Slik måles vannstrømning for å forbedre behandlingens yteevne og effektivitet

Overvåking og måling av vannstrømning og -volum er nødvendig for å forbedre yteevnen og bærekraften til virksomheter som kraft- og energianlegg, landbruk og gruvedrift, industrielle og kommunale vann- og avløpsanlegg, mat- og drikkevarebearbeiding og lignende virksomheter.

Det finnes flere verktøy som konstruktører av vannsystemer kan bruke for å kvantifisere tilgjengelig vann og vannstrømning. Disse verktøyene minimerer eller eliminerer direkte kontakt med vannet for å opprettholde renheten. Elektromagnetiske strømningsmålere (mag flow meters) gir en måte å kvantifisere vannstrømningen på, uten at det er nødvendig å være i kontakt med vannet. Vannstanden i lagringstanker kan måles ved å bruke ikke-kontakt-sensorer som ultralyd- og radarbaserte utrustninger. Et tredje alternativ er forseglede sensorer for måling av hydrostatisk trykknivå som er sertifisert for bruk med drikkevann.

Denne artikkelen gjennomgår driften og fordelene ved å bruke elektromagnetiske strømningsmålere og hydrostatiske trykksensorer, og den sammenligner driften og bruksområdene for ikke-kontakt-nivåsensorer som ultralyd- og radarbaserte konstruksjoner fra Endress+Hauser. Den tar deretter for seg hvordan en dataadministrator kan registrere, vise og overvåke virksomheter, og hvordan IO-Link raskt og effektivt kan sy sammen et komplett vannovervåkingssystem ved å bruke en mat- og drikkevarebearbeidingslinje som et eksempel på et bruksområde.

Faradays induksjonslov beskriver driftsprinsippet til transformatorer, induktorer, generatorer og elektromagnetiske strømningssensorer. I en elektromagnetisk strømningsmåler strømmer elektrisk ladede partikler i væsken gjennom et magnetfelt som genereres av to feltspoler – og en spenning induseres. Den induserte spenningen måles med to måleelektroder (figur 1).

Figur 1: I en elektromagnetisk strømningsmåler strømmer elektrisk ladede partikler i en væske (blå pil) mellom to feltspoler (røde linjer), og prober måler den induserte spenningen (grønne linjer). (Bildekilde: Endress+Hauser)

Den induserte spenningen er direkte proporsjonal med hastigheten og volumet til strømningen. En pulserende likespenning (DC) genererer magnetfeltet. Ved å alternere polariteten til likespenningen etableres et stabilt nullpunkt som gjør strømningsmålinger ufølsomme for lav ledningsevne eller ikke-homogene væsker.

Strømningsmålere i DMA50-serien fra Picomag er egnet for en rekke utrustninger. TFT-fargeskjermen på 1,4 tommer med bakgrunnsbelysning roterer automatisk avhengig av orientering og strømningsretning, noe som forenkler installasjonen. Disse målerne kan samtidig måle strømning, temperatur og ledningsevne. Nøyaktigheten til strømningsmålingen på ±0,5 % kan realiseres over et bredt område med strømningshastigheter.

DMA20-AAACA1 har et måleområde på 0,1 til 50 liter per minutt (l/min) og et maksimalt trykk på 16 bar (232 psi). Den har en tilkobling på ¾ tommer (1,9 cm) og et driftstemperaturområde fra –10 °C til 60 °C. I likhet med alle elektromagnetiske strømningsmålere i DMA50-serien fra Picomag, har den IO-Link-konnektivitet. Bluetooth er aktivert via SmartBlue-appen fra Endress+Hauser, som forenkler og får fart på driften, vedlikeholdet og idriftssettingen, selv på utfordrende steder (figur 2).

Figur 2: Eksempel på en elektromagnetisk strømningsmåler i DMA50-serien fra Picomag som måler strømning (l/min) og ledningsevne (µS/cm). (Bildekilde: Endress+Hauser)

DMA20-AAACA1-modellen har O-ringer av fluorelastomer (FKM) som motstår kjemikalier og ekstreme termiske forhold og støtter automatiserte prosesser som CIP (clean-in-place) og SIP (sterilization-in-place), som brukes til å rengjøre og sterilisere maskiner, kar eller rør, uten demontering.

