Hydrostaattisten nestetasoantureiden käyttö parantaa makean veden käsittelyn tehokkuutta

Puhdas makea vesi on elintärkeää. Juomaveden käsittelylaitoksia on lähes kaikkialla. Jotta nämä laitokset voisivat toimia tehokkaasti, niiden on valvottava kaivojen, varastosäiliöiden, jokien, tekoaltaiden ja muiden alueiden käytettävissä olevaa vesimäärää.

Vedenpinnan nestetasoa voidaan valvoa sovelluksesta ja käyttöolosuhteista riippuen mekaanisilla laitteilla, kuten kohoilla, tai puolijohdelaitteilla, kuten hydrostaattisilla nestetasoantureilla. Jotkin tekniikat soveltuvat paremmin tiettyä nestetasoa valvoviin sovelluksiin, joissa voidaan seurata tiettyjä kynnysarvoja ja estää vuotoja. Toiset taas soveltuvat jatkuva-arvoista mitta-aluetta käyttäviin nestetasomittauksiin prosessinohjaus- ja varastonhallintajärjestelmissä.

Tämä artikkeli käsittelee aluksi tiettyä nestetasoa valvovia sovelluksia ja jatkuva-arvoista mitta-aluetta käyttäviä nestetason valvontasovelluksia. Sen jälkeen artikkelissa esitellään hydrostaattisten nestetasoantureiden toimintaperiaatteet ja tarkastellaan joitakin näiden antureiden käyttötapoja juomaveden käsittelylaitoksissa.

Artikkelissa käsitellään lyhyesti sitä, miten Yhdysvaltain ympäristönsuojeluvirasto (EPA) seuraa makean veden kulutusta ”vedenottorekisterin” avulla, ja siinä tarkastellaan sen jälkeen joitakin Endress+Hauserin hydrostaattisia nestetasoantureita. Se antaa lopuksi sovellusehdotuksia antureiden integrointiin kriittisiin infrastruktuurijärjestelmiin, kuten juomaveden käsittelylaitoksiin.

Kohot ovat yksinkertaisia mekaanisia laitteita. Koho nousee ja laskee vedenpinnan mukana. Tämä liike avaa ja sulkee mekaanisen kytkimen, joka ilmaisee, kun tietty vedenpinnan nestetaso ylittyy. Näitä antureita käytetään usein estämään säiliöiden ylitäyttö ja veden hukkaaminen tai nestetason lasku liian alas, josta voi seurata pumppujen ja muiden laitteiden vaurioituminen.

Hydrostaattiset nestetasoanturit tarjoavat jatkuva-arvoisen vedenpinnan nestetason. Niitä käytetään yleisesti makean veden käsittelylaitosten varastointi- ja käsittelysäiliöissä. Kun säiliö täyttyy tai tyhjenee, veden paino hydrostaattisen nestetasoanturin yläpuolella muuttuu, ja anturi tuottaa korkeudesta riippuvaisen tuloksen (kuva 1). Tämä tekee niistä erityisen hyödyllisiä prosessinohjaussovelluksissa.

Kuva 1. Kohot liikkuvat ylös ja alas (vasemmalla) ja voivat seurata haluttua nestetasoa säiliössä. Hydrostaattiset anturit puolestaan ovat kiinteitä ja mahdollistavat jatkuva-arvoisen nestetason valvonnan (oikealla). (Kuvan lähde: Endress+ Hauser)

Hydrostaattiset nestetasoanturit mittaavat anturin pohjassa olevan kalvon yläpuolisen vesipatsaan synnyttämän paineen. Kokoonpuristumaton hydrauliöljy siirtää paineen kalvosta mittausmekanismiin. Hydrauliöljyn ja veden välinen rajapinta on suhteellisen laaja, ja paine keskittyy pienempään pylvääseen, joka ulottuu mittausmekanismiin saakka. Mittausmekanismi koostuu Wheatstonen sillasta, joka muuttaa vastusta substraatin taipuessa (kuva 2).

