De waterstroom meten om de effectiviteit en efficiëntie van de behandeling te verbeteren

Het bewaken en meten van waterstroming en -volume is noodzakelijk voor het verbeteren van de efficiëntie en duurzaamheid van energiecentrales, landbouw en mijnbouw, industriële en gemeentelijke water- en afvalwaterbehandelingsfaciliteiten, voedsel- en drankverwerking en soortgelijke activiteiten.

Er zijn verschillende hulpmiddelen die ontwerpers van watersystemen kunnen gebruiken om het beschikbare water en het debiet te kwantificeren. Deze hulpmiddelen minimaliseren of elimineren direct contact met het water om de zuiverheid ervan te behouden. Elektromagnetische debietmeters (mag flow) bieden een contactloze manier om stromend water te kwantificeren. Het waterniveau in opslagtanks kan worden gemeten met contactloze sensoren zoals ultrasone en radarsensoren. Een derde alternatief wordt geboden door verzegelde hydrostatische drukniveaumetersensoren die gecertificeerd zijn voor drinkwatertoepassingen.

Dit artikel bespreekt de werking en voordelen van het gebruik van magneetstroommeters en hydrostatische druksensoren en vergelijkt de werking en toepassingen van contactloze niveausensoren zoals ultrasone en radargebaseerde ontwerpen van Endress+Hauser. Vervolgens wordt besproken hoe een datamanager activiteiten kan registreren, weergeven en bewaken en hoe IO-Link snel en efficiënt een compleet waterbewakingssysteem kan samenstellen aan de hand van een verwerkingslijn voor voedingsmiddelen en dranken als toepassingsvoorbeeld.

De inductiewet van Faraday beschrijft het werkingsprincipe van transformators, inductors, generators en magneetflowsensors. In een magneetflowmeter stromen elektrisch geladen deeltjes in de te meten vloeistof door een magnetisch veld dat door twee veldspoelen wordt gecreëerd, en wordt er een spanning geïnduceerd. De geïnduceerde spanning wordt gemeten met twee meetelektroden (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: In een magneetflowmeter stromen elektrisch geladen deeltjes in een vloeistof (blauwe pijl) tussen twee veldspoelen (rode lijnen), en sondes meten de geïnduceerde spanning (groene lijnen). (Bron afbeelding: Endress+Hauser)

De geïnduceerde spanning is recht evenredig met de snelheid en het volume van de flow. Een gepulseerde gelijkstroom (DC) spanning genereert het magnetische veld. Door de polariteit van de gelijkspanning af te wisselen, wordt een stabiel nulpunt vastgesteld dat stroommetingen ongevoelig maakt voor vloeistoffen met een laag geleidingsvermogen of inhomogene vloeistoffen.

Picomag DMA50-serie magneetflowmeters zijn geschikt voor een groot aantal toepassingen. Het 1,4" TFT-kleurenscherm met achtergrondverlichting draait automatisch afhankelijk van de oriëntatie en stroomrichting, wat de installatie vereenvoudigt. Deze meters kunnen tegelijkertijd debiet, temperatuur en geleidbaarheid meten. De nauwkeurigheid van de debietmeting van ±0,5% kan worden gerealiseerd over een breed bereik van debieten.

Het model DMA20-AAACA1 heeft een meetbereik van 0,1 tot 50 liter per minuut (l/min) en een maximale druk van 232 pond per vierkante inch (psi). Het apparaat heeft een ¾" aansluiting en een bedrijfstemperatuurbereik van -10 °C tot 60 °C. Net als alle magflowmeters uit de Picomag DMA50-serie is deze voorzien van IO-Link-connectiviteit. Bluetooth wordt ingeschakeld via de SmartBlue-app van Endress+Hauser, die bediening, onderhoud en inbedrijfstelling vereenvoudigt en versnelt, zelfs op uitdagende locaties (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Voorbeeld van een Picomag DMA50-serie magneetflowmeter die flow (l/min) en geleidbaarheid (µS/cm) meet. (Bron afbeelding: Endress+Hauser)

Model DMA20-AAACA1 heeft fluorelastomeer (FKM) O-ringen die bestand zijn tegen chemicaliën en extreme thermische omstandigheden en die clean-in-place (CIP) en sterilization-in-place (SIP) geautomatiseerde processen ondersteunen die worden gebruikt om machines, vaten of leidingen te reinigen en steriliseren zonder demontage.

Andere modellen zoals DMA50-AAABA1 hebben ethyleenpropyleendieen (EPDM) O-ringen die bestand zijn tegen ozon, zonlicht en verwering. Typische toepassingen voor Picomag-magneetflowmeters zijn onder andere:

• Industriële ovens die worden gekoeld met water dat door meerdere koellijnen stroomt
• Dubbelwandige voedselverwerkingssystemen die het debiet van verwarmings- en koelwater moeten meten
• Reinigingscontainers zoals flessen en pasteurisatieprocessen hebben baat bij het bewaken van de watertemperatuur, toevoer en afvoer om het waterverbruik zo efficiënt mogelijk te maken.

