Messung des Durchflusses von Wasser zur Verbesserung der Effektivität und des Wirkungsgrads der Behandlung

Die Überwachung und Messung des Durchflusses und der Menge von Wasser ist notwendig, um den Wirkungsgrad und die Nachhaltigkeit von Kraftwerken, Landwirtschaft und Bergbau, industriellen und kommunalen Wasser- und Abwasserbehandlungsanlagen, der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und ähnlichen Betrieben zu verbessern.

Es gibt mehrere Werkzeuge, auf die bei der Entwicklung von Wassersystemen zurückgegeriffen werden kann, um das verfügbare Wasser und dessen Durchfluss zu quantifizieren. Diese Werkzeuge minimieren oder eliminieren den direkten Kontakt mit dem Wasser, um dessen Reinheit zu erhalten. Elektromagnetische Durchflussmesser bieten eine kontaktlose Möglichkeit zur Quantifizierung von fließendem Wasser. Der Wasserstand in Lagertanks kann mit kontaktlosen Sensoren wie ultraschall- und radarbasierten Designs gemessen werden. Eine dritte Alternative sind abgedichtete Sensoren zur Messung des hydrostatischen Drucks, die für Trinkwasseranwendungen zertifiziert sind.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die Funktionsweise und die Vorteile des Einsatzes von magnetischen Durchflussmessern und hydrostatischen Drucksensoren und vergleicht die Funktionsweise und die Anwendungen von berührungslosen Füllstandssensoren wie ultraschall- und radarbasierten Designs von Endress+Hauser. Anschließend wird erörtert, wie ein Datenmanager Vorgänge aufzeichnen, anzeigen und überwachen kann und wie mit IO-Link schnell und effizient ein komplettes Wasserüberwachungssystem zusammengestellt werden kann, wobei eine Lebensmittel- und Getränkeverarbeitungslinie als Anwendungsbeispiel dient.

Das Faradaysche Induktionsgesetz beschreibt das Funktionsprinzip von Transformatoren, Induktivitäten, Generatoren und magnetischen Durchflusssensoren. Bei einem magnetischen Durchflussmesser fließen elektrisch geladene Teilchen in der zu messenden Flüssigkeit durch ein von zwei Feldspulen erzeugtes Magnetfeld und es wird eine Spannung induziert. Die induzierte Spannung wird mit zwei Messelektroden gemessen (Abbildung 1).

Abbildung 1: In einem magnetischen Durchflussmesser fließen elektrisch geladene Teilchen in einer Flüssigkeit (blauer Pfeil) zwischen zwei Feldspulen (rote Linien) und Sonden messen die induzierte Spannung (grüne Linien). (Bildquelle: Endress+Hauser)

Die induzierte Spannung ist direkt proportional zur Geschwindigkeit und zum Volumen des Flusses. Eine gepulste Gleichspannung (DC) erzeugt das magnetische Feld. Durch den Wechsel der Polarität der DC-Spannung wird ein stabiler Nullpunkt erreicht, der Durchflussmessungen unempfindlich gegenüber geringer Leitfähigkeit oder inhomogenen Flüssigkeiten macht.

Die magnetischen Durchflussmesser der Serie Picomag DMA50 sind für eine Reihe von Anwendungen geeignet. Das 1,4"-TFT-Farbdisplay mit Hintergrundbeleuchtung passt sich automatisch an Ausrichtung und Flussrichtung an, was die Installation vereinfacht. Diese Messgeräte können gleichzeitig Durchfluss, Temperatur und Leitfähigkeit messen. Eine Genauigkeit von ±0,5 % bei der Durchflussmessung kann über einen breiten Bereich von Durchflussraten realisiert werden.

