使用静压液位传感器提高淡水处理效率

洁净的淡水至关重要。饮用水处理厂几乎随处可见。为了高效运行，这些工厂需要监测水井、储水箱、河流、水库和其他区域的现有水位。

根据不同的应用和运行条件，可以使用浮子等机械装置或静压液位传感器等固态装置来监测水位。有些技术更适合“点式液位”应用，用来监测具体的液位阈值并防止溢出。相比之下，其他仪器则适用于过程控制和库存管理系统中的连续液位测量。

本文首先概述点式液位和连续液位监控应用。然后介绍静压液位传感器的工作原理，并介绍这些传感器在饮用水处理厂中的一些用途。

本文简要介绍美国环境保护局 (EPA) 如何使用“取水登记”法来跟踪淡水消耗情况，然后介绍 Endress+Hauser 的一些在售静压液位传感器。最后，就如何将传感器集成到饮用水处理设施等关键基础设施装置中提出了应用建议。

浮动液位传感器是一种简单的机械装置。浮子随着水位变化而上升或下降。浮子的升降动作会打开或关闭一个机械开关，以指示何时通过了特定的水位。这种传感器通常用于防止水箱太满而溢出水，或水箱太低而损坏水泵或其他设备。

静压液位传感器可连续测量水位。这种传感器通常用于淡水处理厂的储水和水处理的罐或池。当水罐注水或排水时，静压液位传感器上方的水的重量会发生变化，传感器会产生与高度相关的输出（图 1）。因此，这种传感器特别适用于过程控制应用。

图 1：浮动传感器上下移动（左），可监测储水罐中的特定水位，而静压传感器则固定不动，用于连续监测水位（右）。（图片来源：Endress+ Hauser）

静压液位传感器测量传感器底部隔膜上方的水柱压力。不可压缩的液压油将压力从隔膜传递到传感器机构。液压油和水之间的表面界面相对较大，压力集中在到达传感器机构的较小圆柱上。检测装置由惠斯通电桥组成，当基板发生偏转时，电阻会发生变化（图 2）。

图 2：典型静压液位传感器的内部结构（左）和惠斯通电桥检测机构的偏转（右）。（图片来源：Endress+ Hauser）

静压液位传感器不仅可靠性高，而且安装成本极低。这种传感器的应用范围很广，从确保高效运行的淡水处理厂，到监测当地水生态系统以确保长期供水。

淡水处理

取水是提供饮用水的第一步。这是从任何水源取水的过程。使用静压水位传感器等设备对可用水量进行密切监测。

其余的淡水处理细节会因为当地的法规有所不同，但整个工厂都需要监测水位。一些常见的步骤如下（图 3）：

• 混凝是通过向水中添加带正电荷的化学物质，中和污垢和其他溶解颗粒上的负电荷。
• 絮凝涉及第二个化学过程。在该过程中，凝结的颗粒会形成更大的称为絮团的颗粒。
• 沉淀是指絮状物沉淀到水底，然后将沉淀物清除。
• 过滤是指通过各种过滤器除去残余的溶解微粒和病菌。
• 消毒使用氯或氯胺来杀死寄生虫、细菌、病毒和病菌。
• 储水和配水。淡水处理是一个连续过程，但在大多数城市，用水高峰出现在早晨和傍晚，这就需要大型储水设施来满足淡水需求。

图 3：饮用水处理包含许多必须密切监控的过程，以确保水质，符合法律规定。（图片来源：Endress+Hauser）

取水登记

要确保淡水处理的效率，就必须有充足的水源。根据环境法规定，必须从天然水源中提取原水，以避免破坏当地的水平衡。

按照欧洲《水框架指令》的规定，必须保持足够的水位和流量，其重点是对自然水资源进行定量和定性管理。美国环保局也有类似的目标，并要求密切监控取水情况。

环保局收集有关取水量和放水量的信息，以评估是否存在过度取水的风险。具体数据会在年度 抽取登记中给出。静压水位传感器是监测当地水生态系统健康状况的重要工具。

静压液位传感器

静压液位传感器用途广泛。典型应用：

• 监测河流、湖泊、测量站和水库的水位
• 确保水塔和储水箱中的饮用水充足
• 测量水井的水位

Endress+Hauser 的 Waterpilot FMX11 潜水式静压液位传感器的直径仅为 22 mm，结构紧凑且易于集成。这种传感器提供 4 mA 至 20 mA 输出信号，并兼容数据记录器、面板仪表、可编程逻辑控制器 (PLC) 和其他过程控制设备。

Waterpilot FMX11 静压液位传感器通过了多项饮用水认证，包括美国国家卫生基金会 61 (NSF-61)、法国卫生认证 (ACS) 和德国 TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser。

这种传感器的外壳采用 316 合金不锈钢制成，经美国食品和药物管理局 (FDA) 批准可用于饮用水。屏蔽式延长电缆包括一个带有特氟龙 (Teflon) 过滤器的大气压补偿导管，并采用耐磨型抗紫外线 (UV) 热塑性弹性体 (TPE) 外套。此外，TPE 和 Teflon 均经美国食品及药物管理局批准可用于饮用水的应用（图 4）。

