processindustriell mätteknik - Åbo akademiweb.abo.fi/fak/tkf/at/kurser/pim/rapporter 2013... ·...
TRANSCRIPT
ÅBO AKADEMI
Processindustriell
mätteknik
Tryckmätning
Marcus Grönlund
5/8/2013
Processindustriell mätteknik – Åbo Akademi 2013
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 2
Innehållsförteckning
Innehållsförteckning ................................................................................................ 2
Inledning ................................................................................................................. 3
Mätreferens ............................................................................................................ 3
Elektrisk omvandling ............................................................................................... 4
Givare för mätning av tryck ..................................................................................... 7
Piezoelektriska mätare ........................................................................................ 7
Piezoresistiva mätare .......................................................................................... 8
Resistiva membranmätare .................................................................................. 8
Kapacitiva membranmätare ................................................................................ 9
Fjäderbelastade cylindergivare ........................................................................... 9
Övriga typer ...................................................................................................... 10
Labbets givare ...................................................................................................... 10
Referenser ............................................................................................................ 13
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 3
Inledning
Tryckmätningar är vanliga i processindustriella processer [1]. Tryckdata är viktigt
dels för att se till att processer framskrider på ett säkert sätt, men även för
processreglering. Många processer regleras utgående från tryck. Dessa tryck kan
uppstå dels direkt från processen, t.ex. i cylindrar på förbränningsmotorer, men även
indirekt. Indirekta exempel är bl.a. för att bestämma volymströmmar [1]. Genom att
ha ett rör med känd och konstant karakteristika kan man genom att mäta
tryckdifferansen mellan två punkter bestämma flödet i röret, då ett tryckfall uppstår
mellan mätpunkterna. Med mätdata och rörkarakteristika som indata går det att
beräkna volymströmmen som flödar i röret.
Det finns olika typer av tryckgivare och arbetssätt. Jag har valt att koncentera mig på
sådana med elektrisk utsignal, då det är sådana som används mest inom industrin i
dag. Dessa går att ansluta till automations- och övervakningsutrustning, vilket är
kravet i en stor del av industrin idag. Principen för de mekaniska givarna är dock
samma, men istället för att omvandla signalen till elektrisk omvandlas den till
mekanisk för att reglera en visarnål.
Mätreferens
Tryck är ett fenomen som jämförs med ett annat tryck, en referens. Exempelvis då
övertryck mäts jämförs trycket inne i tryckkärlet med atmosfärstrycket utanför
tryckkärlet. Likadant vid mätning av pump- och rörledningskarakteristika i
övningsarbetena mäter man mellan två punkter, mellan pumpens sug- och trycksida.
Beroende på givaren behöver referenstrycket inte var atmosfärstryck, utan det kan
även vara en intern gasbehållare eller mekanisk fjäder.
Referenser som vanligen används är
1. Vakuum för givare vilka mäter absolut tryck [2]
2. Atmosfärstrycket för givare vilka mäter tryckskillnad mot omgivningens
lufttryck. [2]
3. Ett annat tryck i processen. [2]
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 4
4. Bestämt tryck. [2]
Givartyp 1 används för mätning i processer där man är intresserad av att veta hur en
tryckbehållares tryck förhåller sig till vakuum. Det kan vara praktiskt då det uppmätta
trycket är mycket litet. Jämförelse med omgivande lufttryck skulle därmed visa fel, då
lufttrycket inte är konstant. Genom att jämföra med vakuum får man ett mer precist
värde som hålls konstant oberoende av väder.
Givartyp 2 är användbar för att mäta skillnader till omgivningen. Det kan vara
användbart för att av säkerhetsskäl övervaka tryckkärl. Då berättar mätresultatet hur
mycket övertryck behållaren har jämfört med den omgivande luften. Ett vardagligt
exempel är påfyllning av bildäck då tryckmätaren visar tryckskillnaden mellan däcket
och omgivningen. [2]
Givartyp 3 är användbar för att bestämma andra storheter utgående från
tryckmätning. Genom att känna till rörkarakteristikan för ett rörsystem kan man
genom att mäta skillnaden i tryck mellan bestämda punkter bestämma flödet i röret.
