Hidrosztatikus szintérzékelők használata az édesvíz-feldolgozás hatékonyságának javítására

A tiszta, friss édesvíz létfontosságú. Ivóvíz-feldolgozó létesítmények szinte mindenhol találhatók. A hatékony működés érdekében ezeknek az üzemeknek figyelemmel kell kísérniük a kutak, a tárolótartályok, a folyók, a víztározók és egyéb területek pillanatnyi vízszintjét.

A vízszintet a felhasználási területtől és az üzemi körülményektől függően mechanikus eszközökkel, például úszókkal vagy félvezetős eszközökkel, például hidrosztatikus szintérzékelőkkel lehet ellenőrizni. Egyes technikák határérték-figyelésre alkalmasabbak, hogy adott szintküszöbértékeket figyeljenek, és megakadályozzák a kiömlést. Ezzel szemben mások folyamatos szintmérésre alkalmasak a folyamatszabályozó és készletgazdálkodási rendszerekben.

Ez a cikk a határérték-figyelő és a folyamatos szintmérő készülékek áttekintésével kezdődik. Ezután ismerteti a hidrosztatikus szintérzékelők működési elvét, és bemutatja ezen érzékelők néhány felhasználási módját az ivóvíz-feldolgozó üzemekben.

Röviden áttekinti, hogy az Amerikai Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala (EPA, Environmental Protection Agency) hogyan követi nyomon az édesvízfogyasztást egy „vízkivételi nyilvántartás” segítségével, majd bemutatja az Endress+Hauser cég néhány beszerezhető hidrosztatikus szintérzékelőjét. A cikk felhasználási javaslatokkal zárul, amikor az érzékelőket kritikus infrastrukturális területeken, például ivóvíz-feldolgozó létesítményekben használják.

Az úszós szintérzékelők egyszerű mechanikus eszközök. Az úszó a víz szintjével együtt emelkedik és süllyed. Ez a mozgás kinyit vagy bezár egy mechanikus kapcsolót, amelyik jelzi, ha a vízszint elért egy bizonyos szintet. Ezeket az érzékelőket gyakran használják annak megakadályozására, hogy a tartályok túltöltődjenek, és kiömöljön a víz, vagy túlságosan kiürüljenek, ami károsíthatná a szivattyúkat vagy más berendezéseket.

A hidrosztatikus szintérzékelők a vízszint folyamatos mérését teszik lehetővé. Általában az édesvíz-feldolgozó létesítményekben tároló- és feldolgozótartályaiban és tárolóedényeiben használják őket. Ahogy a tartály telik vagy ürül, a hidrosztatikus szintérzékelő felett lévő vízoszlop tömege megváltozik, és az érzékelő a vízoszlop magasságától függő kimenőjelet ad (1. ábra). Ez különösen a folyamatszabályozási területeken teszi hasznossá ezeket az érzékelőket.

1. ábra: Az úszós érzékelők fel-le mozognak (balra), és meghatározott szinteket tudnak figyelni a tartályban, míg a hidrosztatikus érzékelők helyhez kötöttek, és folyamatos szintmérést tesznek lehetővé (jobbra) (ábra: Endress+Hauser)

A hidrosztatikus szintérzékelők az érzékelő alján lévő membrán feletti vízoszlop nyomását mérik. A nyomást összenyomhatatlan hidraulikaolaj továbbítja a membránról az érzékelőmechanizmusra. A hidraulikaolaj és a víz közötti felületi határfelület viszonylag nagy, és a nyomás egy az érzékelőmechanizmussal érintkező kisebb oszlopra összpontosul. Az érzékelőmechanizmus egy Wheatstone-híd, amely a hordozóréteg meghajlásakor megváltoztatja az ellenállását (2. ábra).

2. ábra: Egy jellegzetes hidrosztatikus szintérzékelő belső szerkezete (balra) és a meghajlott érzékelőjű Wheatstone-hidas érzékelőmechanizmust mutató rajz (jobbra) (ábra: Endress+Hauser)

A hidrosztatikus szintérzékelők a nagy megbízhatóságot nagyon alacsony telepítési költségekkel ötvözik. Felhasználási területük az édesvíz-feldolgozó létesítményektől kezdve, ahol a hatékony működést segítik, a helyi vízi ökoszisztémáknak a víz hosszú távú rendelkezésre állását biztosító figyeléséig terjed.

