Industriell måleteknikk for automatikerfaget 8241202229, 9192631770 [PDF]

Zitiervorschau

Bjørnar Larsen

Industriell måleteknikk for automatikerfaget BOKMÅL

Vett&Viten

©Vett & Viten A/S 1996 ISBN 82-412-0222-9 BM Omslag: OK Grafisk Byrå As

Boka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i desember 1995 for bruk i studieretningsfaget Industriell måleteknikk på videregående kurs Automatisering i studieretning for elektrofag. Godkjenningen gjelder inntil ny fagplan eller revidert lære­ plan blir tatt i bruk.

Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering som er inngått med Kopinor, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel. Printed in Norway 1996

Utgiver: Vett & Viten AS Postboks 4, 1321 Stabekk

5

Forord Deler av denne boka har vært utgitt som en interimsutgave. Boka er nå forbedret på flere områder. Den er utvidet med kapitlene om fysikk, kjemi, måling av miljøforurensning og kali­ brering.

Den nye boka er skrevet spesielt for VK1 automatikerfaget (Reform 94), men som den tidligere utgaven kan den også brukes i teknisk fagskole. Boka er dessuten tilrettelagt for selvs­ tudium og bedriftsintern opplæring. Stoffets praktiske framstilling og mange illustrasjoner gjør at boka vil være et nyttig supple­ ment i tilknytning til mer teoretiske studier i industriell måleteknikk.

Boka dekker alle mål i fagplanen for VK1 automatikerfaget under faget industriell måle­ teknikk. Mål 1 dekkes Mål 2 dekkes Mål 3 dekkes Mål 4 dekkes Mål 5 dekkes Mål 6 dekkes

av av av av av av

kapittel 2. kapittel 1. kapitlene 2, 3, 4 og 5. kapittel 6. kapittel 7. kapittel 8.

Boka krever ikke spesielle matematiske kunnskaper hos leseren. Alle teorier i boka er praktisk forklart. Boka inneholder også mange eksempler på anvendt industriell måleteknikk. Det er ikke tilstrekkelig bare å forstå instrumentenes virkemåte, man må også forstå samspillet mellom prosessen og instrumentene. Et av målene er derfor å gi leseren forståelse av hele målsystemet. Årsaker til målefeil er også behandlet. Videre har fordeler og ulemper med forskjel­ lige typer instrumenter, signalbehandling og signaloverføring fått plass i boka.

Det utarbeides et eget laboratorie- og oppgavehefte til boka. Parallelt utgis det også en bok i reguleringsteknikk for samme målgruppe i automatiseringsfaget. Til slutt vil jeg takke alle som har bidratt med fagstoff og bilder. Spesielt vil jeg nevne Hydro Support Opplæringssenter i Porsgrunn og Prosessindustriens Landsforening (PIL) for deres bidrag.

En spesiell takk til min kone Unni, som har utført tekstbehandlingen til bokas manus og ellers vist stor interesse.

Porsgrunn mai 1995 Bjørnar Larsen

7

Innhold Kapittel 1 Fysikk for automatikerfaget 9 Grunnbegreper 9 Innledning med definisjoner 9 Aggregattilstander 13 Hastighet 14 Akselerasjon 15 Kraft 16 Corioliskraft 20 Friksjon 22 Statikk 23 Mekanikk i væsker 27 Massetetthet 27 Oppdrift 32 Trykk i gasser 32 Strømmende væsker og gasser 34 Viskositet 38 Reynolds tall 39 Tofasestrømning 41 Trykkfall ved strømning 42 Bølger 44 Bøyning av bølger 48 Interferens 49 Polarisasjon 50 Lysspektrum 52 Absorpsjon, refleksjon og transmisjon 53 Lyd 54 Varme 57 Mer om aggregattilstander 65 Kjernefysikk 70 Kapittel 2 Målenøyaktighet m.m . 77 Automatisert prosess 77 Noen begreper og definisjoner 78 Signalbehandling 80 Måleteknikk/målenøyaktighet 90 Kalibrering 93 Krav til nøyaktighet 97 Definisjoner 101

Kapittel 3 Måleteknikk 103 Måling av trykk 103 Måling av overtrykk 105 Måling av differansetrykk 106 Definisjoner 107 Måleomformere 107 Spenningstilkopling til måleomformere 118 Pneumatiske forsterkere 121

Pneumatisk differansemåler etter momentbalanseprinsippet 123 Pressduktor 124 Programmerbare måleomformere 125 Kommunikasjon med digitale omformere 127 Hart-protokollen 130 Fiberoptiske utgangssignaler 133 Måleomformere med av/på-utgang 134 Kalibrering 136

Kapittel 4 Nivåmåling 141 Forskjellige typer nivåmålere 141 Nivåmåling basert på måling av hydrostatisk trykk 142 Nivåmåling med fortrengningslegeme 146 Nivåmåling basert på måling av kapasitans 148 Måling av nivå med radioaktive kilder 151 Måleutstyr for nivå med av/på-utgang 154

Kapittel 5 Måling av gjennomstrømning 158 Målenheter 158 Gjennomstrømningsmåler basert på kjent volum 160 Gjennomstrømningsmåler basert på måling av hastighet 161 Kalibrering/sertifisering 164 Anemometer 164 Måleskiver 167 Dyser 177 Venturirør 177 Pitotrør 178 Rotametre 181 Måling av gjennomstrømning etter induksjonsprinsippet 183 Måling av gjennomstrømning med virvelprinsippet 185 Måling av gjennomstrømning med hjelp av corioliskraften 187 Gjennomstrømningsmåler basert på ultralyd 191 Strømningsmåler i åpne renner 192 Strømningsvakter 193

8 Kapittel 6 Måling av temperatur 195 Referansepunkt 195 Fysikalske måleprinsipper 195 Tidskonstant 196 Utvidelse av faste og flytende stoffer 199 Termoelektrisk spenning 202 Måling av temperatur ved hjelp av elektrisk ledningsevne 210 Måling av temperatur ved hjelp av elektro­ magnetisk stråling 218 Andre målemetoder for temperatur 219 Termostater 220 Kontroll og kalibrering 221 Kalibrering av måleomformer for termoelement 223 Kapittel 7 Måling av pH, fuktighet, gasskonsentrasjon m.m. 225 Kjemi 225 Forurensning av luft og vann 231 Utsliptillatelser, drift og vedlikehold 239 Analytiske målinger 241 Måling av pH-verdi 246 Elektroder for pH-måling 247 Målekrets for pH 248 Den kombinerte pH-elektroden 250 Kalibrering av pH-måleutstyr 250 Vedlikehold 252 Måling av ledningsevne 253

Gassanalyseinstrumenter for prosessmålinger 254 Oksygenanalysator 261 Infrarød analysator 263 Varmeledningsanalysator 265 Gasskromatograf 266 Eksplosimeter 267 Personlig gassmåleutstyr for giftige gasser, oksygen m.m. 270 Måling av oksygeninnhold i vann 272 Måling av tungmetaller 274 Måling av slaminnhold i vann 274 Måling av tungmetaller og organiske forbind­ elser i vann 275 Instrumenter basert på strålingsabsorbsjon 275 Måling av konsentrasjon 276 Måling av massetetthet 277 Måling av tykkelse 281 Indikatorer og skrivere 281 Kapittel 8 Måling av turtall 286 Målemetoder for turtall 286 Målemetoder for posisjon 287 Induktive posisjonsmålere 293 Kapasitive posisjonsmålere 294 Vibrasjonsmåling 295

Stikkordregister 296

9 KAPITTEL 1

Fysikk for automatikerfaget Mål Etter å ha studert kapittel 1 skal du • • • • •

• • • • • •

kunne gjøre rede for de fysiske begrepene masse, treghet, massetetthet, tyngde, akselerasjon, kraft og fart kunne gjøre rede for gasser, damp og damptrykk. Du skal kunne bruke tilstandslikningen for ideelle gasser kunne gjøre rede for trykk i væsker og kunne beregne hydrostatisk trykk kunne gjøre rede for oppdrift og beregne oppdriften til legemer nedsenket i væske kunne gjøre rede for strømningstyper, Reynolds’ tall, viskositet og bestemme friksjonstap i rør med hjelp av nomogram kunne gjøre rede for Bernoullis likning for strømmende væsker og gasser i rør/kanaler kunne gjøre rede for generell bølgelære, lyd-, vann- og lysbølger kunne gjøre rede for refleksjon, brytning, total refleksjon og polarisert lys kunne gjøre rede for arbeid og energi, varme og energi, overføring av varme, varmekapasitet kunne gjøre rede for stoffers aggregattilstander kunne gjøre rede for radioaktivitet, radioaktive isotoper og halveringstid

Det er viktigere å forstå anvendelsen til fysikken framfor å være flink i teoretiske beregninger.

Sidene 11-14 omhandler fysiske begreper fra det daglige liv. Disse sidene er en innledning, begrepene blir grundigere behandlet senere i dette kapittelet.

Grunnbegreper I fysikken bygger vi teorien på størrelsene lengde, tid og masse. Størrelsene måles i meter, sekund og kilogram. Andre grunnenheter trenger vi ikke. Det målsystem som bygger på meter, sekund og kilogram, heter SI-systemet. SI er den franske forkortelsen for Systéme Inter­ national (internasjonalt system).

