作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

潔凈的淡水至關重要。飲用水處理廠幾乎隨處可見。為了高效運行，這些工廠需要監測水井、儲水箱、河流、水庫和其他區域的現有水位。

根據不同的應用和運行條件，可以使用浮子等機械裝置或靜壓液位傳感器等固態裝置來監測水位。有些技術更適合“點式液位”應用，用來監測具體的液位閾值并防止溢出。相比之下，其他儀器則適用于過程控制和庫存管理系統中的連續液位測量。

本文首先概述點式液位和連續液位監控應用。然后介紹靜壓液位傳感器的工作原理，并介紹這些傳感器在飲用水處理廠中的一些用途。

本文簡要介紹美國環境保護局 (EPA) 如何使用“取水登記”法來跟蹤淡水消耗情況，然后介紹 [Endress+Hauser] 的一些在售靜壓液位傳感器。最后，就如何將傳感器集成到飲用水處理設施等關鍵基礎設施裝置中提出了應用建議。

浮動液位傳感器是一種簡單的機械裝置。浮子隨著水位變化而上升或下降。浮子的升降動作會打開或關閉一個機械開關，以指示何時通過了特定的水位。這種傳感器通常用于防止水箱太滿而溢出水，或水箱太低而損壞水泵或其他設備。

靜壓液位傳感器可連續測量水位。這種傳感器通常用于淡水處理廠的儲水和水處理的罐或池。當水罐注水或排水時，靜壓液位傳感器上方的水的重量會發生變化，傳感器會產生與高度相關的輸出（圖 1）。因此，這種傳感器特別適用于過程控制應用。

圖 1：浮動傳感器上下移動（左），可監測儲水罐中的特定水位，而靜壓傳感器則固定不動，用于連續監測水位（右）。（圖片來源：Endress+ Hauser）

靜壓液位傳感器測量傳感器底部隔膜上方的水柱壓力。不可壓縮的液壓油將壓力從隔膜傳遞到傳感器機構。液壓油和水之間的表面界面相對較大，壓力集中在到達傳感器機構的較小圓柱上。檢測裝置由惠斯通電橋組成，當基板發生偏轉時，電阻會發生變化（圖 2）。

圖 2：典型靜壓液位傳感器的內部結構（左）和惠斯通電橋檢測機構的偏轉（右）。（圖片來源：Endress+ Hauser）

靜壓液位傳感器不僅可靠性高，而且安裝成本極低。這種傳感器的應用范圍很廣，從確保高效運行的淡水處理廠，到監測當地水生態系統以確保長期供水。

淡水處理

取水是提供飲用水的第一步。這是從任何水源取水的過程。使用靜壓水位傳感器等設備對可用水量進行密切監測。

其余的淡水處理細節會因為當地的法規有所不同，但整個工廠都需要監測水位。一些常見的步驟如下（圖 3）：

• 混凝是通過向水中添加帶正電荷的化學物質，中和污垢和其他溶解顆粒上的負電荷。
• 絮凝涉及第二個化學過程。在該過程中，凝結的顆粒會形成更大的稱為絮團的顆粒。
• 沉淀是指絮狀物沉淀到水底，然后將沉淀物清除。
• 過濾是指通過各種過濾器除去殘余的溶解微粒和病菌。
• 消毒使用氯或氯胺來殺死寄生蟲、細菌、病毒和病菌。
• 儲水和配水。淡水處理是一個連續過程，但在大多數城市，用水高峰出現在早晨和傍晚，這就需要大型儲水設施來滿足淡水需求。

圖 3：飲用水處理包含許多必須密切監控的過程，以確保水質，符合法律規定。（圖片來源：Endress+Hauser）

取水登記

要確保淡水處理的效率，就必須有充足的水源。根據環境法規定，必須從天然水源中提取原水，以避免破壞當地的水平衡。

按照歐洲《水框架指令》的規定，必須保持足夠的水位和流量，其重點是對自然水資源進行定量和定性管理。美國環保局也有類似的目標，并要求密切監控取水情況。

環保局收集有關取水量和放水量的信息，以評估是否存在過度取水的風險。具體數據會在年度 [抽取登記] 中給出。靜壓水位傳感器是監測當地水生態系統健康狀況的重要工具。

靜壓液位傳感器

靜壓液位傳感器用途廣泛。典型應用：

• 監測河流、湖泊、測量站和水庫的水位
• 確保水塔和儲水箱中的飲用水充足
• 測量水井的水位

Endress+Hauser 的 [Waterpilot FMX11] 潛水式靜壓液位傳感器的直徑僅為 22 mm，結構緊湊且易于集成。這種傳感器提供 4 mA 至 20 mA 輸出信號，并兼容數據記錄器、面板儀表、可編程邏輯控制器 (PLC) 和其他過程控制設備。

Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器通過了多項飲用水認證，包括美國國家衛生基金會 61 (NSF-61)、法國衛生認證 (ACS) 和德國 TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser。

這種傳感器的外殼采用 316 合金不銹鋼制成，經美國食品和藥物管理局 (FDA) 批準可用于飲用水。屏蔽式延長電纜包括一個帶有特氟龍 (Teflon) 過濾器的大氣壓補償導管，并采用耐磨型抗紫外線 (UV) 熱塑性彈性體 (TPE) 外套。此外，TPE 和 Teflon 均經美國食品及藥物管理局批準可用于飲用水的應用（圖 4）。

