作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

潔凈的淡水至關(guān)重要。飲用水處理廠幾乎隨處可見。為了高效運(yùn)行，這些工廠需要監(jiān)測水井、儲(chǔ)水箱、河流、水庫和其他區(qū)域的現(xiàn)有水位。

根據(jù)不同的應(yīng)用和運(yùn)行條件，可以使用浮子等機(jī)械裝置或靜壓液位傳感器等固態(tài)裝置來監(jiān)測水位。有些技術(shù)更適合“點(diǎn)式液位”應(yīng)用，用來監(jiān)測具體的液位閾值并防止溢出。相比之下，其他儀器則適用于過程控制和庫存管理系統(tǒng)中的連續(xù)液位測量。

本文首先概述點(diǎn)式液位和連續(xù)液位監(jiān)控應(yīng)用。然后介紹靜壓液位傳感器的工作原理，并介紹這些傳感器在飲用水處理廠中的一些用途。

本文簡要介紹美國環(huán)境保護(hù)局 (EPA) 如何使用“取水登記”法來跟蹤淡水消耗情況，然后介紹 [Endress+Hauser] 的一些在售靜壓液位傳感器。最后，就如何將傳感器集成到飲用水處理設(shè)施等關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施裝置中提出了應(yīng)用建議。

浮動(dòng)液位傳感器是一種簡單的機(jī)械裝置。浮子隨著水位變化而上升或下降。浮子的升降動(dòng)作會(huì)打開或關(guān)閉一個(gè)機(jī)械開關(guān)，以指示何時(shí)通過了特定的水位。這種傳感器通常用于防止水箱太滿而溢出水，或水箱太低而損壞水泵或其他設(shè)備。

靜壓液位傳感器可連續(xù)測量水位。這種傳感器通常用于淡水處理廠的儲(chǔ)水和水處理的罐或池。當(dāng)水罐注水或排水時(shí)，靜壓液位傳感器上方的水的重量會(huì)發(fā)生變化，傳感器會(huì)產(chǎn)生與高度相關(guān)的輸出（圖 1）。因此，這種傳感器特別適用于過程控制應(yīng)用。

圖 1：浮動(dòng)傳感器上下移動(dòng)（左），可監(jiān)測儲(chǔ)水罐中的特定水位，而靜壓傳感器則固定不動(dòng)，用于連續(xù)監(jiān)測水位（右）。（圖片來源：Endress+ Hauser）

靜壓液位傳感器測量傳感器底部隔膜上方的水柱壓力。不可壓縮的液壓油將壓力從隔膜傳遞到傳感器機(jī)構(gòu)。液壓油和水之間的表面界面相對較大，壓力集中在到達(dá)傳感器機(jī)構(gòu)的較小圓柱上。檢測裝置由惠斯通電橋組成，當(dāng)基板發(fā)生偏轉(zhuǎn)時(shí)，電阻會(huì)發(fā)生變化（圖 2）。

圖 2：典型靜壓液位傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（左）和惠斯通電橋檢測機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)（右）。（圖片來源：Endress+ Hauser）

靜壓液位傳感器不僅可靠性高，而且安裝成本極低。這種傳感器的應(yīng)用范圍很廣，從確保高效運(yùn)行的淡水處理廠，到監(jiān)測當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)以確保長期供水。

淡水處理

取水是提供飲用水的第一步。這是從任何水源取水的過程。使用靜壓水位傳感器等設(shè)備對可用水量進(jìn)行密切監(jiān)測。

其余的淡水處理細(xì)節(jié)會(huì)因?yàn)楫?dāng)?shù)氐姆ㄒ?guī)有所不同，但整個(gè)工廠都需要監(jiān)測水位。一些常見的步驟如下（圖 3）：

• 混凝是通過向水中添加帶正電荷的化學(xué)物質(zhì)，中和污垢和其他溶解顆粒上的負(fù)電荷。
• 絮凝涉及第二個(gè)化學(xué)過程。在該過程中，凝結(jié)的顆粒會(huì)形成更大的稱為絮團(tuán)的顆粒。
• 沉淀是指絮狀物沉淀到水底，然后將沉淀物清除。
• 過濾是指通過各種過濾器除去殘余的溶解微粒和病菌。
• 消毒使用氯或氯胺來殺死寄生蟲、細(xì)菌、病毒和病菌。
• 儲(chǔ)水和配水。淡水處理是一個(gè)連續(xù)過程，但在大多數(shù)城市，用水高峰出現(xiàn)在早晨和傍晚，這就需要大型儲(chǔ)水設(shè)施來滿足淡水需求。

