Demohefte Automasjon 1
N ET M TR E ES D SU RS Forord Forord Dette er en av to bøker om praktisk automatiseringsteknikk. Denne boken, automatiseringsteknikk 1, tar for seg praktisk industriell måleteknikk. Bok 2, automatiseringsteknikk 2, tar for seg PID-regulering, pådragsorganer, omformere, prosessdata, grunnleggende om sikkerhet, dokumentasjon og grunnleggende vedlikeholdsteknikk. • Denne boken dekker målenøyaktighet og kalibrering, måleteknikk for trykk, nivå, gjennomstrømning, temperatur, pH og gassanalyse. Både digitale og analoge måleteknikker behandles. • Målgruppen er studenter i teknisk fagskole, men boken er tilrettelagt for VG2 og VG3 automatisering i videregående skole. • Det er laget en tilpasset nettressurs for hver studieretning. Både veiledninger, oppgaver, animasjoner, videofilmer og tekniske spesifikasjoner er tilpasset læreplanene for studieretningene. • Læreboken passer også svært godt til selvstudium også for etter- og videreutdanning i industrien. Mer enn bare papirbok Til boken er det knyttet store digitale nettressurser. Elektroniske tester Video- og animasjonsfilme r Animasjoner Lenker til nettsteder Tekniske spesifikasjoner Oppgaver med løsningsforslag Dynamiske simulatorer DIGITAL NETTRESSURS PAPIRBASERTE LÆREBØKER Brukeren kan bruke boken og samtidig se konkretiserende animasjoner og videofilmer i nettressursen. Brukerens kunnskaper kan testes gjennom elektroniske tester. I oppgavesamlingen kan brukeren løse oppgaver og kontrollere svarene mot løsningsforslag. Det er viktig at teoriene knyttes til praktisk anvendelse. Derfor har nettressursen tilrettelagte tekniske spesifikasjoner, for måleteknisk utstyr. Dette er pdf-filer som kan lastes ned til brukerens datamaskin. 2 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Forord Nettressursen har også lenker til anbefalte nettsteder som kan være utdypning til læringen. I boken er det symboler som henviser til digitale ressurser på nettsiden. Symbolene vises i tabellen. Symbol Forklaring Symbolet viser at du kan studere animasjon i den digitale ressursen. Symbolet viser at du kan se videofilm i den digitale ressursen. Symbolet viser at du kan lese mer i tekniske spesifikasjoner. Alle tekniske spesifikasjoner kan lastes ned. Symbolet viser at du kan teste kunnskaper i den digitale ressursen. Dette er felles symbol for elektroniske tester og papirbaserte oppgaver. Papirbaserte oppgaver lastes ned som pdf-filer, sammen med løsningsforslag. Symbolet viser til regneark som kan lastes ned for bruk i oppgaver. Symbolet viser til at du kan se dynamiske simulatorer i den digitale ressursen. PowerPoint til lærer/instruktør Det er laget PowerPoint-serier for hvert kapittel i boken. PowerPointseriene inneholder illustrasjoner fra boken sammen med animasjoner i den digitale nettressursen. • Dette er et unikt pedagogisk hjelpemiddel for lærer i undervisningen. Om forfatter Bjørnar Larsen har undervist automatiseringsfaget i skole og industri i en årrekke. Han har vært medlem i fagprøvenemder i 18 år og har skrevet mer enn 30 lærebøker for skole og industri. Forfatteren har også produsert elektroniske læremidler, elektronisk informasjonsverktøy og videofilmer. Arbeidet er utført for en lang rekke bedrifter og organisasjoner. Vi nevner Noretyl, Hydro Polymers, Herøya Industripark, YARA, NHO, Utdanningsdirektoratet, Industriskolen, Vett og Viten og Gyldendal. Forfatteren deltok i det Europeiske prosjektet CELEBRATE, der han produserte mer enn 60 animasjoner for realfaget. Hele 22 land deltok i CELEBRATE-prosjektet. Animasjonene til forfatteren har siden blitt en pedagogisk veiviser for utvikling av tilsvarende animasjoner, for bruk i elektroniske læremidler i inn og utland. Bjørnar Larsen 1. mars 2013 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 3 Innholdsfortegnelse Kapittel 1: Målenøyaktighet og kalibrering............................................................... 17 1.1 Innledning ............................................................................................. 18 1.2 Noen begreper og definisjoner........................................................... 18 1.2.1 Kalibrering ............................................................................... 18 1.2.2 Justering ................................................................................. 19 1.2.3 Sporbarhet .............................................................................. 19 1.2.4 Fiskale målinger ...................................................................... 20 1.2.5 Målenøyaktighet...................................................................... 20 1.3 Statisk og dynamisk nøyaktighet ....................................................... 20 1.3.1 Statisk nøyaktighet ................................................................. 21 1.3.2 Oppløsningsevne .................................................................... 21 1.3.3 Repeterbarhet ......................................................................... 21 1.3.4 Reproduserbarhet ................................................................... 22 1.3.5 Hysterese ................................................................................ 22 1.3.6 Linearitet ................................................................................. 23 1.3.7 Aldring ..................................................................................... 24 1.3.8 Standardsignaler ..................................................................... 24 1.3.9 Utgangsomfang ...................................................................... 24 1.4 Dynamisk nøyaktighet ........................................................................ 25 1.5 Måleområde og måleomfang ............................................................. 26 1.5.1 Inn- og utgangsomfang .......................................................... 26 1.6 Største måleomfang og kalibrert måleomfang ................................... 27 1.6.1 Instrumentets ........................................................................ 28 1.6.2 Nøyaktighet ............................................................................. 29 1.7 Dokumentering av kalibrering ........................................................... 29 1.7.1 Testserie .................................................................................. 29 1.8 Trening i bruk av datablader............................................................... 30 1.9 Samlet målefeil i en målesløyfe .......................................................... 31 1.10 Beregning av delfeilene ...................................................................... 31 1.10.1 Feil på grunn av endring i omgivelsestemperaturen ............... 32 1.10.2 Feil på grunn av endring av statisk trykk ................................ 32 1.10.3 Feil referert i forhold til måleomfanget .................................... 32 4 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Innholdsfortegnelse Kapittel 2: Metoder for å måle trykk ......................................................................... 35 2.1 SI-systemet for trykk .......................................................................... 36 2.1.1 Masse...................................................................................... 36 2.1.2 Treghet .................................................................................... 36 2.1.3 Måle masse ............................................................................. 36 ........................................................................... 2.1.4 Massetetthet ...........................................................................37 ............................................................................................ 