การใช้เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพการประมวลผลน้ำจืด

น้ำสะอาดและสดชื่นเป็นสิ่งสำคัญ โรงงานผลิตน้ำดื่มมีอยู่เกือบทุกที่ เพื่อให้ดำเนินงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ โรงงานเหล่านี้จำเป็นต้องตรวจสอบระดับน้ำที่มีอยู่ในบ่อน้ำ ถังเก็บน้ำ แม่น้ำ อ่างเก็บน้ำ และพื้นที่อื่น ๆ

ระดับน้ำสามารถตรวจสอบได้โดยใช้อุปกรณ์เครื่องกล เช่น ลูกลอย หรืออุปกรณ์โซลิดสเตต เช่น เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก ขึ้นอยู่กับการใช้งานและสภาวะการทำงาน เทคโนโลยีบางอย่างเหมาะกว่าสำหรับการใช้งานระดับจุดเพื่อตรวจสอบเกณฑ์ระดับที่เฉพาะเจาะจงและป้องกันการรั่วไหล ในทางกลับกัน เครื่องมืออื่น ๆ เหมาะสำหรับการวัดระดับอย่างต่อเนื่องในระบบควบคุมกระบวนการและระบบการจัดการสินค้าคงคลัง

บทความนี้เริ่มต้นด้วยภาพรวมของแอปพลิเคชันการตรวจสอบระดับจุดและระดับต่อเนื่อง จากนั้นจะนำเสนอหลักการทำงานของเซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกและทบทวนการใช้งานเซนเซอร์เหล่านั้นในโรงงานผลิตน้ำดื่ม

รายงานดังกล่าวจะกล่าวถึงวิธีการที่สำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อมแห่งสหรัฐอเมริกา (EPA) ติดตามการใช้น้ำจืดโดยใช้ "ทะเบียนการแยกน้ำ" จากนั้นจะตรวจสอบเซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกที่มีอยู่บางส่วนจากEndress+Hauser ปิดท้ายด้วยข้อเสนอแนะการใช้งานเมื่อรวมเซนเซอร์เข้ากับการติดตั้งโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญ เช่น โรงงานผลิตน้ำดื่ม

เซนเซอร์ระดับลูกลอยเป็นอุปกรณ์เครื่องกลแบบเรียบง่าย ทุ่นจะขึ้นลงตามระดับน้ำ การเคลื่อนไหวดังกล่าวจะเปิดและปิดสวิตช์เชิงกลซึ่งจะระบุเมื่อระดับน้ำถึงระดับที่กำหนด มักใช้เซนเซอร์เหล่านี้เพื่อป้องกันไม่ให้ถังเต็มเกินไปและน้ำหก หรือน้ำเหลือน้อยเกินไปจนส่งผลเสียต่อปั๊มหรืออุปกรณ์อื่น ๆ

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกให้การวัดระดับน้ำอย่างต่อเนื่อง มักใช้ในถังเก็บและแปรรูป และภาชนะในโรงงานผลิตน้ำจืด ในขณะที่ภาชนะเติมน้ำหรือระบายน้ำ น้ำหนักของน้ำเหนือเซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกจะเปลี่ยนไป และเซนเซอร์จะผลิตเอาต์พุตที่ขึ้นอยู่กับความสูง (รูปที่ 1) ซึ่งทำให้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการใช้งานการควบคุมกระบวนการ

รูปที่ 1: เซนเซอร์ลูกลอยเคลื่อนที่ขึ้นและลง (ซ้าย) และสามารถตรวจสอบระดับเฉพาะในถัง ในขณะที่เซนเซอร์ไฮโดรสแตติกจะอยู่นิ่งและคอยตรวจสอบระดับอย่างต่อเนื่อง (ขวา) (ที่มาของภาพ: Endress+ Hauser)

