela anläggningen. Några vanliga steg är (figur 3):

• Koagulering sker genom att kemikalier med positiv laddning tillsätts i vattnet för att neutralisera den negativa laddningen från smuts och andra upplösta partiklar.
• Flockning sker genom en andra kemisk process där de koagulerade partiklarna bildar större partiklar som kallas flockar.
• Sedimentering är det steg då flockarna sjunker till botten av vattnet och slammet avlägsnas.
• Filtrering sker genom att olika filter avlägsnar återstående upplösta partiklar och bakterier.
• Vid desinfektion används klor eller kloramin för att döda parasiter, bakterier, virus och baciller.
• Lagring och distribution. Behandling av färskvatten är en kontinuerlig process, men i de flesta städer når vattenanvändningen sin topp på morgonen och kvällen, vilket kräver stora lagringsanläggningar för att motsvara tillgången på färskvatten till efterfrågan.

Figur 3: Behandling av dricksvatten kan omfatta många processer som måste övervakas noga för att garantera vattnets kvalitet och efterlevnaden av juridiska bestämmelser. (Bildkälla: Endress+Hauser)

Abstraheringsregister

Tillräcklig tillgång av vatten är nödvändig för att garantera en effektiv bearbetning av färskvatten. Miljölagstiftningar reglerar uttag av råvatten från naturliga källor för att undvika skador på den lokala vattenbalansen.

I Europa regleras bibehållandet av tillräckliga vattennivåer och vattenflöden av ramdirektivet för vatten, som fokuserar på den kvantitativa och kvalitativa förvaltningen av naturliga vattenresurser. I USA har EPA liknande mål och övervakar vattenabstraheringen noga.

EPA samlar in information om mängden vattenabstrahering, tillsammans med information om vattenutsläpp, för att bedöma risken för överabstrahering. Uppgifterna rapporteras i ett årligt abstraheringsregister. Hydrostatiska nivågivare är viktiga verktyg för att övervaka statusen hos lokala ekosystem för vatten.

Hydrostatisk nivågivare

Hydrostatiska nivågivare är mycket mångsidiga enheter. Typiska tillämpningar är:

• Övervakning av nivåer i floder, sjöar, mätstationer och reservoarer
• Garantera tillgången på dricksvatten i vattentorn och lagringstankar
• Mätning av vattennivå i brunnar

Den kompakta diametern på 22 mm hos de dränkbara hydrostatiska nivågivarna Waterpilot FMX11 från Endress+Hausers gör dem lätta att integrera. Givarna har en utsignal på 4-20 mA som är kompatibel med dataloggningsenheter, panelmätare, programmerbara logiska styrenheter (PLC) och annan utrustning för processtyrning.

Den hydrostatiska nivågivaren Waterpilot FMX11 har flera certifieringar för dricksvatten, inklusive National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) i USA, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) i Frankrike och TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser i Tyskland.

Höljet är tillverkat av en legering av rostfritt stål 316 och är godkänt för dricksvattentillämpningar av Food and Drug Administration (FDA). Den skärmade förlängningskabeln innehåller ett rör för kompensation av atmosfärtryck med ett teflonfilter i ett nötnings- och UV-ljusbeständigt hölje av termoplastisk elastomer (TPE). TPE och teflon är också FDA-godkända för dricksvattentillämpningar (figur 4).

Bild 4: Den hydrostatiska nivågivaren Waterpilot har flera internationella certifieringar för dricksvattentillämpningar och tillverkas av FDA-godkända material. (Bildkälla: DigiKey)

Allmänna specifikationer:

• Drifttemperaturområde mellan -10 och +70 °C
• Skydd enligt IP68
• Noggrannhet på ≤ ±0,35 % för givarens mätområde ≥ 400mbar
• Noggrannhet på ≤ ±0,50 % för givarens mätområde< 400mbar
• cULus-certifiering

Tillgängliga modeller:

• FMX11-CA11DS06 har ett avkänningsområde på 0 till 0,2 bar (2 m vattenpelare) och en kabel på 6 m
• FMX11-CA11FS10 har ett avkänningsområde på 0 till 0,4 bar (4 m vattenpelare) och en kabel på 10 m
• FMX11-CA11GS20 har ett avkänningsområde på 0 till 0,6 bar (6,1 m vattenpelare) och en kabel på 10 m
• FMX11-CA11HS20 har ett avkänningsområde på 0 till 1 bar (10,2 m vattenpelare) och en kabel på 20 m
• FMX11-CA11KS30 har ett avkänningsområde på 0 till 2 bar (20,3 m vattenpelare) och en kabel på 30 m

Maximera vattenbehandlingsanläggningens tillgänglighet

Anläggningar för behandling av dricksvatten är viktig infrastruktur och kräver hög tillförlitlighet. Givarna Waterpilot FMX11 testas enligt riktlinjerna EN 1000-4-5/IEC 61000-4-5 för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC), som definierar krav och metoder för att testa förmågan att motstå strömtoppar.