Ultrasoon vs. radar ToF-niveausensor

Ultrasone en radarniveausensors voeren time-of-flight-metingen (ToF) uit op basis van respectievelijk de geluids- en lichtsnelheid. Ultrasone golven worden gereflecteerd door de verandering in dichtheid tussen de lucht en het te meten materiaaloppervlak. Radarsensors, soms vrije-ruimte radar genoemd, zenden microgolven uit die gereflecteerd worden op basis van de verschuiving van een laag diëlektrisch (laag ε_r) medium zoals lucht naar een hoger diëlektrisch materiaal.

De Prosonic FMU30-serie ultrasone niveausensors zijn ontworpen voor contactloze niveaumeting van vloeistoffen, zoals drink- en afvalwater, pasta's en grove bulkmaterialen, in toepassingen zoals pompbesturingen en niveaualarmen. Omdat het een contactloze technologie is, hebben deze sensoren minimaal onderhoud nodig. Ze zijn ongevoelig voor de diëlektrische constante en dichtheid van het materiaal of de omringende vochtigheid.

Het meetbereik van FMU30-sensors is afhankelijk van de grootte van de sensor. Ze worden aangeboden in twee maten: 1½" sensors zoals de FMU30-AAHEAAGGF hebben een bereik van 5 m in vloeistoffen en 2 m in bulkmaterialen, terwijl 2" sensors een bereik hebben van 8 m in vloeistoffen en 3,5 m in bulkmaterialen.

De FMU30-sensors hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -20 °C tot 60 °C. Ze gebruiken het ToF-principe om afstand te meten. De geluidssnelheid (en dus de ToF) varieert echter met de temperatuur. FMU30 ultrasone sensors hebben een geïntegreerde temperatuursensor en compenseren automatisch voor temperatuurveranderingen om nauwkeurige en herhaalbare metingen te garanderen.

Radarniveausensors

De Micropilot FMR10-serie radarniveausensors is geoptimaliseerd voor gebruik met materialen met een ε_r van minstens 4. Ze zijn geschikt voor niveaumetingen in opslagtanks, open bassins, pompschachten, kanaalsystemen en soortgelijke toepassingen. De hermetisch afgesloten bedrading voorkomt het binnendringen van water (Afbeelding 3). Ze zijn voorzien van Bluetooth-connectiviteit om de inbedrijfstelling met smartphones en tabletcomputers te versnellen. Andere kenmerken en specificaties zijn onder andere:

• Frequentie, K-band (ongeveer 26 GHz)
• Meetbereik tot 12 m
• Nauwkeurigheid tot ±5 mm
• Procesdruk van -1 bar tot 3 bar (-14 psi tot 43 psi)
• Procestemperatuur van -40 °C tot 60 °C

Afbeelding 3: Hermetisch afgesloten radarniveausensor met een bereik tot 12 m. (Bron afbeelding: DigiKey)

Hydrostatische niveaumetingen

Het monitoren van de beschikbaarheid van zoet water in rivieren, meren, reservoirs, watertorens en waterputten kan belangrijk zijn voor effectief waterbeheer. In die toepassingen kunnen ontwerpers van waterbeheersystemen zich wenden tot hydrostatische niveaumeters zoals de FMX11 hydrostatische sondes die gecertificeerd zijn voor drinkwatertoepassingen (Afbeelding 4). Kenmerken en specificaties van de FMX11 zijn onder andere:

• Compact formaat met een diameter van 22 mm (0,87") maakt deze sondes geschikt voor toepassingen als boorgaten en boorputten met een kleine diameter
• Bedrijfstemperatuurbereik van -10 °C tot 70 °C
• Meetbereik van 0 bar tot 2 bar, 20 m H20, en 0 psi tot 30 psi, afhankelijk van het model; Model FMX11-CA11FS10 kan tot 0,6 bar (8,7 psi) meten.
• Nauwkeurigheid tot ±0,35%
• Goedkeuringen voor drinkwater zijn onder andere het Franse Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), het Amerikaanse
• NSF/ANSI 61 en twee Duitse certificeringen, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) en Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW).
• Analoge 4 tot 20 mA-communicatie

Afbeelding 4: Hydrostatische sensors zoals deze zijn goedgekeurd voor gebruik met drinkwater. (Bron afbeelding: DigiKey)

Gegevens beheren

Ongeacht de parameters die worden bewaakt - debiet, temperatuur, niveau of iets anders - en de technologie die wordt gebruikt, moeten de resulterende gegevens worden vastgelegd en weergegeven in een formaat dat procesbeheer ondersteunt. Systeemontwerpers kunnen zich wenden tot de Ecograph T RSG35 universele datamanager die analoge of digitale ingangssignalen registreert, weergeeft en bewaakt. Bovendien worden de meetwaarden veilig opgeslagen en kunnen de grenswaarden worden bewaakt.

