Bruke hydrostatiske nivåsensorer til å forbedre yteevnen til ferskvannsbehandling

Rent ferskvann er livsviktig. Behandlingsanlegg for drikkevann er å finne nesten overalt. For å oppnå effektiv drift av disse anleggene må tilgjengelig vannstand i brønner, lagertanker, elver, reservoarer og andre områder overvåkes.

Avhengig av bruksområdet og driftsforholdene, kan vannivåene overvåkes ved hjelp av mekaniske enheter som flottører eller halvlederenheter som hydrostatiske nivåsensorer. Noen teknologier er bedre egnet for punktnivåutrustninger for å overvåke spesifikke nivåterskler og forhindre søl. Andre er derimot egnet for kontinuerlige nivåmålinger i systemer for prosess- og lagerstyring.

Denne artikkelen begynner med en oversikt over utrustninger for overvåking på punktnivå og kontinuerlig nivå. Den presenterer deretter driftsprinsippene for hydrostatiske nivåsensorer og gjennomgår noen bruksområder for disse sensorene i anlegg for drikkevannsbehandling.

Den ser kort på hvordan U.S. Environmental Protection Agency (EPA) holder styr på ferskvannsforbruket ved å bruke et «utskillingsregister». Den gjennomgår deretter noen tilgjengelige hydrostatiske nivåsensorer fra Endress+Hauser. Den avslutter med utrustningsforslag for når sensorer integreres i kritiske infrastrukturinstallasjoner som drikkevannsanlegg.

Flottørnivåsensorer er enkle mekaniske enheter. Flottøren stiger og faller i takt med vannstanden. Denne bevegelsen åpner og lukker en mekanisk bryter som indikerer når en bestemt vannstand har blitt registrert. Disse sensorene brukes ofte til å hindre at tanker blir for fulle og søler vann eller blir for lave slik at de ødelegger pumper eller annet utstyr.

Hydrostatiske nivåsensorer gir en kontinuerlig måling av vannstanden. De blir ofte brukt i lagrings- og behandlingstanker og beholdere i behandlingsanlegg for ferskvann. Når beholderen fylles eller dreneres, endres vekten av vannet over den hydrostatiske nivåsensoren, noe som gjør at sensoren vil produsere en høydeavhengig utgangsverdi (figur 1). Dette gjør dem spesielt nyttige for prosesstyringsutrustninger.

Figur 1: Flottørsensorer beveger seg opp og ned (venstre) og kan overvåke spesifikke nivåer i en tank, mens hydrostatiske sensorer er stasjonære og gir kontinuerlig nivåovervåking (høyre). (Bildekilde: Endress+Hauser)

Hydrostatiske nivåsensorer måler trykket i vannsøylen over membranen på bunnen av sensoren. En inkompressibel hydraulikkolje overfører trykket fra membranen til sensormekanismen. Overflategrenseflaten mellom hydraulikkoljen og vannet er relativt stort, og trykket er fokusert på en mindre søyle som når sensormekanismen. Deteksjonsmekanismen består av en Wheatstone-bro som endrer motstand etter hvert som substratet avbøyes (figur 2).

Figur 2: Intern struktur for en typisk hydrostatisk nivåsensor (venstre) og en representasjon av Wheatstone-broens deteksjonsmekanisme som blir avbøyd (høyre). (Bildekilde: Endress+Hauser)

Hydrostatiske nivåsensorer kombinerer høy pålitelighet med svært lave installasjonskostnader. Bruksområdene til disse spenner fra ferskvannsbehandlingsanlegg, der de sikrer drift med god yteevne, til overvåking av lokale vannøkosystemer for å sikre langsiktig vanntilgjengelighet.

Behandling av ferskvann

Vannutskilling (vannuttak, vannuttrekking og vanninntak) er det første trinnet i tilførsel av drikkevann. Dette er prosessen med å ta vann fra en hvilken som helst kilde. Mengden av tilgjengelig vann overvåkes nøye ved å bruke enheter som hydrostatiske nivåsensorer.

Resten av detaljene for ferskvannsbehandlingen varierer basert på lokale forskrifter, men overvåking av vannstand må gjøres over hele anlegget. Noen vanlige trinn omfatter (figur 3):

• Koagulering implementeres ved å tilsette kjemikalier med en positiv ladning til vannet for å nøytralisere den negative ladningen av smuss og andre oppløste partikler.
• Flokkulering innebærer en andre kjemisk prosess der de koagulerte partiklene danner større partikler som kalles flokker (flocs).
• Sedimentering er der flokkene legger seg på bunnen av vannet, og slammet fjernes.
• Filtrering er der ulike filtre fjerner gjenværende oppløste partikler og bakterier.
• Desinfeksjon bruker klor eller kloramin til å drepe parasitter, bakterier, virus og bakterier.
• Lagring og distribusjon. Behandling av ferskvann er en kontinuerlig prosess, men i de fleste byer topper vannforbruket seg om morgenen og kvelden, noe som krever store lagringsanlegg for å samsvare tilgjengeligheten av ferskvann med etterspørselen.

