Mesurer le débit d'eau pour améliorer le rendement et l'efficacité du traitement

La surveillance et la mesure du débit et du volume d'eau sont nécessaires pour améliorer le rendement et la durabilité des centrales électriques et énergétiques, des exploitations agricoles et minières, des installations de traitement des eaux et des eaux usées industrielles et municipales, de la transformation alimentaire et d'opérations similaires.

Les concepteurs de réseaux d'eau disposent de plusieurs outils pour quantifier l'eau disponible et son débit. Ces outils minimisent ou éliminent le contact direct avec l'eau pour maintenir son état de pureté. Les débitmètres électromagnétiques constituent un moyen sans contact de quantifier l'eau qui s'écoule. Le niveau d'eau dans les réservoirs de stockage peut être mesuré à l'aide de capteurs sans contact tels que des conceptions à ultrasons et radar. Une troisième alternative est fournie par les capteurs de mesure de niveau de pression hydrostatique scellés, certifiés pour les applications d'eau potable.

Cet article passe en revue le fonctionnement et les avantages des débitmètres électromagnétiques et des capteurs de pression hydrostatique, et compare le fonctionnement et les applications des capteurs de niveau sans contact tels que les conceptions à ultrasons et radar d'Endress+Hauser. Il explique ensuite comment un gestionnaire de données peut enregistrer, afficher et surveiller les opérations, et comment IO-Link peut rapidement et efficacement constituer un système complet de surveillance de l'eau, en utilisant une chaîne de transformation alimentaire comme exemple d'application.

La loi d'induction de Faraday décrit le principe de fonctionnement des transformateurs, des inductances, des générateurs et des capteurs de débit électromagnétiques. Dans un débitmètre électromagnétique, les particules chargées électriquement dans le fluide mesuré traversent un champ magnétique créé par deux bobines de champ et une tension est induite. La tension induite est mesurée avec deux électrodes de mesure (Figure 1).

Figure 1 : Dans un débitmètre électromagnétique, les particules chargées électriquement dans un liquide (flèche bleue) circulent entre deux bobines de champ (lignes rouges), et les sondes mesurent la tension induite (lignes vertes). (Source de l'image : Endress+Hauser)

La tension induite est directement proportionnelle à la vitesse et au volume du flux. Une tension continue (CC) pulsée génère le champ magnétique. En alternant la polarité de la tension CC, un point zéro stable est établi, ce qui rend les mesures de débit non sensibles aux liquides à faible conductivité ou inhomogènes.

Les débitmètres électromagnétiques Picomag série DMA50 conviennent à une large gamme d'applications. L'écran TFT couleur 1,4 pouce (po) avec rétroéclairage pivote automatiquement en fonction de l'orientation et du sens du débit, simplifiant ainsi l'installation. Ces compteurs peuvent mesurer simultanément le débit, la température et la conductivité. Une précision de mesure de débit de ±0,5 % peut être obtenue sur une large plage de débits.

Le modèle DMA20-AAACA1 présente une plage de mesure de 0,1 à 50 litres par minute (l/min) et une pression maximum de 232 livres par pouce carré (psi). Il offre une connexion ¾ po et une plage de températures de fonctionnement de -10°C à +60°C. Comme tous les débitmètres électromagnétiques Picomag DMA50, il est doté d'une connectivité IO-Link. Le Bluetooth est activé via l'application SmartBlue d'Endress+Hauser, qui simplifie et accélère l'utilisation, la maintenance et la mise en service, même dans les endroits difficiles d'accès (Figure 2).

Figure 2 : Exemple d'un débitmètre électromagnétique Picomag DMA50 mesurant le débit (l/min) et la conductivité (µS/cm). (Source de l'image : Endress+Hauser)

Le modèle DMA20-AAACA1 est doté de joints toriques en fluoroélastomère (FKM) qui résistent aux produits chimiques et aux conditions thermiques excessives et prennent en charge les processus automatisés de nettoyage en place (clean-in-place ou CIP) et de stérilisation en place (sterilization-in-place ou SIP) utilisés pour nettoyer et stériliser les machines, les cuves ou les tuyaux sans démontage.

D'autres modèles comme le DMA50-AAABA1 sont dotés de joints toriques en éthylène-propylène-diène (EPDM) qui résistent à l'ozone, au soleil et aux intempéries. Les applications typiques des débitmètres électromagnétiques Picomag incluent les suivantes :

• Fours industriels refroidis par de l'eau circulant dans plusieurs conduites de refroidissement
• Systèmes de transformation alimentaire à double paroi devant mesurer le débit d'eau de chauffage et de refroidissement
• Le nettoyage de conteneurs tels que des bouteilles et les processus de pasteurisation bénéficient de la surveillance de la température, de l'alimentation et de l'évacuation de l'eau pour maximiser l'utilisation efficace de l'eau

Détection de niveau ToF à ultrasons ou radar

Les capteurs de niveau à ultrasons et radar mettent en œuvre des mesures de temps de vol (ToF) basées sur la vitesse du son et de la lumière, respectivement. Les ondes ultrasoniques sont réfléchies par le changement de densité entre l'air et la surface du matériau à mesurer. Les capteurs radar émettent des micro-ondes réfléchies en fonction du passage d'un milieu à faible diélectrique (faible ε_r) tel que l'air à un matériau à diélectrique plus élevé.

