วิธีการวัดอัตราการไหลของน้ำเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและประสิทธิผลของการบำบัด

การติดตามและวัดปริมาณการไหลและปริมาณน้ำเป็นสิ่งจำเป็นในการปรับปรุงประสิทธิภาพและความยั่งยืนของโรงผลิตไฟฟ้าและพลังงาน การทำการเกษตรและการทำเหมือง สิ่งอำนวยความสะดวกด้านการบำบัดน้ำและน้ำเสียในอุตสาหกรรมและเขตเมือง การแปรรูปอาหารและเครื่องดื่ม และการดำเนินการที่คล้ายคลึงกัน

มีเครื่องมือหลายอย่างที่นักออกแบบระบบน้ำสามารถหันมาใช้เพื่อวัดปริมาณน้ำที่มีอยู่และการไหลของน้ำ โดยเครื่องมือเหล่านี้ช่วยลดหรือขจัดการสัมผัสโดยตรงกับน้ำเพื่อรักษาสภาพความบริสุทธิ์ของน้ำ เครื่องวัดการไหลด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า (Mag flow) เป็นวิธีการวัดปริมาณน้ำที่ไหลโดยไม่ต้องสัมผัส สามารถวัดระดับน้ำในถังเก็บน้ำได้โดยใช้เซ็นเซอร์ที่ไม่ต้องสัมผัส เช่น แบบอัลตราโซนิกและเรดาร์ ทางเลือกที่สามนั้นได้มาจากเซ็นเซอร์วัดระดับแรงดันไฮโดรสแตติกแบบซีลซึ่งได้รับการรับรองสำหรับการใช้งานในน้ำดื่ม

บทความนี้จะศึกษาการทำงานและประโยชน์ของการใช้เครื่องวัดอัตราการไหลแม่เหล็กไฟฟ้าและเซ็นเซอร์แรงดันไฮโดรสแตติก และเปรียบเทียบการทำงานและการใช้งานสำหรับเซ็นเซอร์ระดับแบบไม่สัมผัส เช่น การออกแบบแบบอัลตราโซนิกและเรดาร์จาก Endress+Hauser จากนั้นจะหารือถึงวิธีที่ตัวจัดการข้อมูลสามารถบันทึก แสดง และตรวจสอบการทำงาน และวิธีที่ IO-Link สามารถรวบรวมระบบตรวจสอบน้ำที่สมบูรณ์เข้าด้วยกันได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพโดยใช้สายการผลิตอาหารและเครื่องดื่มเป็นตัวอย่างการใช้งาน

กฎการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์อธิบายหลักการทำงานของหม้อแปลง ตัวเหนี่ยวนำ เครื่องกำเนิดไฟฟ้า และเซ็นเซอร์การไหลด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ในเครื่องวัดอัตราการไหลแม่เหล็ก อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในของเหลวที่ถูกวัดจะไหลผ่านสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นจากขดลวดสนามสองขดลวด และเกิดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ ซึ่งแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะถูกวัดโดยใช้อิเล็กโทรดสองตัว (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ในเครื่องวัดอัตราการไหลแม่เหล็กไฟฟ้า อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าในของเหลว (ลูกศรสีน้ำเงิน) ไหลระหว่างขดลวดสนามแม่เหล็กสองขดลวด (เส้นสีแดง) และโพรบวัดจะวัดแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำ (เส้นสีเขียว) (แหล่งที่มาภาพ: Endress+Hauser)

แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะแปรผันโดยตรงกับความเร็วและปริมาตรของการไหล แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงแบบพัลส์ (DC) จะสร้างสนามแม่เหล็ก การสลับขั้วของแรงดันไฟฟ้า DC จะสร้างจุดศูนย์ที่เสถียร ซึ่งทำให้การวัดอัตราการไหลไม่ตอบสนองต่อค่าความนำไฟฟ้าต่ำหรือของเหลวที่ไม่สม่ำเสมอ

เครื่องวัดอัตราการไหลแม่เหล็กไฟฟ้า Picomag ซีรีย์ DMA50 เหมาะสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย จอแสดงผล TFT สี 1.4 นิ้ว พร้อมไฟแบ็คไลท์ หมุนอัตโนมัติตามทิศทางและทิศทางการไหล ช่วยให้การติดตั้งง่ายขึ้น โดยเครื่องวัดเหล่านี้สามารถวัดการไหล อุณหภูมิ และการนำไฟฟ้าได้พร้อมกัน ความแม่นยำในการวัดอัตราการไหล ±0.5% สามารถทำได้ในช่วงอัตราการไหลที่กว้าง

