Processindustriell mätteknik

ÅBO AKADEMI Processindustriell mätteknik Tryckmätning Marcus Grönlund 5/8/2013 Processindustriell mätteknik Åbo Akademi 2013

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 Sida 2

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] Sida 3

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 Sida 4

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. Sida 5

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 Sida 6

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] Sida 7

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 Sida 8

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 Sida 9

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. Sida 10

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]. Sida 11

Figur 2: Valmet Diff-El SD Sida 12

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 Sida 13

[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 Sida 14