A vízáramlásnak a vízgazdálkodás hatékonyságának és eredményességének javítását segítő mérési módjai

Az erőművek és energiatermelő üzemek, a mezőgazdasági és bányászati tevékenység, az ipari és kommunális vízellátó és szennyvíztisztító létesítmények, az élelmiszer-feldolgozás és az italgyártás és hasonló tevékenységek hatásfokának és fenntarthatóságot segítő működésének javításához szükség van a vízáramlás figyelésére és a vízmennyiség mérésére.

A vízrendszerek tervezői számos eszközt használhatnak a rendelkezésre álló vízmennyiségnek és a víz áramlásának számszerűsítésére. Ezek az eszközök a víz tisztaságának megőrzése érdekében minimálisra csökkentik vagy teljesen szükségtelenné teszik a vízzel való közvetlen érintkezést. Az elektromágneses áramlásmérők (mag flow meter) érintésmentes megoldást kínálnak az áramló víz mennyiségének mérésére. A tárolótartályokban a vízszintet érintésmentes érzékelőkkel, például ultrahangos vagy radaros készülékekkel lehet mérni. Egy harmadik lehetőséget jelentenek az ivóvizes felhasználási területekre alkalmas minősítésű zárt hidrosztatikus nyomásszintmérő érzékelők.

Ez a cikk a mágneses áramlásmérők és a hidrosztatikus nyomásérzékelők működését és előnyeit vizsgálja, és összehasonlítja az Endress+Hauser által gyártott érintésmentes szintérzékelők, például az ultrahangos és radaros készülékek működését és felhasználási területeit. Ezután azt tárgyalja, hogy egy adatkezelő készülék hogyan tudja rögzíteni, megjeleníteni és figyelni a műveleteket, és hogyan lehet az IO-Link segítségével gyorsan és hatékonyan összeállítani egy teljes vízfelügyeleti rendszert. Ehhez gyakorlati példaként egy élelmiszer-feldolgozó és italgyártó gyártósort mutat be mint felhasználási területet.

A transzformátorok, tekercsek, generátorok és mágneses áramlásérzékelők működési elvét Faraday indukciós törvénye írja le. A mágneses áramlásmérőben a mért folyadékban lévő villamosan töltött részecskék átáramlanak a két mágnestekercs által létrehozott mágneses mezőn, és feszültséget indukálnak. Az indukált feszültséget két mérőelektródával lehet mérni (1. ábra).

1. ábra: A mágneses áramlásmérőben a folyadékban lévő villamosan töltött részecskék (kék nyíl) két mágnestekercs (piros vonalak) között áramlanak át, és a szondák mérik az indukált feszültséget (zöld vonalak) (ábra: Endress+Hauser)

Az indukált feszültség egyenesen arányos az áramlás sebességével és az átáramló közeg térfogatával. A mágneses mezőt egy lüktető (vagy gyakran használt idegen szóval pulzáló) egyenfeszültség (DC) állítja elő. Az egyenfeszültség polaritásának váltakoztatásával stabil nullpont jön létre, aminek következtében az áramlásmérés érzéketlen lesz a kis vezetőképességű vagy inhomogén folyadékokra.

A Picomag DMA50 sorozatú mágneses áramlásmérők számos felhasználási területre alkalmasak. A háttérvilágítással ellátott, 1,4"-os színes TFT-kijelző képe a tájolástól és az áramlás irányától függően automatikusan elfordul, ami egyszerűsíti a felszerelést. Ezek a műszerek egyidejűleg képesek mérni az áramlási sebességet, a hőmérsékletet és a vezetőképességet. Az áramlási sebességek széles tartományában képesek a ±0,5%-os mérési pontosságra.

A DMA20-AAACA1 típus mérési tartománya 0,1 és 50 liter/perc (l/min) között van, a vele mérhető legnagyobb nyomás pedig 232 psi (font/négyzethüvelyk) (16 bar). Üzemi hőmérséklet-tartománya –10 °C és 60 °C között van. Mint minden Picomag DMA50 sorozatú mágneses áramlásmérő, ez is el van látva IO-Link csatlakozási lehetőséggel. Az Endress+Hauser SmartBlue alkalmazás révén a Bluetooth-kapcsolat is elérhető, ami még kihívást jelentő helyeken is egyszerűsíti és felgyorsítja az üzemeltetést, a karbantartást és az üzembe helyezést (2. ábra).

