Uso de sensores hidrostáticos de nivel para mejorar la eficacia del tratamiento del agua dulce

El agua limpia y fresca es vital. En casi todas partes hay plantas de tratamiento de agua potable. Para funcionar con eficacia, esas plantas deben controlar el nivel de agua disponible en pozos, depósitos de almacenamiento, ríos, embalses y otras zonas.

Dependiendo de la aplicación y de las condiciones de funcionamiento, los niveles de agua pueden controlarse mediante dispositivos mecánicos, como flotadores, o dispositivos de estado sólido, como sensores de nivel hidrostáticos. Algunas tecnologías son más adecuadas para aplicaciones puntuales destinadas a controlar umbrales de nivel específicos y evitar vertidos. En cambio, otros son adecuados para mediciones continuas de nivel en sistemas de control de procesos y gestión de inventarios.

Este artículo comienza con una visión general de las aplicaciones de vigilancia puntual y continua. A continuación, presenta los principios de funcionamiento de los sensores hidrostáticos de nivel y repasa algunos usos de esos sensores en plantas de tratamiento de agua potable.

Examina brevemente cómo la Agencia de Protección del Medio Ambiente de EE.UU. (EPA) lleva la cuenta del consumo de agua dulce mediante un "registro de abstracción". A continuación, analiza algunos sensores de nivel hidrostático disponibles de Endress+Hauser. Concluye con sugerencias de aplicación a la hora de integrar sensores en instalaciones de infraestructuras críticas, como las de tratamiento de agua potable.

Los sensores de nivel de flotación son dispositivos mecánicos sencillos. El flotador sube y baja con el nivel del agua. Ese movimiento abre y cierra un interruptor mecánico que indica cuándo se ha superado un determinado nivel de agua. Estos sensores suelen utilizarse para evitar que los depósitos se llenen demasiado y derramen agua o que bajen demasiado y dañen las bombas u otros equipos.

Los sensores de nivel hidrostáticos proporcionan una medición continua del nivel de agua. Se utilizan habitualmente en tanques y recipientes de almacenamiento y procesamiento en plantas de tratamiento de agua dulce. A medida que el recipiente se llena o se vacía, el peso del agua sobre el sensor de nivel hidrostático cambia y el sensor produce una salida dependiente de la altura (figura 1). Esto las hace especialmente útiles para aplicaciones de control de procesos.

Figura 1: Los sensores de flotador se mueven hacia arriba y hacia abajo (izquierda) y pueden controlar niveles específicos en un depósito, mientras que los sensores hidrostáticos son fijos y proporcionan un control continuo del nivel (derecha). (Fuente de la imagen: Endress+ Hauser)

Los sensores de nivel hidrostáticos miden la presión de la columna de agua por encima de la membrana situada en la parte inferior del sensor. Un aceite hidráulico incompresible transmite la presión del diafragma al mecanismo sensor. La interfaz superficial entre el aceite hidráulico y el agua es relativamente grande, y la presión se concentra en una columna más pequeña que alcanza el mecanismo del sensor. El mecanismo de detección consiste en un puente de Wheatstone que cambia de resistencia cuando se desvía el sustrato (figura 2).

Figura 2: Estructura interna de un sensor de nivel hidrostático típico (izquierda) y representación del mecanismo de detección del puente de Wheatstone desviado (derecha). (Fuente de la imagen: Endress+ Hauser)

Los sensores de nivel hidrostáticos combinan una alta fiabilidad con unos costos de instalación muy reducidos. Sus aplicaciones van desde las plantas de procesamiento de agua dulce, donde garantizan un funcionamiento eficaz, hasta la vigilancia de los ecosistemas acuáticos locales para garantizar la disponibilidad de agua a largo plazo.

Transformación de agua dulce

La captación de agua (extracción y toma de agua) es el primer paso en el suministro de agua potable. Es el proceso de extraer agua de cualquier fuente. La cantidad de agua disponible se controla de cerca mediante dispositivos como sensores de nivel hidrostático.

El resto de los detalles del procesamiento del agua dulce varían en función de la normativa local, pero es necesario controlar los niveles de agua en toda la planta. Algunos pasos habituales son (Figura 3):

• La coagulación se lleva a cabo añadiendo al agua productos químicos con carga positiva para neutralizar la carga negativa de la suciedad y otras partículas disueltas.
• La floculación implica un segundo proceso químico en el que las partículas coaguladas forman partículas más grandes llamadas flóculos.
• En la sedimentación, los flóculos se depositan en el fondo del agua y se eliminan los lodos.
• En la filtración, varios filtros eliminan las partículas disueltas y los gérmenes restantes.
• La desinfección utiliza cloro o cloramina para eliminar parásitos, bacterias, virus y gérmenes.
• Almacenamiento y distribución. El tratamiento del agua dulce es un proceso continuo, pero en la mayoría de las ciudades el consumo de agua alcanza su punto máximo por la mañana y por la tarde, lo que requiere grandes instalaciones de almacenamiento para adecuar la disponibilidad de agua dulce a la demanda.