Dans les applications telles que les commandes de pompes et les alarmes de niveau, les capteurs de niveau à ultrasons série Prosonic FMU30 sont conçus pour mesurer sans contact le niveau des fluides, y compris les eaux potables et usées, les pâtes et les matériaux en vrac grossiers. Comme il s'agit d'une technologie sans contact, ces capteurs nécessitent une maintenance minimale. Ils ne sont pas sensibles à la constante diélectrique et à la densité du matériau, ni à l'humidité environnante.

La plage de mesure des capteurs FMU30 dépend de la taille du capteur. Ils sont proposés en deux tailles : les capteurs de 1½ po comme le FMU30-AAHEAAGGF ont une portée de 5 m dans les fluides et de 2 m dans les matériaux en vrac, tandis que les capteurs de 2 po ont une portée de 8 m dans les fluides et de 3,5 m dans les matériaux en vrac.

Les capteurs FMU30 présentent une plage de températures de fonctionnement de -20°C à +60°C. Ils utilisent le principe ToF pour mesurer la distance. Cependant, la vitesse du son, et donc le temps de vol, varient avec la température. Les capteurs à ultrasons FMU30 sont dotés d'un capteur de température intégré et compensent automatiquement les changements de température pour garantir des mesures précises et reproductibles.

Capteurs radar de niveau

Les capteurs radar de niveau Micropilot FMR10 sont optimisés pour une utilisation avec des matériaux ayant une valeur ε_r d'au moins 4. Ils conviennent aux mesures de niveau dans les réservoirs de stockage, les bassins ouverts, les arbres de pompe, les systèmes de canaux et autres applications similaires. Le câblage hermétiquement scellé empêche la pénétration d'eau (Figure 3). Ils disposent d'une connectivité Bluetooth pour accélérer la mise en service à l'aide de smartphones et de tablettes. Les fonctionnalités et les spécifications incluent :

• Fréquence, bande K (environ 26 GHz)
• Plage de mesure jusqu'à 12 m
• Précision jusqu'à ±5 mm
• Pression de processus de -1 bar à 3 bar (-14 psi à 43 psi)
• Température de processus de -40°C à +60°C

Figure 3 : Capteur radar de niveau hermétiquement scellé avec portée atteignant 12 m. (Source de l'image : DigiKey)

Mesures de niveau hydrostatique

La surveillance de la disponibilité en eau douce dans les rivières, les lacs, les réservoirs, les châteaux d'eau et les puits peut être importante pour une gestion efficace de l'eau. Dans ces applications, les concepteurs de systèmes de gestion de l'eau peuvent se tourner vers des dispositifs de mesure de niveau hydrostatique comme les sondes hydrostatiques FMX11 certifiées pour les applications d'eau potable (Figure 4). Les fonctionnalités et spécifications des dispositifs FMX11 incluent les suivantes :

• Grâce à leur taille compacte avec un diamètre de 22 mm (0,87 po), ces sondes conviennent aux applications telles que les puits de forage et les bassins de tranquillisation de petit diamètre
• Plage de températures de fonctionnement de -10°C à +70°C
• Plage de mesure de 0 bar à 2 bar, 20 m H20 et de 0 psi à 30 psi, selon le modèle ; le modèle FMX11-CA11FS10 peut mesurer jusqu'à 0,6 bar (8,7 psi)
• Précision jusqu'à ±0,35 %
• Les approbations pour l'eau potable incluent l'Attestation de conformité sanitaire (ACS) pour la France,
• NSF/ANSI 61 pour les États-Unis et deux certifications allemandes, Kunststoff-Trinkwasser (KTW) et Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• Communication analogique de 4 à 20 mA

Figure 4 : Les capteurs hydrostatiques tels que celui-ci sont approuvés pour une utilisation avec de l'eau potable. (Source de l'image : DigiKey)

Gestion des données

Quels que soient les paramètres surveillés — débit, température, niveau ou autre — et la technologie utilisée, les données résultantes doivent être capturées et affichées dans un format prenant en charge la gestion des processus. Les concepteurs de systèmes peuvent se tourner vers le gestionnaire de données universel Ecograph T RSG35 qui enregistre, affiche et surveille les signaux d'entrée analogiques ou numériques. De plus, les valeurs mesurées sont enregistrées en toute sécurité et les valeurs limites peuvent être surveillées.

