Použití hydrostatických hladinových senzorů ke zlepšení účinnosti zpracování sladké vody

Čistá sladká voda je životně důležitá. Úpravny pitné vody se nacházejí takřka všude. Efektivní provoz těchto úpraven vyžaduje monitorování hladiny dostupné vody ve studnách, zásobnících, řekách, nádržích a v dalších oblastech.

V závislosti na aplikaci a provozních podmínkách lze hladinu vody monitorovat pomocí mechanických prvků, jako jsou plováky, nebo polovodičových prvků, jako jsou hydrostatické hladinové senzory. Některé technologie jsou vhodnější pro aplikace bodového monitorování specifických prahových úrovní a zamezení přelití. Naproti tomu jiné jsou vhodné pro kontinuální měření hladiny v systémech řízení procesů a správy zásob.

Tento článek začíná přehledem aplikací pro bodové a kontinuální monitorování hladiny. Dále uvádí principy funkce hydrostatických hladinových senzorů a posuzuje některá použití těchto senzorů v úpravnách pitné vody.

Stručně pojednává o sledování spotřeby sladké vody americkou Agenturou na ochranu životního prostředí (EPA) pomocí „registru odběrů“, poté vyhodnocuje některé dostupné hydrostatické hladinové senzory od společnosti Endress+Hauser. Na závěr článek uvádí návrhy aplikací týkajících se integrace senzorů do instalací kritické infrastruktury, jako jsou zařízení na úpravu pitné vody.

Plovákové hladinové senzory jsou jednoduchá mechanická zařízení. Plovák stoupá a klesá společně s hladinou vody. Tento pohyb rozpojuje a spojuje mechanický spínač, který signalizuje překročení určité hladiny. Tyto senzory se často používají k zamezení přeplnění nádrží a rozlití vody nebo vzniku příliš nízké hladiny vedoucí k poškození čerpadel nebo jiných zařízení.

Hydrostatické hladinové senzory zajišťují kontinuální měření hladiny vody. Běžně se používají ve skladovacích a zpracovatelských nádržích a v nádobách úpraven sladké vody. Během plnění nebo vypouštění nádoby se mění hmotnost vody nad hydrostatickým hladinovým senzorem, který tak generuje výstup závislý na výšce (obrázek 1). Díky tomu jsou zvláště praktické pro aplikace řízení procesů.

Obrázek 1: plovákové senzory, které se pohybují směrem nahoru a dolů (vlevo), jsou schopné monitorovat specifické hladiny v nádrži, zatímco hydrostatické senzory jsou stacionární a zajišťují kontinuální monitorování hladiny (vpravo). (Zdroj obrázku: Endress+ Hauser)

Hydrostatické hladinové senzory měří tlak vodního sloupce nad membránou na spodní straně senzoru. Nestlačitelný hydraulický olej přenáší tlak z membrány na mechanismus senzoru. Povrchové rozhraní mezi hydraulickým olejem a vodou je poměrně velké a tlak je zaměřen na menší sloupec, který dosahuje k mechanismu snímače. Snímací mechanismus se skládá z Wheatstoneova můstku, který mění odpor při vychylování substrátu (obrázek 2).

Obrázek 2: vnitřní struktura typického hydrostatického hladinového senzoru (vlevo) a znázornění vychýlení snímacího mechanismu Wheatstoneova můstku (vpravo). (Zdroj obrázku: Endress+ Hauser)

Hydrostatické hladinové senzory kombinují vysokou spolehlivost s velmi nízkými náklady na instalaci. Jejich aplikace se pohybují od úpraven sladké vody, kde zajišťují efektivní provoz, až po monitorování místních vodních ekosystémů pro zajištění dlouhodobé dostupnosti vody.

Zpracování sladké vody

Prvním krokem dodávky pitné vody je odběr (jímání, extrakce a přívod vody). Jedná se o proces odběru vody z libovolného zdroje. Množství dostupné vody je pečlivě sledováno pomocí zařízení, jako jsou hydrostatické hladinové senzory.

Další podrobností o zpracování sladké vody se liší v závislosti na místních předpisech, monitorování hladiny vody je však vyžadováno v celé úpravně. Některé běžné kroky zahrnují (obrázek 3):

• Koagulace se provádí přidáním chemikálií s kladným nábojem do vody, aby došlo k neutralizaci se záporného náboje nečistot a dalších rozpuštěných částic.
• Flokulace zahrnuje druhý chemický proces, při kterém koagulované částice vytvářejí větší částice zvané vločky.
• Při sedimentaci se vločky usazují na dně vody a odstraňuje se kal.
• Filtrace je místo, kde různé filtry odstraňují zbývající rozpuštěné částice a choroboplodné zárodky.
• Při dezinfekci se využívá chlór nebo chloramin k hubení parazitů, bakterií, virů a choroboplodných zárodků.
• Skladování a distribuce. Ačkoli je zpracování sladké vody nepřetržitý proces, ve většině měst dosahuje spotřeba vody maxima ráno a večer, což vyžaduje používání zásobníků s velkou kapacitou, aby bylo možné přizpůsobit dostupnost sladké vody poptávce.