Figura 3: El tratamiento del agua potable puede incluir muchos procesos que deben vigilarse de cerca para garantizar la calidad del agua y el cumplimiento de la normativa legal. (Fuente de la imagen: Endress+Hauser)

Registro de abstracción

Es necesario disponer de agua suficiente para garantizar una transformación eficaz del agua dulce. La legislación medioambiental controla la extracción de agua bruta de fuentes naturales para evitar daños al equilibrio hídrico local.

En Europa, el mantenimiento de niveles y caudales de agua adecuados viene dictado por la Directiva Marco del Agua, que se centra en la gestión cuantitativa y cualitativa de los recursos hídricos naturales. En Estados Unidos, la EPA tiene objetivos similares y vigila de cerca la extracción de agua.

La EPA recopila información sobre la cantidad de agua extraída, junto con información sobre los vertidos de agua, para evaluar el riesgo de extracción excesiva. Los datos se recogen en un registro anual de abstracciones. Los sensores hidrostáticos de nivel son herramientas importantes para vigilar la salud de los ecosistemas acuáticos locales.

Sensores de nivel hidrostático

Los sensores de nivel hidrostáticos son dispositivos muy versátiles. Las aplicaciones típicas son:

• Control del nivel de ríos, lagos, estaciones de aforo y embalses
• Garantizar la disponibilidad de agua potable en torres de agua y depósitos de almacenamiento
• Medición del nivel de agua en pozos

El diámetro compacto de 22 mm de los sensores de nivel hidrostáticos sumergibles Waterpilot FMX11 de Endress+Hauser facilita su integración. Estos sensores proporcionan una señal de salida de 4 a 20 mA compatible con registradores de datos, medidores de panel, controladores lógicos programables (PLC) y otros equipos de control de procesos.

Los sensores hidrostáticos de nivel Waterpilot FMX11 cuentan con varias certificaciones de agua potable, como la National Sanitation Foundation 61 (NSF-61) en U.S., la Attestation de Conformité Sanitaire (ACS) en Francia y la TZW:DVGW - Technologiezentrum Wasser en Alemania.

La carcasa es de acero inoxidable de aleación 316 y está aprobada para aplicaciones de agua potable por la Food and Drug Administration (FDA). El cable de extensión apantallado incluye un tubo de compensación de la presión atmosférica con un filtro de teflón en una cubierta de elastómero termoplástico (TPE) resistente a la abrasión y a la luz ultravioleta (UV). El TPE y el teflón también están aprobados por la FDA para aplicaciones de agua potable (Figura 4).

Figura 4: Los sensores de nivel hidrostáticos Waterpilot cuentan con varias certificaciones internacionales para aplicaciones de agua potable y se fabrican con materiales aprobados por la FDA. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Especificaciones generales:

• Rango de temperatura de funcionamiento de -10 °C a +70 °C
• Protección IP68
• Precisión de ≤ ±0.35% para rango de medición del sensor ≥ 400 mbar.
• Precisión de ≤ ±0.50% para rango de medición del sensor < 400 mbar.
• Certificación cULus

Modelos disponibles:

• FMX11-CA11DS06 con un rango de detección de 0 a 0.2 bar (6.7 pies de columna de agua) y un cable de 6 m
• FMX11-CA11FS10 con un rango de detección de 0 a 0.4 bar (13.4 pies de columna de agua) y un cable de 10 m
• FMX11-CA11GS20 con un rango de detección de 0 a 0.6 bar (20.1 pies de columna de agua) y un cable de 10 m
• FMX11-CA11HS20 con un rango de detección de 0 a 1 bar (33.5 pies de columna de agua) y un cable de 20 m
• FMX11-CA11KS30 con un rango de detección de 0 a 2 bar (66.9 pies de columna de agua) y un cable de 30 m

Maximizar la disponibilidad de las plantas de tratamiento de agua

Las plantas de tratamiento de agua potable son infraestructuras críticas y requieren altos niveles de fiabilidad. Los sensores Waterpilot FMX11 se prueban según las directrices de compatibilidad electromagnética (CEM) de la norma EN 1000-4-5 / IEC 61000-4-5, que define los requisitos y métodos para probar la capacidad de soportar subidas de tensión.

Sin embargo, las pruebas básicas de compatibilidad electromagnética sólo cubren sobretensiones de hasta 2 kV en las líneas principales de alimentación o 1 kV en las líneas de señal. Esto puede ser insuficiente para las infraestructuras críticas, donde incluso los rayos indirectos o las operaciones de conmutación pueden provocar sobretensiones de hasta 10 kV en microsegundos.