2.2 Hastighet ............................................................................................38 ....................................................................................... 2.3 Akselerasjon .......................................................................................38 ................................................................................ 2.4 Gravitasjonskraft ................................................................................39 ........................................................................................ 2.4.1 Kraft ........................................................................................40 ..................................................................... 2.4.2 Kraft og motkraft .....................................................................41 ....................................................................... 2.4.3 Oppsummering .......................................................................42 ............................................................................................... 2.5 Friksjon ...............................................................................................42 ....................................................................................... 2.6 Trykkenheter .......................................................................................43 .................................................................... 2.6.1 Regneeksempler: ....................................................................44 ....................................................................... 2.6.2 Atmosfæretrykk.......................................................................44 ................................................................................... 2.7 Trykkreferanser ...................................................................................45 .................................................................................. 2.8 Toricellis forsøk ..................................................................................46 ........................................................................................ 2.8.1 Kraft ........................................................................................46 ............................................................. 2.9 Instrumenter for å måle trykk .............................................................47 2.9.1 Mekaniske måleinstrumenter ..................................................47 2.9.2 Bourdonrørsmanometer ..........................................................48 2.9.3 Membranmanometer ..............................................................49 .............................................................................. 2.10 Kapselmanometer ..............................................................................50 ................................................................................. 2.11 Belgmanometer .................................................................................50 2.12 Instrumenter med analog elektrisk utgang ........................................51 2.12.1 Måleelementer basert på endring i kapasitans .......................51 2.13 Installasjon av trykkmålere .................................................................53 2.14 Strømsløyfer og spenningstilkobling ..................................................54 2.14.1 Tolederkobling .........................................................................54 2.14.2 Tolederkobling til instrumenter ................................................54 2.14.3 Firelederkobling ......................................................................55 2.15 Måle differansetrykk ...........................................................................55 2.16 Trykkmålere med piezoresistive måleelementer ................................57 2.17 Eksempel på bruk av differansetrykkmålere ......................................58 2.17.1 Måle over pumper og filtre ......................................................58 2.17.2 Eksempel på bruk i absorpsjonstårn ......................................59 2.18 Montasje av differansetrykkmåler ......................................................60 2.19 En tøyningsgiver (strekklapp) .............................................................60 2.19.1 Prinsippet for å måle trykk med strekklapper .........................62 2.20 Instrumenter med diskontinuerlig utgang (av/på-utgang) ..................63 2.21 Pressostater .......................................................................................63 2.21.1 Pressostater for ulike medier ..................................................64 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 5 Innholdsfortegnelse 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.21.2 Datablad for en pressostat .....................................................65 Elektronisk trykkbryter .......................................................................66 «Smarte instrumenter» .......................................................................66 2.23.1 Dataoverføring i HART-instrumenter .......................................68 ................... 2.23.2 Nyere måleelement basert på kapasitivt prinsipp ...................69 .......................... 2.23.3 Kommunikasjon med vedlikeholdssystemet ..........................69 ...................................................................... Eksempler på montasje......................................................................70 .............................................. 2.24.1 Manifold montert på d/p-cellen ..............................................70 .............................. 2.24.2 Eksempel på test av målingen under drift ..............................70 ............................................... 2.24.3 Eksempel på montasje i kasse ...............................................70 .............................................. Kalibrering og justering av trykkmålere ..............................................71 ............................................................................... 2.25.1 Kalibrering ...............................................................................71 ........................................................................ Kalibreringseksempel: ........................................................................72 ................................................................................. 2.26.1 Justering .................................................................................74 ...................................................... 2.26.2 Oppsett for trykkalibrering ......................................................74 2.26.3 Eksempel på kalibrering av manometre ..................................74 ............................................. 2.26.4 Målenøyaktighet for manometre .............................................75 ......................................................... 2.26.5 Kalibrering i fem punkter .........................................................75 Kapittel 3: Metoder for å måle nivå ........................................................................... 79 ........................................................................................... 3.1 Innledning...........................................................................................80 3.2 Hydrostatiske målemetoder ..............................................................80 ................................................................................ 