Come misurare il flusso dell'acqua per migliorare l'efficacia e l'efficienza del trattamento

Il monitoraggio e la misurazione del flusso e del volume dell'acqua sono necessari per migliorare l'efficienza e la sostenibilità delle centrali elettriche ed energetiche, delle attività agricole e minerarie, degli impianti industriali e municipali di trattamento delle acque reflue, della trasformazione alimentare e di altre attività simili.

Esistono diversi strumenti a disposizione dei progettisti di impianti idrici per calcolare l'acqua disponibile e il flusso. Questi strumenti riducono al minimo o eliminano il contatto diretto con l'acqua per mantenerne lo stato di purezza. I flussimetri elettromagnetici sono un metodo senza contatto per quantificare l'acqua che scorre. Il livello dell'acqua nei serbatoi può essere misurato con sensori senza contatto, come quelli a ultrasuoni e radar. Un'altra alternativa è rappresentata dai sensori di misurazione del livello a pressione idrostatica sigillati, certificati per le applicazioni con acqua potabile.

Questo articolo esamina il funzionamento e i vantaggi dell'uso dei flussimetri elettromagnetici e dei sensori di pressione idrostatica e confronta il funzionamento e le applicazioni dei sensori di livello senza contatto, come quelli a ultrasuoni e radar di Endress+Hauser. Viene quindi illustrato come un gestore di dati può registrare, visualizzare e monitorare le operazioni e come IO-Link può realizzare in modo rapido ed efficiente un sistema completo di monitoraggio dell'acqua, utilizzando come esempio una linea di trasformazione alimentare.

La legge di Faraday sull'induzione descrive il principio di funzionamento di trasformatori, induttori, generatori e sensori di flusso elettromagnetici. In un flussimetro elettromagnetico, le particelle caricate elettricamente nel fluido da misurare scorrono attraverso un campo magnetico creato da due bobine di campo che inducono una tensione. La tensione indotta viene misurata con due elettrodi di misura (Figura 1).

Figura 1: In un flussimetro elettromagnetico, le particelle caricate elettricamente in un liquido (freccia blu) scorrono tra due bobine di campo (linee rosse) e le sonde misurano la tensione indotta (linee verdi). (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

La tensione indotta è direttamente proporzionale alla velocità e al volume del flusso. Una tensione pulsata in corrente continua (c.c.) genera il campo magnetico. Alternando la polarità della tensione c.c., si stabilisce un punto zero stabile che rende le misurazioni di flusso insensibili ai liquidi a bassa conducibilità o non omogenei.

I flussimetri elettromagnetici Picomag serie DMA50 sono adatti a una vasta gamma di applicazioni. Il display a colori TFT da 1,4" con retroilluminazione ruota automaticamente in base all'orientamento e alla direzione del flusso, semplificando l'installazione. Questi misuratori possono misurare contemporaneamente portata, temperatura e conducibilità. L'accuratezza di misurazione della portata di ±0,5% si applica a un ampio intervallo di flusso.

Il modello DMA20-AAACA1 ha un intervallo di misurazione da 0,1 a 50 l/min e una pressione massima di 16 bar. Ha un attacco da ¾" e una temperatura di funzionamento compresa tra -10 °C e 60 °C. Come tutti i flussimetri elettromagnetici, Picomag serie DMA50 è dotato di connettività IO-Link. Il Bluetooth è abilitato tramite l'applicazione SmartBlue di Endress+Hauser, che semplifica e velocizza il funzionamento, la manutenzione e la messa in funzione, anche in luoghi difficili (Figura 2).

Figura 2: Esempio di flussimetro elettromagnetico Picomag serie DMA50 che misura il flusso (l/min) e la conducibilità (µS/cm). (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

Il modello DMA20-AAACA1 è dotato di O-ring in fluoroelastomero (FKM) resistenti agli agenti chimici e a condizioni termiche eccessive e che supportano i processi automatizzati di pulizia sul posto (CIP) e sterilizzazione sul posto (SIP), utilizzati per pulire e sterilizzare macchinari, recipienti o tubazioni senza smontarli.