Då används trycket vid en annan mätpunkt i processen som referens.
Tryckskillnaderna som uppstår är oftast väldigt små och kräver noggranna givare för
att ge användbara resultat [2].
Givartyp 4 är användbar för att jämföra tryck med ett på förhand bestämt tryck.
Exempelvis vid kalibreringar kan det vara av intresse att få ett tryck till en på förhand
bestämd nivå snarare än till en skillnad i rådande absoluttryck.
Elektrisk omvandling
I kompendiet [1] tas det upp väldigt lite om hur elektriska omvandligen sker och
betydelsen av typen av utsignal i praktiken. Mätdata från tryckgivare inom industrin
samlas oftast in till ett centraliserat automationssystem och jag anser därför att det är
nyttigt att veta vilka typer av utsignaler hos givare är att föredra vid olika situationer.
Genom att ha samtliga givare och ställdon anslutna till samma automationssystem
kan en processoperatör enkelt övervaka och styra processen. Det ökar både
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 5
effektiviteten och kvalitén på fabrikens produkter, då all data kan hämtas i realtid.
Därmed kan brister i produktionen åtgärdas genast om inte automatiskt, och
bristerna upptäcks snabbare utan en person på plats.
Det finns väldigt många olika typer och tillverkare av automationssystem. Dessutom
har varje givare unik elektrisk funktion internt. För att få en viss kompabilitet mellan
system och givare finns det ett antal standarder för givarna som används i industrin.
De vanligaste utsignalerna är 4-20 mA, 0-5 V och 0-10 V. En del givare, speciellt
inom fordonsbranschen, kan anslutas direkt till en databuss. Den vanligaste
databussen inom fordonsbranschen är CAN-buss (Controller Area Network, ISO
11898-1:2003).
Samtliga typer av signalsystem har fördelar och nackdelar. Givare med
spänningsutsignal (t.ex. 0-5 V och 0-10 V) är fördelaktiga ifall givaren sitter nära den
reglerande elektroniken. Givarelektroniken är oftast enklare än då utsignalen består
av en reglerad ström, eftersom färre komponenter behövs. Även
automationselektroniken blir enklare, då 0-5 V är enkelt att direkt läsa in genom en
ADC (Analog to digital converter) till en mikrodator/PLC för behandling. Nackdelen
med en spänningsskala från 0-5 V är att beroende på hur givaren är konstruerad
finns det en stor risk för felreglering vid elektriskt/mekaniskt fel i givaren. Ifall 0 V
motsvarar ett visst tryck och givaren på grund av ett mekaniskt fel kopplas elektriskt
loss, kommer automationselektroniken att reglera processen enligt 0 V-trycket. Ifall
givaringången i automationselektroniken är dåligt konstruerad finns därtill risken att
värdet kommer flukturera okontrollerat mellan 0-5 V.
Givare med spänningsutsignal lämpar sig inte heller ifall det finns behov för längre
kablage mellan givare och automationselektronik. På grund av kablagematerialets
resistivitet kommer ett spänningsfall att uppstå över kabeln, vilket ger fel mätresultat.
Det går att genom kalibrering kompensera för spänningsfallet, men noggranheten
blir sämre pga att ADC-kretsen har en konstant upplösning. Ifall ADC-kretsens
upplösning är 10 bitar, representeras 0-5 V signalen av ett heltal mellan 0 och 1023.
Ifall en stor del av intervallet 0-1023 består av ett spänningsfall över kabeln och en
mindre del av signalen, är det tydligt att mätnoggranheten sjunker.