Andre modeller som DMA50-AAABA1 har O-ringer av etylenpropylendien (EPDM) som motstår ozon, sollys og forvitring. Typiske bruksområder for elektromagnetiske strømningsmålere fra Picomag, omfatter:

• Industriovner som kjøles ved hjelp av vann som strømmer gjennom flere kjølelinjer
• Næringsmiddelsystemer med dobbel kappe som må måle strømningen av varmende og kjølende vann
• Rengjøringsbeholdere som flasker og pasteuriseringsprosesser drar nytte av å overvåke vanntemperaturen, -tilførselen og -dreneringen for å maksimere effektiv vannbruk

ToF-nivåmåling med ultralyd kontra radar

Ultralyd- og radarnivåsensorer implementerer ToF-målinger (ToF – Time of Flight – flytid) basert på hastigheten til henholdsvis lyd og lys. Ultralydbølger reflekteres av endringen i tetthet mellom luften og materialets overflate som skal måles. Radarsensorer, noen ganger kalt luftromradar (free-space radar), avgir mikrobølger som reflekteres basert på skiftet fra et medium med lav dielektrisitet (lav ε_r) som luft til et materiale med høyere dielektrisitet.

I utrustninger som pumpestyringer og nivåalarmer, er ultralydnivåsensorene i Prosonic FMU30-serien konstruert for kontaktfri nivåmåling av væsker, for eksempel drikkevann og avløpsvann, pastaer og grove bulkmaterialer. Siden det er en berøringsfri teknologi, har disse sensorene minimale servicebehov. De er ufølsomme for materialets dielektrisitetskonstant og tetthet eller den omgivende luftfuktigheten.

Måleområdet til FMU30-sensorer avhenger av størrelsen på sensoren. De tilbys i to størrelser: Sensorer på 3,8 cm (1½ tommer) som FMU30-AAHEAAGGF har en rekkevidde på 5 m i væsker og 2 m i bulkmaterialer, mens sensorer på 5,1 cm (2 tommer) har en rekkevidde på 8 m i væsker og 3,5 m i bulkmaterialer.

FMU30-sensorene har et driftstemperaturområde fra –20 °C til +60 °C. De bruker ToF-prinsippet til å måle avstand. Lydhastigheten (og dermed ToF) varierer imidlertid med temperaturen. FMU30-ultralydsensorer har en integrert temperatursensor og kompenserer automatisk for temperaturendringer for å sikre nøyaktige og repeterbare målinger.

Radarnivåsensorer

Radarnivåsensorer i FMR10-serien fra Micropilot er optimalisert for bruk med materialer med en ε_r på minst 4. De er egnet for nivåmålinger i lagringstanker, åpne bassenger, pumpesjakter, kanalsystemer og lignende bruksområder. De hermetisk forseglede ledningene hindrer vanninntrengning (Figur 3). De har Bluetooth-konnektivitet for å gi raskere idriftsetting ved å bruke smarttelefoner og nettbrett. Andre funksjoner og spesifikasjoner inkluderer:

• Frekvens, K-bånd (ca. 26 GHz)
• Målerekkevidde på opptil 12 m
• Nøyaktighet på opptil ±5 mm
• Prosesstrykk fra –1 til 3 bar (–14 til 43 psi)
• Prosesstemperatur fra –40 til +60 °C

Figur 3: Hermetisk forseglet radarnivåsensor med en rekkevidde på opptil 12 m. (Bildekilde: DigiKey)

Hydrostatiske nivåmålinger

Overvåking av ferskvannstilgjengelighet i elver, innsjøer, reservoarer, vanntårn og brønner kan være viktig for effektiv vannforvaltning. I disse utrustningene kan konstruktører av vannstyringssystemer velge å bruke hydrostatiske nivåmålingsenheter som FMX11, som er hydrostatiske prober sertifisert for utrustninger forbundet med drikkevann (Figur 4). Funksjoner og spesifikasjoner for FMX11, inkluderer:

• Kompakt størrelse med en diameter på 22 mm (0,87 tommer) gjør disse probene egnet for utrustninger som borehull og målebrønner med liten diameter
• Driftstemperaturområde fra –10 til +70 °C
• Måleområde fra 0 til 2 bar, 20 m H20 og 0 til 30 psi, avhengig av modell. FMX11-CA11FS10-modellen kan måle opptil 0,6 bar (8,7 psi)
• Nøyaktighet på opptil ±0,35 %
• Drikkevannsgodkjenninger inkluderer French Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), USA
• NSF/ANSI 61 og to tyske sertifiseringer, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) og Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Analog kommunikasjon på 4 til 20 mA

Figur 4: Hydrostatiske sensorer som denne er godkjent for bruk med drikkevann. (Bildekilde: DigiKey)

Datahåndtering

Uavhengig av parametrene som overvåkes – strømning, temperatur, nivå eller noe annet – og teknologien som brukes, må de resulterende dataene fanges opp og vises i et format som støtter prosesstyring. Systemutviklere kan bruke den universelle Ecograph T RSG35-dataadministratoren som registrerer, viser og overvåker analoge eller digitale inngangssignaler. I tillegg er de målte verdiene trygt lagret, og grenseverdiene kan overvåkes.

