השימוש בחיישני מפלס הידרוסטטיים כדי לשפר את היעילות של עיבוד מים מתוקים

מים נקיים ומתוקים הם חיוניים. מתקנים לעיבוד מי שתייה נמצאים כמעט בכל מקום. כדי לפעול ביעילות, מתקנים אלה צריכים לנטר את מפלס המים הזמינים בבארות, מכלי אגירה, נהרות, מאגרים ואזורים אחרים.

בהתאם ליישום ולתנאי הפעולה, ניתן לנטר את מפלס המים באמצעות התקנים מכניים כמו מצופים או התקני מצב-מוצק או חיישני מפלס הידרוסטטיים. טכנולוגיות מסוימות מתאימות יותר עבור יישומי רמה נקודתית כדי לנטר ספי רמה ספציפיים ולמנוע גלישות. לעומת זאת, אחרים מתאימים עבור מדידות רמה רצופות במערכות בקרת תהליכים וניהול מלאי.

מאמר זה מתחיל בסקירה כללית של יישומי ניטור רמה נקודתית ורמה רצופה. לאחר מכן הוא מציג את עקרונות הפעולה של חיישני מפלס הידרוסטטיים וסוקר כמה שימושים בחיישנים אלה במתקני עיבוד מי שתייה.

הוא בוחן בקצרה כיצד הסוכנות להגנת הסביבה של ארה"ב (EPA) עוקבת אחר צריכת מים מתוקים באמצעות "מרשם הפקה", ולאחר מכן סוקר כמה חיישני מפלס הידרוסטטיים של Endress+Hauser. המאמר מסיים עם הצעות יישום בעת שילוב חיישנים במתקני תשתית קריטיים כמו מתקני עיבוד מי שתייה.

חיישני רמת-ציפה הם התקנים מכניים פשוטים. המצוף עולה ויורד יחד עם מפלס המים. תנועה זו פותחת וסוגרת מתג מכני המציין מתי מפלס המים עבר סף ספציפי. חיישנים אלו משמשים לעתים קרובות כדי למנוע ממכלים להתמלא יותר מדי כך שהמים יגלשו החוצה מים או לרדת נמוך מדי ולפגוע במשאבות או בציוד אחר.

חיישני מפלס הידרוסטטיים מספקים מדידה רצופה של מפלס המים. הם משמשים בדרך כלל במכלי אחסון ועיבוד ובמתקני עיבוד מים מתוקים. כאשר המכל מתמלא או מתרוקן, משקל המים מעל חיישן המפלס ההידרוסטטי משתנה, והחיישן מייצר יציאה תלוית-גובה (איור 1). זה הופך אותם לשימושיים במיוחד עבור יישומי בקרת תהליכים.

איור 1: חיישני ציפה נעים מעלה ומטה (משמאל) ויכולים לנטר רמות ספציפיות במכל, בעוד שחיישנים הידרוסטטיים הם נייחים ומספקים ניטור מפלס רצוף (מימין). (מקור התמונה:Endress+ Hauser‏)

חיישני מפלס הידרוסטטיים מודדים את הלחץ של עמודת המים מעל הדיאפרגמה שבתחתית החיישן. שמן הידראולי בלתי-דחיס מעביר את הלחץ מהדיאפרגמה למנגנון החיישן. ממשק פני השטח בין השמן ההידראולי למים הוא גדול יחסית, והלחץ מתמקד בעמודה קטנה יותר שמגיעה למנגנון החיישן. מנגנון החישה מורכב מגשר Wheatstone המשנה את ההתנגדות עם הסטת המצע (איור 2).

איור 2: מבנה פנימי של חיישן מפלס הידרוסטטי טיפוסי (משמאל) וייצוג של מנגנון החישה של גשר Wheatstone מוסט (מימין). (מקור התמונה:Endress+ Hauser‏)

חיישני מפלס הידרוסטטיים משלבים אמינות גבוהה עם עלויות התקנה נמוכות מאוד. היישומים שלהם הם ממתקני עיבוד מים מתוקים, שבהם הם מבטיחים תפעול יעיל, ועד לניטור מערכות אקולוגיות מקומיות של מים כדי להבטיח זמינות מים לטווח ארוך.