De standaardversie wordt geleverd zonder analoge gegevensingangen. Sommige modellen worden geleverd met maximaal drie optionele ingangskaarten die kunnen worden toegevoegd, elk met vier analoge universele ingangen voor een totaal van vier, acht of 12 analoge ingangen. Model RSG35-C2A heeft bijvoorbeeld acht universele analoge ingangen, een RJ45-jack voor Ethernet-verbindingen en internettoegang en een USB-connector voor randapparatuur en gegevensoverdracht. Zoals alle modellen bevat de RSG35-C2A zes digitale ingangen.

De geïntegreerde webserver in Ecograph T-datamanagers ondersteunt configuratie en visualisatie op afstand. De Essential-versie van de Field Data Manager-software is ook inbegrepen en kan worden gebruikt om gegevens op te slaan in een veilige SQL-database die in het interne geheugen of op een afzonderlijke SD-kaart is opgeslagen voor analyse. Het 5,7" TFT-kleurenscherm kan meetwaarden in vier groepen weergeven, met digitale, staafdiagram- en curveweergave (Afbeelding 5). Andere kenmerken zijn onder andere:

• 100 ms scansnelheid voor alle kanalen
• Bediening met de geïntegreerde navigator (jog/shuttle dial) of gebruiksvriendelijke bediening met een pc via de geïntegreerde webserver
• E-mailmeldingen kunnen worden verzonden bij alarmen en limietoverschrijdingen
• Ondersteuning voor interfaces zoals Ethernet, RS232/485, USB en optionele slave-functie voor Modbus RTU/TCP versnelt de integratie in industriële automatiseringssystemen.
• Met de WebDAV-app kunnen gegevens die op de SD-kaart zijn opgeslagen rechtstreeks via HTTP naar een pc worden verzonden zonder extra software.

Afbeelding 5: Deze datamanager kan waarden weergeven voor vier parameters en de gegevens naar een externe computer sturen via de geïntegreerde webserver. (Bron afbeelding: DigiKey)

IO-Link en skids

IO-Link is gestandaardiseerd in de International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-9, waar het "Single-drop digital communication interface for small sensors and actuators (SDCI)" wordt genoemd.

Skids (modulaire verwerkingssystemen binnen een frame, waardoor ze gemakkelijker te vervoeren en te installeren zijn) worden vaak gebruikt in de voedsel- en drankverwerking, algemene machinebouw en biowetenschappelijke toepassingen.

Een typische skid bevat minder dan 50 veldapparaten zoals flowensors, aan/uit-schakelaars, kleppen, drukomzetters, frequentieregelaars, pompen, enz. Skids vertrouwen vaak op IO-Link connectiviteit. Skids bevatten soms een mens-machine-interface zoals een plat beeldscherm voor lokale interacties en maken verbinding met het bovenliggende fabrieksautomatiseringssysteem via een industrieel Ethernet-protocol zoals EtherNet/IP of PROFINET. Een typische skidarchitectuur omvat (Afbeelding 6):

• Een extern besturingssysteem ➊ dat gebruikmaakt van een protocol zoals EtherNet/IP of PROFINET (groene lijnen) om de specifieke controllers van elke skid met elkaar te verbinden om hun activiteiten te coördineren.
• In ondersteunende processen zoals warmtewisselaars gebruiken apparaten zoals Picomag magneetflowsensors ➋ IO-Link (rode lijnen) om aanvullende procesgegevens te leveren en de efficiëntie en up-time te verhogen.
• Een IO-Link-masterverbinding ➌ verzamelt de informatie van individuele sensors en actuators en verzendt deze naar de skid controller via een protocol zoals EtherNet/IP of PROFINET. De IO-Link-master kan ook commando's van de skidcontroller naar apparaten zoals kleppen en actuators communiceren.
• Apparaten met vier draden die geen verbinding kunnen maken via een driedraads IO-Link-connector ➍ maken rechtstreeks verbinding met de skidcontroller via een protocol op veldniveau zoals EtherNet/IP of PROFINET.

Afbeelding 6: IO-Link (rode lijnen) wordt gebruikt voor interne communicatie op een skid, en EtherNet/IP of PROFINET (groene lijnen) wordt gebruikt voor zowel interne communicatie als externe connectiviteit. (Bron afbeelding: Endress+Hauser)

Conclusie

Het controleren en meten van de hoeveelheid en beweging van water is belangrijk in verschillende toepassingen. Gelukkig hebben ontwerpers van waterbeheersystemen verschillende hulpmiddelen tot hun beschikking, waaronder magneetflowmeters, ultrasone en radarniveausensors, hydrostatische niveausensors en datamanagers. Deze apparaten, samen met IO-Link-connectiviteit, worden vaak gebruikt om modulaire skids te bouwen voor toepassingen zoals voedsel- en drankverwerking.