V závislosti na provozních podmínkách lze hladinu vody monitorovat pomocí mechanicky pomocí plováku nebo elektronicky pomocí hydrostatického snímače hladiny. Plováky monitorují konkrétní výšku hladiny a jsou schopny zabránit přetečení nádrže. Naproti tomu hydrostatické senzory jsu vhodné pro kontinuální měření hladiny v systémech pro řízení procesu v úpravně vody. Tento článek uvede princip hydrostatického senzoru a jeho použití v úpravnách vody. V článku nalezneme hydrostatické senzory hladiny od Endress+Hauser.

Základní typy snímačů hladiny

Plovákové snímače hladiny jsou jednoduchá mechanická zařízení, kde plovák stoupá a klesá spolu s hladinou vody. Tento pohyb otevírá a zavírá mechanický spínač, který signalizuje překročení určité hladiny. Tyto senzory se často používají, aby se zabránilo přeplnění nádrží a rozlití vody nebo příliš nízké hladiny vody a následnému poškození čerpadel nebo jiných zařízení.

Hydrostatické hladinové senzory zajišťují nepřetržité měření hladiny vody. Běžně se používají ve skladovacích a zpracovatelských nádržích a nádobách v úpravnách vody. Jak se nádoba plní nebo vypouští, hmotnost vody nad hydrostatickým senzorem se mění a senzor generuje výstupní signál, který je závislý na výšce (obrázek 1). Díky tomu jsou zvláště užitečné pro aplikace řízení procesů zpracování vody.

Obrázek 1: Plovákové senzory se pohybují nahoru a dolů (vlevo) a mohou monitorovat konkrétní hladinu v nádrži, zatímco hydrostatické senzory jsou stacionární a zajišťují nepřetržité monitorování hladiny (vpravo). (Zdroj obrázku: Endress+ Hauser)

Hydrostatické snímače hladiny měří tlak vodního sloupce nad membránou na spodní straně senzoru. Nestlačitelný hydraulický olej přenáší tlak z membrány na mechanismus senzoru. Povrchové rozhraní mezi hydraulickým olejem a vodou je poměrně velké a tlak je zaměřen na menší sloupec, který dosahuje až k mechanismu senzoru. Snímací mechanismus se skládá z Wheatstoneova můstku, kde je umístěn "substrát", který mění odpor při jeho prohýbání (obrázek 2).

Obrázek 2: Vnitřní struktura typického hydrostatického senzoru (vlevo) a znázornění prohýbání "substrátu", který je součástí Wheatstoneova můstku (vpravo). (Zdroj obrázku: Endress+ Hauser)

Hydrostatické senzory kombinují vysokou spolehlivost s velmi nízkými náklady na instalaci. Lze je využít v úpravnách vody, kde zajišťují efektivní provoz nebo pro monitorování lokálních vodních ekosystémů, aby byla zajištěna dlouhodobá dostupnost vody.

Zpracování a úprava pitné vody

Odběr vody přírodního zdroje je prvním krokem pro dodávání pitné vody. Množství dostupné vody se pečlivě sleduje, a to pomocí hydrostatických senzorů. Monitorování hladiny vody je nutné v celém procesu zpracování: Uvedeme si jen některé běžné kroky z procesu (obrázek 3):

• Koagulace se provádí přidáním chemikálií s kladným nábojem do vody, aby se neutralizoval negativní náboj nečistot a jiných rozpuštěných částic.
• Flokulace zahrnuje druhý chemický proces, kdy koagulované částice tvoří větší částice nazývané vločky.
• Sedimentace je místo, kde se vločky usazují na dně a kal se následně odstraní.
• Filtrace je místo, kde různé filtry odstraňují zbývající rozpuštěné částice a choroboplodné zárodky.
• Dezinfekce používá chlór nebo chloramin k hubení parazitů, bakterií, virů a choroboplodných zárodků.
• Skladování a distribuce. Zpracování pitné vody je nepřetržitý proces, ale ve většině měst je spotřeba vody na maximu ráno a večer. To vyžaduje velké skladovací nádoby, aby dostupnost pitné vody odpovídala poptávce.