Innledning med definisjoner Lengde 1 meter er 1650763,73 ganger så lang som bølgelengden til et oransjerødt lys som stråler fra en lampe fylt med kryptongass. Bølgelengden blir bestemt i et sertifisert laboratorium.

Lampe fylt med kryptongass

10 Gamle lengdeenheter Favn, alen, tomme og fot

Fot

Tid Definisjon I 1967 ble det bestemt at 1 sekund skulle være 9192631770 ganger svingetiden for en stråling fra cesiumatomet 133Cs.

Masse I tillegg til lengde og tid brukes en tredje grunnstørrelse som skal karakterisere stoffet omkring oss. Denne størrelsen kalles masse. Det er massen vi måler i kilogram.

Treghet Alle legemer setter seg imot å endre sin bevegelse; de er trege. Dersom man sparker til en fot­ ball, merker man at den er treg, den motsetter seg bevegelsesendringen.

Figur 1.1 Alle legemer er trege. Fotballen er treg. Den motsetter seg bevegelsesendring

Sparker man en stein med samme volum som fotballen, er den mye tregere å få i bevegelse enn fotballen. Tregheten til et legeme er den samme overalt på jorda. På månen kan man løfte et legeme som veier 300 kg på jorda, siden vekta på månen bare er 1/6 av hva den er på jorda. Forsøker vi derimot å riste legemet, vil det være like anstrengende som på jorda.

11 Regel: Alle legemer er trege. Tregheten er den samme overalt.

Måling av masse Vi kan finne massen til et legeme ved å sammenlikne legemets masse med en kjent masse. Til denne massemålingen kan vi benytte en skålvekt, se figur 1.2.

Figur 1.2 Skålvekt brukes til massemåling Vi sier at to objekter har samme masse dersom de har samme tyngde på samme sted. To objek­ ter som er like tunge på ett sted, er like tunge alle andre steder. Dersom et lodd og et objekt holder hverandre i likevekt på en skålvekt ett sted, vil de være i likevekt alle andre steder. For å gi massen til et objekt et måltall og en enhet må vi velge et standardlodd å sammenlikne med. Som standardlodd har man valgt et bestemt metallodd som blir oppbevart ved Det inter­ nasjonale byrå for mål og vekt i Paris. Dette standardloddet kalles kilogramprototypen. De fleste land har nasjonale standardkilogramlodd. Disse må med jevne mellomrom sammen­ liknes med den internasjonale prototypen i Paris. Vi sier at de nasjonale standardkilogramloddene er sporbare mot den internasjonale prototypen i Paris.

Massetetthet Det at noen stoffer er tyngre å løfte på enn andre, skyldes at de har større massetetthet. Massetettheten defineres slik:

__ , masse m Massetetthet = —— = — volum v

med enheten kg/m3

m

Likning 1.1

p = -

Tabell 1.1 Eksempler på massetettheter Atomkjerne Gull Bly Aluminium Vann 4 °C Is Luft, 0 °C ved jordoverflaten

1017kg/m3 19,3 • 103kg/m3 11,3 • 103kg/m3 2,70 • 103 kg/m3 1,000 • 103kg/m3 0,917- 103kg/m3 1,29 kg/m3

Vi måler masse i kilogram og volum i kubikkmeter.

12 Eksempel Massen av vann i et målebeger er 3 kg. Vannet har volumet V = 0,03 m3. Vannets massetetthet er da

p = —= 1000 kg/m3 0, 003w

Massetetthet er masse pr. volum av et legeme. Så lenge legemet ikke endrer sitt volum, er der­ for massetettheten konstant, uavhengig av hvor det er, for massen er jo konstant.

Tyngde Rundt jorda er det et gravitasjonsfelt. Retningen til feltet er inn mot jordas sentrum. Feltet for­ søker å tiltrekke seg alle legemer. Derfor virker det tyngdekrefter på alle legemer. Tyngden til et legeme kan måles med fjærvekt, figur 1.4.

Figur 1.3 Tyngden virker på jordas sentrum

Figur 1.4 Med en fjærvekt kan vi måle tyngde. Loddet tiltrekkes av jordas gravitasjonsfelt

Feltet er sterkere ved jordas poler enn ved ekvator. Derfor er tyngden til et legeme avhengig av stedet. Men tyngden på ett og samme sted er bare avhengig av legemets masse. Ved hjelp av målinger finner vi: Tyngden er proporsjonal med massen. Som symbol for tyngde bruker vi G. Vi må skille mellom to begreper: legemets tyngde og legemets masse.

G = tyngde m = masse

Akselerasjon ved fritt fall Den akselerasjon et legeme får i fritt fall, kaller vi tyngdens akselerasjon, se figur 1.7. Den har samme verdi for alle legemer på samme sted på jorda. Symbolet for tyngdens akselerasjon er g.

Tyngdens akselerasjon varierer litt fra sted til sted på jorda. Som standardverdi har man bestemt at tyngdens akselerasjon skal ha verdien g = 9,80665 m/s2

13 For beregninger i skolesammenheng benyttes: g = 9,81 m/s2 eller bare 9,8 m/s2

Figur 1.7 viser en glasskule som trilles utfor en bordkant. I det frie fallet øker glasskulens has­ tighet med 9,8 m/s/s = 9,8 m/s2. Tenk også over hvor hurtig hastigheten øker når en person stuper i sjøen fra en høyde på 10 m. Bordkant

q

___ CL O O

O ___ Q_ O

O

C

----- C

Figur 1.5 En glasskule i fritt fall

Tabell 1.2 over g-verdier

Nordpolen 90° N Hammerfest 710 N Mandal 58° N Libreville 0° N

9,832 m/s2 9,826 m/s2 9,818 m/s2 9,780 m/s2

Aggregattilstander Stoffer kan opptre i forskjellige tilstander: • fast • flytende • gassform • plasma Stoffers forskjellige former kalles aggregattilstander.

Faste stoffer I faste stoffer ligger atomene i ro i forhold til hverandre. De har da faste plasser i forhold til hverandre. Et fast stoff har derfor en bestemt form og et bestemt volum.

Flytende stoffer I flytende stoffer kan molekylene gli om hverandre uten noen bestemt orden. En væske har der­ for et bestemt volum, men ingen bestemt form.

Gass I en gass er molekylene langt fra hverandre. Hvert molekyl beveger seg uavhengig av de andre. Derfor har gass ikke noen bestemt form eller noe bestemt volum. Gassen fyller det rommet den har til rådighet.

14 Eksempel I lufta er avstanden mellom molekylene omtrent ti ganger større enn avstanden mellom mole­ kylene i vann.

Plasma Plasma er en gassliknende aggregattilstand. I plasma er atomene ioniserte. For å oppnå plasmatilstand må temperaturen i stoffet økes til flere millioner grader. Visste du at mesteparten av sola er i plasmatilstand?

Hastighet Midlere hastighet Definisjon Den midlere hastigheten i et bestemt tidsrom er lik veien som er tilbakelagt, dividert med tiden:

Midlere hastighet

eller v =

v = -

Likning 1.2

Streken over v-en er symbolet for middelverdi.

Oppgave

Figur 1.6 En bil kjører langs en vei. I et veikryss avtar hastigheten, deretter øker den igjen. Anta at bilen kjører 4 km på 4 minutter. Hvor stor har da den midlere hastigheten vært?

Løsning For bilen ovenfor var den midlere hastigheten: 400 ■^TF.ru/s = 16, 61m/s eller 60m/s 240

Men den midlere hastigheten for kortere tidsrom kan ha vært oppe i 80 km/h eller nede i null.

Konstant hastighet Definisjon Et legeme har konstant hastighet dersom den midlere farten er konstant under hele transportforløpet. v = s/t

Likning 1.3

15

Akselerasjon Definisjon Når et legeme endrer hastighet, har det en akselerasjon. Akselerasjonen er et mål for hvor fort hastigheten endrer seg.

Midlere akselerasjon Definisjon Midlere akselerasjon over et tidsrom t definerer vi som hastighetsendring med enheten

m/s , 2 ----- = m/s s

Dersom en bil øker hastigheten fra vx = 8 m/s til v2 = 16 m/s, er hastighetsendringen A v = v2 - Vi = 8 m/s. Dersom denne hastighetsendringen skjer i løpet av 4 sekunder, er den midlere akselerasjonen lik

8m/s _ 7 2 a = —— = 2m/s 45

Konstant akselerasjon Definisjon Et legeme har konstant akselerasjon dersom vi finner samme verdi for den midlere akselera­ sjon uansett hvilke tidsrom vi måler over. v-v0

Likning 1.4

16 Kraft Definisjon Kraft vil si evnen til å akselerere legemer uttrykkes slik Likning 1.5

F = ma

F = kraft m = masse a = akselerasjon

Tennisballen akselereres med kraft fra kølla

Hastighet V

Figur 1.8

Fotballen er tyngre og tregere å akselerere

Figur 1.9

Jo større massen er, desto større kraft skal til for å oppnå en bestemt akselerasjon. Årsaken til det er at legemer med stor masse har større treghet enn legemer med liten masse. Massen til et legeme kan derfor brukes som et mål for tregheten til et legeme.

Enhet F = m[kg] • a(m/s2) gir enheten kg m/s2.

I Sl-systemet blir denne enheten kalt newton. Newton har symbolet N.

