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來源：Digikey 作者：Jeff Shepard 要提高發電廠和能源工廠、農業和采礦業、工業和市政供水及廢水處理設施、食品和飲料加工以及類似業務的效率和可持續性，就必須對水流量和體積進行監控和測量。 水系統設計人員可以利用幾種工具來量化可用水及其流量。這些工具最大限度減少或者消除了與水的直接接觸，以保持其純凈狀態。電磁流量計（磁流量計）提供了一種非接觸式流動水量化方法。儲水箱中的水位可使用非接觸式傳感器進行測量，例如基于超聲波和雷達的設計。第三種選擇是使用通過飲用水應用認證的密封式靜壓液位測量傳感器。 本文回顧了磁流量計和靜壓傳感器的原理及使用優點，并比較了 Endress+Hauser 基于超聲波和雷達的設計等非接觸式液位傳感器的原理和應用。然后，以食品和飲料加工生產線為應用實例，討論了數據管理器如何記錄、顯示和監控運行，以及 IO-Link 如何快速高效地整合出完整的水監控系統。 法拉第電磁感應定律描述了變壓器、電感器、發電機和磁流量傳感器的工作原理。在磁流量計中，被測流體中的帶電粒子會流經兩個磁場線圈產生的磁場，并感應出電壓。此感應電壓由兩個測量電極進行測量（圖 1）。 
圖 1：在磁流量計中，液體中的帶電粒子（藍色箭頭）在兩個磁場線圈（紅線）之間流動，探頭測量感生電壓（綠線）。（圖片來源：Endress+Hauser） 感應電壓與流速和流量成正比。脈沖直流 (DC) 電壓產生磁場。通過交替改變直流電壓的極性，可建立穩定零點，使流量測量對低電導率或不均勻液體不敏感。 Picomag DMA50 系列磁流量計適用于各種應用。帶背光的 1.4 英寸 TFT 彩色顯示屏可根據方向和流向自動旋轉，從而簡化了安裝。這些儀表可同時測量流量、溫度和電導率。可在寬泛的流速范圍內實現 ±0.5% 的流量測量精度。 DMA20-AAACA1 型的測量范圍為 0.1 至 50 L/min，最大壓力為 232 PSI。其采用 ¾ 英寸接頭，工作溫度范圍為 -10°C 至 60°C。與所有 Picomag DMA50 系列磁流量計一樣，該型號具有 IO-Link 連接功能。通過 Endress+Hauser 的 SmartBlue 應用程序啟用藍牙，即使在具有挑戰性的位置，也能簡化和加快操作、維護和調試（圖 2）。
圖 2：可測量流量 (L/min) 和電導率 (µS/cm) 的 Picomag DMA50 系列磁流量計的示例。（圖片來源：Endress+Hauser） DMA20-AAACA1 型采用耐化學腐蝕和過熱條件的氟橡膠 (FKM) O 形圈，支持就地清潔 (CIP) 和就地滅菌 (SIP) 自動化流程，無需拆解即可對機械、容器或管道進行清潔和滅菌。 DMA50-AAABA1 等其他型號的三元乙丙橡膠 (EPDM) O 形圈可抵御臭氧、日照和天候老化。Picomag 磁流量計的典型應用包括： · 工業烤箱，其中冷卻水流過多條冷卻管路對其進行冷卻 · 雙水套食品加工系統，必須測量其中加熱和冷卻水的流量 · 瓶類容器的清潔以及巴氏滅菌工藝，受益于監控水溫、供水和排水，以最大限度地提高水的使用效率 超聲波與雷達 ToF 液位感測 超聲波和雷達液位傳感器分別根據聲速和光速進行飛行時間 (ToF) 測量。超聲波通過空氣與待測材料表面之間的密度變化進行反射。雷達傳感器有時也被稱為自由空間雷達，其發射的微波根據從低介電（低 εr）介質（如空氣）向高介電材料的偏移而反射。 在泵控制器和液位報警等應用中，Prosonic FMU30 系列超聲波液位傳感器設用于飲用水和廢水、糊狀物和粗顆粒散裝物料等流體的非接觸式測量。由于采用非接觸式技術，這些傳感器的維修需求極低。它們對材料的介電常數和密度或環境濕度不敏感。 FMU30 傳感器的測量范圍取決于傳感器的尺寸。它們有兩種尺寸：1½ 英寸傳感器（如 FMU30-AAHEAAGGF）的流體測量范圍為 5 米，散裝物料測量范圍為 2 米，而 2 英寸傳感器的流體測量范圍為 8 米，散裝物料測量范圍為 3.5 米。 FMU30 傳感器的工作溫度范圍為 -20°C 至 +60°C。它們利用 ToF 原理測量距離。然而，聲速（因此，ToF）會隨溫度變化。FMU30 超聲波傳感器集成了溫度傳感器，可自動補償溫度變化，從而確保測量的準確性和可重復性。 雷達液位傳感器 Micropilot FMR10 系列雷達液位傳感器經過優化，可用于 εr 至少為 4 的材料。這些傳感器適用于儲罐、露天水池、泵井、運河系統和類似應用中的液位測量。密封式接線可防止進水（圖 3）。具有藍牙連接功能，可使用智能手機和平板電腦進行調試，從而加快調試速度。其他特性和規格包括： · K 波段頻率（約 26 GHz） · 測量范圍高達 12 m · 精度高達 ±5 mm · 工作壓力：-1 bar 至 3 bar（-14 psi 至 43 psi） · 工作溫度：–40°C 至 +60°C
