如何测量水的流量以提高处理效果和效率

要提高发电厂和能源工厂、农业和采矿业、工业和市政供水及废水处理设施、食品和饮料加工以及类似业务的效率和可持续性，就必须对水流量和体积进行监控和测量。

水系统设计人员可以利用几种工具来量化可用水及其流量。这些工具最大限度减少或者消除了与水的直接接触，以保持其纯净状态。电磁流量计（磁流量计）提供了一种非接触式流动水量化方法。储水箱中的水位可使用非接触式传感器进行测量，例如基于超声波和雷达的设计。第三种选择是使用通过饮用水应用认证的密封式静压液位测量传感器。

本文回顾了磁流量计和静压传感器的原理及使用优点，并比较了 Endress+Hauser 基于超声波和雷达的设计等非接触式液位传感器的原理和应用。然后，以食品和饮料加工生产线为应用实例，讨论了数据管理器如何记录、显示和监控运行，以及 IO-Link 如何快速高效地整合出完整的水监控系统。

法拉第电磁感应定律描述了变压器、电感器、发电机和磁流量传感器的工作原理。在磁流量计中，被测流体中的带电粒子会流经两个磁场线圈产生的磁场，并感应出电压。此感应电压由两个测量电极进行测量（图 1）。

图 1：在磁流量计中，液体中的带电粒子（蓝色箭头）在两个磁场线圈（红线）之间流动，探头测量感生电压（绿线）。（图片来源：Endress+Hauser）

感应电压与流速和流量成正比。脉冲直流 (DC) 电压产生磁场。通过交替改变直流电压的极性，可建立稳定零点，使流量测量对低电导率或不均匀液体不敏感。

Picomag DMA50 系列磁流量计适用于各种应用。带背光的 1.4 英寸 TFT 彩色显示屏可根据方向和流向自动旋转，从而简化了安装。这些仪表可同时测量流量、温度和电导率。可在宽泛的流速范围内实现 ±0.5% 的流量测量精度。

DMA20-AAACA1 型的测量范围为 0.1 至 50 L/min，最大压力为 232 PSI。其采用 ¾ 英寸接头，工作温度范围为 -10°C 至 60°C。与所有 Picomag DMA50 系列磁流量计一样，该型号具有 IO-Link 连接功能。通过 Endress+Hauser 的 SmartBlue 应用程序启用蓝牙，即使在具有挑战性的位置，也能简化和加快操作、维护和调试（图 2）。

图 2：可测量流量 (L/min) 和电导率 (µS/cm) 的 Picomag DMA50 系列磁流量计的示例。（图片来源：Endress+Hauser）

DMA20-AAACA1 型采用耐化学腐蚀和过热条件的氟橡胶 (FKM) O 形圈，支持就地清洁 (CIP) 和就地灭菌 (SIP) 自动化流程，无需拆解即可对机械、容器或管道进行清洁和灭菌。

DMA50-AAABA1 等其他型号的三元乙丙橡胶 (EPDM) O 形圈可抵御臭氧、日照和天候老化。Picomag 磁流量计的典型应用包括：

• 工业烤箱，其中冷却水流过多条冷却管路对其进行冷却
• 双水套食品加工系统，必须测量其中加热和冷却水的流量
• 瓶类容器的清洁以及巴氏灭菌工艺，受益于监控水温、供水和排水，以最大限度地提高水的使用效率

超声波与雷达 ToF 液位感测

超声波和雷达液位传感器分别根据声速和光速进行飞行时间 (ToF) 测量。超声波通过空气与待测材料表面之间的密度变化进行反射。雷达传感器有时也被称为自由空间雷达，其发射的微波根据从低介电（低 _εr）介质（如空气）向高介电材料的偏移而反射。

在泵控制器和液位报警等应用中，Prosonic FMU30 系列超声波液位传感器设用于饮用水和废水、糊状物和粗颗粒散装物料等流体的非接触式测量。由于采用非接触式技术，这些传感器的维修需求极低。它们对材料的介电常数和密度或环境湿度不敏感。

FMU30 传感器的测量范围取决于传感器的尺寸。它们有两种尺寸：1½ 英寸传感器（如 FMU30-AAHEAAGGF）的流体测量范围为 5 米，散装物料测量范围为 2 米，而 2 英寸传感器的流体测量范围为 8 米，散装物料测量范围为 3.5 米。

FMU30 传感器的工作温度范围为 -20°C 至 +60°C。它们利用 ToF 原理测量距离。然而，声速（因此，ToF）会随温度变化。FMU30 超声波传感器集成了温度传感器，可自动补偿温度变化，从而确保测量的准确性和可重复性。

雷达液位传感器

Micropilot FMR10 系列雷达液位传感器经过优化，可用于 _εr 至少为 4 的材料。这些传感器适用于储罐、露天水池、泵井、运河系统和类似应用中的液位测量。密封式接线可防止进水（图 3）。具有蓝牙连接功能，可使用智能手机和平板电脑进行调试，从而加快调试速度。其他特性和规格包括：