Oppgave En masse på 1 kg gis en akselerasjon på 1 m/s2. Hvor stor kraft påføres massen? F = ma - 1 kg' 1 m/s2 - 1 kg m/s2 = 1 N. ► a = 1 m/s2 m = 1 kg

Figur 1.10

-------- ►F=1N

17 Definisjon Om en kraft på 1 N virker på et legeme på 1 kg, får det en akselerasjon på 1 m/s2.

Oppgave Dersom et legeme med en masse m = 2,5 kg blir trukket av en kraft på 6,25 N, så blir akse­ lerasjonen til legemet a

F_ _ 6, 25 V m 2,Skg

2, 5m/s2

Teknisk kraftenhet Tyngden til et lodd på 1 kg brukes som kraftenhet. Denne kraften kaller vi et kilopond. Sym­ bolet for kilopond er kp. Definisjon

Ikp = m-g = lkg-9,8m/s

2

g = den gjennomsnittlige verdien til tyngdens akselerasjon og avrundet til ett siffer etter komma.

Anm.: På jordas poler er tyngden av kilogramloddet 1,003 kp, ved ekvator 0,997 kp. Eksempel Du har vel et inntrykk av hvor tungt et kilogramlodd er. Da har du også et inntrykk av kraft­ enheten newton. 1 N = 1/9,8 kp, altså omtrent 1/10 av tyngden av kilogramloddet. Når vi kjøper 10 «kilo» mel i butikken, får vi 10 kilogram mel. Vekta hos kjøpmannen er justert ved hjelp av lodder som er justert i forhold til kilogramprototypen. Ordet «veie» blir brukt både når det gjelder sammenlikning av masser, og når det gjelder sammenlikning av tyngder.

Kraft og motkraft Vi holder et serveringsbrett i handa. Handa virker med en kraft oppover på serveringsbrettet. Serveringsbrettet trykker handa nedover, se figur 1.11. Beinet til syklisten skyver pedalen nedover, pedalen skyver beinet oppover. Bakhjulet skyver på veien, veien skyver sykkelen forover, se figur 1.12. Hammeren slår spikeren inn i veggen, spikeren stopper hammeren, se figur 1.13. Skøyteløperen presser isen bakover når hun sparker fra, isen skyver skøyteløperen forover, se figur 1.14. Vinden skyver seilet forover, seilet prøver å stoppe luftas bevegelse og skyver den bakover, figur 1.15.

Kraft fra beinet

Kraft fra pedalen

Figur 1.11

Figur 1.12

18

Jetmotorene skyver gassene bakover, gassene skyver flyet forover. Definisjon Krefter opptrer alltid parvis. Legemene virker på hverandre med motsatt like store krefter. Vi kan derfor skrive:

kraft = - motkraft Oppgave Hva er kraft og motkraft på figur 1.15?

Fjernkrefter og nærkrefter Noen krefter virker selv om det er avstand mellom legemene. Vi kaller disse kreftene fjern­ krefter. Vi skiller mellom to typer fjernkrefter: • •

Gravitasjonskrefter Elektriske og magnetiske krefter

Figur 1.17

19 Gravitasjonskraft Gravitasjonskraften virker på alle legemer på jorda. Det er gravitasjonskraften som gjør at vi føler tyngde. Uten gravitasjonskreftene ville vi svevd vektløse omkring, som astronuter i et romskip.

Eksempel Et lodd henger fritt. Kraften på loddet er G = mg. Den skyldes jordtiltrekningen (gravitasjons­ kraften). Motkraften til G er derfor en kraft som virker oppover på resten av jorda, se figur 1.18.

Masse,

Figur 1.18 Alle legemer på jorda har en tyngde G

G = mg

i

[

Fjærkraft Dersom vi belaster en spiralfjær med kraften F, vil vi finne at fjærforlengelsen / og kraften F er proporsjonale. Dette skrives slik:

F - kd

Likning 1.6

k er proporsjonalitetsfaktoren for fjæra. Faktoren k kalles fjærstivheten eller fjærkonstanten. I er hvor langt fjæra strekkes.

Eksempel Dersom forlengelsen av en fjær er 52 mm, forårsaket av en kraft F = 28 N, er

Verdien av k er avhengig av stålets kvalitet og fjæras utforming. Dersom vi overbelaster fjæra, vil den bli varig deformert; den går ikke tilbake til sin opprinnelige lengde når vi fjerner belastningen.

Regel: Overbelast aldri en fjær.

Nærkraft Et lodd henges i kroken i en spiralfjær. Den andre enden av fjæra er festet i en bjelke, se figur 1.19. Fjæra strekker seg. Det virker nå en kraft F nedover på fjæra. Denne kraften er forårsaket av loddets tyngde. Da må det virke en motkraft på loddet fra fjæra. Vi kaller denne motkraften K.

20

Figur 1.19 Den er rettet oppover. Videre trekker jorda på loddet med kraften G = mg. Motkraften til g virker på resten av jorda og er rettet oppover. Fjæra trekker i bjelken med en kraft T. Motkraf­ ten S virker på fjæra fra bjelken. Dette kan skrives slik:

T = S og F = K Når loddet er i ro, har det ingen akselerasjon. Da er summen av kreftene som virker på loddet, null. Det vil si at kraften som virker oppover på loddet, er lik kraften som virker nedover på loddet.

Corioliskraft Corioliskraft er en kraft oppkalt etter Coriolis, mannen som først beskrev denne kraften. Anta at en globus roterer mot øst, med konstant rotasjonshastighet. Sett nå at en elv renner rett nordover fra ekvator.

Figur 1.20 Globus i rotasjon mot øst

Ved ekvator har vannet stor hastighet mot øst på grunn av jordrotasjonen og fordi jordas radius er størst ved ekvator. Lenger nord har elven mindre hastighet østover, fordi jordas radius er mindre. Vannet blir imidlertid tvunget til å følge elveleiet. På vannet må det derfor virke krefter mot vest, som minsker hastigheten mot øst. Disse kreftene kan bare komme i stand ved at høyre elvebredd skyver sterkere på vannet enn venstre gjør. Motkreftene virker på elvebreddene. Det betyr at vannet presser mer i høyre enn i venstre bredd.

21

Eksempel Vind oppstår ved at luft strømmer fra høytrykk mot lavtrykk. Selv om lavtrykket ligger i nord, vil ikke lufta bevege seg rett nordover. Lufta sørfra har på grunn av jordrotasjonen, større has­ tighet mot øst enn lavtrykket lenger nord. Siden det ikke er noen kraft som kan skyve lufta mot vest, vil den begynne å bevege seg i en retning nordøst. Når lufta har beveget seg et stykke i denne retningen, kommer lavtrykket til å ligge i nordvestlig retning. Derfor vil luftstrømmen snu nordover, deretter nordvestover osv. På denne måten får vindretningene rundt et lavtrykk den karakteristiske bueformen. Eksempel I forsvaret må man ta hensyn til corioliskraften når man beregner prosjektilbanen for langtrekkende kanoner. Prosjektilet treffer noe til høyre for det man sikter på. Sett fra jorda virker det som om en kraft trekker prosjektilet mot høyre.

Anvendelse i industriell måleteknikk Corioliskraften utnyttes i massestrømningsmålere, som gjennomgås i kapitlet om gjennom­ strømning.

Figur 1.221 massestrømningsmålere utnyttes corioliskraften for å måle gjennomstrømning

22

Friksjon Glidende friksjon opptrer i mekaniske instrumenter og ventiler. Ved praktiske forsøk kan en påvise følgende lovmessigheter: 1 På et legeme som beveger seg i forhold til underlaget, virker friksjonen R mot bevegelses­ retningen.

Figur 1.23 glidefriksjon

2 Når et legeme glir mot et annet, er friksjonen R tilnærmet uavhengig av farten.

Figur 1.24 v, > v2 og R] = R

3 Friksjonen er tilnærmet uavhengig av størrelsen på berøringsflatene mellom legemene.

mi

A1

Figur 1.25 Aj < A2 og m} = m2 ' Rj=R 4 Friksjonen er tilnærmet proporsjonal med den kraften som virker på flatene.

Figur 1.26 G] < G2 = > R, < R2 o

Arsak til friksjon Friksjonen mellom to legemer er avhengig av hvor ru berøringsflaten er.

Figur 1.27 Friksjon oppstår mellom ru flater

23 Sandpapir glir dårlig mot annet sandpapir. Årsaken til denne friksjonen er den kraften som skal til for å rive løs sandkorn for å holde bevegelsen ved like, se figur 1.27. Selv ved meget glatte og jevne overflater har vi friksjon. Friksjonen forårsakes her av krefter som virker mellom molekyler i det ene legemet og molekylene i underlaget. For superglatte overflater mellom to metaller er friksjonsfaktoren svært høy. Det forutsetter at overflatene er så plane og jevne at molekylene kommer i god kontakt med hverandre, selv om kraften som presser flatene sam­ men, er liten. Friksjonsfaktoren har altså en minsteverdi når berøringsflatene er nokså glatte og jevne. Men den øker både hvis flatene blir særdeles glatte, og hvis de blir altfor ru, se figur 1.28.

Figur 1.28 Grafisk framstilling av friksjon som funksjon av ruhet mellom flatene

I mekaniske måleinstrumenter er friksjon en viktig størrelse. Friksjonen er med på å bestemme måleinstrumentets nøyaktighet. I reguleringsventiler er friksjon også en viktig størrelse.

