Utilizzo di sensori di livello idrostatici per migliorare l'efficienza del trattamento dell'acqua dolce

L'acqua pulita e fresca è essenziale. Gli impianti di trattamento dell'acqua potabile sono presenti quasi ovunque. Per lavorare in modo efficiente, questi impianti devono monitorare il livello dell'acqua disponibile in pozzi, serbatoi di stoccaggio, fiumi, bacini e altre aree.

A seconda dell'applicazione e delle condizioni operative, i livelli dell'acqua possono essere monitorati utilizzando dispositivi meccanici come i galleggianti o dispositivi a stato solido come i sensori di livello idrostatici. Alcune tecnologie sono più adatte ad applicazioni puntuali per monitorare soglie di livello specifiche e prevenire le fuoriuscite. Altri, invece, sono adatti alla misurazione continua del livello nei sistemi di controllo dei processi e di gestione delle scorte.

Questo articolo si apre con una panoramica sulle applicazioni di monitoraggio puntuale e continuo. Presenta quindi i principi di funzionamento dei sensori di livello idrostatici ed ne esamina alcuni utilizzi negli impianti di trattamento dell'acqua potabile.

L'articolo illustra brevemente il modo in cui l'Agenzia per la protezione dell'ambiente (EPA) degli Stati Uniti tiene traccia del consumo di acqua dolce utilizzando un "registro di estrazione", quindi esamina alcuni sensori di livello idrostatici di Endress+Hauser. Si conclude con suggerimenti applicativi per l'integrazione dei sensori nelle installazioni di infrastrutture critiche come gli impianti di trattamento dell'acqua potabile.

I sensori di livello a galleggiante sono semplici dispositivi meccanici. Il galleggiante si alza e si abbassa con il livello dell'acqua. Questo movimento apre e chiude un interruttore meccanico che indica il superamento di un determinato livello d'acqua. Questi sensori sono spesso utilizzati per evitare che i serbatoi si riempiano eccessivamente e facciano fuoriuscire l'acqua o che si abbassino al di sotto di una soglia e danneggino le pompe o altre apparecchiature.

I sensori di livello idrostatici forniscono una misurazione continua del livello dell'acqua. Sono comunemente utilizzati nei serbatoi e nei recipienti di stoccaggio e di lavorazione negli impianti di lavorazione dell'acqua dolce. Quando il serbatoio si riempie o si svuota, il peso dell'acqua sopra il sensore di livello idrostatico cambia e il sensore produce un'uscita dipendente dall'altezza (Figura 1). Ciò li rende particolarmente utili per le applicazioni di controllo dei processi.

Figura 1: I sensori a galleggiante si alzano e si abbassano (a sinistra) e possono monitorare livelli specifici in un serbatoio, mentre i sensori idrostatici sono fissi e forniscono un monitoraggio continuo del livello (a destra). (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

I sensori di livello idrostatici misurano la pressione della colonna d'acqua al di sopra del diaframma sul fondo del sensore. Un olio idraulico incomprimibile trasmette la pressione dal diaframma al meccanismo del sensore. L'interfaccia superficiale tra l'olio idraulico e l'acqua è relativamente grande e la pressione si concentra su una colonna più piccola che raggiunge il meccanismo del sensore. Il meccanismo di rilevamento è costituito da un ponte di Wheatstone che cambia resistenza quando il substrato viene deflesso (Figura 2).

Figura 2: Struttura interna di un tipico sensore di livello idrostatico (a sinistra) e rappresentazione del meccanismo di rilevamento del ponte di Wheatstone in fase di deflessione (a destra). (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

I sensori di livello idrostatici combinano un'elevata affidabilità con costi di installazione molto bassi. Le loro applicazioni spaziano dagli impianti di trattamento dell'acqua dolce, dove garantiscono un funzionamento efficiente, al monitoraggio degli ecosistemi idrici locali per assicurare la disponibilità di acqua a lungo termine.

Trattamento dell'acqua dolce

L'estrazione dell'acqua (prelievo, estrazione e aspirazione) è il primo passo per la fornitura di acqua potabile. È il processo di prelievo dell'acqua da qualsiasi fonte. La quantità d'acqua disponibile viene monitorata attentamente grazie a dispositivi come i sensori di livello idrostatici.

Gli altri dettagli del trattamento dell'acqua dolce dipende dalle normative locali, ma è necessario monitorare i livelli dell'acqua in tutto l'impianto. Alcune fasi comuni includono (Figura 3):

• La coagulazione viene attuata aggiungendo all'acqua sostanze chimiche con carica positiva per neutralizzare la carica negativa dei detriti e di altre particelle disciolte.
• La flocculazione comporta un secondo processo chimico in cui le particelle coagulate formano particelle più grandi chiamate fiocchi.
• La sedimentazione avviene quando i fiocchi si depositano sul fondo dell'acqua e vengono rimossi i fanghi.
• La filtrazione è un processo in cui vari filtri rimuovono le particelle disciolte e i germi rimanenti.
• La disinfezione utilizza cloro o clorammina per uccidere parassiti, batteri, virus e germi.
• Stoccaggio e distribuzione. Il trattamento dell'acqua dolce è un processo continuo, ma nella maggior parte delle città i picchi di utilizzo dell'acqua si registrano al mattino e alla sera, richiedendo grandi strutture di stoccaggio per adeguare la disponibilità di acqua dolce alla domanda.