3.2.1 Åpen tank ................................................................................80 3.2.2 Måle med differansetrykkmåler...............................................80 3.2.3 d/p-cellen er montert under nullpunktet .................................82 3.2.4 Måle nivå med boblerør ..........................................................83 3.2.5 Eksempel 1. Måle nivå i lukket tank ........................................84 3.2.6 Eksempel 2. Måle nivå i lukket tank ........................................85 3.2.7 Ligningen til nivåmålingen.......................................................86 3.3 Fortrengningsmåler basert på endring i oppdrift ...............................87 3.4 Oppdrift brukt i måleteknikk...............................................................87 3.4.1 Eksempel på utregning av tyngden til et oppdriftslegeme .....88 3.5 Nivåmåler basert på refleksjon av ultralyd .........................................88 3.5.1 Nivåmåler basert på refleksjon av radarpulser........................89 radarpulser 3.6 Nivåmåler basert på endring i kapasitans ..........................................90 3.7 Måling av nivå basert på veiing av tanken .........................................91 3.7.1 Eksempel fra næringsmiddelindustri.......................................92 næringsmiddelindustri 3.8 Måleomformere for nivå med av/på-utgang ......................................93 3.8.1 Pressostat ...............................................................................93 3.8.2 Flottørbryter ............................................................................93 3.8.3 Nivåvippe ................................................................................94 2.8.4 Elektroder ................................................................................95 3.9 Grensebryter basert på endring av kapasitans ..................................96 3.10 Måle nivå med radioaktive strålingskilder ..........................................96 6 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Innholdsfortegnelse 3.11 Av/på-giver basert på endring i frekvens ...........................................96 Kapittel 4: Metoder for å måle gjennomstrømning................................................. 99 ........................ 4.1 Bernullis ligning for strømmende væsker og gasser ........................100 ............................................................................... 4.2 Tofasestrømning ...............................................................................101 .............................................. 4.3 Måleenheter for gjennomstrømninger ..............................................102 ............................................................... 4.3.1 Normalkubikkmeter ...............................................................102 .......................................................................... 4.3.2 Massestrøm ..........................................................................103 ....................................... 4.4 Måle gjennomstrømning med strupeskive .......................................104 ................................................................. 4.4.1 Kvadratisk måling .................................................................105 .................................................................... 4.4.2 Kvadratisk skala ....................................................................106 4.4.3 Elektroniske instrumenter beregner gjennomstrømningen ...107 4.4.4 Eksempel målefeil ved lavt måleområde...............................107 måleområde............................... .......................................................... 4.5 Endring i trykk og temperatur ..........................................................108 4.5.1 Måle massestrøm (kg/s, kg/h, tonn/h) ..................................108 .......................................................................................... 4.6 Montasje ..........................................................................................108 4.7 Nye måleskivekonstruksjoner ..........................................................109 .......................................................... ..................................................................... 4.8 Manifold på d/p-cellen .....................................................................109 4.8.1 Treveis manifold ....................................................................110 .................................................................... 4.8.2 Femveis manifold ..................................................................110 .................................................................. 4.8.3 Eksempel på test av måleomformer under drift....................111 ............................................................................... 4.8.4 Montasje ...............................................................................111 ....................................................................................... 4.9 Venturidyse.......................................................................................112 ............................................................................................. 4.10 Pitotrør .............................................................................................112 4.11 Annubar, en videreutvikling av pitotrør.............................................114 4.12 Turbinmåler ......................................................................................115 ...................................................................................... 4.12.1 Endringer i viskositet og massetetthet..................................115 4.12.2 Strømningsretter ...................................................................115 4.12.3 Eksempel på turbinmålere ....................................................116 4.13 Gjennomstrømningsmåler basert på induksjon ...............................117 4.13.1 Hva er elektrisk induksjon? ...................................................117 4.13.2 Eksempler på bruk av induksjonsprinsippet .........................117 4.14 Induksjonsprinsippet brukt i gjennomstrømningsmålere .................117 4.15 Fordeler med elektromagnetiske gjennomstrømningsmålere ..........120 4.16 Ulempe .............................................................................................120 4.17 Rotameter ........................................................................................120 4.18 Virvelstrømsmåler (vortexmåler) .......................................................121 4.19 Innledning.........................................................................................121 4.20 Gjennomstrømningsmåler basert på virvler (Vortex) ........................122 4.21 Ekspandert vortexmåler ...................................................................123 4.22 To eksempler på installasjon ............................................................124 4.22.1 Installasjon i kaldt medium ...................................................124 4.22.2 Installasjon i varmt medium ..................................................124 4.23 Gjennomstrømningsmåler basert på Coriolis’ kraft .........................125 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 7 Innholdsfortegnelse 4.24 4.25 4.26 4.27 4.28 4.29 4.30 4.31 4.23.1 Prinsipiell virkemåte ..............................................................125 4.23.2 To målerør .............................................................................126 4.23.3 Noen fordeler med coriolismåler ...........................................127 4.23.4 Eksempel på en installasjon 2...............................................127 Gjennomstrømningsmåler basert på dopplereffekt .........................128 tidsforskjell.................................. ..................................129 Gjennomstrømningsmåler basert tidsforskjell..................................129 .............................................................................. 