Statikk Kraftmoment En båt kan vi ro (dra) med den ene åra og skåte (dytte) med den andre. Båten vil dreie om en vertikal akse, men den flytter seg ikke. Vi legger en blyant på bordet, plasserer en finger i hver ende av en blyant som ligger på bor-

Ved å tilpasse kreftene riktig dreier blyanten om midtpunktet, men midtpunktet blir liggende i ro. I instrumenteringsteknikken benyttes stive vektstenger. De er da lagret slik at de kan dreie om et opplagringspunkt. Figur 1.30 viser prinsippet for en slik toarmet vektstang. K og F er krefter som virker på vektstangen.

24

Avstanden fra opplagringspunktet til kraftens angrepspunkt kaller vi kraftens arm. Kraften F virker på arm 115 kraften K virker på arm L. På figur 1.30 prøver kraften F å dreie vektarmen mot urviseren, mens K prøver å dreie den med urviseren. Vi har to mulige omdreiningsretninger, en positiv og en negativ. Hvis bevegelsen går mot urviseren, sier vi at omdreiningsretningen er positiv + (f). Går bevegelsen med urviseren, er den negativ - (|). Produktene F-l, og KL kalles kreftenes momenter regnet om opplagringspunktet.

Dersom vektarmen er i ro, har vi

Flj = Kl2

Likning 1.7

Betingelsen for rotasjonslikevekt kan formuleres slik:

Et legeme som kan dreie seg om en fast akse, vil ikke begynne å rotere dersom summen av alle kraftmomentene med hensyn på aksen er lik null.

I vårt eksempel med blyanten har vi da:

Fl1-Kl2 = 0 Oppgave Se figur 1.31 og utled en likning for kraften FB

Figur 1.31

Løsning Momentet om opplagringspunktet.

Venstre side: Ff ■ f- FM • f Høyre side: Fb • l2

25 Når vektarmen er i ro, har vi da:

Ff ' li - Fm ' Z; = Fb • l2 da har vi

Fb = t(Ff~Fm) Z2

Dette eksempelet er viktig for forståelsen av pneumatiske måleinstrumenter som benytter seg av kraftmomentprinsippet.

Oppgave På figur 1.31 er nå lj = 0,lm og 12 = 0,08m. FF = 0,0IN og FM = 0,008N. Beregn FB. Løsning

0 1

-3

Fb = 0^(0, 01 - 0, 008)= 0, 0025?/ = 2, 5 • 10 N

Mekanikk i væsker Innledning Volumet på figur 1.32 er fylt med plastkuler. Kulene klemmes sammen med et stempel. Kulene blir da presset slik at det oppstår krefter i alle retninger. Trykk i væsker oppstår på liknende måte. Væsken består av molekyler som glir mot hver­ andre som kulene i vårt eksempel.

Figur 1.32 Volum fylt med plastkuler

Trykk Et golvbelegg kan godt tåle tyngden av et skrivebord på 150 kilopond. Men det er ikke mange golvbelegg som ikke får merker av en stiletthæl som blir klemt mot golvet med en kraft på 70 kilopond (figur 1.33). Det er ikke kraften alene det kommer an på. Vi må også ta hensyn til det arealet kraften fordeler seg over. Det er denne størrelsen som kalles trykk. Vi definerer den slik:

Definisjon Trykket p = kraft pr. flate = kraft/flate

p - F/A

Likning 1.8

26

Figur 1.33 Eksempel Dersom jenta veier G = 70 kp og arealet under stiletthælen er 2 • 10sm2, blir trykket under den ene hælen

P = A

/l) • 9, dTV ^onnnnn»r/ 2 -------- —— = 34300000 N/m 20 • 10 m

Sett at tyngden til skrivebordet med alt utstyr er G = 150 kp. Skrivebordet står på fire bein, og tyngden er jevnt fordelt på de fire beina. Hvert bein har et areal på 3 • lO-4 m2. Trykket under hvert bein blir da

G/4 p = —

37, 5 ■ 9, 8 p = p() + pgh

Likning 1.10

Trykket oppover mot en horisontal flate er altså gitt ved denne likningen. Vi ser at trykket vokser med væskens tetthet og med dybden.

Oppgave Hva er væsketrykket, det vil si det hydrostatiske trykket, på en dybde h = 10 m når p = 1000 kg/m3 og atmosfæretrykket p0 = 100 000 N/m2 ? Løsning P = Po + pgh = 100000 + 1000 • 9, 8 • 10 = 198000V/m2

Eksempel glassrør med tverrsnitt a-b

væske med tetthet p

glassplate p = p0 + pgh p0 er atmosfæretrykk

Figur 1.36 Mot en horisontal flate virker det trykkrefter fra væsken Glassrøret på figur 1.36 er åpent i begge ender. Vi holder en tynn glassplate foran den ene enden, mens vi senker røret i vann. Når røret er kommet ned i vannet, blir glassplaten hen­ gende på røret og faller ikke av. Det skyldes at det virker trykkrefter oppover mot undersiden av glassplaten. Disse kreftene skyldes vanntrykket. Dersom vi fyller vann i glassrøret, vil glassplaten falle av når vannspeilet i røret har samme

29 nivå som vannspeilet utenfor. Da er trykket nedover på oversiden av platen blitt lik trykket oppover på undersiden av platen. Det betyr at kreftene som virker på oversiden og undersiden av platen, er blitt like store. Siden atmosfæretrykket virker på glassplatens over- og underside, blir trykket mot glassplaten: P = Pgh og kraften mot oversiden av flaten ab blir:

pab - pghab

pghab er det samme som tyngden av væskesøylen rett over flaten. Oppgave Anta at glassplaten i eksempelet er kvadratisk. Det vil si at a = b = 0,lm. Beregn trykket mot glassplaten når p0 = 100 000 N/m2, h = 10m og r = 1000 kg/m3. Løsning 3

2

p = pghab = 1000kg/m • 9, 8m/s~ • 10m • 0, Olm

2

= 980A

Oppgave La Pi og p2 være trykket mot to horisontale flater på dybdene hjOg h2 under en væskeoverflate. Av figur 1.37 har vi da Pi = Po + Pghi p2=Po+ Pgh2 Trykkforskjellen mellom de to horisontale flatene blir da

P2~Pi=Po + Pgh2-Po-Pgh2 P2- Pi = Pg(h2 - AJ

Likning 1.11

Figur 1.37 Trykket mot to horisontale flater, på forskjellige nivåer, er forskjellig

30 Anvendelse Vi kan finne væskens massetetthet ved å benytte følgende likning: ^2-Pi

P

Likning 1.12

g^2~h1)

Dersom Ah = h2-h] er kjent, og hvis vi måler Ap = p2 - p]? kan altså Ap brukes som et mål for væskens massetetthet. Oppgave Differansetrykket p2 - p, mot to horisontale flater måles til 3500 N/m2. Nivåforskjellen mellom flatene er h2 - h j = 0,3m. Beregn væskens tetthet. Løsning

Trykk mot vertikale og skrå flater

P Po

Figur 1.38 Mot en vertikal flate virker det et trykk p

Det kan vises at trykket p mot en vertikal flate er det samme som mot en horisontal flate på samme dybde h (figur 1.38). Det kan også vises at trykket mot en skrå flate på samme dybde h er det samme som mot en horisontal flate. Trykkene for alle tre flatene er gitt ved P = Pgh

31 Trykk langs nivåflater Figur 1.39 viser en væsketank med et horisontalt rør lukket i ene enden.

Figur 1.39 Trykket er likt på samme nivå h i væsken

Trykket i punkt 1 er pj = pgh

Ved praktiske målinger viser det seg at det hydrostatiske trykket i én og samme væske har samme verdi i alle punkter i samme horisontalplan. Trykket er ikke avhengig av formen på karet. Det er heller ikke noe krav at det skal være fri overflate rett over målestedet. Eksempel Trykket i en vannkran er bare bestemt av vannmagasinets høyde over krana (når vi ser bort fra friksjonstap).

Trykk i lukket beholder

Figur 1.40 Hydrostatisk trykk i lukket beholder

Trykket i punkt 2 på figur 1.40 er gitt ved

P2 = Po + Pgh2

Trykket i punkt 1 er gitt ved

Pi = Po + Phig

Forskjellen i trykk mellom punktene 1 og 2 i væsken er gitt ved

P2 - Pi = Pg(h2 - h,)

Likning 1.13

Anvendelse Dette prinsippet brukes til å måle nivået i lukkete tanker og for å måle tettheten til væske i tanken.

32

Oppdrift Dersom vi holder en stein ned i vann, merker vi at den blir lettere. Tyngden til steinen kan ikke ha endret seg. Altså må det virke en kraft oppover mot steinen. Denne kraften kalles opp­ drift. Oppdriften er summen av væskens trykkrefter mot steinen. Disse trykkreftene står vin­ kelrett på steinens overflate. Vi kan veie steinen og finne ut hvor mye lettere den blir. Det viser seg at oppdriften er lik tyngden av det væskevolumet som har like stort volum som metallstykket. Vekt

Metallstykke

Væske med tetthet p

Figur 1.41 Et legeme nedsenket i væske får en oppdrift

Definisjon - Arkimedes’ lov For et legeme som flyter på en væske, eller som er helt omsluttet av væsken, er oppdriften lik tyngden av det væskevolumet som legemet fortrenger.

Oppgave En stein har volumet 0,5 m3. Steinen senkes ned i vann. Volumet har tettheten 1000 kg/m3. Beregn steinens oppdrift.

