( article : 8-1-A)

Water Monitor Systems

Ingegneria di sistema -
Acquisizione e trasmissione dati

Umberto Marocchino

SOMMARIO
In questa relazione si parla dello stato dell’arte dei sistemi analitici integrati per il monitoraggio ed il controllo di impianti di trattamento e riuso delle acque.
In particolare verranno trattate le tecniche accessorie per l’affidabilita’ analitica e di lunga durata dei sistemi, come ad esempio i metodi di prelievo e condizionamento del campione.
Di notevole importanza risulta essere anche la gestione dei risultati analitici per la validazione del sistema, e la successiva trasmissione dei dati.

INTRODUZIONE
In questa relazione vengono affrontate in modo specifico le tecniche accessorie per l’installazione di gruppi di analizzatori da noi denominati WATER MONITOR SYSTEMS, gli accorgimenti per l’affidabilita’ nel tempo e per una trasmissione efficiente dei dati e ricca di informazioni per la validazione dei sistemi stessi.

Suddividiamo l’esposizione nei seguenti punti :

IL PRELIEVO CAMPIONE
E' necessario definire i metodi di misura al fine di effettuare le analisi di molti parametri in automatico:

IN-LINE
la misura in-line, in genere si tratta di misure chimico-fisiche, prevede l'inserimento del sensore direttamente nella vasca o nella tubazione in cui circola l’acqua di processo. A titolo di esempio si possono citare le determinazioni del pH e dell’ossigeno disciolto.

ON-LINE
sono le misure che si effettuano in genere con analizzatori chimici, e necessitano di essere differite nel tempo (da alcuni secondi a qualche minuto), e nello spazio (da qualche metro ad alcune decine di metri ), dal luogo in cui avviene il processo.
Le determinazioni on-line a loro volta si dividono in :
continue, quando il campione circola continuamente nell’analizzatore ed è sottoposto al pretrattamento ed all’analisi in modo continuo, producendo un segnale di uscita costantemente significativo (es. TOC, Tossicita’);
a batch, in cui la determinazione necessita di un prelievo saltuario, una serie di operazioni da effettuare in cella di analisi,lo scarico del campione, e la produzione di un risultato analitico relativo al campione prelevato.In questo caso il risultato analitico sara’ unico e costante nel tempo fino alla successiva analisi (es. misure con elettrodi iono-selettivi a calibrazione dinamica, misure colorimetriche, titolazioni)

Per il prelievo del campione che deve essere sottoposto ad una o più analisi chimiche on-line si utilizza generalmente la tecnica del FAST-LOOP (Fig.1).
Il campione da analizzare viene prelevato con pompa sommergibile o autoadescante dalla vasca o canale in cui scorre e pompato ad una velocita’ di 1 - 2 m/sec in una tubazione (fast-loop) che lambisce le apparecchiature analitiche e ritorna al punto di partenza. In questo modo si ottiene un prelievo significativo con una differenza temporale di pochi secondi tra punto di prelievo e momento della determinazione analitica.
Si utilizzano anche sistemi di filtrazione in loco (Fig.2 ).
Questi ultimi sono consigliati quando il campione è presente in piccola quantita’ e quindi non si può installare un loop di grande portata.
In questo caso si filtra direttamente nella vasca o canale in cui è presente il campione , e si rilancia il campione con piccola portata mediante pompa volumetrica ad alta pressione
Risulta di estrema importanza conoscere la portata nel punto di prelievo, infatti, sebbene questo dato non sia richiesto dalla legislazione italiana in vigore, la valutazione critica di questa misura, in relazione ai risultati analitici ottenuti, consente la determinazione quantitativa delle sostanze effettivamente scaricate, con le conseguenti implicazioni nella gestione e regolazione automatica degli impianti.

