כיצד למדוד את הזרימה‏ של מים כדי לשפר את תוצאת הטיפול ואת יעילות התהליך

ניטור ומדידת זרימת ונפח מים נחוצים לשיפור היעילות והקיימות של תחנות כוח ואנרגיה, חקלאות ופעולות כרייה, מתקני תעשייה ועירייה לטיפול במים ובשפכים, עיבוד מזון ומשקאות ופעולות דומות.

ישנם מספר כלים שמתכנני מערכות מים יכולים לפנות אליהם לכימות מים זמינים וזרימתם. כלים אלה ממזערים או מונעים מגע ישיר עם המים כדי לשמור על מצב טהרתם. מדי זרימה אלקטרומגנטיים (mag flow) מספקים דרך ללא מגע לכימות מים זורמים. ניתן למדוד את מפלס המים במיכלי אחסון באמצעות חיישנים ללא מגע כמו תכנים אולטרסוניים ומבוססי-מכ"ם. חלופה שלישית מסופקת על ידי חיישני מדידת מפלס לחץ הידרוסטטי אטומים המאושרים עבור יישומי מי שתייה.

מאמר זה סוקר את הפעולה והיתרונות של שימוש במדי זרימה אלקטרומגנטיים וחיישני לחץ הידרוסטטיים ומשווה את הפעולה והיישומים של חיישני מפלס ללא מגע כמו תכנים אולטרסוניים ומבוססי מכ"ם מבית Endress+Hauser. אחר כך הוא דן כיצד מנהל נתונים יכול לתעד, להציג ולנטר פעולות וכיצד IO-Link‏ יכול לתפור יחד במהירות וביעילות מערכת ניטור מים שלמה תוך שימוש בקו עיבוד מזון ומשקאות כדוגמה ליישום.

חוק האינדוקציה של Faraday מתאר את עקרון הפעולה של שנאים, משרנים, גנרטורים וחיישני זרימה אלקטרומגנטיים. במד זרימה אלקטרומגנטי, חלקיקים טעונים חשמלית בנוזל הנמדד זורמים דרך שדה מגנטי הנוצר על ידי שני סלילי שדה, ומתח מושרה. המתח המושרה‏ נמדד באמצעות שתי אלקטרודות מדידה (איור 1‏).

איור 1‏: במד זרימה אלקטרומגנטי, חלקיקים טעונים חשמלית בנוזל (חץ כחול‏) זורמים בין שני סלילי שדה (קווים אדומים), ובחונים מודדים את המתח המושרה (קווים ירוקים). (מקור תמונה: Endress+Hauser)

המתח המושרה הוא ביחס ישר למהירות ונפח הזרימה. מתח זרם ישר (DC) פועם מחולל את השדה המגנטי. על ידי החלפה לסירוגין של קוטביות מתח‏ ה-DC,‏ נקבעת נקודת אפס יציבה שהופכת את מדידות הזרימה ללא רגישות למוליכות נמוכה או נוזלים לא הומוגניים.

מדי זרימה אלקטרומגנטיים מסדרת DMA50 ‏Picomag מתאימים עבור‏ מגוון יישומים. התצוגה הצבעונית ‏1.4‎" TFT‏ עם תאורה אחורית מסתובבת אוטומטית בהתאם לאוריינטציה וכיוון הזרימה, ובכך מפשטת התקנה. מודדים אלה יכולים למדוד בו זמנית זרימה, טמפרטורה ומוליכות. ניתן להשיג דיוק מדידת זרימה של ±0.5% בתחום רחב של קצבי זרימה.

דגם ה-DMA20-AAACA1‏ כולל תחום‏ מדידה של‏ ‏0.1‏ עד 50 ליטר לדקה (l/min) ולחץ‏ מקסימלי של‏ 232 פאונד לאינץ' מרובע (psi‏). החיבור שלו הוא של ”¾ ותחום טמפרטורות העבודה של ‎10°C- עד 60°C. כמו כל מדי הזרימה האלקטרומגנטיים מסדרת DMA50 ‏Picomag, הוא כולל חיבוריות IO-Link. ה-Bluetooth‏ מאופשר באמצעות אפליקציית SmartBlue של‏ Endress+Hauser, שמפשטת ומאיצה את התפעול, התחזוקה וההכנסה לשימוש, אפילו במקומות מאתגרים (איור 2‏).

