使用靜壓液位感測器提高淡水處理效率

乾淨的淡水十分重要。飲用水處理廠幾乎隨處可見。為了達到高效率作業，必須在這些廠房中監測井水、儲水槽、河流、水庫等區域的可用水位。

可依據應用和操作條件，使用浮球等機械裝置或靜壓液位感測器等固態裝置監測水位。部分技術更適合點液位應用，以監控特定的液位閾值並防止溢出。其他技術則適用於流程控制和存貨管理系統的連續液位量測。

本文首先概述點液位和連續液位監測應用。接著介紹靜壓液位感測器的工作原理，並回顧這些感測器在飲用水處理廠中的一些用途。

其中簡要介紹美國國家環境保護局 (EPA) 如何使用「抽水登記表 (abstraction register)」追蹤淡水使用量，接著評論 Endress+Hauser 的幾款市售靜壓液位感測器。最後總結提供將感測器整合到飲用水淨水設施等關鍵基礎設施時的應用建議。

浮球液位感測器是簡單的機械裝置。浮球會隨著水位升降。此動作會開啟和關閉一個機械開關；此開關用於指明何時超過特定水位。這些感測器常用於防止水箱中水位太滿而溢出或水位太低而損壞幫浦或其他設備。

靜壓液位感測器可連續測量水位。通常用於淡水處理廠中儲存和處理槽和容器。容器在注水或排水時，在靜壓液位感測器上方的水重量會改變，感測器會產生與高度相關的輸出 (圖 1)。因此特別適合用於流程控制應用。

圖 1：浮球感測器上下移動 ，監測槽中的特定液位 (左)；靜壓感測器為固定，提供連續液位監測 (右)。(圖片來源：Endress+ Hauser)

靜壓液位感測器測量位於感測器底部隔膜上方的水柱壓力。由不可壓縮的液壓油將壓力從隔膜傳送到感測器機構。液壓油和水之間的表面界面相對較大，壓力集中在連至感測器機構的較小柱體上。此感測機構由惠斯同電橋組成，電阻值會隨基板偏斜而改變 (圖 2)。

圖 2：典型靜壓液位感測器的內部結構 (左)，以及偏斜的惠斯同電橋感測機構圖示 (右)。(圖片來源：Endress+ Hauser)

靜壓液位感測器結合高可靠性和極低的安裝成本。應用範圍從確保淡水處理廠的高效率運作，到監測當地水生態系統以確保可長期供應水源。

淡水處理

抽水是供應飲用水的第一步，這是指從任何水源取水的過程。使用靜壓液位感測器等裝置密切監測可用水量。

淡水處理的其餘細節係依據當地法規而有所不同，但在整個廠房中均需監測水位。常見的步驟包括 (圖 3)：

• 混凝：在水中添加帶正電荷的化學物質以中和污垢和其他溶解顆粒的負電荷。
• 絮凝：第二個化學過程，將凝結的顆粒形成稱為絮凝物 (floc) 的較大顆粒。
• 沉澱：將絮凝物沉澱至水底，去除污泥。
• 過濾：由各種過濾器去除剩餘溶解的微粒和細菌。
• 消毒：使用氯或氯胺殺死寄生蟲、細菌、病毒、病菌。
• 儲存和分配。淡水處理不會中斷，在大多數城市中，用水高峰集中在早上和晚上，因此需大型儲水設施以滿足淡水的供應和需求。

圖 3：飲用水處理可能包括許多流程，必須密切監控，以確保水質並符合法規。(圖片來源：Endress+Hauser)

抽取登記表

充足的可用水源可確保有效進行淡水處理。環境立法控制從自然資源中抽取原水，以避免破壞當地的水平衡。

在歐洲，《水框架指令》規定維持充足的水位和流量，該指令著重於天然水資源的定量和定性管理。在美國，美國國家環境保護局也有類似的目標，並密切監控抽取量。

美國國家環境保護局蒐集水抽取量以及排放量的資訊，用於評估過度抽取的風險。此資料登錄於年度抽取登記表中。靜壓液位感測器是監測當地水生態系統健康狀況的重要工具。

靜壓液位感測器

靜壓液位感測器是高通用性的裝置。典型應用包括：

• 河川、湖泊、測站、水庫的水位監測
• 確保水塔和儲水槽中的飲用水供應
• 測量水井的水位

Waterpilot FMX11 浸入式靜壓液位感測器直徑為 22 mm，結構緊湊，易於整合。這些感測器提供 4 至 20 mA 輸出訊號，與資料記錄器、面板儀表、可程式邏輯控制器 (PLC) 等其他流程控制裝置相容。

Waterpilot FMX11 靜壓液位感測器擁有多項飲用水認證，包括由美國國家衛生基金會 61 (NSF-61)、法國Attestation de Conformité Sanitaire (ACS)，以及德國 TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser 的認證。

其外罩由 316 合金不鏽鋼製成，經美國食品和藥物管理局 (FDA) 核可用於飲用水應用。其屏蔽延長纜線涵蓋一根大氣壓力補償管，搭載 Teflon 過濾器，採用耐磨和抗紫外線 (UV) 的熱塑性彈性體 (TPE) 護套。TPE 和 Teflon 也獲得 FDA 核可，用於飲用水應用 (圖 4)。