รุ่น DMA20-AAACA1 มีช่วงการวัดตั้งแต่ 0.1 ถึง 50 ลิตรต่อนาที (l/min) และแรงดันสูงสุด 232 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (psi) มีการเชื่อมต่อ ¾” และมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ -10°C ถึง 60°C เช่นเดียวกับเครื่องวัดอัตราการไหลแม่เหล็กไฟฟ้าซีรีส์ Picomag DMA50 ทุกรุ่น อุปกรณ์วัดนี้มาพร้อมคุณสมบัติการเชื่อมต่อ IO-Link เปิดใช้งานบลูทูธผ่านแอป SmartBlue ของ Endress+Hauser ซึ่งช่วยลดความยุ่งยากและความเร็วในการใช้งาน การบำรุงรักษา และการทดสอบระบบ แม้ในสถานที่ที่ท้าทาย (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: ตัวอย่างเครื่องวัดอัตราการไหลแม่เหล็กซีรีส์ Picomag DMA50 ที่วัดอัตราการไหล (l/min) และค่าการนำไฟฟ้า (µS/cm) (แหล่งที่มาภาพ: Endress+Hauser)

รุ่น DMA20-AAACA1 มีโอริงฟลูออโรอีลาสโตเมอร์ (FKM) ที่ทนทานต่อสารเคมีและสภาวะความร้อนที่มากเกินไป และรองรับกระบวนการอัตโนมัติทำความสะอาดในสถานที่ (CIP) และการฆ่าเชื้อในสถานที่ (SIP) ที่ใช้ในการทำความสะอาดและฆ่าเชื้อเครื่องจักร ภาชนะ หรือท่อ โดยไม่ต้องถอดประกอบ

รุ่นอื่น ๆ เช่น DMA50-AAABA1 มีโอริงเอทิลีนโพรพิลีนไดอีน (EPDM) ที่ทนต่อโอโซน แสงแดด และสภาพอากาศ การใช้งานทั่วไปของเครื่องวัดอัตราการไหลแบบแม่เหล็กของ Picomag ได้แก่:

• เตาอบระดับอุตสาหกรรมที่ระบายความร้อนโดยใช้น้ำที่ไหลผ่านท่อทำความเย็นหลายเส้น
• ระบบการแปรรูปอาหารแบบแจ็คเก็ตคู่ที่ต้องวัดอัตราการไหลของน้ำร้อนและน้ำเย็น
• การทำความสะอาดภาชนะ เช่น ขวด และกระบวนการพาสเจอร์ไรเซชัน จะได้รับประโยชน์จากการตรวจสอบอุณหภูมิของน้ำ ปริมาณน้ำ และการระบายน้ำ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้น้ำให้สูงสุด

การตรวจจับระดับด้วย ToF ระหว่างอัลตราโซนิกกับเรดาร์

เซ็นเซอร์ระดับอัลตราโซนิกและเรดาร์ใช้การวัดเวลาการส่งสัญญาณ (ToF) โดยอาศัยความเร็วของเสียงและแสงตามลำดับ คลื่นอัลตราโซนิกสะท้อนจากการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่นระหว่างอากาศและพื้นผิวของวัสดุที่ต้องการวัด เซ็นเซอร์เรดาร์ซึ่งบางครั้งเรียกว่าเรดาร์อิสระ ปล่อยคลื่นไมโครเวฟที่สะท้อนกลับตามการเปลี่ยนแปลงจากไดอิเล็กตริกต่ำ (low ε_r) ตัวกลางเช่นอากาศไปจนถึงวัสดุที่มีความเป็นฉนวนไฟฟ้าสูงกว่า

ในการใช้งาน เช่น การควบคุมปั๊มและสัญญาณเตือนระดับ Prosonic FMU30 เซ็นเซอร์วัดระดับแบบอัลตราโซนิกซีรีส์ได้รับการออกแบบมาเพื่อวัดระดับของเหลวแบบไม่สัมผัส รวมถึงน้ำดื่มและน้ำเสีย สารละลาย และวัสดุเม็ดหยาบ เนื่องจากเป็นเทคโนโลยีที่ไม่ต้องสัมผัส เซ็นเซอร์เหล่านี้จึงมีความต้องการเข้าถึงน้อยมาก โดยไม่ไวต่อค่าคงที่ของฉนวนและความหนาแน่นของวัสดุหรือความชื้นโดยรอบ

