Pomiar natężenia przepływu wody w celu poprawy skuteczności i wydajności uzdatniania

Monitorowanie i pomiar przepływu oraz objętości wody są niezbędne dla poprawy wydajności i zrównoważonego rozwoju elektrowni i elektrociepłowni, rolnictwa i górnictwa, przemysłowych i komunalnych oczyszczalni ścieków, a także przetwórstwa spożywczego oraz podobnych zakładów.

Istnieje wiele narzędzi, których projektanci instalacji wodnych mogą używać do ilościowego określenia dostępnej wody i jej przepływu. Narzędzia te minimalizują lub nawet eliminują bezpośredni kontakt z wodą w celu utrzymania jej czystości. Przepływomierze elektromagnetyczne (mag flow) zapewniają bezkontaktowy, ilościowy pomiar przepływającej wody. Poziom wody w zbiornikach magazynowych można mierzyć czujnikami bezdotykowymi, np. ultradźwiękowymi i radarowymi. Trzecią opcję stanowią uszczelnione czujniki do pomiaru ciśnienia hydrostatycznego, certyfikowane do zastosowań związanych z wodą pitną.

Ten artykuł zawiera przegląd działania i zalety stosowania przepływomierzy magnetycznych i hydrostatycznych czujników ciśnienia oraz porównanie działania i zastosowań bezkontaktowych czujników poziomu, np. modeli ultradźwiękowych i radarowych firmy Endress+Hauser. Następnie omówiono w nim rejestrowanie, wyświetlanie i monitorowanie działania z użyciem menedżera danych oraz szybkie i skutecznie tworzenie kompletnych systemów monitorowania wody za pomocą technologii IO-Link, na przykładzie linii do przetwarzania żywności i napojów.

Prawo indukcji Faradaya opisuje zasadę działania transformatorów, cewek indukcyjnych, generatorów oraz elektromagnetycznych czujników przepływu (mag flow). W przepływomierzu elektromagnetycznym naładowane elektrycznie cząstki mierzonej cieczy przepływają przez pole magnetyczne wytworzone przez dwie cewki, co powoduje indukowanie napięcia. Napięcie indukowane mierzą dwie elektrody pomiarowe (ilustracja 1).

Ilustracja 1: w przepływomierzu elektromagnetycznym naładowane elektrycznie cząstki w cieczy (niebieska strzałka) przepływają między dwiema cewkami (czerwone linie), a sondy mierzą napięcie indukowane (zielone linie). (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Indukowane napięcie jest wprost proporcjonalne do prędkości i objętości przepływu. Impulsowe napięcie prądu stałego (DC) wytwarza pole magnetyczne. Poprzez zmianę biegunowości napięcia prądu stałego ustala się stabilny punkt zerowy, dzięki któremu pomiary przepływu są niezależne od niskiej przewodności i niejednorodności cieczy.

Przepływomierze elektromagnetyczne Picomag z serii DMA50 są odpowiednie do szerokiej gamy zastosowań. Kolorowy wyświetlacz TFT 1,4″ z podświetleniem obraca się automatycznie w zależności od orientacji i kierunku przepływu, co ułatwia montaż. Mierniki te mogą jednocześnie mierzyć przepływ, temperaturę i przewodność cieczy. Dokładność pomiaru natężenia przepływu ±0,5% można uzyskiwać w szerokim zakresie prędkości przepływu.

Model DMA20-AAACA1 ma zakres pomiarowy od 0,1 do 50l/min i obsługuje maksymalne ciśnienie 16bar (232psi). Wyposażono go w złącze ¾”, a jego zakres temperatur roboczych wynosi od -10°C do 60°C. Podobnie jak przepływomierze elektromagnetyczne Picomag z serii DMA50, zapewnia łączność w technologii IO-Link. Bluetooth włącza się za pomocą aplikacji SmartBlue firmy Endress+Hauser, która ułatwia i przyspiesza obsługę, konserwację oraz przekazywanie do użytkowania nawet w trudnych miejscach montażu (ilustracja 2).