Løsning Vi kaller steinens oppdrift O. O = V-p = 0, 5m ■ 10000kg/m

= 5000kg

Tilsynelatende vekt på stein under vann er 5000 kg.

Anvendelse Prinsippet på figur 1.41 brukes til nivåmåling av væske i beholdere.

Trykk i gasser I gasser opptrer trykk på samme måte som i væsker. Mennesker som bor ved havflaten, er utsatt for større trykk enn dem som bor 4000 m over havet.

Barometer - Torricellis forsøk Et glassrør med lengden 1 m er lukket i den ene enden og blir deretter fylt med kvikksølv. Vi tetter for den åpne enden mens vi snur røret og stikker det ned i en åpen kvikksølvbeholder. En del av kvikksølvet i røret renner ut i beholderen inntil overflaten i røret har høyden h « 0,76 m over den frie kvikksølvoverflaten i beholderen, figur 1.42.

33

Figur 1.42 Torricellis forsøk La oss undersøke likevektsbetingelsen til forsøket. Betrakt den delen av kvikksølvet inne i røret som ligger over den frie overflaten utenfor. Arealet til røret er A. Kvikksølvets tetthet er p. Atmosfæretrykket er p0. På oversiden av kvikksølvet inne i røret er det lufttomt. De kreftene som virker på den avgrensete kvikksølvsøylen, er derfor bare G = pghA og kraften F = pf}A mot den underste grenseflaten. Disse kreftene er like, men de har motsatt fortegn. Av figur 1.42 kan vi da skrive pghA = prjA

Areal A kan forkortes. Da får vi

Likning 1.13

Po = Pgh

Lufttrykket mot den ytre kvikksølvoverflaten er altså lik trykket i samme nivå inne i røret. Trykket her er p0 = pgh.

Da er lufttrykket gitt ved p0 = pgh. Torricellis instrument kalles kvikksølvbarometer.

Generelt kan vi si at kraften som lufttrykket øver mot en plan, horisontal flate, må være lik tyngden av all luft rett over flaten. Tar vi med oss barometeret på toppen av Eiffeltårnet, vil lufttrykket avta. Da må høyden av kvikksølvsøylen også avta, se figur 1.43. Po2

Figur 1.43 Lufttykket er lavere på toppen av Eiffeltårnet enn ved bakkenivå

34 Kvikksølvets massetetthet er 13,6 kg/m3, altså 13,6 ganger større enn vannets massetetthet, som er 1,00 • 103 kg/m3. I et vannbarometer vil derfor vannsøylen nå en høyde som er 13,6 ganger større enn kvikksølvhøyden i et kvikksølvbarometer. Til kvikksølvhøyden h = 0,76 m svarer vannhøyden hv = 10,3 m.

Anmerkning I mer praktisk utforming har man i lengre tid benyttet kvikksølvbarometre til trykkmåling, men i dag er det forbudt å bruke kvikksølvbarometre i faste installasjoner på grunn av fare for forgiftning.

Strømmende væsker og gasser Strømningstyper I 1883 påviste Reynolds eksperimentelt forskjellige strømningstyper ved å tilsette fargestoff i en gjennomsiktig rørledning med vann. To strømningstyper ble påvist:

• Laminær strømning • Turbulent strømning I laminær strømning forble fargen parallell til strømningsaksen uavhengig av hvor i rørlednin­ gen fargestoffet ble sprøytet inn, se figur 1.44.

Figur 1.44 Reynolds’ eksperiment med turbulent og laminær strømning

I turbulent strømning ble fargestoffet blandet med hele arealet på grunn av virvler i røret. Hvilken strømningstype man har, avhenger av flere forhold, som strømningsmengde q, rør­ diameter D, massetetthet p og viskositet. Viskositet er væskens seighet/flyteevne. Dette gjen­ nomgås senere i dette kapitlet. I en strømmende gass eller væske kunne man tenke seg å måle trykket ved å la måleinstru­ mentet følge med i strømningen. Da ville man finne samme trykk uansett hvilken posisjon måleinstrumentet har i gassen. Men hvis måleinstrumentet står i ro mens gassen strømmer forbi, kan en få forskjellige verdier etter som det er trykket foran, bak eller på siden av målein­ strumentet som blir registrert.

35 Luftstrømningen rundt en bil i stor fart er svært innviklet. Vi får såkalt turbulent strømning med virvler og bakevjer. Da er trykket størst ved forsiden, og trykket blir svakt bak bilen. Dette gir stor luftmotstand. Dersom bilen er strømlinjeformet og går forholdsvis langsomt, blir ikke strømningen turbulent. Da er trykkene foran og bak omtrent like store. Da har vi bare friksjonsmotstand.

Stor strømningsmotstand

Figur 1.45

Strømning i rør Vi skal gjøre et forsøk med strømning av luft i rør. Vi blåser luft gjennom den tykke slangen som er vist på figur 1.46. Det blåses med slik kraft at det ikke oppstår virvler. I slangen er det laget to hull. De to endene av en halv meter lang tynn plastslange stikker vi inn gjennom hul­ lene i slangen.

Figur 1.46 Strømning gjennom en strupning i rør De to endene av måleslangen stikker så vidt inn i den tykke slangen, og åpningene står vinkel­ rett på strømningsretningen i samme høyde i røret (slangen). Vi klemmer på den tykke slangen slik at det blir en innsnevring rundt den ene av åpningene på måleslangen. Vi blåser i den tykke slangen. Det viser seg da at trykket, p1; er minst i innsnevringen.

Anvendelse Dette er en meget viktig oppdagelse, som benyttes til å måle gjennomstrømningen av gasser og væsker i rør. Vi skal se litt nærmere på fysikken bak denne oppdagelsen.

Bernoullis likning for strømmende væsker og gasser i rør/kanaler Et av de hovedprinsipper som har med strømningslæren å gjøre, ble oppdaget av Bernoulli. Hans prinsipp kan kort sammenfattes slik: Når en væske (gass) er i bevegelse, vil trykket i den øke hvis hastigheten avtar, og minske hvis hastigheten tiltar.

Figur 1.47 illustrerer dette prinsippet.

36

Figur 1.47 Når hastigheten avtar, øker trykket p, og omvendt

Alle væsker i bevegelse omfattes av fire former for energi: • Kinetisk energi (eller hastighet), for eksempel vannstrålen ut av et rør • Statisk energi (eller trykk), for eksempel trykk mot rørvegg • Varme, for eksempel friksjonsvarme Det totale energiinnholdet som væsken i bevegelse har, er til enhver tid lik summen av disse energiformene. Fordi energi verken kan skapes eller forsvinne, er det mulig å utnytte dette til å omsette en av de nevnte energiformene til en annen.

• Pumper overfører sin mekaniske energi til hastighet eller trykk. • Ved fylling av en tank overføres trykkenergi først til hastighetsenergi og så til statisk energi. • Statisk energi kan altså være høydeenergi.

Bernoulli utformet sitt prinsipp med følgende likning når volumet V er satt lik 1:

Pl + Pl y + /ijgp, = p2 + p2

v2

+ h2gp2 + Ap

Likning 1.14

p = statisk trykk fra pumpe v = mediets hastighet h = høyde g = tyngdens akselerasjon Ap = trykktap grunnet friksjon

Eksempel Av figur 1.48 ser vi at væskenivået i tank A og i røret mellom tankene A og B er det samme når trykket i de to tankene er likt.

Figur 1.48

37 Dersom trykket i tank A økes fra 2 bar til 2,1 bar, kan vi ved hjelp av Bernoullis likning beregne nivåforskjellen mellom væskesøylene. Når nivåene i de to tankene og røret er i ro, er den dynamiske energien i væsken lik null.

=0

g rundes av til 10 m/s2 pA = p£ = 1000 kg/m3

pA = 200 000 N/m2 pB = 210 000 N/m2 PA+hAgp = pB+hBgp

(210000- 200000 )N/m

B —

\ —

-5

AOOOkg/rn • 10m/s

7

_ —

m

Oppgave Beregn hastigheten, vB, til væsken som strømmer ut av beholderen på figur 1.49

g avrundes til 10 m/s2 PA = 0

pB « 0 ytterst i rørets utløp. Det vil si at all potensiell (statisk) energi er omvandlet til hastighetsenergi (kinetisk energi) vA « 0 når A2 » A2 Anta at trykktapene = 0.

Figur 1.49 viser væske som strømmer ut av en beholder

38 Løsning 2

2

SB

pA + Py + I!aSP = pB + P— + hB'8P

2

Vp hAS = y

=>vB = J2 ■ /i4 ■ ~g = V2 • 1 • 10 = 4, 5m/s

Oppgave En væske strømmer gjennom et rør, som vist på figur 1.50. Beregn trykket p2 når P] = 0,1 bar V] - 2 m/s og v2 = 1 m/s Pi - P2 - 1000 kg/m3 Høydeenergien er lik null siden røret ligger horisontalt. Friksjonen settes lik null.

Figur 1.50 Strømning i rør med varierende tverrsnitt

Bernoullis likning kan da forenkles til V J

|/2

P\ + Py = p2 + py V]

l/2

=> p2 = p} + p--py 1000 2 2 2 = 10000 + —-(2 -1 ) = 11500/V/m

Viskositet Viskositet er en egenskap hos en væske eller gass som virker mot enhver tendens til strømning. Denne motstanden er ulik fra væske til væske. En dråpe bensin vil for eksempel renne raskere nedover en skrå plate enn en dråpe tung olje. En asfaltklump vil ikke renne. Denne motstanden mot bevegelse kalles viskositet. Fordi viskositeten prøver å motvirke bevegelsen i væsker, vil den ha betydning for ytelsen til pumper, for nøyaktigheten til gjennomstrømningsmålere og for trykkfall i rør og i gjennomstrømningsmålere. Viskositeten for væsker avtar med økende tem­ peratur.