עיבוד מים מתוקים

הפקת מים (ספיגת מים, מיצוי ויניקה) היא הצעד הראשון באספקת מי שתייה. זהו תהליך של איסוף מים מכל מקור שהוא. כמות המים הזמינה מנוטרת מקרוב באמצעות התקנים כמו חיישני מפלס הידרוסטטיים.

שאר פרטי עיבוד המים המתוקים משתנים בהתאם לתקנות המקומיות, אך יש צורך בניטור מפלסי המים בכל המתקן. כמה שלבים נפוצים כוללים (איור 3):

• קרישה מיושמת על ידי הוספת כימיקלים בעלי מטען חיובי למים כדי לנטרל את המטען השלילי של הלכלוך וחלקיקים מומסים אחרים.
• פלוקולולציה (Flocculation‏) כרוכה בתהליך כימי שני שבו החלקיקים הקרושים יוצרים חלקיקים גדולים יותר הנקראים פלוקס (Flocs‏).
• שיקוע הוא כאשר הפלוקס מתייצבים בקרקעית המים, והבוצה מוסרת.
• סינון הוא כאשר מסננים שונים מסירים את החלקיקים המומסים והחיידקים שנותרו.
• חיטוי משתמש בכלור או בכלוראמין כדי להרוג טפילים, בקטריות, וירוסים וחיידקים.
• אחסון והפצה. עיבוד מים מתוקים הוא תהליך רצוף, אך ברוב הערים, השימוש במים מגיע לשיא בבוקר ובערב, המצריך מתקני אחסון גדולים כדי להתאים את זמינות המים המתוקים לביקוש.

איור 3: טיפול במי שתייה יכול לכלול תהליכים רבים שיש לפקח עליהם מקרוב כדי להבטיח את איכות המים ועמידה בתקנות החוק. (מקור תמונה: Endress+Hauser)

מרשם הפקה

זמינות נאותה של מים היא הכרחית כדי להבטיח עיבוד יעיל של מים מתוקים. חקיקה סביבתית מבקרת את הפקת מים גולמיים ממקורות טבעיים כדי למנוע פגיעה במאזן המים המקומי.

באירופה, שמירה על מפלס מים וזרימות נאותות מוכתבת על ידי תקנת Water Framework Directive‏, המתמקדת בניהול כמותי ואיכותי של משאבי מים טבעיים. בארה"ב, ל-EPA יש יעדים דומים והרשות מנטרת מקרוב את הפקת המים.

ה-EPA אוספת מידע על כמות הפקת המים, יחד עם מידע על הזרמת מים, כדי להעריך את הסיכון להפקת-יתר. הנתונים מדווחים במרשם הפקה שנתי. חיישני מפלס הידרוסטטיים הם כלים חשובים לניטור בריאות מערכות אקולוגיות של מים מקומיים.

חיישני מפלס הידרוסטטיים

חיישני מפלס הידרוסטטיים הם התקנים מגוונים ביותר. יישומים טיפוסיים כוללים:

• ניטור רמות בנהרות, אגמים, תחנות מדידה ומאגרים
• הבטחת זמינות מי שתייה במגדלי מים ומכלי אגירה
• מדידת מפלס מים בבארות

הקוטר הקומפקטי של 22 מ"מ של חיישני מפלס הידרוסטטיים שקועים במים Waterpilot FMX11‏ של Endress+Hauser‏ הופך אותם לקלים לשילוב. חיישנים אלה מספקים אות יציאה של 4 עד 20 מיליאמפר התואם לרשמי נתונים, מוני פאנל, בקרי לוגיקה ניתנים-לתכנות (PLC) וציוד בקרת תהליכים אחר.

לחיישני מפלס הידרוסטטיים Waterpilot FMX11‏ יש מספר הרשאות מי שתייה, כולל National Sanitation Foundation 61‏ (NSF-61‏) בארה"ב, Attestation de Conformité Sanitaire‏ (ACS‏) בצרפת, ו-TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser‏ בגרמניה.