圖 3：飲用水處理包含許多必須密切監(jiān)控的過程，以確保水質(zhì)，符合法律規(guī)定。（圖片來源：Endress+Hauser）

取水登記

要確保淡水處理的效率，就必須有充足的水源。根據(jù)環(huán)境法規(guī)定，必須從天然水源中提取原水，以避免破壞當(dāng)?shù)氐乃胶狻?/p>

按照歐洲《水框架指令》的規(guī)定，必須保持足夠的水位和流量，其重點(diǎn)是對自然水資源進(jìn)行定量和定性管理。美國環(huán)保局也有類似的目標(biāo)，并要求密切監(jiān)控取水情況。

環(huán)保局收集有關(guān)取水量和放水量的信息，以評估是否存在過度取水的風(fēng)險(xiǎn)。具體數(shù)據(jù)會(huì)在年度 [抽取登記] 中給出。靜壓水位傳感器是監(jiān)測當(dāng)?shù)厮鷳B(tài)系統(tǒng)健康狀況的重要工具。

靜壓液位傳感器

靜壓液位傳感器用途廣泛。典型應(yīng)用：

• 監(jiān)測河流、湖泊、測量站和水庫的水位
• 確保水塔和儲(chǔ)水箱中的飲用水充足
• 測量水井的水位

Endress+Hauser 的 [Waterpilot FMX11] 潛水式靜壓液位傳感器的直徑僅為 22 mm，結(jié)構(gòu)緊湊且易于集成。這種傳感器提供 4 mA 至 20 mA 輸出信號(hào)，并兼容數(shù)據(jù)記錄器、面板儀表、可編程邏輯控制器 (PLC) 和其他過程控制設(shè)備。

Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器通過了多項(xiàng)飲用水認(rèn)證，包括美國國家衛(wèi)生基金會(huì) 61 (NSF-61)、法國衛(wèi)生認(rèn)證 (ACS) 和德國 TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser。

這種傳感器的外殼采用 316 合金不銹鋼制成，經(jīng)美國食品和藥物管理局 (FDA) 批準(zhǔn)可用于飲用水。屏蔽式延長電纜包括一個(gè)帶有特氟龍 (Teflon) 過濾器的大氣壓補(bǔ)償導(dǎo)管，并采用耐磨型抗紫外線 (UV) 熱塑性彈性體 (TPE) 外套。此外，TPE 和 Teflon 均經(jīng)美國食品及藥物管理局批準(zhǔn)可用于飲用水的應(yīng)用（圖 4）。

圖 4：Waterpilot 靜壓液位傳感器獲得了飲用水應(yīng)用領(lǐng)域的多項(xiàng)國際認(rèn)證，并采用經(jīng) FDA 批準(zhǔn)的材料制造。（圖片來源：DigiKey）

一般技術(shù)規(guī)格：

• 工作溫度范圍為 -10°C 至 +70°C
• IP68 防護(hù)等級(jí)
• 傳感器測量范圍 ≥ 400mbar 時(shí)，精確度 ≤ ±0.35
• 傳感器測量范圍 < 400mbar 時(shí)，精確度 ≤ ±0.50%
• cULus 認(rèn)證

在售型號(hào)：

• [FMX11-CA11DS06] ，檢測范圍為 0 bar 至 0.2 bar（6.7 ft 水柱），電纜長度為 6 m
• [FMX11-CA11FS10] ，檢測范圍為 0 bar 至 0.4 bar（13.4 ft 水柱），電纜長度為 10 m
• [FMX11-CA11GS20] ，檢測范圍為 0 bar 至 0.6 bar（20.1 ft 水柱），電纜長度為 10 m
• [FMX11-CA11HS20] ，檢測范圍為 0 bar 至 1 bar（33.5 ft 水柱），電纜長度為 20 m
• [FMX11-CA11KS30] ，檢測范圍為 0 bar 至 2 bar（66.9 ft 水柱），電纜長度為 30 m

最大限度地提高水處理廠的利用率

飲用水處理廠是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，需要高度可靠。Waterpilot FMX11 傳感器根據(jù) EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5 的電磁兼容性 (EMC) 準(zhǔn)則進(jìn)行測試，該準(zhǔn)則規(guī)定了電源浪涌承受能力的測試要求和方法。

不過，基本的電磁兼容性測試只涵蓋主電源線上最高 2 kV 的浪涌或信號(hào)線上最高 1 kV 的浪涌。這對于關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施來說可能是不夠的，因?yàn)榧词故情g接雷擊或開關(guān)操作也會(huì)在幾個(gè)微秒內(nèi)產(chǎn)生高達(dá) 10 千伏的浪涌。