39 For gasser er det motsatt. Viskositeten til mediet har stor betydning for valg av måleutstyr, spesielt for måling i væsker. For de fleste måletyper vil viskositeten innvirke på måleresultatet. Viskositeten har Sl-enheten poise (P). 1 P = 1 N-s/m2.

Reynolds’ tall Man kan forutsi hvilken strømningstype som finnes i et rør ved å beregne Reynolds’ tall for den strømmende væsken/gassen i et tverrsnitt av røret. Reynolds’ tall er et dimensjonsløst tall. I likningen for Reynolds’ tall inngår de fysiske forhold som er med på å bestemme strømningsbildet. Reynolds’ tall (Re) kan beregnes med likningen Re = -—— p = væskens massetetthet v = lineær væskehastighet D = strømningskanalens (rørets) diameter u - væskens viskositet

Eksempel Beregn Reynolds’ tall for: 10 m3/h vann Rørdiameter D = 25 mm Massetetthet p = 1000 kg/m3 Viskositet /z = 0,001 Pa s

Likning 1.15

40

Figur 1.52 Viskositet for noen gasser (Baumeister 1978) Løsning Rørets areal er gitt ved A = ji r12. Da får vi:

10 tt • u 3600 , Hastigheten v = ---------------- —- = (5, 66)m/s 7t(i2,5 • io~3r 1000 • 5, 66 • 0, 025 = 141500 0, 001

Oppgave Beregn Reynolds’ tall for: 5000 m3/h luft. Rørdiameter D = 250 mm Massetetthet p = 1,16 kg/m3 Viskositet a = 0,00002 P Løsning

Hastigheten v =

500 3600

7i(0, 125)

Re =■

2

(2, 83)m/s

1, 16 • 2, 83 • 0, 25 = 41035 0, 00002

Med Re mindre enn 2000-4000 er strømningen laminær. Med Re større enn 10 000 er strøm­ ningen turbulent. Om Re er mellom 4000 og 10 000, kan strømningen variere fra turbulent til laminær. I begge våre regneeksempler har vi turbulent strømning. Ved turbulent strømning er væsken/gassen under stadig omrøring. Temperaturendringer rett

41 over rørtverrsnittet blir små i turbulente strømninger. Blandingen av stoffene i røret blir også god. På den annen side blir trykktapene ved turbulent strømning høyere enn ved laminær strømning. Turbulent og laminær strømning har vi bare når det er aggregattilstand i røret. Det vil si enten gass eller væske, ikke begge deler. Når vi bare har én aggregattilstand, kalles det også enfasestrømning.

Tofasestrømning (to aggregattilstander) Med tofasestrømning menes at gass og væsker strømmer gjennom et rør samtidig. Vurder­ inger av tofasestrømning er viktig når en skal beregne trykktap og varmeoverføring i rørsystemer. Egenskapene til to medier i tofasestrømning er avhengig av om strømningen er turbulent eller laminær. Alt etter mengdefordelingen mellom væske og gass vil strømningsbildet kunne anta forskjellige former. Figurene 1.53 og 1.54 viser eksempler på tofasestrømninger. Tofasestrømning kan også forårsake en rekke driftsproblemer i en produksjonsprosess. Typ­ iske eksempler er: • Måleproblemer • Varierende trykkfall • Varierende varmeoverføring i varme vekslere på grunn av proppstrømning • Vibrasjoner i produksjonsutstyret Når røret er montert horisontalt, har vi horisontal tofasestrømning. Når røret er montert ver­ tikalt, har vi vertikal tofasestrømning. f

Gass

1 Lagvis strømning

Væske

Bølgestrømning

Tåkestrømning

Figur 1.53 Horisontal tofasestrømning

Figur 1.54 Vertikal tofasestrømning

Overgang propp-/filmstrømning

42 Trykkfall ved strømning Rørdimensjonen er en viktig faktor når det gjelder trykkfall i rør og produksjonsutstyr. For en gitt gjennomstrømning øker trykkfallet kraftig med avtagende rørdiameter på grunn av frik­ sjon. Ved samme hastighet er trykkfallet gjennom et 3" rør om lag 30 ganger større enn gjen­ nom et 6" rør. Beregninger viser at selv om det er billigere å bygge anlegget med 3" rør, så blir totalkostnadene større. Årsaken til det er at pumpene må være større for å kompensere for trykktapene. En total økonomisk vurdering av alle slike faktorer ligger derfor til grunn ved konstruksjonen av prosessanlegg. Tabell 1.4 viser trykkfallet ved pumping av vann gjennom rør av ulik dimensjon.

Gjennomstrømning (m3/time)

50 75 100

2" rør

4" rør

6" rør

7,3 12,9 21,5

0,3 0,5 0,9

0,4 0,7 0,12

Tabell 1.4 Trykkfall (bar) i 100 m rør ved pumping av vann

Graden av ruhet på innsiden av rørveggen påvirker trykkfallet i røret. Gamle, rustne rør gir mer motstand mot strømning enn nye rør. De vil derfor føre til større trykktap. Trykkfallet øker dessuten med rørlengden, og selvfølgelig vil mange ventiler, forgreininger og bend gi trykktap. Trykktapet fra ulike armaturer og instrumenter kan beregnes forholdsvis nøyaktig og kan derfor regnes med under konstruksjonen av et anlegg.

Nomogram for bestemmelse av friksjonstap i plastrør og jernrør Eksempel på bruk av nomogrammet (se skjema på neste side) Bestem den rørdimensjonen du vil ha på sugesiden, for eksempel fra kilden og opp til pumpen. I dette eksempelet regner vi med 1" (25 mm) indre diameter på plastrøret. Finn dette punktet på den venstre, loddrette skalaen med overskriften «Rørledningens indre diameter». Anta at gjennomstrømningen skal være 20 liter i minuttet. Finn dette punktet på den andre loddrette skalaen fra venstre med overskriften «Vannmengde». Nå trekker du en linje fra punktet til venstre over til den neste skalaen og videre mot høyre. Da ser du at linjen treffer skalaen lengst til høyre, på et punkt som viser at du får 2,5 mvs frik­ sjonstap for hver 100 m rør. Det gjelder da for rør med innvendig diameter 25 mm og gjen­ nomstrømning 20 liter i minuttet. Samme framgangsmåte bruker du for å finne friksjonstapet på trykksiden.

43 Nomogram for bestemmelse av friksjbnstap i polyetylenrør og jernrør

Oppgave I et jernrør med diameter 116" er rustbelegget 1 mm. Tegn en graf i et koordinatsystem som viser friksjonstapene pr. 100 m rørledning når væskemengden kan variere fra 0 m3/h til 18 m3/h. For løsning av oppgaven brukes nomogrammet. Løsning Vi velger noen punkter mellom 0 og 18 m3/h, for eksempel 1, 2, 3, 4, 8, 12, 16 og 18 m3/h. Regn om til 1/s. 18m

3

18000/ = 5l/s 3600

Friksjonstapene tas ut av nomogrammet og plottes i koordinatsystemet.

44

Nomogrammene er viktige for å forstå hvilke følger det har å velge det ene eller det andre måleelementet i strømningsmåling.

Bølger Eksempel på bølger er: • Radiobølger • Lysbølger • Lydbølger Alle bølger har det til felles at de flytter på seg. Det dreier seg med andre ord om en forandring som brer seg. Bølger som de ovenfor kan ikke sees, men prinsippene for hvordan forandringer (bølger) brer seg i lys og lyd, kan vises ved at vi lager bølger langs et tau.

Bølger langs et tau Den ene enden av et tau er festet i veggen, og i den andre enden holder vi. Når vi beveger den frie enden, ser vi at en bølge forplantes langs tauet. Figur 1.56 viser øyeblikksbilder av bølger langs tauet. Den venstre enden svinges opp og ned

Figur 1.56

45 med konstant frekvens og amplitude. Når vi har gjennomført den første hele perioden, har tauet den formen figur A viser. Etter to perioder har tauet den formen som vises på figur B. Bølgemønsteret vil gjenta seg så lenge tauet svinges opp og ned.

Overlagring På figur 1.56 viste vi en bølgebevegelse i den ene enden av tauet. Vi skal nå lage bølgebevegelser i begge ender av tauet. Da vil bølgebevegelsen forplante seg i begge retninger fra de to utgangspunktene. Figur 1.57 viser to bølger som beveger seg mot hverandre og overlagres, figur D. Når de overlagres, blir utslaget større. Bølgene løper gjennom hverandre og fortsetter uten at form og hastighet endres. Dette er en viktig egenskap. Vi kjenner overlagring i forbindelse med lydbølger. Lydbølger som brer seg mot hverandre, passerer hverandre, men blir ikke deformert. Det er det samme som skjer for bølger i vann.