Édesvíz-feldolgozás

A vízkivétel (vízkivonás, víznyerés és vízvételezés) az ivóvízellátás első lépése. Ez a víz bármilyen forrásból történő kinyerésének folyamata. A rendelkezésre álló vízmennyiséget gondosan ellenőrzik olyan eszközökkel, mint a hidrosztatikai szintérzékelők.

Az édesvíz-feldolgozás többi részlete a helyi előírások alapján változik, de a vízszintek figyelésére az egész létesítményben szükség van. Néhány gyakori lépés (3. ábra):

• A koaguláció (kicsapatás) úgy történik, hogy a vízhez pozitív töltésű vegyszereket adnak, hogy semlegesítsék a szennyeződések és más oldott részecskék negatív töltését.
• A flokkuláció (pelyhesítés) egy második vegyi folyamatot foglal magában, amelynek során a koagulált (összetapadt) részecskék nagyobb részecskékké, úgynevezett iszappelyhekké (flokk) állnak össze.
• Az ülepítés során az iszappelyhek leülepednek a víz aljára, majd ezt az iszapot eltávolítják.
• A szűrés során a különböző szűrők eltávolítják a maradék oldott részecskéket, valamint a baktériumokat és csírákat.
• A fertőtlenítés során klórt vagy klóramint használnak a paraziták, baktériumok, vírusok és csírák elpusztítására.
• Tárolás és elosztás. Az édesvíz-feldolgozás szünetmentes folyamat, de a legtöbb városban a vízfelhasználás reggel és este tetőzik, ami nagy tárolólétesítményeket igényel, hogy az édesvíz rendelkezésre állását a vízhasználati igényekhez igazítsák.

3. ábra: Az ivóvíz-feldolgozás számos olyan folyamatot foglalhat magában, amelyet a vízminőségnek és a jogszabályi előírások betartásának a biztosítása érdekében gondosan kell felügyelni (ábra: Endress+Hauser)

Vízkivételi nyilvántartás

A hatékony édesvíz-feldolgozás biztosításához megfelelő vízellátásra van szükség. A helyi vízháztartás károsodásának elkerülése érdekében a környezetvédelmi jogszabályok szabályozzák a természetes forrásokból történő nyersvízkivételt.

Európában a megfelelő vízszintek és vízhozamok fenntartását a vízügyi keretirányelv határozza meg, amely a természetes vízkészletekkel való mennyiségi és minőségi gazdálkodásra összpontosít. Az Amerikai Egyesült Államok Környezetvédelmi Hivatala (EPA) hasonló célokat tűzött ki, és szigorúan ellenőrzi a vízkivételt.

Az EPA gyűjti a vízkivétel mennyiségére és a vízkibocsátásra vonatkozó adatokat is, hogy felmérje a túlzott vízkivétel kockázatát. Az adatokat az éves vízkivételi nyilvántartásban jelenítik meg. A hidrosztatikus szintérzékelők fontos eszközök a helyi vízi ökoszisztémák állapotának nyomon követéséhez.

Hidrosztatikus szintérzékelők

A hidrosztatikus szintérzékelők rendkívül sokoldalú eszközök. Jellemzően a következő felhasználási területeken használják őket:

• a folyók, tavak, mérőállomások és víztározók vízszintjének ellenőrzése
• a víztornyokból és tárolótartályokból történő ivóvízellátás biztosítása
• vízszintmérés kutakban

Az Endress+Hauser Waterpilot FMX11 merülő hidrosztatikus szintérzékelők kis, 22 mm-es átmérőjüknek köszönhetően könnyen beépíthetőek. Ezek az érzékelők 4–20 mA-es kimenőjelet szolgáltatnak, amely alkalmas arra, hogy az adatgyűjtők, a műszerfalra szerelt mérők, a PLC-k (programmable logic controller, programozható logikai vezérlő) és más folyamatszabályozó berendezések használni tudják.

A Waterpilot FMX11 hidrosztatikus szintérzékelők számos az ivóvízhez való alkalmasságra vonatkozó minősítéssel rendelkeznek, többek között az Amerikai Egyesült Államokban a National Sanitation Foundation 61 (NSF-61), Franciaországban az Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) és Németországban a TZW:DVGW – Technologiezentrum Wasser tanúsítványával.

