BAFF Perus- ja sovellustietoja Instrumentointi Akutek Oy, mailto:ari.kukkonen@akutek.fi 1 JOHDANTO Virtausmittausta tarvitaan teollisuudessa ja kuntatekniikassa kahteen ryhmään jaettavissa olevassa tarkoituksessa:?? Nesteiden, kaasujen ja kiintoaineiden hetkellisten virtausten tunteminen on tärkeätä prosessin hallinnan, optimoinnin ja turvallisuuden kannalta.?? Laitosten ja osaprosessien taselaskenta edellyttää siirrettyjen tai annosteltujen aineiden ja energiankuljettajien vertaamista saavutettuun lopputuotteeseen. Taselaskennassa on useimmiten tärkeintä virtauksen aikaintegraali eli määrä. Riittääkö esimerkiksi yleensä nopeusmittaukseen perustuva tilavuusmittaus vai tarvitaanko massan tai energiasisällön mittaamista. Virtausmittaukseen on olemassa varsin tarkkoja mittauslaitteita, mutta kentällä saavutettu virheettömyystaso ei aina vastaa odotuksia. Jouko Halttunen Tampereen teknillisestä korkeakoulusta kirjoitti Automaatioväylässä nro 3/2002, että syynä usein on mittareiden väärä sijoitus putkistoon, mitattava aine ei ole homogeenista, ei tunneta mitattavan aineen erilaisuutta kalibroinnissa käytettyyn aineeseen, virtauksessa tapahtuu ennalta arvaamattomia ilmiöitä jne. Seuraavassa on katsaus virtausmittauksessa käytetyistä menetelmistä lähes laidasta laitaan. Painotus on anturitekniikassa, kenttäväylät ja järjestelmät olisivat oma juttunsa. Artikkelissa mainittuja virtausmittareita käytetään sekä nesteiden, lietteiden, massojen, pastojen, kaasujen, höyryn että kiintoaineiden mittaukseen. 2 FYSIIKKA RATKAISEE Parikymmentä vuotta sitten elektroniikan nopean kehittymisen ennustettiin tuovan markkinoille kokonaan uusia menetelmiä kuten korrelaatiomittauksen. Näin ei kuitenkaan ole tapahtunut, vaan uusi prosessori- ja materiaalitekniikka on vähintään säilyttänyt jo tuolloin eniten käytettyjen virtausmittausmenetelmien aseman. Ainoa selvästi kasvavaa jalansijaa saavuttanut uusi tekniikka on coriolis -voimaan perustuva massavirtamittaus. Coriolis -mittarien käyttö ei perustu pelkästään perinteisten menetelmien heikkouksiin. Prosessitekniikan kehitys on korostetusti vaatinut "uutta suuretta", massavirtaa, tilavuusvirran tai virtausnopeuden sijalle. Eräprosesseja muutetaan jatkuviksi tai niiden automaatioastetta nostetaan, jolloin raaka-ainekulutuksen ja kustannusten optimaalinen valvonta edellyttää massaan perustuvia jatkuvatoimisia mittauksia. Toisaalta usein unohdetaan vielä tänäänkin yleisimmin virtausmittauksessa käytettävään paine-eromenetelmään (mittalaipat, suuttimet, pitot-putket jne.) liittyvä tosiasia: Paine-eromittausta pidetään tilavuusvirtamittauksena, jossa tiheyttä tarvitaan vain massavirtasovelluksissa. Väärin - jo virtausnopeuden määrittäminen paineeromuutoksesta virtauksen muuttuessa edellyttää tietoa väliaineen tiheydestä. Yleisemmin tunnettu paine-eromittauksen haittapuoli on sen perustuminen mitatun suureen (paine-ero) neliöjuureen. Virtauksen pienentyessä kymmenesosaan, paine-ero pienenee sadasosaan. Newtonin toiseen lakiin (voima = massa x kiihtyvyys) perustuva