Figura 3: Il trattamento dell'acqua potabile può comprendere molti processi che devono essere monitorati attentamente per garantire la qualità e la conformità alle norme di legge dell'acqua. (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

Registro di estrazione

Per garantire un efficiente trattamento dell'acqua dolce è necessaria un'adeguata disponibilità di acqua. La legislazione ambientale controlla l'estrazione di acqua grezza da fonti naturali per evitare danni al bilancio idrico locale.

In Europa, il mantenimento di livelli e flussi idrici adeguati è dettato dalla Direttiva quadro sulle acque, che si concentra sulla gestione quantitativa e qualitativa delle risorse idriche naturali. Negli Stati Uniti, l'EPA ha obiettivi simili e monitora attentamente l'estrazione dell'acqua.

L'EPA raccoglie informazioni sulla quantità di acqua estratta, insieme a informazioni sugli scarichi idrici, per valutare il rischio di sovra-estrazione. I dati sono riportati in un registro annuale delle estrazioni. I sensori di livello idrostatici sono strumenti importanti per monitorare la salute degli ecosistemi acquatici locali.

Sensori di livello idrostatici

I sensori di livello idrostatici sono dispositivi estremamente versatili. Le applicazioni tipiche comprendono:

• Monitoraggio dei livelli di fiumi, laghi, stazioni di misurazione e bacini idrici
• Disponibilità di acqua potabile nelle torri e nei serbatoi di stoccaggio
• Misurazione del livello dell'acqua nei pozzi

Il diametro compatto di 22 mm dei sensori di livello idrostatici resistenti all'immersione Waterpilot FMX11 di Endress+Hauser ne facilita l'integrazione. Questi sensori forniscono un segnale di uscita da 4 a 20 mA compatibile con datalogger, misuratori da pannello, controller a logica programmabile (PLC) e altre apparecchiature di controllo dei processi.

I sensori di livello idrostatici Waterpilot FMX11 hanno ottenuto diverse certificazioni per l'acqua potabile, tra cui National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) negli Stati Uniti, Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) in Francia e TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser in Germania.

L'alloggiamento è realizzato in acciaio inossidabile 316 ed è approvato dall'FDA statunitense per le applicazioni con acqua potabile. Il cavo di prolunga schermato comprende un tubo di compensazione della pressione atmosferica con un filtro in Teflon rivestito in elastomero termoplastico (TPE) resistente all'abrasione e ai raggi ultravioletti (UV). Il TPE e il Teflon sono approvati dalla FDA anche per le applicazioni con acqua potabile (Figura 4).

Figura 4: I sensori di livello idrostatici Waterpilot dispongono di diverse certificazioni internazionali per applicazioni con l'acqua potabile e sono realizzati con materiali approvati dall'FDA. (Immagine per gentile concessione di DigiKey)

Specifiche generali:

• Intervallo della temperatura di funzionamento da -10 a +70 °C
• Protezione IP68
• Precisione ≤ ±0,35% per il campo di misura del sensore ≥400 mbar
• Precisione di ≤ ±0,50% per il campo di misura del sensore <400 mbar
• Certificazione cULus

Modelli disponibili:

• FMX11-CA11DS06 con un campo di rilevamento da 0 a 0,2 bar e un cavo di 6 m
• FMX11-CA11FS10 con un campo di rilevamento da 0 a 0,4 bar e un cavo da 10 m
• FMX11-CA11GS20 con campo di rilevamento da 0 a 0,6 bar e cavo da 10 m
• FMX11-CA11HS20 con campo di rilevamento da 0 a 1 bar e cavo da 20 m
• FMX11-CA11KS30 con campo di rilevamento da 0 a 2 bar e cavo da 30 m

Massimizzare la disponibilità dell'impianto di trattamento delle acque

Gli impianti di trattamento dell'acqua potabile sono infrastrutture critiche e richiedono alti livelli di affidabilità. I sensori Waterpilot FMX11 sono testati secondo le linee guida sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) della norma EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, che definisce i requisiti e i metodi per verificare la resistenza alle sovratensioni.

Tuttavia, i test EMC di base coprono solo le sovratensioni fino a 2 kV sulle linee elettriche principali o 1 kV sulle linee di segnale. Questo può essere insufficiente per le infrastrutture critiche, dove anche i fulmini indiretti o le operazioni di commutazione possono provocare sovratensioni fino a 10 kV nel giro di pochi microsecondi.