A ház 316-os rozsdamentesacél-ötvözetből készült, és az Amerikai Egyesült Államok Élelmiszer- és Gyógyszerügyi Hivatala (FDA, Food and Drug Administration) engedélyezte ivóvízzel való használatra. Az árnyékolt hosszabbítókábel tartalmaz egy légkörinyomás-kiegyenlítő csövet teflonszűrővel, kopás- és ibolyántúlisugárzás- (UV-) álló, hőre lágyuló elasztomer (TPE) köpenyben. A TPE és a teflon az FDA által ivóvízzel való használatra is engedélyezett anyag (4. ábra).

4. ábra: A Waterpilot hidrosztatikus szintérzékelők számos ivóvízhez való alkalmasságra vonatkozó nemzetközi tanúsítvánnyal rendelkeznek, és az FDA által jóváhagyott anyagokból készülnek (kép: DigiKey)

Általános jellemzők:

• üzemi hőmérséklet-tartomány: –10 °C – +70 °C
• IP68-as védettség
• pontosság: ≥ 400 mbar mérési tartományú érzékelő esetén ≤ ±0,35%
• pontosság:< 400 mbar mérési tartományú érzékelő esetén ≤ ±0,50%
• cULus tanúsítás

Elérhető típusok:

• FMX11-CA11DS06 0–0,2 bar (6,7 láb/2 m magas vízoszlop) érzékelési tartománnyal és 6 m-es kábellel
• FMX11-CA11FS10 0–0,4 bar (13,4 láb/4 m magas vízoszlop) érzékelési tartománnyal és 10 m-es kábellel
• FMX11-CA11GS20 0–0,6 bar (20,1 láb/6 m magas vízoszlop) érzékelési tartománnyal és 10 m-es kábellel
• FMX11-CA11HS20 0–1 bar (33,5 láb/10 m magas vízoszlop) érzékelési tartománnyal és 20 m-es kábellel
• FMX11-CA11KS30 0-2 bar (66,9 láb/20 m magas vízoszlop) érzékelési tartománnyal és 30 m-es kábellel

A vízfeldolgozó létesítmény rendelkezésre állásának maximálisra növelése

Az ivóvíz-feldolgozó létesítmények kritikus fontosságú infrastruktúrák, és magas szintű megbízhatóságot követelnek meg. A Waterpilot FMX11 érzékelőket az EN 1000-4-5/IEC 61000-4-5 szabvány elektromágneses összeférhetőségre (EMC) vonatkozó irányelvei szerint tesztelték, amelyek meghatározzák a feszültséglökésekkel szembeni ellenálló képesség vizsgálatának követelményeit és módszereit.

Az alapfokú elektromágneses összeférhetőségi vizsgálatok azonban a fő tápvezetékeken legfeljebb csak 2 kV-os, míg a jelzővezetékeken legfeljebb csak 1 kV-os feszültséglökésekre terjednek ki. Ez a kritikus infrastruktúrák esetében elégtelen lehet, mert ott még a közvetett villámcsapás vagy a kapcsolási műveletek is 10 kV-os feszültséglökéseket eredményezhetnek mikroszekundumokon belül.

Az Endress+Hauser a létesítmény rendelkezésre állásának biztosítása érdekében túlfeszültség-levezetők használatát ajánlja. A túlfeszültség-levezetők beszerezhetőek, és vezérlőszekrényekben DIN-sínre szerelhető, valamint helyi kapcsolószekrényekbe közvetlenül beszerelhető változatban kaphatóak:

• HAW562 túlfeszültség-levezetők, amilyen például a vezérlőszekrényekben lévő táp- és kommunikációs kábelek védelmére szolgáló HAW562-AAD típus
• a feldolgozó területek helyi műszereihez tervezett HAW569 túlfeszültség-levezetők, amilyen például a táp- és jelkábelekhez való HAW569-CB2C és a jelkábelekhez való HAW569-DA2B típus (5. ábra)

5. ábra: A táp- és jelkábelekhez tervezett HAW569-CB2C (fent) és a jelkábelekhez tervezett HAW569-DA2B (lent) túlfeszültség-levezető (kép: Endress+Hauser)

A lehető legnagyobb rendelkezésre állás érdekében ajánlott kiépítés (6. ábra):