איור 2‏: דוגמה של‏ מד זרימה אלקטרומגנטי מסדרת Picomag DMA50 המודד זרימה (l/min) ומוליכות (µS/cm). (מקור תמונה: Endress+Hauser)

דגם DMA20-AAACA1 הוא בעל טבעות-O עשויות מפלואורו-אלסטומר (FKM) עמידות בפני כימיקלים ותנאים תרמיים חריגים ותומכות בתהליכים האוטומטיים clean-in-place‏ (CIP) ו-sterilization-in-place‏ (SIP) המשמשים לנקות ולחטא מכונות, כלי קיבול נוזלים או צינורות, מבלי לפרקם.

לדגמים אחרים כמו DMA50-AAABA1 יש טבעות-O עשויות מאתילן פרופילן דיין (EPDM) עמידות בפני אוזון, אור שמש ותנאי מזג-אוויר. יישומים אופייניים של מדי זרימה אלקטרומגנטיים Picomag כוללים:

• תנורים תעשייתיים המקוררים תוך שימוש במים זורמים דרך קווי קירור מרובים
• מערכות עיבוד מזון עם מעטפת כפולה החייבות למדוד את זרימת המים המחממים והמקררים
• מיכלי ניקוי כמו בקבוקים ותהליכי פסטור נהנים מניטור טמפרטורת המים, אספקה וניקוז, כדי למקסם את השימוש היעיל במים

חישת מפלס ToF אולטרסוני לעומת ToF מכ"ם

חיישני מפלס אולטרסוניים ומכ"ם מיישמים מדידות זמן מעוף (ToF) המבוססות על מהירות הקול והאור, בהתאמה. גלים אולטרסוניים מוחזרים על ידי שינוי הצפיפות בין האוויר ופני משטח החומר שיש למדוד. חיישני מכ"ם, לפעמים נקראים מכ"ם חלל-פנוי, פולטים מיקרו-גל המוחזר בהתבסס על המעבר ממדיה בעל מקדם דיאלקטרי יחסי נמוך (ε_r נמוך) כמו אוויר לחומר בעל מקדם דיאלקטרי יחסי גבוה יותר.

ביישומים כמו בקרי משאבה והתראות מפלס, חיישני המפלס האולטרסוניים מסדרת Prosonic FMU30 מתוכננים עבור מדידת מפלס של נוזלים ללא-מגע, כולל מי שתיה ומי שופכין, משחות וחומרים גסים בתפזורת. מאחר והם טכנולוגיה ללא-מגע, לחיישנים אלה יש צרכי שירות מינימליים. הם אינם רגישים לקבוע הדיאלקטרי של החומר ולצפיפותו או ללחות הסובבת.

טווח המדידה של חיישני FMU30 תלוי בגודל החיישן. הם מוצעים בשתי מידות: חיישני "½‎1 כמו ה-FMU30-AAHEAAGGF הם בעלי טווח של‏ ‏5‏ מטר בנוזלים ו-2 מטר בחומרים בתפזורת, בעוד חיישני "2 הם בעלי טווח‏ של‏ 8‏ מטר בנוזלים ו-3.5‏ מטר בחומרים בתפזורת.

חיישני ה-FMU30 הם בעלי תחום טמפרטורות עבודה של 20°C- עד ‎60°C+. הם משתמשים בעיקרון ה-ToF כדי למדוד מרחק. עם זאת, מהירות הקול (ולפיכך, ה-ToF) משתנה עם טמפרטורה. חיישנים אולטרסוניים FMU30 הם בעלי חיישן ‏טמפרטורה משולב ומקזזים אוטומטית עבור שינויי טמפרטורה כדי להבטיח מדידות מדויקות ועקביות.

