Uso de sensores de nível hidrostático para melhorar a eficiência do processamento de água doce

Água limpa e fresca é vital. Plantas de processamento de água potável são encontradas em quase todos os lugares. Para operar com eficiência, essas plantas precisam monitorar o nível de água disponível em poços, tanques de armazenamento, rios, reservatórios e outras áreas.

Dependendo da aplicação e das condições operacionais, os níveis de água podem ser monitorados por meio de dispositivos mecânicos, como boias, ou dispositivos de estado sólido, como sensores de nível hidrostático. Algumas tecnologias são mais adequadas para aplicações pontuais para monitorar limites de nível específicos e evitar derramamentos. Por outro lado, outras são adequadas para medições contínuas de nível em sistemas de controle de processos e gerenciamento de inventário.

Este artigo começa com uma visão geral das aplicações de monitoramento em nível pontual e contínuo. Em seguida, ele apresenta os princípios operacionais dos sensores de nível hidrostático e analisa alguns usos desses sensores em plantas de processamento de água potável.

Ele analisa brevemente como a Agência de Proteção Ambiental dos EUA (EPA) monitora o consumo de água doce, usando um "registro de captação" e, em seguida, analisa alguns sensores de nível hidrostático disponíveis da Endress+Hauser. Termina com sugestões de aplicações para a integração de sensores em instalações de infraestrutura crítica, como instalações de processamento de água potável.

Os sensores de nível por boia são dispositivos mecânicos simples. A boia sobe e desce junto com o nível da água. Esse movimento abre e fecha um interruptor mecânico que indica quando um nível de água específico foi ultrapassado. Esses sensores são frequentemente usados para evitar que os tanques fiquem muito cheios e derramem água ou fiquem muito baixos e danifiquem bombas ou outros equipamentos.

Os sensores de nível hidrostático fornecem uma medição contínua do nível da água. Eles são comumente usados em tanques e vasos de armazenamento e processamento em plantas de processamento de água doce. À medida que o vaso enche ou escoa, o peso da água acima do sensor de nível hidrostático muda, e o sensor produz uma saída dependente da altura (Figura 1). Isso os torna especialmente úteis para aplicações de controle de processos.

Figura 1: Os sensores de boia se movem para cima e para baixo (esquerda) e podem monitorar níveis específicos em um tanque, enquanto os sensores hidrostáticos são fixos e fornecem monitoramento contínuo do nível (direita). (Fonte da imagem: Endress+ Hauser)

Os sensores de nível hidrostático medem a pressão da coluna de água acima do diafragma na parte inferior do sensor. Um óleo hidráulico incompressível transmite a pressão do diafragma para o mecanismo do sensor. A interface da superfície entre o óleo hidráulico e a água é relativamente grande, e a pressão é concentrada em uma coluna menor que atinge o mecanismo do sensor. O mecanismo de detecção consiste em uma ponte de Wheatstone que muda a resistência à medida que o substrato é defletido (Figura 2).

Figura 2: Estrutura interna de um sensor de nível hidrostático típico (esquerda) e uma representação do mecanismo de detecção da ponte de Wheatstone sendo defletido (direita). (Fonte da imagem: Endress+ Hauser)

Os sensores de nível hidrostáticos combinam alta confiabilidade com custos de instalação muito baixos. Suas aplicações vão desde plantas de processamento de água doce, onde garantem uma operação eficiente, até o monitoramento de ecossistemas de água locais para garantir a disponibilidade de água a longo prazo.

Processamento de água doce

A captação de água (retirada, extração e admissão de água) é a primeira etapa do fornecimento de água potável. É o processo de retirada de água de qualquer fonte. A quantidade de água disponível é monitorada de perto usando dispositivos como sensores de nível hidrostático.

O restante dos detalhes do processamento de água doce varia de acordo com as regulamentações locais, mas é necessário monitorar os níveis de água em toda a planta. Algumas etapas comuns incluem (Figura 3):

• Coagulação, que é implementada pela adição de produtos químicos com carga positiva à água para neutralizar a carga negativa da sujeira e de outras partículas dissolvidas.
• Floculação, que envolve um segundo processo químico em que as partículas coaguladas formam partículas maiores chamadas flocos.
• Sedimentação, que é quando os flocos se assentam no fundo da água e o lodo é removido.
• Filtragem, quando vários filtros removem as partículas e os germes dissolvidos restantes.
• Desinfecção, que usa cloro ou cloramina para matar parasitas, bactérias, vírus e germes.
• Armazenamento e distribuição. O processamento de água doce é um processo contínuo, mas, na maioria das cidades, o uso da água atinge seu pico pela manhã e à noite, exigindo grandes instalações de armazenamento para adequar a disponibilidade de água doce à demanda.