4.25.1 Virkemåte ..............................................................................129 ...................................................... 4.25.2 Eksempel på installasjon ......................................................129 ............................................................................. Strømningsvakter .............................................................................130 ........................................................... 4.26.1 Kalorimetrisk prinsipp ...........................................................130 ..................................................... 4.26.2 Eksempel på anvendelse .....................................................131 ................................................................ Mekanisk strømningsvakt ................................................................132 .................................. Strømningsvakt basert på måling av trykkfall ..................................132 ...................................... Strømningsvakter med elektronisk utgang ......................................133 .......................................................................... Endring av frekvens..........................................................................133 .......................................... Måling av massestrøm med veieteknikk ..........................................134 ............................................................................. 4.31.1 Innledning .............................................................................134 ...................................................................... 4.31.2 Doserbåndvekt ......................................................................134 ......................................................................... 4.31.3 Beholdervekt .........................................................................135 .................................................................. 4.31.4 Doseringsorganer ..................................................................136 Kapittel 5: Metoder for å måle temperatur .............................................................139 ............................................................. .......................................................................... 5.1 Bimetalltermometre ..........................................................................140 .............................................................................. 5.2 Fylte termometre ..............................................................................141 5.2.1 Bimetallkompensator ............................................................141 ........................................................................................ 5.3 Termostat ........................................................................................141 5.4 Måle temperatur ved å måle endring i resistans ..............................143 5.4.1 Resistansen til metaller øker når temperaturen øker ............143 5.4.2 Platinaelementer (RTD) .........................................................144 5.4.3 Tabeller for motstandsverdier til Pt-100-element..................144 5.5 Litt om utforming av Pt-100-elementer ............................................145 5.5.1 Keramisk innkapsling ............................................................146 5.5.2 Flatfilm ..................................................................................146 5.6 Nøyaktighet ......................................................................................146 5.6.1 Egenoppvarming ...................................................................146 5.7 Kobling av Pt-100-elementer ...........................................................146 5.7.1 Tolederkobling.......................................................................146 5.7.2 Trelederkobling......................................................................147 5.8 Installasjon i eksplosjonsfarlig område ............................................149 5.9 Termoelementer ...............................................................................149 5.9.1 Metaller og termospenning ...................................................150 5.9.2 Eksempel på termospenning ................................................150 5.9.3 Ikke bruk et tredje metall.......................................................150 5.9.4 Eksempel på tabeller for termoelementer .............................151 8 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Innholdsfortegnelse 5.10 5.11 5.12 5.13 5.14 5.15 5.16 5.17 5.9.4.1 Tabell for Fe-CuNi, type J ........................................151 5.9.4.2 Tabell for NiCr-Ni, type K .........................................151 5.9.4.3 Tabell for Cu-CuNi, type T........................................152 5.9.5 Eksempel på bruk av tabellene .............................................152 ........................................................... 5.9.6 Beregningsekesempel...........................................................152 ................................................... Automatisk temperaturkorrigering ...................................................153 ....................................................................... Kompensasjonskabel .......................................................................153 ........................................................ Beskyttelse av termoelementer........................................................155 ................................................................................. Termografering .................................................................................156 ...................................................... 5.13.1 Elektromagnetisk stråling ......................................................156 ....................................................................... 5.13.2 Infrarød varme .......................................................................157 ..................................................... 5.13.3 Emissivitet (strålingsevne) .....................................................157 .............................................. Eksempler på bruk av termografering ..............................................158 ......................... 5.14.1 Eksempel på termografering i dampsystem .........................158 ................................ 5.14.2 Hva bør undersøkes i et dampsystem? ................................159 .............................................. Undersøkelse av kulelager til motorer..............................................159 ................................................................. 5.15.1 Hva skal sjekkes? .................................................................159 ............................................................ 5.15.2 Hva skal du se etter? ............................................................160 .......................................................... Termografi i elektriske anlegg ..........................................................160 5.16.1 Hva skal undersøkes? ...........................................................161 ............................................................ 