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 6
Givare vilka kan anslutas direkt till en databuss har flera fördelar. Ifall många olika
givare skall placeras nära varandra men mätplatserna är långt ifrån
automationssystemet skulle analoga givare kräva väldigt många parallellt dragna
kablar. Digitala givare vilka kan kopplas direkt på en databuss kan anslutas på
samma ledning, vilket sparar väldigt mycket kabeldragning. Detta är en av orsakerna
varför det i personbilar används CAN-buss för styrning av allt så långt det är möjligt.
En annan fördel med givare på databussar är att dessa alltid innehåller en del
elektronik. Elektroniken kan direkt göra grovjobbet åt automationssystemet genom
att ge ut en linjärt/logaritmiskt anpassad mätsignal. Dessutom kan givarens
elektronik reagera med olika meddelanden vid olika händelser, t.ex. skicka ett larm
om trycket i ett kärl mycket snabbt ändrar.
Nackdelen med givare på databussar är att kostnaden för de individuella givarna
stiger. Alla automationssystem klarar inte heller av sådana givare.
En av de mest använda typerna är givare med 4-20 mA utsignal. Orsaken till att
skalan inte börjar från noll utan 4 mA är att tidiga transistorer inte klarade av stänga
helt utan läckte. Det ansågs inte vara något problem, då det redan tidigare använts
liknande skalor inom pneumatisk automation. Senare har man valt att inte ändra
skalan att gå till 0, då det finns fördelar med att börja vid 4 mA.
Största fördelen med 4-20 mA utsignal är att ledningslängden inte har någon
betydelse. Så länge givaren har tillräckligt hög matningsspänning kan
ledningslängderna bli väldigt långa, då strömmen fortfarande är samma överallt i
ledningen. Så länge givaren är relativt energisnål kan den dessutom få behövlig
energi ur samma ledning den ger sin signal till, och antalet ledare i kabelknippena
kan minskas.
Samma signal kan även läsas av flera automationssystem om så önskas, då
strömmen är samma överallt i ledningen, oberoende av hur många system som läser
av den.
En annan stor fördel med 4-20 mA skalan är att ett ledningsbrott och en kortslutning
kan identifieras. Vid ledningsbrott blir strömmen genom slingan 0 mA, vilket är
utanför mätskalan. Blir ledningen kortsluten kommer strömmen att rejält överstiga 20
mA, och kan därmed även hamna utanför skalan. Detta är en stor fördel, då
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 7
mekaniska fel i kablaget kan upptäckas och processen styras enligt det.
Nackdelen med 4-20 mA givare är att elektroniken blir mer komplicerad än för givare
med spänningsutsignal. Ekonomiskt är dock skillnaderna mindre än vad själva
mätdelen av givaren torde kosta att tillverka.
4-20 mA signaler är även lätta att läsa in till en ADC genom att mäta spänningen
över en 250 Ω resistans i serie med strömslingan. Spänningen över resistansen
kommer då att bli mellan 1,0 och 5,0 V beroende på strömsignalens varierande inom
4-20 mA intervallet. Förskjuts ADC-kretsens referensspänning med -0,5 V hamnar
mätvärdena mellan 0,5 V och 4,5 V, vilket är fördelaktigt för att enkelt också kunna
upptäcka kortslutningar och löskontakter i kablaget.
Givare för mätning av tryck
Det är svårt att hitta information om givarna som användes i övningsarbeten i
anläggnings- och systemteknik. Kring en del givare finns det ingen information
lättillgänglig över huvud taget på internet, medan informationen för en del är i det
minsta laget [3]. De följande funktionsbeskrivningarna är därför skrivna mer allmänt.