Figura 3: O tratamento de água potável pode incluir muitos processos que devem ser monitorados de perto para garantir a qualidade da água e a conformidade com as normas legais. (Fonte da imagem: Endress+Hauser)

Registro de captação

A disponibilidade adequada de água é necessária para garantir o processamento eficiente da água doce. A legislação ambiental controla a captação de água bruta de fontes naturais para evitar danos ao equilíbrio hídrico local.

Na Europa, a manutenção de níveis e fluxos de água adequados é ditada pela Water Framework Directive, que se concentra no gerenciamento quantitativo e qualitativo dos recursos hídricos naturais. Nos Estados Unidos, a EPA tem metas semelhantes e monitora de perto a captação de água.

A EPA coleta informações sobre a quantidade de captação de água, e aquelas sobre descargas de água, para avaliar o risco de captação excessiva. Os dados são relatados em um registro de captação anual. Os sensores de nível hidrostático são ferramentas importantes para monitorar a integridade dos ecossistemas de água locais.

Sensores de nível hidrostático

Os sensores de nível hidrostático são dispositivos altamente versáteis. As aplicações típicas incluem:

• Monitoramento de níveis em rios, lagos, estações de medição e reservatórios
• Garantia da disponibilidade de água potável em torres de água e tanques de armazenamento
• Medição do nível de água em poços

O diâmetro compacto de 22 mm dos sensores de nível hidrostáticos submersíveis Waterpilot FMX11 da Endress+Hauser facilita sua integração. Esses sensores fornecem um sinal de saída de 4 a 20 mA compatível com registradores de dados, medidores de painel, controladores lógicos programáveis (CLPs) e outros equipamentos de controle de processos.

Os sensores de nível hidrostático Waterpilot FMX11 têm várias certificações de água potável, incluindo a National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) nos EUA, a Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) na França e a TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser na Alemanha.

A carcaça é feita de aço inoxidável 316 e é aprovada para aplicações de água potável pela Food and Drug Administration (FDA). O cabo de extensão blindado inclui um tubo de compensação da pressão atmosférica com um filtro de Teflon em uma jaqueta de elastômero termoplástico (TPE) resistente à abrasão e à luz ultravioleta (UV). O TPE e o Teflon também são aprovados pela FDA para aplicações em água potável (Figura 4).

Figura 4: Os sensores de nível hidrostático Waterpilot têm várias certificações internacionais para aplicações de água potável e são fabricados com materiais aprovados pela FDA. (Fonte da imagem: DigiKey)

Especificações gerais:

• Faixa de temperatura operacional de -10°C a +70°C
• Proteção IP68
• Exatidão de ≤ ±0,35% para a faixa de medição do sensor ≥ 400 mbar
• Exatidão de ≤ ±0,50% para a faixa de medição do sensor< 400 mbar
• Certificação cULus

Modelos disponíveis:

• FMX11-CA11DS06 com uma faixa de detecção de 0 a 0,2 bar (2 m de coluna de água) e um cabo de 6 m
• FMX11-CA11FS10 com uma faixa de detecção de 0 a 0,4 bar (4 m de coluna de água) e um cabo de 10 m
• FMX11-CA11GS20 com uma faixa de detecção de 0 a 0,6 bar (mais de 6 m de coluna de água) e um cabo de 10 m
• FMX11-CA11HS20 com uma faixa de detecção de 0 a 1 bar (pouco mais de 10 m de coluna de água) e um cabo de 20 m
• FMX11-CA11KS30 com uma faixa de detecção de 0 a 2 bar (mais de 20 m de coluna de água) e um cabo de 30 m

Maximizando a disponibilidade da planta de processamento de água

As plantas de processamento de água potável são infraestruturas críticas e exigem altos níveis de confiabilidade. Os sensores Waterpilot FMX11 são testados de acordo com as diretrizes de compatibilidade eletromagnética (EMC) da EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, que define os requisitos e métodos para testar a capacidade de suportar picos de energia.

No entanto, os testes básicos de EMC abrangem apenas surtos de até 2 kV em linhas de energia da rede ou 1 kV em linhas de sinal. Isso pode ser insuficiente para infraestruturas críticas, onde até mesmo raios indiretos ou operações de comutação podem resultar em surtos de até 10 kV em microssegundos.

