Jak měřit průtok vody pro zlepšení efektivity zpracování

Monitorování a měření průtoku a objemu vody je nezbytné pro zlepšení účinnosti a udržitelnosti elektráren a energetických zařízení, zemědělských a důlních provozů, průmyslových a komunálních vodáren a čistíren odpadních vod, zpracování potravin a nápojů a podobných provozů.

Existuje několik nástrojů, které mohou konstruktéři vodních systémů využívat ke kvantifikaci dostupného objemu a průtoku vody. Tyto nástroje minimalizují nebo eliminují přímý kontakt s vodou, aby byl zachován její čistý stav. Elektromagnetické průtokoměry (mag flow) poskytují bezkontaktní metodu kvantifikace protékající vody. Hladinu vody v zásobních nádržích lze měřit pomocí bezkontaktních senzorů, jako jsou ultrazvuková a radarová zařízení. Třetí alternativou jsou utěsněné hladinové senzory založené na hydrostatickém tlaku, které jsou certifikované pro aplikace s pitnou vodou.

Tento článek shrnuje provoz a výhody použití magnetických průtokoměrů a senzorů hydrostatického tlaku a porovnává provoz a aplikace bezkontaktních hladinových senzorů, jako jsou ultrazvuková a radarová zařízení od společnosti Endress+Hauser. Poté pojednává o způsobu, jakým může správce dat zaznamenávat, zobrazovat a monitorovat operace a o tom, jak lze rychle a efektivně propojit kompletní systém monitorování vody pomocí rozhraní IO-Link s uvedením aplikace linky na zpracování potravin a nápojů jako příkladu.

Faradayův indukční zákon popisuje princip činnosti transformátorů, induktorů, generátorů a magnetických senzorů. V magnetickém průtokoměru se elektricky nabité částice v měřené tekutině pohybují magnetickým polem vytvořeným dvěma budicími cívkami, čímž se indukuje napětí. Indukované napětí se měří dvěma elektrodami (obrázek 1).

Obrázek 1: v magnetickém průtokoměru se elektricky nabité částice kapaliny (modrá šipka) pohybují mezi dvěma cívkami pole (červené čáry), přičemž sondy měří indukované napětí (zelené čáry). (Zdroj obrázku: Endress+Hauser)

Indukované napětí je přímo úměrné rychlosti a objemu toku. Pulzní stejnosměrné napětí (DC) vytváří magnetické pole. Střídáním polarity stejnosměrného napětí se vytvoří stabilní nulový bod, díky kterému jsou měření průtoku necitlivá na nízkou vodivost nebo nehomogenní kapaliny.

Magnetické průtokoměry Picomag řady DMA50 jsou vhodné pro širokou škálu aplikací. 1,4" TFT barevný displej s podsvícením se automaticky otáčí v závislosti na orientaci a směru průtoku, což zjednodušuje instalaci. Tyto měřiče mohou současně měřit průtok, teplotu a vodivost. Přesnost měření průtoku ±0,5 % lze realizovat v širokém rozsahu hodnot.

Model DMA20-AAACA1 nabízí měření v rozsahu 0,1 až 50 litrů za minutu (l/min) a maximální tlak 232 liber na čtvereční palec (psi). Je opatřen přípojkou ¾” a lze jej provozovat v rozsahu okolních teplot -10 °C až 60 °C. Stejně jako všechny magnetické průtokoměry Picomag řady DMA50 nabízí i tento model připojení IO-Link. Technologie Bluetooth je realizována prostřednictvím aplikace SmartBlue od společnosti Endress+Hauser, která zjednodušuje a urychluje provoz, údržbu a uvedení do provozu, a to i v náročných místech (obrázek 2).

Obrázek 2: příklad magnetického průtokoměru Picomag řady DMA50 měřícího průtok (l/min) a vodivost (µS/cm). (Zdroj obrázku: Endress+Hauser)

Model DMA20-AAACA1 je opatřen fluoroelastomerovými (FKM) o-kroužky, které odolávají chemikáliím a nadměrným tepelným podmínkám a podporují automatizované procesy čištění na místě (CIP) a sterilizace na místě (SIP) používané k čištění a sterilizaci strojů, nádob nebo potrubí bez demontáže.

Ostatní modely, například DMA50-AAABA1, používají etylen-propylen-dienové (EPDM) o-kroužky odolávající ozónu, slunečnímu záření a povětrnostním vlivům. Typické aplikace pro magnetické průtokoměry Picomag zahrnují:

• Průmyslové pece chlazené vodou protékající několika chladicími linkami.
• Dvouplášťové systémy na zpracování potravin, které musí měřit průtok topné a chladicí vody.
• Čištění nádob, jako jsou lahve a zařízení na pasterizační procesy, využívají monitorování teploty, přívodu a odtoku vody za účelem maximalizace efektivity jejího využívání.