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกวัดแรงดันของคอลัมน์น้ำเหนือไดอะแฟรมที่ด้านล่างของเซนเซอร์ น้ำมันไฮดรอลิกที่ไม่สามารถบีบอัดได้จะส่งแรงดันจากไดอะแฟรมไปยังกลไกเซนเซอร์ อินเทอร์เฟซพื้นผิวระหว่างน้ำมันไฮดรอลิกกับน้ำมีขนาดค่อนข้างใหญ่ และแรงดันจะโฟกัสไปที่คอลัมน์ขนาดเล็กกว่าที่ไปถึงกลไกเซนเซอร์ กลไกการตรวจจับประกอบด้วยสะพานวีตสโตนที่เปลี่ยนความต้านทานเมื่อพื้นผิวถูกเบี่ยงเบน (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: โครงสร้างภายในของเซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกทั่วไป (ซ้าย) และการแสดงกลไกการตรวจจับสะพานวีตสโตนที่ถูกเบี่ยงเบน (ขวา) (ที่มาของภาพ: Endress+ Hauser)

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกมีความน่าเชื่อถือสูงและมีต้นทุนการติดตั้งที่ต่ำมาก การประยุกต์ใช้มีตั้งแต่โรงงานผลิตน้ำจืด ซึ่งช่วยให้ดำเนินงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ไปจนถึงการติดตามระบบนิเวศทางน้ำในท้องถิ่นเพื่อให้มั่นใจว่าจะมีน้ำใช้ในระยะยาว

การผลิตน้ำจืด

การแยกน้ำ (การดึงน้ำออก การสกัดน้ำ และการนำน้ำเข้า) ถือเป็นขั้นตอนแรกในการจัดหาน้ำดื่ม เป็นกระบวนการในการนำน้ำจากแหล่งใดก็ตาม ปริมาณน้ำที่มีอยู่จะถูกตรวจสอบอย่างใกล้ชิดโดยใช้อุปกรณ์ เช่น เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก

รายละเอียดการประมวลผลน้ำจืดที่เหลือแตกต่างกันไป ขึ้นอยู่กับกฎระเบียบในท้องถิ่น แต่จำเป็นต้องมีการตรวจสอบระดับน้ำทั่วทั้งโรงงาน ขั้นตอนทั่วไปบางประการได้แก่ (รูปที่ 3):

• การตกตะกอนทำได้โดยการเติมสารเคมีที่มีประจุบวกลงในน้ำเพื่อทำให้ประจุลบของสิ่งสกปรกและอนุภาคอื่น ๆ ที่ถูกละลายเป็นกลาง
• การจับตัวเป็นก้อนเกี่ยวข้องกับกระบวนการทางเคมีประการที่สอง โดยอนุภาคที่จับตัวกันจะกลายเป็นอนุภาคขนาดใหญ่ขึ้น เรียกว่า ก้อน
• การตกตะกอนคือการที่ก้อนตะกอนตกตะกอนอยู่ที่ก้นน้ำ และตะกอนจะถูกกำจัดออกไป
• การกรองคือการที่ตัวกรองต่าง ๆ กำจัดอนุภาคและเชื้อโรคที่ละลายอยู่ที่เหลืออยู่
• การฆ่าเชื้อโรคใช้คลอรีนหรือคลอรามีนเพื่อฆ่าปรสิต แบคทีเรีย ไวรัส และเชื้อโรค
• การจัดเก็บและการจัดจำหน่าย การประมวลผลน้ำจืดเป็นกระบวนการต่อเนื่อง แต่ในเมืองส่วนใหญ่ การใช้น้ำจะสูงสุดในตอนเช้าและตอนเย็น ทำให้ต้องใช้พื้นที่จัดเก็บขนาดใหญ่เพื่อให้มีน้ำจืดเพียงพอกับความต้องการ

รูปที่ 3: การบำบัดน้ำดื่มอาจรวมถึงกระบวนการต่าง ๆ มากมายซึ่งต้องมีการติดตามอย่างใกล้ชิดเพื่อให้แน่ใจว่าคุณภาพน้ำและเป็นไปตามกฎหมาย (แหล่งที่มาภาพ: Endress+Hauser)

การลงทะเบียนบทคัดย่อ

การมีน้ำเพียงพอเป็นสิ่งจำเป็นเพื่อให้มั่นใจถึงการประมวลผลน้ำจืดที่มีประสิทธิภาพ กฎหมายสิ่งแวดล้อมควบคุมการสูบน้ำดิบจากแหล่งธรรมชาติเพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายต่อสมดุลน้ำในท้องถิ่น