Obrázek 3: Úprava pitné vody zahrnuje mnoho procesů, které musí být pečlivě sledovány, aby byla zajištěna kvalita vody a soulad s právními předpisy. (Zdroj obrázku: Endress+Hauser)

Registr odběru vody

K zajištění účinné úpravy vody je nezbytná její dostatečná dostupnost. Environmentální legislativa kontroluje odběr surové vody z přírodních zdrojů, aby se zabránilo poškození lokální vodní bilance. V Evropě je udržování odpovídajících vodních hladin a průtoků diktováno Rámcovou směrnicí o vodě, která se zaměřuje na kvantitativní a kvalitativní hospodaření s přírodními vodními zdroji. V USA má EPA podobné cíle a pozorně sleduje odběry vody. Hydrostatické hladinové senzory jsou důležitými nástroji pro monitorování stavu vodních ekosystémů.

Hydrostatické senzory hladiny

Hydrostatické senzor hladiny jsou univerzální zařízení. Mezi typické použití patří:

• Monitorování hladin v řekách, jezerech, vodoměrných stanicích a nádržích
• Zajištění dostupnosti pitné vody ve vodárenských věžích a zásobnících
• Měření hladiny vody ve studních

Kompaktní průměr 22 mm ponorných hydrostatických hladinových senzorů Endress+Hauser Waterpilot FMX11 usnadňuje jejich integraci. Tyto senzory generují výstupní signál 4 až 20 mA kompatibilní s dataloggery, panelovými měřiči, programovatelnými logickými automaty (PLC) a dalšími zařízeními pro řízení procesu úpravy vody. Hydrostatické senzory Waterpilot FMX11 mají několik certifikací pro pitnou vodu, a to National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) v USA, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) ve Francii a TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser v Německu.

Pouzdro senzoru je vyrobeno z nerezové legované 316 oceli a je schváleno pro použití v pitné vodě Food and Drug Administration (FDA). Stíněný prodlužovací kabel obsahuje trubici pro kompenzaci atmosférického tlaku s teflonovým filtrem v plášti z termoplastického elastomeru (TPE) odolného proti oděru a ultrafialovému záření (UV). TPE a teflon jsou také schváleny FDA pro aplikace s pitnou vodou (obrázek 4).

Obrázek 4: Hydrostatické senzory Waterpilot mají několik mezinárodních certifikací pro použití s pitnou vodou a jsou vyrobeny z materiálů schválených FDA. (Zdroj obrázku: DigiKey)

Obecné vlastnosti:

• Rozsah provozní teploty -10°C až +70°C
• Krytí IP68
• Přesnost ≤ ±0,35 % pro rozsah měření senzoru ≥ 400 mbar
• Přesnost ≤ ±0,50 % pro rozsah měření senzoru < 400 mbar
• certifikace cULus

Dostupné modely:

• FMX11-CA11DS06 s rozsahem snímání 0 až 0,2 bar (6,7 stop vodního sloupce) a 6 m kabelem
• FMX11-CA11FS10 s rozsahem snímání 0 až 0,4 bar (13,4 stop vodního sloupce) a 10 m kabelem
• FMX11-CA11GS20 s rozsahem snímání 0 až 0,6 bar (20,1 stop vodního sloupce) a 10 m kabelem
• FMX11-CA11HS20 s rozsahem snímání 0 až 1 bar (33,5 stop vodního sloupce) a 20 m kabelem
• FMX11-CA11KS30 s rozsahem snímání 0 až 2 bary (66,9 stop vodního sloupce) a 30 m kabelem

Použití senzoru v úpravnách vody

Úpravny vody jsou kritickou infrastrukturou a vyžadují vysokou úroveň spolehlivosti. Senzory Waterpilot FMX11 jsou testovány podle směrnic pro elektromagnetickou kompatibilitu (EMC) dle normy EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, která definuje požadavky a metody pro testování schopnosti odolávat přepětí.