Das Modell DMA20-AAACA1 verfügt über einen Messbereich von 0,1 bis 50 Liter pro Minute (l/min) und einen maximalen Druck von 232 Pfund pro Quadratzoll (psi). Es besitzt einen ¾"-Anschluss und einen Betriebstemperaturbereich von -10 °C bis 60 °C. Wie alle magnetischen Durchflussmesser der Serie Picomag DMA50 verfügt er über IO-Link-Konnektivität. Bluetooth ist über die SmartBlue-App von Endress+Hauser nutzbar, die den Betrieb, die Wartung und die Inbetriebnahme auch an schwierigen Standorten vereinfacht und beschleunigt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Beispiel eines magnetischen Durchflussmessers der Serie Picomag DMA50 zur Messung von Durchfluss (l/min) und Leitfähigkeit (µS/cm). (Bildquelle: Endress+Hauser)

Das Modell DMA20-AAACA1 verfügt über O-Ringe aus Fluorelastomer (FKM), die gegen Chemikalien und übermäßige Temperaturen resistent sind und automatisierte Prozesse zur Reinigung und Sterilisierung von Maschinen, Behältern oder Rohren ohne Demontage unterstützen (Clean-in-Place (CIP) und Sterilization-in-Place (SIP)).

Andere Modelle wie das DMA50-AAABA1 besitzen O-Ringe aus Ethylen-Propylen-Dien (EPDM), die gegen Ozon, Sonnenlicht und Witterungseinflüsse resistent sind. Typische Anwendungen für die magnetischen Durchflussmesser Picomag sind:

• Industrieöfen, die mit Wasser gekühlt werden, das durch mehrere Kühlleitungen fließt
• Doppelmantelsysteme für die Lebensmittelverarbeitung, in denen der Durchfluss von Heizungs- und Kühlungswasser gemessen werden muss
• Reinigung von Behältern wie Flaschen und Pasteurisierungsprozesse profitieren von der Überwachung von Wassertemperatur, -versorgung und -abfluss, um die effiziente Nutzung von Wasser zu maximieren

Ultraschall- und Radar-ToF-Füllstandserfassung im Vergleich

Ultraschall- und Radar-Füllstandssensoren messen die Laufzeit (time of flight, ToF) eines Signals auf Basis der Schall- bzw. Lichtgeschwindigkeit. Die Ultraschallwellen werden durch die Änderung der Dichte zwischen der Luft und der Oberfläche des zu messenden Materials reflektiert. Radarsensoren, manchmal auch als Freiraumradar bezeichnet, senden Mikrowellen aus, die aufgrund der Verschiebung von einem Medium mit niedriger Dielektrizität (niedrigem ε_r) wie Luft zu einem Material mit höherer Dielektrizität reflektiert werden.

Die Ultraschall-Füllstandssensoren der Serie Prosonic FMU30 eignen sich für Anwendungen wie Pumpensteuerungen und Füllstandsalarme zur kontaktlosen Messung des Füllstands von Flüssigkeiten, einschließlich Trink- und Abwässern, Pasten und groben Schüttgütern. Da es sich um eine kontaktlose Technologie handelt, ist der Wartungsaufwand für diese Sensoren minimal. Sie sind unempfindlich gegenüber der Dielektrizitätskonstante und der Dichte des Materials und der Luftfeuchtigkeit der Umgebung.

Die Messreichweite der Sensoren FMU30 hängt von der Größe des Sensors ab. Sie werden in zwei Größen angeboten: 1½"-Sensoren wie der FMU30-AAHEAAGGF haben eine Messreichweite von 5 m in Flüssigkeiten und 2  m in Schüttgut, während 2"-Sensoren eine Reichweite von 8 m in Flüssigkeiten und 3,5  m in Schüttgut bieten.

Die Sensoren FMU30 unterstützen einen Betriebstemperaturbereich von -20 °C bis +60 °C. Sie nutzen das ToF-Prinzip zur Entfernungsmessung. Die Geschwindigkeit des Schalls (und damit auch die ToF) variiert jedoch mit der Temperatur. Die Ultraschallsensoren FMU30 verfügen über einen integrierten Temperatursensor und kompensieren Temperaturänderungen automatisch, um genaue und wiederholbare Messungen zu gewährleisten.