A Endress+Hauser recomenda o uso de protetores contra surtos para garantir a disponibilidade da planta. Os protetores contra surtos estão disponíveis e foram projetados para montagem em trilho DIN em armários de controle e para montagem direta em um compartimento de campo:

• Protetores contra surtos HAW562, como o HAW562-AAD, para proteger as linhas de energia e comunicação em armários de controle
• Protetores contra surtos HAW569 para instrumentação de processo em campo, como o HAW569-CB2C para cabos de alimentação e de sinal e o HAW569-DA2B, para cabos de sinal (Figura 5)

Figura 5: HAW569-CB2C para cabos de energia e de sinal (parte superior) e HAW569-DA2B para cabos de sinal (parte inferior). (Fonte da imagem: Endress+Hauser)

A instalação recomendada para máxima disponibilidade inclui (Figura 6):

1. Sensor de nível hidrostático Waterpilot FMX11
2. Protetores contra surtos HAW
3. Unidade de exibição e avaliação com uma entrada para um sinal de sensor de 4 a 20 mA
4. Fonte de alimentação

Figura 6: Diagrama de blocos da instalação do Waterpilot FMX mostrando as posições dos dois protetores contra surtos (2). (Fonte da imagem: Endress+ Hauser)

A faixa de tensão da fonte de alimentação é de 8 V_CC a 28 V_CC, e o consumo de corrente é de no máximo 22 mA e no mínimo 2 mA. Quando usada em ambientes externos, a fonte de alimentação deve ser alojada em uma caixa de terminais com classificação IP66/IP67. É altamente recomendável usar um disjuntor que atenda aos requisitos da norma IEC 61010.

Os sensores de nível hidrostático Waterpilot FMX11 têm proteção integrada contra polaridade invertida e não serão danificados se os cabos de alimentação forem conectados de forma inadequada. No caso de uma conexão de polaridade invertida, o dispositivo não estará operacional.

Níveis de integridade de segurança e atmosferas explosivas

Os sensores de nível hidrostático também precisam operar com segurança, mesmo na presença de atmosferas explosivas. A IEC 61508 define os níveis de integridade de segurança (SILs), e a IEC 61511 é uma adaptação específica da IEC 61508 para o setor de processos. As unidades HAW569 são projetadas para uso em instrumentação de campo e atendem aos requisitos SIL2. Os protetores contra surtos HAW562 destinam-se ao uso em aplicações menos perigosas em armários de equipamentos e estão disponíveis opcionalmente com SIL2.

A situação é semelhante à usada em atmosferas explosivas (Ex). Os protetores contra surtos HAW562 estão disponíveis opcionalmente com aprovações Ex intrinsecamente seguras. Duas certificações Ex comuns são Ex ia e Ex d.

A certificação Ex ia oferece proteção intrinsecamente segura que garante que a energia interna máxima do dispositivo e sua fiação permaneçam abaixo do nível de energia necessário para causar ignição, mesmo no caso de uma falha. Destina-se ao uso em áreas onde uma mistura de gases explosivos está presente por períodos prolongados ou continuamente e representa um risco significativo.

Os dispositivos com certificação Ex d são projetados para resistir a uma explosão interna sem sofrer danos. Esses dispositivos destinam-se ao uso em áreas críticas, onde é provável que ocorra uma mistura de gases explosivos durante a operação normal, apresentando uma condição de risco intermitente.

As unidades HAW569 projetadas para proteger os cabos de sinal estão disponíveis opcionalmente com aprovação Ex ia, enquanto a aprovação Ex d é uma opção para as unidades projetadas para a proteção simultânea de cabos de sinal e de energia. Os protetores contra surtos HAW562 também estão disponíveis com aprovações intrinsecamente seguras Ex opcionais.

Conclusão

Há várias aplicações para sensores de nível hidrostático, incluindo o controle de processos e o gerenciamento de inventário em plantas de processamento de água potável, bem como o monitoramento de fontes de água, como poços, rios, lagos e reservatórios, para garantir a disponibilidade e a sustentabilidade da água. As plantas de processamento de água potável são infraestruturas críticas e devem ser protegidas adequadamente para garantir a operação contínua.

Os sensores de nível hidrostático Waterpilot FMX11 são fabricados com materiais aprovados pela FDA para aplicações de água potável e têm várias aprovações internacionais relacionadas. A Endress+Hauser também recomenda o uso de protetores contra surtos e oferece modelos com desempenho SIL2 e certificações Ex ia e Ex d para os sensores Waterpilot FMX11.