IL CONDIZIONAMENTO DEL CAMPIONE
Per condizionamento del campione si intendono le tecniche che lo rendono idoneo all’analisi on-line.
Queste tecniche possono essere :

La filtrazione cross-flow
La tecnica di filtrazione più appropriata al fine di ottenere un campione significativo è la tecnica cross-flow.
In genere, la filtrazione nel punto di prelievo, se viene condotta, può essere abbastanza grossolana, mentre risulta più conveniente effettuare l'operazione nei pressi degli analizzatori, filtrando una porzione del fast-loop in quantità tale da alimentare solo gli analizzatori.
I filtri cross-flow più usati sono gli AE 630 e AE 640 (Fig . 3 ) , per gradi di filtrazione che vanno da 50 micron ad 1 millimetro, nel caso in cui le determinazioni da effettuare prevedono la presenza il più possibile significativa dei solidi sospesi esistenti nel campione.
A titolo di esempio si può citare il TOC ISCO (fino a 200 micron), e gli analizzatori di Tossicita’ e BOD istantaneo della MANOTHERM ( 1 millimetro ).
Come si vede nel disegno n. 3 i filtri cross-flow autopulenti utilizzano un setto filtrante in acciaio inox , derivato dagli strainer in uso nelle colonne di resine a scambio ionico, per spillare un campione di acqua filtrandone solo la porzione necessaria all’analisi, e lasciando inalterato il flusso principale del fast loop.
In questo modo il fast loop ha perdite di carico trascurabili.
Dopo un periodo di tempo programmabile interviene il controlavaggio mediante aria compressa,che espelle i solidi sospesi trattenuti dal setto filtrante e li immette nel flusso principale del fast loop, che li trascina insieme all'acqua fino al punto di prelievo.

Gruppo di ultrafiltrazione.
I gruppi di ultrafiltrazione risultano particolarmente indicati nel caso di analisi di sostanze disciolte in cui si rende necessaria l'assenza di solidi in sospensione, come ad esempio la colorimetria.
Detti gruppi sono costituiti da due membrane tubolari in parallelo , generalmente con grado di filtrazione inferiore a 0.1micron.
Il principio di funzionamento di questi filtri è analogo a quello dei filtri AE 630/640, cioè il metodo del cross-flow.
Le membrane tubolari vengono inserite nel fast loop in modo che il campione le percorra all’interno con una determinata velocità e pressione.
In queste condizioni l’acqua filtrata permea dal lato esterno della membrana e va all’analizzatore .
Anche per questo filtro non si rende necessario disporre di grandi quantita’ di campione dal lato del filtrato.
Il lato campione da filtrare è invece costituito da una portata notevole (da 1 a 4 mc/h), che non permette il ristagno di alghe o altri solidi sulla superficie di filtrazione e contribuisce al trascinamento delle particelle per allontanarle dal sistema.
Viene utilizzata l’ultrafiltrazione (inferiore a 0.1 micron), anzichè la microfiltrazione (circa 0.5 micron), che sarebbe sufficiente dal punto di vista analitico, per evitare l'ingresso e la crescita di microorganismi all’ interno della membrana con conseguente intasamento di difficile eliminazione.
Queste membrane non sono controlavabili con nessun fluido in controcorrente, in quanto possono essere sollecitate solo con pressione dall’interno verso l’esterno.
La pulizia può essere effettuata con acqua pulita in equicorrente alternando nel lavoro le due membrane di cui è costituito il gruppo filtrante.
In caso di incrostazioni calcaree o presenza di depositi di proteine o grassi le membrane devono essere estratte dal loro alloggiamento e pulite chimicamente con appositi liquidi.

La degasazione e riduzione della pressione
Gli analizzatori chimici possono richiedere un campione privo di gas disciolti e con una pressione non molto elevata e costante.In questo caso si utilizza il riduttore di pressione AE 700.
Il campione può essere trattenuto fino al momento dell’analisi (se si tratta di un’analisi a batch), mediante l’elettrovalvola B, poi entra nel riduttore dove è in contatto con l’atmosfera e fuoriesce dal troppo pieno o entra all’analizzatore tramite l’uscita E.
Disponendo il riduttore ad adeguata altezza al di sopra dell’analizzatore si ottiene una pressione costante all’ingresso dell’analizzatore ed il fenomeno di degasaggio della linea del campione per il repentino contatto con l’ atmosfera.