coriolis -mittari on lineaarinen virtauksen muuttuessa mitattu suure (virtausputken värähtelyn muutos) muuttuu samassa suhteessa. Mittausviesti kertoo virtaavasta kokonaismassasta. Coriolis -anturin ilmaisema liikemäärä, impulssi on suoraan massa kerrottuna nopeudella. Saavutetaan kaksi etua.?? Poiketen paine-ero- ja virtausnopeusmenetelmistä ei tarvita mitään oletusta "keskimääräisestä" virtausprofiilista.?? Ei myöskään tarvita tietoa väliaineen tiheydestä. Päinvastoin coriolis -anturi voi omien fyysisten mittatietojensa perusteella ilmaista myös väliaineen tiheyden, vieläpä varsin tarkasti. Pvm: 23.09.2002 Julkaisutunnus: 4.1.2.04
Instrumentointi Sivu 2 Markkinatutkimus- ja analysointilaitoksen Automation Research Corporationin (ARC) joulukuussa 2001 julkistaman raportin mukaan coriolis -mittarien käyttö tulee kasvamaan, kun niiden valmistajat tuovat markkinoille hinnaltaan edullisempia rakenteita. Luopumalla tiheysmittausoptiosta ja parhaasta virheettömyydestä ne tarjoavat kilpailukykyisen vaihtoehdon pyörrevana- ja magneettisillekin virtausmittareille myös käyttökohteissa, joissa tilavuusvirtamittauskin riittää. Käyttäjille on hyötyä toimittajista, joiden tuotevalikoima kattaa ratkaisut mahdollisimman moniin sovelluksiin. 3 CORIOLIS-MASSAVIRTAMITTARI KAASUILLE Lähes poikkeuksetta kaikissa teollisuuden prosesseissa toiminnan tehokkuuden määrää ensisijaisesti kaasun massavirta (molekyylivirta) eikä niinkään tilavuusvirta. Massavirta ei ole riippuvainen vis kositeetista, tiheydestä, johtokyvystä, paineesta tai lämpötilasta. Se on luonnostaan tarkempi ja mielekkäämpi mittaus, kun kysymys on materiaalivirroista. Prosesseista saadaan hyödyllisempää tietoa mittaamalla käytetyt ilma- ja kaasukilot kuin kaasujen virtausnopeudet. Mitattavan aineen pieni tiheys on rajoittanut coriolis -mittarien käyttöä kaasusovelluksissa. Kaasujen virtausmittauksessa yleisimmin käytetyt menetelmät perustuvat tilavuuden tai virtausnopeuden mittaamiseen: mittauslaipat ja muut paine-erolaitteet, patopaine (pitot-putki), pyörrevana (vortex)-, turpiini-, ultraääni- ja rengaskammiomittarit sekä rotametrit. Näiden mittaustarkkuus ja kalibrointi edellyttää tunnettua kaasun tiheyttä ja usein myös viskositeettia. Harvoissa prosesseissa kokoonpuristuvan kaasun tiheyteen suoraan vaikuttavat paine ja lämpötila ovat riittävän vakioina pysyviä. Todellisen massavirtauksen määrittämiseksi tarvitaan näiden erillismittausten perusteella suoritettavaa massavirtalaskentaa. Coriolis -mittari ilmaisee suoraan väliaineen massan kerrottuna virtausnopeudella. Oheisessa taulukossa on vertailtu kaasujen virtausmittausmenetelmien kustannus-, virheettömyys- ja muita ominaisuuksia. Rotametrien, kuristusmittauksen ja pyörrevanamittarien osalta taulukko koskee näiden tavanomaisia käyttöjä, ei sellaista massavirtamittausta, jossa on mukana esimerkiksi mitattavan kaasun tiheyden vaihtelut. Massavirtaus-paketilla tarkoitetaan kuristinmittausta varustettuna paine- ja lämpötilamittauksella sekä massavirtalaskennalla. 