如何測量水流以提高處理效果和效率

發電廠和能源廠、農業和採礦作業、工業和市政用水與廢水處理設施、食品飲料加工及其他類似作業，都必須監測和測量水流與水量才能提高效率及永續性。

要量化可用水量和水流，水系統設計人員有幾種工具可選用。這些工具能盡量或完全避免直接接觸水，讓水質保持純淨。電磁流量計 (簡稱磁流量計) 是一種非接觸式的水流量化工具。貯存槽中的水位可利用超音波型和雷達型設計等非接觸式感測器來測量。第三種選擇是通過飲用水應用認證的密封式靜壓液位量測感測器。

本文將先探討磁流量計和靜壓感測器的運作與使用優點，並以 Endress+Hauser 的幾款超音波型和雷達型設計為例，針對非接觸式液位感測器的運作與應用進行比較。接著會探討資料管理器如何記錄、顯示和監測實際運作，並以食品飲料加工生產線作為應用範例，探討 IO-Link 如何迅速有效地串連起完整的水監測系統。

法拉第感應定律可說明變壓器、電感、發電機和磁流量感測器的運作原理。在磁流量計中，受測流體中的帶電粒子會流經兩個磁場線圈產生的磁場，進而感應產生電壓。用兩個測量電極測量感應電壓 (圖 1)。

圖 1：在磁流量計中，流體中的帶電粒子 (藍色箭頭) 在兩個磁場線圈 (紅線) 之間流動，再用探針測量感應電壓 (綠線)。(圖片來源：Endress+Hauser)

感應電壓與流速及流量成正比。脈衝直流 (DC) 電壓會產生磁場。將 DC 電壓的極性互換就能建立穩定的零點，進而讓流量測量作業不受低導電率或不均勻的液體影響。

Picomag DMA50 系列磁流量計適用於眾多應用。1.4" TFT 背光型彩色顯示器會根據方向和流向自動旋轉，因此能簡化安裝流程。這些儀表能同時測量流量、溫度和導電率。在廣大的流速範圍中，水流量測準確度可達到 ±0.5%。

DMA20-AAACA1 型號的測量範圍介於每分鐘 0.1 至 50 公升 (l/min)，最大壓力為 232 psi。此型號具有 ¾” 連接結構，工作溫度範圍介於 10°C 至 60°C。如同其他所有 Picomag DMA50 系列磁流量計，此型號也有 IO-Link 連接能力。藍牙可透過 Endress+Hauser 的 SmartBlue 應用程式啟用，就能簡化並加速運作、維護及試運轉流程，即使在艱困的地點也可適用 (圖 2)。

圖 2：Picomag DMA50 系列磁流量計測量流量 (l/min) 和導電率 (µS/cm) 的示意圖。(圖片來源：Endress+Hauser)

DMA20-AAACA1 型號的氟橡膠 (FKM) O 形環能耐受化學品和過熱的環境，並支援就地清潔 (CIP) 與就地滅菌 (SIP) 自動化流程，因此無需另行拆卸，就可進行機械、容器或管道的清潔及滅菌。

DMA50-AAABA1 等其他型號具有能耐受臭氧、陽光和天候的三元乙丙橡膠 (EPDM) O 形環。Picomag 磁流量計的典型應用包括：

• 以流經多條冷卻管線的水進行冷卻的工業爐
• 必須為加熱和冷卻水進行水流測量的雙護套食品加工系統
• 監測水溫、供水和排水有益於清潔瓶子等容器與巴氏殺菌流程，以達到最高用水效率

超音波型與雷達型 ToF 液位感測的比較

超音波型與雷達型液位感測器分別會根據音速和光速來測量飛行時間 (ToF)。超音波會在空氣和受測材料表面之間的密度改變時反射。雷達感測器有時稱為自由空間雷達，其發射的微波則會依據從空氣等低介電質 (低 ε_r) 到高介電質材料的變化進行反射。

在幫浦控制和液位警報等應用中，Prosonic FMU30 系列超音波液位感測器可透過非接觸方式測量流體的液位，包括飲用水和廢水、糊狀物及散裝粗質材料。由於這是一種非接觸式技術，因此這些感測器的維修需求最低，不受材料的介電常數和密度或周圍的濕度影響。

FMU30 感測器的量測範圍取決於感測器的尺寸。提供兩種尺寸：FMU30-AAHEAAGGF 等 1½" 感測器在流體中的測量範圍為 5 m，在散裝材料中為 2 m，2” 感測器在流體中的測量範圍為 8 m，在散裝材料中為 3.5 m。

FMU30 感測器的工作溫度範圍介於 -20°C 至 +60°C。這款感測器使用 ToF 原理來測量距離。然而，音速會隨溫度變化 (ToF 自然也是如此)。FMU30 超音波感測器具有整合式溫度感測器，並能針對溫度變化自動補償，以確保量測結果的準確性和再現性。

雷達液位感測器

Micropilot FMR10 系列雷達液位感測器經過最佳化，可搭配 ε_r 至少為 4 的材料使用。這款感測器適合在貯存槽、開放式水池、幫浦軸、溝渠系統和類似應用中進行液位量測。氣密式接線可預防進水 (圖 3)。具有藍牙連線能力，以便利用智慧型手機與平板電腦更快進行試運轉。其他特點和規格包括：

• K 波段頻率 (約 26GHz)
• 測量範圍可達 12 m
• 準確度高達 ±5 mm
• 過程壓力介於 -1 bar 至 3 bar (-14 psi 至 43 psi)
• 過程溫度介於 -40°C 至 +60°C