La decantazione.
Se si verifica la presenza eccessiva di solidi sospesi sedimentabili o nel caso in cui si richieda l’analisi sul decantato dopo precipitazione, si può utilizzare il decantatore APPLIKON .In questa apparecchiatura il campione circola continuamente e fuoriesce dal troppo pieno.
Quando è richiesto campione decantato mediante le elettrovalvole V3 e V4 si orienta il campione nella vaschetta di decantazione.Fermando il flusso per un adeguato numero di minuti si ottiene la sedimentazione.
Viene prelevato il campione dall’alto per l’invio all’ analizzatore.
Al termine del prelievo si innesca il sifone mediante la valvola V1 per uno svuotamento totale del decantatore e si può riprendere il ciclo precedente.
La logica del sistema può essere gestita dal microprocessore dell’analizzatore nel caso di apparecchiature APPLIKON, oppure mediante PLC esterno.

Raffreddamento e riscaldamento
Sono operazioni poco utilizzate nell’analisi on-line di acque naturali o di scarico ,se si eccettua il caso della determinazione del COD mediante APPLIKON ADI 2020, che presuppone il riscaldamento per due ore,ma viene descritto in altre relazioni,più specifiche dell’analisi.

La diluizione
In caso di concentrazioni elevate del parametro da analizzare, si può effettuare la diluizione esterna all’ analizzatore mediante due pompe volumetriche di precisione:una pompa per il campione ed una pompa per l’ acqua di diluizione. Quest’ultima può avere un attuatore analogico per realizzare rapporti di diluizione diversi, gestiti da computer , a seconda delle caratteristiche del campione in ingresso.

LA DISTRIBUZIONE AI SISTEMI ANALITICI
Il campione filtrato e condizionato nelle condizioni opportune viene inviato generalmente in una tubazione di piccolo diametro ai vari analizzatori costituenti il sistema.
Può essere necessaria una pompa volumetrica per trasferire un volume costante e sufficiente in uscita dal filtro a tutti gli analizzatori del sistema .In genere si rende necessario l'uso di un solo riduttore di pressione a fine linea per lasciare sfogo continuo al campione anche quando non ci sono analizzatori in funzione e per equalizzare la pressione.

ALLOGGIAMENTO DEL SISTEMA
Il sistema analitico on-line comprende apparecchiature di un certo ingombro,reagenti che possono alterarsi nel tempo e vari flussi di acqua a portata molto piccola. Per queste ragioni il sistema deve essere alloggiato in un locale in muratura o in una cabina prefabbricata con condizionamento caldo-freddo.
Dato che la tecnica di prelievo più usata e più consigliabile è il fast loop, che prevede un campionamento veloce ed un trasporto a distanze anche notevoli (100 metri), è opportuno , ove esista, alloggiare il sistema nei pressi del laboratorio chimico.
In questo modo, a fronte di un numero di determinazioni molto maggiore ed affidabile di quelle di laboratorio, si ha la presenza costante di personale competente che può intervenire per la preparazione dei reagenti e per la gestione delle anomalie, lasciando agli analizzatori continui il lavoro ripetitivo.

LE ANALISI CHIMICO FISICHE E CHIMICHE
I parametri analizzabili on line si dividono convenzionalmente in:-
parametri chimico fisici,cioe’ quei parametri che generalmente si possono determinare per mezzo di sensori,senza il dosaggio di reagenti quali: pH, potenziale redox, ossigeno disciolto, temperatura, conducibilita’ o salinita’, torbidita’, colore e solidi in sospensione.
parametri chimici, sono quei parametri che necessitano di misure più complesse, con dosaggio di reagenti ed un numero di operazioni elementari più elevato: filtrazioni spinte, titolazione, riscaldamento , diluizione ecc.
Per essere accettate le misure chimiche devono il più possibili seguire le metodiche ufficiali normalmente in uso in laboratorio o previste da normative ufficiali.
Citiamo i parametri chimici analizzabili on line su acque naturali o di scarico :