圖 3：密封式雷達液位傳感器，測量范圍可達 12 米。（圖片來源：DigiKey） 靜壓液位測量 監測河流、湖泊、水庫、水塔和水井中的可用淡水儲量對于有效管理水資源非常重要。在這些應用中，水管理系統設計人員可以采用靜壓液位測量設備，例如通過飲用水應用認證的 FMX11 靜壓探頭（圖 4）。FMX11 的特性和規格包括： · 這些探頭外形小巧，直徑為 22 mm (0.87”)，適合鉆孔和小直徑靜水井等應用場合 · 工作溫度范圍為 -10°C 至 +70°C · 測量范圍為 0 bar 至 2 bar（20 米水）和 0 psi 至 30 psi（取決于型號）；FMX11-CA11FS10 型的測量范圍最高可達 0.6 bar (8.7 psi) · 精度高達 ±0.35% · 飲用水認證包括法國 Attestation De Conformite Sanitaire (ACS)、美國 · NSF/ANSI 61 及兩項德國認證 Kunststoff-Trinkwasser (KTW) 和 Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW) · 4 至 20 mA 模擬通信
圖 4：此類靜壓傳感器通過了飲用水應用認證。（圖片來源：DigiKey） 管理數據 無論監測的參數是流量、溫度、液位還是其他參數，無論采用何種技術，產生的數據都必須以支持過程管理的格式采集和顯示。系統設計人員可以采用 Ecograph T RSG35 通用數據管理器來記錄、顯示和監測模擬或數字輸入信號。此外，還可安全保存測量值并監測限值。 標準版不帶模擬數據輸入端。部分型號最多可添加三塊可選輸入卡，每塊輸入卡有 4 個模擬通用輸入，總共可提供 4 個、8 個或 12 個模擬輸入。例如，RSG35-C2A 型有 8 個通用模擬輸入、一個方便以太網連接和互聯網接入的 RJ45 插孔和一個用來連接外設和傳輸數據的 USB 接口。與所有型號一樣，RSG35-C2A 也包括 6 個數字輸入。 Ecograph T 數據管理器中的集成 Web 服務器支持遠程配置和可視化。還包括基礎版 Field Data Manager 軟件，該軟件可用于將數據保存在存儲于內部存儲器的安全 SQL 數據庫中或者保存到單獨的 SD 卡中，以供分析之用。5.7 英寸 TFT 彩色屏幕可顯示四組測量值，包括數字、條形圖和曲線顯示（圖 5）。其他特性包括： · 所有通道的掃描速率均為 100 ms · 使用集成導航裝置（飛梭旋鈕）進行操作，或者在 PC 上使用集成 Web 服務器進行用戶友好型操作 · 出現警報和超過限值時可發送電子郵件通知 · 支持以太網、RS232/485、USB 等接口，并配備可選的 Modbus RTU/TCP 從站功能，可加快與工業自動化系統的集成速度 · WebDAV 應用程序能夠將保存在 SD 卡上的數據直接通過 HTTP 傳輸到 PC，無需其他軟件。
圖 5：該數據管理器可顯示四個參數的數值，并可通過集成 Web 服務器將數據發送到外部計算機。（圖片來源：DigiKey） IO-Link 和橇塊 IO-Link 在國際電工委員會 (IEC) 61131-9 標準中被標準化，稱為“小型傳感器和執行器的單點數字通信接口 (SDCI)”。 橇塊（裝在框架內的模塊化處理系統，便于運輸和安裝）通常用于食品和飲料加工、通用機械制造和生命科學應用領域。 典型的橇塊包括不到 50 個現場器件，如流量傳感器、開關、閥門、壓力傳感器、變頻驅動器、泵等。橇塊通常依靠 IO-Link 連接。撬塊有時包括一個人機界面（如用于本地交互的平板顯示器），并使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等工業以太網協議連接到上一級工廠自動化系統。典型的橇塊結構包括（圖 6）： · 外部控制系統 ➊，使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等協議（綠線）連接到橇塊的每個專用控制器，以協調其運行。 · 在熱交換器等輔助操作中，Picomag 磁流量傳感器 ➋ 等器件使用 IO-Link（紅線）提供額外的過程數據，并提高效率和正常運行時間。 · IO-Link 主設備連接 ➌ 采集各個傳感器和執行器的信息，并通過 EtherNet/IP 或 PROFINET 等協議傳輸到橇塊控制器。IO-Link 主設備還可以將橇塊控制器的命令傳達給閥門和執行器等器件。 · 對于無法使用三線 IO-Link 連接器 ➍ 連接的四線器件，可使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等現場級協議直接連接到橇塊控制器。
圖 6：IO-Link（紅線）用于橇塊內部通信，EtherNet/IP 或 PROFINET（綠線）用于內部通信和外部連接。（圖片來源：Endress+Hauser） 結語 監測和測量水的數量和流動情況在各種應用中都非常重要。幸運的是，水管理系統設計人員可以使用多種工具，包括磁流量計、超聲波和雷達液位傳感器、靜壓液位傳感器以及數據管理器。這些器件以及 IO-Link 連接通常用于為食品和飲料加工等應用構建模塊化撬塊。 |