圖 3：氣密式雷達液位感測器的測量範圍可達 12 m。(圖片來源：DigiKey)

靜壓液位量測

監測河流、湖泊、水庫、水塔和水井中可用的淡水量，對有效管理水資源來說非常重要。在這些應用中，水管理系統的設計人員可改用靜壓液位測量裝置，例如通過飲用水應用認證的 FMX11 靜壓探針 (圖 4)。FMX11 的特點和規格包括：

• 此探針尺寸小巧，直徑 22 mm (0.87”)，因此適用於鑽孔與小直徑靜水井等應用
• 工作溫度範圍介於 -10°C 至 +70°C
• 測量範圍為 0 bar 至 2 bar、20 m H20、0 psi 至 30 psi，實際視型號而定；型號 FMX11-CA11FS10 可測量高達 0.6 bar (8.7 psi) 的壓力
• 準確度高達 ±0.35%
• 飲用水認證包括法國 Attestation De Conformite Sanitaire (ACS)、
• 美國 NSF/ANSI 61 以及兩個德國認證，即 Kunststoff-Trinkwasser (KTW) 與 Deutscher Verein des Gas und Wasserfaches (DVGW)
• 4 至 20 mA 類比通訊

圖 4：此類靜壓感測器獲准用於飲用水。(圖片來源：DigiKey)

資料管理

無論監測的參數 (流量、溫度、液位等) 和使用技術為何，都必須以支援流程管理的格式來擷取和顯示資料結果。系統設計人員可選用 Ecograph T RSG35 通用資料管理器來記錄、顯示和監測類比或數位輸入訊號。此外，更可安全儲存測量值，並監測極限值。

標準版並未提供類比資料輸入功能。某些型號能選配最多 3 張輸入卡，每張各有 4 個類比通用輸入，共可提供 4、8 或 12 個類比輸入。舉例而言，RSG35-C2A 型號具有八個通用類比輸入、一個協助連接乙太網路和存取網際網路的 RJ45 插孔，以及一個用於周邊裝置及資料傳輸的 USB 連接器。如同其他所有型號，RSG35-C2A 包含六個數位輸入。

Ecograph T 資料管理器中具有整合式網路伺服器，可支援遠端配置和視覺化能力。同時隨附基本版 Field Data Manager 軟體，可將資料儲存在內建記憶體或外部 SD 卡上的安全 SQL 資料庫以利分析。5.7" TFT 彩色螢幕可顯示四組測量值，能以數字、長條圖和曲線的方式顯示 (圖 5)。其他特點包括：

• 所有通道的掃描率皆為 100 ms
• 使用整合式導覽器 (飛梭旋鈕) 進行操作，或利用 PC 透過整合式網路伺服器進行簡便操作
• 倘若發生警報和超出限值的事件，可傳送電子郵件通知
• 支援乙太網路、RS232/485、USB 等介面，並可選配 Modbus RTU/TCP 的從屬功能，以便加速整合到工業自動化系統
• WebDAV 應用程式能讓 SD 卡上的資料透過 HTTP 直接傳輸到 PC，無需運用其他額外軟體。

圖 5：此資料管理器能顯示四個參數的值，並使用整合式網路伺服器將資料傳送到外部電腦。(圖片來源：DigiKey)

IO-Link 與滑座系統

IO-Link 係依據國際電工委員會 (IEC) 61131-9 達到標準化，統稱為「小型感測器和致動器的單次擷取數位通訊介面 (SDCI)」。

滑座系統 (一種在框架內的模組化處理系統，能更輕易運輸和安裝) 常用於食品飲料加工、一般機器製造與生命科學應用。

典型滑座系統中的現場元件不到 50 個，如流量感測器、切換開關、閥門、壓力傳感器、變頻器、幫浦等。滑座系統通常需搭配 IO-Link 連接能力。滑座系統有時含有平面顯示器等人機介面以進行本機互動，且需透過 EtherNet/IP 或 PROFINET 等工業乙太網路協定連接到更高階的工廠自動化系統。典型的滑座系統架構含有 (圖 6)：

• 外部控制系統 ➊ - 此系統使用 EtherNet/IP 或 PROFINET (綠線) 等協定連接每個滑座系統的專用控制器，藉此協調運作。
• 在熱交換器等輔助作業中，Picomag 磁流量感測器 ➋ 等元件會使用 IO-Link (紅線) 提供其他流程資料，以增進效率並延長運作時間。
• IO-Link 主控元件連接器 ➌ 可收集來自個別感測器和致動器的資訊，並使用 EtherNet/IP 或 PROFINET 等協定將資訊傳輸到滑座系統控制器。IO-Link 主控元件也能將滑座系統控制器的命令傳送到閥門和致動器等元件。
• 無法以三線 IO-Link 連接器 ➍ 連接的四線裝置，則可透過 EtherNet/IP 或 PROFINET 等現場層級協定直接連接到滑座系統控制器。

圖 6：IO-Link (紅線) 可在滑座系統中進行內部通訊，EtherNet/IP 或 PROFINET (綠線) 則用於內部通訊與外部連接。(圖片來源： Endress+Hauser)

結論

監測和測量水量及水的移動在許多應用中相當重要。現今有幾款工具可自由選用，是水管理系統設計人員的一大福音，包括磁流量計、超音波型和雷達型液位感測器、靜壓液位感測器與資料管理器。食品飲料加工等應用就經常運用這些裝置搭配 IO-Link 連接能力來打造模組化滑座系統。