1. Waterpilot FMX11 hidrosztatikus szintérzékelő
2. HAW túlfeszültség-levezetők
3. kijelző és kiértékelőegység 4–20 mA-es érzékelőjelekhez való bemenettel
4. áramellátás

6. ábra: A Waterpilot FMX kiépítési blokkvázlata, amely a két túlfeszültség-levezető (2) helyét is mutatja (ábra: Endress+Hauser)

A tápfeszültség tartománya 8 V és 28 V egyenfeszültség (V_DC) közötti, az áramfelvétel pedig legfeljebb 22 mA, de legalább 2 mA. Kültéri használat esetén a tápegységet IP66/IP67 védettségű csatlakozódobozban kell elhelyezni. Emellett erősen ajánlott az IEC 61010 szabvány követelményeinek megfelelő megszakító használata.

A Waterpilot FMX11 hidrosztatikus szintérzékelők el vannak látva beépített fordított polaritás elleni védelemmel, és nem károsodnak, ha a tápkábeleket helytelenül csatlakoztatják. Fordított polaritású tápcsatlakoztatás esetén azonban a készülék nem üzemképes.

Biztonságjósági szintek és robbanásveszélyes környezetek

A hidrosztatikus szintérzékelőknek robbanásveszélyes környezetben is biztonságosan kell működniük. A biztonságjósági szinteket (SIL, safety integrity level) az IEC 61508 szabvány határozza meg, az IEC 61511 szabvány pedig az IEC 61508 felhasználási területekre bontott adaptációja a feldolgozóipar számára. A HAW569 túlfeszültség-levezetőket helyi műszerekhez tervezték, és megfelelnek a SIL2 követelményeinek. A HAW562 túlfeszültség-levezetőket kevésbé veszélyes felhasználási területeken, készülékházakban való használatra szánják, és választhatóan SIL2 minősítéssel is kaphatóak.

Hasonló a helyzet a robbanásveszélyes (Ex) környezetben való használat esetében is. A HAW562 túlfeszültség-levezetők választhatóan Ex gyújtószikramentes minősítéssel is kaphatóak. Két gyakori Ex-minősítés az Ex ia és az Ex d.

Az Ex ia minősítés olyan gyújtószikramentes védelmet jelent, amely biztosítja, hogy a készülék és a kábelezés maximális belső energiája még hiba esetén is a gyulladáshoz szükséges energiaszint alatt marad. Az ilyen minősítésű készülékek olyan területeken való használatra készülnek, ahol hosszabb ideig vagy folyamatosan robbanásveszélyes gázkeverék van jelen, és jelentős veszélyt jelent.

Az Ex d minősítésű eszközöket úgy tervezték, hogy a belső robbanásnak sérülés nélkül álljanak ellen. Az ilyen minősítésű készülékeket olyan kritikus területeken való használatra szánják, ahol a normál működés során valószínűleg keletkezik valamilyen robbanásveszélyes gázkeverék, ami időről időre veszélyes körülményeket teremt.

A jelkábelek védelmére tervezett HAW569 egységek választhatóan Ex ia minősítéssel is rendelhetők, míg a jel- és tápkábelek egyidejű védelmére tervezett készülékekhez Ex d minősítés is választható. A HAW562 túlfeszültség-levezetők választhatóan Ex gyújtószikramentes minősítéssel is kaphatóak.

Összegzés

A hidrosztatikus szintérzékelőknek számos felhasználási területük van, beleértve a folyamatszabályozást és a készletgazdálkodást az ivóvíz-feldolgozó létesítményekben, valamint a vízforrások, például kutak, folyók, tavak és víztározók felügyeletét a víz rendelkezésre állásának és a fenntarthatóságnak a biztosítása érdekében. Az ivóvíz-feldolgozó létesítmények kritikus infrastruktúrát jelentenek, és a folyamatos működés biztosítása érdekében megfelelő védelemmel kell őket ellátni.

A Waterpilot FMX11 hidrosztatikus szintérzékelők az FDA által ivóvízzel való használatra is engedélyezett anyagokból készülnek, és számos ivóvízzel való használattal kapcsolatos nemzetközi minősítést is megkaptak. Az Endress+Hauser cég túlfeszültség-levezetők használatát is ajánlja, és a Waterpilot FMX11 érzékelőkhöz SIL2 minősítésű, Ex ia és Ex d tanúsítású típusokat is kínál.