Utiliser des capteurs de niveau hydrostatique pour améliorer l'efficacité du traitement de l'eau douce

L'eau douce propre et saine est vitale. On trouve des usines de traitement de l'eau potable presque partout. Pour fonctionner efficacement, ces usines doivent surveiller le niveau d'eau disponible dans les puits, les réservoirs de stockage, les rivières, les bassins de retenue et d'autres zones.

Selon l'application et les conditions de fonctionnement, les niveaux d'eau peuvent être surveillés à l'aide de dispositifs mécaniques tels que des flotteurs ou de dispositifs à semi-conducteurs tels que des capteurs de niveau hydrostatique. Certaines technologies conviennent mieux aux applications ponctuelles pour surveiller des seuils de niveau spécifiques et prévenir les déversements. En revanche, d'autres sont adaptées aux mesures de niveau en continu dans les systèmes de contrôle des processus et de gestion des stocks.

Cet article commence par un aperçu des applications de surveillance ponctuelle et continue. Il présente ensuite les principes de fonctionnement des capteurs de niveau hydrostatique et passe en revue certaines utilisations de ces capteurs dans les usines de traitement de l'eau potable.

Il examine brièvement comment l'agence américaine de protection de l'environnement EPA (Environmental Protection Agency) suit la consommation d'eau douce à l'aide d'un « registre d'abstraction » puis s'intéresse à certains capteurs de niveau hydrostatique d'Endress+Hauser. Il se termine par des suggestions d'application lors de l'intégration de capteurs dans des infrastructures critiques telles que les installations de traitement de l'eau potable.

Les capteurs de niveau à flotteur sont des dispositifs mécaniques simples. Le flotteur monte et descend en fonction du niveau de l'eau. Ce mouvement ouvre et ferme un commutateur mécanique qui indique quand un niveau d'eau spécifique a été dépassé. Ces capteurs sont souvent utilisés pour empêcher les réservoirs d'atteindre un niveau trop haut entraînant des déversements d'eau ou d'avoir un niveau trop bas entraînant des dommages aux pompes ou à d'autres équipements.

Les capteurs de niveau hydrostatique fournissent une mesure continue du niveau d'eau. Ils sont fréquemment utilisés dans les réservoirs et les cuves de stockage et de traitement des usines de traitement de l'eau douce. Lorsque la cuve se remplit ou se vide, le poids de l'eau au-dessus du capteur de niveau hydrostatique change et le capteur produit une sortie en fonction de la hauteur (Figure 1). Ces capteurs sont particulièrement utiles pour les applications de contrôle de processus.

Figure 1 : Les capteurs à flotteur se déplacent de haut en bas (à gauche) et peuvent surveiller des niveaux spécifiques dans un réservoir, tandis que les capteurs de niveau hydrostatique sont stationnaires et assurent une surveillance continue du niveau (à droite). (Source de l'image : Endress+Hauser)

Les capteurs de niveau hydrostatique mesurent la pression de la colonne d'eau au-dessus du diaphragme situé au bas du capteur. Une huile hydraulique incompressible transmet la pression du diaphragme au mécanisme du capteur. L'interface de surface entre l'huile hydraulique et l'eau est relativement grande, et la pression est concentrée sur une colonne plus petite qui atteint le mécanisme du capteur. Le mécanisme de détection est constitué d'un pont de Wheatstone dont la résistance change lorsque le substrat est incurvé (Figure 2).

Figure 2 : Structure interne d'un capteur de niveau hydrostatique typique (à gauche) et représentation du mécanisme de détection du pont de Wheatstone incurvé (à droite). (Source de l'image : Endress+Hauser)

Les capteurs de niveau hydrostatique combinent une grande fiabilité avec des coûts d'installation très faibles. Leurs applications s'étendent des usines de traitement d'eau douce, où ils garantissent un fonctionnement efficace, à la surveillance des écosystèmes aquatiques locaux pour garantir la disponibilité de l'eau à long terme.

Traitement de l'eau douce

L'abstraction d'eau (prélèvement, extraction et prise d'eau) est la première étape de la distribution de l'eau potable. Il s'agit du processus consistant à prélever de l'eau à partir de n'importe quelle source. La quantité d'eau disponible est surveillée de près à l'aide de dispositifs tels que des capteurs de niveau hydrostatique.

Les autres détails du traitement de l'eau douce varient en fonction des réglementations locales, mais la surveillance des niveaux d'eau est nécessaire dans toute l'usine. Les étapes courantes incluent les suivantes (Figure 3) :

• La coagulation est réalisée en ajoutant à l'eau des produits chimiques ayant une charge positive pour neutraliser la charge négative de la saleté et d'autres particules dissoutes.
• La floculation implique un deuxième processus chimique au cours duquel les particules coagulées forment des particules plus grandes appelées flocs.
• La sédimentation se produit lorsque les flocs se déposent au fond de l'eau et que les boues sont éliminées.
• La filtration consiste à éliminer les particules dissoutes et les germes restants à l'aide de divers filtres.
• La désinfection utilise du chlore ou de la chloramine pour tuer les parasites, les bactéries, les virus et les germes.
• Stockage et distribution. Le traitement de l'eau douce est un processus continu, mais dans la plupart des villes, la consommation d'eau atteint son maximum le matin et le soir, ce qui nécessite de grandes installations de stockage pour adapter la disponibilité de l'eau douce à la demande.