图 4：Waterpilot 静压液位传感器获得了饮用水应用领域的多项国际认证，并采用经 FDA 批准的材料制造。（图片来源：DigiKey）

一般技术规格：

• 工作温度范围为 -10°C 至 +70°C
• IP68 防护等级
• 传感器测量范围 ≥ 400mbar 时，精确度 ≤ ±0.35
• 传感器测量范围 < 400mbar 时，精确度 ≤ ±0.50%
• cULus 认证

在售型号：

• FMX11-CA11DS06，检测范围为 0 bar 至 0.2 bar（6.7 ft 水柱），电缆长度为 6 m
• FMX11-CA11FS10，检测范围为 0 bar 至 0.4 bar（13.4 ft 水柱），电缆长度为 10 m
• FMX11-CA11GS20，检测范围为 0 bar 至 0.6 bar（20.1 ft 水柱），电缆长度为 10 m
• FMX11-CA11HS20，检测范围为 0 bar 至 1 bar（33.5 ft 水柱），电缆长度为 20 m
• FMX11-CA11KS30，检测范围为 0 bar 至 2 bar（66.9 ft 水柱），电缆长度为 30 m

最大限度地提高水处理厂的利用率

饮用水处理厂是重要的基础设施，需要高度可靠。Waterpilot FMX11 传感器根据 EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5 的电磁兼容性 (EMC) 准则进行测试，该准则规定了电源浪涌承受能力的测试要求和方法。

不过，基本的电磁兼容性测试只涵盖主电源线上最高 2 kV 的浪涌或信号线上最高 1 kV 的浪涌。这对于关键基础设施来说可能是不够的，因为即使是间接雷击或开关操作也会在几个微秒内产生高达 10 千伏的浪涌。

为确保水处理厂的利用率，Endress+Hauser 建议使用浪涌放电器。浪涌放电器可安装在控制柜的 DIN 导轨上，也可直接安装在现场外壳中：

• HAW562 浪涌放电器（如 HAW562-AAD）用于保护控制柜中的电源和通信线路
• 用于过程现场仪表的 HAW569 浪涌放电器：如用于电源和信号电缆的 HAW569-CB2C、用于信号电缆的 HAW569-DA2B（图 5）

图 5：HAW569-CB2C 用于电源和信号电缆（上），HAW569-DA2B 用于信号电缆（下）。（图片来源：Endress+Hauser）

为达到最大利用率，建议采用如下安装方式（图 6）：

1. Waterpilot FMX11 静压液位传感器
2. HAW 浪涌放电器
3. 带 4 mA 至 20 mA 传感器信号输入的显示和评估装置
4. 电源

图 6：Waterpilot FMX 安装框图，显示两个浪涌放电器 (2) 的位置。（图片来源：Endress+ Hauser）

电源电压范围为 8 V_DC 至 28 V_DC，电流消耗最大 22 mA，最小 2 mA。室外使用时，电源应安装在 IP66/IP67 级接线盒中。强烈建议使用符合 IEC 61010 标准的断路器。

Waterpilot FMX11 静压液位传感器集成了反极性保护功能，即使电源线连接不正确也不会造成损坏。如果极性反接，设备将无法运行。

安全完整性等级和爆炸性气体环境

即使在爆炸性气体环境下，静压液位传感器也能安全运行。IEC 61508 定义了安全完整性等级 (SIL)，而 IEC 61511 则是 IEC 61508 针对流程工业的特定应用经过调整的版本。HAW569 设备设计用于现场仪表，符合 SIL2 要求。HAW562 浪涌放电器适用于设备柜中危险性较低的应用，并可选配 SIL2 功能。

这种情况与在爆炸性 (Ex) 环境中使用的情况类似。HAW562 浪涌放电器可选配 Ex 本安认证。常见的两种 Ex 认证是 Ex ia 和 Ex d 认证。

Ex ia 认证可提供本质安全保护，确保即使在发生故障时，设备及其线路的最大内能仍低于引起燃烧所需的能量水平。该认证适用于长时间或持续存在爆炸性气体混合物并构成重大危险的区域。

Ex d 认证型设备可承受内部爆炸而不受损害。这些装置用于在正常运行期间可能会出现爆炸性气体混合物且呈现间歇性危险状态的关键区域。

专为保护信号电缆而设计的 HAW569 装置可选择 Ex ia 认证版本，而专为同时保护信号电缆和电源电缆而设计的 HAW569 装置则可选配 Ex d 认证版本。HAW562 浪涌放电器还可选择 Ex 本安认证版本。

结论

静压液位传感器应用广泛，包括饮用水处理厂的过程控制和库存管理，以及监测水井、河流、湖泊和水库等水源，以确保水的可用性和可持续性。饮用水处理厂是重要的基础设施，必须得到充分保护，以确保持续运行。

Waterpilot FMX11 静压液位传感器采用经 FDA 批准的饮用水应用材料制造，并通过了多项相关国际认证。Endress+Hauser 还建议使用浪涌放电器，并为 Waterpilot FMX11 传感器提供具有 SIL2 性能以及获得 Ex ia 和 Ex d 认证的型号。