2. ábra: Egy Picomag DMA50 sorozatú mágneses áramlásmérő, amely az áramlást (l/min) és a vezetőképességet (µS/cm) is méri (kép: Endress+Hauser)

A DMA20-AAACA1 típus fluorgumi (FKM) O-gyűrűkkel van ellátva, amelyek ellenállnak a vegyszereknek és a szélsőséges hőmérsékleteknek, valamint lehetővé teszik az automatikus helyben tisztítást (CIP, clean-in-place) és helyben sterilizálást (SIP, sterilization-in-place). Ezeket a folyamatokat gépek, edények és csövek szétszerelés nélküli tisztítására és sterilizálására használják.

Más típusokban, például a DMA50-AAABA1 típusban etilén-propilén-dién (EPDM, etilén-propilén kaucsuk) O-gyűrűk vannak, amelyek ellenállnak az ózonnak, a napfénynek és az időjárás viszontagságainak. A Picomag mágneses áramlásmérők jellegzetes felhasználási területei a következők:

• több hűtővezetéken keresztüláramló vízzel hűtött ipari kemencék
• kétköpenyes élelmiszer-feldolgozó rendszerek, amelyeknek mérniük kell a fűtő- és hűtővíz áramlását
• a palackok és más hasonló tárolóedények tisztítása és a pasztörizálási folyamatok, amelyek során előnyös a vízhőmérséklet, a vízellátás és a vízelvezetés ellenőrzése a víz minél hatékonyabb felhasználása érdekében

A visszaverődési idő mérésén alapuló ultrahangos és radaros szintérzékelés

Az ultrahangos és radaros szintérzékelők a visszaverődési idő mérésén alapuló, a hangsebességre, illetve a fénysebességre épülő méréseket végeznek. Az ultrahanghullámok a levegő és a mérendő anyag felülete közötti sűrűségkülönbség miatt verődnek vissza. A radar elvén működő érzékelők mikrohullámokat bocsátanak ki, amelyek egy kis dielektromos állandójú (kis ε_r értékű) közegben, például a levegőben haladva egy nagyobb dielektromos állandójú anyaggal történő érintkezés következtében verődnek vissza.

A Prosonic FMU30 sorozatú ultrahangos szintérzékelőket folyadékok, többek között ivóvíz és szennyvíz, paszták és durva szemcsés ömlesztett anyagok érintésmentes szintmérésére tervezték olyan felhasználási területekre, mint a szivattyúvezérlések és szintjelző riasztók. Mivel ez egy érintésmentes technika, ezeknek az érzékelőknek minimális a szervizigényük. Nem érzékenyek a mérendő közeg dielektromos állandójára és sűrűségére vagy a környező páratartalomra.

Az FMU30 érzékelők mérési tartománya az érzékelő méretétől függ. Két méretben kínálják őket: a 1 ½"-os érzékelők, például az FMU30-AAHEAAGGF hatótávolsága 5 m folyadékokban és 2 m ömlesztett anyagokban, míg a 2"-os érzékelők hatótávolsága 8 m folyadékokban és 3,5 m ömlesztett anyagokban.

Az FMU30 érzékelők üzemi hőmérséklet-tartománya –20°C – +60°C. A távolság mérésére a visszaverődési idő mérését használják. A hangsebesség (és így a visszaverődési idő) azonban a hőmérséklet függvényében változik. Az FMU30 ultrahangos érzékelők ezért beépített hőmérséklet-érzékelővel vannak ellátva, és a pontos és megismételhető mérések érdekében automatikusan helyesbítik a hőmérséklet-változások hatását.

Radaros szintérzékelők

A Micropilot FMR10 sorozatú radaros szintérzékelőket legalább 4-es ε_r értékű anyagokhoz optimalizálták. Alkalmasak tárolótartályok, nyitott medencék, szivattyúaknák, csatornarendszerek szintmérésére és hasonló felhasználási területeken végzett szintmérésekre. A hermetikusan tömített vezetékezés megakadályozza a víz behatolását (3. ábra). Az okostelefonok és táblagépek segítségével történő üzembe helyezés felgyorsítása érdekében Bluetooth-kapcsolattal is el vannak látva. Egyéb jellemzők és műszaki adatok:

• frekvencia: K sáv (26 GHz környéke)
• mérési tartomány: 12 m-ig
• ±5 mm-es pontosság
• üzemi nyomástartomány: –1 bar – 3 bar (–14 psi – 43 psi)
• folyamat-hőmérséklet –40 °C és +60 °C között

