처리 효율성과 효율을 개선하기 위해 물의 흐름을 측정하는 방법

발전소, 농업 및 채굴 작업, 산업 및 도시 용수, 폐수 처리 시설, 식음료 가공 및 이와 유사한 작업의 효율성과 지속 가능성을 개선하려면 유속과 유량을 모니터링하고 측정해야 합니다.

용수 시스템 설계자가 사용 가능한 물과 유속을 평가하기 위해 사용할 수 있는 몇 가지 도구가 있습니다. 이러한 도구는 물과의 직접적인 접촉을 최소화하거나 제거하여 물의 순도를 유지합니다. 전자기 유량계(자기 유량계)를 사용하면 흐르는 물의 유량을 비접촉 방식으로 측정할 수 있습니다. 초음파 및 레이더 기반 설계와 같은 비접촉 센서를 사용하여 저장 탱크의 수위를 측정할 수 있습니다. 세 번째 대안은 음용수 응용 분야용으로 인증된 밀폐형 정수압 레벨 측정 센서입니다.

이 기사에서는 자기 유량계와 정수압 센서의 작동 및 사용 이점을 검토하고 Endress+Hauser의 초음파 및 레이더 기반 설계와 같은 비접촉 레벨 센서의 작동 및 응용 분야를 비교합니다. 그런 다음 데이터 관리자가 작업을 기록, 표시, 모니터링하는 방법과 IO-Link에서 식음료 가공 라인을 응용 예시로 사용하여 전체 용수 모니터링 시스템을 빠르고 효율적으로 결합하는 방법을 살펴봅니다.

패러데이의 유도 법칙은 변압기, 인덕터, 발전기 및 자기 유량 센서의 작동 원리를 설명합니다. 자기 유량계에서는 측정 중인 유체의 하전된 입자가 두 계자 코일에 의해 생성된 자기장을 통과하면서 전압이 유도됩니다. 유도 전압은 두 측정 전극을 통해 측정됩니다(그림 1).

그림 1: 자기 유량계에서 액체의 하전된 입자(파란색 화살표)가 두 계자 코일 사이를 흐르고(빨간색 선) 프로브가 유도 전압을 측정합니다(녹색 선). (이미지 출처: Endress+Hauser)

유도 전압은 유속 및 유량과 정비례합니다. 펄스 직류(DC) 전압은 자기장을 생성합니다. DC 전압의 극성을 교차하여 안정적인 영점을 설정하면 유량 측정이 낮은 전도율 또는 비균질 액체의 영향을 덜 받게 됩니다.

Picomag DMA50 계열 자기 유량계는 다양한 응용 분야에 적합합니다. 1.4" TFT 백라이트 컬러 디스플레이는 방향 및 유량 방향에 따라 자동으로 회전하여 설치를 간소화합니다. DMA50 계열 유량계는 유량, 온도, 전도율을 동시에 측정할 수 있습니다. 광범위한 유량에 대해 ±0.5%의 유량 측정 정확도를 실현할 수 있습니다.

DMA20-AAACA1 모델은 0.1l/min ~ 50l/min의 측정 범위와 최대 232psi의 압력을 지원합니다. 연결 규격은 ¾”이고 작동 온도 범위는 -10°C ~ 60°C입니다. 다른 모든 Picomag DMA50 계열 자기 유량계와 마찬가지로 IO-Link 연결을 지원합니다. Bluetooth가 Endress+Hauser의 SmartBlue 앱을 통해 활성화되어 까다로운 위치에서도 운영, 유지보수, 커미셔닝을 간소화 및 가속화합니다(그림 2).

그림 2: 유량(l/min) 및 전도율(µS/cm)을 측정하는 Picomag DMA50 계열 자기 유량계 예 (이미지 출처: Endress+Hauser)

DMA20-AAACA1 모델의 불화 탄성체(FKM) O링은 화학 물질 및 과도한 열 환경에 대한 내성이 있으며 기계, 용기 또는 파이프를 분해하지 않고 세척 및 소독하는 데 사용되는 CIP(Clean-In-Place) 및 SIP(Sterilization-In-Place) 자동 공정을 지원합니다.

DMA50-AAABA1과 같은 다른 모델에는 오존, 태양광, 풍화에 대한 내성이 있는 에틸렌 프로필렌 디엔(EPDM) O링이 있습니다. Picomag 자기 유량계의 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 산업용 오븐: 여러 냉각 라인을 통과하는 물을 통해 냉각됩니다.
• 이중 재킷 식품 가공 시스템: 난방 및 냉각 수의 유량을 측정해야 합니다.
• 세척 용기(예: 병) 및 저온 살균 공정: 물의 온도, 공급 및 배수를 모니터링하여 물의 효율적인 사용을 극대화합니다.

