Veden virtauksen seuranta käsittelyn tehokkuuden parantamiseksi

Veden virtauksen ja virtaustilavuuden valvonta ja mittaus ovat tarpeen voima- ja energialaitosten, maatalous- ja kaivostoiminnan, teollisten ja kunnallisten veden- ja jätevedenkäsittelylaitosten, elintarviketeollisuuden sekä muiden prosessien tehokkuuden ja kestävyyden parantamisessa.

Vesijärjestelmien suunnittelijoille on saatavilla useita työkaluja käytettävissä olevan veden ja sen virtauksen valvontaan. Nämä työkalut minimoivat tai eliminoivat suoran kontaktin veden kanssa, jotta veteen ei pääse epäpuhtauksia. Sähkömagneettiset virtausmittarit tarjoavat kosketuksettoman tavan mitata virtaavaa vettä. Säiliöiden pinnantasoa voidaan mitata kosketuksettomilla antureilla, kuten ultraääni- ja tutkapohjaisilla ratkaisuilla. Kolmas vaihtoehto on käyttää juomavesisovelluksiin sertifioituja nestetiiviitä hydrostaattisia painetasoantureita.

Tässä artikkelissa tutustutaan magneettivirtausmittareiden ja hydrostaattisten paineantureiden käyttöön ja hyötyihin sekä vertaillaan Endress+Hauserin ultraääni- ja tutkatoimisten kosketuksettomien tasoantureiden toimintaa ja sovelluksia. Sitten käsitellään tiedonhallintalaitteen käyttöä toimintatietojen kirjaamiseen, näyttämiseen ja valvontaan sekä IO-Linkin hyödyntämistä vedenvalvontajärjestelmän kokoamiseen käyttämällä esimerkkinä elintarvikkeiden prosessilinjaa.

Faradayn induktiolaki kuvailee muuntajien, induktoreiden, generaattoreiden ja magneettivirtausmittareiden toimintaperiaatteita. Magneettivirtausmittarissa mitattavan nesteen sähköisesti varautuneet hiukkaset virtaavat kahden magneettikäämin synnyttämän magneettikentän läpi, jolloin syntyy jännite. Tämä jännite mitataan kahdella elektrodilla (kuva 1).

Kuva 1: Magneettivirtausmittarissa nesteen sähköisesti varautuneet hiukkaset (sininen nuoli) virtaavat kahden magneettikäämin välistä (punaiset viivat), ja mittapäät mittaavat syntyneen jännitteen (vihreät viivat). (Kuvan lähde: Endress+Hauser.)

Syntyvä jännite on suoraan verrannollinen virtauksen nopeuteen ja tilavuuteen. Magneettikenttä luodaan tasavirtapulsseilla (Direct Current, DC). Vaihtelemalla DC-jännitteen polariteettia synnytetään stabiili nollapiste, jolloin nesteen matala johtavuus ja heterogeenisyys eivät haittaa virtausmittausta.

Picomagin DMA50-sarjan magneettivirtausmittarit sopivat monenlaisiin sovelluksiin. Niiden 1,4 tuuman taustavalaistut TFT-värinäytöt kääntävät kuvansa automaattisesti orientaation ja virtaussuunnan mukaan, mikä helpottaa asennusta. Nämä mittarit mittaavat samaan aikaan virtausta, lämpötilaa ja sähkönjohtavuutta. Niiden avulla voidaan saavuttaa ±0,5 %:n mittaustarkkuus laajalla virtausnopeusalueella.

DMA20-AAACA1-mallin mittausalue on 0,1–50 litraa minuutissa (l/min) ja enimmäispaine 16 bar. Sen käyttölämpötila-alue on −10…+60 °C ja se on varustettu ¾ tuuman liitännällä. Kuten kaikki Picomag DMA50 -sarjan magneettivirtausmittarit, se tukee IO-Link-yhteyksiä. Bluetoothia voi käyttää Endress+Hauserin SmartBlue-sovelluksella, joka yksinkertaistaa ja nopeuttaa käyttöä, huoltoa ja käyttöönottoa myös haastavissa käyttöpaikoissa (kuva 2).