Piezoelektriska mätare
Piezoelektriska tryckmätare består av en piezoelektrisk kristall vilken fungerar som
givare. På grund av den kemiska uppbyggnaden kommer laddningen över kristallen
att variera beroende på trycket den utsätts för. Denna typ av givare är väldigt
långsam. Den genererade laddningen q kan bestämmas genom att uppmäta
spänningen E och kapacitansen C samt beräkna med formeln nedan. [1]
Piezoelektriska tryckmätare är användbara för att uppmäta tryckskillnader, men är
väldigt långsamma. [1]
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 8
Piezoresistiva mätare
Piezoresistiva mätare skiljer sig från de piezoelektriska genom att resistansen istället
för spänningen över kristallen förändras beroende på trycket. [2] Givarna bygger på
den piezoresistiva effekten. De är betydligt noggrannare än piezoelektriska givare.
Piezoresistivitet definieras av: [2]
Där
Resistiva membranmätare
Resistiva membranmätare består av ett membran av ett icke ledande material på
vilken en lång bana av ett ledande material är draget. Membranet är oftast
cylinderformat [1]. På ena sidan membranet finns en kammare dit mätplatsen
ansluts. I en del givare finns en gas- eller oljefylld mellankammare för att isolera
mätmembranet från det medium där mätningen sker. Det är nödvändigt ifall det
mätta mediet kunde annars förstöra membranet. Den andra sidan av mätmembranet
kan kopplas olika beroende på vilken typ av givare man önskar skapa. Önskar man
t.ex. skapa en mätare för mätning av tryckskillnad ansluter man den andra
kammaren till den andra tryckpunkten, medan den andra kammaren kan vara öppen
ifall skillnad mot lufttrycket vill mätas.
De resistiva membranmätarna bygger på att den ledande banans längd och bredd
kommer att variera beroende på trycket. Banan påverkas av att metallen på grund av
yttre kraft töjs, och därmed ändrar storleken på den. [1]. Samma membran kan ha
flera banor för att skapa ett bredare mätområde.
Resistansen hos en slinga kan bestämmas genom: [1]
Där
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 9
Kapacitiva membranmätare
En annan typ av membranmätare är de kapacitiva. De skiljer sig från de resistiva på
ett antal punkter. Istället för att töja en ledningsbana på membranet bestäms
positionen hos membranet kapacitivt.
Kapacitiva membranmätare består av två elektroder och ett membran mellan dem.
[1] Då trycket är samma i båda kamrarna kommer membranet att vara mitt mellan
dessa symmetriska kammare. Då kommer kapacitansen mellan kammarväggens
elektroder och membranet att vara samma på bägge sidor. Överstiger trycket i ena
kammaren trycket i den andra, kommer membranet att bukta sig mot kammaren med
lägre tryck. Det kommer att resultera i att kapacitansen mellan membranet och
kammaren med lägre tryck blir större än kapacitansen mellan membranet och andra
kammaren. Genom att mäta och jämföra kapacitanserna går det att bestämma
tryckskillnaden mellan kamrarna.
Kapacitiva membranmätare kan liksom de resistiva ha skyddande olje- eller
gasfyllda kammare för att skydda mätkretsen. I de kapacitiva givarna är det av större
betydelse än i de resistiva, i och med att de flesta ämnen kommer att påverka
kapacitansen hos kondensatorerna.
Beroende på hur kamrarna kopplas kan kapacitiva givare användas för att skapa
olika typer av givare på liknande sätt som med de resistiva.
Fjäderbelastade cylindergivare
En typ av mekaniska tryckgivare består av en cylinder. I cylindern finns en kolv,
vilken på ena sidan belastas av en fjäder, och på andra sidan av
tryckmätningsobjektet. Fjädern strävar till att trycka kolven till ena ändan, medan
trycket strävar till att komprimera fjädern. Genom att mäta kolvens position går det
att bestämma trycket. Fördelen med denna givartyp är att den inte behöver någon
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 10
strömförsörjning, så länge som endast en mekanisk utsignal önskas. Nackdelen är
att den endast praktiskt går att konstruera för ett smalt mätningsområde, för ifall
området växer kommer givaren att bli opraktiskt stor.
Övriga typer
Membrangivare av olika slag är en av de mest använda givartyperna i industrin.