Endress+Hauser recomienda el uso de disipadores de sobrevoltaje para garantizar la disponibilidad de la planta. Los disipadores de sobretensiones están disponibles y diseñados para montaje en riel DIN en armarios de control y para montaje directo en un receptáculo de campo:

• Disipadores de sobretensiones HAW562 como el HAW562-AAD para proteger las líneas de alimentación y comunicación en armarios de control.
• Disipadores de sobretensiones HAW569 para instrumentación de campo de procesos como el HAW569-CB2C para cables de alimentación y señal y el HAW569-DA2B, para cables de señal (figura 5).

Figura 5: HAW569-CB2C para cables de alimentación y señal (arriba) y HAW569-DA2B para cables de señal (abajo). (Fuente de la imagen: Endress+Hauser)

La instalación recomendada para obtener la máxima disponibilidad incluye (Figura 6):

1. Sensor de nivel hidrostático Waterpilot FMX11
2. Disipadores de sobretensión HAW
3. Unidad de visualización y evaluación con una entrada para una señal de sensor de 4 a 20 mA
4. Fuentes de alimentación

Figura 6: Diagrama de bloques de la instalación del Waterpilot FMX que muestra las posiciones de los dos disipadores de sobretensión (2). (Fuente de la imagen: Endress+ Hauser)

El rango de tensión de alimentación es de 8 V_CC a 28 V_CC, y el consumo de corriente es de un máximo de 22 mA y un mínimo de 2 mA. Si se utiliza en exteriores, la fuente de alimentación debe alojarse en una caja de bornes con clasificación IP66/IP67. Se recomienda encarecidamente un disyuntor que cumpla los requisitos de la norma IEC 61010.

Los sensores hidrostáticos de nivel Waterpilot FMX11 llevan integrada una protección contra polaridad inversa y no sufrirán daños si los cables de alimentación se conectan de forma incorrecta. En caso de conexión con polaridad inversa, el aparato no funciona.

Niveles de integridad de seguridad y atmósferas explosivas

Los sensores de nivel hidrostáticos también deben funcionar de forma segura, incluso en presencia de atmósferas explosivas. La IEC 61508 define los niveles de integridad de la seguridad (SIL), y la IEC 61511 es una adaptación de la IEC 61508 para aplicaciones específicas de la industria de procesos. Las unidades HAW569 están diseñadas para su uso en instrumentación de campo y cumplen los requisitos SIL2. Los disipadores de sobretensiones HAW562 están diseñados para su uso en aplicaciones menos peligrosas en armarios de equipos y están disponibles opcionalmente con SIL2.

La situación es similar a la utilizada en atmósferas explosivas (Ex). Los disipadores de sobretensiones HAW562 están disponibles opcionalmente con homologación Ex de seguridad intrínseca. Dos certificaciones Ex comunes son Ex ia y Ex P.

La certificación Ex ia proporciona una protección intrínsecamente segura que garantiza que la energía interna máxima del dispositivo y su cableado permanezca por debajo del nivel de energía necesario para provocar una ignición, incluso en caso de fallo. Está diseñado para su uso en áreas donde una mezcla de gases explosivos está presente durante periodos prolongados o de forma continua y supone un riesgo significativo.

Los dispositivos con certificación Ex d están diseñados para resistir una explosión interna sin sufrir daños. Estos dispositivos están diseñados para su uso en áreas críticas en las que es probable que se produzca una mezcla de gases explosivos durante el funcionamiento normal, presentando una condición peligrosa intermitente.

Las unidades HAW569 diseñadas para proteger cables de señal están disponibles opcionalmente con homologación Ex ia, mientras que la homologación Ex d es una opción en aquellas diseñadas para la protección simultánea de cables de señal y de alimentación. Los disipadores de sobretensiones HAW562 también están disponibles con homologaciones opcionales Ex de seguridad intrínseca.

Conclusión:

Los sensores hidrostáticos de nivel tienen varias Aplicaciones, como el control de procesos y la gestión de inventarios en plantas de tratamiento de agua potable, así como la supervisión de fuentes de agua como pozos, ríos, lagos y embalses para garantizar la disponibilidad y sostenibilidad del agua. Las plantas de tratamiento de agua potable son infraestructuras críticas y deben protegerse adecuadamente para garantizar su funcionamiento continuo.

Los sensores hidrostáticos de nivel Waterpilot FMX11 están fabricados con materiales aprobados por la FDA para aplicaciones de agua potable y cuentan con varias homologaciones internacionales relacionadas. Endress+Hauser también recomienda usar disipadores de sobrevoltaje y ofrece modelos con rendimiento SIL2 y certificaciones Ex ia y Ex d para los sensores Waterpilot FMX11.