• K 波段频率（约 26 GHz）
• 测量范围高达 12 m
• 精度高达 ±5 mm
• 工作压力：-1 bar 至 3 bar（-14 psi 至 43 psi）
• 工作温度：–40°C 至 +60°C

图 3：密封式雷达液位传感器，测量范围可达 12 米。（图片来源：DigiKey）

静压液位测量

监测河流、湖泊、水库、水塔和水井中的可用淡水储量对于有效管理水资源非常重要。在这些应用中，水管理系统设计人员可以采用静压液位测量设备，例如通过饮用水应用认证的 FMX11 静压探头（图 4）。FMX11 的特性和规格包括：

• 这些探头外形小巧，直径为 22 mm (0.87”)，适合钻孔和小直径静水井等应用场合
• 工作温度范围为 -10°C 至 +70°C
• 测量范围为 0 bar 至 2 bar（20 米水）和 0 psi 至 30 psi（取决于型号）；FMX11-CA11FS10 型的测量范围最高可达 0.6 bar (8.7 psi)
• 精度高达 ±0.35%
• 饮用水认证包括法国 Attestation De Conformite Sanitaire (ACS)、美国
• NSF/ANSI 61 及两项德国认证 Kunststoff-Trinkwasser (KTW) 和 Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• 4 至 20 mA 模拟通信

图 4：此类静压传感器通过了饮用水应用认证。（图片来源：DigiKey）

管理数据

无论监测的参数是流量、温度、液位还是其他参数，无论采用何种技术，产生的数据都必须以支持过程管理的格式采集和显示。系统设计人员可以采用 Ecograph T RSG35 通用数据管理器来记录、显示和监测模拟或数字输入信号。此外，还可安全保存测量值并监测限值。

标准版不带模拟数据输入端。部分型号最多可添加三块可选输入卡，每块输入卡有 4 个模拟通用输入，总共可提供 4 个、8 个或 12 个模拟输入。例如，RSG35-C2A 型有 8 个通用模拟输入、一个方便以太网连接和互联网接入的 RJ45 插孔和一个用来连接外设和传输数据的 USB 接口。与所有型号一样，RSG35-C2A 也包括 6 个数字输入。

Ecograph T 数据管理器中的集成 Web 服务器支持远程配置和可视化。还包括基础版 Field Data Manager 软件，该软件可用于将数据保存在存储于内部存储器的安全 SQL 数据库中或者保存到单独的 SD 卡中，以供分析之用。5.7 英寸 TFT 彩色屏幕可显示四组测量值，包括数字、条形图和曲线显示（图 5）。其他特性包括：

• 所有通道的扫描速率均为 100 ms
• 使用集成导航装置（飞梭旋钮）进行操作，或者在 PC 上使用集成 Web 服务器进行用户友好型操作
• 出现警报和超过限值时可发送电子邮件通知
• 支持以太网、RS232/485、USB 等接口，并配备可选的 Modbus RTU/TCP 从站功能，可加快与工业自动化系统的集成速度
• WebDAV 应用程序能够将保存在 SD 卡上的数据直接通过 HTTP 传输到 PC，无需其他软件。

图 5：该数据管理器可显示四个参数的数值，并可通过集成 Web 服务器将数据发送到外部计算机。（图片来源：DigiKey）

IO-Link 和橇块

IO-Link 在国际电工委员会 (IEC) 61131-9 标准中被标准化，称为“小型传感器和执行器的单点数字通信接口 (SDCI)”。

橇块（装在框架内的模块化处理系统，便于运输和安装）通常用于食品和饮料加工、通用机械制造和生命科学应用领域。

典型的橇块包括不到 50 个现场器件，如流量传感器、开关、阀门、压力传感器、变频驱动器、泵等。橇块通常依靠 IO-Link 连接。撬块有时包括一个人机界面（如用于本地交互的平板显示器），并使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等工业以太网协议连接到上一级工厂自动化系统。典型的橇块结构包括（图 6）：

• 外部控制系统 ➊，使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等协议（绿线）连接到橇块的每个专用控制器，以协调其运行。
• 在热交换器等辅助操作中，Picomag 磁流量传感器 ➋ 等器件使用 IO-Link（红线）提供额外的过程数据，并提高效率和正常运行时间。
• IO-Link 主设备连接 ➌ 采集各个传感器和执行器的信息，并通过 EtherNet/IP 或 PROFINET 等协议传输到橇块控制器。IO-Link 主设备还可以将橇块控制器的命令传达给阀门和执行器等器件。
• 对于无法使用三线 IO-Link 连接器 ➍ 连接的四线器件，可使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等现场级协议直接连接到橇块控制器。

图 6：IO-Link（红线）用于橇块内部通信，EtherNet/IP 或 PROFINET（绿线）用于内部通信和外部连接。（图片来源：Endress+Hauser）

结语

监测和测量水的数量和流动情况在各种应用中都非常重要。幸运的是，水管理系统设计人员可以使用多种工具，包括磁流量计、超声波和雷达液位传感器、静压液位传感器以及数据管理器。这些器件以及 IO-Link 连接通常用于为食品和饮料加工等应用构建模块化撬块。