5.16.2 Hva skal du se etter? ............................................................161 Analysere bildene på datamaskin ....................................................162 Kapittel 6: Metoder for å måle pH og gasskonsentrasjon ....................................165 6.1 Måling av luftkvalitet ........................................................................166 .......................................................................... 6.1.1 Luftfuktighet ..........................................................................166 6.1.2 Mettet luft ..............................................................................166 6.1.3 Relativ fuktighet ....................................................................167 6.2 Måle luftfuktigheten..........................................................................167 6.2.1 Diagram for fuktig luft, et såkalt Mollierdiagram ...................168 6.3 Måleinstrumenter for måling av relativ fuktighet ..............................169 6.3.1 Måleelement..........................................................................169 6.3.2 Måleomformeren ...................................................................170 6.3.3 Nettverkstilkobling/ethernet ..................................................170 6.4 Måle pH-verdi...................................................................................170 6.4.1 Innledning .............................................................................170 6.5 Definisjoner ......................................................................................171 6.5.1 SI-enheten mol .....................................................................171 6.5.2 Hva er pH? ............................................................................172 6.5.3 Definisjonen til pH .................................................................172 6.6 Måleutstyr for å måle pH..................................................................173 6.6.1 Elektroder ..............................................................................173 6.6.2 Referanseelektrode ...............................................................174 6.6.3 Glasselektroden (målelektroden)...........................................174 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 9 Innholdsfortegnelse 6.7 6.8 6.9 6.10 6.11 6.12 6.13 6.14 6.15 6.16 6.17 6.18 6.19 6.20 10 6.6.4 Gelsjikt (gelbelegg) ................................................................175 6.6.5 Målekretsen...........................................................................176 Målefeil og vedlikehold ....................................................................176 6.7.1 Pass på prosesstrykket.........................................................176 6.7.2 Temperaturavhengighet ........................................................177 ..................................... 6.7.3 Målinger i fabrikk og på laboratoriet .....................................178 ................................................................ Rengjøring og kalibrering ................................................................178 ........................................................ Den kombinerte pH-elektroden........................................................179 .................................................................................. Nye elektroder ..................................................................................179 ....................... Måle pH ved å måle ledningsevnen (konduktansen) .......................180 ......................................................... 6.11.1 Spesifikk ledningsevne .........................................................180 ................................................................... 6.11.2 Cellekonstanten ...................................................................181 .................................................. 6.11.3 Måleelementet (målecellen) ..................................................181 ..................................................... 6.11.4 Temperaturkompensering .....................................................182 ................................................ 6.11.5 Målecelle med fire elektroder ................................................183 ............................................................. 6.11.6 Kalibrering/justering .............................................................183 ............................................................................ 6.11.7 Rengjøring ............................................................................183 ................................................................ Gassanalyseinstrumenter ................................................................184 ............................................................................. 6.12.1 Innledning .............................................................................184 .............................................................. Felles for gassanalysatorer ..............................................................184 6.13.1 Andre enheter enn prosent ...................................................185 ................................................................. Hjelpeutstyr og montasje .................................................................186 .............................................................................. 6.14.1 Gassuttak ..............................................................................186 6.14.2 Måleledninger, ventiler mm ...................................................186 ................................................................................ 6.14.3 Filtrering ................................................................................187 ................................................................................... 6.14.4 Kjøling ...................................................................................188 6.14.5 Utløp fra analysatoren ...........................................................188 6.14.6 Eksempel på et analyseanlegg .............................................188 6.14.7 Eksempel på symboler til komponenter i analyseanlegg ......189 6.14.8 Eksempel på et analyseanlegg .............................................190 Gassanalysatorer .............................................................................190 6.15.1 Oksygenanalysator ...............................................................190 6.15.2 Eksempel fra et prosessanlegg .............................................192 Oksygenanalysator basert på paramagnetisme ..............................193 6.16.1 Oksygenanalysatorens prinsipielle virkemåte .......................194 Gassanalysatorer basert på Infrarød stråling ...................................195 lys 6.17.1 Edelgasser absorberer ikke infrarødt lys...............................196 6.17.2 Prinsipiell virkemåte ..............................................................196 6.17.3 Eksempel på en analysator ...................................................197 Gassanalysator basert på varmeledningsevne ................................198 Innledning.........................................................................................198 6.19.1 Prinsipielle virkemåte ............................................................199 Måling av oksygeninnhold i vann .....................................................200 6.20.1 Løsbarhet i vann ...................................................................200 6.20.2 Måling av oppløst oksygen i vann ........................................201 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Innholdsfortegnelse 6.20.3 Elektrokjemisk celle ..............................................................201 6.20.4 Måling av oppløst oksygen med fluoroscensprobe ..............202 6.21 Måling av slaminnhold i vann ...........................................................203 6.21.1 Turbiditet ..............................................................................203 .............................................................. 