Como medir o fluxo de água para melhorar a eficácia e a eficiência do tratamento

O monitoramento e a medição do fluxo e do volume de água são necessários para melhorar a eficiência e a sustentabilidade das usinas de energia e potência, operações agrícolas e de mineração, instalações industriais e municipais de tratamento de água e esgoto, processamento de alimentos e bebidas e operações semelhantes.

Há várias ferramentas que os projetistas de sistemas de água podem usar para quantificar a água disponível e seu fluxo. Essas ferramentas minimizam ou eliminam o contato direto com a água para manter seu estado de pureza. Os medidores de fluxo eletromagnéticos (fluxímetros) oferecem uma maneira sem contato para quantificar o fluxo da água. O nível de água nos tanques de armazenamento pode ser medido com o uso de sensores sem contato, como projetos ultrassônicos e baseados em radar. Uma terceira alternativa é fornecida por sensores selados de medição de nível da pressão hidrostática certificados para aplicações de água potável.

Este artigo analisa a operação e os benefícios do uso de medidores de fluxo magnéticos e sensores de pressão hidrostática e compara a operação e as aplicações de sensores de nível sem contato, como projetos ultrassônicos e baseados em radar da Endress+Hauser. Em seguida, ele discute como um gerenciador de dados pode registrar, exibir e monitorar as operações e como o IO-Link pode unir de forma rápida e eficiente um sistema completo de monitoramento de água, usando uma linha de processamento de alimentos e bebidas como exemplo de aplicação.

A lei de indução de Faraday descreve o princípio operacional de transformadores, indutores, geradores e sensores de fluxo magnético. Em um medidor de fluxo magnético, as partículas eletricamente carregadas no fluido que está sendo medido fluem através de um campo magnético criado por duas bobinas de campo, e uma tensão é induzida. A tensão induzida é medida com dois eletrodos de medição (Figura 1).

Figura 1: Em um medidor de fluxo magnético, partículas eletricamente carregadas em um líquido (seta azul) fluem entre duas bobinas de campo (linhas vermelhas), e as sondas medem a tensão induzida (linhas verdes). (Fonte da imagem: Endress+Hauser)

A tensão induzida é diretamente proporcional à velocidade e ao volume do fluxo. Uma tensão de corrente contínua (CC) pulsada gera o campo magnético. Ao alternar a polaridade da tensão CC, é estabelecido um ponto zero estável que torna as medições de fluxo insensíveis a líquidos de baixa condutividade ou não homogêneos.

Os medidores de fluxo magnéticos da série Picomag DMA50 são adequados para uma variedade de aplicações. A tela colorida TFT de 1,4" com luz de fundo gira automaticamente dependendo da orientação e do sentido do fluxo, simplificando a instalação. Esses medidores podem medir simultaneamente o fluxo, a temperatura e a condutividade. A precisão da medição de fluxo de ±0,5% pode ser obtida em uma ampla faixa de taxas de fluxo.

O modelo DMA20-AAACA1 apresenta uma faixa de medição de 0,1 a 50 litros por minuto (l/min) e uma pressão máxima de 232 libras por polegada quadrada (psi). Tem uma conexão de ¾" e uma faixa de temperatura operacional de -10°C a 60°C. Como todos os medidores de fluxo magnéticos da série Picomag DMA50, ele apresenta conectividade IO-Link. O Bluetooth é ativado pelo aplicativo SmartBlue da Endress+Hauser, que simplifica e agiliza a operação, a manutenção e o comissionamento, mesmo em locais desafiadores (Figura 2).

Figura 2: Exemplo de um medidor de fluxo magnético da série Picomag DMA50 que mede o fluxo (l/min) e a condutividade (µS/cm). (Fonte da imagem: Endress+Hauser)

O modelo DMA20-AAACA1 tem anéis de vedação de fluoroelastômero (FKM) que resistem a produtos químicos e condições térmicas excessivas e suportam processos automatizados de limpeza no local (CIP) e esterilização no local (SIP), usados para limpar e esterilizar máquinas, vasos ou tubulações sem desmontagem.