Kuva 2: Tyypillisen hydrostaattisen nestetasoanturin sisäinen rakenne (vasemmalla) ja Wheatstonen sillan mittausmekanismi taivutettuna (oikealla). (Kuvan lähde: Endress+ Hauser)

Hydrostaattisissa nestetasoantureissa yhdistyvät korkea luotettavuus ja erittäin alhaiset asennuskustannukset. Niiden käyttökohteet vaihtelevat makean veden käsittelylaitoksista, joissa ne varmistavat tehokkaan toiminnan, paikallisten vesiekosysteemien valvontaan veden pitkäaikaisen saatavuuden varmistamiseksi.

Makean veden käsittely

Vedenotto (ja sisäänotto) on ensimmäinen vaihe juomaveden hankinnassa. Se tarkoittaa prosessia, jossa vettä otetaan mistä tahansa lähteestä. Käytettävässä olevan veden määrää valvotaan tarkasti hydrostaattisten nestetasoantureiden kaltaisten laitteiden avulla.

Muut makean veden käsittelyn yksityiskohdat vaihtelevat paikallisten määräysten mukaan, mutta veden nestetason seuranta on välttämätöntä koko laitoksessa. Joitakin yleisiä vaiheita ovat (kuva 3):

• Koagulointi toteutetaan lisäämällä veteen kemikaaleja, joilla on positiivinen varaus. Ne neutralisoivat lian ja muiden liuenneiden hiukkasten negatiivisen varauksen.
• Flokkulointi käsittää seuraavan kemiallisen prosessin, jossa koaguloituneet hiukkaset muodostavat suurempia hiukkasia, joita kutsutaan flokeiksi.
• Saostuksessa flokit laskeutuvat veden pohjalle, ja sakka poistetaan.
• Suodatuksessa erilaiset suodattimet poistavat jäljelle jääneet liuenneet hiukkaset ja bakteerit.
• Desinfioinnissa käytetään klooria tai kloramiinia parasiittien, bakteerien, virusten ja bakteerien tappamiseen.
• Varastointi ja jakelu. Makean veden käsittely on jatkuva prosessi, mutta useimmissa kaupungeissa veden kulutus on huipussaan aamuisin ja iltaisin, mikä vaatii suuria varastolaitoksia, jotta makean veden saatavuus vastaisi kysyntää.

Kuva 3: Juomaveden käsittelyyn voi sisältyä monia prosesseja, joita täytyy valvoa tarkasti, jotta taataan veden laatu ja lakisääteisten määräysten noudattaminen. (Kuvan lähde: Endress+Hauser.)

Vedenottorekisteri

Makean veden tehokas käsittely vaatii veden riittävää saatavuutta. Raakaveden ottoa luonnonlähteistä valvotaan ympäristölainsäädännöllä, jotta paikallinen vesitasapaino ei kärsisi.

Euroopassa riittävien vedenkorkeuksien ja -virtausten ylläpitämisestä säätää vesipuitedirektiivi, joka keskittyy luonnon vesivarojen määrälliseen ja laadulliseen hallintaan. Yhdysvalloissa EPA:lla on samankaltaiset tavoitteet, ja se valvoo tarkasti vedenottoa.

EPA kerää yhtaikaa tietoja vedenoton määrästä ja vesipäästöjä koskevista tiedoista liiallisen vedenoton riskin arvioimiseksi. Tiedot raportoidaan vuosittaisessa vedenottorekisterissä. Hydrostaattiset nestetasoanturit ovat tärkeitä välineitä paikallisten vesiekosysteemien tilan valvonnassa.

Hydrostaattiset nestetasoanturit

Hydrostaattiset nestetasoanturit ovat erittäin monipuolisia laitteita. Tyypillisiin sovelluksiin kuuluvat:

• jokien, järvien, mittausasemien ja tekoaltaiden vedenkorkeuden valvonta
• juomaveden saatavuuden varmistaminen vesitorneissa ja varastosäiliöissä
• vedenkorkeuden mittaaminen kaivoissa.

Endress+Hauserin upotettavat hydrostaattiset Waterpilot FMX11 -nestetasoanturit ovat helppoja integroida, koska niiden halkaisija on vain 22 mm. Nämä anturit tuottavat 4–20 mA:n lähtösignaalin, joka on yhteensopiva dataloggereiden, paneelimittareiden, ohjelmoitavien logiikkaohjainten (PLC) ja muiden prosessinohjauslaitteiden kanssa.