4 KAASUILLA (HÖYRYLLÄ) KÄYTETTÄVIEN VIRTAUSMITTARIEN VERTAILU Ominaisuus Massavirtauspaketti Coriolis-massavirtamittari Rotametrilähetin Paine-eromittaus Pyörrevanamittari Terminen massavirtamittari Tarkkuus huono/kohtal. hyvä huono huono kohtalainen huono Laitehinta suuri suuri suuri pieni kohtalainen pieni Asennuksen suuri pieni pieni kohtalainen suuri pieni hankaluus Huolto- ja suuri pieni pieni kohtalainen pieni pieni käyttökust. Painehäviö kohtuullinen suuri suuri pieni pieni pieni Mittausalue 5:1 50:1 10:1 5:1 20:1 50:1 5 TERMISET MASSAVIRTAMITTARIT KAASUILLE Coriolis -mittareiden tavoin termiset massavirtamittarit mittaavat suoraan massavirran tarvitsematta mitään lisälaitteita. Tämä näkyy pienempinä laite-, asennus- ja kunnossapitokustannuksina. Tämän päivän termisten massavirtamittarien vankka rakenne, edullisuus ja yli puoli miljoonaa toimivaa toteutusta maailmalla ovat tehneet niistä uskottavan ja kysytyn ratkaisun yhä useampiin kaasujen virtausmittaussovelluksiin. Ne kuitenkin mittaavat kaasun massavirran pistemäisesti, eivätkä näin kilpaile coriolis - mittarien kanssa milloin tarvitaan parhainta virtausprofiilista riippumatonta virheettömyyttä.
Instrumentointi Sivu 3 Mittauskohteeseen sisään asennettavien pistemäisten termisten anturien halkaisijat ovat 10...25 mm, upotussyvyydet 150...900 mm, ja ne soveltuvat virtausnopeuksille 0...0,6-0...60 m/s halkaisijaltaan yli 100 mm olevissa putkissa ja kanavissa. Pienempiin putkikokoihin, DN6...200, on saatavana kierre-, hitsaus- tai laippaliitännöin varustettuja rakenteita. 6 MASSAVIRTA PYÖRREVANAMITTARILLA Pyörteilyn taajuuden verrannollisuuden virtausnopeuteen havaitsi Leonardo da Vinci jo 1400-luvulla. Kolmisenkymmentä vuotta sitten alettiin vakavissaan tutkia pyörrevanataajuuden ja sen synnyttämien voimien käyttömahdollisuutta virtausnopeuden, tilavuusvirran, väliaineen tiheyden ja massavirran mittaamiseen. Kahden ensimainitun suureen mittauksessa, joissa tarvitaan vain pyörteilyn taajuuden ilmaisua, pyörrevanamittari onkin vallannut markkinoita paine-eromittauksilta. Uusien prosessorien mahdollistaman viestinkäsittelyn ja puolijohdeilmaisimien parempien mekaanisten ominaisuuksien avulla markkinoille on tuotu pyörrevanamittareita, jotka käyvät myös massavirran mittaukseen. Yhdistämällä virtausnopeuteen verrannollinen taajuus ja tiheydestä sekä nopeudesta riippuva estekappaleeseen kohdistuva voima saadaan massavirta/anturin poikkipinta. Tämäkin mittaus siis edellyttää, että virtausprofiili on 'oletettu'. Näitä markkinoidaan höyry- ja kaasumittauksiin, jolloin ei tarvita kuristusmittausten edellyttämiä paine- ja lämpötilakompensointeja. Nesteille ja lietteille coriolis - ja magneettiset virtausmittarit tarjoavat ainakin toistaiseksi kilpailukykyisemmän vaihtoehdon. Toinen keino käyttää pyörrevanamittausta myös massavirran ilmaisuun on monimuuttujaratkaisu. Väliaineen lämpötila mitataan välittömästi nopeus(pyörteiden taajuus)-ilmaisimien viereen sijoitetulla vastusanturilla ja paine kalvorakenteisella piianturilla. Kaikki kolme mittausta virtausnopeus, lämpötila ja paine sijaitsevat samassa prosessiputkeen asennettavassa virtausanturissa. Rakenne on saatavana myös suuriin prosessiputkiin ja kanaviin sisään työnnettävänä versiona. 