Hydrostatische niveausensoren gebruiken om de efficiëntie van zoetwaterverwerking te verbeteren

Schoon, vers water is van vitaal belang. Drinkwaterzuiveringsinstallaties zijn bijna overal te vinden. Om efficiënt te kunnen werken, moeten deze fabrieken het beschikbare waterniveau in putten, opslagtanks, rivieren, reservoirs en andere gebieden controleren.

Afhankelijk van de toepassing en de bedrijfsomstandigheden kan het waterniveau worden bewaakt met mechanische apparaten zoals vlotters of met halfgeleiders zoals hydrostatische niveausensoren. Sommige technologieën zijn meer geschikt voor toepassingen op puntniveau om specifieke niveaudrempels te bewaken en morsen te voorkomen. Andere zijn daarentegen geschikt voor continue niveaumetingen in procesbesturings- en voorraadbeheersystemen.

Dit artikel begint met een overzicht van monitoringtoepassingen op puntniveau en continu niveau. Vervolgens worden de werkingsprincipes van hydrostatische niveausensoren gepresenteerd en worden enkele toepassingen van deze sensoren in drinkwaterzuiveringsinstallaties besproken.

Er wordt kort gekeken naar hoe het U.S. Environmental Protection Agency (EPA) het zoetwaterverbruik bijhoudt met behulp van een "onttrekkingsregister". Vervolgens worden enkele beschikbare hydrostatische niveausensoren van Endress+Hauser besproken. Het verslag sluit af met toepassingssuggesties voor het integreren van sensoren in kritieke infrastructuurinstallaties zoals drinkwaterverwerkingsinstallaties.

Vlotterniveausensors zijn eenvoudige mechanische apparaten. De vlotter stijgt en daalt mee met het waterniveau. Die beweging opent en sluit een mechanische schakelaar die aangeeft wanneer een bepaald waterniveau is gepasseerd. Deze sensors worden vaak gebruikt om te voorkomen dat tanks te vol worden en water morsen of dat ze te laag worden en pompen of andere apparatuur beschadigen.

Hydrostatische niveausensors meten continu het waterniveau. Ze worden vaak gebruikt in opslag- en verwerkingstanks en vaten in zoetwaterverwerkingsfabrieken. Als het vat volloopt of leegloopt, verandert het gewicht van het water boven de hydrostatische niveausensor en produceert de sensor een hoogteafhankelijke output (Afbeelding 1). Dat maakt ze bijzonder nuttig voor procesbesturingstoepassingen.

Afbeelding 1: Vlottersensors bewegen op en neer (links) en kunnen specifieke niveaus in een tank bewaken, terwijl hydrostatische sensoren stationair zijn en continue niveaubewaking bieden (rechts). (Bron afbeelding: Endress+ Hauser)

Hydrostatische niveausensors meten de druk van de waterkolom boven het membraan aan de onderkant van de sensor. Een niet-samendrukbare hydraulische olie brengt de druk van het membraan over naar het sensormechanisme. De oppervlakte-interface tussen de hydraulische olie en het water is relatief groot en de druk wordt gericht op een kleinere kolom die het sensormechanisme bereikt. Het detectiemechanisme bestaat uit een brug van Wheatstone die van weerstand verandert als het substraat wordt doorgebogen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Interne structuur van een typische hydrostatische niveausensor (links) en een voorstelling van het Wheatstone-brugmeetmechanisme dat wordt afgebogen (rechts). (Bron afbeelding: Endress+ Hauser)

Hydrostatische niveausensors combineren een hoge betrouwbaarheid met zeer lage installatiekosten. Hun toepassingen variëren van zoetwaterverwerkingsfabrieken, waar ze zorgen voor een efficiënte werking, tot het bewaken van lokale waterecosystemen om de beschikbaarheid van water op de lange termijn te garanderen.

Zoetwater verwerking

Waterwinning (wateronttrekking, -winning en -inname) is de eerste stap in het leveren van drinkwater. Het is het proces waarbij water uit een willekeurige bron wordt gehaald. De hoeveelheid beschikbaar water wordt nauwlettend in de gaten gehouden met behulp van apparaten zoals hydrostatische niveausensoren.

De rest van de zoetwaterverwerking varieert afhankelijk van de lokale regelgeving, maar het waterniveau moet in de hele fabriek worden gecontroleerd. Enkele veelvoorkomende stappen zijn (Afbeelding 3):

• Coagulatie wordt uitgevoerd door chemicaliën met een positieve lading aan het water toe te voegen om de negatieve lading van vuil en andere opgeloste deeltjes te neutraliseren.
• Flocculatie omvat een tweede chemisch proces waarbij de gecoaguleerde deeltjes grotere deeltjes vormen die vlokken worden genoemd.
• Bij bezinking bezinken de vlokken naar de bodem van het water en wordt het slib verwijderd.
• Filtratie is waar verschillende filters resterende opgeloste deeltjes en ziektekiemen verwijderen.
• Desinfectie maakt gebruik van chloor of chloramine om parasieten, bacteriën, virussen en ziektekiemen te doden.
• Opslag en distributie. Zoetwaterverwerking is een continu proces, maar in de meeste steden piekt het waterverbruik 's ochtends en 's avonds, waardoor grote opslagfaciliteiten nodig zijn om de beschikbaarheid van zoet water af te stemmen op de vraag.