ในยุโรป การรักษาระดับน้ำและการไหลของน้ำที่เพียงพอถูกกำหนดโดยกรอบแนวทางการจัดการน้ำ ซึ่งมุ่งเน้นไปที่การจัดการทรัพยากรน้ำธรรมชาติในเชิงปริมาณและเชิงคุณภาพ ในสหรัฐฯ EPA มีเป้าหมายที่คล้ายคลึงกันและติดตามการใช้น้ำอย่างใกล้ชิด

สำนักงานปกป้องสิ่งแวดล้อม (EPA) รวบรวมข้อมูลเกี่ยวกับปริมาณน้ำที่สูบออก รวมทั้งข้อมูลเกี่ยวกับการปล่อยน้ำ เพื่อประเมินความเสี่ยงจากการใช้น้ำมากเกินไป ข้อมูลดังกล่าวจะรายงานการลงทะเบียนนามธรรมเป็นรายปี เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกเป็นเครื่องมือสำคัญในการติดตามสุขภาพของระบบนิเวศทางน้ำในท้องถิ่น

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกเป็นอุปกรณ์ที่มีความอเนกประสงค์สูง การใช้งานทั่วไป ได้แก่ :

• การติดตามระดับน้ำในแม่น้ำ ทะเลสาบ สถานีวัด และอ่างเก็บน้ำ
• การดูแลให้มีน้ำดื่มเพียงพอในหอเก็บน้ำและถังเก็บน้ำ
• การวัดระดับน้ำในบ่อน้ำ

Waterpilot FMX11 Endress+Hauser ขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง 22 mm ขนาดกะทัดรัด เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกแบบจุ่มทำให้สามารถบูรณาการได้ง่าย เซนเซอร์เหล่านี้ให้สัญญาณเอาต์พุต 4 ถึง 20 mA ที่เข้ากันได้กับเครื่องบันทึกข้อมูล มิเตอร์แผง ตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) และอุปกรณ์ควบคุมกระบวนการอื่น ๆ

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก Waterpilot FMX11 มีการรับรองมาตรฐานน้ำดื่มหลายรายการ เช่น National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) ในสหรัฐอเมริกา Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) ในฝรั่งเศส และ TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser ในเยอรมนี

ตัวเรือนผลิตจากสแตนเลสอัลลอยด์ 316 และได้รับการรับรองจากสำนักงานคณะกรรมการอาหารและยา (FDA) ให้สามารถใช้กับน้ำดื่มได้ สายเคเบิลต่อขยายแบบมีฉนวนป้องกันประกอบด้วยท่อชดเชยความดันบรรยากาศพร้อมตัวกรองเทฟลอนในปลอกเทอร์โมพลาสติกอีลาสโตเมอร์ (TPE) ที่ทนต่อการสึกกร่อนและแสงอัลตราไวโอเลต (UV) TPE และเทฟลอนได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการใช้งานน้ำดื่มด้วย (รูปที่ 4)

รูปที่ 4: เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก Waterpilot ได้รับการรับรองมาตรฐานสากลหลายรายการสำหรับการใช้งานน้ำดื่ม และผลิตจากวัสดุที่ได้รับการอนุมัติจาก FDA (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

ข้อมูลจำเพาะทั่วไป:

• ช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -10°C ถึง +70°C
• การป้องกัน IP68
• ความแม่นยำ ≤ ±0.35% สำหรับช่วงการวัดเซนเซอร์ ≥ 400mbar
• ความแม่นยำ ≤ ±0.50% สำหรับช่วงการวัดเซนเซอร์ < 400mbar
• การรับรอง cULus

รุ่นที่มีจำหน่าย:

• FMX11-CA11DS06 มีช่วงการตรวจจับ 0 ถึง 0.2 บาร์ (คอลัมน์น้ำ 6.7 ft) และสายเคเบิลยาว 6 m
• FMX11-CA11FS10 มีช่วงการตรวจจับ 0 ถึง 0.4 บาร์ (คอลัมน์น้ำ 13.4 ft) และสายเคเบิลยาว 10 m
• FMX11-CA11GS20 มีช่วงการตรวจจับ 0 ถึง 0.6 บาร์ (คอลัมน์น้ำ 20.1 ft ) และสายเคเบิลยาว 10 m
• FMX11-CA11HS20 มีช่วงการตรวจจับ 0 ถึง 1 บาร์ (คอลัมน์น้ำ 33.5 ft) และสายเคเบิลยาว 20 m
• FMX11-CA11KS30 มีช่วงการตรวจจับ 0 ถึง 2 บาร์ (คอลัมน์น้ำ 66.9 ft) และสายเคเบิลยาว 30 m

การเพิ่มประสิทธิภาพโรงงานผลิตน้ำให้สูงสุด

โรงงานผลิตน้ำดื่มเป็นโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญและต้องอาศัยความน่าเชื่อถือในระดับสูง เซนเซอร์ Waterpilot FMX11 ได้รับการทดสอบตามแนวทางความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) ของ EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5 ซึ่งกำหนดข้อกำหนดและวิธีการทดสอบความสามารถในการทนต่อไฟกระชาก

อย่างไรก็ตาม การทดสอบ EMC ขั้นพื้นฐานจะครอบคลุมเฉพาะไฟกระชากสูงสุด 2 kV บนสายไฟหลักหรือ 1 kV บนสายสัญญาณเท่านั้น ซึ่งอาจไม่เพียงพอสำหรับโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญซึ่งแม้แต่ฟ้าผ่าทางอ้อมหรือการปฏิบัติการสวิตชิ่งก็อาจทำให้เกิดไฟกระชากได้สูงถึง 10 kV ในเวลาไม่กี่ไมโครวินาที

Endress+Hauser แนะนำให้ใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากเพื่อให้มั่นใจถึงความพร้อมของโรงงาน มีอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากและออกแบบมาสำหรับการติดตั้งบนราง DIN ในตู้ควบคุมและสำหรับการติดตั้งโดยตรงในตัวเรือนสนาม:

• อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก HAW562 เช่นHAW562-AAD เพื่อป้องกันสายไฟและสายสื่อสารในตู้ควบคุม
• อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก HAW569 สำหรับเครื่องมือวัดภาคสนามกระบวนการ เช่นHAW569-CB2C สำหรับแหล่งจ่ายไฟและสายสัญญาณและHAW569-DA2B สำหรับสายสัญญาณ (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: HAW569-CB2C สำหรับสายไฟฟ้าและสายสัญญาณ (ด้านบน) และ HAW569-DA2B สำหรับสายสัญญาณ (ด้านล่าง) (แหล่งที่มาภาพ: Endress+Hauser)

การติดตั้งที่แนะนำเพื่อให้พร้อมใช้งานสูงสุดมีดังนี้ (รูปที่ 6):

1. เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก Waterpilot FMX11
2. อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก HAW
3. หน่วยแสดงผลและประเมินผลพร้อมอินพุตสำหรับสัญญาณเซนเซอร์ 4 ถึง 20 mA
4. แหล่งจ่ายไฟ

รูปที่ 6: แผนผังบล็อกการติดตั้ง Waterpilot FMX แสดงตำแหน่งของอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากทั้งสองตัว (2) (ที่มาของภาพ: Endress+ Hauser)

ช่วงแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟคือ 8 V_DC ถึง 28 V_DC และการใช้กระแสไฟสูงสุดอยู่ที่ 22 mA และต่ำสุดที่ 2 mA เมื่อใช้งานกลางแจ้ง แหล่งจ่ายไฟควรอยู่ในกล่องเทอร์มินัลที่มีระดับ IP66/IP67 ขอแนะนำให้ใช้เบรกเกอร์ที่เป็นไปตามข้อกำหนดของ IEC 61010

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก Waterpilot FMX11 มีระบบป้องกันการต่อขั้วกลับในตัว และจะไม่เสียหายหากต่อสายไฟไม่ถูกต้อง ในกรณีที่มีการเชื่อมต่อขั้วกลับ อุปกรณ์จะไม่สามารถทำงานได้