7 CORIOLISVOIMA KIINTOAINEIDEN MASSAVIRRAN MITTAUKSESSA Coriolis -voima tarjoaa lupaavia mahdollisuuksia myös paineenalaisena tai paineettomana siirrettävien irtomateriaalien massavirtamittaukseen. Mittausanturi muodostuu mitattavaa materiaalia siirtävästä radiaaliturpiinista. Turpiinia käyttää vakiokierrosnopeudella toimiva vaihtovirtamoottori. Mitattava materiaali tulee turpiiniin aksiaalissuunnassa ja poistuu radiaalisesti lähtökanavien kautta. Poistuvan materiaalin kiihtyvyyden aiheuttama coriolis -voima (F = m?a) ilmenee turpiinia jarruttavana tangentiaalisena hitausvoimana. Coriolis -voiman turpiinin akselille aiheuttama jarruttava vääntömomentti välittyy hammaspyörän kautta venymäliuska-anturille. Välitysmekanismin avulla kompensoidaan mekaanisten - ajasta, paineesta ja lämpötilasta - aiheutuvien kitkatekijöiden vaikutus. Fyysisesti pienessä koossa toteutettavissa oleva mittauslaite on helposti sijoitettavissa olemassa olevien ruuvi-, kauha- ja siipipyöräkuljettimien yhteyteen. Pneumaattisissa siirtojärjestelmissä on tarpeen käyttää syklonia, joka erottaa kiintoainevirran ilmavirtauksesta. Mittausalueet 100 t/h saakka, mitattava materiaali irtonaista, helposti virtaavaa, raekooltaan < 10 mm. 8 HIILIPÖLYN MÄÄRÄMITTAUS Polttoaineen jatkuvatoimisella virtausmittauksella voidaan parantaa palamisprosessin tehokkuutta ja pienentää päästöjä hiiltä käyttävissä voimalaitoksissa ja masuuneissa. Yksi edellä mainittuun korrelaatiotekniikkaan perustuvista uusista ratkaisuista on ABB:n kehittämä, vielä kokeiluvaiheessa oleva menetelmä. Pyrkimyksenä on kyetä määrittämään polttoaineen virtausnopeus, sen suhteellinen pitoisuus saattoilmassa, jakaantuminen eri polttimille, massavirta sekä lämpötila. Mittausanturissa ei ole mitään putken sisään ulottuvia osia, hiilipölyn kuluttava vaikutus on vähäinen. Mittaus tapahtuu koko putken poikkipinnan alalta ja se on riippumaton hiililajista ja sen kosteuspitoisuudesta.
Instrumentointi Sivu 4 Turvallinen, passiivinen menetelmä perustuu polttoainehiukkasten luontaisen sähköstaattisen energian ilmaisuun, eikä se itse lähetä lainkaan energiaa mittauskohteeseen, kuten tapahtuu esimerkiksi mikroaaltotekniikassa. 9 IRTOAINEIDEN KULJETINVAA AT Nämä esimerkiksi soran, turpeen ja hakkeen kaltaisten irtoaineiden määrämittaukseen soveltuvat laitteet koostuvat yksi- tai kaksirullaimisesta venymäliuska-antureilla varustetusta punnituskehyksestä, kuljetinhihnan nopeusanturista ja niihin liitetystä integraattorivahvistimesta. Hihnavaakoja toimitetaan punnitusalueille 500 kg 6000 t/h hihnanleveyksille 500 2500 mm ja nopeuksille 5 m/s saakka. Määrämittauksen virheettömyys on vakiorakenteisilla vaaoilla ± 0,5% kuorman ollessa 0,25 1,25 nimellisestä. Ilman mitään liikkuvia osia olevat punnituskehykset mahdollistavat vaa an yksinkertaisen kalibroinnin, hyvän tarkkuuden ja vähäisen