ช่วงการวัดของเซ็นเซอร์ FMU30 ขึ้นอยู่กับขนาดของเซ็นเซอร์ มีให้เลือกสองขนาด: เซ็นเซอร์ขนาด 1½" เช่น FMU30-AAHEAAGGF มีระยะการวัด 5 เมตรในของเหลวและ 2 เมตรในวัสดุจำนวนมาก ในขณะที่เซ็นเซอร์ขนาด 2 นิ้วจะมีระยะการวัด 8 เมตรในของเหลวและ 3.5 เมตรในวัสดุจำนวนมาก

เซ็นเซอร์ FMU30 มีช่วงอุณหภูมิในการทำงานตั้งแต่ -20°C ถึง +60°C ซึ่งใช้หลักการ ToF ในการวัดระยะทาง อย่างไรก็ตาม ความเร็วของเสียง (และ ToF ด้วย) แตกต่างกันไปตามอุณหภูมิ เซ็นเซอร์อัลตราโซนิก FMU30 มีเซ็นเซอร์อุณหภูมิในตัวและชดเชยการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยอัตโนมัติเพื่อให้แน่ใจว่าการวัดแม่นยำและทำซ้ำได้

เซ็นเซอร์วัดระดับแบบเรดาร์

เซ็นเซอร์วัดระดับแบบเรดาร์ Micropilot ซีรีส์ FMR10 ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้กับวัสดุที่มี ε_r อย่างน้อย 4 ซึ่งเหมาะสำหรับการวัดระดับในถังเก็บน้ำ อ่างเก็บน้ำ เพลาปั๊ม ระบบคลอง และการใช้งานที่คล้ายคลึงกัน สายไฟที่ปิดสนิทช่วยป้องกันน้ำเข้า (รูปที่ 3) มีการเชื่อมต่อบลูทูธเพื่อเพิ่มความเร็วในการใช้งานสมาร์ทโฟนและแท็บเล็ตคอมพิวเตอร์ คุณสมบัติและข้อมูลจำเพาะอื่น ๆ ได้แก่:

• ความถี่แบนด์ K (ประมาณ 26 GHz)
• ระยะการวัดสูงสุด 12 ม.
• ความแม่นยำสูงถึง ±5 มม.
• แรงดันกระบวนการตั้งแต่ -1 บาร์ถึง 3 บาร์ (-14 psi ถึง 43 psi)
• อุณหภูมิกระบวนการตั้งแต่ -40°C ถึง +60°C

รูปที่ 3: เซ็นเซอร์วัดระดับเรดาร์แบบปิดผนึกสนิทที่มีระยะสูงสุด 12 ม. (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

การวัดระดับแบบไฮโดรสแตติก

การติดตามระดับของน้ำจืดในแม่น้ำ ทะเลสาบ อ่างเก็บน้ำ หอเก็บน้ำ และบ่อน้ำอาจมีความสำคัญต่อการจัดการน้ำที่มีประสิทธิภาพ ในการใช้งานเหล่านี้เหล่านี้ นักออกแบบระบบการจัดการน้ำสามารถหันมาใช้เครื่องมือวัดระดับไฮโดรสแตติก เช่น โพรบไฮโดรสแตติก FMX11 ที่ได้รับการรับรองสำหรับการใช้งานน้ำดื่ม (รูปที่ 4) คุณสมบัติและข้อมูลจำเพาะของ FMX11 มีดังนี้:

• ขนาดกะทัดรัดด้วยเส้นผ่านศูนย์กลาง 22 มม. (0.87 นิ้ว) ทำให้หัววัดเหล่านี้เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น หลุมเจาะและบ่อพักน้ำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็ก
• ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -10°C ถึง +70°C
• ช่วงการวัด 0 บาร์ถึง 2 บาร์, 20 mH20 และ 0 psi ถึง 30 psi ขึ้นอยู่กับรุ่น โดยรุ่น FMX11-CA11FS10 สามารถวัดได้สูงสุดถึง 0.6 บาร์ (8.7 psi)
• ความแม่นยำสูงถึง ±0.35%
• การรับรองการใช้งานในน้ำดื่มรวมถึงใบรับรอง Attestation De Conformite Sanitaire (ACS) ของฝรั่งเศส, ใบรับรอง US
• NSF/ANSI 61 และการรับรอง Kunststoff-Trinkwasser (KTW) และ Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW) จากเยอรมัน
• การสื่อสารแบบแอนะล็อก 4 ถึง 20 mA