Kuva 2: Esimerkki Picomag DMA50 -sarjan magneettivirtausmittarista, joka mittaa virtausta (l/min) ja sähkönjohtavuutta (µS/cm). (Kuvan lähde: Endress+Hauser.)

DMA20-AAACA1-mallissa on fluoroelastomeeriset (FKM) O-renkaat, jotka kestävät kemikaaleja ja äärimmäisiä lämpöolosuhteita sekä tukevat paikallaan puhdistamista (Clean-in-Place, CIP) ja sterilointia (Sterilization-in-Place, SIP) automaattisilla prosesseilla koneiden, astioiden ja putkien puhdistamiseksi ja steriloimiseksi ilman purkamista.

Muissa malleissa, kuten DMA50-AAABA1, on eteenipropeenidieenistä (EPDM) valmistetut O-renkaat, jotka kestävät otsonia, auringonvaloa ja kulumista. Picomag-magneettivirtausmittareiden tyypillisiä käyttökohteita:

• teollisuusuunit, joita jäähdytetään useilla vesijäähdytyslinjoilla
• kaksivaippaisten elintarvikkeiden käsittelyjärjestelmien lämmitys- ja jäähdytysveden virtausmittaukset
• pakkausten (esim. pullojen) puhdistus sekä pastörointiprosessit, joissa veden lämpötila-, syöttö- ja tyhjennystietoja käytetään vedenkäytön tehokkuuden maksimoimiseksi.

Kulkuajan mittaus ultraäänellä tai tutkalla

Ultraääni- ja tutkatoimiset tasoanturit mittaavat kulkuajan (Time of Flight, ToF) äänen tai valon nopeuden perusteella. Ilman ja mitattavan materiaalin pinnan tiheysero aiheuttaa ultraääniaaltojen heijastumista. Tutka-anturit, joita kutsutaan joskus vapaan tilan tutkiksi, lähettävät mikroaaltoja, jotka heijastuvat siirtyessään matalan dielektrisyysvakion (matala ε_r) aineesta, kuten ilmasta, korkeamman dielektrisyysvakion aineeseen.

Sellaisissa sovelluksissa kuten pumppujen ohjaimissa ja tasohälyttimissä voidaan käyttää Prosonic FMU30 -sarjan ultraäänitasoantureita, jotka on suunniteltu nesteiden kosketuksettomaan tasomittaukseen, mukaan lukien juoma- ja jätevesi, tahnat ja karkeat bulkkimateriaalit. Koska tekniikka ei vaadi kosketusta, näiden antureiden huoltotarpeet ovat minimaaliset. Materiaalin dielektrisyysvakio ja tiheys tai ympäröivä kosteus eivät haittaa niiden toimintaa.

FMU30-antureiden tukema mittausetäisyys vaihtelee anturin koon mukaan. Niitä on tarjolla kahdessa eri koossa: 1½ tuuman anturit, kuten FMU30-AAHEAAGGF, tukevat 5 m:n mittausetäisyyttä nesteillä ja 2 m:n etäisyyttä bulkkimateriaaleilla, kun taas 2 tuuman anturit tukevat 8 m:n etäisyyttä nesteillä ja 3,5 m:n etäisyyttä bulkkimateriaaleilla.

FMU30-antureiden käyttölämpötila-alue on −20…+60 °C. Ne käyttävät ToF-periaatetta etäisyyden mittaukseen. Äänen nopeus (ja näin ollen ToF) kuitenkin vaihtelee lämpötilan myötä. FMU30-ultraääniantureissa on integroitu lämpömittari, jotta ne voivat kompensoida lämpötilan muutoksia automaattisesti tarkkojen ja toistettavien mittausten varmistamiseksi.

Tutkatoimiset tasoanturit

Micropilot FMR10 -sarjan tutkatasoanturit on optimoitu käyttöön sellaisten materiaalien kanssa, joiden ε_r-arvo on vähintään 4. Ne sopivat säiliöiden, avoaltaiden, pumppukuilujen, kanaalijärjestelmien ja samankaltaisten sovellusten tasomittauksiin. Johdotuksen hermeettinen tiivistys estää vettä pääsemästä laitteen sisään (kuva 3). Laitteiden Bluetooth-yhteys nopeuttaa käyttöönottoa älypuhelinten ja tablettien avulla. Muita ominaisuuksia ja teknisiä tietoja:

• taajuus, K-kaista: noin 26 GHz
• mittausetäisyys: jopa 12 m
• tarkkuus: jopa ±5 mm
• prosessin paine: −1…3 bar
• prosessin lämpötila: −40…+60 °C.