huoltotarpeen. Hihnavaakavahvistimien ominaisuuksiin kuuluvat mm. tyhjänä kulkevan hihnan automaattinen taaraus, kätevät käynnistys- ja vakiokäyttövalikot, sarjaliikennöinti sekä monipuoliset I/O-binääriliitynnät. Samaan mittausperiaatteeseen perustuvat annosteluvaa at vakioivat materiaalivirran halutuksi säätämällä hihnanopeutta. Toimituksessa on erilaisia avoimia, koteloituja ja esimerkiksi elintarviketeollisuuteen tarkoitettuja haponkestävää terästä olevia rakenteita. 10 TÖRMÄYSLEVYMITTAUS Vapaasti putoavan irtomateriaalin määrämittaukseen soveltuvat törmäyslevymittarit käyvät kuivan kiintomateriaalin mittaukseen jauheista aina noin 25 mm rakeisiin saakka. Kompaktit, pienikokoiset rakenteet sopivat hyvin myös pölytiiviyttä vaativiin sovelluksiin. Materiaalivirta ohjataan sitä kohden vinossa olevalle törmäyslevylle, josta se jatkaa esteettömästi prosessissa. Massavirran levyyn aiheuttama vaakasuora impulssivoima mitataan mittausalueesta riippuen joko lineaarisella jännite-eromuuntimella (LVDT) tai venymäliuska-antureilla. Levyyn jäävällä materiaalilla ei ole vaikutusta mittaukseen ja toistuvia nollapisteen tarkistuksia ei tarvita. Mitattavan materiaalin, maksimi lämpötila mittarin rakenteesta riippuen +65 400 C, näytteiden avulla mittarit ovat kalibroitavissa ± 1,0 % virheettömyyteen. Toistuvuus on ± 0,2 %. 11 AKUSTINEN IRTOMATERIAALIN VIRTAUSVALVONTA Nämä akustiseen emissio-teknologiaan perustuvat anturit ovat tarkoitetut ilmaisemaan häiriötilanteita irtomateriaaleja käsittelevissä prosesseissa. Anturi reagoi välittömästi rakeiden, pellettien, jauheiden ja useimpien muidenkin irtomateriaalien virtausmuutoksiin putkissa, kouruissa, tärykuljettimissa, pneumaattisissa kuljettimissa ja vapaasti putoavissa järjestelmissä. Kuljetinjärjestelmää koskettamatta se valvoo irtomateriaalivirtauksen aiheuttamia korkeataajuisia akustisia viestejä. Pietsokide tunnistaa ääniaallot ja ne vahvistetaan jänniteviestiksi, joka vastaa akustisen emission aktiivisuutta ajan funktiona. Vain 400 grammaa painavan pienikokoisen anturin asennus on mahdollisimman yksinkertaista. Käyttölämpötila 40 +85 C, suojausluokka IP68. Anturin lähtöviesti 0 10 V DC voidaan viedä suoraan ohjelmoitavaan logiikkaan tai muuhun laitteeseen. Saatavana on myös erillinen LCD-näytöllä varustettu ohjausyksikkö, johon voidaan konfiguroida kaksi relelähtöä sekä analoginen 4 20 ma lähtö. 12 KIINTOMATERIAALIN RADIOMETRINEN MITTAUS Monissa erilaisissa kuljetinjärjestelmissä radiometrinen punnitus saattaa olla ainoa käyttökelpoinen tapa mitata massavirtaa. Massavirta on mitattavissa myös 'vapaasti putoavana' kouruissa ja putkissa. Radiometrisen säteilyn vaimenemiseen perustuva menetelmä mittaa sekä massavirran että siirretyn kokonaismäärän tyypillisesti mittausalueilla 0...200 kg/h - 0...10 000 t/h. Laitteet ovat asennettavissa olemassa oleviin kuljettimiin ja säiliöiden tai kourujen purkauskohtiin. Mitattava materiaali voi olla jauheista kymmeniä kiloja painaviin pölkkyihin saakka.