ระดับความสมบูรณ์ของความปลอดภัยและบรรยากาศที่ระเบิดได้

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกยังต้องทำงานได้อย่างปลอดภัย แม้ในบรรยากาศที่อาจระเบิดได้ก็ตาม IEC 61508 กำหนดระดับความสมบูรณ์ของความปลอดภัย (SIL) และ IEC 61511 เป็นการปรับใช้ IEC 61508 เฉพาะสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมกระบวนการ หน่วย HAW569 ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้ในงานวัดภาคสนามและเป็นไปตามข้อกำหนด SIL2 อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก HAW562 ออกแบบมาเพื่อใช้ในงานอันตรายน้อยกว่าในตู้อุปกรณ์ และมีจำหน่ายพร้อม SIL2 เป็นอุปกรณ์เสริม

สถานการณ์จะคล้ายคลึงกับที่ใช้ในบรรยากาศที่อาจเกิดการระเบิดได้ อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก HAW562 มีจำหน่ายเป็นทางเลือกพร้อมใบรับรองความปลอดภัยจาก Ex การรับรอง Ex สองแบบทั่วไปคือ Ex ia และ Ex d

การรับรอง Ex ia มอบการป้องกันที่ปลอดภัยภายในซึ่งช่วยให้แน่ใจว่าพลังงานภายในสูงสุดของอุปกรณ์และสายไฟจะอยู่ต่ำกว่าระดับพลังงานที่จำเป็นในการทำให้เกิดการจุดระเบิด แม้ว่าจะเกิดความผิดพลาดก็ตาม มีไว้สำหรับใช้ในพื้นที่ที่มีส่วนผสมของก๊าซระเบิดเป็นเวลานานหรือต่อเนื่อง และก่อให้เกิดอันตรายอย่างมาก

อุปกรณ์ที่ได้รับการรับรอง Ex d ได้รับการออกแบบมาเพื่อทนต่อการระเบิดภายในโดยไม่เกิดความเสียหาย อุปกรณ์เหล่านี้มีไว้สำหรับใช้ในพื้นที่สำคัญซึ่งอาจเกิดส่วนผสมของก๊าซระเบิดได้ในระหว่างการทำงานปกติ ซึ่งอาจทำให้เกิดสภาวะอันตรายที่เกิดขึ้นเป็นระยะ ๆ

หน่วย HAW569 ที่ได้รับการออกแบบมาเพื่อปกป้องสายสัญญาณนั้นมีให้เลือกใช้โดยได้รับการอนุมัติ Ex ia ในขณะที่การอนุมัติ Ex d นั้นเป็นตัวเลือกสำหรับหน่วยที่ออกแบบมาเพื่อการปกป้องสายสัญญาณและสายไฟฟ้าพร้อมกัน นอกจากนี้ ยังมีอุปกรณ์ป้องกันไฟกระชาก HAW562 พร้อมใบรับรองความปลอดภัยแบบ Ex ให้เลือกใช้งานด้วย

สรุป

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติกมีการใช้งานอยู่หลายแบบ เช่น การควบคุมกระบวนการและการจัดการสินค้าคงคลังในโรงงานผลิตน้ำดื่ม ตลอดจนการตรวจสอบแหล่งน้ำ เช่น บ่อน้ำ แม่น้ำ ทะเลสาบ และอ่างเก็บน้ำ เพื่อให้มั่นใจถึงปริมาณน้ำและความยั่งยืน โรงงานผลิตน้ำดื่มเป็นโครงสร้างพื้นฐานที่สำคัญและต้องได้รับการปกป้องอย่างเหมาะสมเพื่อให้การดำเนินงานต่อเนื่อง

เซนเซอร์ระดับไฮโดรสแตติก Waterpilot FMX11 ผลิตขึ้นโดยใช้วัสดุที่ได้รับการรับรองจาก FDA สำหรับการใช้งานน้ำดื่ม และยังได้รับการรับรองมาตรฐานสากลที่เกี่ยวข้องอีกหลายรายการ Endress+Hauser ยังแนะนำให้ใช้อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากและนำเสนอรุ่นที่มีประสิทธิภาพ SIL2 และมีการรับรอง Ex ia และ Ex d สำหรับเซนเซอร์ Waterpilot FMX11