Afbeelding 3: Drinkwaterbehandeling kan veel processen omvatten die nauwlettend in de gaten moeten worden gehouden om de waterkwaliteit en de naleving van wettelijke voorschriften te garanderen. (Bron afbeelding: Endress+Hauser)

Abstractieverslag

Voldoende water is noodzakelijk voor een efficiënte zoetwaterverwerking. De milieuwetgeving regelt de onttrekking van ruw water uit natuurlijke bronnen om schade aan de lokale waterbalans te voorkomen.

In Europa wordt het handhaven van voldoende waterniveaus en stromingen voorgeschreven door de Kaderrichtlijn Water, die zich richt op het kwantitatieve en kwalitatieve beheer van natuurlijke waterbronnen. In de VS heeft de EPA vergelijkbare doelen en houdt ze nauwlettend toezicht op wateronttrekking.

Het EPA verzamelt informatie over de hoeveelheid wateronttrekking, samen met informatie over waterlozingen, om het risico op overmatige wateronttrekking te beoordelen. De gegevens worden gerapporteerd in een jaarlijks abstractieverslag. Sensoren voor hydrostatische niveaus zijn belangrijke hulpmiddelen om de gezondheid van lokale waterecosystemen te controleren.

Hydrostatische niveausensoren

Hydrostatische niveausensoren zijn zeer veelzijdige apparaten. Typische toepassingen zijn onder andere:

• Niveaus in rivieren, meren, meetstations en reservoirs controleren
• De beschikbaarheid van drinkwater garanderen in watertorens en opslagtanks
• Waterniveau meten in putten

Dankzij de compacte diameter van 22 mm zijn de Endress+Hauser Waterpilot FMX11 hydrostatische dompelniveau-sensoren eenvoudig te integreren. Deze sensors leveren een 4 tot 20 mA uitgangssignaal dat compatibel is met dataloggers, paneelmeters, programmeerbare logische controllers (PLC's) en andere apparatuur voor procesregeling.

Waterpilot FMX11 hydrostatische niveausensors hebben verschillende drinkwatercertificeringen, waaronder National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) in de VS, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) in Frankrijk en TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser in Duitsland.

De behuizing is gemaakt van roestvrij staal uit een 316 legering en is goedgekeurd voor drinkwatertoepassingen door de Food and Drug Administration (FDA). De afgeschermde verlengkabel bevat een atmosferische drukcompensatieslang met een teflonfilter in een slijtvast en ultraviolet (UV) lichtbestendig thermoplastisch elastomeer (TPE) omhulsel. TPE en Teflon zijn ook FDA-goedgekeurd voor drinkwatertoepassingen (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Waterpilot hydrostatische niveausensors hebben verschillende internationale certificeringen voor drinkwatertoepassingen en zijn gemaakt van FDA-goedgekeurde materialen. (Bron afbeelding: DigiKey)

Algemene specificaties:

• Bedrijfstemperatuurbereik van -10 °C tot 70 °C
• IP68-bescherming
• Nauwkeurigheid van ≤ ±0,35% voor sensormeetbereik ≥ 400 mbar
• Nauwkeurigheid van ≤ ±0,50% voor sensormeetbereik < 400 mbar
• cULus-certificering

Beschikbare modellen:

• FMX11-CA11DS06 met een meetbereik van 0 tot 0,2 bar (6,7 ft waterkolom) en een kabel van 6 m
• FMX11-CA11FS10 met een detectiebereik van 0 tot 0,4 bar (13,4 ft waterkolom) en een kabel van 10 m
• FMX11-CA11GS20 met een detectiebereik van 0 tot 0,6 bar (20,1 ft waterkolom) en een kabel van 10 m
• FMX11-CA11HS20 met een meetbereik van 0 tot 1 bar (33,5 ft waterkolom) en een kabel van 20 m
• FMX11-CA11KS30 met een meetbereik van 0 tot 2 bar (66,9 ft waterkolom) en een kabel van 30 m

De beschikbaarheid van waterverwerkingsinstallaties maximaliseren

Drinkwaterzuiveringsinstallaties zijn kritieke infrastructuur en vereisen een hoge mate van betrouwbaarheid. Waterpilot FMX11-sensors zijn getest volgens de richtlijnen voor elektromagnetische compatibiliteit (EMC) van EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, die de vereisten en methoden definieert voor het testen van het vermogen om stroompieken te weerstaan.

Basis EMC-testen hebben echter alleen betrekking op piekspanningen tot 2 kV op hoofdstroomleidingen of 1 kV op signaallijnen. Dat kan onvoldoende zijn voor kritieke infrastructuur waar zelfs indirecte blikseminslag of schakelhandelingen binnen microseconden kunnen leiden tot pieken tot 10 kV.