Ilustracja 2: przykład przepływomierza elektromagnetycznego Picomag z serii DMA50 do pomiaru przepływu (l/min) i przewodności (µS/cm). (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Model DMA20-AAACA1 ma pierścienie okrągłe z fluoroelastomeru (FKM) odporne na środki chemiczne i nadmierną temperaturę roboczą. Obsługują one zautomatyzowane procesy mycia na miejscu (CIP) i sterylizacji na miejscu (SIP) stosowane do czyszczenia i sterylizacji maszyn, zbiorników lub rur bez konieczności demontażu instalacji.

Inne modele, takie jak DMA50-AAABA1, mają pierścienie okrągłe z monomeru etylenowo-propylenowo-dienowego (EPDM), które zapewniają odporność na działanie ozonu, światła słonecznego i warunków atmosferycznych. Typowe zastosowania przepływomierzy elektromagnetycznych Picomag obejmują:

• Piece przemysłowe chłodzone wodą przepływającą przez wiele przewodów czynnika chłodzącego
• Układy do przetwarzania żywności z podwójnym płaszczem, które wymagają pomiaru przepływu wody grzewczej i chłodzącej
• Procesy takie jak czyszczenie pojemników, np. butelek, oraz pasteryzacja korzystają z monitorowania temperatury wody, jej dopływu i odprowadzania, aby zmaksymalizować wydajność zużycia wody

Porównanie pomiaru poziomu metodą ultradźwiękową i radarową czasu przelotu (ToF)

Ultradźwiękowe i radarowe czujniki poziomu wykorzystują pomiar czasu przelotu (ToF) odpowiednio na podstawie prędkości dźwięku i światła. Fale ultradźwiękowe odbijają się w wyniku zmiany gęstości pomiędzy powietrzem a powierzchnią mierzonego czynnika. Czujniki radarowe, zwane niekiedy radarami z funkcją tłumienia wolnej przestrzeni, emitują mikrofale, które odbijają w momencie przejścia z ośrodka o niskim współczynniku dielektrycznym (niski ε_r), jak powietrze, do czynnika o wysokim współczynniku dielektrycznym.

W zastosowaniach takich jak sterowanie pompami i poziomami alarmów, ultradźwiękowe czujniki poziomu z serii Prosonic FMU30 służą do bezkontaktowego pomiaru poziomu cieczy, w tym wody pitnej i ścieków, past oraz gruboziarnistych materiałów sypkich. Ponieważ jest to technologia bezkontaktowa, czujniki charakteryzują się minimalnymi wymogami obsługowymi. Są niewrażliwe na stałą dielektryczną i gęstość materiału oraz na wilgotność otoczenia.

Zakres pomiarowy czujników FMU30 zależy od wielkości danego czujnika. Producent oferuje je w dwóch rozmiarach: czujniki 1½", np. FMU30-AAHEAAGGF, mają zasięg 5m w cieczach i 2m w materiałach sypkich, a zasięgi czujników 2" wynoszą odpowiednio 8m w cieczach i 3,5m w materiałach sypkich.

Czujniki FMU30 mają zakres temperatur roboczych od -20°C do +60°C. Do mierzenia odległości stosuje się w nich zasadę czasu przelotu (ToF). Jednak prędkość dźwięku (a zatem i sam czas przelotu) zmienia się wraz z temperaturą. Czujniki ultradźwiękowe FMU30 wyposażono we wbudowany czujnik temperatury, dzięki czemu automatycznie kompensują one wahania temperatury, aby zapewnić dokładność i powtarzalność pomiarów.

Czujniki radarowe

Radarowe czujniki poziomu Micropilot z serii FMR10 zoptymalizowano do użytku z materiałami o współczynniku ε_r wynoszącym przynajmniej 4. Doskonale sprawdzają się w pomiarach poziomu w zbiornikach magazynowych, otwartych basenach, kanałach pomp, układach kanałów i tym podobnych zastosowaniach. Hermetycznie uszczelnione oprzewodowanie zapobiega wnikaniu wody (ilustracja 3). Wyposażono je w łączność Bluetooth w celu przyspieszenia przekazania do użytkowania za pomocą smartfonów i tabletów. Pozostała charakterystyka i specyfikacje obejmują:

• Częstotliwość, pasmo K (około 26GHz)
• Zasięg pomiarowy do 12m
• Dokładność nawet ±5mm
• Ciśnienie technologiczne od -1bar do 3bar (od -14 do 43psi)
• Temperatura robocza od -40°C do +60°C

Ilustracja 3: hermetycznie uszczelniony radarowy czujnik poziomu o zasięgu do 12m. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Hydrostatyczne pomiary poziomu

Monitorowanie dostępności wody słodkiej w rzekach, jeziorach, zbiornikach, wieżach ciśnień oraz studniach może mieć znaczenie z punktu widzenia wydajnej gospodarki wodnej. W powyższych zastosowaniach projektanci systemów gospodarki wodnej mogą skorzystać z hydrostatycznych urządzeń do pomiaru poziomu, np. sond hydrostatycznych FMX11, certyfikowanych do zastosowań związanych z wodą pitną (ilustracja 4). Charakterystyka i specyfikacje sondy FMX11 obejmują:

• Niewielkie rozmiary, średnica 22mm (0,87”) pozwala na stosowanie tego modelu sondy w odwiertach i studzienkach wyrównawczych o małej średnicy
• Zakres temperatur roboczych od -10°C do +70°C
• Zakres pomiarowy od 0 do 2bar, 20mH20 i od 0psi do 30psi, w zależności od modelu. Model FMX11-CA11FS10 może mierzyć ciśnienie do 0,6bar (8,7psi)
• Dokładność nawet ±0,35%
• Aprobaty dot. wody pitnej obejmują francuskie Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), amerykańskie
• NSF/ANSI 61 oraz dwie certyfikacje niemieckie, czyli Kunststoff-Trinkwasser (KTW) i Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Komunikacja analogowa od 4-20mA

Ilustracja 4: ukazane czujniki hydrostatyczne są dopuszczone do stosowania z wodą pitną. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Zarządzanie danymi

Niezależnie od monitorowanych parametrów: przepływu, temperatury, poziomu i innych, a także od zastosowanej technologii, pozyskiwane dane trzeba rejestrować i wyświetlać w formacie ułatwiającym zarządzanie całym procesem. Projektanci systemów mogą wybrać uniwersalne narzędzie do zarządzania danymi Ecograph T RSG35, które umożliwia zapisywanie, wyświetlanie oraz monitorowanie analogowych i cyfrowych sygnałów wejściowych. Ponadto rejestrator ma funkcję bezpiecznego zapisu zmierzonych wartości i zapewnia monitorowanie wartości granicznych.

Wersja standardowa nie posiada analogowych wejść danych. Niektóre modele dostarczane są z maksymalnie trzema opcjonalnymi, dodatkowymi kartami wejściowymi. Każda z nich ma cztery uniwersalne wejścia analogowe, co razem daje cztery, osiem lub nawet 12 wejść analogowych. Na przykład model RSG35-C2A wyposażony jest w osiem uniwersalnych wejść analogowych, gniazdo RJ45 umożliwiające połączenie z sieciami Ethernet i Internet oraz złącze USB do podłączania urządzeń peryferyjnych i przesyłania danych. Jak wszystkie modele, RSG35-C2A posiada sześć wejść cyfrowych.

Zintegrowany serwer sieciowy w narzędziu do zarządzania danymi Ecograph T obsługuje konfigurację i wizualizację zdalną. Dołączono do niego również wersję Essential oprogramowania Field Data Manager, która może służyć do zapisywania danych w bezpiecznej bazie danych SQL, przechowywanej w pamięci wewnętrznej lub na osobnej karcie SD na potrzeby analizy. Kolorowy wyświetlacz TFT 5,7″ może wyświetlać zmierzone wartości w czterech grupach, w postaci cyfrowej, wykresu słupkowego lub krzywej (ilustracja 5). Cechy dodatkowe:

• Szybkość skanowania wszystkich kanałów 100ms
• Obsługa za pomocą wbudowanego nawigatora (pokrętłem jog/shuttle) lub przyjazna dla użytkownika obsługa z poziomu komputera PC za pośrednictwem wbudowanego serwera sieciowego
• Narzędzie może wysyłać powiadomienia e-mail w przypadku wystąpienia alarmów i przekroczenia wartości granicznych
• Obsługa interfejsów takich jak Ethernet, RS232/485, USB i opcjonalna funkcja modułu podrzędnego (slave) dla Modbus RTU/TCP przyspieszają integrację z systemami automatyki przemysłowej
• Aplikacja WebDAV umożliwia przesyłanie danych z karty SD bezpośrednio do komputera PC za pośrednictwem protokołu HTTP, bez użycia dodatkowego oprogramowania.

Ilustracja 5: moduł zarządzania danymi wyświetla wartości czterech parametrów i wysyła dane do zewnętrznego komputera za pośrednictwem wbudowanego serwera sieciowego. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Technologia IO-Link i platformy modułowe

IO-Link to technologia ujęta w normie Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) 61131-9, w której nadano jej nazwę: „Cyfrowy interfejs komunikacyjny single-drop dla niewielkich czujników i siłowników (SDCI)”.

Platformy modułowe (czyli modułowe układy do przetwarzania i obróbki umieszczone w ramie, która ułatwia transport i montaż, tzw. skid) często stosuje się w przetwórstwie spożywczym, ogólnej budowie maszyn oraz w naukach przyrodniczych.

Typowa platforma modułowa zawiera zazwyczaj nie więcej niż 50 urządzeń polowych, takich jak czujniki przepływu, włączniki i wyłączniki, zawory, przetworniki ciśnienia, napędy o zmiennej częstotliwości, pompy itd. Układy te często są oparte na łączności w technologii IO-Link. Platformy modułowe zawierają interfejs człowiek-maszyna, np. płaski wyświetlacz panelowy do interakcji lokalnych i łączą się z obiektowym systemem automatyki wyższego poziomu za pośrednictwem przemysłowego protokołu Ethernet, np. EtherNet/IP lub PROFINET. Typowa architektura typowej platformy modułowej obejmuje (ilustracja 6):

• Zewnętrzny system sterowania ➊ korzystający np. z protokołu EtherNet/IP lub PROFINET (zielone linie), który łączy dedykowane sterowniki poszczególnych platform modułowych w celu koordynacji ich działania.
• W urządzeniach pomocniczych, np. wymiennikach ciepła, takie urządzenia jak elektromagnetyczne czujniki przepływu Picomag ➋ wykorzystują technologię IO-Link (czerwone linie) do dostarczania dodatkowych danych technologicznych oraz zwiększania wydajności i dostępności.
• Połączenie główne IO-Link ➌ gromadzi dane z poszczególnych czujników i siłowników, a następnie przesyła je do sterownika platformy modułowej za pośrednictwem protokołu EtherNet/IP lub PROFINET. Urządzenie główne IO-Link może również odbierać polecenia od sterownika platformy modułowej dla urządzeń, np. zaworów i siłowników.
• Urządzenia czteroprzewodowe, których nie można podłączyć za pomocą złącza trzyprzewodowego IO-Link ➍ łączą się bezpośrednio ze sterownikiem platformy modułowej, korzystając z protokołu obiektowego, np. EtherNet/IP lub PROFINET.

Ilustracja 6: technologia IO-Link (czerwone linie) służy do komunikacji wewnętrznej w platformie modułowej, a protokół EtherNet/IP lub PROFINET (zielone linie) obsługuje zarówno komunikację wewnętrzną, jak i łączność zewnętrzną. (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Podsumowanie

Monitorowanie i pomiar ilości oraz przepływu wody są ważne w wielu różnych zastosowaniach. Na szczęście projektanci systemów gospodarki wodnej dysponują wieloma narzędziami, w tym przepływomierzami elektromagnetycznymi, ultradźwiękowymi i radarowymi czujnikami poziomu oraz hydrostatycznymi czujnikami poziomu i modułami zarządzania danymi. Urządzenia te, wraz z technologią łączności IO-Link, często służą do tworzenia gotowych platform modułowych do takich zastosowań jak przetwórstwo spożywcze.