Instrumentointi Sivu 5 Mitattavaa ainetta koskettamattomana se on tunteeton kuljettimen kireyden vaihteluille, tuulikuormalla, tärinälle ja muille mekaanisille voimille. Kuljettimen kulumisen vaikutus on olematon eikä mittausjärjestelmä tarvitse mitään rutiinihuoltoa. Pitkäaikaisen pysyvyyden varmistaa automaattinen säteilylähteen heikkenemisen kompensointi. Tarvittava säteilyvoimakkuus on pieni herkän tuikelaskijailmaisimen ansiosta. Mitattuihin materiaaleihin kuuluvat mm. granulaatit ja lannoitteet, lastut, puupölkyt, sellu, turve, hiili, malmi, hiekka, sora, perunat, perunalastut ja lukuisat muut elintarvikkeet. Varsinkin hihnakuljettimilla on lähes poikkeuksetta optimaalisin menetelmä käyttää kuljettimen alle sijoitettua, siirrettävän materiaalikeon mukaan sovitettua sauvamaista säteilylähdettä ja kuljettimen yläpuolelle sijoitettua pistemäistä ilmaisinta. Joissakin kuljetintyypeissä kuten ruuvi- ja kolakuljettimissa tämä voi johtaa ulkomitoiltaan isokokoisiin mittauskehyksiin. Näihin tapauksiin sopivammaksi voi osoittautua rakenne, jossa käytetään kuljettimen alapuolella sijaitsevaa sauvailmaisinta ja yläpuolella sijaitsevaa pistemäistä säteilylähdettä. 13 MAGNEETTINEN VIRTAUSMITTAUS EDELLEEN PARAS RATKAISU NESTEILLE, MASSOILLE JA LIETTEILLE? Induktiolain keksijä Michael Faraday yritti jo vuonna 1832 mitata Thames-joen virtausta. Ei tuolloin onnistunut, mutta ideasta kehittyi myöhemmin varsinainen virtausmittauksen hitti. Faradayn ongelmat korvattiin vaihtokenttämagnetoinnilla. Jatkoa seurasi elektroniikan edistyessä. Altometer/Krohne-yhtiön parikymmentä vuotta sitten kehittämä pulssimagnetointi löi itsensä nopeasti läpi. Etuina vaihtokenttämagnetointiin olivat lähinnä nollapisteen parempi pysyvyys ja tarkkuus sekä virtausputkien pienempi koko. 14 KOSKETUKSETTOMAT ELEKTRODIT Kokemuksesta ja myös teoriaan perustuvin selityksin tiedetään, että nesteestä selvästi poikkeavan johtokyvyn omaavat kiintoainepartikkelit aiheuttavat metallielektrodien läheisyydessä sähköistä häiriökohinaa. Pulssimagnetoinnissa käytettävien lyhyiden signaalinäytteiden vuoksi kohina saattaa aiheuttaa niin monia virheellisiä näytteitä, että vahvistimen lähtöviesti vääristyy. Rauhattomuuden on voitu osoittaa johtuvan myös kiintoainepartikkelien mekaanisesta osumisesta virtaavaan nesteeseen ulottuviin elektrodeihin. Tämä ongelma luonnollisesti poistuu kun anturissa ei ole lainkaan lietettä koskettavia elektrodeja. Kapasitiivisessä magneettisessa virtausputkessa on suora, sileä, eristävästä materiaalista - yleensä keraaminen - valmistettu putki kuten perinteisissäkin magneettisissa virtausmittareissa. Sileys on täydellistä, siinä ei ole edes mitattavaa nestettä koskettavia elektrodeja. Kapasitiivinen virtausputki tarjoaa muitakin etuja. Sillä päästään hyvin alhaisiin johtokykyihin, alarajana 0,05 µs/cm. Elektrodien kautta tapahtuva vuoto on mahdotonta, samoin niiden korroosio-ongelmat, bakteerikasvu elintarviketeollisuuden sovelluksissa ja sähkökemialliset ongelmat. 