חיישני מפלס מכ"ם

חיישני מפלס מכ"ם מסדרת Micropilot FMR10 ממוטבים לשימוש עם חומרים בעלי ε_r‏ 4 לפחות. הם מתאימים למדידות מפלס במיכלי אחסון, אגנים פתוחים, פירי משאבה, מערכות תעלות ויישומים דומים. החיווט האטום הרמטית מונע חדירת מים (איור 3). הם כוללים קישוריות Bluetooth כדי להאיץ את ההפעלה באמצעות טלפונים חכמים ומחשבי טאבלט. מאפיינים ומפרטים אחרים כוללים:

• תדירות, פס-תדרים-K (בערך ‎26 GHz)
• טווח מדידה עד 12 מ'
• דיוק של עד 5‏± מ"מ
• לחץ תהליך מ-‎1 bar‏ עד ‏‎ 3 bar‏ (‎14 psi- עד ‎43 psi‏)
• טמפרטורת תהליך מ-C‏°‏40‏- עד 60°C+

איור 3‏: חיישן מפלס מכ"ם אטום הרמטית עם טווח של עד 12‏ מ'. (מקור תמונה: DigiKey‏)

מדידות מפלס הידרוסטטיות

ניטור זמינות מים מתוקים בנהרות, אגמים, מאגרים, מגדלי מים ובארות יכול להיות חשוב לניהול מים יעיל. ביישומים אלה, מתכנני מערכות ניהול מים יכולים לפנות להתקני מדידת מפלס הידרוסטטיים כמו הבחונים ההידרוסטטיים FMX11 המאושרים עבור יישומי מי שתייה (איור 4‏). מאפייני ומפרטי FMX11 כוללים:

• גודל קומפקטי בקוטר של‏ 22‏ מ"מ (”0.87) עושה בחונים אלה מתאימים עבור יישומים כמו קידוחים ובארות דוממות בקוטר קטן
• תחום טמפרטורות עבודה של 10°C- עד 70°C+
• תחום מדידה של ‎0 bar עד ‎2 bar‏, ‏20‏ מטר H2O‏, ו-‎0 psi עד ‎30 psi‏, תלוי בדגם; דגם FMX11-CA11FS10 יכול למדוד עד ‎0.6 bar‏ (8.7‎ psi‏)
• דיוק של עד ±0.35%
• אישורי מי שתייה כוללים French Attestation De Conformite Sanitaire‏ (ACS),
• U.S. NSF/ANSI 61 ושתי הסמכות גרמניות, Kunststoff-Trinkwasser‏ (KTW) ו-Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches‏ (DVGW)
• אנלוגי, תקשורת 4 עד ‎20 mA

איור 4‏: חיישנים הידרוסטטיים כמו זה מאושרים לשימוש עם מי שתייה. (מקור תמונה: DigiKey‏)

ניהול נתונים

ללא קשר לפרמטרים המנוטרים, זרימה, טמפרטורה, מפלס או משהו אחר, והטכנולוגיה בה משתמשים, יש ללכוד ולהציג את הנתונים המתקבלים בפורמט התומך בניהול תהליכים. מתכנני מערכות יכולים לפנות אל מנהל הנתונים האוניברסלי Ecograph T RSG35, המקליט, מציג ומנטר אותות כניסה אנלוגיים או דיגיטליים. בנוסף, הערכים הנמדדים נשמרים באופן מאובטח וניתן לנטר את ערכי המגבלה.

הגרסה הסטנדרטית מגיעה ללא כניסות נתונים אנלוגיות. דגמים מסוימים מגיעים עם עד שלושה כרטיסים אופציונליים שניתן להוסיפם, כל אחד עם ארבע כניסות אנלוגיות אוניברסליות עבור סך של ארבע, שמונה או 12 כניסות אנלוגיות. לדוגמה, לדגם RSG35-C2A יש שמונה כניסות אנלוגיות אוניברסליות, שקע RJ45 כדי להקל על חיבור Ethernet‏ וגישה לאינטרנט, ומחבר‏ USB‏ עבור רכיבים היקפיים והעברת נתונים. כמו כל הדגמים, ה-RSG35-C2A כולל שש כניסות דיגיטליות.

שרת האינטרנט המשולב במנהלי הנתונים Ecograph T תומך בהגדרת תצורה ובתצוגה חזותית מרחוק. ה-Essential Version של תוכנת ה-Field Data Manager כלול גם כן ויכול לשמש כדי לשמור נתונים במסד נתונים SQL מאובטח המאוחסן בזיכרון פנימי או בכרטיס SD נפרד‏ עבור אנליזה. מסך TFT צבעוני בגודל 5.7 אינץ' יכול להציג ערכים מדודים בארבע קבוצות, עם תרשים עמודות דיגיטלי ותצוגות עקומה (איור 5‏). מאפיינים נוספים כוללים:

• קצב סריקה של כל הערוצים 100‎ ms
• פעולה באמצעות הנווט המשולב (גלגל jog/shuttle) או פעולה ידידותית למשתמש עם מחשב באמצעות שרת האינטרנט המשולב
• ניתן לשלוח הודעות דואר אלקטרוני במקרה של אזעקות והפרות הגבלה
• תמיכה בממשקים כמו Ethernet‏, RS232/485,‏ USB‏ ופונקציות Slave אופציונליות עבור Modbus RTU/TCP מאיצה את ההשתלבות במערכות אוטומציה תעשייתיות
• האפליקציה WebDAV מאפשרת שידור ישיר של נתונים השמורים בכרטיס SD ל-PC דרך HTTP ללא תוכנה נוספת.