Hydrostaattisilla Waterpilot FMX11 -nestetasoantureilla on useita juomavesisertifikaatteja, kuten National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) Yhdysvalloissa, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) Ranskassa ja TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser Saksassa.

Kotelo on valmistettu seostetusta ruostumattomasta teräksestä 316, ja Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) on hyväksynyt sen käytön juomavesisovelluksissa. Suojatussa jatkokaapelissa on ilmanpaineen tasausputki, johon kuuluu teflonsuodatin hankausta ja ultraviolettivaloa (UV) kestävässä termoplastisesta elastomeeristä (TPE) valmistetussa vaipassa. TPE:lla ja teflonilla on myös FDA:n hyväksyntä juomavesisovelluksiin (kuva 4).

Kuva 4: Hydrostaattisilla Waterpilot-nestetasoantureilla on useita kansainvälisiä sertifikaatteja juomavesisovelluksia varten, ja ne on valmistettu käyttäen FDA:n hyväksymiä materiaaleja. (Kuvan lähde: DigiKey)

Yleiset spesifikaatiot:

• Toimintalämpötila-alue: −10 °C ... +70 °C.
• IP68-suojaus
• Tarkkuus ≤ ±0,35 % anturin mittausalueella ≥ 400 mbar
• Tarkkuus ≤ ±0,50 % anturin mittausalueella < 400 mbar
• cULus-sertifiointi

Saatavilla olevat mallit:

• FMX11-CA11DS06 tunnistusalueella 0–0,2 baaria (vesipatsas 6,7 ft) ja 6 metrin kaapelilla
• FMX11-CA11FS10 tunnistusalueella 0–0,4 baaria (vesipatsas 13,4 ft) ja 10 metrin kaapelilla
• FMX11-CA11GS20 tunnistusalueella 0–0,6 baaria (vesipatsas 20,1 ft) ja 10 metrin kaapelilla
• FMX11-CA11HS20 tunnistusalueella 0–1 baaria (vesipatsas 33,5 ft) ja 20 metrin kaapelilla
• FMX11-CA11KS30 tunnistusalueella 0–2 baaria (vesipatsas 66,9 ft) ja 30 metrin kaapelilla.

Vedenkäsittelylaitoksen käytettävyyden maksimointi

Juomaveden käsittelylaitokset ovat kriittistä infrastruktuuria ja ne vaativat korkeaa luotettavuutta. Waterpilot FMX11 -anturit on testattu sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC) koskevan standardin EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5 ohjeistusten mukaisesti, joka määrittelee vaatimukset ja menetelmät virtapiikkien kestokyvyn testaukseen.

EMC-perustestaus kattaa kuitenkin vain enintään 2 kV:n jännitepiikit päävirtajohdoissa tai 1 kV:n jännitepiikit signaalijohdoissa. Tämä ei riitä kriittisessä infrastruktuurissa, jossa jopa epäsuora salamanisku tai kytkintoiminnot voivat aiheuttaa jopa 10 kV:n jännitepiikin mikrosekunnissa.

Endress+Hauser suosittelee ylijännitesuojien käyttöä laitoksen käytettävyyden varmistamiseksi. Ylijännitesuojia on saatavana sekä DIN-kiskoasennukseen ohjauskaappeihin että suoraan asennukseen kenttäkoteloon:

• HAW562-ylijännitesuojat, kuten HAW562-AAD, ohjauskaappien virta- ja tiedonsiirtojohtojen suojaukseen
• HAW569-ylijännitesuojat prosessiohjauksen kenttäinstrumentteihin, kuten HAW569-CB2C virta- ja signaalikaapeleille ja HAW569-DA2B signaalikaapeleille (kuva 5)

Kuva 5: HAW569-CB2C virta- ja signaalikaapeleille (ylhäällä) sekä HAW569-DA2B signaalikaapeleille (alhaalla). (Kuvan lähde: Endress+Hauser.)

