Automaatioseminaari

Transkriptio

1 Automaatioseminaari Painemittaus ja kalibrointi: Painemittauksen perusperiaatteet prosessissa ja instrumenttilaitteiden kalibrointi 1

2 Paineen määritys Mitä suurempi määrä kaasumolekyylejä suljetaan tiettyyn tilaan, sitä useammin ne törmäävät tilan seinämiin. Kaasun paine on näistä törmäyksistä pinta-alayksikköä kohti aiheutuva voimavaikutus. Kaasun lämpötilan noustessa molekyylien liike voimistuu ja paine kasvaa. Jos tilassa ei ole yhtään molekyyliä, tilaa sanotaan tyhjöksi. Tyhjössä ei ole painetta. Kaasut ovat kokoonpuristuvia. Paine vaikuttaa myös nesteessä. Nestemolekyylit ovat hyvin lähellä toisiaan, lisäksi niiden väliset voimat ovat paljon suurempia kuin kaasuilla ja tästä johtuen nesteen paine kasvaa voimakkaasti nestettä puristettaessa. Nesteet ovat kuitenkin lähes kokoonpuristumattomia. 2

3 Mittausperiaatteet Paineen mittaus perustuu kahden paineen erotuksen mittaamiseen. Useimmiten vertailupaineena on vallitseva ilmanpaine, jolloin painemittari tai painelähetin mittaa ylipainetta. Mikäli vertailupaineena käytetään täyttä tyhjöä, mitataan absoluuttipainetta. Alipaineella puolestaan ilmoitetaan paljonko mitattava paine on ilmanpainetta pienempi. 3

4 Paine Paineella tarkoitetaan voimaa pinta-alayksikköä kohti. Paineen yksikkö on siis voima/pinta-ala, eli SI-järjestelmässä Newton/neliömetri (N/m 2 ), joka tunnetaan yleisemmin yksikkönä pascal (Pa). Pascal on kuitenkin niin pieni yksikkö, että sen sijasta käytetään kpaja MPa-yksiköitä. Käytännössä esiintyvät paineet nesteillä ja kaasuilla ovat yleensä pascalin luokkaa. Käytössä on perusyksikön epästandardi kerrannainen bar, joka vastaa 100 kpa. Bar-yksikön käyttöön on myös syynä se, että aiemmin käytetty yksikkö kp/cm 2 on suunnilleen saman suuruinen. Sekä kpa- että bar-yksiköt ilmoittavat paineen yli- tai alipaineena. Haluttaessa ilmoittaa paine esimerkiksi absoluuttipaineena, lisätään yksikön perään merkintä abs.. 4

5 Paineen eri lajien keskinäinen suhde Ylipaine bar kpa mmhg mmh2o bar abs. kpa abs. Normaali 0 bar 0 kpa 0 mmhg 0 mmh2o 1 bar abs. 100 kpa abs. ilmanpaine Alipaine Absoluutti - -1 bar -100 kpa -760 mmhg mmh2o 0 bar abs. 0 kpa abs. paine 5

6 Staattinen paine Staattinen paine on seinämän pintaan kohdistuva paine, kun neste tai kaasu on levossa tai kulkee seinämän suuntaan. Normaalissa paineenmittauksessa pyritään mittaamaan staattista painetta. Standardien mukaisilla yhteillä sekä oikeanlaisella sijoituksella saavutetaan tarkkoja mittaustuloksia. 6

7 Dynaaminen paine Dynaaminen paine on kaasun tai nesteen liikkeestä johtuva paineen kohoaminen tai laskeminen staattisen paineen normaaliarvosta. Dynaaminen paine havaitaan varsinaiseen staattiseen paineeseen summautuneena silloin, kun paine mitataan kohtisuoraan virtausta vastaan. Normaalissa mittauksessa se häiriötekijä, joka pyritään suodattamaan pois mittauksesta. 7

8 Saattinen vs Dynaaminen paine 8

9 Hydrostaattinen paine Nesteessä vaikuttaa ns. hydrostaattinen paine. Paine on sitä suurempi mitä syvemmällä nesteessä ollaan. Paine aiheutuu yläpuolella olevien nestemassojen painosta. Ilmiö esiintyy myös kaasuilla. Prosesseissa esiintyvät korkeuserot ovat kuitenkin niin pieniä, ettei kaasun aerostaattista painetta tarvitse ottaa huomioon. 9

10 Miten painetta voidaan mitata - Paineen mittaus nesteellä - Paineen mittaus joustavilla elimillä - Sähköiset menetelmät 10

11 Painevälittimet Painevälittimet ovat yksi tärkeimmistä asioista prosessijärjestelmää suunniteltaessa. Prosessiteollisuudessa käsitellään koostumukseltaan mitä erilaisimpia aineita, joiden mittaaminen perinteisin menetelmin on mahdotonta. Painevälittimien avulla mitattava paine välitetään painemittarille tai jollekin muulle paineenmittauslaitteelle silloin, kun mitattava aine ei jostain syystä saa joutua suoraan kosketukseen mittauslaitteen kanssa. 11

12 Painevälittimien käyttö Painevälitin ja painemittari muodostavat täydellisen mittausyhdistelmän, jonka tarkkuus on riippuvainen monista tekijöistä. Parhaaseen ratkaisuun päästään kun tunnetaan kaikki mitoitukseen vaikuttavat käyttöolosuhteet. Painevälittimiä voidaan asentaa, painemittareihin, painelähettimii ja painekytkimiin. Käyttöalueet: 10 mbar bar ºC 12