Altri modelli, come DMA50-AAABA1, sono dotati di O-ring in etilene-propilene-diene (EPDM) resistenti all'ozono, alla luce solare e agli agenti atmosferici. Le applicazioni tipiche dei flussimetri elettromagnetici Picomag includono:

• Forni industriali raffreddati con acqua che scorre attraverso più linee di raffreddamento
• Sistemi di lavorazione alimentare a doppia camicia che devono misurare il flusso di acqua di riscaldamento e raffreddamento
• La pulizia di contenitori come le bottiglie e i processi di pastorizzazione traggono vantaggio dal monitoraggio della temperatura dell'acqua, dell'alimentazione e del drenaggio per massimizzare l'uso efficiente dell'acqua

Rilevamento di livello ToF con ultrasuoni e radar

I sensori di livello a ultrasuoni e radar implementano misurazioni a tempo di volo (ToF) basate rispettivamente sulla velocità del suono e della luce. Le onde ultrasoniche vengono riflesse dalla variazione di densità tra l'aria e la superficie del materiale da misurare. I sensori radar, talvolta chiamati radar a spazio libero, emettono microonde riflesse in base allo spostamento da un mezzo a basso dielettrico (basso ε_r) come l'aria a un materiale a dielettrico più alto.

In applicazioni come il controllo delle pompe e gli allarmi di livello, i sensori di livello a ultrasuoni Prosonic FMU30 sono progettati per la misurazione senza contatto del livello di fluidi come acque potabili e reflue, paste e materiali sfusi a grana grossa. Trattandosi di una tecnologia senza contatto, questi sensori hanno esigenze di manutenzione minime. Sono insensibili alla costante dielettrica e alla densità del materiale o all'umidità circostante.

L'intervallo di misurazione dei sensori FMU30 dipende dalle dimensioni del sensore: i sensori da 1½", come il modello FMU30-AAHEAAGGF, hanno una portata di 5 m nei fluidi e di 2 m nei materiali sfusi, mentre i sensori da 2" hanno una portata di 8 m nei fluidi e di 3,5 m nei materiali sfusi.

I sensori FMU30 hanno un intervallo della temperatura di funzionamento da -20 a +60 °C e utilizzano il principio ToF per misurare la distanza. Tuttavia, la velocità del suono (e quindi il ToF) varia con la temperatura. I sensori a ultrasuoni FMU30 hanno un sensore di temperatura integrato e compensano automaticamente le variazioni di temperatura per garantire misurazioni accurate e ripetibili.

Sensori di livello radar

I sensori di livello radar Micropilot serie FMR10 sono ottimizzati per l'uso con materiali con un ε_r di almeno 4. Sono adatti per la misurazione del livello in serbatoi di stoccaggio, bacini aperti, pozzi di pompaggio, canali e applicazioni simili. Il cablaggio ermetico impedisce l'ingresso dell'acqua (Figura 3). Sono dotati di connettività Bluetooth per velocizzare la messa in funzione tramite smartphone e tablet. Altre caratteristiche e specifiche includono:

• Frequenza, banda K (circa 26 GHz)
• Intervallo di misurazione fino a 12 m
• Precisione fino a ±5 mm
• Pressione di processo da -1 a 3 bar
• Temperatura di funzionamento da -40 a +60 °C

Figura 3: Sensore di livello radar ermetico con portata fino a 12 m. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Misurazioni di livello idrostatico

Il monitoraggio della disponibilità di acqua dolce in fiumi, laghi, serbatoi e pozzi può essere importante per una gestione efficace dell'acqua. In queste applicazioni, i progettisti di impianti di gestione dell'acqua possono rivolgersi a dispositivi di misurazione idrostatica del livello, come le sonde idrostatiche FMX11, certificate per applicazioni con acqua potabile (Figura 4). Le caratteristiche e le specifiche della sonda FMX11 includono:

• Dimensioni compatte, il diametro di 22 mm rendono queste sonde adatte ad applicazioni come i pozzi trivellati e i pozzetti di calma di piccolo diametro
• Intervallo della temperatura di funzionamento da -10 a +70 °C
• Intervallo di misurazione da 0 a 2 bar (20 m H20), a seconda del modello; il modello FMX11-CA11FS10 può misurare fino a 0,6 bar
• Accuratezza fino a ±0,35%
• Le approvazioni per l'acqua potabile includono l'Attestation de conformité sanitaire (ACS) francese e l'Attestato di conformità sanitaria (ACS) statunitense
• NSF/ANSI 61 e due certificazioni tedesche, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) e Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Comunicazione analogica da 4 a 20 mA

Figura 4: I sensori idrostatici come questo sono approvati per l'uso con acqua potabile. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Gestione dei dati

Indipendentemente dai parametri monitorati - flusso, temperatura, livello o altro - e dalla tecnologia utilizzata, i dati risultanti devono essere acquisiti e visualizzati in un formato che supporti la gestione dei processi. I progettisti di sistemi possono rivolgersi al gestore dati universale Ecograph T RSG35 che registra, visualizza e monitora i segnali di ingresso analogici o digitali. Inoltre, i valori misurati vengono salvati in modo sicuro e i valori limite possono essere monitorati.