3. ábra: Hermetikusan zárt radaros szintérzékelő maximum 12 m-es hatótávolsággal (kép: DigiKey)

Hidrosztatikus szintmérések

A folyók, tavak, víztározók, víztornyok és kutak édesvízkészletének nyomon követése fontos lehet a hatékony vízgazdálkodás szempontjából. Ezeken a felhasználási területeken a vízgazdálkodási rendszerek tervezői olyan hidrosztatikus szintmérő eszközökhöz fordulhatnak, mint az FMX11 hidrosztatikus szondák, amelyek ivóvizes felhasználási területekre alkalmas minősítésűek (4. ábra). Az FMX11 jellemzői és műszaki adatai:

• kis, 22 mm (0,87") átmérőjű méretüknek köszönhetően ezek a szondák alkalmasak olyan felhasználási területekre, mint a fúrt kutak és a kis átmérőjű csillapítóaknák
• üzemi hőmérséklet-tartomány: –10°C – +70°C
• mérési tartomány: 0–2 bar (0–30 psi), 20 m H2O (20 m vízoszlop nyomása), típustól függően; az FMX11-CA11FS10 típus 0,6 barig (8,7 psi) képes mérni.
• pontosság: ±0,35%
• az ivóvízhez való alkalmasságra vonatkozó engedélyek között szerepel a francia Attestation De Conformite Sanitaire (ACS) engedélye,
• az amerikai egyesült államokbeli NSF/ANSI 61-engedély, valamint két német tanúsítvány: a Kunststoff-Trinkwasser (KTW) és a Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW) tanúsítványa
• analóg 4–20 mA-es kommunikáció

4. ábra: Az ilyen hidrosztatikus érzékelők engedélyezettek ivóvízhez való használatra (kép: DigiKey)

Adatkezelés

A kapott adatokat a figyelt paraméterektől – áramlás, hőmérséklet, szint vagy valami más – és a használt technikától függetlenül a folyamatirányításban használt formátumban kell rögzíteni és megjeleníteni. A rendszertervezők rendelkezésére áll az Ecograph T RSG35 univerzális adatkezelő modul, amely rögzíti, megjeleníti és figyeli az analóg és a digitális bemenőjeleket. Ezenkívül lehetőség van a mért értékek biztonságos mentésére és a határértékek ellenőrzésére is.

Az alapváltozatnak nincsenek analóg adatbemenetei. Egyes típusokhoz akár tetszés szerint beépíthető bemeneti kártya is jár, amelyek mindegyikén négy analóg univerzális bemenet található, így összesen 4, 8 vagy 12 analóg bemenettel bővíthető a készülék. Az RSG35-C2A típusnak például nyolc univerzális analóg bemenete van, valamint egy RJ45-ös csatlakozója az Ethernet-kapcsolathoz és az internet-hozzáférés megkönnyítésére és egy USB-csatlakozója a perifériák csatlakoztatására és az adatátvitelhez. Mint minden típusnak, az RSG35-C2A-nak is hat digitális bemenete van.

Az Ecograph T adatkezelők beépített webkiszolgálója lehetőséget ad a távbeállításra és az adatok képi megjelenítésére. Szintén a csomag részét képezi a Field Data Manager szoftver Essential verziója is, amelynek segítségével az adatokat a belső memóriában vagy külön SD-kártyán tárolt biztonságos SQL-adatbázisba lehet menteni adatelemzés céljából. Az 5,7"-os színes TFT-képernyő négy csoportba rendezve képes megjeleníteni a mért értékeket, mindezt digitálisan, oszlopdiagram vagy grafikon formájában (5. ábra). További jellemzők:

• 100 ms-os mintavételi gyakoriság minden csatornán
• kezelés a beépített navigátorral (léptetőtárcsa), vagy számítógépen át történő felhasználóbarát kezelés a beépített webkiszolgáló segítségével
• riasztások és határérték-túllépések esetén lehetőség van e-mail-értesítések küldésére
• az Ethernet-, RS232/485- és USB-csatlakozók és a Modbus RTU/TCP választható alárendelt (slave) funkciója felgyorsítja az ipari automatizálási rendszerekbe való beillesztést
• a WebDAV alkalmazás lehetővé teszi, hogy az SD-kártyán tárolt adatokat további szoftverek nélkül, közvetlenül a számítógépre továbbítsa a készülék HTTP protokollon keresztül