Radar-Füllstandssensoren

Die Radarsensoren der Serie Micropilot FMR10 sind für den Einsatz mit Materialien mit einem ε_r von mindestens 4 optimiert. Sie eignen sich für Füllstandsmessungen in Lagertanks, offenen Becken, Pumpenschächten, Kanalsystemen und ähnlichen Anwendungen. Die hermetisch abgedichtete Verkabelung verhindert das Eindringen von Wasser (Abbildung 3). Sie bieten Bluetooth-Konnektivität, um die Inbetriebnahme durch Nutzung von Smartphones und Tablets zu beschleunigen. Weitere Funktionen und Spezifikationen sind:

• Frequenz: K-Band (etwa 26 GHz)
• Messreichweite: bis zu 12 m
• Genauigkeit: bis zu ±5 mm
• Prozessdruck: -1 bar bis 3 bar (-14 psi bis 43 psi)
• Prozesstemperatur: -40 °C bis +60 °C

Abbildung 3: Hermetisch abgedichteter Radar-Füllstandssensor mit einer Reichweite von bis zu 12 m. (Bildquelle: DigiKey)

Hydrostatische Füllstandsmessungen

Die Überwachung der Verfügbarkeit von Süßwasser in Flüssen, Seen, Stauseen, Wassertürmen und Brunnen kann für ein effektives Wassermanagement wichtig sein. Bei diesen Anwendungen stehen zur Entwicklung von Wassermanagementsystemen hydrostatische Füllstandsmessgeräte zu Verfügung, wie z. B. die hydrostatischen Sonden FMX11, die für Trinkwasseranwendungen zertifiziert sind (Abbildung 4). Die Funktionen und Spezifikationen des FMX11 umfassen:

• Kompakte Größe mit Durchmesser von 22 mm eignet sich für Anwendungen wie Bohrlöcher und Schwallrohre mit kleinem Durchmesser
• Betriebstemperaturbereich von -10 °C bis +70 °C
• Messbereich von 0 bar bis 2 bar, 20 m H20 und 0 psi bis 30 psi, je nach Modell; Modell FMX11-CA11FS10 kann bis zu 0,6 bar (8,7 psi) messen
• Genauigkeit von bis zu ±0,35 %
• Zu den Zulassungen für Trinkwasser gehören die französische Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), die US-amerikanische
• NSF/ANSI 61 und zwei deutsche Zertifizierungen, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) und Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Analoge Kommunikation (4 bis 20 mA)

Abbildung 4: Hydrostatische Sensoren wie dieser sind für den Einsatz bei Trinkwasser zugelassen. (Bildquelle: DigiKey)

Datenverwaltung

Unabhängig von den zu überwachenden Parametern wie Durchfluss, Temperatur, Füllstand usw. und der verwendeten Technologie müssen die resultierenden Daten in einem Format erfasst und angezeigt werden, das das Prozessmanagement unterstützt. Für die Systementwicklung steht der universelle Datenmanager Ecograph T RSG35 zur Verfügung, der analoge oder digitale Eingänge aufzeichnet, anzeigt und überwacht. Darüber hinaus werden die gemessenen Werte sicher gespeichert und optional Grenzwerte überwacht.

Die Standardversion besitzt keine analogen Eingänge. Einige Modelle werden mit bis zu drei optionalen Eingangskarten geliefert, die jeweils mit vier analogen Universaleingängen für insgesamt vier, acht oder 12 Analogeingänge ergänzt werden können. Das Modell RSG35-C2A verfügt beispielsweise über acht analoge Universaleingänge, eine RJ45-Buchse für Ethernet-Verbindung und Internetzugang sowie einen USB-Steckverbinder für Peripheriegeräte und Datenübertragung. Wie alle Modelle verfügt auch das RSG35-C2A über sechs digitale Eingänge.