Figure 3 : Le traitement de l'eau potable peut inclure de nombreux processus qui doivent être surveillés de près pour garantir la qualité de l'eau et la conformité aux réglementations légales. (Source de l'image : Endress+Hauser)

Registre d'abstraction

Une disponibilité adéquate en eau est nécessaire pour garantir un traitement efficace de l'eau douce. La législation environnementale contrôle l'abstraction d'eau brute provenant de sources naturelles afin d'éviter de nuire à l'équilibre hydrique local.

En Europe, le maintien de niveaux et de débits d'eau adéquats est dicté par la directive-cadre sur l'eau, qui met l'accent sur la gestion quantitative et qualitative des ressources en eau naturelles. Aux États-Unis, l'EPA a des objectifs similaires et surveille de près l'abstraction d'eau.

L'EPA recueille des informations sur la quantité d'abstraction d'eau, ainsi que des informations sur les rejets d'eau, afin d'évaluer le risque de sur-abstraction. Les données sont communiquées dans un registre d'abstraction annuel. Les capteurs de niveau hydrostatique sont des outils importants pour surveiller la santé des écosystèmes aquatiques locaux.

Capteurs de niveau hydrostatique

Les capteurs de niveau hydrostatique sont des dispositifs très polyvalents. Les applications typiques incluent les suivantes :

• Surveiller les niveaux dans les rivières, les lacs, les stations hydrométriques et les réservoirs
• Garantir la disponibilité d'eau potable dans les châteaux d'eau et les réservoirs de stockage
• Mesurer le niveau d'eau dans les puits

Grâce à leur diamètre compact de 22 mm, les capteurs de niveau hydrostatique submersibles Waterpilot FMX11 d'Endress+Hauser sont faciles à intégrer. Ces capteurs fournissent un signal de sortie de 4 à 20 mA compatible avec les enregistreurs de données, les appareils de tableau, les automates programmables (PLC) et d'autres équipements de contrôle de processus.

Les capteurs de niveau hydrostatique Waterpilot FMX11 bénéficient de plusieurs certifications pour l'eau potable, notamment : National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) aux États-Unis, Attestation de conformité sanitaire (ACS) en France et TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser en Allemagne.

Le boîtier est fabriqué en acier inoxydable 316 et est approuvé pour les applications d'eau potable par la FDA (Food and Drug Administration). Le câble d'extension blindé comprend un tube de compensation de pression atmosphérique avec un filtre en téflon dans une gaine en élastomère thermoplastique (TPE) résistant à l'abrasion et aux ultraviolets (UV). Le TPE et le téflon sont également approuvés par la FDA pour les applications d'eau potable (Figure 4).

Figure 4 : Les capteurs de niveau hydrostatique Waterpilot bénéficient de plusieurs certifications internationales pour les applications d'eau potable, et ils sont fabriqués à partir de matériaux approuvés par la FDA. (Source de l'image : DigiKey)

Spécifications générales :

• Plage de températures de fonctionnement de -10°C à +70°C
• Protection IP68
• Précision ≤ ±0,35 % pour la plage de mesure du capteur ≥ 400 mbar
• Précision de ≤ ±0,50 % pour la plage de mesure du capteur < 400 mbar
• Certification cULus

Modèles disponibles :

• FMX11-CA11DS06 avec une plage de détection de 0 à 0,2 bar (6,7 pieds de colonne d'eau) et un câble de 6 m
• FMX11-CA11FS10 avec une plage de détection de 0 à 0,4 bar (13,4 pieds de colonne d'eau) et un câble de 10 m
• FMX11-CA11GS20 avec une plage de détection de 0 à 0,6 bar (20,1 pieds de colonne d'eau) et un câble de 10 m
• FMX11-CA11HS20 avec une plage de détection de 0 à 1 bar (33,5 pieds de colonne d'eau) et un câble de 20 m
• FMX11-CA11KS30 avec une plage de détection de 0 à 2 bar (66,9 pieds de colonne d'eau) et un câble de 30 m

Maximiser la disponibilité des usines de traitement des eaux

Les usines de traitement de l'eau potable sont des infrastructures critiques et requièrent de hauts niveaux de fiabilité. Les capteurs Waterpilot FMX11 sont testés conformément aux directives de compatibilité électromagnétique (CEM) des normes EN 1000-4-5 / CEI 61000-4-5, qui définissent les exigences et les méthodes pour tester la capacité de résistance aux pointes de puissance.