6.21.2 Noen bruksområder ..............................................................204 Kilder ........................................................................................................ 206 Tillegg ....................................................................................................... 208 Stikkordregister ........................................................................................ 210 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 11 Kapittel 1 Forsterkning = 1.6.2 Utgang 16mA = = 0,16mA / °C Inngang 100°C Nøyaktighet Nøyaktighet oppgis i prosent av måleomfanget. Måleområdet til et måleinstrument er 0–100oC. Måleomfanget er da 100oC. Si at temperaturen i målepunktet er 50°C, men måleomformerens utgang viser 50,5°C. Måleinstrumentet måler altså 0,5°C for høy temperatur. Nøyaktigheten til målingen, regnet i prosent blir da: Nøyaktighet = 0, 5°C ⋅100% = 0, 5% 100°C Generelt kan dette skrives slik: Nøyaktighet = 1.7 Avvik ⋅100% Måleomfang Dokumentering av kalibrering Når vi skal kalibrere et instrument gjøres det ved å tilføre instrumentet forskjellige kjente måleverdier innenfor måleområdet og avlese tilhørende utgangsverdier. I figur 18 vises eksempel på oppstilling for kalibrering av et måleinstrument som skal måle temperatur. Figur 18 1.7.1 Testserie En testserie over hele måleområdet for stigende og fallende måleverdier kalles for en kalibreringssyklus. Som oftest testes kalibreringen i 0%, 25%, 50%, 75% og 100% av måleområdet. Testen gjøres for stigende og fallende måleverdier. Koordinatene for denne fempunktstesten plottes i et koordinatsystem. Eksempel vises i figur 19. 12 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Målenøyaktighet og kalibrering Figur 19. Dokumentering av kalibrering. 1.8 Trening i bruk av datablader Dette er en orientering om hvilken informasjon man kan forvente å finne i datablader til instrumenter. Les om: Åpne databladet til RosemoDifferential Pressure Gauges. Åpne databladet til Tecsis trykktransmittere. • • • • • Nøyaktighet (Accuracy class) Måleområder(Scale ranges) Temperaturer (Operating temperature) Termiske karakteristikker(Temperature effect) mm. • På første side kan du lese lineariteten (nøyaktigheten) som er 0,5%. Man kan få kjøpt den med nøyaktighet 0,25%. Man kan få instrumentet levert med forskjellige typer utgangssignaler, blant annet 4-20mA. Du ser at du kan få levert måleren i områder fra 0...1bar to 0...600bar. Se Measuring Range Spesifikasjonen. • • Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 13 Kapittel 2 Start animasjonen DP_celle. Bruk animasjonen når du leser om virkemåten til d/p-cellen i figur 30. Med differansetrykk mener vi her trykkdifferansen mellom to trykk der begge trykk kan variere, eller mellom et vilkårlig konstant trykk og et trykk som kan variere. Start animasjonen. Inne i et tett målekammer plasseres en fleksibel membran mellom to faste membraner. Vi får da to kapasitanser inne i kammeret. De to kapasitansene, C1 og C2, som dannes av den felles fleksible membranen og de to ikke fleksible membranene. Den fleksible membranen er da felles for begge kapasitansene. Si at prosesstrykkene pH = pL. Da er avstanden til den fleksible membranen l1 og l2 like store. Da er kapasitansen til C1 = kapasitansen til C2. Det kobles en vekselspenning til C1 og C2. Når kapasitansen C1 = C2, blir strømmene I1 lik I2. Si at prosesstrykket pH øker. Den fleksible membranen tøyes da mot høyre i figuren. Da blir kapasitansen C1 mindre enn C2. Mindre kapasitans gir større vekselstrømresistans. Da blir strømmen I1 mindre enn I2. Endring i strøm måles av elektronikken i måleomformeren. Forskjellen i strøm blir et mål for differansetrykket pH-pL. Figur 29 og animasjonen viser prinsipiell oppbygningen til et kapasitivt måleelement for måling av differansetrykk. Figur 29 Figur 30 viser en måleomformer som kan måle differansetrykk og tilhørende prinsippskisse. 14 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Metoder for å måle trykk Figur 30 Bruk databladet: Åpne databladet til Rosemount_3051. Dette er oppslagsverk og ikke stoff som må huskes. • • • • • • Gjennomfør elektronisk test 4. 2.16 Se på side 2.6 til 2.9 om montasjebraketter. Bla gjennom side 2.10 og ut til side 2.17. Sørg for at du blir litt orientert om hva du kan lese om i spesifikasjonene. På side 2.18 står det om elektrisk kobling. Figur 2-19. Load Limitation skal du merke deg. Den forteller om maksimal last i strømkretsen ved en gitt forsyningsspenning. Dersom denne lasten overstiges, kan ikke måleomformeren levere 20mA. Se også på Manifold Operation på side 2-26 til 2-29. Se ekspandert tegning på side A-22 (side 120). Vi skal bruke disse spesifikasjonene i modulen om å måle nivå og i modulen om å måle gjennomstrømning. Trykkmålere med piezoresistive måleelementer Dette er målelementer basert på silisiumteknologi. Det er måleelementets resistans som endres når måleelementet blir utsatt for trykk. De piezoresistive måleelementene er montert på en tynn skive laget av silisium. Denne skiven kan betraktes som en membran. Når membranen bøyes på grunn av trykkendring, utsettes de piezoresistive elementene for mekanisk påkjenning. Resistansen endres da i de piezoresitive måleelementene. Endring i resistans blir et mål for det trykket som skal måles. Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 15 Kapittel 2 Figur 31 Måleelementene er svært motstandsdyktige mot slipende medier og mekaniske påvirkninger. De er også motstandsdyktige i forhold til de fleste kjemikalier. I figur 32 vises en skisse av et måleelemet basert på pizoresitivitet. Start animasjonen om dp-celle med Piezoresistivt måleelement. Slå på teksten i animasjonen. Kjør animasjonen og studer virkemåten. Figur 32 2.17 Eksempel på bruk av differansetrykkmålere Differansetrykkmåleren kan brukes til måling av undertrykk, overtrykk, absolutt trykk og differansetrykk. 2.17.1 Måle over pumper og filtre Figur 33 viser to eksempler på bruk av differansetrykk over pumpe og over filtre. Figur 33 16 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Metoder for å måle trykk Som vi senere skal se brukes differansetrykkmåleren til måling av væskenivå i tanker og for måling av gjennomstrømning i rør. 2.17.2 Eksempel på bruk i absorpsjonstårn Start animasjonen Absorpsjon. Bruk animasjonen for å studere virkemåten. Figur 34 Absorpsjonstårnet er fylt med keramiske sylindere for å øke kontaktflaten mellom væske og gass. Under drift legger det seg avleiringer på de keramiske sylindrene. Gjennomstrømningsevnen i tårnet blir da dårligere. Da øker trykkfallet over området med keramiske sylindere. Trykkfallet blir et mål for hvor mye tårnet har tettet til. Vi installerer en d/p-celle for å måle trykkfallet. PT i figuren måler dette trykkfallet. Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 17 Kapittel 2 2.18 Montasje av differansetrykkmåler Installasjon av måleomformeren omfatter sammenstilling av det nødvendige hjelpeutstyr som impulsrør, montasjebrakett, mekanisk montasje av måleomformer og elektriske tilkoblinger. Figur 35 Gjennomfør elektronisk test 5. Figur 35 viser en d/p-celle montert i montasjeskap ute i et fabrikkområde. Utenpå rørene som fører prosesstrykket til d/p-cellen er det montert varmekabler for å hindre at kondens kan fryse til is vinterstid. Is kan tette impulsrørene og dermed gi målefeil eller hindre måling. Bruk databladet: Åpne databladet til Tecsis trykktransmittere. • • • • 2.19 På første side kan du lese lineariteten (nøyaktigheten) som er 0,5%. Man kan få kjøpt den med nøyaktighet 0,25% Man kan få den levert med forskjellige typer utgangssignaler, blant annet 4-20mA. Du ser at du kan få levert måleren i områder fra 0...1 bar til 0...600bar. Se Measuring Range Spesifikasjonen. Les tabellen med tekniske data (Technical Data). Dette er ikke for å lære noe utenat, men som en orientering om hvilken informasjon man kan forvente å finne i spesifikasjoner (tekniske data) til et instrument. En tøyningsgiver (strekklapp) Resistansen i en leder varierer når tverrsnittet eller lengden til lederen forandres. Det ser vi av formelen for en leders resistans: R =δ l A 18 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Metoder for å måle nivå 3.3 Fortrengningsmåler basert på endring i oppdrift Arkimedes’ lov er slik: • • «Når et legeme senkes i en væske, får det en oppdrift som er lik vekten av den fortrengte væskemengden.» Eller slik: Oppdrift er lik vekten av fortrengt væskemengde. Eksempel: En kloss av aluminium med sider lik 0,1m senkes i vann. Hvor stor oppdrift får denne klossen? Løsning: Vannets massetetthet ρ = 1 000kg/m3. Klossens volum V = 0,1m · 0,1m · 0,1m = 0,001m3. Klossen fortrenger da 0,001 m3 vann som veier 0,001m3 · 1000kg/m3 = 1kg. 3.4 Oppdrift brukt i måleteknikk Figur 7 viser den prinsipielle oppbygningen til en nivåmåler basert på en dring i oppdrift. Denne type nivåmåler kalles ofte for oppdriftsmåler. Start animasjonen Nivåmåler_fortrengning. Test måleren og les teksten i animasjonen og teksten under. Figur 7 Måleren kobles til tanken med flenser. Oppdriftslegemet er like langt eller litt lengre enn måleomfanget. Væskenivået i målerøret er det samme som væskenivået i tanken. Dersom væskenivået i tanken endrer seg, endres væskenivået like mye i målerøret. Oppdriftlegemet er senket ned i væsken inne i målerøret. Endring i væskenivået forårsaker da at oppdriften til oppdriftslegemet endrer seg. Da endres tyngden til oppdriftslegemet fordi oppdriften endrer seg. Vi kan nå måle væskenivået ved å veie oppdriftslegemet. Oppdriftslegemet er tyngst ved målingens nullpunkt og lettest når væskenivået er 100%. Oppdriftslegemet henger i en torsjonsfjær (fjær for vridning). Endring i væskenivået medfører endring i vridningen til torsjonsfjæren. Dette gir posisjonsendring til armen i enden på torsjonsfjæren. Bevegelsen til denne armen måles elektronisk. Måleomformeren omformer armens bevegelse til 4-20mA utgangssignal. Start animasjonene: Absorpsjonstårn Absorpsjonstårn,, og Strippetårn. Les teksten i animasjonene. Studer prosessenes virkemåter. Oppdriftslegemet må tilpasses væskens massetetthet. Massetettheten til væsken må være konstant. Variasjon i massetettheten gir målefeil. Nivåmålingene, merket LT, utføres med oppdriftsmålere. Tenk gjennom hvordan nivåmålingen virker. Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 19 Kapittel 3 Trykket over fyllegemene måles med d/p.celle. Tenk nøye gjennom målingenes virkemåte. 3.4.1 Eksempel på utregning av tyngden til et oppdriftslegeme Eksempel: Oppdriften og tyngden til oppdriftslegemet må beregnes før måleområdet kan justeres. I databladet til en oppdriftsmåler leser vi dette: • Oppdriftslegemet veier 1200 gram, inklusiv vekten til kjettingen som oppdriftslegemet henger i. • Radiusen til oppdriftslegemet er: r = 0,0242m • Lengden til oppdriftslegemet er: l = 0,35m Massetettheten ρ til prosessmediet er 983kg/m3. Først beregner vi volumet til oppdriftslegemet: V = π r2 ⋅ l V = 3,14 ⋅ 0, 02422 ⋅ 0, 35 = 0, 000644m 0644m 3 064 Oppdriften er lik vekten av fortrengt væskemengde. Da får vi: Oppdrift = O = V ˑ ρ = 0,000644· 983 = 0,62912kg Vekten til oppdriftslegemet når det er helt nedsenket i prosessvæske blir da: 1200gram - 629,12gram = 570,88gram. Vi kan da si at måleområdet omsatt til flottørens vekt er: • Ved nullpunkt (0%): 1200gram • Ved høyeste nivå (100%): 570,88gram 3.5 Nivåmåler basert på refleksjon av ultralyd Ultralyd er lyd over det hørbare frekvensområdet for mennesker. På tankens topp monteres en enhet som sender og mottar ultralydpulser. Når en utsendt puls treffer overgangen mellom luft og mediet, reflekteres en del av lydenergien tilbake til mottakeren, som et ekko. Start animasjonen Nivåultralyd. Studer virkemåten til måleren. Figur 8 20 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Metoder for å måle nivå 3.5.1 Nivåmåler basert på refleksjon av radarpulser Nivåmåler basert på refleksjon av radarpulser arbeider med frekvenser i GHz-området (Ghz er lik 109Hz). Eksempel på anvedt frekvens er 24-26GHz. Eksempel fra hverdagen: Radar som brukes for å lokalisere fly i atmosfæren og antenner som sender ut mikrobølger i mikrobølgeovner arbeider med frekvenser i området GHz (gigahertz, 109Hz). Figur 9 viser eksempel på en nivåmåler som bruker radarprinsippet. Den prinsipielle virkemåten er som for nivåmåler basert på ultralyd. Prinsipielt kan vi si at det er frekvensene som brukes som er forskjellige. Start animasjonen Nivåradar_basseng. studer den prinsipielle virkemåten til nivåmåleren. Figur 9 Nivåmåling med radar er en effektiv og berøringsfri metode for å måle fyllingsnivå til alle typer medier i tanker. Målemetoden brukes til målinger der det er fare for korrosjon og beleggdannelse på andre typer måleelementer eller i anlegg hvor annet måleutstyr krever mye vedlikehold. Radarmåler med høy frekvens kan ha liten strålevinkel, i figur 10. Figur 10 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 21 Kapittel 3 Start videofilmen Radar_flere_typer_kort. Se gjennom filmen og bli fortrolig med virkemåten til målerne som vises i filmen. Måleren kan derfor monteres nær tankveggen, der det kan være enklere å unngå refleksjon fra forstyrrende elementer i tanken. Eksempel på det er røreverk, andre måleelementer, kjølerør med mer. Refleksjon fra skum, på mediets væskespeil, er sjelden årsak til måleproblem, fordi eventuelle refleksjoner fjernes med filtre i måleren. Eksempel fra hverdagen: En flyradar «ser» flyene også i overskyet vær. Sagt på en annen måte flyene kan ikke skjule seg bak skyer. Bruk databladene: Åpne databladet til Radar_E_H_Micropilot. a) Åpne databladet til Rosemount 5400 Series1. b) Product Data Sheet for Rosemount 5400 Serie. Les informasjon på forsiden. Studer bildeeksempler på side 2 til 3. På side 4 ser kan du lese om Rosemount 5402 High Frequency Radar Level Transmitter. Hvilken frekvens arbeider radarmåleren med? 3.6 Les informasjon på forsiden og om Function and system design på side 3. Studer skjemaet på side 4, 4 to 20mA output with HART Protocol. Nivåmåler basert på endring i kapasitans Kondensatorens prinsipielle virkemåte er nærmere beskrevet i andre moduler. Til venstre i figur 11 vises en prinsippskisse for en nivåmåler basert på endring av kapasitans. Figur 11 Se skissen til venstre i figur 11. Målestaven tilsvarer den ene platen i en platekondensator. Tankens vegger er den andre platen i platekondensatoren. Væsken og gassen mellom målestaven og tankens vegger er isolerende fyllmasse, ε. C =ε A [F ] l Når væskenivået endrer seg, så endres kapasitansen C. Endring i kapasitans blir et mål for væskenivået. Start videofilmen Capacitive probes. 22 Filmen er laget av Endress og Hauser. Filmen viser egentlig en grensebryter, men beskriver prinsippet for å måle nivå ved endring av kapasitans meget bra. Animasjonen for platekondensatoren er også svært god. Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Metoder for å måle nivå 3.9 Grensebryter basert på endring av kapasitans Se videofilmen dersom du ikke så den under avsnittet om nivåmåler basert på endring i kapasitans. Start videofilmen Capacitive probes. Databladet viser også nivåmåler med kontinuerlig utgang. Bruk databladet: Åpne databladet til Kapasitiv_EH_Liquidcap M. 3.10 • Studer side 1. Bla fram til side 3, Function and system design. • Studer fram til side 5. Måle nivå med radioaktive strålingskilder Den radioaktive strålingskilden stråler ut radioaktive gammastråler. Gammastrålene trenger gjennom tankveggen og treffer mottageren på den andre siden av tanken. Start animasjonen Nivå_radioaktiv. Studer virkemåten til nivåmåleren basert på radioaktiv stråling. Figur 24 Start videofilmen Radiometric measurement og Radiometric measurement_separator. 3.11 Når væskenivået i tanken ikke «skygger for» strålingen, og det bare er tankveggen som demper energien i strålingen, så treffes mottageren av maksimal strålingsenergi. Når væskenivået i tanken er så høyt at det «skygger for» strålingen dempes strålenergien, fordi den radioaktive strålingen absorberes av væsken i tanken. Omformeren kan programmeres for å gi alarm, eller starte en motor for eksempel ved høyt nivå. Av/på-giver basert på endring i frekvens Måleren i figur 25 monteres ved grensen for høyt eller lavt nivå i en tank. De to benene i måleren settes i mekaniske svingninger med en elektrisk vibrasjonsgenerator. Når de to benene svinger i gass eller luft, er svinge frekvensen 150Hz. Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 23 Kapittel 3 Figur 25 Når gaffelen kommer i kontakt med et stoff, endres svingefrekvensen til 50Hz. Endringen i svingefrekvens er et mål på om nivået i tanken har nådd grenseverdien. Figur 26 viser eksempel på montasje av giveren. Figuren viser også montasje i rør og i tank. Start videofilmen Liquidfhant. Tenk gjennom virkemåten til giveren med variabel frekvens. Figur 26 Ved montasje i rør kan giveren overvåke om det er væske i røret for å hindre tørrkjøring av en pumpe. Bruk databladet: Åpne databladet til Vibrasjon_EH_ Liquiphant. Studer første siden. Bla til side 4. Sidene viser en oversikt over anvendelsen. Gi deg tid til en generell orientering om informasjonen på side 6 til 8. Gjennomfør elektronisk test 3. 24 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Metoder for å måle gjennomstrømning Når vinden treffer flaggstangen dannes det virvler (vortexer) rundt flaggstangen. Virvlene dannes på hver side av flaggstangen, men (teoretisk ideelt sett) bare på en side av gangen. Hvor ofte virvlene dannes er bestemt av vindhastigheten. Dersom buktningen har periodetiden t(s) er frekvensen: f≈ Start videofilmen Karman Vortex Street. Filmen har ikke lyd. 1 ( Hz) t Eksempel 2: Over kanten i utløpet på en dam flyter det vann. Strømningen er laminær. En stålstang stikkes ned i vannstrømmen. Figur 39 viser virvler (turbulens) som dannes rundt stangen. Det turbulente området bak stangen kalles for «Karman Vortex street». Figur 39 4.20 Gjennomstrømningsmåler basert på virvler (Vortex) Figur 40 viser en strømningsbryter som er montert over diameteren i et rør. Strømningen før strømningsbryteren er lamineær. Figur 40 Dersom strømningshastigheten er stor nok vil det på hver side av strømningsbryteren utløses strømningsvirvler, på samme måte som rundt flaggstangen og rundt stangen i vannet på dammen. Vi får turbulent strømning etter strømningsbryteren. Frekvensen til virvlene er bestemt av mediets hastighet i røret. Virvelfrekvensen, f, er tilnærmet lik: f ≈ v2 På hver side av denne måleren er det montert måleelementer som kan Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 25 Kapittel 4 måle væsketrykket fra virvlene. Trykket omformes til elektriske spenningspulser. Spenningspulsene tilføres den elektroniske måleomformeren for databehandling og utregning av prosessmediets hastighet. v≈ f med enheten m/s. Vortexmåleren er derfor en hastighetsmåler. Denne måleren krever turbulent strømning. Det må derfor dannes strømningsvirvler i væsken eller gassen. Figur 41 viser virvler ved en bestemt gjennomstrømning i animasjonen du nå skal teste. Start animasjonene: Vortexmåler. Les teorien under. Tenk gjennom hva som menes med laminær og turbulent strømning. Se dette i sammenheng med virkemåten til vortexmåleren. Figur 41 Tidligere brukte man piezoelektriske elementer til å måle virvelfrekvensen. De piezoelektriske elementene målte trykket fra strømningsvirvlene. Målere med piezoelektriske elementer ble også følsomme for trykkstøt i væsken, for eksempel fra en pumpe. Målingen kunne også bli påvirket dersom man banket på røret. Start videofilmen Vortex_E_H. 4.21 Målere bruker nå bevegelsessensorer av en annen type, som er mindre følsomme for trykkvariasjoner i væsken eller gassen. Ekspandert vortexmåler Figur 42 viser eksempel på en vortexmåler med ekspandert og gjennomskåret tegning. Figur 42 26 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk Metoder for å måle pH og gasskonsentrasjon 6.6.2 Referanseelektrode Figur 10. Referanseelektroden skal gi en stabil elektrisk referanse i prosessvæsken. Når man måler den elektriske spenningen (mV) mellom de to elektrodene, måles summen av alle de elektriske potensialene i kretsen. For at målingen skal bli riktig, må alle potensialene i kretsen være konstante, bortsett fra potensialet til glasselektroden (måleelektroden). Spenningen til måleelektroden forandrer seg med pH-verdien i væsken. Figur 10 For at referanseelektroden skal ha et mest mulig konstant potensiale, er den indre elektroden (Ag/AgCl) omgitt av en mettet KCl-løsning. KCl-løsningen står i direkte forbindelse med vannprøven utenfor gjennom en porøs propp, som kan være laget av kvarts eller et keramisk materiale. 6.6.3 Glasselektroden (målelektroden) Prinsipiell utforming av glasselektroden vises i figur 11. Elektroden ser ut som en glassbeholder som har en kuleformet eller konisk formet glassmembran nederst. Denne membranen er svært tynn (ca. 0,2 til 0,5 mm). Glasselektroden er fylt med en bufferoppløsning med pH-verdi lik 7. Glasselektroden har også en kontaktelektrode innvendig, som stikker ned i bufferoppløsning med pH 7. Glasselektroden har ingen luftehull, og det er heller ikke mulig å fylle på mer væske. Dersom glasselektroden blir plassert i en væske med pH-verdi lik 7, er potensialforskjellen over glassmembranen lik null. Dersom den blir plassert i en væske med pH > 7 får vi en potensialforskjell over glassmembranen. Målevæsken har nå et overskudd av H+-ioner. H+-ioner vandrer da gjennom glassmembranen for å utligne potensialforskjellen. De tar da med seg elektriske ladninger. Væsken inne i glasselektroden blir positivt ladet. Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk 27 Kapittel 6 Dersom glasselektroden blir plassert i en væske med pH større enn 7 (pH > 7), får vi også en potensialforskjell over glassmembranen. H+-ioner vandrer nå fra glasselektroden og ut i målevæsken. Væsken inne i glasselektroden blir da negativt ladet. Start animasjonen Måle pH. Studer animasjonen som en repetisjon. Figur 11 6.6.4 Gelsjikt (gelbelegg) Tuppen på glasselektroden er laget av spesialglass. Utenpå dette spesialglasset er det lagt på gelsjikt. Gel er en type av materiale som består av et fast materiale omgitt av et flytende medium. I praktisk anvendte geler er det faste materialet oftest en polymer (plastmateriale). Figur 12 Gel har to faser: 1. Fast fase 2. Flytende fase Tre viktige egenskaper som er typiske for geler: 1. Geler er viskoelastiske. Det betyr at de har egenskaper som er typiske for både væsker og faste stoff. 2. En gel renner ikke. Det betyr at en gel opptrer som et fast stoff, selv om at den hovedsakelig består av væske. 3. Dersom det oppstår en ripe eller et snitt i en gel, flyter den ikke sammen over bruddoverflaten. 28 Automatiseringsteknikk 1: Industriell måleteknikk
© Copyright 2024