5. ábra: Ez az adatkezelő modul négy paraméter értékeit tudja megjeleníteni, és az adatokat a beépített webkiszolgálója segítségével külső számítógépre tudja küldeni (kép: DigiKey)

Az IO-Link és a vázra szerelt célrendszerek

Az IO-Link protokollt a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) 61131-9 számú szabványa határozza meg, amelyben „Egyetlen eszköz csatlakoztatására alkalmas digitális kommunikációs illesztőfelület kis érzékelők és működtetőelemek csatlakoztatására (SDCI, single-drop digital communication interface)” megnevezéssel szerepel.

A vázra szerelt célrendszereket gyakran használják az élelmiszer-feldolgozásban és az italgyártásban, az általános gépgyártásban és az élettudományokhoz kapcsolódó felhasználási területeken. A vázra szerelt célrendszerek modulrendszerű, vázon elhelyezett teljes feldolgozórendszerek. (Az angol a váznak a zárt rakodófelületű raklapokhoz – skid, ellentétben a pallet megnevezésű normál raklapokkal – való külső hasonlatossága miatt a „skid” szót használja a megnevezésükre.) Az egy vázon való elhelyezés megkönnyíti a szállításukat és a telepítésüket.

Egy jellegzetes vázra szerelt célrendszer kevesebb mint 50 helyi eszközt tartalmaz, például áramlásérzékelőket, főkapcsolókat, szelepeket, nyomásátalakítókat, frekvenciaváltókat, szivattyúkat stb. A vázra szerelt célrendszerek gyakran IO-Link-kapcsolatokat használnak. Néha tartozik hozzájuk valamilyen kezelőfelület is, például egy síkképernyős kijelző a helyi beavatkozásokhoz, és ipari Ethernet protokoll, például EtherNet/IP vagy PROFINET útján csatlakoznak a magasabb szintű gyárautomatizálási rendszerekhez. Egy jellegzetes vázra szerelt célrendszer a következőket tartalmazza (6. ábra):

• Külső vezérlőrendszer ➊, amely olyan protokollt használ, mint az EtherNet/IP vagy a PROFINET (zöld vonalak), hogy a műveletek koordinálása érdekében összekapcsolja az egyes vázra szerelt célrendszerek célorientált vezérlőegységeit.
• A kiegészítő berendezésekben, amilyenek például a hőcserélők, az olyan eszközök, mint a Picomag mágneses áramlásérzékelők ➋, az IO-Link (piros vonalak) segítségével szolgáltatnak további folyamatadatokat, valamint javítják a hatásfokot, és növelik a rendelkezésre állási időt.
• Egy központi (master) IO-Link-egység ➌ összegyűjti az egyes érzékelők és működtetőelemek adatait, és olyan protokollt használva, mint az EtherNet/IP vagy a PROFINET, továbbítja azokat a vázra szerelt célrendszer vezérlőegységébe. A központi IO-Link-egység a vázra szerelt célrendszer vezérlőegységéből származó parancsokat is továbbíthat olyan eszközöknek, mint a szelepek és a működtetőelemek.
• Azok a négyvezetékes eszközök, amelyeket a háromvezetékes IO-Link-csatlakozót ➍ használva nem lehet csatlakoztatni, közvetlenül a vázra szerelt célrendszer vezérlőegységéhez csatlakoznak olyan helyi szintű protokollt használva, mint az EtherNet/IP vagy a PROFINET.

6. ábra: Az IO-Link (piros vonalak) a vázra szerelt célrendszer belső kommunikációjára szolgál, az EtherNet/IP vagy PROFINET (zöld vonalak) pedig a belső kommunikációra és a külső kapcsolatokra egyaránt (ábra: Endress+Hauser)

Összegzés

A víz mennyiségének és mozgásának nyomon követése és mérése több felhasználási területen is fontos. Szerencsére a vízgazdálkodási rendszerek tervezőinek számos eszköz áll a rendelkezésükre, többek között a mágneses áramlásmérők, az ultrahangos és radaros, valamint a hidrosztatikus szintérzékelők és az adatkezelő készülékek. Ezeket az eszközöket, valamint az IO-Link-kapcsolatokat gyakran használják olyan felhasználási területekre szánt modulrendszerű, vázra szerelt célrendszerek építésére, mint az élelmiszer-feldolgozás és az italgyártás.