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來源：Digikey 作者：Jeff Shepard 要提高發(fā)電廠和能源工廠、農(nóng)業(yè)和采礦業(yè)、工業(yè)和市政供水及廢水處理設(shè)施、食品和飲料加工以及類似業(yè)務(wù)的效率和可持續(xù)性，就必須對水流量和體積進行監(jiān)控和測量。 水系統(tǒng)設(shè)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(tài)。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(shè)計。第三種選擇是使用通過飲用水應(yīng)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(yōu)點，并比較了 Endress+Hauser 基于超聲波和雷達的設(shè)計等非接觸式液位傳感器的原理和應(yīng)用。然后，以食品和飲料加工生產(chǎn)線為應(yīng)用實例，討論了數(shù)據(jù)管理器如何記錄、顯示和監(jiān)控運行，以及 IO-Link 如何快速高效地整合出完整的水監(jiān)控系統(tǒng)。 法拉第電磁感應(yīng)定律描述了變壓器、電感器、發(fā)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(jīng)兩個磁場線圈產(chǎn)生的磁場，并感應(yīng)出電壓。此感應(yīng)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(yīng)電壓與流速和流量成正比。脈沖直流 (DC) 電壓產(chǎn)生磁場。通過交替改變直流電壓的極性，可建立穩(wěn)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(yīng)用。帶背光的 1.4 英寸 TFT 彩色顯示屏可根據(jù)方向和流向自動旋轉(zhuǎn)，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(nèi)實現(xiàn) ±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(yīng)用程序啟用藍牙，即使在具有挑戰(zhàn)性的位置，也能簡化和加快操作、維護和調(diào)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(yīng)用包括： · 工業(yè)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(tǒng)，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(jiān)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(jù)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(fā)射的微波根據(jù)從低介電（低 εr）介質(zhì)（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(yīng)用中，Prosonic FMU30 系列超聲波液位傳感器設(shè)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(shù)，這些傳感器的維修需求極低。它們對材料的介電常數(shù)和密度或環(huán)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(fù)性。 雷達液位傳感器 Micropilot FMR10 系列雷達液位傳感器經(jīng)過優(yōu)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(tǒng)和類似應(yīng)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(diào)試，從而加快調(diào)試速度。其他特性和規(guī)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(jiān)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(yīng)用中，水管理系統(tǒng)設(shè)計人員可以采用靜壓液位測量設(shè)備，例如通過飲用水應(yīng)用認證的 FMX11 靜壓探頭（圖 4）。FMX11 的特性和規(guī)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(yīng)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(yīng)用認證。（圖片來源：DigiKey） 管理數(shù)據(jù) 無論監(jiān)測的參數(shù)是流量、溫度、液位還是其他參數(shù)，無論采用何種技術(shù)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)都必須以支持過程管理的格式采集和顯示。系統(tǒng)設(shè)計人員可以采用 Ecograph T RSG35 通用數(shù)據(jù)管理器來記錄、顯示和監(jiān)測模擬或數(shù)字輸入信號。此外，還可安全保存測量值并監(jiān)測限值。 標準版不帶模擬數(shù)據(jù)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(wǎng)連接和互聯(lián)網(wǎng)接入的 RJ45 插孔和一個用來連接外設(shè)和傳輸數(shù)據(jù)的 USB 接口。與所有型號一樣，RSG35-C2A 也包括 6 個數(shù)字輸入。 Ecograph T 數(shù)據(jù)管理器中的集成 Web 服務(wù)器支持遠程配置和可視化。還包括基礎(chǔ)版 Field Data Manager 軟件，該軟件可用于將數(shù)據(jù)保存在存儲于內(nèi)部存儲器的安全 SQL 數(shù)據(jù)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(shù)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(wù)器進行用戶友好型操作 · 出現(xiàn)警報和超過限值時可發(fā)送電子郵件通知 · 支持以太網(wǎng)、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(yè)自動化系統(tǒng)的集成速度 · WebDAV 應(yīng)用程序能夠?qū)⒈４嬖?SD 卡上的數(shù)據(jù)直接通過 HTTP 傳輸?shù)?PC，無需其他軟件。
圖 5：該數(shù)據(jù)管理器可顯示四個參數(shù)的數(shù)值，并可通過集成 Web 服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)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(zhí)行器的單點數(shù)字通信接口 (SDCI)”。 橇塊（裝在框架內(nèi)的模塊化處理系統(tǒng)，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(yīng)用領(lǐng)域。 典型的橇塊包括不到 50 個現(xiàn)場器件，如流量傳感器、開關(guān)、閥門、壓力傳感器、變頻驅(qū)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(yè)以太網(wǎng)協(xié)議連接到上一級工廠自動化系統(tǒng)。典型的橇塊結(jié)構(gòu)包括（圖 6）： · 外部控制系統(tǒng) ➊，使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等協(xié)議（綠線）連接到橇塊的每個專用控制器，以協(xié)調(diào)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(shù)據(jù)，并提高效率和正常運行時間。 · IO-Link 主設(shè)備連接 ➌ 采集各個傳感器和執(zhí)行器的信息，并通過 EtherNet/IP 或 PROFINET 等協(xié)議傳輸?shù)角翂K控制器。IO-Link 主設(shè)備還可以將橇塊控制器的命令傳達給閥門和執(zhí)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(xiàn)場級協(xié)議直接連接到橇塊控制器。
圖 6：IO-Link（紅線）用于橇塊內(nèi)部通信，EtherNet/IP 或 PROFINET（綠線）用于內(nèi)部通信和外部連接。（圖片來源：Endress+Hauser） 結(jié)語 監(jiān)測和測量水的數(shù)量和流動情況在各種應(yīng)用中都非常重要。幸運的是，水管理系統(tǒng)設(shè)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(shù)據(jù)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(yīng)用構(gòu)建模塊化撬塊。 |