圖 4：Waterpilot 靜壓液位傳感器獲得了飲用水應用領域的多項國際認證，并采用經 FDA 批準的材料制造。（圖片來源：DigiKey）

一般技術規格：

• 工作溫度范圍為 -10°C 至 +70°C
• IP68 防護等級
• 傳感器測量范圍 ≥ 400mbar 時，精確度 ≤ ±0.35
• 傳感器測量范圍 < 400mbar 時，精確度 ≤ ±0.50%
• cULus 認證

在售型號：

• [FMX11-CA11DS06] ，檢測范圍為 0 bar 至 0.2 bar（6.7 ft 水柱），電纜長度為 6 m
• [FMX11-CA11FS10] ，檢測范圍為 0 bar 至 0.4 bar（13.4 ft 水柱），電纜長度為 10 m
• [FMX11-CA11GS20] ，檢測范圍為 0 bar 至 0.6 bar（20.1 ft 水柱），電纜長度為 10 m
• [FMX11-CA11HS20] ，檢測范圍為 0 bar 至 1 bar（33.5 ft 水柱），電纜長度為 20 m
• [FMX11-CA11KS30] ，檢測范圍為 0 bar 至 2 bar（66.9 ft 水柱），電纜長度為 30 m

最大限度地提高水處理廠的利用率

飲用水處理廠是重要的基礎設施，需要高度可靠。Waterpilot FMX11 傳感器根據 EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5 的電磁兼容性 (EMC) 準則進行測試，該準則規定了電源浪涌承受能力的測試要求和方法。

不過，基本的電磁兼容性測試只涵蓋主電源線上最高 2 kV 的浪涌或信號線上最高 1 kV 的浪涌。這對于關鍵基礎設施來說可能是不夠的，因為即使是間接雷擊或開關操作也會在幾個微秒內產生高達 10 千伏的浪涌。

為確保水處理廠的利用率，Endress+Hauser 建議使用浪涌放電器。浪涌放電器可安裝在控制柜的 DIN 導軌上，也可直接安裝在現場外殼中：

• HAW562 浪涌放電器（如 [HAW562-AAD] ）用于保護控制柜中的電源和通信線路
• 用于過程現場儀表的 HAW569 浪涌放電器：如用于電源和信號電纜的 [HAW569-CB2C] 、用于信號電纜的 [HAW569-DA2B] （圖 5）

圖 5：HAW569-CB2C 用于電源和信號電纜（上），HAW569-DA2B 用于信號電纜（下）。（圖片來源：Endress+Hauser）

為達到最大利用率，建議采用如下安裝方式（圖 6）：

1. Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器
2. HAW 浪涌放電器
3. 帶 4 mA 至 20 mA 傳感器信號輸入的顯示和評估裝置
4. 電源

圖 6：Waterpilot FMX 安裝框圖，顯示兩個浪涌放電器 (2) 的位置。（圖片來源：Endress+ Hauser）

電源電壓范圍為 8 VDC 至 28 V DC ，電流消耗最大 22 mA，最小 2 mA。室外使用時，電源應安裝在 IP66/IP67 級接線盒中。強烈建議使用符合 IEC 61010 標準的斷路器。

Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器集成了反極性保護功能，即使電源線連接不正確也不會造成損壞。如果極性反接，設備將無法運行。

安全完整性等級和爆炸性氣體環境

即使在爆炸性氣體環境下，靜壓液位傳感器也能安全運行。IEC 61508 定義了安全完整性等級 (SIL)，而 IEC 61511 則是 IEC 61508 針對流程工業的特定應用經過調整的版本。HAW569 設備設計用于現場儀表，符合 SIL2 要求。HAW562 浪涌放電器適用于設備柜中危險性較低的應用，并可選配 SIL2 功能。

這種情況與在爆炸性 (Ex) 環境中使用的情況類似。HAW562 浪涌放電器可選配 Ex 本安認證。常見的兩種 Ex 認證是 Ex ia 和 Ex d 認證。

Ex ia 認證可提供本質安全保護，確保即使在發生故障時，設備及其線路的最大內能仍低于引起燃燒所需的能量水平。該認證適用于長時間或持續存在爆炸性氣體混合物并構成重大危險的區域。

Ex d 認證型設備可承受內部爆炸而不受損害。這些裝置用于在正常運行期間可能會出現爆炸性氣體混合物且呈現間歇性危險狀態的關鍵區域。

專為保護信號電纜而設計的 HAW569 裝置可選擇 Ex ia 認證版本，而專為同時保護信號電纜和電源電纜而設計的 HAW569 裝置則可選配 Ex d 認證版本。HAW562 浪涌放電器還可選擇 Ex 本安認證版本。

結論

靜壓液位傳感器應用廣泛，包括飲用水處理廠的過程控制和庫存管理，以及監測水井、河流、湖泊和水庫等水源，以確保水的可用性和可持續性。飲用水處理廠是重要的基礎設施，必須得到充分保護，以確保持續運行。

Waterpilot FMX11 靜壓液位傳感器采用經 FDA 批準的飲用水應用材料制造，并通過了多項相關國際認證。Endress+Hauser 還建議使用浪涌放電器，并為 Waterpilot FMX11 傳感器提供具有 SIL2 性能以及獲得 Ex ia 和 Ex d 認證的型號。

審核編輯 黃宇