Kuva 3: Hermeettisesti tiivis tutkatasoanturi, mittausetäisyys jopa 12 m. (Kuvan lähde: DigiKey)

Hydrostaattiset tasomittaukset

Makean veden saatavuuden mittaaminen joissa, järvissä, tekojärvissä, vesitorneissa ja kaivoissa voi olla tärkeää tehokkaan vedenhallinnan varmistamiseksi. Tällaisissa sovelluksissa vedenhallintajärjestelmien suunnittelijat voivat käyttää hydrostaattisia tasonmittauslaitteita, kuten juomavesisovelluksiin sertifioituja hydrostaattisia FMX11-mittapäitä (kuva 4). FMX11:n ominaisuuksia ja teknisiä tietoja:

• Kompaktin 22 mm:n halkaisijan ansiosta nämä mittapäät sopivat esimerkiksi porausreikiin ja pienen halkaisijan mittarikaivoihin.
• toimintalämpötila-alue: -10 °C ... +70 °C.
• Mittausalue on mallista riippuen 0–2 baaria 20 metrissä vettä ja 0–30 psi. FMX11-CA11FS10-mallin enimmäismittauspaine on 0,6 baaria (8.7 psi).
• Tarkkuus on jopa ±0,35 %.
• Juomavesihyväksyntöihin kuuluvat Ranskan Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), Yhdysvaltojen
• NSF/ANSI 61 ja kaksi saksalaista sertifiointia: Kunststoff-Trinkwasser (KTW) ja Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW).
• Analoginen viestintä 4–20 mA

Kuva 4: Tällaisilla hydrostaattisilla antureilla on hyväksynnät juomavesisovelluksiin. (Kuvan lähde: DigiKey)

Tietojen hallinta

Riippumatta seurattavista parametreista – kuten esimerkiksi virtaus, lämpötila ja nestetaso – sekä käytetystä teknologiasta, tuloksena saatavat tiedot täytyy kerätä ja näyttää prosessinhallintaa tukevassa muodossa. Järjestelmäsuunnittelijat voivat käyttää yleiskäyttöistä Ecograph T RSG35 -tiedonhallintalaitetta analogisten ja digitaalisten tulosignaalien kirjaamiseksi, näyttämiseksi ja seuraamiseksi. Mitatut arvot tallennetaan turvallisesti, ja raja-arvoja voidaan valvoa.

Vakioversioon ei kuulu analogituloja. Joihinkin malleihin voi lisätä jopa kolme valinnaista tulokorttia. Kussakin näistä on neljä yleiskäyttöistä analogituloa, jolloin saadaan yhteensä neljä, kahdeksan tai 12 tuloa. Esimerkiksi RSG35-C2A-mallissa on kahdeksan yleiskäyttöistä analogituloa, RJ45-liitäntä Ethernet- ja Internet-yhteyksiä varten sekä USB-liitin lisälaitteita ja tiedonsiirtoa varten. Kuten kaikki muutkin mallit, RSG35-C2A tarjoaa kuusi digitaalituloa.

Ecograph T -tiedonhallintalaitteen integroitu verkkopalvelin tukee etämääritystä ja -visualisointia. Mukana toimitetaan myös Field Data Manager -ohjelmiston Essential-versio, jolla tietoja voi tallentaa sisäisessä muistissa tai erillisellä SD-kortilla säilytettävään suojattuun SQL-tietokantaan analysointia varten. Mitattuja tietoja voi katsella 5,7 tuuman TFT-värinäytöllä neljässä ryhmässä numeroesityksenä, palkkikaavioina ja kuvaajina (kuva 5). Muita ominaisuuksia:

• 100 ms:n skannausväli kaikilla kanavilla.
• Käyttö integroidulla valitsimella (säätönuppi) tai käyttäjäystävällisellä PC-käyttöliittymällä integroidun verkkopalvelimen kautta.
• Hälytyksistä ja rajarikkomuksista voidaan lähettää sähköposti-ilmoitus.
• Tukee eri rajapintoja, kuten Ethernet, RS232/485, USB ja valinnainen Modbus RTU/TCP -alilaitetoiminto nopeuttaa integrointia teollisiin automaatiojärjestelmiin.
• WebDAV-sovellus mahdollistaa SD-kortille tallennettujen tietojen lähettämisen suoraan tietokoneelle HTTP-yhteydellä ilman lisäohjelmistoja.