Der integrierte Webserver in Ecograph-T-Datenmanagern unterstützt die Fernkonfiguration und -visualisierung. Die Essential-Version der Field-Data-Manager-Software ist ebenfalls enthalten und kann verwendet werden, um Daten in einer sicheren SQL-Datenbank zu speichern, die im internen Speicher oder auf einer separaten SD-Karte zur Analyse gespeichert wird. Der 5,7"-TFT-Farbbildschirm kann Messwerte in vier Gruppen mit Digital-, Baken- und Kurvenanzeigen darstellen (Abbildung 5). Zusätzliche Funktionen:

• Abtastrate von 100 ms für alle Kanäle
• Betrieb über integrierten Navigator (Jog/Shuttle-Dial) oder einfacher Betrieb per PC über integrierten Webserver
• Bei Alarmen und Grenzwertverletzungen können E-Mail-Benachrichtigungen verschickt werden
• Unterstützung von Schnittstellen wie Ethernet, RS232/485, USB und optionale Nebenknotenfunktion für Modbus RTU/TCP beschleunigen Integration in industrielle Automatisierungssysteme
• Mit der WebDAV-App können die auf SD-Karte gespeicherten Daten ohne zusätzliche Software direkt über HTTP an einen PC übertragen werden.

Abbildung 5: Dieser Datenmanager kann Werte für vier Parameter anzeigen und die Daten über seinen integrierten Webserver an einen externen Computer senden. (Bildquelle: DigiKey)

IO-Link und Skids

IO-Link ist in der IEC 61131-9 genormt, wo es als „Single-Drop Digital Communication Interface for Small Sensors and Actuators (SDCI)" bezeichnet wird.

Skids (modulare Verarbeitungssysteme in einem Rahmen, der Transport und Installation erleichtert) werden häufig in der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung, im allgemeinen Maschinenbau und in den Biowissenschaften eingesetzt.

Ein typisches Skid umfasst weniger als 50 Komponenten wie Durchflusssensoren, Ein-/Ausschalter, Ventile, Drucksensoren, variable Motorsteuerungen, Pumpen usw. Skids nutzen oft IO-Link-Verbindungen. Skids enthalten manchmal eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie ein flaches Display für lokale Interaktionen und erlauben eine Verbindung mit dem übergeordneten Automatisierungssystem einer Werksanlage über ein industrielles Ethernet-Protokoll wie EtherNet/IP oder PROFINET. Eine typische Skid-Architektur umfasst (Abbildung 6):

• Ein externes Steuersystem ➊, das ein Protokoll wie EtherNet/IP oder PROFINET (grüne Linien) verwendet, um die dedizierten Steuerungen der einzelnen Skids miteinander zu verbinden und ihre Abläufe zu koordinieren.
• In Nebenoperationen wie Wärmetauschern liefern Komponenten wie die magnetischen Durchflusssensoren Picomag ➋ über IO-Link (rote Linien) zusätzliche Prozessdaten und erhöhen Effizienz und Betriebszeit.
• Eine IO-Link-Hauptverbindung ➌ sammelt die Informationen von einzelnen Sensoren und Stellantrieben und überträgt sie über ein Protokoll wie EtherNet/IP oder PROFINET an den Skid-Controller. Die IO-Link-Haupteinheit kann auch Befehle vom Skid-Controller an Komponenten wie Ventile und Stellantriebe übermitteln.
• Geräte mit vier Drähten, die nicht über einen Dreidraht-IO-Link-Steckverbinder ➍ angeschlossen werden können, sind über ein Protokoll auf Feldebene wie EtherNet/IP oder PROFINET direkt mit dem Skid-Controller verbunden.

Abbildung 6: IO-Link (rote Linien) wird für die interne Kommunikation auf einem Skid verwendet und EtherNet/IP oder PROFINET (grüne Linien) dient sowohl zur internen Kommunikation als auch zur externen Verbindung. (Bildquelle: Endress+Hauser)

Fazit

Die Überwachung und Messung der Durchflussmenge und Bewegung von Wasser ist in verschiedenen Anwendungen wichtig. Glücklicherweise stehen für die Entwicklung von Wassermanagementsystemen verschiedene Werkzeuge zur Verfügung, darunter Durchflussmesser, Ultraschall- und Radar-Füllstandssensoren, hydrostatische Füllstandssensoren und Datenmanager. Diese Komponenten werden in Kombination mit IO-Link-Konnektivität häufig zur Herstellung modularer Skids für Anwendungen wie der Lebensmittel- und Getränkeverarbeitung verwendet.