Suositeltava järjestelmä parhaan mahdollisen käytettävyyden varmistamiseksi sisältää seuraavat (kuva 6):

1. Hydrostaattinen nestetasoanturi Waterpilot FMX11
2. HAW-ylijännitesuojat
3. Näyttö- ja arviointiyksikkö, jossa on tulo 4–20 mA:n anturisignaalille
4. Virtalähde

Kuva 6: Waterpilot FMX -asennuksen lohkokaavio, joka näyttää kahden ylijännitesuojan (2) sijainnin. (Kuvan lähde: Endress+ Hauser)

Virtalähteen jännitealue on 8 V_DC – 28 V_DC, ja virrankulutus on enintään 22 mA ja vähintään 2 mA Kun virtalähdettä käytetään ulkona, se tulisi sijoittaa IP66/IP67-luokiteltuun liitäntäkoteloon. IEC 61010 -standardin vaatimukset täyttävä katkaisija on erittäin suositeltava.

Hydrostaattisissa Waterpilot FMX11 -nestetasoantureissa on integroitu suojaus käänteiseltä polariteetilta, eivätkä ne vaurioidu, jos virtajohdot kytketään väärin. Jos virtajohdot kytketään väärin päin, laite ei toimi.

Turvavaatimustasot ja räjähdysvaaralliset tilat

Hydrostaattisten nestetasoantureiden on toimittava turvallisesti myös räjähdysvaarallisissa tiloissa. IEC 61508 -standardi määrittelee turvavaatimustasot (SIL-tasot), ja IEC 61511 -standardi on IEC 61508:n sovelluskohtainen mukautus prosessiteollisuutta varten. HAW569-yksiköt on suunniteltu käytettäväksi kenttäinstrumenteissa, ja ne täyttävät SIL2-vaatimukset. HAW562-ylijännitesuojat on tarkoitettu käytettäväksi vähemmän vaarallisissa sovelluksissa laitekaapeissa, ja ne ovat saatavana tilauksesta SIL2-tasolla.

Tilanne on samankaltainen kuin räjähdysvaarallisissa (Ex) tiloissa käytettävyys. HAW562-ylijännitesuojat ovat saatavana tilauksesta luonnostaan turvallisella Ex-hyväksynnällä. Kaksi yleisintä Ex-sertifiointia ovat Ex ia ja Ex d.

Ex ia -sertifiointi tarjoaa luonnostaan turvallisen suojan, joka varmistaa, että laitteen ja sen johdotuksen suurin sisäinen energia pysyy vikatilanteessakin alle syttymiseen tarvittavan energiatason. Se on tarkoitettu käytettäväksi tiloissa, joissa esiintyy pitkiä aikoja tai jatkuvasti merkittävän vaaran aiheuttava räjähtävä kaasuseos.

Ex d -sertifioidut laitteet on suunniteltu kestämään sisäinen räjähdys vaurioitumatta. Nämä laitteet on tarkoitettu käytettäväksi kriittisissä tiloissa, joissa räjähdysvaarallista kaasuseosta todennäköisesti esiintyy normaalin toiminnan aikana ja joka aiheuttaa ajoittaisen vaaratilanteen.

Signaalikaapelien suojaukseen suunnitellut HAW569-laitteet ovat saatavana tilauksesta Ex ia -hyväksynnällä, kun taas Ex d -hyväksyntä on lisävarusteena laitteissa, jotka on suunniteltu suojaamaan samanaikaisesti sekä signaali- että virtakaapeleita. HAW562-ylijännitesuojat ovat saatavana tilauksesta myös luonnostaan turvallisella Ex-hyväksynnällä.

Yhteenveto

Hydrostaattisia nestetasoantureita käytetään moniin sovelluksiin, kuten prosessinohjaukseen ja varastonhallintaan juomaveden käsittelylaitoksissa sekä vesilähteiden, kuten kaivojen, jokien, järvien ja tekoaltaiden, valvontaan veden saatavuuden ja kestävyyden varmistamiseksi. Juomaveden käsittelylaitokset kuuluvat kriittiseen infrastruktuuriin, ja ne on suojattava asianmukaisella tavalla jatkuvan toiminnan varmistamiseksi.

Hydrostaattiset Waterpilot FMX11 -nestetasoanturit on valmistettu juomavesisovelluksiin tarkoitetuista FDA:n hyväksymistä materiaaleista, ja niillä on useita juomavesisovelluksiin tarkoitettuja kansainvälisiä hyväksyntöjä. Endress+Hauser suosittelee myös ylijännitesuojien käyttöä ja tarjoaa Waterpilot FMX11 -antureille malleja, joilla on SIL2-suorituskyky sekä Ex ia- ja Ex d -sertifikaatit.