הבית עשוי מפלב"ם מסגסוגת 316 ומורשה ליישומי מי שתייה על ידי מנהל המזון והתרופות (FDA). כבל ההארכה המסוכך כולל צינור קיזוז לחץ אטמוספרי עם מסנן טפלון במעטה אלסטומר תרמופלסטי (TPE) עמיד בפני שחיקה ואור אולטרה-סגול (UV). TPE וטפלון מורשים גם כן על ידי ה-FDA עבור יישומי מי שתייה (איור 4).

איור 4: חיישני מפלס הידרוסטטיים Waterpilot‏ הם בעלי מספר הרשאות בינלאומיות עבור יישומי מי שתייה והם מיוצרים מחומרים מורשי-FDA. (מקור התמונה: DigiKey‏)

מפרט כללי:

• תחום טמפרטורות פעולה של 10°C- עד 70°C+
• הגנת IP68
• דיוק של ≤ ±0.35% עבור תחום מדידת חיישן ≥ mbar‏ 400‏
• דיוק של ≤ ±0.50% עבור תחום מדידת חיישן < mbar‏ 400‏
• הרשאת cULus

דגמים קיימים:

• FMX11-CA11DS06 עם תחום חישה של bar‏ 0 עד bar‏ 0.2‏ (עמוד מים של 6.7 רגל) וכבל של 6 מטר
• FMX11-CA11FS10 עם תחום חישה של bar‏ 0 עד bar‏ 0.4‏ (עמוד מים של 13.4 רגל) וכבל של 10 מטר
• FMX11-CA11GS20 עם תחום חישה של bar‏ 0 עד bar‏ 0.6‏ (עמוד מים של 20.1 רגל) וכבל של 10 מטר
• FMX11-CA11HS20 עם תחום חישה של bar‏ 0 עד bar‏ 1‏ (עמוד מים של 33.5 רגל) וכבל של 20 מטר
• FMX11-CA11KS30 עם תחום חישה של bar‏ 0 עד bar‏ 2‏ (עמוד מים של 66.9 רגל) וכבל של 30 מטר

מקסום זמינות מתקני עיבוד מים

מתקני עיבוד מי שתייה הם תשתית קריטית ודורשים רמות אמינות גבוהות. חיישני Waterpilot FMX11‏ נבדקים לפי הנחיות התאימות האלקטרומגנטית (EMC) של EN 1000-4-5‏ / IEC 61000-4-5‏, המגדירים את הדרישות והשיטות לבדיקת היכולת לעמוד בנחשולי מתח.

עם זאת, בדיקת EMC בסיסית מכסה רק נחשולי מתח של עד kV‏ 2‏ בקווי הספקת-כוח ראשיים או kV‏ 1‏ בקווי אותות. זה יכול להיות לא מספיק עבור תשתית קריטית שבה אפילו פעולות ברק או מיתוג עקיפות עלולות לגרום לעליות של עד kV‏ 10‏ בתוך מיקרו-שניות.

Endress+Hauser ממליצה על שימוש במשככי נחשולי מתח כדי להבטיח את זמינות המתקן. קיימים משככי נחשולי מתח המתוכננים עבור הרכבה על מסילות DIN בארונות בקרה ועבור הרכבה ישירה בבית שטח:

• משככי נחשולי מתח HAW562‏ כמו HAW562-AAD‏ להגנה על קווי הספקת-כוח ותקשורת בארונות בקרה
• משככי נחשולי מתח HAW569‏ עבור מכשור שטח תהליך כמו HAW569-CB2C‏ עבור כבלי הספקת-כוח ואותות וה-HAW569-DA2B‏ עבור כבלי אותות (איור 5)

איור 5‏: HAW569-CB2C‏ עבור כבלי הספקת-כוח ואותות (למעלה) ו-HAW569-DA2B‏ עבור כבלי אותות (למטה). (מקור התמונה: Endress+Hauser)

ההתקנה המומלצת עבור זמינות מקסימלית כוללת (איור 6):

1. חיישן מפלס הידרוסטטי Waterpilot FMX11‏
2. משככי נחשולי מתח HAW‏
3. יחידת תצוגה והערכה עם כניסה עבור אותות חיישן של mA‏ 4‏ עד mA‏ 20‏
4. ספק-כוח