Outros modelos, como o DMA50-AAABA1, têm anéis de vedação em etileno-propileno-dieno (EPDM) que resistem ao ozônio, à luz solar e às intempéries. As aplicações típicas dos medidores de fluxo magnéticos Picomag incluem:

• Fornos industriais que são resfriados usando água fluindo através de várias linhas de resfriamento
• Sistemas de processamento de alimentos com manta dupla que precisam medir o fluxo da água de aquecimento e resfriamento
• A limpeza de recipientes como garrafas e processos de pasteurização se beneficiam do monitoramento da temperatura, do fornecimento e da drenagem da água para maximizar o uso eficiente da água

Sensoriamento de nível ToF ultrassônico vs. radar

Os sensores de nível ultrassônicos e de radar implementam medições de tempo de voo (ToF) com base na velocidade do som e da luz, respectivamente. As ondas ultrassônicas são refletidas pela mudança na densidade entre o ar e a superfície do material a ser medido. Os sensores de radar, às vezes chamados de radar de espaço livre, emitem micro-ondas refletidas com base na mudança de um meio com baixo valor do dielétrico (baixo ε_r), como o ar, para um material com valor dielétrico mais alto.

Em aplicações como controles de bombas e alarmes de nível, os sensores de nível ultrassônicos da série Prosonic FMU30 são projetados para a medição de nível sem contato de fluidos, incluindo água potável e esgoto, pastas e materiais a granel grossos. Como se trata de uma tecnologia sem contato, esses sensores têm necessidades mínimas de manutenção. Eles são insensíveis à constante dielétrica e à densidade do material ou à umidade ambiente.

A faixa de medição dos sensores FMU30 depende do tamanho do sensor. Eles são oferecidos em dois tamanhos: os sensores de 1½", como o FMU30-AAHEAAGGF, têm um alcance de 5 m em fluidos e 2 m em materiais a granel, enquanto os sensores de 2" têm um alcance de 8 m em fluidos e 3,5 m em materiais a granel.

Os sensores FMU30 têm uma faixa de temperatura operacional de -20°C a +60°C. Eles usam o princípio ToF para medir a distância. Entretanto, a velocidade do som (e, portanto, o ToF) varia com a temperatura. Os sensores ultrassônicos FMU30 têm um sensor de temperatura integrado e compensam automaticamente as mudanças de temperatura para garantir medições precisas e repetíveis.

Sensores de nível de radar

Os sensores de nível por radar da série Micropilot FMR10 são otimizados para uso com materiais com um ε_r de pelo menos 4. Eles são adequados para medições de nível em tanques de armazenamento, bacias abertas, poços de bombas, sistemas de canais e aplicações semelhantes. A fiação hermeticamente selada impede a entrada de água (Figura 3). Eles apresentam conectividade Bluetooth para agilizar o comissionamento usando smartphones e tablets. Outros recursos e especificações incluem:

• Frequência, banda K (cerca de 26 GHz)
• Alcance da medição até 12 m
• Precisão de até ±5 mm
• Pressão do processo de -1 bar a 3 bar (-14 psi a 43 psi)
• Temperatura do processo de -40°C a +60°C

Figura 3: Sensor de nível por radar, hermeticamente selado com alcance de até 12 m. (Fonte da imagem: DigiKey)

Medições de nível hidrostático

O monitoramento da disponibilidade de água doce em rios, lagos, reservatórios, torres de água e poços pode ser importante para o gerenciamento eficaz da água. Nessas aplicações, os projetistas de sistemas de gerenciamento de água podem recorrer a dispositivos de medição de nível hidrostático, como as sondas hidrostáticas FMX11, que são certificadas para aplicações de água potável (Figura 4). Os recursos e as especificações do FMX11 incluem:

• O tamanho compacto com 22 mm (0,87") de diâmetro torna essas sondas adequadas para aplicações como furos de sondagem e poços de estabilização de pequeno diâmetro
• Faixa de temperatura operacional de -10°C a +70°C
• Faixa de medição de 0 bar a 2 bar, 20 m H20, e 0 psi a 30 psi, dependendo do modelo; o modelo FMX11-CA11FS10 pode medir até 0,6 bar (8,7 psi)
• Precisão de até ±0,35%
• As aprovações para água potável incluem o Attestation De Conformite Sanitaire (ACS) francês,
• O NSF/ANSI 61 americano e duas certificações alemãs, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) e Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Comunicação analógica de 4 a 20 mA

Figura 4: Sensores hidrostáticos como esse são aprovados para uso com água potável. (Fonte da imagem: DigiKey)

Gerenciamento de dados

Independentemente dos parâmetros que estão sendo monitorados — fluxo, temperatura, nível ou qualquer outro — e da tecnologia que está sendo usada, os dados resultantes devem ser capturados e exibidos em um formato que dê suporte ao gerenciamento de processos. Os projetistas de sistemas podem recorrer ao gerenciador de dados universal Ecograph T RSG35, que registra, exibe e monitora sinais de entrada analógicos ou digitais. Além disso, os valores medidos são salvos com segurança e os valores-limite podem ser monitorados.