Figur 1.57 Bølger som overlagres

Refleksjon og transmisjon Hva skjer når bølgen kommer fram til festepunktet? Anta at vi har festet et tykt tau til et tynt tau, figur 1.58. En bølge løper langs det tykke tauet. Ved skjøten blir noe av bølgen reflektert. Den andre delen av bølgen fortsetter langs det tynne tauet. Alle typer av bølger kan gi refleksjon der hvor bølgene treffer et annet stoff enn det de går i. Ofte får vi delvis refleksjon og delvis overføring til stoffet på den andre siden av grense­ overgangen. En slik delvis refleksjon og delvis transmisjon (overføring) er vanlig for lydbølger. I et rom vil veggen reflektere mesteparten av lyden. Deler av lydbølgen går inn i veggen, og noe av denne lydbølgen vil komme ut i andre rom. Har veggen stor masse, blir mesteparten av lyden reflektert. En slik vegg hindrer derfor gjennomgang av lyd fra naborommet. Tilsvarende kan vi få dempning av elektriske signaler dersom vi skjøter koaksialkabler feil.

46

Figur 1.58 Delvis refleksjon av en bølge

Svingninger Ordet svingning bruker vi i dagligtale om en bevegelse som gjentar seg med visse tidsinter­ valler. Pendelen i et ur svinger. Stempelbevegelsen i en maskin er også i svingninger. Figur 1.59 viser en såkalt elastisk pendel laget av en spiralfjær og et lodd.

Figur 1.59

Tyngdekraften vil virke på loddet slik at fjæra blir strukket til likevektsstilling. Omkring denne likevektsstillingen vil loddet utføre svingebevegelser dersom loddet påvirkes av en kraft, F. En skriver monteres inntil loddet. Papiret på skriveren trekkes langs tidsaksen med konstant fart. En penn montert på loddet tegner utslaget til svingningene på papiret. Ved hjelp av dette arrangementet kan vi studere noen svingeformer og formulere noen regler.

47 Dempete svingninger Anta at vi trekker loddet ned noen centimeter før loddet slippes. Loddet vil nå svinge om likevektspunktet med avtagende amplitude. Vi sier at pendelen utfører dempete svingninger. Det viser seg at svingetiden, T, er konstant, men utslagene blir svakere og svakere. Pendelen svinger nå med sin egenfrekvens. Egenfrekvensen er bestemt av loddets masse og stivheten til fjæra.

Regel: Alle legemer har en egenfrekvens.

Resonans Den elastiske pendelen tilføres en ytre kraft, F, i takt med pendelens egenfrekvens, se figur 1.61. Pendelen vil nå svinge med konstant amplitude og frekvens. Dette kalles resonans. Frekvensen er gitt ved likningen

f - frekvens Hz T = periodetider (s)

Figur 1.61 Pendelen settes i resonans ved å tilføre loddet en ytre kraft i takt med systemets egenfrekvens Utslag

Tid (t)

Figur 1.62 Harmonisk svingning

48 Resonans er kjent fra maskiner som står på gummiklosser eller annet fjærende underlag. Mask­ inen svarer til loddet, og gummiklossene til fjæra. Dersom en tilfører maskinen en kraft uten­ fra, vil den svinge med sin egenfrekvens. Egenfrekvensen er bestemt av maskinens masse og gummiklossenes fjærstivhet. Anta at maskinen er utstyrt med roterende deler som ikke er nøyaktig sentrert. Det fører til at maskinen kommer til å svinge med frekvensen for de roter­ ende delene. Dersom denne svingefrekvensen faller sammen med maskinens egenfrekvens, vil maskinen svinge opp i store amplituder. Dette kaller vi resonans. Det blir resonans når frekven­ sen for en ytre påvirkning faller sammen med egenfrekvensen i et system. Vi kaller derfor ofte egenfrekvensen for resonansfrekvensen.

Anvendelse Resonansbegrepet er meget viktig for måle- og reguleringsteknikken. Teorien om dempete svingninger og resonans skal derfor anvendes i reguleringsteknikk og i industriell måleteknikk. Teorien er viktig for å forstå enkeltinstrumenter, omformere og stabilitet i reguleringssløyfer.

Bøyning av bølger Lyden fra et musikkorps høres annerledes for en som står bak en bygning, enn for en som står foran korpset. Han som står foran korpset, hører alle tonene i riktig styrkeforhold. Han som står bak bygningen, hører de lave frekvensene fra stortromma best. De lave frekvensene kan bøyes av rundt hushjørnet. Lyden fra trompetene kommer bare delvis rundt hjørnet. På tilsvarende måte kan vi merke at dersom vi sitter i stråleretningen fra en høyttaler, hører vi godt, men hvis vi sitter ut på siden, vil ikke diskanten nå oss med samme styrke som bassen. Når bølger treffer hindringer, vil måten de brer seg på, være avhengig av bølgelengden og av dimensjonen til hindringene. I høyfrekvensteknikken vil de desimeterlange fjernsynsbølgene nå mottakerantennen best når det er synslinje fra sender til mottaker. Disse bølgene kommer ikke ned i dalsøkk. Vi skal først gjennomgå noen eksempler fra hverdagen, bølger i vann og med tau. Denne teo­ rien kan overføres til de mer abstrakte bølgene, lysbølger og radio/TV-bølger.

Bøyning Figur 1.63 viser en stokk som blir vippet opp og ned slik at det danner seg rettlinjete bølger.

Figur 1.63 Bølger bøyes av når de passerer en åpning Bølgene brer seg mot en mur. I muren er det en åpning. Bølgene som er kommet gjennom åpningen, krummer seg ut til sidene. Kantene i åpningen danner ikke «skygger», spesielt ikke på figur 1.63 c. Forsøket viser at avtagende åpning øker bølgeavbrytningen. Praktiske forsøk viser at det er et forhold mellom åpningsbredden D og bølgelengden X. Når D/Å, >> 1, blir bøyningen liten.

49 Eksempel på bøyning av lysbølger Lys er også bølger. Lysbølger vil derfor bøye av når de passerer en smal spalte. For å oppnå bøyning av lysbølger når de passerer en spalte, må spalteåpningen bare være brøkdeler av en millimeter. Det skyldes at bølgelengden til lysbølger er svært liten. Forsøk viser at bølge­ lengden til synlig lys er mindre enn en tusendels millimeter. Det er avbøyning av lysbølgene som er årsaken til refleksjon, brytning og fargespredning av lys.

Interferens Interferens av vannbølger To lodd er festet til en stav. Loddene vippes opp og ned i vannet. To sirkulære bølgetog brer seg utover fra de to sentrene. Bølgetogene møter hverandre og overlagres. Vi sier at bølgene interfererer med hverandre. Resultatet viser at i noen retninger får vi bølgebevegelser med store amplituder, mens vi i andre retninger ikke får noen bølgebevegelse. Dette forklares med at i punkter der bølgene fra de to sentrene møter hverandre, får vi utslag som er lik summen av de utslagene enkeltbølgene ville hatt om de opptrådte alene.

Interferens av lysbølger Anta at vi har to parallelle, gjennomsiktige spalter i en film. Spaltene er så smale at vi får bøyn­ ing av lyset som går gjennom dem. De to spaltene er plassert så nær hverandre at vi kan se gjennom begge to på en gang med ett øye. Vi holder dobbeltspalten helt inn til øyet og ser mot en langstrakt lyskilde noen meter unna. Lyskildens lengderetning skal være parallell med spaltelengden. Vi ser nå flere omtrent like sterke bilder av lyskilden ved siden av hverandre. Det skyldes at vi ser resultanten av de to bøyde bølgene. Bølgene fra de to spaltene interfererer med hverandre. Dette fenomenet kalles interferens. Interferensen danner flere bilder. Eksempel Vi bruker igjen tau for å illustrere hvordan forskjellige bølgebevegelser dannes i lys.

50

Polarisasjon Eksempel med bølger langs et tau Et tau er festet i den ene enden. Dersom vi holder i den løse enden og beveger armen opp og ned, får vi en bølge som forplanter seg langs tauet, se figur 1.65.

Tauet svinges opp og ned

Figur 1.65 Polarisasjon i vertikalplanet Vi sier at bølgen er polarisert i vertikalplanet. På figur 1.66 svinger vi tauet fram og tilbake i horisontalplanet.

Figur 1.66 Polarisasjon i horisontalplanet

Dette gir bølger bare i horisontalplanet. Denne bølgen er nå polarisert i horisontalplanet. Figur 1.67 viser en upolarisert bølge. Den upolariserte bølgen framkommer når vi svinger tauet i sir-

Vi skjærer en smal spalte i en plate og trær den på tauet. Figur 1.68 viser at dersom spalten er

51 vinkelrett på polarisasjonsplanet, så stopper den bølgen. Er derimot spalten parallell med polarisasjonsplanet, så slipper bølgen uhindret gjennom.

Figur 1.68

Polariserte lysbølger Lysbølger er elektriske felt som brer seg utover. Samtidig varierer feltet i styrke, slik som utslagene, amplitudene, på tauet. Lys er av natur ikke polarisert. Det betyr at feltstyrken varierer usymmetrisk og i alle retnin­ ger. I et planpolarisert lysfilter slipper bare lysbølger gjennom som er orientert i horisontalplanet, figur 1.69. Det kan ikke øyet oppdage, for på øyet synes lyset å være likt, enten feltstyrken er vannrett, loddrett eller på skrå. Vi kan sammenlikne filteret på figur 1.69 med platen på tauet på figur 1.68.