Figur 3: Behandling av drikkevann kan omfatte mange prosesser som må overvåkes nøye for å sikre god vannkvalitet og overholdelse av lovbestemmelser. (Bildekilde: Endress+Hauser)

Utskillingsregister

Tilstrekkelig vanntilgjengelighet er nødvendig for å sikre effektiv ferskvannsbehandling. Miljølovgivningen regulerer råvannsutskilling fra naturlige kilder for å unngå skade på den lokale vannbalansen.

I Europa er opprettholdelse av tilstrekkelig vannstand og -strømmer diktert av rammedirektivet for vann (Water Framework Directive), som fokuserer på kvantitativ og kvalitativ forvaltning av naturlige vannressurser. I USA har EPA lignende mål, og overvåker nøye vannutskilling.

EPA samler informasjon om mengden vannutskilling, i tillegg til informasjon om vannutslipp, for å vurdere risikoen for overutskilling. Dataene rapporteres i et årlig utskillingsregister. Hydrostatiske nivåsensorer er viktige verktøy for å overvåke helsen til lokale vannøkosystemer.

Hydrostatiske nivåsensorer

Hydrostatiske nivåsensorer er svært allsidige enheter. Typiske bruksområder omfatter:

• Overvåking av nivåer i elver, innsjøer, målestasjoner og reservoarer
• Sikring av drikkevannstilgjengelighet i vanntårn og vannlagringstanker
• Måling av vannstand i brønner

Den kompakte 22 mm-diameteren til Endress+Hauser sine nedsenkbare hydrostatiske nivåsensorer Waterpilot FMX11, gjør dem enkle å integrere. Disse sensorene gir et utgangssignal på 4 til 20 mA som er kompatibelt med dataloggere, panelmålere, programmerbare logiske styringer (PLS-er) og annet prosesstyringsutstyr.

Waterpilot sine hydrostatiske nivåsensorer FMX11 har flere drikkevannssertifiseringer, deriblant National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) i USA, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) i Frankrike og TZW:DVGW – Technologiezentrum Wasser i Tyskland.

Huset er laget av 316-legert rustfritt stål og er godkjent for bruk i drikkevann av Food and Drug Administration (FDA). Den skjermede skjøteledningen inkluderer et kompenseringsrør for atmosfæretrykk med et teflonfilter i en termoplastisk elastomer (TPE)-kappe som er bestandig mot slitasje og ultrafiolett (UV) lys. TPE og Teflon er også FDA-godkjent for drikkevannsutrustninger (figur 4).

Figur 4: Waterpilot hydrostatiske nivåsensorer har flere internasjonale sertifiseringer for bruk i drikkevann, og er laget av FDA-godkjente materialer. (Bildekilde: DigiKey)

Generelle spesifikasjoner:

• Driftstemperaturområde fra –10 til +70 °C
• IP68-beskyttelse
• Nøyaktighet på ≤ ±0,35 % for sensormåleområde ≥ 400 mbar
• Nøyaktighet på ≤ ±0,50 % for sensormåleområde < 400 mbar
• cULus-sertifisering

Tilgjengelige modeller:

• FMX11-CA11DS06 med en sensorrekkevidde på 0 til 0,2 bar (vannsøyle på 2 m) og en 6 m kabel
• FMX11-CA11FS10 med en sensorrekkevidde på 0 til 0,4 bar (vannsøyle 4,1 m) og en 10 m kabel
• FMX11-CA11GS20 med en sensorrekkevidde på 0 til 0,6 bar (vannsøyle på 6,1 m) og en 10 m kabel
• FMX11-CA11HS20 med en sensorrekkevidde på 0 til 1 bar (vannsøyle på 10.2 meter) og en 20 m kabel
• FMX11-CA11KS30 med en sensorrekkevidde på 0 til 2 bar (vannsøyle på 20.4 m) og en 30 m kabel

Maksimere tilgjengeligheten til vannbehandlingsanlegg

Behandlingsanlegg for drikkevann er kritisk infrastruktur som krever høy grad av pålitelighet. Waterpilot FMX11-sensorer testes i henhold til retningslinjene for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) i EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, som definerer kravene og metodene for å teste evnen til å motstå overspenning.

Grunnleggende testing for elektromagnetisk kompatibilitet dekker imidlertid bare overspenninger på opptil 2 kV på hovedstrømlinjer eller 1 kV på signallinjer. Dette kan være utilstrekkelig for kritisk infrastruktur der selv indirekte lyn eller svitsjehandlinger kan resultere i overspenninger på opptil 10 kV i løpet av mikrosekunder.