איור 6: דיאגרמת בלוקים של התקנת FMX‏ Waterpilot‏ המציגה את המיקומים של שני משככי נחשולי מתח (2). (מקור התמונה:Endress+ Hauser‏)

תחום מתחי הספקת-הכוח הוא _DC‏V‏ 8‏ עד _DC‏V‏ 28‏, וצריכת הזרם היא מקסימום של mA‏ 22‏ ומינימום של mA‏ 2‏. בשימוש חוץ, יש לאחסן את ספק הכוח בתיבה בדירוג IP66/IP67. מפסק זרם העומד בדרישות IEC 61010 מומלץ מאוד.

חיישני מפלס הידרוסטטיים Waterpilot FMX11‏ הם בעלי הגנת קוטביות הפוכה משולבת והם לא יינזקו אם כבלי הכוח יחוברו בצורה לא נכונה. במקרה של חיבור קוטביות הפוכה, ההתקן אינו פועל.

רמות תקינות הבטיחות ואטמוספירה נפיצה

חיישני מפלס הידרוסטטיים צריכים גם הם לפעול בבטחה, אפילו בנוכחות אטמוספירות נפיצות. תקן IEC 61508 מגדיר רמות תקינות בטיחות (SILs), ו-IEC 61511‏ הוא אימוץ ספציפי-ליישום של IEC 61508 עבור תעשיית העיבוד. יחידות HAW569 מתוכננות עבור שימוש במכשור שטח ועומדות בדרישות SIL2. משככי נחשולי מתח HAW562 מיועדים לשימוש ביישומים פחות מסוכנים בארונות ציוד וזמינים כאופציונליים עם SIL2.

המצב דומה לזה המשמש באטמוספרות נפיצות (Ex‏). משככי נחשולי מתח HAW562‏ זמינים אופציונלית עם הרשאות בטוחים-אינטרינזית Ex‏. שתי הרשאות Ex‏ הם Ex ia‏ ו-Ex d‏.

הרשאת Ex ia מעניקה הגנה בטוחה-אינטרינזית המבטיחה שהאנרגיה הפנימית המקסימלית של ההתקן והחיווט שלו נשארים מתחת לרמת האנרגיה הנדרשת כדי לגרום להצתה, אפילו במקרה של תקלה. היא מיועדת לשימוש באזורים בהם קיימת תערובת גז נפיצה לפרקי זמן ממושכים או ברציפות ומהווה סכנה משמעותית.

התקנים מורשי Ex d‏ מתוכננים עבור לעמוד בהתפוצצות פנימית מבלי לספוג נזק. התקנים אלה מיועדים לשימוש באזורים קריטיים שבהם צפויה להתרחש תערובת גזים נפיצה במהלך פעולה רגילה, תוך הצגת מצב מסוכן לסירוגין.

יחידות HAW569 המיועדות להגן על כבלי אותות זמינות אופציונלית עם הרשאת Ex ia, בעוד שהרשאת Ex d הוא אופציה על אלו המיועדות עבור הגנה בו-זמנית על כבלי כוח ואותות. משככי נחשולי מתח HAW562‏ זמינים גם עם הרשאות בטוחים-אינטרינזית Ex‏ אופציונליות.

סיכום

ישנם מספר יישומים עבור חיישני מפלס הידרוסטטיים, כולל בקרת תהליכים וניהול מלאי במתקנים לעיבוד מי שתייה, כמו גם ניטור מקורות מים כמו בארות, נהרות, אגמים ומאגרים כדי להבטיח זמינות מים וקיימות. מתקנים לעיבוד מי שתייה הם תשתית קריטית וחייבים להיות מוגנים כראוי כדי להבטיח פעולה רצופה.

חיישני מפלס הידרוסטטיים Waterpilot FMX11‏ מיוצרים באמצעות חומרים מורשי-FDA עבור יישומי מי שתייה ויש להם מספר הרשאות בינלאומיות קשורות. Endress+Hauser גם ממליצה להשתמש במשככי נחשולי מתח ומציעה דגמים עם ביצועי SIL2 והרשאות Ex ia ו-Ex d עבור חיישני Waterpilot FMX11.