Ultrazvukové vs. radarové snímání hladiny pomocí technologie ToF

Ultrazvukové, resp. radarové hladinové senzory pracují na principu měření doby letu (ToF) na základě rychlosti zvuku, resp. světla. Ultrazvukové vlny se odrážejí vlivem změny hustoty mezi vzduchem a povrchem měřeného materiálu. Radarové senzory, někdy nazývané též bezkontaktní radary, vyzařují mikrovlny, které se následně odrážejí na přechodu média s nízkou dielektrickou konstantou (ε_r), například vzduchu, a materiálu s vyšší dielektrickou konstantou.

Ultrazvukové hladinové senzory řady Prosonic FMU30 jsou určeny pro bezkontaktní měření hladiny kapalin včetně pitné a odpadní vody, past a hrubých sypkých materiálů v aplikacích, jako jsou ovládání čerpadel a hladinové alarmy. Vzhledem k tomu, že se jedná o bezkontaktní technologii, mají tyto senzory jen minimální servisní nároky. Senzory nejsou necitlivé na dielektrickou konstantu a hustotu materiálu, ani na okolní vlhkost.

Rozsah měření senzorů řady FMU30 závisí na velikosti daného senzoru. Senzory jsou dodávány ve dvou velikostech: 1½" senzory, například model FMU30-AAHEAAGGF mají dosah 5 m v kapalinách a 2 m v sypkých materiálech, zatímco 2" senzory mají dosah 8 m v kapalinách a 3,5 m v sypkých materiálech.

Senzory řady FMU30 mají rozsah provozních teplot -20 °C až +60 °C. K měření vzdálenosti používají technologii ToF. Rychlost zvuku (a tedy i doba ToF) se však mění s teplotou. Ultrazvukové senzory řady FMU30, které používají integrovaný teplotní senzor, automaticky kompenzují změny teploty, aby byla zajištěna přesná a opakovatelná měření.

Radarové hladinové senzory

Radarové senzory Mikropilot řady FMR10 jsou optimalizovány pro použití s materiály s dielektrickou konstantou ε_r minimálně 4. Jsou vhodné pro měření hladiny ve skladovacích nádržích, otevřených nádržích, čerpacích šachtách, kanálových systémech a podobných aplikacích. Hermeticky uzavřená kabeláž zabraňuje vnikání vody (obrázek 3). Jsou vybaveny připojením Bluetooth pro urychlení uvedení do provozu pomocí chytrých telefonů a tabletů. Mezi další vlastnosti a specifikace patří:

• Frekvence, pásmo K (kolem 26 GHz)
• Rozsah měření až 12 m
• Přesnost až ±5 mm
• Pracovní tlak -1 bar až 3 bar (-14 psi až 43 psi)
• Procesní teplota -40 °C až +60 °C

Obrázek 3: hermeticky utěsněný radarový hladinový senzor s dosahem až 12 m. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Hydrostatická měření hladiny

Monitorování dostupnosti sladké vody v řekách, jezerech, nádržích, vodárenských věžích a studnách může být důležité pro efektivní hospodaření s vodou. V těchto aplikacích mohou konstruktéři vodohospodářských systémů využívat hydrostatická zařízení na měření hladiny, například hydrostatické sondy FMX11, která jsou certifikována pro aplikace s pitnou vodou (obrázek 4). Funkce a specifikace sondy FMX11 zahrnují:

• Díky kompaktní velikosti o průměru 22 mm (0,87”) jsou tyto sondy vhodné pro aplikace, jako jsou vrty a uklidňovací studny malého průměru.
• Rozsah provozních teplot -10 °C až +70 °C
• Rozsah měření 0 bar až 2 bar, 20 m H20, a 0 psi až 30 psi, v závislosti na modelu; model FMX11-CA11FS10 je schopen měření do tlaku 0,6 bar (8,7 psi)
• Přesnost až ±0,35 %
• Schválení pro pitnou vodu zahrnují certifikát French Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), USA
• NSF/ANSI 61 a dva německé certifikáty, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) a Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Analogová komunikace proudem 4 až 20 mA

Obrázek 4: hydrostatické senzory jako je tento jsou schváleny pro použití s pitnou vodou. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Správa dat

Bez ohledu na sledované parametry (průtok, teplotu, hladinu a další) a používanou technologii musejí být výsledná data zachycována a zobrazována ve formátu podporujícím řízení procesů. Konstruktéři systému mohou využívat univerzálního správce dat Ecograph T RSG35, který zaznamenává, zobrazuje a monitoruje vstupní analogové nebo digitální signály. Naměřené hodnoty jsou dále bezpečně uloženy a limitní hodnoty lze sledovat.

