정수면 센서를 사용하여 담수 처리의 효율 향상

깨끗하고 신선한 물은 매우 중요합니다. 식수 처리 공장은 거의 모든 곳에서 볼 수 있습니다. 효율적인 운영을 위해 이러한 공장은 우물, 저장 창고, 강, 저수지 및 기타 지역에서 사용 가능한 수위를 모니터링해야 합니다.

응용 제품 및 작동 환경에 따라 기계적 장치(예: 플로트) 또는 무접점 장치(예: 정수면 센서)를 사용하여 수위를 모니터링할 수 있습니다. 일부 기술은 특정 레벨 임계값을 모니터링하고 유출을 방지하는 포인트 레벨 응용 제품에 더 적합합니다. 이와 반대로, 공정 제어 및 재고 관리 시스템의 연속 레벨 측정에 적합한 기술도 있습니다.

이 기사에서는 먼저 포인트 레벨 및 연속 레벨 모니터링 응용 제품에 대한 개요로 시작하여 정수면 센서의 작동 원리를 소개하고 식수 공정 공장에서 이러한 센서가 사용되는 사례를 검토합니다.

또한 미국 환경 보호 기관(EPA)이 '추출 레지스터'를 사용하여 담수 소비를 추적하는 방법을 간략하게 살펴본 후 Endress+Hauser의 일부 정수면 센서를 검토합니다. 마지막으로, 센서를 중요한 인프라 설치(식수 공정 설비)에 통합하는 경우를 위한 응용 제안 사항으로 마무리합니다.

플로트 레벨 센서는 단순한 기계 장치입니다. 플로트는 수위에 따라 오르내립니다. 해당 동작은 특정 수위에 도달한 때를 나타내는 기계적 스위치를 열고 닫습니다. 이러한 센서는 대개 탱크가 가득차 물이 넘치거나 수위가 너무 낮아 펌프 또는 다른 장비에 손상을 주지 않도록 방지하는 데 사용됩니다.

정수면 센서는 수위를 연속적으로 측정합니다. 이 센서는 담수 처리 공장의 저장/처리 탱크 및 용기에 일반적으로 사용됩니다. 용기가 채워지거나 배수되면 정수면 센서 위의 물의 무게가 변하며 센서는 높이에 따라 출력을 생성합니다(그림 1). 이는 공정 제어 응용 분야에 특히 유용합니다.

그림 1: 플로트 센서는 위 아래로 움직이며(왼쪽) 탱크의 특정 수위를 모니터링할 수 있는 반면 정수면 센서는 정지된 상태로 연속적인 수위 모니터링을 제공합니다(오른쪽). (이미지 출처: Endress+ Hauser)

정수면 센서는 센서 하단에 있는 다이아프램 위의 물기둥 압력을 측정합니다. 압축할 수 없는 유압유는 다이아프램의 압력을 센서 메커니즘으로 전송합니다. 유압 오일과 물 사이의 표면 인터페이스는 상대적으로 크고, 압력은 센서 메커니즘에 도달하는 더 작은 기둥에 집중됩니다. 감지 메커니즘은 기판이 휘어짐에 따라 저항을 변화시키는 휘트스톤 브리지로 구성됩니다(그림 2).

그림 2: 일반적인 정수면 센서의 내부 구조(왼쪽) 및 휘어지는 휘트스톤 브리지 감지 메커니즘(오른쪽). (이미지 출처: Endress+ Hauser)

정수면 센서는 높은 신뢰성과 매우 낮은 설치 비용을 모두 제공합니다. 해당 응용 분야는 담수 처리 공장(효율적인 운영 보장)부터 장기적인 물 가용성을 보장하기 위한 현지 물 에코니스템 모니터링까지 다양합니다.

담수 처리

물 추출(취수)은 식수 제공의 첫 단계입니다. 이는 임의 수원에서 물을 가져오는 공정입니다. 사용 가능한 물의 양은 정수면 센서와 같은 장치를 사용하여 자세히 모니터링됩니다.

세부적인 담수 공정의 나머지 부분은 현지 규정에 따라 달라지지만 수위는 공장 전반에 걸쳐 모니터링해야 합니다. 일반적인 단계에는 다음이 포함됩니다(그림 3).

• 응고 - 물에 양전하를 띠는 화학 물질을 첨가하여 먼지 및 기타 용해된 입자의 음전하를 중화시켜 구현됩니다.
• 응집 - 응고된 입자가 플록(floc)이라는 더 큰 입자를 형성하는 두 번째 화학적 과정이 수반됩니다.
• 침전 - 플록이 물의 바닥에 가라앉고 진흙 같은 침전물이 제거됩니다.
• 여과 - 다양한 필터를 통해 남아 있는 용존 입자와 세균이 제거됩니다.
• 살균 - 염소 또는 클로라민을 사용하여 기생충, 박테리아, 바이러스, 세균을 죽입니다.
• 보관 및 분배 - 담수 처리는 연속적인 공정이지만 대부분의 도시에서 물 사용량은 아침과 저녁에 피크이기 때문에 사용 가능한 담수량을 수요에 맞추기 위해서는 대규모 저장 시설이 필요합니다.

