Wykorzystanie hydrostatycznych czujników poziomu do poprawy sprawności uzdatniania świeżej wody

Czysta woda słodka ma kluczowe znaczenie. Stacje uzdatniania wody pitnej znajdują się niemal wszędzie. Aby stacje te działały wydajnie, muszą monitorować dostępny poziom wody w studniach, zbiornikach magazynowych, rzekach, akwenach i innych obszarach.

W zależności od zastosowania i warunków pracy, poziom wody można monitorować za pomocą urządzeń mechanicznych, takich jak pływaki, lub urządzeń półprzewodnikowych, takich jak hydrostatyczne czujniki poziomu. Niektóre technologie lepiej sprawdzają się w punktowym monitorowaniu poziomu, umożliwiając wykrywanie określonych wartości progowych i skuteczne zapobieganie wyciekom. Inne są z kolei przystosowane do ciągłych pomiarów poziomu w systemach sterowania procesami i zarządzania zapasami.

Niniejszy artykuł rozpoczyna się od omówienia scenariuszy monitorowania punktowego i ciągłego. Następnie przedstawiono zasadę działania hydrostatycznych czujników poziomu i dokonano przeglądu niektórych ich zastosowań w stacjach uzdatniania wody pitnej.

W artykule przedstawiono pokrótce sposób, w jaki amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) śledzi zużycie słodkiej wody za pomocą „rejestru poboru wody”. Następnie dokonano przeglądu niektórych dostępnych hydrostatycznych czujników poziomu firmy Endress+Hauser. Na zakończenie zamieszczono sugestie dotyczące zastosowań czujników w instalacjach infrastruktury krytycznej, takich jak stacje uzdatniania wody pitnej.

Czujniki pływakowe są prostymi urządzeniami mechanicznymi. Pływak podnosi się i opada wraz z poziomem wody. Ruch ten otwiera i zamyka łącznik mechaniczny, który sygnalizuje przekroczenie określonego poziomu wody. Czujniki te są często używane do zapobiegania przepełnieniu zbiorników i rozlaniu lub zbyt niskiemu poziomowi wody, a w konsekwencji uszkodzeniu pomp lub innego sprzętu.

Hydrostatyczne czujniki poziomu zapewniają ciągły pomiar poziomu wody. Są one powszechnie stosowane w zbiornikach i naczyniach magazynowych i technologicznych w stacjach uzdatniania wody słodkiej. W miarę napełniania lub opróżniania zbiornika, ciężar wody powyżej hydrostatycznego czujnika poziomu zmienia się, a czujnik generuje sygnał wyjściowy zależny od wysokości (ilustracja 1). Dzięki temu są one szczególnie przydatne w zastosowaniach sterowania procesami.

Ilustracja 1: czujniki pływakowe poruszają się w górę i w dół (po lewej) i mogą monitorować określone poziomy w zbiorniku, podczas gdy czujniki hydrostatyczne są nieruchome i zapewniają ciągłe monitorowanie poziomu (po prawej). (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Hydrostatyczne czujniki poziomu mierzą ciśnienie słupa wody nad membraną na spodzie czujnika. Nieściśliwy olej hydrauliczny przenosi ciśnienie z membrany na mechanizm czujnika. Powierzchnia rozdziału pomiędzy olejem hydraulicznym i wodą jest stosunkowo duża, a ciśnienie koncentruje się na mniejszym słupie, który dosięga mechanizmu czujnika. Mechanizm pomiarowy składa się z mostka Wheatstone'a, który zmienia rezystancję wraz z odchyleniem podłoża (ilustracja 2).

Ilustracja 2: wewnętrzna konstrukcja typowego hydrostatycznego czujnika poziomu (po lewej) i reprezentacja odchylonego mechanizmu mostka Wheatstone'a (po prawej). (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Hydrostatyczne czujniki poziomu łączą w sobie wysoką niezawodność z bardzo niskimi kosztami instalacji. Ich zastosowania obejmują zakres od stacji uzdatniania wody słodkiej, gdzie zapewniają wydajną pracę, po monitorowanie lokalnych ekosystemów wodnych w celu zapewnienia długoterminowej dostępności wody.