Kuva 5: Tämä tiedonhallintalaite voi näyttää neljän parametrin tiedot ja lähettää ne ulkoiseen tietokoneeseen integroidun verkkopalvelimen avulla. (Kuvan lähde: DigiKey)

IO-Link ja alustat

IO-Link on standardisoitu International Electrotechnical Commission (IEC) -järjestön standardissa 61131-9, jossa sen kuvaillaan olevan Single-Drop Digital Communication Interface (SDCI) -rajapinta pienille antureille ja toimilaitteille.

Alustoja (kehykseen kootut modulaariset prosessointijärjestelmät, joita on helpompi kuljettaa ja asentaa) käytetään usein elintarviketeollisuuden prosesseissa, yleisessä koneiden rakennuksessa ja biotieteen sovelluksissa.

Tyypillinen alusta koostuu alle 50 kenttälaitteesta, kuten virtausantureista, ON/OFF-kytkimistä, venttiileistä, paineantureista, taajuusmuuttajista, pumpuista jne. Alustat käyttävät usein IO-Link-yhteyksiä. Alustoissa on usein paikallista käyttöä varten käyttöliittymät, kuten paneelinäytöt, ja ne kytketään korkeamman tason laitosautomaatiojärjestelmään teollisella Ethernet-protokollalla, kuten EtherNet/IP tai PROFINET. Tyypilliseen alusta-arkkitehtuuriin kuuluvat seuraavat (kuva 6):

• Esimerkiksi EtherNet/IP- tai PROFINET-protokollaa käyttävä ulkoinen ohjausjärjestelmä ➊ (vihreät viivat), joka yhdistää toisiinsa kunkin alustan dedikoidun ohjaimen toiminnan koordinoimista varten.
• Aputoiminnoissa, kuten lämmönvaihtimissa, käytetään esimerkiksi Picomag-magneettivirtausantureiden ➋ kanssa IO-Linkiä (punaiset viivat) lisäprosessitietojen tarjoamiseen sekä tehokkuuden ja käytettävyysajan parantamiseen.
• IO-Link-päälaite ➌ kerää yksittäisten antureiden ja toimilaitteiden tiedot ja lähettää ne alustan ohjaimelle käyttäen esimerkiksi EtherNet/IP- tai PROFINET-protokollaa. IO-Link-päälaite voi myös välittää alustaohjaimen komentoja sellaisille laitteille kuten venttiileille ja toimilaitteille.
• Neljä johdinta vaativat laitteet, joita ei voi yhdistää kolmen johtimen IO-Link-liittimeen ➍, kytketään suoraan alustaohjaimeen kenttätason protokollalla, kuten EtherNet/IP tai PROFINET.

Kuva 6: IO-Linkiä (punaiset viivat) käytetään alustan sisäiseen tiedonsiirtoon, ja EtherNet/IP- tai PROFINET-protokollaa (vihreät viivat) käytetään sekä sisäiseen viestintään että ulkoisiin yhteyksiin. (Kuvan lähde: Endress+Hauser.)

Yhteenveto

Veden määrän ja liikkeen seuranta on tärkeää monissa sovelluksissa. Vedenhallintajärjestelmien suunnittelijoille on onneksi tarjolla useita työkaluja, kuten magneettivirtausmittarit, ultraääni- ja tutkatoimiset tasoanturit, hydrostaattiset tasoanturit ja tiedonhallintalaitteet. Näistä laitteista kootaan usein IO-Link-yhteyksien avulla modulaarisia alustoja eri sovelluksiin esimerkiksi elintarviketeollisuudessa.