Fattibilita’ delle analisi
Per fattibilita’ delle analisi intendiamo un insieme di fattori che rendono possibile la realizzazione di sistemi automatici:

ESPRESSIONE dei RISULTATI ANALITICI
GESTIONE DEGLI ALLARMI, VALIDAZIONE DEL SISTEMA, TRASMISSIONE DEI DATI
Il modo tradizionale di trasmissione dei risultati analitici è costituito da un uscita analogica 4-20 mA, che esprime il valore numerico in opportuna unita’ ingegneristica da 0 al 100% del campo di lavoro predisposto per quell’analizzatore.
L’uscita analogica è in genere accompagnata da un certo numero di segnali digitali (contatti liberi da tensione che si aprono o chiudono aseguito di determinati eventi di allarme o anomalia).
Questo modo di trasmettere i dati è da ritenersi molto affidabile ,ma piuttosto povero come contenuto di informazioni, per il tipo di richieste che oggi vengono espresse in termini di validazione dei sistemi e di maggiore affidabilita’.
Infatti la maggior parte degli analizzatori chimico-fisici e la quasi totalita’ degli analizzatori chimici sono gestiti da microprocessore ed hanno una porta seriale di uscita per comunicare con sistemi computerizzati.
Attraverso la porta seriale è possibile trasmettere : dati analitici con range di lavoro anche molto distanti tra loro, con precisione elevatissima, un grande numero di informazioni provenienti dall’analizzatore con cui si è collegati, messaggi dal computer alla macchina di analisi, del tipo "... ripeti la calibrazione ... ", "....ripeti l’analisi .... ", ecc.

Ad esempio nel nuovo modello di TOC della ISCO EZ -TOC , sono imple mentate 18 cause di allarme tipo:mancanza di flusso campione,mancanza di flusso gas, perdita di liquido, basso livello reagenti ecc.
Questi messaggi sono trasmettibili mediante un unica uscita seriale. Nella maggior parte dei casi l’uscita seriale è RS 232 ,quindi per ottenere la comunicazione con un computer è necessario avere a disposizione una porta seriale per ogni analizzatore.
Modelli più recenti di analizzatori on-line ,come ad esempio la serie ADI 2011/2013/2014 della APPLIKON installano una porta di comunicazione seriale RS 485 che permette la comunicazione in rete dei messaggi da vari analizzatori ad un’unica porta seriale di un computer.
Questo fatto è fortemente innovativo ed utile per creare veri "sistemi analitici",purtroppo non è ancora sufficiente per creare sistemi integrati,che è lo scopo della nostra attivita’.
Infatti ogni costruttore di strumenta zione ha un suo linguaggio detto protocollo di comunicazione ,quindi è vero che la APPLIKON ad esempio ha un network di comunicazione per collegare molti analizzatori ad un unica porta seriale, ma questo network è valido solo per apparecchiature di quel costruttore.

Per non rinunciare alla ricchezza di informazioni delle uscite seriali e dovendo far convivere analizzatori di costruttori diversi nei WATER MONITOR SYSTEMS , abbiamo sviluppato delle apparecchiature specifiche, comunemente dette GATEWAY, che collegate agli analizzatori "traducono" il linguaggio di ogni singolo analizzatore o gruppo di analizzatori in un linguaggio più universale ,trasmissibile ad una rete di computer.
Queste "traduzioni" (tecnicamente dette LIBRERIE) sono state prevalentemente sviluppate per analizzatori distribuiti dal Gruppo AST-APPLIKON, ma sono disponibili o fattibili anche per analizzatori di altri costruttori.

Come conclusione si può dire che il numero e la qualita’ delle informazioni che si possono trasmettere bidirezionalmente tra analizzatori e computer è tale per cui vale la pena di proseguire nello sforzo di inoltrarsi nella Babele dei linguaggi

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