Uzdatnianie wody słodkiej

Pobór wody jest pierwszym etapem w systemach dostarczania wody pitnej. Jest to proces pobierania wody z dowolnego źródła. Ilość dostępnej wody jest ściśle monitorowana za pomocą takich urządzeń jak hydrostatyczne czujniki poziomu.

Pozostałe szczegóły dotyczące uzdatniania wody słodkiej różnią się w zależności od lokalnych przepisów, ale konieczne jest monitorowanie poziomu wody w całej stacji. Oto niektóre typowe etapy (ilustracja 3):

• Koagulacja polega na dodawaniu do wody chemikaliów o ładunku dodatnim w celu zneutralizowania ujemnego ładunku zanieczyszczeń i innych rozpuszczonych cząstek.
• Flokulacja stanowi drugi proces chemiczny, w którym skoagulowane cząstki tworzą większe cząstki zwane flokami.
• Sedymentacja polega na tym, że floki osadzają się na dnie wody, a szlam jest usuwany.
• Filtracja polega na usuwaniu rozpuszczonych cząstek stałych i drobnoustrojów przez różne filtry.
• Dezynfekcja wykorzystuje chlor lub chloraminę w celu zabicia pasożytów, bakterii, wirusów i drobnoustrojów.
• Przechowywanie i dystrybucja. Uzdatnianie wody słodkiej jest procesem ciągłym, ale w większości miast największe zużycie wody występuje rano i wieczorem, co wymaga dużych magazynów, aby dostosować dostępność świeżej wody do zapotrzebowania.

Ilustracja 3: uzdatnianie wody pitnej może obejmować wiele procesów, które muszą być ściśle monitorowane, aby zapewnić jakość wody i zgodność z przepisami prawa. (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Rejestr poboru

Zapewnienie wydajnego uzdatniania wody słodkiej wymaga odpowiedniej dostępności wody. Przepisy ochrony środowiska regulują pobór wody surowej ze źródeł naturalnych, aby uniknąć negatywnego wpływu na lokalny bilans wodny.

W Europie utrzymanie odpowiednich poziomów i przepływów wody jest podyktowane ramową dyrektywą wodną, która koncentruje się na ilościowym i jakościowym gospodarowaniu naturalnymi zasobami wodnymi. W Stanach Zjednoczonych podobne cele realizuje Agencja Ochrony Środowiska (EPA), która ściśle monitoruje pobór wody.

EPA zbiera informacje o wielkości poboru wody wraz z informacjami o zrzutach wody, aby ocenić ryzyko nadmiernego poboru. Dane te są przekazywane w rocznym rejestrze poboru. Hydrostatyczne czujniki poziomu są ważnymi narzędziami do monitorowania stanu lokalnych ekosystemów wodnych.

Hydrostatyczne czujniki poziomu

Hydrostatyczne czujniki poziomu są bardzo uniwersalnymi urządzeniami. Przykłady typowych zastosowań:

• Monitorowanie poziomów w rzekach, jeziorach, stacjach pomiarowych i zbiornikach
• Zapewnienie dostępności wody pitnej w wieżach ciśnień i zbiornikach magazynowych
• Pomiar poziomu wody w studniach

Kompaktowa średnica (22mm) zanurzalnych hydrostatycznych czujników poziomu Waterpilot FMX11 firmy Endress+Hauser ułatwia ich integracje. Czujniki te dostarczają sygnał wyjściowy 4-20mA i są kompatybilne z rejestratorami danych, miernikami tablicowymi, programowanymi sterownikami logicznymi (PLC) i innymi urządzeniami sterowania procesami.

Hydrostatyczne czujniki poziomu Waterpilot FMX11 posiadają szereg certyfikatów dotyczących wody pitnej, w tym certyfikat National Sanition Foundation 61 (NSF-61) w USA, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) we Francji oraz TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser w Niemczech.