Dessa mätare har god noggranhet och går att anpassa till de flesta behov. Det finns
dock andra typer av sätt att mäta tryck. Andra tekniker är bland annat:
1. att optiskt mäta hur en fiber utsätts av tryck. Detta är användbart under höga
temperaturer och då svåra ämnen är inblandade [2].
2. Att genom analys av resonansfrekvensen hos mediet beräkna trycket, då
resonansfrekvensen kommer att bero på trycket [2]. Kräver att
tryckkammarens innehåll är känt.
3. Att genom mätning av värmeledning bestämma trycket [2]. Kräver att
tryckkammarens innehåll är känt.
4. Att genom jonisering mäta antalet laddade partiklar per tidsenhet. Detta
kommer att bero på trycket [2]. Kräver att tryckkammarens innehåll är känt.
Labbets givare
Under laborationskurserna i anläggnings- och systemteknik mätte vi tryck under
några av laborationerna. Dessa var
1. Laboration 1, Mättningskurva
2. Laboration 5, Pumpar och ventiler
Dessutom fanns det tryckgivare på värmepannan (Laboration 7) och ånggeneratorn
(Laboration 6), vilka dock inte användes då jag utförde övningsarbeten.
Tryckmätaren i laboration 1, mättningskurva, är en Keller IM-80043-3. Mätaren är en
manometer (mäter absoluttryck). Dess mätområde är 0-3 bar. Kellermätaren
fungerar som piezoresistiv givare.
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 11
Figur 1: Keller IM-80043-3
Tryckmätarna i laboration 5, pumpar och ventiler, är tillverkade av Valmet.
Tryckdifferansmätaren (vilken i laborationen mäter tryckskillnaden över pumpen) är
av typ Valmet Diff-El SD och tryckmätaren uppe på rörkröken av typ Valmet Press-
El. Givarna fungerar mha den piezoresistiva effekten [4] [5]. En genomskärningsbild
av Press-El hittas på Automaatiomuseo [3].
Valmets Press-El givare är konstruerad för att användas för mätning av tryck i rör
och tryckbehållare [4]. Den klarar av att mäta tryck i rena gaser och i vätskor, i vilka
det inte uppstår kristaller [4]. Mätaren mäter en tryckskillnad mot omgivningens tryck
och får referensen genom ett hål i givarens skal [4]. Internt uppstår en resistans
vilken genom givarens interna elektronik omvandlas mha en Wheatstone-brygga till
4-20 mA utsigna. [4].
Valmet Diff-El är en tryckskillnadsmätare och mäter i kopplingen i figur 2
tryckskillnaden över en pump. Givaren kan användas för mätning av över- och
undertryck [5]. Givaren fungerar likt Valmet Press-El [4], men istället för att mäta mot
omgivningens lufttryck jämför den trycket mot trycket i en annan punkt [5].
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 12
Figur 2: Valmet Diff-El SD
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 13
Mätaren på värmepannan (laboration 7) är helt mekanisk. Jag skulle därför gissa att
den fungerar enligt principen om cylindergivare. Mätaren använder omgivningens
lufttryck som referens.
Figur 3: Värmepannans tryckgivare.
Referenser
[1] Fagervik Kaj, Processindustriell mätteknik
[2] Pressure sensor, Wikipedia, URL: http://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_sensor
hämtat 10.5.2013.
[3] Press-El Valmet, Automaatiomuseo, URL:
http://www.automaatiovayla.fi/virtuaalimuseo/press-el_valmet.html hämtat 10.5.2013
Mätteknik Marcus Grönlund, 32867
Sida 14
[4] Datablad, Valmet Press-EL, URL:
http://web.abo.fi/fak/tkf/at/Kurser/OvnArb/Valmet%20Press-EL.pdf hämtat 20.5.2013
[5] Datablad, Valmet Diff-El, URL:
http://web.abo.fi/fak/tkf/at/Kurser/OvnArb/Valmet%20Diff-EL.pdf hämtat 20.5.2013