Men den grundläggande EMC-testningen omfattar endast överspänningar på upp till 2 kV på huvudkraftledningar eller 1 kV på signalledningar. Det kan vara otillräckligt för viktig infrastruktur där även indirekta blixtnedslag eller omkopplingar kan leda till överspänningar på upp till 10 kV under några mikrosekunder.

Endress+Hauser rekommenderar användning av överspänningsskydd för att garantera anläggningens tillgänglighet. Det finns överspänningsskydd som är konstruerade för montering på DIN-skena i styrskåp och för direkt montering i skåp på fältet:

• Överspänningsskydd i HAW562-serien som t.ex. HAW562-AAD för att skydda kraft- och kommunikationsledningar i styrskåp
• Överspänningsskydd HAW569-serien för processinstrument på fältet som t.ex. HAW569-CB2C för strömförsörjnings- och signalkablar och HAW569-DA2B för signalkablar (figur 5)

Bild 5: HAW569-CB2C för ström- och signalkablar (överst) och HAW569-DA2B för signalkablar (nederst). (Bildkälla: Endress+Hauser)

Den rekommenderade installationen för maximal tillgänglighet omfattar (figur 6):

1. Waterpilot FMX11 hydrostatisk nivågivare
2. HAW-överspänningsskydd
3. Display- och utvärderingsenhet med ingång för en 4 till 20 mA givarsignal
4. Strömförsörjning:

Figur 6: Blockdiagram över en installation av Waterpilot FMX som visar positionerna för de två överspänningsskydden (2). (Bildkälla: Endress+Hauser)

Strömförsörjningens spänningsintervall är 8 V_DC till 28 V_DC och strömförbrukningen är högst 22 mA och lägst 2 mA. Vid användning utomhus bör strömförsörjningen placeras i en kopplingslåda som är klassificerade enligt IP66/IP67. En säkring som uppfyller kraven i IEC 61010 rekommenderas starkt.

De hydrostatiska nivågivarna Waterpilot FMX11 har ett inbyggt skydd mot omvänd polaritet och skadas inte om strömkablarna ansluts felaktigt. Vid en anslutning med omvänd polaritet fungerar inte enheten.

Nivåer för säkerhetsintegritet och explosiva atmosfärer

Hydrostatiska nivågivare måste även fungera på ett säkert sätt, även i explosiva atmosfärer. IEC 61508 definierar nivåerna för säkerhetsintegritet (SIL), och IEC 61511 är en tillämpningsspecifik anpassning av IEC 61508 för processindustrin. Enheterna HAW569 är konstruerade för användning i fältinstrumentering och uppfyller kraven i SIL2. Överspänningsskydden HAW562 är avsedda för användning i mindre riskfyllda tillämpningar i apparatskåp och finns som tillval med SIL2.

Situationen liknar den som används i explosiva (Ex) atmosfärer. Överspänningsskydden HAW562 finns med Ex-godkännande som tillval. Två vanliga Ex-certifieringar är Ex ia och Ex d.

Certifieringen Ex ia har ett egensäkert skydd som garanterar att den maximala interna energin i enheten och dess ledningar förblir under den energinivå som krävs för att orsaka en antändning, även i händelse av ett fel. Den är avsedd att användas i områden där en explosiv gasblandning förekommer kontinuerligt eller under längre perioder och utgör en betydande fara.

Enheter med certifieringen Ex d är konstruerade för att tåla en intern explosion utan att skadas. Enheterna är avsedda att användas i viktiga områden där en explosiv gasblandning sannolikt kommer att uppstå vid normal drift, vilket kan utgöra ett tillfälligt riskfyllt tillstånd.

Enheterna HAW569 som konstruerats för att skydda signalkablar finns med godkännande enligt Ex ia som tillval, medan godkännande enligt Ex d är ett tillval för enheter som är konstruerade för att samtidigt skydda signal- och kraftkablar. Överspänningsskydden HAW562 finns med godkännande enligt Ex som tillval.

Sammanfattning

Det finns flera användningsområden för hydrostatiska nivågivare, bland annat processtyrning och lagerhantering i anläggningar för dricksvatten samt övervakning av vattenkällor som brunnar, floder, sjöar och reservoarer för att garantera vattentillgång och hållbarhet. Anläggningar för behandling av dricksvatten är viktig infrastruktur och måste skyddas på lämpligt sätt för att garantera kontinuerlig drift.

De hydrostatiska nivågivarna Waterpilot FMX11 är tillverkade av FDA-godkända material för dricksvattentillämpningar och har flera relaterade internationella godkännanden. Endress+Hauser rekommenderar även användning av överspänningsskydd och erbjuder modeller med prestanda enligt SIL2 och certifieringar enligt Ex ia- och Ex d för givarna Waterpilot FMX11.