Obudowa została wykonana ze stali nierdzewnej 316 i posiada aprobatę amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków (FDA) do stosowania w wodzie pitnej. Ekranowany kabel przedłużający zawiera rurkę kompensacji ciśnienia atmosferycznego z filtrem teflonowym w płaszczu z termoplastycznego elastomeru poliestrowego (TPE) odpornego na ścieranie i światło ultrafioletowe (UV). Termoplastyczny elastomer poliestrowy (TPE) i teflon są również dopuszczone przez FDA do stosowania w kontakcie z wodą pitną (ilustracja 4).

Ilustracja 4: hydrostatyczne czujniki poziomu Waterpilot posiadają szereg międzynarodowych certyfikatów do stosowania w wodzie pitnej i są wykonane z materiałów zatwierdzonych przez FDA. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Specyfikacje ogólne:

• Zakres temperatur roboczych od -10°C do +70°C
• Stopień ochrony IP68
• Dokładność ≤±0,35% dla zakresu pomiarowego czujnika ≥400mbar
• Dokładność ≤±0,50% dla zakresu pomiarowego czujnika <400mbar
• Certyfikat cULus

Dostępne modele:

• FMX11-CA11DS06 o zakresie pomiarowym od 0 do 0,2bar (6,7ft H2O) z kablem o długości 6m
• FMX11-CA11FS10 o zakresie pomiarowym od 0 do 0,4bar (13,4ft H2O) z kablem o długości 10m
• FMX11-CA11GS20 o zakresie pomiarowym od 0 do 0,6bar (20,1ft H2O) z kablem o długości 10m
• FMX11-CA11HS20 o zakresie pomiarowym od 0 do 1bar (33,5ft H2O) z kablem o długości 20m
• FMX11-CA11KS30 o zakresie pomiarowym od 0 do 2bar (66,9ft H2O) z kablem o długości 30m

Maksymalizacja dostępności stacji uzdatniania wody

Stacje uzdatniania wody pitnej stanowią infrastrukturę o znaczeniu krytycznym i wymagają wysokiego poziomu niezawodności. Czujniki Waterpilot FMX11 są testowane zgodnie z wytycznymi kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) określonymi w normie EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, która określa wymagania i metody badania wytrzymałości na udary mocy.

Jednak podstawowe badania kompatybilności elektromagnetycznej obejmują tylko udary do 2kV na głównych liniach zasilających lub 1kV na liniach sygnałowych. To może być niewystarczające dla infrastruktury krytycznej, w której nawet pośredni wpływ piorunów lub przełączania może skutkować udarami dochodzącymi do 10kV w ciągu mikrosekund.

Firma Endress+Hauser zaleca stosowanie ochronników przepięciowych w celu zapewnienia dyspozycyjności instalacji. Ochronniki przepięciowe są przeznaczone do montażu na szynach DIN w szafach sterowniczych oraz do bezpośredniego montażu w obudowach polowych:

• Ochronniki przepięciowe HAW562 takie jak HAW562-AAD do ochrony linii zasilających i komunikacyjnych w szafach sterowniczych
• Ochronniki przepięciowe HAW569 do technologicznego oprzyrządowania polowego, takie jak HAW569-CB2C do kabli zasilających i sygnałowych oraz HAW569-DA2B do kabli sygnałowych (ilustracja 5)

Ilustracja 5: urządzenie HAW569-CB2C do kabli zasilających i sygnałowych (u góry) oraz HAW569-DA2B do kabli sygnałowych (u dołu). (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Zalecana instalacja zapewniająca maksymalną dyspozycyjność obejmuje (ilustracja 6):

1. Hydrostatyczny czujnik poziomu Waterpilot FMX11
2. Ochronniki przepięciowe HAW
3. Wyświetlacz i jednostkę ewaluacyjną z wejściem dla sygnału czujnika 4-20mA
4. Zasilanie

Ilustracja 6: schemat blokowy instalacji Waterpilot FMX przedstawiający umiejscowienie dwóch ochronników przepięciowych (2). (Źródło ilustracji: Endress+Hauser)

Zakres napięć zasilania wynosi od 8V₌ do 28V₌, a pobór prądu wynosi maksymalnie 22mA i minimalnie 2mA. W przypadku stosowania na zewnątrz, zasilacz powinien być umieszczony w puszcze zaciskowej o stopniu ochrony IP66/IP67. Zdecydowanie zaleca się stosowanie wyłącznika automatycznego spełniającego wymagania normy IEC 61010.