초음파 및 레이더 ToF 수위 감지 비교

초음파 및 레이더 수위 센서는 각각 음속과 광속을 기준으로 시간차(ToF) 측정을 구현합니다. 초음파는 공기와 측정 대상 소재 표면 사이의 밀도 변화에 의해 반사됩니다. 레이더 센서(자유 공간 레이더라고도 함)는 낮은 유전체(낮은 ε_r) 매체에서 높은 유전체 소재로의 이동에 따라 반사되는 극초단파를 방출합니다.

Prosonic FMU30 계열 초음파 수위 센서는 펌프 제어, 수위 경보와 같은 응용 분야에서 음용수, 폐수, 페이스트, 거친 벌크 소재 등 비접촉 유체 수위 측정에 사용할 수 있습니다. 비접촉 기술이므로 최소 서비스 요구 사항이 있습니다. 또한 소재의 유전체 상수 및 밀도 또는 주변 습도의 영향을 덜 받습니다.

FMU30 센서의 측정 범위는 센서의 크기에 따라 다르며 두 가지 크기로 제공됩니다. 1½" 센서(예: FMU30-AAHEAAGGF)의 유체 범위는 5m이고 벌크 소재 범위는 2m이며, 2" 센서의 유체 범위는 8m이고 벌크 소재 범위는 3.5m입니다.

FMU30 센서의 작동 온도 범위는 -20°C ~ +60°C입니다. FMU30 센서는 ToF 방식으로 거리를 측정합니다. 하지만 음속(및 ToF)은 온도에 따라 달라집니다. FMU30 초음파 센서에는 통합 온도 센서가 포함되어 있으며 온도 변경을 자동으로 보정하여 정확하고 반복 가능한 측정을 보장합니다.

레이더 레벨 센서

Micropilot FMR10 계열 레이더 레벨 센서는 ε_r 4 이상 소재용으로 최적화되어 있습니다. 저장 탱크, 개방형 대야, 펌프 샤프트, 도관 시스템 및 이와 유사한 응용 제품에서 수위를 측정하는 데 적합합니다. 물 유입을 차단하는 밀폐 봉인 배선(그림 3) Bluetooth 연결을 지원하여 스마트폰 및 태블릿 컴퓨터를 통해 커미셔닝을 가속합니다. 기타 특징 및 사양은 다음과 같습니다.

• 주파수, K 대역(약 26GHz)
• 측정 범위: 최대 12m
• 정확도: 최대 ±5mm
• 공정 압력: -1bar ~ 3bar(-14psi ~ 43psi)
• 공정 온도: -40°C ~ +60°C

그림 3: 최대 범위가 12m인 밀폐 봉인 레이더 레벨 센서 (이미지 출처: DigiKey)

정수 레벨 측정

효과적인 수량 관리를 위해서 강, 호수, 저수지, 급수탑 및 우물의 담수 가용성을 모니터링하는 것이 중요할 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서 수량 관리 시스템 설계자는 음용수 응용 분야용으로 인증된 FMX11 정수 프로브와 같은 정수 레벨 측정 장치를 사용할 수 있습니다(그림 4). FMX11의 특징 및 사양은 다음과 같습니다.

• 지름 22mm(0.87”)의 콤팩트한 크기: 시추공, 작은 지름 정수정과 같은 응용 분야에 적합합니다.
• 작동 온도 범위: -10°C ~ +70°C
• 측정 범위: 0bar ~ 2bar, 20m H20, 0psi ~ 30psi(모델에 따라 다름), FMX11-CA11FS10 모델은 최대 0.6bar(8.7psi)를 측정할 수 있습니다.
• 정확도: 최대 ±0.35%
• 음용수 승인: French Attestation De Conformite Sanitaire (ACS), U.S.
• NSF/ANSI 61과 독일 인증 2건(Kunststoff-Trinkwasser(KTW) 및 Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches(DVGW))
• 아날로그 4mA ~ 20mA 통신

그림 4: 이와 같은 정수 센서는 음용수용으로 승인되었습니다. (이미지 출처: DigiKey)

데이터 관리

유량, 온도, 수위 등 모니터링되는 파라미터와 사용 기술에 상관없이 결과 데이터를 캡처하여 공정 관리를 지원하는 형식으로 표시해야 합니다. 시스템 설계자는 아날로그 또는 디지털 입력 신호를 기록, 표시, 모니터링하는 Ecograph T RSG35 범용 데이터 관리자를 사용할 수 있습니다. 또한 측정값을 안전하게 저장하고 제한 값을 모니터링할 수 있습니다.

표준 버전은 아날로그 데이터 입력 없이 제공됩니다. 일부 모델에는 최대 3개의 입력 카드(선택 사항)를 추가할 수 있으며, 각 카드에는 총 4개, 8개 또는 12개의 아날로그 입력을 지원하는 4개의 아날로그 범용 입력부가 있습니다. 예를 들어 RSG35-C2A 모델에는 8개의 범용 아날로그 입력, 이더넷 연결과 인터넷 액세스를 용이하게 하는 RJ45 잭, 주변 장치 및 데이터 전송을 위한 USB 커넥터가 있습니다. 다른 모든 모델과 마찬가지로 RSG35-C2A에는 6개의 디지털 입력이 포함되어 있습니다.