Obrázek 3: úprava pitné vody může zahrnovat mnoho procesů, které je nutné pečlivě sledovat, aby byla zajištěna požadovaná kvalita a shoda s právními předpisy. (Zdroj obrázku: Endress+Hauser)

Registr odběrů

Zajištění účinného zpracování sladké vody vyžaduje dostatečnou dostupnost vodních zásob. Environmentální legislativa reguluje odběr surové vody z přírodních zdrojů, aby nedocházelo k narušování místní vodní rovnováhy.

V Evropě je udržování odpovídajících vodních hladin a průtoků regulováno Rámcovou směrnicí o vodě, která se zaměřuje na kvantitativní a kvalitativní hospodaření s přírodními vodními zdroji. Podobné cíle má v USA agentura EPA, která pečlivě sleduje odběry vody.

Agentura EPA shromažďuje informace o množství odebrané vody společně s informacemi o vypouštění vody za účelem posouzení rizika nadměrných odběrů. Údaje se ročně zanášejí do registru odběrů. Hydrostatické hladinové senzory jsou důležitými nástroji pro monitorování stavu místních vodních ekosystémů.

Hydrostatické hladinové senzory

Hydrostatické hladinové senzory jsou vysoce univerzální zařízení. Jejich typické aplikace zahrnují:

• Monitorování hladin v řekách, jezerech, vodoměrných stanicích a nádržích
• Zajištění dostupnosti pitné vody ve vodárenských věžích a zásobnících
• Měření hladiny vody ve studních

Ponorné hydrostatické hladinové senzory Waterpilot FMX11 od společnosti Endress+Hauser umožňují díky svému kompaktnímu průměru 22 mm snadnou integraci. Tyto snímače poskytují výstupní signál 4 až 20 mA, který je kompatibilní s datovými záznamníky, panelovými měřiči, programovatelnými logickými automaty (PLC) a dalšími zařízeními na řízení procesů.

Hydrostatické hladinové senzory Waterpilot FMX11 mají několik osvědčení o pitné vodě, včetně National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) v USA, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) ve Francii a TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser v Německu.

Těleso je vyrobeno z nerezové oceli legované 316 a schváleno pro použití v pitné vodě Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv (FDA). Stíněný prodlužovací kabel obsahuje trubici pro kompenzaci atmosférického tlaku s teflonovým filtrem v plášti z termoplastického elastomeru (TPE) odolného proti oděru a ultrafialovému záření (UV). Materiály TPE a teflon jsou rovněž schváleny Úřadem pro kontrolu potravin a léčiv (FDA) pro použití v aplikacích s pitnou vodou (obrázek 4).

Obrázek 4: hydrostatické hladinové senzory řady Waterpilot mají několik mezinárodních certifikací pro aplikace s pitnou vodou a jsou vyrobeny z materiálů se schválením úřadem FDA. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Obecné technické údaje:

• Rozsah provozních teplot −10 °C až +70 °C
• Krytí IP68
• Přesnost ≤ ±0,35 % při rozsahu měření senzoru ≥ 400 mbar
• Přesnost ≤ ±0,50 % při rozsahu měření senzoru < 400 mbar
• certifikace cULus

Dostupné modely:

• FMX11-CA11DS06 s rozsahem snímání 0 až 0,2 bar (6,7 stop vodního sloupce) a 6m kabelem
• FMX11-CA11FS10 s rozsahem snímání 0 až 0,4 bar (13,4 stop vodního sloupce) a 10m kabelem
• FMX11-CA11GS20 s rozsahem snímání 0 až 0,6 bar (20,1 stop vodního sloupce) a 10m kabelem
• FMX11-CA11HS20 s rozsahem snímání 0 až 1 bar (33,5 stop vodního sloupce) a 20m kabelem
• FMX11-CA11KS30 s rozsahem snímání 0 až 2 bar (66,9 stop vodního sloupce) a 30m kabelem

Maximalizace dostupnosti úpraven vody

Úpravny pitné vody jsou kritickou infrastrukturou a vyžadují vysokou úroveň spolehlivosti. Senzory Waterpilot FMX11 jsou testovány podle směrnic o elektromagnetické kompatibilitě (EMC) normy EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, která definuje požadavky a metody pro testování schopnosti odolávat přepětí.

Základní testování elektromagnetické kompatibility (EMC) však pokrývá pouze přepětí do 2 kV u silových elektrických vedeních nebo 1 kV u signálových vedení. Toto omezení může být nedostatečné pro kritickou infrastrukturu, kde i nepřímé blesky nebo spínací operace mohou vyvolávat přepětí až 10 kV během několika mikrosekund.