Endress+Hauser raadt het gebruik van overspanningsbeveiligingen aan om de beschikbaarheid van de installatie te garanderen. Overspanningsbeveiligingen zijn verkrijgbaar en ontworpen voor DIN-railmontage in schakelkasten en voor rechtstreekse montage in een veldbehuizing:

• HAW562 overspanningsbeveiligers zoals de HAW562-AAD om stroom- en communicatielijnen in schakelkasten te beschermen
• HAW569 overspanningsbeveiligingen voor instrumentatie in het procesveld, zoals de HAW569-CB2C voor voedings- en signaalkabels en de HAW569-DA2B voor signaalkabels (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: HAW569-CB2C voor voedings- en signaalkabels (boven) en HAW569-DA2B voor signaalkabels (onder). (Bron afbeelding: Endress+Hauser)

De aanbevolen installatie voor maximale beschikbaarheid omvat (Afbeelding 6):

1. Waterpilot FMX11 hydrostatische niveausensor
2. HAW overspanningsbeveiliging
3. Weergave- en evaluatie-eenheid met een ingang voor een 4 tot 20 mA sensorsignaal
4. Stroomvoorziening

Figuur 6: Waterpilot FMX-installatieblokdiagram met de posities van de twee overspanningsbeveiligingen (2). (Bron afbeelding: Endress+ Hauser)

Het bereik van de voedingsspanning is 8 V_DC tot 28 V_DC en het stroomverbruik is maximaal 22 mA en minimaal 2 mA. Bij gebruik buitenshuis moet de voeding worden ondergebracht in een aansluitdoos met IP66/IP67-classificatie. Een stroomonderbreker die voldoet aan de vereisten van IEC 61010 wordt sterk aanbevolen.

Waterpilot FMX11 hydrostatische niveausensoren hebben een geïntegreerde beveiliging tegen omgekeerde polariteit en raken niet beschadigd als de voedingskabels verkeerd worden aangesloten. Bij aansluiting met omgekeerde polariteit werkt het apparaat niet.

Veiligheidsintegriteitsniveaus en explosieve atmosferen

Hydrostatische niveausensors moeten ook veilig werken, zelfs in de aanwezigheid van explosieve atmosferen. IEC 61508 definieert veiligheidsintegriteitsniveaus (SIL's) en IEC 61511 is een toepassingsspecifieke aanpassing van IEC 61508 voor de procesindustrie. HAW569-units zijn ontworpen voor gebruik in veldinstrumentatie en voldoen aan de SIL2-vereisten. HAW562-overspanningsbeveiligingen zijn bedoeld voor gebruik in minder gevaarlijke toepassingen in apparatuurkasten en zijn optioneel verkrijgbaar met SIL2.

De situatie is vergelijkbaar met die in explosieve (Ex) omgevingen. HAW562-overspanningsbeveiligingen zijn optioneel verkrijgbaar met Ex intrinsiek veilige goedkeuringen. Twee veel voorkomende Ex-certificeringen zijn Ex ia en Ex d.

De Ex ia-certificering biedt intrinsiek veilige bescherming die ervoor zorgt dat de maximale interne energie van het apparaat en de bedrading onder het energieniveau blijft dat nodig is om ontsteking te veroorzaken, zelfs in het geval van een fout. Het is bedoeld voor gebruik in gebieden waar een explosief gasmengsel gedurende langere perioden of continu aanwezig is en een aanzienlijk gevaar vormt.

Ex d-gecertificeerde apparaten zijn ontworpen om een interne explosie te weerstaan zonder schade op te lopen. Deze apparaten zijn bedoeld voor gebruik in kritieke gebieden waar tijdens normaal bedrijf waarschijnlijk een explosief gasmengsel ontstaat, wat een intermitterende gevaarlijke situatie oplevert.

HAW569-eenheden die zijn ontworpen om signaalkabels te beschermen, zijn optioneel verkrijgbaar met Ex ia-goedkeuring, terwijl Ex d-goedkeuring een optie is voor eenheden die zijn ontworpen voor gelijktijdige bescherming van signaal- en stroomkabels. HAW562 overspanningsbeveiligingen zijn ook verkrijgbaar met optionele Ex intrinsiek veilige goedkeuringen.

Conclusie

Er zijn verschillende toepassingen voor hydrostatische niveausensoren, waaronder procesregeling en voorraadbeheer in drinkwaterverwerkende fabrieken, maar ook het bewaken van waterbronnen zoals putten, rivieren, meren en reservoirs om de beschikbaarheid en duurzaamheid van water te garanderen. Drinkwaterzuiveringsinstallaties zijn kritieke infrastructuur en moeten adequaat worden beschermd om een continue werking te garanderen.

Waterpilot FMX11 hydrostatische niveausensors zijn gemaakt van FDA-goedgekeurde materialen voor drinkwatertoepassingen en hebben verschillende gerelateerde internationale goedkeuringen. Endress+Hauser raadt ook aan om overspanningsbeveiligingen te gebruiken en biedt modellen met SIL2-prestaties en Ex ia- en Ex d-certificeringen voor Waterpilot FMX11-sensors.