그림 3: 식수 처리는 수질 및 법적 규율을 준수하기 위해 면밀히 모니터링되어야 하는 여러 공정을 포함할 수 있습니다. (이미지 출처: Endress+Hauser)

추출 레지스터

효율적인 담수 처리를 보장하려면 적절한 물 가용성이 필수입니다. 환경 입법에서는 현지의 물 균형에 피해가 가지 않도록 하기 위해 천연 공급원에서의 원수 추출을 규제합니다.

유럽의 경우, 물 관리 기본 지침에 따라 적절한 수위와 유량을 유지하고 있습니다. 이 지침은 천연 수자원의 양적 및 질적 관리에 중점을 둡니다. 미국의 경우, EPA도 이와 유사한 목표를 가지며 물 추출을 면밀히 모니터링합니다.

EPA는 과도한 추출의 위험을 평가하기 위해 물 배출량에 대한 정보와 함께 물 추출량에 대한 정보를 수집합니다. 해당 데이터는 연례 추출 레지스터에서 보고됩니다. 정수면 센서는 현지 물 에코시스템의 상태를 모니터링하는 데 중요한 도구입니다.

정수면 센서

정수면 센서는 고휘발성 장치입니다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 강, 호수, 게이징 스테이션, 저수지의 수위 모니터링
• 급수탑 및 저장 탱크의 식수 가용성 보장
• 우물의 수위 측정

Endress+Hauser Waterpilot FMX11 수중형 정수면 센서는 작은 22mm 지름 덕분에 손쉽게 통합할 수 있습니다. 이러한 센서는 데이터 로거, 패널 계측기, 프로그래밍 가능한 논리 컨트롤러(PLC) 및 기타 공정 제어 장비와 호환되는 4mA ~ 20mA 출력 신호를 제공합니다.

Waterpilot FMX11 정수면 센서는 여러 식수 인증을 획득했습니다. 여기에는 미국의 National Sanitation Foundation 61(NSF-61), 프랑스의 Attestation de Conformité Sanitaire(ACS), 독일의 TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser가 포함됩니다.

하우징은 316 합금 스테인리스 강으로 만들어졌으며 미국의 식품의약청(FDA)에 의해 식수 응용 분야용으로 인증되었습니다. 차폐형 연장 케이블에는 내마모성 및 자외선(UV) 내성 열가소성 엘라스토머(TPE) 재킷에 테프론 필터가 있는 대기압 보상 튜브가 포함되어 있습니다. TPE 및 Teflon은 또한 식수 응용 분야에 대해 FDA 인증을 획득했습니다(그림 4).

그림 4: Waterpilot 정수면 센서는 식수 응용 분야를 위한 여러 국제 인증을 보유하고 있으며 FDA 인증 재료로 제작되었습니다. (이미지 출처: DigiKey)

일반 사양:

• 작동 온도 범위: -10°C ~ +70°C
• IP68 보호
• 400밀리바 이상의 센서 측정 범위에 대한 정확도: ≤ ±0.35%
• 400밀리바 미만의 센서 측정 범위에 대한 정확도: ≤ ±0.50%
• cULus 인증

사용 가능한 모델:

• FMX11-CA11DS06 - 0바 ~ 0.2바(물기둥 6.7ft)의 감지 범위, 6m 케이블
• FMX11-CA11FS10 - 0바 ~ 0.4바(물기둥 13.4ft)의 감지 범위, 10m 케이블
• FMX11-CA11GS20 - 0바 ~ 0.6바(물기둥 20.1ft)의 감지 범위, 10m 케이블
• FMX11-CA11HS20 - 0바 ~ 1바(물기둥 33.5ft)의 감지 범위, 20m 케이블
• FMX11-CA11KS30 - 0바 ~ 2바(물기둥 66.9ft)의 감지 범위, 30m 케이블

물 처리 공장 가용성 최대화

식수 처리 공장은 매우 중요한 인프라이며 높은 수준의 신뢰성을 요구합니다. Waterpilot FMX11 센서는 전력 서지를 견디는 능력을 테스트하기 위한 요구 사항과 방법을 정의하는 EN 1000-4-5/IEC 61000-4-5의 전자기 호환성(EMC) 지침에 따라 테스트됩니다.

그러나, 기본 EMC 테스트는 주 전력선에 대한 최대 2kV의 서지 또는 신호 선에 대한 최대 1kV의 서지에만 적용됩니다. 이는 간접적인 번개나 스위칭 작업만으로 마이크로초 이내에 최대 10kV의 서지가 발생할 수 있는 중요 인프라에는 충분하지 않을 수 있습니다.