13 Milloin painevälitintä tulisi käyttää - Aine on erittäin syövyttävää - Aineen viskositeetti on korkea - Aine voi kiteytyä - Aine voi polymerisoitua - Aine on heterogeeninen, esim. siinä on säikeitä - Aineen lämpötila on korkeampi kuin mitä mittauslaitteelle sallitaan - Mittauspaikka on sellainen, ettei mittauslaitetta voida suoraan asentaa - Aineen puhtauteen on kiinnitettävä erityistä huomiota - Ainetta ei saa vuotaa ympäristöön - Kun käyttökohteelta vaaditaan erikoista ylipainekestoisuutta 13

14 Sijoittaminen Painevälittimen virheellinen sijoitus aiheuttaa virheellisen mittaustuloksen ja mahdollisesti vaikeuksia itse prosessin toiminnalle. Mittauskohta tulee sijoittaa häiriöttömään kohtaan. Nyrkkisääntönä voidaan pitää, että ennen mittauskohtaa tulee olla 5 10 x d häiriötön putkiosuus ja mittauskohdan jälkeen 2 5 x d häiriötön putkiosuus. Tämä ei kuitenkaan ole aina mahdollista, jolloin joudutaan selvittämään, voidaanko paineen mittauksessa sallia mittausyhteen sijoittamisesta aiheutuvia virheitä. Virheellisestä sijoituksesta aiheutuvat virheet voivat olla kymmenien prosenttien luokka. 14

15 Tyypillisiä virheen aiheuttajia - Tukkeutuminen (massa, öljy, liete) - Virtauksen aiheuttama paineen muutos - Hydrostaattinen paine tai alipaine - Painevälittimen koko - Paineiskut - Mekaaninen tärinä - Vertailupaineen virheellisyys 15

16 Painevälittimen toimintatapa 16

17 Painevälittimien tyypit Painevälittimien käyttöalueet ovat mitä erilaisimpia, joten yhdellä välitintyypillä ei voida kaikkia tehtäviä hoitaa. Ajan mittaan on kehitetty kolme perustyyppiä. - Kalvotyyppinen välitin - Putkityyppinen välitin - Kielityyppinen välitn 17

18 18

19 Kalvotyyppinen painevälitin 19

20 Putkityyppinen painevälitin 20

21 Kielityyppinen painevälitin 21

22 Painevälittimen mitoitus Painevälittimen ja mittauslaitteen muodostaman paineenmittausjärjestelmän laatu on riippuvainen eri parametrien yhteispelistä. Huomioitavia seikkoja ovat työtilavuus, ohjaustilavuus, välitysnesteen lämpötila ja viskositeetti sekä tilavuudenmuutokset ym. Oikean painevälittimen valitsemiseksi tarvitaan riittävästi tietoja myöskin välittimeen liitettävästä laitteesta, esimerkiksi painemittarista, painekytkimestä, paine- tai paine-erolähettimestä. Päästäkseen oikeaan ratkaisuun, tulee selvittää vastaukset seuraaviin kysymyksiin: - Onko painevälittimen ohjaustilavuus tarpeeksi suuri? - Miten lämpötilan- ja paineenmuutokset vaikuttavat mittaustarkkuuteen? - Miten suuri on viive? 22

23 Mitoituslaskelma 23

24 Kalibrointi yleisesti Kalibrointi tarkoittaa toimenpidettä, jonka avulla tunnetuissa olosuhteissa saadaan selville mittausjärjestelmän näyttämän arvon ja mittanormaalin välinen yhteys. Kalibrointi ei takaa, että laite näyttää oikein, vaan se kertoo, kuinka paljon laite näyttää väärin kalibrointihetkellä. Kalibrointi voidaan tehdä mille mittalaitteelle tahansa ja on välttämätön toimenpide mittalaitteen näyttämän oikeellisuuden varmentamisessa. Kalibrointi ei tarkoita samaa kuin mittalaitteen viritys. 24

25 Kalibroinnin termejä - Mittanormaali on esimerkiksi kiintomitta tai mittauslaite, jolla realisoidaan suureen mittayksikkö tai referenssiarvo. - Mittausepävarmuus kuvaa mittaustapahtumassa mittaussuureen arvojen oletettua vaihtelua. - Mittausvirhe tarkoittaa suureen mitatun arvon ja vertailuarvon erotusta. - Viritys voi olla mm. nollaus, linearisointi sekä offset- ja aluesäätö. - Jäljitettävyys metrologiassa on mittaustulokseen liittyvä tapahtumasarja jonka avulla tulos voidaan liittää mittanormaaliin. - Kalibrointihierarkialla tarkoitetaan vertailukohteesta lopulliseen mittausjärjestelmään jatkuvaa kalibrointien sarjaa. 25

26 Kalibrointihierarkia - Jäljitettävyys PTB The Physikalisch-Technische Bundesanstalt MIKES Mittatekniikan keskus Kansalliset standardit DAkkS The Deutsche Akkreditierungsstelle Referenssilaboratoriot FINAS The Finnish Accreditation Services Yrityksen kalibrointireferenssit Prosessin mittalaitteet 26

27 Kalibrointilaitteet Kansalliset standardit < 0.01 % FS Referenssilaboratoriot Painevaaka Painesäätäjät < 0.01 % FS Yrityksen referenssit Prosessikalibraattorit < 0.05 %FS Prosessin mittalaitteet Painelähetimet Painemittarit 27

28 Kalibrointitodistus Akkreditoitu Tehdaskalibrointi 28

29 Kalibroinnin suorittaminen - Kalibrointipisteet - Kalibrointi laboratoriossa - Kalibrointi kentällä - Kalibrointiväli - Kalibroinnin dokumentointi 29

30 Kalibroinnin hankinta 30

31 KIITOS! 31