Ecograph T 데이터 관리자의 통합 웹 서버는 원격 구성 및 시각화를 지원합니다. 또한 내부 메모리 또는 별도 SD 카드(분석용)에 저장된 보안 SQL 데이터베이스에 데이터를 저장할 수 있는 Field Data Manager 소프트웨어의 Essential 버전이 포함되어 있습니다. 5.7" TFT 컬러 화면에서는 디지털, 막대 그래프 및 곡선 표시를 사용하여 측정값을 4개 그룹으로 표시할 수 있습니다(그림 5). 추가적인 특징은 다음과 같습니다.

• 모든 채널에 대해 100ms 스캔 속도
• 통합 탐색기(조그/셔틀 다이얼)를 통한 작동 또는 PC에서 통합 웹 서버를 사용하는 사용자 친화적 작동
• 경보 및 제한 위반 시 이메일 알림 전송 가능
• 이더넷, RS232/485, USB, Modbus RTU/TCP용 슬레이브 기능(선택 사항)과 같은 인터페이스 지원으로 산업 자동화 시스템 통합 가속화
• WebDAV 앱을 사용하면 SD 카드에 저장된 데이터를 추가 소프트웨어 없이 HTTP를 통해 PC에 직접 전송할 수 있습니다.

그림 5: 이 데이터 관리자는 네 파라미터의 값을 표시하고 통합 웹 서버를 사용하여 외부 컴퓨터에 데이터를 전송할 수 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

IO-Link 및 스키드

IO-Link는 국제 전자기술 위원회(IEC) 61131-9에 따라 표준화되어 있으며, '소형 센서 및 액추에이터를 위한 SDCI(단일 드롭 디지털 통신 인터페이스)'라고 합니다.

스키드(프레임 내 모듈식 가공 시스템, 손쉽게 운반하고 설치할 수 있도록 지원)는 식음료 가공, 일반 기계 제작, 생명과학 응용 분야에서 종종 사용됩니다.

일반 스키드에는 유량 센서, 온/오프 스위치, 밸브, 압력 트랜스듀서, 가변 주파수 구동기, 펌프 등 50개 미만의 현장 장치가 포함됩니다. 스키드에는 IO-Link 연결이 사용되는 경우가 많습니다. 스키드가 로컬 상호 작용을 위한 평면 패널 디스플레이와 같은 인간 기계 간 인터페이스를 포함한 상태로 EtherNet/IP 또는 PROFINET과 같은 산업용 이더넷 프로토콜을 사용하는 상위 수준 공장 자동화 시스템에 연결되는 경우도 있습니다. 일반적인 스키드 아키텍처에는 다음이 포함됩니다(그림 6).

• 외부 제어 시스템➊: EtherNet/IP 또는 PROFINET(녹색 선)과 같은 프로토콜을 사용하여 각 스키드의 전용 컨트롤러를 연결하여 작업을 조정합니다.
• 자기 유량 센서➋: 열교환기와 같은 보조 작동에서 Picomag 자기 유량 센서와 같은 장치는 IO-Link(빨간색 선)를 사용하여 추가 공정 데이터를 제공하고 효율성과 가동 시간을 높입니다.
• IO-Link 마스터 연결➌: 개별 센서 및 액추에이터에서 정보를 수집하여 EtherNet/IP 또는 PROFINET과 같은 프로토콜을 사용해 스키드 컨트롤러에 전송합니다. IO-Link 마스터는 스키드 컨트롤러에서 밸브, 액추에이터와 같은 장치로 명령을 전달할 수도 있습니다.
• IO-Link 커넥터➍: 3선식 IO-Link 커넥터로는 연결할 수 없는 4선식 장치가 EtherNet/IP 또는 PROFINET과 같은 현장 수준 프로토콜을 통해 스키드 컨트롤러에 직접 연결됩니다.

그림 6: IO-Link(빨간색 선)은 스키드 내부 통신에 사용되며, EtherNet/IP 또는 PROFINET(녹색 선)은 내부 통신과 외부 연결 모두에 사용됩니다. (이미지 출처: Endress+Hauser)

결론

유량과 물의 이동을 모니터링하고 측정하는 것은 다양한 응용 분야에서 중요합니다. 다행히 수량 관리 시스템 설계자는 자기 유량계, 초음파 및 레이더 기반 레벨 센서, 정수 레벨 센서, 데이터 관리자 등 다양한 도구를 임의로 사용할 수 있습니다. 이러한 장치를 IO-Link 연결과 함께 사용하여 식음료 가공과 같은 응용 분야를 위한 모듈식 스키드를 구축할 수도 있습니다.