為確保水處理廠的利用率，Endress+Hauser 建議使用浪涌放電器。浪涌放電器可安裝在控制柜的 DIN 導(dǎo)軌上，也可直接安裝在現(xiàn)場外殼中：

• HAW562 浪涌放電器（如 [HAW562-AAD] ）用于保護(hù)控制柜中的電源和通信線路
• 用于過程現(xiàn)場儀表的 HAW569 浪涌放電器：如用于電源和信號(hào)電纜的 [HAW569-CB2C] 、用于信號(hào)電纜的 [HAW569-DA2B] （圖 5）

圖 5：HAW569-CB2C 用于電源和信號(hào)電纜（上），HAW569-DA2B 用于信號(hào)電纜（下）。（圖片來源：Endress+Hauser）

為達(dá)到最大利用率，建議采用如下安裝方式（圖 6）：

1. Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器
2. HAW 浪涌放電器
3. 帶 4 mA 至 20 mA 傳感器信號(hào)輸入的顯示和評估裝置
4. 電源

圖 6：Waterpilot FMX 安裝框圖，顯示兩個(gè)浪涌放電器 (2) 的位置。（圖片來源：Endress+ Hauser）

電源電壓范圍為 8 VDC 至 28 V DC ，電流消耗最大 22 mA，最小 2 mA。室外使用時(shí)，電源應(yīng)安裝在 IP66/IP67 級(jí)接線盒中。強(qiáng)烈建議使用符合 IEC 61010 標(biāo)準(zhǔn)的斷路器。

Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器集成了反極性保護(hù)功能，即使電源線連接不正確也不會(huì)造成損壞。如果極性反接，設(shè)備將無法運(yùn)行。

安全完整性等級(jí)和爆炸性氣體環(huán)境

即使在爆炸性氣體環(huán)境下，靜壓液位傳感器也能安全運(yùn)行。IEC 61508 定義了安全完整性等級(jí) (SIL)，而 IEC 61511 則是 IEC 61508 針對流程工業(yè)的特定應(yīng)用經(jīng)過調(diào)整的版本。HAW569 設(shè)備設(shè)計(jì)用于現(xiàn)場儀表，符合 SIL2 要求。HAW562 浪涌放電器適用于設(shè)備柜中危險(xiǎn)性較低的應(yīng)用，并可選配 SIL2 功能。

這種情況與在爆炸性 (Ex) 環(huán)境中使用的情況類似。HAW562 浪涌放電器可選配 Ex 本安認(rèn)證。常見的兩種 Ex 認(rèn)證是 Ex ia 和 Ex d 認(rèn)證。

Ex ia 認(rèn)證可提供本質(zhì)安全保護(hù)，確保即使在發(fā)生故障時(shí)，設(shè)備及其線路的最大內(nèi)能仍低于引起燃燒所需的能量水平。該認(rèn)證適用于長時(shí)間或持續(xù)存在爆炸性氣體混合物并構(gòu)成重大危險(xiǎn)的區(qū)域。

Ex d 認(rèn)證型設(shè)備可承受內(nèi)部爆炸而不受損害。這些裝置用于在正常運(yùn)行期間可能會(huì)出現(xiàn)爆炸性氣體混合物且呈現(xiàn)間歇性危險(xiǎn)狀態(tài)的關(guān)鍵區(qū)域。

專為保護(hù)信號(hào)電纜而設(shè)計(jì)的 HAW569 裝置可選擇 Ex ia 認(rèn)證版本，而專為同時(shí)保護(hù)信號(hào)電纜和電源電纜而設(shè)計(jì)的 HAW569 裝置則可選配 Ex d 認(rèn)證版本。HAW562 浪涌放電器還可選擇 Ex 本安認(rèn)證版本。

結(jié)論

靜壓液位傳感器應(yīng)用廣泛，包括飲用水處理廠的過程控制和庫存管理，以及監(jiān)測水井、河流、湖泊和水庫等水源，以確保水的可用性和可持續(xù)性。飲用水處理廠是重要的基礎(chǔ)設(shè)施，必須得到充分保護(hù)，以確保持續(xù)運(yùn)行。

Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器采用經(jīng) FDA 批準(zhǔn)的飲用水應(yīng)用材料制造，并通過了多項(xiàng)相關(guān)國際認(rèn)證。Endress+Hauser 還建議使用浪涌放電器，并為 Waterpilot FMX11 傳感器提供具有 SIL2 性能以及獲得 Ex ia 和 Ex d 認(rèn)證的型號(hào)。

審核編輯 黃宇