La versione standard è priva di ingressi dati analogici. Alcuni modelli sono dotati di un massimo di tre schede di ingresso opzionali che possono essere aggiunte, ciascuna con quattro ingressi analogici universali per un totale di quattro, otto o 12 ingressi analogici. Ad esempio, il modello RSG35-C2A dispone di otto ingressi analogici universali, una presa RJ45 per facilitare le connessioni Ethernet e l'accesso a Internet e un connettore USB per periferiche e trasferimenti di dati. Come tutti i modelli, RSG35-C2A comprende sei ingressi digitali.

Il server web integrato nei gestori di dati Ecograph T supporta la configurazione e la visualizzazione da remoto. È inclusa anche la versione Essential del software Field Data Manager, che può essere utilizzata per salvare i dati in un database SQL sicuro archiviato nella memoria interna o su una scheda SD separata per l'analisi. Lo schermo a colori TFT da 5,7" può visualizzare i valori misurati in quattro gruppi, con visualizzazione digitale, a barre e a curve (Figura 5). Le altre caratteristiche includono:

• Velocità di scansione di 100 ms per tutti i canali
• Funzionamento tramite il navigatore integrato (quadrante jog/shuttle) o funzionamento semplice con un PC tramite il web server integrato
• Notifiche via e-mail in caso di allarmi e violazioni dei limiti
• Supporto di interfacce quali Ethernet, RS232/485, USB e la funzione slave opzionale per Modbus RTU/TCP velocizza l'integrazione nei sistemi di automazione industriale
• L'applicazione WebDAV consente di trasmettere i dati salvati sulla scheda SD direttamente a un PC via HTTP senza software aggiuntivo.

Figura 5: Questo gestore di dati può visualizzare i valori di quattro parametri e inviare i dati a un computer esterno utilizzando il server web integrato. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

IO-Link e skid

IO-Link è standardizzato dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) 61131-9, che lo definisce "Interfaccia di comunicazione digitale single-drop per sensori e azionatori (SDCI)".

Gli skid (impianti di lavorazione modulari all'interno di un telaio, che ne facilitano il trasporto e l'installazione) sono spesso utilizzati nella trasformazione alimentare, nella costruzione di macchine generiche e nelle applicazioni per le scienze biologiche.

Un tipico skid comprende meno di 50 dispositivi di campo come sensori di flusso, interruttori on/off, valvole, trasduttori di pressione, azionamenti a frequenza variabile, pompe, ecc. Gli skid si affidano spesso alla connettività IO-Link. Gli skid includono talvolta un'interfaccia uomo-macchina come un display a schermo piatto per le interazioni locali e si collegano al sistema di automazione dell'impianto di livello superiore utilizzando un protocollo Industrial Ethernet come EtherNet/IP o PROFINET. Una tipica architettura di skid include (Figura 6):

• Un sistema di controllo esterno ➊ che utilizza un protocollo come EtherNet/IP o PROFINET (linee verdi) per collegare i controller dedicati di ogni skid e coordinarne le operazioni.
• Nelle operazioni ausiliarie come gli scambiatori di calore, dispositivi come i sensori di flusso elettromagnetici Picomag ➋ utilizzano IO-Link (linee rosse) per fornire ulteriori dati di processo e aumentare l'efficienza e il tempo di servizio.
• Un collegamento master IO-Link ➌ raccoglie le informazioni dai singoli sensori e attuatori e le trasmette al controller dello skid utilizzando un protocollo come EtherNet/IP o PROFINET. Il master IO-Link può anche comunicare comandi dal controller dello skid a dispositivi come valvole e attuatori.
• I dispositivi a quattro fili che non possono essere collegati con un connettore IO-Link a tre fili ➍ si collegano direttamente al controller dello skid utilizzando un protocollo di campo come EtherNet/IP o PROFINET.

Figura 6: IO-Link (linee rosse) è utilizzato per la comunicazione interna di uno skid, mentre EtherNet/IP o PROFINET (linee verdi) sono utilizzati sia per la comunicazione interna sia per la connettività esterna. (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

Conclusione

Il monitoraggio e la misurazione della quantità e del movimento dell'acqua sono importanti in diverse applicazioni. Fortunatamente, i progettisti di sistemi di gestione dell'acqua hanno a disposizione diversi strumenti, tra cui flussimetri elettromagnetici, sensori di livello a ultrasuoni e radar, sensori di livello idrostatici e gestori di dati. Questi dispositivi, insieme alla connettività IO-Link, sono spesso utilizzati per costruire skid modulari per svariate applicazioni, ad esempio nel settore della trasformazione alimentare.