15 VIRTAUSMITTAUS VAJAATÄYTTÖISISSÄ PUTKISSA Magneettiset virtausmittarit, useimpien muidenkin menetelmien ohella, ovat luotettavasti toimiakseen edellyttäneet täysin nesteen täyttämää virtausputkea. Vajaatäyttöiset putket ovat tyypillisiä esimerkiksi jätevesiputkis toissa. Hyödyntämällä prosessorien mahdollistamaa monipuolisempaa ohjaus- ja mittausviestien käsittelyä on kehitetty ratkaisuja virtauksen mittaamiseen myös vajaatäyttöisissä putkissa. Nämä tarjoavat merkittäviä säästöjä asennus- ja käyttökustannuksissa esimerkiksi seka- ja muiden suurten viemäri- ja jätevesivirtausten mittauksessa. Viemärijohtoon ei tarvitse rakentaa syväkaivoa, jossa virtausmittari joudutaan asentamaan aina täynnä pysyvään putkiosuuteen.
Instrumentointi Sivu 6 16 MAGNEETTINEN VIRTAUSMITTARI KAKSIJOHDIN-RAKENTEENA Pitkään on toivottu esimerkiksi kuristinmittausten korvaamismahdollisuutta tarkemmalla ja huoltoa tarvitsemattomalla magneettisella virtausmittarilla, joka toimisi samalla kaapelointikustannuksia pienentävällä 2- johdintekniikalla kuin useimmat muutkin virtaus-, paine- tai lämpötilalähettimet. Tällaisia on äskettäin ilmestynyt markkinoille. Kaksijohdin-virtausputki ottaa vain 48...300 mw tehon 4...20 ma 2- johdinliitännästä. Siitä käytetään 20 240 mw virtausputken kenttäkäämeille eli pari kertaluokkaa vähemmän kuin perinteisissä erillisellä kenttäkäämisyötöllä varustetuissa magneettisissa virtausmittareissa. Tällä hetkellä koot kattavat alueen DN10 150. Se ei käy joihinkin erikoissovelluksiin kuten hyvin alhaisille johtokyvyille, alle 5 µs/cm. Toistaiseksi niitä toimitetaan vain kompaktina rakenteena eli vahvistin virtausputken yhteydessä. 2-johdinrakenteen edut puolestaan ovat monet. Yksinkertainen, suora liitettävyys logiikka- ja automaatiojärjestelmiin. Tehonsyöttöön käyvät samat galvaanisesti erotetut virtalähteet kuin muihinkin kenttälähettimiin. Kaikki liitännät ovat luonnostaan vaarattomia. Virtausmittari soveltuu myös räjähdysvaarallisiin tiloihin, Ex-suojausluokka i, e tai d. Hankalissa prosessiolosuhteissa signaali/häiriö-suhteen parantamiseksi 2-johdinliitäntään voidaan tarvittaessa prosessia häiritsemättä kytkeä tehovahvistin. Tämä ottaa vain 300 mw lisätehon, nostaa kenttäkäämien tehon jopa kahdeksankertaiseksi ja säilyttää luonnostaan vaarattoman rakenteen. 17 ULTRAÄÄNI-VIRTAUSMITTAUS Suurin osa virtausmittausmenetelmistä perustuu keskimääräisen virtausnopeuden mittaamiseen. Tämä merkitsee, että niiden mittaustuloksen virheettömyyteen vaikuttaa menetelmästä riippuen hyvinkin paljon virtausanturin asennus ja siinä esiintyvät virtausprofiilit ja niiden häiriöt. Poikkeuksen muodostavat lähinnä coriolis -massavirtamittarit ja suoraan tietyn tilavuuden siirtoon perustuvat tilavuusmittarit kuten kiertomäntä- ja soikioratasmittarit. Tyypillinen keskimääräisen virtausnopeuden mittaamiseen perustuva tilavuusvirtamittari on virtauksen myötä- ja vastavirtaan lähetetyn ultraäänisignaalin välisen kulkuaikaeron mittaava ultraäänimittari. Näiden virtausprofiiliherkkyyttä voidaan pienentää käyttämällä useampia ultraäänikeiloja. Öljyn ja muiden hiilivetynesteiden tarkkuutta vaativiin