A versão padrão é fornecida sem entradas de dados analógicos. Alguns modelos vêm com até três placas de entrada opcionais que podem ser adicionadas, cada uma com quatro entradas analógicas universais para um total de quatro, oito ou 12 entradas analógicas. Por exemplo, o modelo RSG35-C2A tem oito entradas analógicas universais, um jack RJ45 para facilitar as conexões Ethernet e o acesso à Internet e um conector USB para periféricos e transferências de dados. Como todos os modelos, o RSG35-C2A inclui seis entradas digitais.

O servidor da Web integrado nos gerenciadores de dados do Ecograph T oferece suporte à configuração e à visualização remotas. A versão Essential do software Field Data Manager também está incluída e pode ser usada para salvar dados em um banco de dados SQL seguro armazenado na memória interna ou em um cartão SD separado para análise. A tela colorida TFT de 5,7" pode exibir os valores medidos em quatro grupos, com exibições digitais, de gráfico de barras e de curva (Figura 5). Os recursos adicionais incluem:

• Taxa de varredura de 100 ms para todos os canais
• Operação usando o navegador integrado (botão giratório) ou operação amigável com um PC, usando o servidor da Web integrado
• Notificações por e-mail podem ser enviadas em caso de alarmes e violações de limites
• O suporte a interfaces como Ethernet, RS232/485, USB e a função escrava opcional para Modbus RTU/TCP agiliza a integração em sistemas de automação industrial
• O aplicativo WebDAV permite que os dados salvos no cartão SD sejam transmitidos diretamente para um PC via HTTP sem software adicional.

Figura 5: Esse gerenciador de dados pode exibir valores de quatro parâmetros e enviar os dados para um computador externo, usando seu servidor da Web integrado. (Fonte da imagem: DigiKey)

IO-Link e bases estruturais

O IO-Link é padronizado na Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) 61131-9, onde é chamado de "interface de comunicação digital de ponto único (SDCI) para pequenos sensores, atuadores (SDCI)".

As bases estruturais (sistemas de processamento modular, o que facilita o transporte e a instalação) são usadas com frequência no processamento de alimentos e bebidas, na construção de máquinas em geral e em aplicações de ciências biológicas.

Uma base estrutura típica inclui menos de 50 dispositivos de campo, como sensores de fluxo, chaves liga/desliga, válvulas, transdutores de pressão, inversores de frequência variável, bombas, etc. As bases estruturais dependem geralmente da conectividade IO-Link. Às vezes, as bases estruturais incluem uma interface homem-máquina, como um monitor de tela plana para interações locais, e se conectam ao sistema de automação da planta de nível superior usando um protocolo Ethernet industrial, como EtherNet/IP ou PROFINET. Uma arquitetura típica da base estrutural inclui (Figura 6):

• Um sistema de controle externo ➊ que usa um protocolo como EtherNet/IP ou PROFINET (linhas verdes) para conectar os controladores dedicados de cada base estrutural e coordenar suas operações.
• Em operações auxiliares, como trocadores de calor, dispositivos como os sensores de fluxo magnético Picomag ➋ usam IO-Link (linhas vermelhas) para fornecer dados de processo adicionais e aumentar a eficiência e o tempo de atividade.
• Uma conexão de mestre IO-Link ➌ coleta as informações de sensores e atuadores individuais e as transmite para o controlador da base estrutural, usando um protocolo como EtherNet/IP ou PROFINET. O mestre IO-Link também pode comunicar comandos do controlador da base estrutural a dispositivos como válvulas e atuadores.
• Dispositivos de quatro fios que não podem ser conectados usando um conector IO-Link de três fios ➍ conectam-se diretamente ao controlador da base estrutural, usando um protocolo de nível de campo como EtherNet/IP ou PROFINET.

Figura 6: IO-Link (linhas vermelhas) é usado para comunicação interna em uma base estrutural, e EtherNet/IP ou PROFINET (linhas verdes) é usado tanto para comunicação interna quanto para conectividade externa. (Fonte da imagem: Endress+Hauser)

Conclusão

O monitoramento e a medição da quantidade e do movimento da água são importantes em várias aplicações. Felizmente, os projetistas de sistemas de gerenciamento de água têm várias ferramentas à sua disposição, incluindo medidores de fluxo magnéticos, sensores de nível baseados em ultrassom e radar, sensores de nível hidrostático e gerenciadores de dados. Esses dispositivos, aliados com a conectividade IO-Link, são frequentemente usados para construir bases modulares para aplicações como processamento de alimentos e bebidas.