Standardversjonen leveres uten analoge datainnganger. Noen modeller kommer med opptil tre valgfrie inngangskort som kan legges til, hver med fire analoge universalinnganger, noe som gir totalt fire, åtte eller tolv analoge innganger. For eksempel har RSG35-C2A-modellen åtte universelle analoge innganger, en RJ45-kontakt for å lette Ethernet-tilkoblinger og Internett-tilgang og en USB-kontakt for periferienheter og dataoverføringer. I likhet med alle andre modeller, inkluderer RSG35-C2A seks digitale innganger.

Den integrerte nettserveren i Ecograph T-dataadministratorer støtter ekstern konfigurasjon og visualisering. Essential Version i Field Data Manager-programvaren er også inkludert, og kan brukes til å lagre data til en sikker SQL-database lagret i internminnet eller på et separat SD-kort for analyse. Det 5,7-tommers TFT-fargedisplayet kan vise målte verdier i fire grupper, med digital, søylediagram og kurvevisning (Figur 5). Ytterligere funksjoner omfatter:

• 100 ms skannehastighet for alle kanaler
• Betjening med den integrerte navigatoren (jog/pendling-dreiebryter) eller brukervennlig betjening med en datamaskin ved hjelp av den integrerte nettserveren
• E-postvarsler kan sendes ved alarmer og grenseovertredelser
• Støtte for grensesnitt som Ethernet, RS232/485, USB og valgfri slavefunksjon for Modbus RTU/TCP, gir raskere integrering i industrielle automasjonssystemer
• WebDAV-appen gjør det mulig å overføre data som er lagret på SD-kortet direkte til en datamaskin via HTTP uten noen ekstra programvare.

Figur 5: Denne dataadministratoren kan vise verdier for fire parametere og sende dataene til en ekstern datamaskin ved hjelp av dens integrerte nettserver. (Bildekilde: DigiKey)

IO-Link og skid-er

IO-Link er standardisert i International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-9, der den kalles «digitalt single-drop-kommunikasjonsgrensesnitt for små sensorer og aktuatorer (SDCI – single-drop digital communication interface)».

Skid-er (modulære prosessystemer innenfor en ramme, noe som gjør dem enklere å transportere og installere) brukes ofte i mat- og drikkevareprosessering, generell maskinbygging og biovitenskap.

En typisk skid vil omfatte mindre enn 50 feltenheter som strømningssensorer, av/på-brytere, ventiler, trykktransdusere, drivenheter med variabelfrekvens, pumper, etc. Skid-er er ofte avhengige av IO-Link-konnektivitet. Skid-er inkluderer noen ganger menneske-maskin-interaksjon (MMI), for eksempel en flatskjerm for lokale interaksjoner og for å koble til det høyere nivået i systemer for anleggsautomatisering ved å bruke en industriell Ethernet-protokoll som EtherNet/IP eller PROFINET. En typisk skid-konfigurasjon omfatter (figur 6):

• Et eksternt styringssystem ➊ som bruker en protokoll som EtherNet/IP eller PROFINET (grønne linjer) for å koble til dedikerte styringer for hver skid for å koordinere funksjonaliteten deres.
• I tilleggsutrustninger som varmevekslere, bruker enheter som elektromagnetiske strømningssensorer fra Picomag ➋ IO-Link (røde linjer) for å gi ekstra prosessdata og øke yteevnen og oppetiden.
• En IO-Link-hovedenhetstilkobling ➌ samler inn informasjonen fra individuelle sensorer og aktuatorer og overfører disse til skid-styringen ved å bruke en protokoll som EtherNet/IP eller PROFINET. IO-Link-hovedenheten kan også kommunisere kommandoer fra skid-styringen til enheter som ventiler og aktuatorer.
• Firelederenheter som ikke kan kobles til ved å bruke en treleders IO-Link-kontakt ➍ kobles direkte til skid-styringen ved å bruke en feltnivåprotokoll som EtherNet/IP eller PROFINET.

Figur 6: IO-Link (røde linjer) brukes for intern kommunikasjon på en skid, og EtherNet/IP eller PROFINET (grønne linjer) brukes for både intern kommunikasjon og ekstern konnektivitet. (Bildekilde: Endress+Hauser)

Konklusjon

Overvåking og måling av mengde og bevegelse av vann er viktig i en rekke konstruksjoner. Heldigvis har konstruktører av vannforvaltningssystemer flere verktøy til disposisjon, for eksempel elektromagnetiske strømningsmålere, ultralyd- og radarbaserte nivåsensorer, hydrostatiske nivåsensorer og dataadministratorer. Disse enhetene, kombinert med IO-Link-konnektivitet, brukes ofte til å bygge modulære skid-er for bruksområder som mat- og drikkevarebearbeiding.