Standardní verze je dodávána bez analogových datových vstupů. Některé modely jsou dodávány až se třemi volitelnými vstupními kartami, které lze přidávat, z nichž každá je opatřena čtyřmi analogovými univerzálními vstupy, celkem lze tedy získat 4, 8 nebo 12 analogových vstupů. Například model RSG35-C2A je opatřen osmi univerzálními analogovými vstupy, zásuvkou RJ45 pro usnadnění ethernetového připojení a přístupu k internetu a USB konektor pro periferní zařízení a přenos dat. Stejně jako všechny modely obsahuje také model RSG35-C2A šest digitálních vstupů.

Integrovaný webový server ve správcích dat Ecograph T podporuje vzdálenou konfiguraci a vizualizaci. Součástí dodávky je také základní verze softwaru Field Data Manager, který lze využívat k ukládání dat do zabezpečené databáze SQL uložené v interní paměti nebo na samostatné SD kartě pro analýzu. Na barevné FTF obrazovce s úhlopříčkou 5,7" lze zobrazovat naměřené hodnoty ve čtyřech skupinách v podobě číslic, sloupcového grafu a křivky (obrázek 5). K dalším vlastnostem patří:

• Rychlost snímání 100 ms pro všechny kanály
• Ovládání pomocí integrovaného navigátoru (kolečka jog/shuttle) nebo uživatelsky přívětivé ovládání z počítače pomocí integrovaného webového serveru.
• E-mailem lze zasílat upozornění na vzniklé alarmy a překročení limitů.
• Podpora rozhraní jako Ethernet, RS232/485, USB a volitelná funkce slave pro integraci rychlostí rozhraní Modbus RTU/TCP do systémů průmyslové automatizace.
• Aplikace WebDAV umožňuje přenos dat uložených na SD kartě přímo do počítače pomocí protokolu HTTP bez dalšího softwaru.

Obrázek 5: tento správce dat je schopen zobrazovat hodnoty pro čtyři parametry a odesílat data do externího počítače pomocí integrovaného webového serveru. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Rozhraní IO-Link a systém skid

Rozhraní IO-Link je standardizováno Mezinárodní elektrotechnickou komisí (IEC) 61131-9, kde se nazývá „Single-drop digitální komunikační rozhraní pro malé senzory a aktuátory (SDCI).“

Systémy skid (modulární procesní systémy v rámu, které usnadňují jejich přepravu a instalaci) se často používají při zpracování potravin a nápojů, obecném strojírenství a aplikacích biologických věd.

Typický systém skid bude obsahovat méně než 50 provozních zařízení, například průtokové senzory, spínače zap./vyp., ventily, tlakové převodníky, pohony s frekvenčním měničem, čerpadla atd. Systémy skid často závisejí na konektivitě přes rozhraní IO-Link. Systémy skid někdy obsahují rozhraní člověk-stroj, například plochý zobrazovací panel pro lokální interakce, a připojují se k automatizačnímu systému vyšší úrovně pomocí průmyslového ethernetového protokolu, jako je EtherNet/IP nebo PROFINET. Typická architektura systému skid zahrnuje (obrázek 6):

• Externí řídicí systém ➊ využívající protokol jako EtherNet/IP nebo PROFINET (zelené čáry) pro připojení vyhrazených ovladačů jednotlivých systémů skid za účelem koordinace jejich operací.
• V pomocných provozech, například u výměníků tepla, využívají zařízení jako jsou magnetické průtokové senzory Picomag ➋ rozhraní IO-Link (červené čáry) k poskytování dalších procesních dat a ke zvýšení efektivity a doby provozuschopnosti.
• Master připojení IO-Link ➌ shromažďuje informace z jednotlivých senzorů a aktuátorů, které přenáší do řadiče systému skid pomocí protokolu jako je EtherNet/IP nebo PROFINET. Rozhraní IO-Link master může též předávat příkazy z ovladače systému skid do zařízení, jako jsou ventily a aktuátory.
• Čtyřvodičová zařízení, která nelze připojit pomocí třívodičového konektoru rozhraní IO-Link ➍, se připojují přímo k řadiči systému skid pomocí protokolu na úrovni pole, například EtherNet/IP nebo PROFINET.

Obrázek 6: rozhraní IO-Link (červené čáry) se používá k interní komunikaci v systému skid, protokol EtherNet/IP nebo PROFINET (zelené čáry) se používá pro interní komunikaci i externí připojení. (Zdroj obrázku: Endress+Hauser)

Závěr

Sledování a měření objemu a pohybu vody je důležité v různých aplikacích. Konstruktéři vodohospodářských systémů mají naštěstí k dispozici několik nástrojů, včetně magnetických průtokoměrů, ultrazvukových a radarových hladinových senzorů, hydrostatických hladinových senzorů a správců dat. Tato zařízení se společně s konektivitou IO-Link často používají k vytváření modulárních systémů skid pro aplikace, jako je zpracování potravin a nápojů.