รูปที่ 4: เซ็นเซอร์ไฮโดรสแตติกเช่นนี้ได้รับการอนุมัติให้ใช้กับน้ำดื่ม (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

การจัดการข้อมูล

ไม่ว่าจะตรวจสอบพารามิเตอร์ใดก็ตาม เช่น การไหล อุณหภูมิ ระดับ หรืออื่นๆ และเทคโนโลยีที่ใช้ โดยข้อมูลที่ได้จะต้องถูกเก็บรวบรวมและแสดงในรูปแบบที่รองรับการจัดการด้านกระบวนการ นักออกแบบระบบสามารถหันไปใช้ Ecograph T RSG35 ตัวจัดการข้อมูลสากลที่บันทึก แสดง และตรวจสอบสัญญาณอินพุตแบบแอนะล็อกหรือดิจิทัล นอกจากนี้ ค่าที่วัดได้ยังได้รับการบันทึกอย่างปลอดภัย และสามารถตรวจสอบค่าจำกัดได้

เวอร์ชันมาตรฐานไม่มีอินพุตข้อมูลแอนะล็อก รุ่นบางรุ่นมาพร้อมกับการ์ดอินพุตเสริมสูงสุดสามอันที่สามารถเพิ่มได้ โดยแต่ละอันจะมีอินพุตแอนะล็อกสากลสี่สัญญาณ ซึ่งรวมเป็นอินพุตแอนะล็อกสี่ แปด หรือ 12 สัญญาณ เช่น รุ่น RSG35-C2A มีอินพุตแอนะล็อกสากล 8 ตัว แจ็ค RJ45 สำหรับเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตและการเข้าถึงอินเทอร์เน็ต และขั้วต่อ USB สำหรับอุปกรณ์ต่อพ่วงและการถ่ายโอนข้อมูล เช่นเดียวกับรุ่นอื่นๆ RSG35-C2A มีอินพุตดิจิทัลหกตัว

เว็บเซิร์ฟเวอร์แบบบูรณาการในตัวจัดการข้อมูล Ecograph T รองรับการกำหนดค่าและการแสดงภาพระยะไกล ซอฟต์แวร์ Field Data Manager เวอร์ชัน Essential ยังรวมอยู่ด้วย ซึ่งสามารถใช้บันทึกข้อมูลลงในฐานข้อมูล SQL ที่ปลอดภัยซึ่งจัดเก็บอยู่ในหน่วยความจำภายในหรือบนการ์ด SD แยกต่างหากเพื่อการวิเคราะห์ หน้าจอสี TFT ขนาด 5.7 นิ้วสามารถแสดงค่าที่วัดได้เป็น 4 กลุ่ม โดยมีการแสดงค่าแบบดิจิทัล กราฟแท่ง และเส้นโค้ง (รูปที่ 5) คุณสมบัติเพิ่มเติม ได้แก่

• อัตราการสแกน 100 มิลลิวินาทีสำหรับทุกช่องสัญญาณ
• การใช้งานโดยใช้ระบบนำทางในตัว (แบบจ็อกกิ้ง/ชัตเทิล) หรือการใช้งานที่เป็นมิตรกับผู้ใช้ด้วยพีซีโดยใช้เว็บเซิร์ฟเวอร์ในตัว
• สามารถส่งการแจ้งเตือนทางอีเมล์ในกรณีที่เกิดการแจ้งเตือนและเกินขีดจำกัด
• รองรับอินเทอร์เฟซเช่นอีเทอร์เน็ต RS232/485 USB และฟังก์ชันสเลฟเสริมสำหรับการผสานความเร็ว Modbus RTU/TCP เข้ากับระบบอัตโนมัติทางอุตสาหกรรม
• แอป WebDAV ช่วยให้ข้อมูลที่บันทึกไว้ในการ์ด SD สามารถส่งไปยังพีซีโดยตรงผ่าน HTTP โดยไม่ต้องใช้ซอฟต์แวร์เพิ่มเติม

รูปที่ 5: ตัวจัดการข้อมูลนี้สามารถแสดงค่าสำหรับพารามิเตอร์ทั้งสี่และส่งข้อมูลไปยังคอมพิวเตอร์ภายนอกโดยใช้เว็บเซิร์ฟเวอร์ในตัว (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

IO-Link และชุดอุปกรณ์

IO-Link ได้รับการรับรองมาตรฐานโดย International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-9 โดยเรียกว่า "อินเทอร์เฟซการสื่อสารดิจิทัลแบบจุดเดียวสำหรับเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์ขนาดเล็ก (SDCI)"