Základní testování EMC však pokrývá pouze přepětí do 2 kV na hlavních elektrických vedeních nebo 1 kV na signálních vedeních. To může být nedostatečné pro kritickou infrastrukturu, kde i nepřímé blesky nebo spínací operace mohou mít za následek přepětí až 10 kV během několika mikrosekund. Endress+Hauser doporučuje použití svodiče přepětí, aby byla zajištěna dostatečná spolehlivost. Svodiče přepětí jsou navrženy pro montáž na lištu DIN přímo v rozvaděčích nebo pro přímou montáž k hydrostatickému senzoru:

• Svodiče přepětí HAW562 jako HAW562-AAD k ochraně napájecích a komunikačních linek v ovládacích skříních
• Svodiče přepětí HAW569 pro montáž v terénu přímo ke snímači jako je HAW569-CB2C pro napájecí a signální kabely a HAW569-DA2B jen pro signální kabely (obrázek 5)

Obrázek 5: Svodiče přepětí HAW569-CB2C jsou určeny pro napájecí a signální kabely (nahoře) a HAW569-DA2B pro signálové kabely (dole). (Zdroj obrázku: Endress+Hauser)

Doporučená instalace (obrázek 6):

1. Hydrostatický snímač hladiny Waterpilot FMX11
2. Svodiče přepětí HAW
3. Zobrazovací a vyhodnocovací jednotka se vstupem pro signál čidla 4 až 20 mA
4. Napájení

Obrázek 6: Blokové schéma instalace Waterpilot FMX znázorňující polohy dvou svodičů přepětí (2). (Zdroj obrázku: Endress+ Hauser)

Rozsah napájecího napětí je 8 V_DC až 28 V_DC a odběr proudu je maximálně 22 mA a minimálně 2 mA. V případě použití přímo venku by měl být napájecí zdroj umístěn ve svorkovnici s krytím IP66/IP67. Důrazně se doporučuje jistič, který splňuje požadavky IEC 61010. Hydrostatické senzory Waterpilot FMX11 mají integrovanou ochranu proti přepólování. V případě zapojení s obrácenou polaritou není senzor sice funkční, ale nedojde k jeho zničení.

Úroveň integrity bezpečnosti a použití ve výbušném prostředí

Hydrostatické senzry musí také fungovat bezpečně, a to i v přítomnosti výbušného prostředí. IEC 61508 definuje úrovně integrity bezpečnosti (SIL) a IEC 61511 je aplikačně specifická adaptace IEC 61508 pro zpracovatelský průmysl. Svodiče přepětí HAW569 jsou navrženy pro použití přímo v terénu a splňují požadavky SIL2. Svodiče přepětí HAW562 jsou určeny pro použití v méně nebezpečných prostředích a jsou na vyžádání dostupné se SIL2. Svodiče přepětí HAW562 jsou volitelně dostupné se schválením Ex pro jiskrovou bezpečnost. Dvě běžné certifikace Ex jsou Ex ia a Ex d.

Certifikace Ex ia poskytuje jiskrově bezpečnou ochranu, která zajišťuje, že maximální vnitřní energie zařízení a jeho kabeláže zůstane pod energetickou úrovní potřebnou k zapálení, a to i v případě poruchy. Je určena pro použití v oblastech, kde je výbušná směs plynů přítomna po dlouhou dobu nebo nepřetržitě a představuje značné nebezpečí. Zařízení s certifikací Ex d jsou navržena tak, aby vydržela vnitřní výbuch bez poškození. Tato zařízení jsou určena pro použití v kritických oblastech, kde se během normálního provozu pravděpodobně vyskytne výbušná směs plynů, která představuje občasný nebezpečný stav.

Svodiče přepětí HAW569 určené k ochraně signálových kabelů jsou volitelně k dispozici se schválením Ex ia, zatímco schválení Ex d je na vyžádání u jednotek navržených pro současnou ochranu signálových a napájecích kabelů. Svodiče přepětí HAW562 jsou také k dispozici s certifikáty Ex pro jiskrovou bezpečnost pouze na vyžádání.

Závěr

Hydrostatické senzory se používají k řízení procesů zpracování vody a řízení zásob v úpravnách pitné vody, stejně jako pro monitorování vodních zdrojů jako jsou studny, řeky, jezera a nádrže, aby byla zajištěna dostupnost a udržitelnost vody. Úpravny vody jsou kritickou infrastrukturou a musí být dostatečně chráněny, aby byl zajištěn nepřetržitý provoz. Hydrostatické senzory Waterpilot FMX11 jsou vyrobeny z materiálů schválených FDA pro aplikace s pitnou vodou a mají několik dalších mezinárodních schválení.  Endress+Hauser také doporučuje používat svodiče přepětí a nabízí modely splňující SIL2 a senzory Waterpilot FMX11 s certifikací Ex ia a Ex d pro výbušná prostředí .

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com