laskutusmittauksiin tarkoitetut viisikeilaiset rakenteet täyttävät mm. alan OIML-järjestön R117-ohjeen vaatimuksen < +0,15 prosentin virheettömyydestä halutulla mittausalueella. Mittaus on mahdollisimman riippumaton virtausprofiilista ja mitattavan nesteen lämpötilasta. Virtausputkessa ei ole mitään liikkuvia, kuluvia tai painehäviötä aiheuttavia osia. Tilavuusvirta- ja määrämittauksen lisäksi prosessoripohjainen vahvistin voi tunnistaa/mitata myös mitattavan nesteen laadun, Reynolds-luvun, viskositeetin, lämpötilan ja/tai massavirran. Ultraäänivirtausmittareista löytyy rakenteita sekä nesteille että kaasuille. Kalibroidulla virtausputkella, olemassa olevien prosessiputkien ulkopintaan asennettavina tai niihin paineenalaisenakin porattavina rakenteina aina kokoon DN 3000 saakka. Pienet virtausnopeudet, suuri viskositeetti ja ahtaat virtaustiet ovat hankaloittaneet tarkkaa virtausmittausta mm. orgaanisen kemian sovelluksissa, joissa alhaisen johtokyvyn vuoksi ei ole voitu käyttää magneettisia virtausmittareita. Ratkaisuna näihin sovelluksiin Siemens tarjoaa ultraäänen kulkutien monistavaa patentoitua menetelmää. Ultraäänen pitkä mittaustie varmistaa tarkan mittaustuloksen myös pienissä putkiko'oissa ja pienillä virtausnopeuksilla. Mittaria on aluksi saatavana ko'oissa DN25...100. Samanlainen tekniikka on käytössä myös lämpöenergiamittareissa mittaamassa energiansiirtonesteen määrää. 18 ROTAMETRIT Rotametrit eli muuttuva-aukkoiset virtausmittarit ovat yksi pisimpään käytetty menetelmä nesteiden ja kaasujen virtausmittaukseen ja annosteluun. Niillä on monia vakiintuneita käyttökohteita teollisuussovelluksissa, testauslaitoksissa ja laboratorioissa.
Instrumentointi Sivu 7 Lasiputkirakenteita käytetään aivan pienistä neulaventtiilillä ja tarvittaessa vakiovirtaussäätimellä varustetuista annostelurotametreistä suuriin laippaliitännöin varustettuihin malleihin. Lasi sekä käytetyt uimuri- ja tiivistemateriaalit soveltuvat myös hyvin syövyttäville ja aggressiivisille väliaineille. Uimurin asennon magneettisella välityksellä varustetut metallikartiorotametrit käyvät myös suuriin paineisiin ja lämpötiloihin sekä sameille ja ei-läpinäkyville väliaineille. Saatavana on monia lisävarusteita kuten mittauskartion lämmitys, raja-arvoilmaisimet ja lähettimet. 19 PAINE-EROLÄHETTIMET EIVÄT ANNA PERIKSI Paine-eromittausten, erityisesti lähettimien, valmistajien vastaus muiden menetelmien kilpailuun perustuu myös uusiin ilmaisin- ja signaalinkäsittelytekniikoihin. Esimerkiksi Fisher-Rosemountin monimuuttajalähetin 3095MV mittaa paineen (absoluuttipaineen), paine-eron ja lämpötilan sekä muodostaa näistä massavirtaviestin. Ohjelmallisesti voidaan ottaa huomioon paine-eromittauksiin liittyvät tiheys-, Reynolds-luku- ja purkauskertoimet. Viittaan tässä kappaleessa Fysiikka ratkaisee mainittuihin seikkoihin. Kenttäväylätekniikka mahdollistaa monimuuttajalähettimien toiminnan jatkuvan seurannan diagnostiikkajärjestelmien avulla. Samoin uusien toimintaparametrien antamisen prosessiolosuhteiden muuttuessa.