La version standard est fournie sans entrées de données analogiques. Certains modèles sont fournis avec jusqu'à trois cartes d'entrée optionnelles qui peuvent être ajoutées, chacune avec quatre entrées universelles analogiques pour un total de 4, 8 ou 12 entrées analogiques. Par exemple, le modèle RSG35-C2A est doté de 8 entrées analogiques universelles, d'un jack RJ45 pour faciliter les connexions Ethernet et l'accès Internet, et d'un connecteur USB pour les périphériques et les transferts de données. Comme tous les modèles, le RSG35-C2A comprend 6 entrées numériques.

Le serveur Web intégré aux gestionnaires de données Ecograph T prend en charge la configuration et la visualisation à distance. La version Essential du logiciel Field Data Manager est également incluse et peut être utilisée pour enregistrer des données dans une base de données SQL sécurisée, stockée dans la mémoire interne ou sur une carte SD séparée pour l'analyse. L'écran couleur TFT de 5,7 pouces peut afficher les valeurs mesurées en quatre groupes, avec des affichages numériques, à barres et à courbes (Figure 5). Les fonctionnalités supplémentaires incluent :

• Fréquence de balayage de 100 ms pour tous les canaux
• Utilisation via le navigateur intégré (bouton jog/shuttle) ou utilisation conviviale avec un PC via le serveur Web intégré
• Des notifications e-mail peuvent être envoyées en cas d'alarmes et de dépassements de limites
• La prise en charge d'interfaces telles qu'Ethernet, RS232/485 et USB, et la fonction esclave en option pour Modbus RTU/TCP accélèrent l'intégration dans les systèmes d'automatisation industrielle
• L'application WebDAV permet de transmettre les données enregistrées sur la carte SD directement vers un PC via HTTP sans logiciel supplémentaire.

Figure 5 : Ce gestionnaire de données peut afficher les valeurs de quatre paramètres et envoyer les données vers un ordinateur externe à l'aide de son serveur Web intégré. (Source de l'image : DigiKey)

IO-Link et skids

IO-Link est standardisé dans la norme 61131-9 de la Commission électrotechnique internationale (CEI), « Interface de communication numérique point à point pour petits capteurs et actionneurs (SDCI) ».

Les skids (systèmes de traitement modulaires dans un cadre, ce qui les rend plus faciles à transporter et à installer) sont souvent utilisés dans la transformation alimentaire, la construction de machines générales et les applications des sciences de la vie.

Un skid typique inclut moins de 50 dispositifs de terrain tels que des capteurs de débit, des interrupteurs marche/arrêt, des vannes, des transducteurs de pression, des variateurs de fréquence, des pompes, etc. Les skids s'appuient souvent sur la connectivité IO-Link. Les skids incluent parfois une interface homme-machine comme un écran plat pour les interactions locales, et se connectent au système d'automatisation de l'usine de niveau supérieur à l'aide d'un protocole Industrial Ethernet comme EtherNet/IP ou PROFINET. Une architecture skid typique comprend (Figure 6) :

• Un système de contrôle externe ➊ qui utilise un protocole comme EtherNet/IP ou PROFINET (lignes vertes) pour connecter les contrôleurs dédiés de chaque skid afin de coordonner leurs opérations.
• Dans les opérations auxiliaires comme les échangeurs thermiques, des dispositifs tels que des capteurs de débit électromagnétiques Picomag ➋ utilisent IO-Link (lignes rouges) pour fournir des données de processus supplémentaires et augmenter le rendement et la disponibilité.
• Une connexion maître IO-Link ➌ collecte les informations des capteurs et actionneurs individuels et les transmet au contrôleur skid à l'aide d'un protocole tel qu'EtherNet/IP ou PROFINET. Le maître IO-Link peut également communiquer les commandes du contrôleur skid à des dispositifs tels que des vannes et des actionneurs.
• Les dispositifs à quatre fils qui ne peuvent pas se connecter à l'aide d'un connecteur IO-Link à trois fils ➍ se connectent directement au contrôleur skid via un protocole de niveau terrain comme EtherNet/IP ou PROFINET.

Figure 6 : IO-Link (lignes rouges) est utilisé pour la communication interne sur un skid, et le protocole EtherNet/IP ou PROFINET (lignes vertes) est utilisé à la fois pour la communication interne et la connectivité externe. (Source de l'image : Endress+Hauser)

Conclusion

La surveillance et la mesure de la quantité d'eau et du mouvement de l'eau sont importantes dans diverses applications. Heureusement, les concepteurs de systèmes de gestion de l'eau disposent de plusieurs outils, notamment des débitmètres électromagnétiques, des capteurs de niveau à ultrasons et radar, des capteurs de niveau hydrostatique et des gestionnaires de données. Ces dispositifs, ainsi que la connectivité IO-Link, sont souvent utilisés pour construire des skids modulaires pour des applications telles que la transformation alimentaire.