Hydrostatyczne czujniki poziomu Waterpilot FMX11 posiadają zintegrowane zabezpieczenie przed odwróconą biegunowością i nie ulegną uszkodzeniu w przypadku nieprawidłowego podłączenia kabli zasilających. W przypadku podłączenia z odwróconą biegunowością, urządzenie nie zadziała.

Poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa i atmosfery wybuchowe

Hydrostatyczne czujniki poziomu również muszą działać bezpiecznie, nawet w obecności atmosfer wybuchowych. Norma IEC 61508 definiuje poziomy nienaruszalności bezpieczeństwa (SIL), a norma IEC 61511 jest adaptacją normy IEC 61508 do konkretnego zastosowania w przemyśle przetwórczym. Urządzenia HAW569 są przeznaczone do stosowania w oprzyrządowaniu polowym i spełniają wymagania poziomów SIL2. Ochronniki przepięciowe HAW562 są przeznaczone do mniej niebezpiecznych zastosowań w szafach sprzętowych i są opcjonalnie dostępne z poziomem SIL2.

Sytuacja jest podobna do tej stosowanej w atmosferach wybuchowych (Ex). Ochronniki przepięciowe HAW562 są opcjonalnie dostępne z aprobatami samoistnego bezpieczeństwa Ex. Dwa popularne certyfikaty Ex to Ex ia oraz Ex d.

Certyfikat Ex ia zapewnia ochronę pod względem samoistnego bezpieczeństwa, która gwarantuje maksymalną energię wewnętrzną urządzenia i oprzewodowania poniżej poziomu energii wymaganego do wywołania zapłonu, nawet w przypadku usterki. Jest ona przeznaczona do użytku w obszarach, w których mieszanina gazów wybuchowych jest obecna przez dłuższy czas lub w sposób ciągły i stanowi poważne zagrożenie.

Urządzenia z certyfikatem Ex d zostały zaprojektowane tak, aby wytrzymać wybuch wewnętrzny bez doznania uszkodzeń. Urządzenia te są przeznaczone do użytku w obszarach krytycznych, w których podczas normalnej pracy prawdopodobnie wystąpią mieszanki gazów wybuchowych, stwarzające przejściowe stany zagrożenia.

Urządzenia HAW569 przeznaczone do ochrony kabli sygnałowych są opcjonalnie dostępne z aprobatą Ex ia, natomiast urządzenia przeznaczone do jednoczesnej ochrony kabli sygnałowych i zasilających posiadają aprobatę Ex d. Ochronniki przepięciowe HAW562 są również dostępne z opcjonalnymi aprobatami samoistnego bezpieczeństwa Ex.

Podsumowanie

Istnieje kilka zastosowań hydrostatycznych czujników poziomu, w tym sterowanie procesami i zarządzanie zapasami w stacjach uzdatniania wody pitnej, a także monitorowanie źródeł wody, takich jak studnie, rzeki, jeziora i zbiorniki w celu zapewnienia dostępności wody i zrównoważonego rozwoju. Stacje uzdatniania wody pitnej stanowią infrastrukturę o znaczeniu krytycznym i muszą posiadać odpowiednie zabezpieczenia zapewniające im ciągłość pracy.

Hydrostatyczne czujniki poziomu Waterpilot FMX11 są wykonane z materiałów zatwierdzonych przez FDA do stosowania w kontakcie z wodą pitną i posiadają szereg aprobat międzynarodowych. Firma Endress+Hauser zaleca również stosowanie ochronników przepięciowych i oferuje modele z parametrami działania na poziomie SIL2 oraz certyfikatami Ex ia oraz Ex d dla czujników Waterpilot FMX11.