Společnost Endress+Hauser doporučuje používat svodiče přepětí, aby byla zajištěna dostupnost úpravny. Následující svodiče přepětí jsou dostupné a navržené pro montáž na lištu DIN v ovládacích skříních a pro přímou montáž do tělesa:

• Svodiče přepětí řady HAW562, například model HAW562-AAD na ochranu silových a komunikačních vedení v ovládacích skříních
• Svodiče přepětí řady HAW569 pro procesní přístrojovou techniku, například model HAW569-CB2C pro napájecí a signálové kabely a HAW569-DA2B pro signálové kabely (obrázek 5)

Obrázek 5: svodič přepětí HAW569-CB2C pro napájecí a signálové kabely (nahoře) a HAW569-DA2B pro signálové kabely (dole). (Zdroj obrázku: Endress+Hauser)

Doporučená instalace pro maximální dostupnost zahrnuje následující součásti (obrázek 6):

1. Hydrostatický hladinový senzor Waterpilot FMX11
2. Svodiče přepětí HAW
3. Zobrazovací a vyhodnocovací jednotka se vstupem pro signál senzoru 4 až 20 mA
4. Napájecí zdroj

Obrázek 6: blokové schéma instalace hladinového senzoru Waterpilot FMX se znázorněním umístění dvou svodičů přepětí (2). (Zdroj obrázku: Endress+ Hauser)

Rozsah napájecího napětí je 8 V_DC na 28 V_DC a maximální, resp. minimální odběr proudu je 22 mA, resp. 2 mA. Při použití ve venkovním prostředí by měl být napájecí zdroj umístěn ve svorkovnici s krytím IP66/IP67. Je velmi doporučeno použít jistič, který splňuje požadavky normy IEC 61010.

Vzhledem k tomu, že hydrostatické hladinové senzory Waterpilot FMX11 jsou vybaveny integrovanou ochranu proti přepólování, v případě nesprávného připojení napájecích kabelů nedojde k jejich poškození. V případě záměny polarity připojení bude zařízení nefunkční.

Úrovně integrity bezpečnosti a výbušná prostředí

Hydrostatické hladinové senzory musejí vykazovat bezpečnou funkci i v přítomnosti výbušného prostředí. Norma IEC 61508 definuje úrovně integrity bezpečnosti (SIL), přičemž norma IEC 61511 je aplikačně specifickou adaptací normy IEC 61508 pro zpracovatelský průmysl. Jednotky HAW569 jsou navrženy pro použití v provozní přístrojové technice a splňují požadavky úrovně SIL2. Svodiče přepětí HAW562 jsou určeny pro použití v méně nebezpečných aplikacích ve skříních zařízení a jsou volitelně dostupné s úrovní SIL2.

Situace je podobná jako ve výbušném prostředí (Ex). Svodiče přepětí HAW562 jsou volitelně dostupné se schválením Ex pro jiskrovou bezpečnost. Dvě běžné certifikace Ex zahrnují Ex ia a Ex d.

Certifikace Ex ia poskytuje jiskrově bezpečnou ochranu, která zajišťuje, že maximální vnitřní energie zařízení a jeho kabeláže setrvá pod úrovní potřebnou k vyvolání vznícení i v případě poruchy. Tato zařízení jsou určena pro použití v oblastech s dlouhodobou nebo nepřetržitou přítomností výbušné směsi plynů, která představuje vysoké nebezpečí.

Zařízení s certifikací Ex d jsou navržena tak, aby odolala vnitřnímu výbuchu bez trvalého poškození. Tato zařízení jsou určena pro použití v kritických oblastech, kde se během normálního provozu pravděpodobně vyskytuje výbušná směs plynů představující občasný nebezpečný stav.

Jednotky HAW569 určené k ochraně signálových kabelů jsou volitelně k dispozici se schválením Ex ia, zatímco schválení Ex d je volitelná u jednotek navržených pro současnou ochranu signálových a napájecích kabelů. Svodiče přepětí HAW562 jsou rovněž k dispozici s volitelnými certifikáty Ex pro jiskrovou bezpečnost.

Závěr

Existuje několik aplikací pro hydrostatické tlakové senzory, které zahrnují řízení procesů a správy zásob v úpravnách pitné vody, jakož i monitorování vodních zdrojů, jako jsou studny, řeky, jezera a nádrže, aby byla zajištěna dostupnost a udržitelnost vody. Úpravny pitné vody jsou kritickou infrastrukturou a musí být dostatečně chráněny, aby byl zajištěn nepřetržitý provoz.

Hydrostatické hladinové snímače Waterpilot FMX11 jsou vyrobeny z materiálů schválených úřadem FDA pro aplikace s pitnou vodou a mají rovněž několik souvisejících mezinárodních schválení. Společnost Endress+Hauser také doporučuje používat svodiče přepětí a pro senzory řady Waterpilot FMX11 nabízí modely s úrovní SIL2 a certifikacemi Ex ia a Ex d.