איור 5: מנהל נתונים זה יכול להציג ערכים עבור ארבעה פרמטרים ולשלוח את הנתונים אל מחשב חיצוני תוך שימוש בשרת האינטרנט המשולב. (מקור תמונה: DigiKey‏)

IO-Link ומערכות Skid

IO-Link מתוקנן ב-International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-9, היכן שנקרא "ממשק תקשורת דיגיטלי בטיפה אחת עבור חיישנים ומפעילים קטנים (SDCI)".

מערכות Skid (מערכות עיבוד מודולריות בתוך מסגרת, מה שהופך אותן לקלות יותר להובלה והתקנה) משמשות לעיתים קרובות ביישומי עיבוד מזון ומשקאות, בניית מכונות ומדעי החיים.

Skid‏ אופיינית תכלול פחות מ-50 התקני שדה כמו חיישני זרימה, מפסקי הפעלה/כיבוי, שסתומים, מתמרי לחץ, דוחפי תדר משתנה, משאבות, וכו'. מערכות Skid‏ מסתמכות לעיתים קרובות על חיבוריות IO-Link‏. מערכות Skid כוללות לפעמים ממשק אדם-מכונה כמו לוח תצוגה שטוח עבור אינטראקציות מקומיות, ומתחברות אל מערכת האוטומציה של מפעל ברמה הגבוהה יותר תוך שימוש בפרוטוקול כמו ‏EtherNet/IP‏ או PROFINET‏. ארכיטקטורת Skid אופיינית כוללת (איור 6):

• ‏מערכת בקרה חיצונית ➊ המשתמשת בפרוטוקול כמו EtherNet/IP‏ או PROFINET‏ (קווים ירוקים) כדי לחבר את הבקרים הייעודיים של כל Skid כדי לתאם את פעולתן.
• בפעולות עזר כמו מחליפי חום, התקנים כמו חיישני זרימה אלקטרומגנטיים Picomag ➋ משתמשים ב-IO-Link‏ (קווים אדומים) כדי לספק נתוני עיבוד נוספים ולהגדיל נצילות ושמישות.
• חיבור ‏IO-Link Master ➌ אוסף את המידע מחיישנים ומפעילים בודדים ומשדר אותו לבקר ה-Skid תוך שימוש בפרוטוקול כמו EtherNet/IP‏ או PROFINET‏. ה-IO-Link Master‏ יכול גם לתקשר פקודות מבקר ה-Skid אל התקנים כמו שסתומים ומפעילים (Actuators‏).
• התקני ארבעה-חוטים שאינם יכולים להתחבר תוך שימוש במחבר IO-Link שלושה-חוטים ➍ מתחברים ישירות אל בקר ה-Skid על ידי שימוש בפרוטוקול ברמת-שדה כמו EtherNet/IP‏ או PROFINET‏.

איור 6: IO-Link‏ (קווים אדומים) משמש עבור תקשורת פנימית ב-Skid, ו-EtherNet/IP או PROFINET משמש עבור תקשורת פנימית כמו גם חיבוריות חיצונית. (מקור תמונה: Endress+Hauser)

סיכום

ניטור ומדידה של הכמות והתנועה של מים הוא חשוב ביישומים שונים. למרבה המזל, למתכנני מערכות ניהול מים יש מספר כלים העומדים לרשותם, כולל מדי זרימה אלקטרומגנטיים, חיישני מפלס אולטרה-סוניים ומבוססי מכ"ם, חיישני מפלס הידרוסטטיים ומנהלי נתונים. התקנים אלה, יחד עם חיבוריות IO-Link‏, משמשים לעיתים קרובות לבניית מערכות Skid מודולריות עבור יישומים כמו עיבוד מזון ומשקאות.