Endress+Hauser anbefaler bruk av overspenningsavledere for å sikre anleggets tilgjengelighet. Overspenningsavledere er tilgjengelige og konstruert for montering på DIN-skinne i styringsskap og for direkte montering i et hus for montering i felten:

• HAW562-overspenningsavledere som HAW562-AAD for å beskytte strøm- og kommunikasjonslinjer i styringsskap
• HAW569-overspenningsavledere for prosessfeltinstrumentering som HAW569-CB2C for strømforsynings- og signalkabler og HAW569-DA2B for signalkabler (figur 5)

Figur 5: HAW569-CB2C for strøm- og signalkabler (øverst) og HAW569-DA2B for signalkabler (nederst). (Bildekilde: Endress+Hauser)

Den anbefalte installasjonen for maksimal tilgjengelighet, omfatter (figur 6):

1. Waterpilot FMX11 hydrostatisk nivåsensor
2. HAW-overspenningsavledere
3. Visnings- og evalueringsenhet med inngang for et sensorsignal på 4 til 20 mA
4. Strømforsyning

Figur 6: Waterpilot FMX-blokkskjema for installasjon som viser posisjonene til de to overspenningsavlederne (2). (Bildekilde: Endress+Hauser)

Spenningsområdet for strømforsyningen er 8 V_DC til 28 V_DC, og strømforbruket er maksimalt 22 mA og minimum 2 mA. Når den brukes utendørs bør strømforsyningen være plassert i en IP66/IP67-klassifisert koblingskasse. En automatsikring som oppfyller kravene i IEC 61010, anbefales på det sterkeste.

Waterpilot FMX11 hydrostatiske nivåsensorer har integrert beskyttelse mot omvendt polaritet, og vil ikke bli skadet hvis strømkablene er koblet feil. Enheten vil ikke være funksjonsdyktig ved en tilkobling med omvendt polaritet.

Sikkerhetsintegritetsnivåer og eksplosive atmosfærer

Hydrostatiske nivåsensorer må også fungere trygt, selv i nærvær av eksplosive omgivelser. IEC 61508 definerer sikkerhetsintegritetsnivåer (SIL – safety integrity level), og IEC 61511 er en utrustningsspesifikk tilpasning av IEC 61508 for prosessindustrien. HAW569-enheter er konstruert for bruk i feltinstrumentering, og de oppfyller SIL2-kravene. HAW562-overspenningsavledere er beregnet for bruk i mindre farlige utrustninger i utstyrsskap, og er valgfritt tilgjengelige med SIL2.

Situasjonen er lik den som brukes i eksplosive (Ex) omgivelser. HAW562-overspenningsavledere er valgfritt tilgjengelige med godkjenninger for eksplosive egensikre omgivelser (Ex intrinsically safe approvals). To vanlige Ex-sertifiseringer er Ex ia og Ex d.

Ex ia-sertifisering gir egensikker beskyttelse som sikrer at den maksimale interne energien til enheten og tilknyttede ledninger forblir under energinivået som kreves for å forårsake tenning, selv om det skulle oppstå en feil. Den er beregnet for bruk i områder der en eksplosiv gassblanding er tilstede i lengre perioder eller kontinuerlig, og som utgjør en betydelig fare.

Ex d-sertifiserte enheter er konstruert for å motstå en intern eksplosjon uten å bli skadet. Disse enhetene er beregnet for bruk i kritiske områder der en eksplosiv gassblanding sannsynligvis vil oppstå under normal drift, og som vil presentere en periodisk farlig tilstand.

HAW569-enheter som er utviklet for å beskytte signalkabler er valgfritt tilgjengelige med Ex ia-godkjenning, mens Ex d-godkjenning er et alternativ for de som er utviklet for å gi beskyttelse av både signal- og strømkabler. HAW562-overspenningsavledere er også tilgjengelige med valgfrie godkjenninger for eksplosive egensikre omgivelser (Ex intrinsically safe approvals).

Konklusjon

Det er flere utrustninger for hydrostatiske nivåsensorer, for eksempel prosess- og lagerstyring i behandlingsanlegg for drikkevann, samt overvåking av vannkilder som brønner, elver, innsjøer og reservoarer for å sikre vanntilgjengelighet og -bærekraft. Behandlingsanlegg for drikkevann er kritisk infrastruktur som må være tilstrekkelig beskyttet for å sikre kontinuerlig drift.

Waterpilot FMX11 hydrostatiske nivåsensorer er laget av FDA-godkjente materialer for bruk med drikkevann, og de har flere relaterte internasjonale godkjenninger. Endress+Hauser anbefaler også å bruke overspenningsavledere, og de tilbyr modeller med SIL2-ytelse og Ex ia- og Ex d-sertifiseringer for Waterpilot FMX11-sensorer.