Endress+Hauser는 공장 가용성을 보장하기 위해 서지 피뢰기 사용을 권장합니다. 서지 피뢰기는 제어 캐비닛의 DIN 레일 실장과 필드 하우징의 직접 실장에 사용 가능하도록 설계되었습니다.

• HAW562 서지 피뢰기(예: HAW562-AAD) - 제어 캐비닛의 전력 및 통신선 보호
• HAW569 서지 피뢰기(예: HAW569-CB2C(전원 공급 장치 및 신호 케이블용) 및 HAW569-DA2B(신호 케이블용) - 공정 현장 계측(그림 5)

그림 5: 전력 및 신호 케이블을 위한 HAW569-CB2C(위) 및 신호 케이블을 위한 HAW569-DA2B(아래). (이미지 출처: Endress+Hauser)

최대 가용성을 위한 권장 설치에는 다음이 포함됩니다(그림 6).

1. Waterpilot FMX11 정수면 센서
2. HAW 서지 피뢰기
3. 4mA ~ 20mA 센서 신호를 위한 입력을 지원하는 디스플레이 및 평가 장치
4. 전원 공급 장치

그림 6: Waterpilot FMX 설치 구성도는 두 개의 서지 피뢰기(2) 위치를 보여줍니다. (이미지 출처: Endress+ Hauser)

전원 공급 장치의 전압 범위는 8V_DC ~ 28V_DC이고 전류 소비는 최대 22mA, 최소 2mA입니다. 실외에서 사용될 경우 전원 공급 장치는 IP66/IP67 정격 단자함에 하우징되어야 합니다. IEC 61010 요구 사항을 충족하는 회로 차단기 사용이 강력히 권장됩니다.

Waterpilot FMX11 정수면 센서에는 역극성 보호 기능이 통합되어 있어 전력 케이블이 잘못 연결되는 경우에도 손상이 가지 않습니다. 역극성 연결이 발생할 경우 장치가 작동하지 않습니다.

안전 무결성 레벨 및 폭발 위험 환경

정수면 센서는 폭발 위험이 있는 환경에서 사용되는 경우에도 안전하게 작동해야 합니다. IEC 61508은 안전 무결성 레벨(SIL)을 정의하며, IEC 61511은 공정 산업을 위해 IEC 61508을 응용 분야별로 적용한 것입니다. HAW569 장치는 현장 계측에 사용하도록 설계되었으며 SIL2 요구 사항을 충족합니다. HAW562 서지 피뢰기는 장비 캐비닛의 덜 위험한 응용 분야에 사용하도록 고안되었으며, 선택적으로 SIL2와 함께 제공될 수 있습니다.

이 상황은 폭발 위험(Ex)이 있는 환경에서 사용되는 것과 유사합니다. HAW562 서지 피뢰기는 선택적으로 Ex 본질 안전 인증이 제공됩니다. 두 개의 공통 Ex 인증은 Ex ia 및 Ex d입니다.

Ex ia 인증은 결함이 발생하더라도 장치와 배선의 최대 내부 에너지가 발화를 일으키는 데 필요한 에너지 수준 이하로 유지되도록 본질적으로 안전한 보호 기능을 제공합니다. 이는 폭발성 가스 혼합물이 장시간 또는 지속적으로 존재하여 심각한 위험을 초래하는 구역에서 사용하도록 고안되었습니다.

Ex d 인증 장치는 손상 없이 내부 폭발을 견딜 수 있도록 설계되었습니다. 이러한 장치는 정상 작동 중에 폭발성 가스 혼합물이 발생하여 간헐적으로 위험한 상태가 발생할 가능성이 있는 중요 영역에서 사용하도록 설계되었습니다.

신호 케이블을 보호하도록 설계된 HAW569 장치는 선택적으로 Ex ia 승인을 받을 수 있으며, Ex d 승인은 신호 케이블과 전력 케이블을 동시에 보호하도록 설계된 장치에 대한 옵션입니다. HAW562 서지 피뢰기는 선택적 Ex 본질 안전 승인과 함께 제공될 수도 있습니다.

결론

수위 센서는 식수 처리 공장의 공정 제어 및 재고 관리, 우물, 강, 호수, 저수지 등의 수원을 모니터링하여 물의 가용성과 지속 가능성을 보장하는 등 여러 용도로 사용할 수 있습니다. 식수 처리 시설은 중요한 인프라이며 지속적인 운영을 보장하기 위해 적절히 보호되어야 합니다.

Waterpilot FMX11 정수면 센서는 식수 응용 분야에 대해 FDA 승인을 받은 재료를 사용하여 제작되었으며, 여러 관련 국제 승인을 받았습니다. Endress+Hauser는 서지 피뢰기 사용을 권장하며, Waterpilot FMX11 센서에 대해 SIL2 성능과 Ex ia 및 Ex d 인증을 획득한 모델을 제공합니다.