ชุดอุปกรณ์ (ระบบการประมวลผลแบบแยกส่วนภายในขอบเขตที่กำหนด ทำให้เคลื่อนย้ายและติดตั้งสะดวกยิ่งขึ้น) มักใช้ในการแปรรูปอาหารและเครื่องดื่ม การสร้างเครื่องจักรทั่วไป และการประยุกต์ใช้ในด้านวิทยาศาสตร์ชีวภาพ

ชุดอุปกรณ์ทั่วไปจะมีอุปกรณ์ภาคสนามไม่เกิน 50 ชิ้น เช่น เซ็นเซอร์การไหล สวิตช์เปิด/ปิด วาล์ว เครื่องแปลงสัญญาณความดัน ไดรฟ์ความถี่แปรผัน ปั๊ม ฯลฯ ซึ่งชุดอุปกรณ์มักจะต้องอาศัยการเชื่อมต่อ IO-Link บางครั้งชุดอุปกรณ์จะรวมถึงอินเทอร์เฟซระหว่างคนกับเครื่องจักร เช่น จอภาพแบบแผงแบนสำหรับการโต้ตอบในพื้นที่ และเชื่อมต่อกับระบบอัตโนมัติของโรงงานระดับสูงโดยใช้โปรโตคอลอีเทอร์เน็ตอุตสาหกรรม เช่น EtherNet/IP หรือ PROFINET สถาปัตยกรรมชุดอุปกรณ์ทั่วไปประกอบด้วย (รูปที่ 6):

• ระบบควบคุมภายนอก ➊ ที่ใช้โปรโตคอลเช่น EtherNet/IP หรือ PROFINET (เส้นสีเขียว) เพื่อเชื่อมต่อตัวควบคุมเฉพาะของแต่ละแท่นเพื่อประสานงานการปฏิบัติการ
• ในการทำงานเสริม เช่น อุปกรณ์แลกเปลี่ยนความร้อน อุปกรณ์ เช่น เซ็นเซอร์วัดอัตราการไหล Picomag mag➋ ใช้ IO-Link (เส้นสีแดง) เพื่อให้ข้อมูลกระบวนการเพิ่มเติมและเพิ่มประสิทธิภาพและเวลาการทำงาน
• การเชื่อมต่อหลัก IO-Link ➌ รวบรวมข้อมูลจากเซ็นเซอร์และแอคชูเอเตอร์แต่ละตัว และส่งต่อไปยังตัวควบคุมชุดอุปกรณ์โดยใช้โปรโตคอลเช่น EtherNet/IP หรือ PROFINET นอกจากนี้ มาสเตอร์ IO-Link ยังสามารถสื่อสารคำสั่งจากตัวควบคุมชุดอุปกรณ์ไปยังอุปกรณ์ เช่น วาล์วและตัวกระตุ้นได้อีกด้วย
• อุปกรณ์สี่สายที่ไม่สามารถเชื่อมต่อโดยใช้คอนเนค IO-Link สามสายได้➍ เชื่อมต่อโดยตรงกับตัวควบคุมชุดอุปกรณ์โดยใช้โปรโตคอลระดับฟิลด์เช่น EtherNet/IP หรือ PROFINET

รูปที่ 6: IO-Link (เส้นสีแดง) ใช้สำหรับการสื่อสารภายในบนชุดอุปกรณ์ และ EtherNet/IP หรือ PROFINET (เส้นสีเขียว) ใช้สำหรับทั้งการสื่อสารภายในและการเชื่อมต่อภายนอก (แหล่งที่มาภาพ: Endress+Hauser)

สรุป

การติดตามและวัดปริมาณและการเคลื่อนที่ของน้ำเป็นสิ่งสำคัญในการใช้งานต่างๆ นักออกแบบระบบการจัดการน้ำมีเครื่องมือต่างๆ ไว้ใช้งานหลายอย่าง รวมถึงเครื่องวัดอัตราการไหลแม่เหล็กไฟฟ้า เซ็นเซอร์ระดับแบบอัลตราโซนิกและเรดาร์ เซ็นเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก และเครื่องมือจัดการข้อมูล อุปกรณ์เหล่านี้ รวมถึงการเชื่อมต่อ IO-Link มักใช้ในการสร้างแท่นโมดูลาร์สำหรับการใช้งาน เช่น การแปรรูปอาหารและเครื่องดื่ม