圖 4：Waterpilot 靜壓液位感測器擁有多項飲用水應用的國際認證，並採用 FDA 核可的材料製成。(圖片來源：DigiKey)

一般規格：

• 工作溫度範圍 -10°C 至 +70°C
• IP68 防護等級
• 感測器測量範圍 ≥ 400mbar 時，準確度為 ≤ ±0.35%
• 感測器測量範圍 < 400mbar 時，準確度為 ≤ ±0.50%
• cULus 認證

市售型號：

• FMX11-CA11DS06 感測範圍為 0 至 0.2 bar (6.7 英尺水柱) 和 6 m 纜線
• FMX11-CA11FS10 感測範圍為 0 至 0.4 bar (13.4 英尺水柱) 和 10 m 纜線
• FMX11-CA11GS20 感測範圍為 0 至 0.6 bar (20.1 英尺水柱) 和 10 m 纜線
• FMX11-CA11HS20 感測範圍為 0 至 1 bar (33.5 英尺水柱) 和 20 m 纜線
• FMX11-CA11KS30 感測範圍為 0 至 2 bar (66.9 英尺水柱) 和 30 m 纜線

可最大幅提升水處理廠的可用性

飲用水處理廠是重要的基礎設施，需要高等級的可靠性。Waterpilot FMX11 感測器依據 EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5 的電磁相容性 (EMC) 準則進行測試；該準則定義測試承受電源突波的要求和方法。

然而，基本的 EMC 測試僅涵蓋主電源線上高達 2 kV 的突波或訊號線上高達 1 kV 的突波。這對於關鍵基礎設施而言可能還不足，因為即使是間接的雷電或切換操作，也可能在微秒內產生高達 10 kV 的突波。

Endress+Hauser 建議使用突波保護器以確保廠房可用性。已有市售突波保護器針對控制櫃中的 DIN 軌安裝所設計，以及直接安裝在現場外罩中：

• HAW562 突波保護器 (如 HAW562-AAD) 可保護控制櫃內的電源和通訊線路
• 用於流程現場儀表的 HAW569 突波保護器範例包含適用於電源和訊號纜線的 HAW569-CB2C，以及適用於訊號纜線的 HAW569-DA2B (圖 5)

圖 5：適用於電源和訊號纜線的 HAW569-CB2C (上)，以及適用於訊號纜線的 HAW569-DA2B (下)。(圖片來源：Endress+Hauser)

建議達到最大可用性的安裝配置 (圖 6)：

1. Waterpilot FMX11 靜壓液位感測器
2. HAW 突波保護器
3. 具有 4 至 20 mA 感測器訊號輸入的顯示和評估單元
4. 電源供應器

圖 6：Waterpilot FMX 安裝模塊圖，展示兩個突波保護器的位置。(圖片來源：Endress+ Hauser)

電源供應器的電壓範圍為8 V_DC 至 28 V_DC，消耗電流最大為 22 mA，最小為 2 mA。在戶外使用時，電源供應器應安裝在 IP66/IP67 等級的接線盒中。強烈建議使用符合 IEC 61010 要求的斷路器。

Waterpilot FMX11 靜壓液位感測器整合反轉極性保護，因此即使電源線連接不當也不會損壞。如果極性連接相反，裝置將無法運作。

安全完整性等級和爆炸性環境

即使在爆炸性環境，靜壓液位感測器也需要安全運作。IEC 61508 定義安全完整性等級 (SIL)，而 IEC 61511 是 IEC 61508 針對處理產業的特定應用變更。HAW569 單元設計用於現場儀表並滿足 SIL2 要求。HAW562 突波保護器適用於裝置櫃中危險性較低的應用，並且可以選擇符合 SIL2 標準。

此情況與爆炸性 (Ex) 環境中使用的類似。HAW562 突波保護器可選配 Ex 本質安全認證。兩種常見的 Ex 認證是 Ex ia 和 Ex d。

Ex ia 認證提供本質安全保護，可確保裝置及其接線的最大內部能量保持低於引起點火所需的能量水平，即使在發生故障時也是如此。適用於長期或連續存在爆炸性氣體混合物，會構成重大危險的區域。

經過 Ex d 認證的裝置，其設計可承受內部爆炸而不造成持續損壞。這些裝置適用於危險區域；這些區域在正常操作期間可能出現爆炸性氣體混合物，造成間歇性危險狀況。

HAW569 單元設計用於保護訊號纜線，可選擇通過 Ex ia 認證產品，而設計用於同不保護訊號和電源纜線的裝置則可選擇 Ex d 認證。亦可選用具備 Ex 本質安全認證的 HAW562 突波保護器。

結論

靜壓液位感測器適合多種應用，包括飲用水處理廠的流程控制和存貨管理，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永續性。飲用水處理廠是重要的基礎設施，必須充分保護以確保持續運作。

Waterpilot FMX11 靜壓液位感測器採用 FDA 核可的材料製成，符合飲用水應用，並取得多項相關國際認證。Endress+Hauser 還建議使用突波保護器，並為 Waterpilot FMX11 感測器提供具有 SIL2 效能和 Ex ia 和 Ex d 認證的型號。