Endress+Hauser raccomanda l'uso di limitatori di sovratensione per garantire la disponibilità dell'impianto. I limitatori di sovratensione sono disponibili e progettati per il montaggio su guida DIN negli armadi di controllo e per il montaggio diretto in un alloggiamento:

• I limitatori di sovratensione HAW562, come il modello HAW562-AAD, proteggono le linee di alimentazione e di comunicazione negli armadi di controllo
• I limitatori di sovratensione HAW569 per strumentazione di processo, come il modello HAW569-CB2C per cavi di potenza e segnale e il modello HAW569-DA2B per cavi di segnale (Figura 5)

Figura 5: HAW569-CB2C per cavi di potenza e segnale (in alto) e HAW569-DA2B per cavi di segnale (in basso). (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

L'installazione consigliata per la massima disponibilità comprende (Figura 6):

1. Sensore di livello idrostatico Waterpilot FMX11
2. Limitatore di sovratensione HAW
3. Unità di visualizzazione e valutazione con ingresso per un segnale sensore da 4 a 20 mA
4. Alimentatore

Figura 6: Diagramma a blocchi dell'installazione del sensore Waterpilot FMX che mostra le posizioni dei due limitatori di sovratensione (2). (Immagine per gentile concessione di Endress+Hauser)

L'intervallo della tensione di alimentazione è compreso tra 8 V_c.c. e 28 V_c.c. e il consumo di corrente è compreso tra un massimo di 22 mA e un minimo di 2 mA. In caso di utilizzo all'esterno, l'alimentatore deve essere alloggiato in una cassetta di terminazione IP66/IP67. Si consiglia vivamente di utilizzare un interruttore automatico conforme ai requisiti IEC 61010.

I sensori di livello idrostatici Waterpilot FMX11 sono dotati di una protezione integrata contro la polarità inversa e non si danneggiano se i cavi di alimentazione sono collegati in modo errato. In caso di collegamento a polarità inversa, il dispositivo non è operativo.

Livelli di integrità della sicurezza e atmosfere esplosive

I sensori di livello idrostatici devono funzionare in modo sicuro, anche in presenza di atmosfere esplosive. La norma IEC 61508 definisce i livelli di integrità della sicurezza (SIL) e la norma IEC 61511 è un adattamento specifico della norma IEC 61508 per l'industria di processo. Le unità HAW569 sono progettate per l'uso in strumentazione da campo e soddisfano i requisiti SIL2. I limitatori di sovratensione HAW562 sono destinati all'uso in applicazioni meno pericolose in armadi per apparecchiature e sono disponibili come opzione con SIL2.

La situazione è simile a quella utilizzata nelle atmosfere esplosive (Ex). I limitatori di sovratensione HAW562 sono disponibili come opzione con approvazione Ex di sicurezza intrinseca. Due certificazioni Ex comuni sono Ex ia e Ex d.

La certificazione Ex ia offre una protezione a sicurezza intrinseca che garantisce che l'energia massima interna del dispositivo e del suo cablaggio rimanga al di sotto del livello di energia necessario per provocare un'accensione, anche in caso di guasto. È destinata all'uso in aree in cui una miscela di gas esplosivi è presente per periodi prolungati o in modo continuo e rappresenta un pericolo significativo.

I dispositivi certificati Ex d sono progettati per resistere a un'esplosione interna senza subire danni. Questi dispositivi sono destinati all'uso in aree critiche dove è probabile che durante il normale funzionamento si verifichi una miscela di gas esplosivi, che presenta una condizione di pericolo intermittente.

Le unità HAW569 progettate per proteggere i cavi di segnale sono disponibili come opzione con approvazione Ex ia, mentre l'approvazione Ex d è un'opzione per quelle progettate per la protezione simultanea di cavi di segnale e potenza. I limitatori di sovratensione HAW562 sono disponibili anche con le approvazioni Ex di sicurezza intrinseca.

Conclusione

I sensori di livello idrostatici trovano diverse applicazioni, tra cui il controllo dei processi e la gestione delle scorte negli impianti di trattamento dell'acqua potabile, nonché il monitoraggio di fonti idriche come pozzi, fiumi, laghi e serbatoi per garantire la disponibilità e la sostenibilità dell'acqua. Gli impianti di trattamento dell'acqua potabile sono infrastrutture critiche e devono essere adeguatamente protetti per garantire il funzionamento continuo.

I sensori di livello idrostatici Waterpilot FMX11 sono realizzati con materiali approvati dall'FDA per le applicazioni con acqua potabile e dispongono di diverse approvazioni internazionali. Endress+Hauser raccomanda anche l'uso di limitatori di sovratensione e offre modelli con prestazioni SIL2 e certificazioni Ex ia ed Ex d per i sensori Waterpilot FMX11.