Cependant, les tests CEM de base ne couvrent que les pointes jusqu'à 2 kV sur les lignes d'alimentation principales ou 1 kV sur les lignes de signaux. Cela peut s'avérer insuffisant pour les infrastructures critiques où même la foudre indirecte ou les opérations de commutation peuvent entraîner des pointes jusqu'à 10 kV en quelques microsecondes.

Endress+Hauser recommande l'utilisation de parasurtenseurs pour garantir la disponibilité de l'installation. Les parasurtenseurs sont disponibles et conçus pour un montage sur rail DIN dans les armoires de commande et pour un montage direct dans les boîtiers de terrain :

• Parasurtenseurs HAW562 comme le HAW562-AAD pour protéger les lignes d'alimentation et de communication dans les armoires de commande
• Parasurtenseurs HAW569 pour les instruments de terrain comme le HAW569-CB2C pour les câbles d'alimentation et de signaux et le HAW569-DA2B pour les câbles de signaux (Figure 5)

Figure 5 : HAW569-CB2C pour câbles d'alimentation et de signaux (en haut) et HAW569-DA2B pour câbles de signaux (en bas). (Source de l'image : Endress+Hauser)

L'installation recommandée pour une disponibilité maximum inclut les éléments suivants (Figure 6) :

1. Capteur de niveau hydrostatique Waterpilot FMX11
2. Parasurtenseurs HAW
3. Unité d'affichage et d'évaluation avec une entrée pour un signal de capteur de 4 à 20 mA
4. Alimentation

Figure 6 : Schéma fonctionnel d'installation du Waterpilot FMX montrant la position des deux parasurtenseurs (2). (Source de l'image : Endress+Hauser)

La plage de tensions de l'alimentation s'étend de 8 V_CC à 28 V_CC, et la consommation de courant est au maximum de 22 mA et au minimum de 2 mA. Lorsqu'elle est utilisée à l'extérieur, l'alimentation doit être logée dans une boîte de jonction répertoriée IP66/IP67. Un disjoncteur répondant aux exigences de la norme CEI 61010 est fortement recommandé.

Les capteurs de niveau hydrostatique Waterpilot FMX11 intègrent une protection contre la polarité inverse et ne seront pas endommagés si les câbles d'alimentation sont mal connectés. En cas d'inversion de polarité, le dispositif n'est pas opérationnel.

Niveaux d'intégrité de sécurité et atmosphères explosives

Les capteurs de niveau hydrostatique doivent également fonctionner en toute sécurité, même en présence d'atmosphères explosives. La norme CEI 61508 définit les niveaux d'intégrité de sécurité (SIL), et la norme CEI 61511 est une adaptation spécifique à l'application de la norme CEI 61508 pour l'industrie de transformation. Les unités HAW569 sont conçues pour une utilisation dans l'instrumentation de terrain et répondent aux exigences SIL2. Les parasurtenseurs HAW562 sont destinés à être utilisés dans des applications moins dangereuses dans les armoires d'équipement et sont disponibles en option avec SIL2.

La situation est similaire à celle utilisée dans les atmosphères explosives (Ex). Les parasurtenseurs HAW562 sont disponibles en option avec des homologations de sécurité intrinsèque Ex. Les deux certifications Ex les plus courantes sont Ex ia et Ex d.

La certification Ex ia offre une protection à sécurité intrinsèque qui garantit que l'énergie interne maximum du dispositif et de son câblage reste inférieure au niveau d'énergie requis pour provoquer une inflammation, même en cas de défaut. Elle s'applique à une utilisation dans les zones où un mélange de gaz explosif est présent pendant des périodes prolongées ou en continu et présente un danger important.

Les dispositifs certifiés Ex d sont conçus pour résister à une explosion interne sans subir de dommages. Ces dispositifs sont destinés à une utilisation dans les zones critiques où un mélange de gaz explosif est susceptible de se former pendant le fonctionnement normal, présentant une condition dangereuse intermittente.

Les unités HAW569 conçues pour protéger les câbles de signaux sont disponibles en option avec l'homologation Ex ia, tandis que l'homologation Ex d est une option sur celles conçues pour la protection simultanée des câbles de signaux et d'alimentation. Les parasurtenseurs HAW562 sont également disponibles avec des homologations de sécurité intrinsèque Ex en option.

Conclusion

Les capteurs de niveau hydrostatique ont plusieurs applications, notamment le contrôle des processus et la gestion des stocks dans les usines de traitement de l'eau potable, ainsi que la surveillance des sources d'eau comme les puits, les rivières, les lacs et les réservoirs pour garantir la disponibilité et la durabilité de l'eau. Les usines de traitement de l'eau potable sont des infrastructures critiques et doivent être protégées de manière adéquate pour garantir un fonctionnement continu.

Les capteurs de niveau hydrostatique Waterpilot FMX11 sont fabriqués à partir de matériaux approuvés par la FDA pour les applications d'eau potable et bénéficient de plusieurs approbations internationales associées. Endress+Hauser recommande également l'utilisation de parasurtenseurs et propose des modèles avec des performances SIL2 et des certifications Ex ia et Ex d pour les capteurs Waterpilot FMX11.