Figur 1.69 Planpolarisert lysfilter

Polarisasj onsfilter Når upolarisert lys passerer et polarisasjonsfilter, blir halvparten av lysenergien absorbert i fil­ teret, mens det lyset som slipper gjennom, er planpolarisert. Noen krystaller har en slik oppbygning at de absorberer lys som har den elektriske feltstyrken i en bestemt retning. Et polarisasjonsfilter består av en mengde små krystaller av denne typen. I spesielle prosesser blir alle krystallene innstilt i samme retning og støpt inn i en gjennomsik­ tig plastmasse.

52 Anvendelse I industrien ønsker man ofte å måle synlig lys, infrarødt (IR) lys og ultrafiolett (UV) lys. I disse instrumentene benyttes lysfiltre, og teorien om bølgers avbøyning og interferens.

Lysspektrum Hvitt lys består av fiolett, blått, grønt, gult, oransje og rødt lys. Disse ensfargete lysene er elekt­ romagnetiske svingninger med forskjellige bølgelengder. Tabell 1.5 viser sammenhengen mellom bølgelengder og betegnelsen for lys. k(nm)

Betegnelse

200 ultrafiolett lys

300 370

fiolett

455

blått

492

grønt

577

gult

597

oransje

622

rødt

synlig lys

770

1500

infrarødt lys

6000 40 000

Tabell 1.5 Bølgelengder for lys

Målenheter De viktigste tekniske målenhetene for lys er: Lysfluks: Den totale effekten fra en lyskilde

Lysstyrke: Grunnenheten for lys er lysstyrken målt i candela. Lysstyrken i horisontal retning fra et vanlig stearinlys er omkring 1 cd, derav enhetens navn. (Candela er det latinske ordet for stearin/vokslys.)

Belysningsstyrke: Angir hvor mye lys som faller på en flate. Måles i lumen/m2. I tillegg finnes målenheter spesielt for belysningsformål hvor øyets følsomhet også inngår.

53

Absorpsjon, refleksjon og transmisjon Stoffet Hvitt papir eller snø reflekterer mye av strålingen som treffer det. Blankpolert sølv og alumin­ ium reflekterer mer. Polert sølv og aluminium kan reflektere mer enn 99 % av lyset. Når lys kommer fra luft og treffer et legeme, kan det bli absorbert, reflektert eller transmittert. Det lyset som ikke blir reflektert, trenger inn i stoffet. Noe av dette lyset går kanskje tvers gjen­ nom, da sier vi at det blir transmittert. Noe av lyset kommer ikke ut igjen, det blir absorbert. Når lys faller vinkelrett inn mot glass, blir omtrent 4 % reflektert, meget lite blir absorbert. Mesteparten av lyset trenger gjennom glasset. Når lysstrålene faller på skrå inn mot glasset, blir mye av lyset reflektert.

Refleksjon En lysstråle, som på figur 1.70, kommer fra et gjennomsiktig stoff A inn mot et annet gjen­ nomsiktig stoff B og treffer grenseflaten i punktet P.

Figur 1.70 Refleksjon

Innfallsloddet I er den rette linjen gjennom P vinkelrett på grenseflaten. Innfallsvinkelen er vinkelen mellom innfallsloddet I og S. Noe av lyset blir reflektert. Refleksjonsvinkelen a er vinkelen mellom I og R. Praktiske forsøk viser at O = ot.

Brytning Noe av lyset i den innfallende strålen S går inn i stoff B. Da får strålen ny retning. Det er det som kalles brytning. Brytningsvinkelen er vinkelen mellom innfallsloddet I og den brutte strålen B.

Totalrefleksjon Når en lysstråle treffer grenseflaten mot et stoff med liten tetthet under en innfallsvinkel som er større enn den såkalte kritiske vinkelen, blir all energi i strålen reflektert. Dette fenomenet kalles totalrefleksjon.

Anvendelse Teorien om absorpsjon, refleksjon og transmisjon anvendes i instrumenter for måling av gasskonsentrasjon og vannforurensning.

54

Lyd I en oppblåst ballong, figur 1.71, er det luft med høyere trykk enn atmosfæretrykket utenfor.

p-i - trykket i ballongen pat = atmosfæretrykket som virker på ballongen Pl > Pat

Figur 1.71 Vi stikker hull på ballongen slik at den eksploderer. Da får lufta plass til å utvide seg. Lufta som ligger nærmest utsiden av ballongen, blir presset utover, og denne lufta presser på det neste laget av luft, osv. Det oppstår da en trykkbølge rundt ballongen. Trykkbølgen brer seg med økende radius. Hastigheten er omtrent c = 340 m/s. En slik hurtig forandring av atmo­ sfæretrykket virker på hørselen. Figur 1.72 viser ørets oppbygning. Trommehinna i øret blir satt i bevegelse, og vi registrerer dette som lyd. Trykkbølgen er altså en lydbølge. Ytre øre

Mellomøre

Når en stryker buen over strengene på en fiolin, kommer hele instrumentet i svingninger og lager bølger som brer seg utover. Fiolinen svinger kanskje noen hundre ganger i sekundet. Like hurtig skifter da også lufttrykket rundt fiolinen. Dette lufttrykket registrerer øret som lyd. Et harmonisk bølgetog hører vi som toner.

Figur 1.73

55 Hørsel Trykket i lydbølgen blir overført til ørevæsken i det indre øret via det ytre øret og mellomøret, se figur 1.74. Hammeren

Ambolten Stigbøylen

Det ovale vinduet --------------Det runde vinduet

Trommehinna Bueganger Øretuben

Sneglehuset Hørsels- og balansenerven

Figur 1.74 Ørets oppbygning. Detalj av figur 1.72

Trykkbølgene virker her på nerveceller, og energien i bølgene går med til å lage elektriske sig­ naler som ledes gjennom nervene til høresentret i hjernen. De nervecellene som reagerer på høye frekvenser, er mest ømfintlige, og de blir slitte eller ufølsomme med alderen. Sterk lyd kan være skadelig for hørselen, særlig for de følsomme diskantcellene. Ett enkelt skudd eller knall, eller ett slag mot øret, kan føre til nedsatt hørsel. Arbeider man med mye støy, bør man derfor benytte hørselsvern. Menneskets hørsel er mest følsom i frekvensområdet fra 1000 Hz til 5000 Hz, der de såkalte diskanttonene ligger. I dette frekvensområdet er det svært små variasjoner i det lufttrykket som vi oppfatter som lyd. De avvekslende undertrykk og overtrykk i lydbølgen trenger bare være ca. 10'9atm. De dypeste basstonene vi kan oppfatte, har en frekvens på omkring 20 Hz. Det krever derimot at trykkvariasjonene er omtrent tusen ganger sterkere enn i diskanttonene.

Effekt Lydbølger som brer seg, er transportert energi. En lydkilde som avgir en konstant lyd, leverer en konstant energi. Da er effekten P også konstant. Den kan for eksempel være 300 mW fra en trompet eller 6W fra en basun. Effekten fra en menneskestemme kan gå opp i omkring 1 mW.

Lydintensitet og desibelskalaen (dB-skalaen) Intensiteten i de svakeste lydene vi kan høre, er omtrent Zo = 10

-12

W/m

2

Io kalles høreterskelen.

I tabell 1.6 vises intensiteten for noen lyder målt i forhold til høreterskelen Io. I kolonnen for lydintensitet har vi bare skrevet Io ganger hele potenser av 10. Det viser seg at øret oppfatter

56 hvert trinn i en potensrekke som omtrent like store. For øret virker det som om forskjellen mel­ lom lydintensiteten Io og 10 Io er den samme som mellom 10 Io og 100 Io - 100 Io og 1000 Io osv. Derfor kan vi bruke eksponentene i en potensrekke som trinn i en skala for relative lydintensiteter. Denne lydintensiteten er som oftest målt i forhold til høreterskelen. Tabellen kalles desibelskalaen. Enheten heter bel og har symbolet B. Når vi sier at lydintensiteten er 3 B over høreterskelen, betyr det at 1 = /0 • 10

3

= 10

-12

W 3 -O 2 —10 = 10 W/nT m~

Definisjon Desibel = dB = 10-10log 10" Eksempel IoTO13 gir da dB = 10-10logl013 = 10-13 = 130, det vil si 130 dB

I praksis bruker en nesten alltid enheten desibel. Vi sier i dette tilfellet at lyden er 130 dB (ikke 13 B) over høreterskelen.

Eksempler på lydkilde

Lydintensitet

Lyd som gjør vondt i øret, smertegrensen Ubehagelig sterk lyd Sterk industristøy Pressluftbor, stort orkester Løvebrøl, 6 meter fra løven Gate i rushtid Livlig selskap Radio, stuevolum Samtale i klasserommet Samtale Hvisking Skogsus Rasling av ospelauv Høreterskelen

Io • 1013 lo-lO'2 Io-lOn Io • 1010 I„ ■ 10’ Io • 108 !„• 10’ Io • 10* U • 105 Io • 104 Io-lO3 Io ■ 102 Io' 101 Io • 10°

B

dB

13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

Tabell 1.6 Tabell over noen verdier som uttrykker lydintensitet Anmerkning Øret er et meget komplisert instrument, som lett kan skades dersom det utsettes for store lydtrykk. Bruk derfor alltid hørselsvern der hvor dette er anbefalt, eller er et krav.

Dopplereffekt Lydbølger brer seg med en fart på ca 340 m/s i luft. Hvis vi løper i retning mot en lydkilde som står stille, vil vi i hvert sekund møte flere bølgetopper enn om vi selv hadde stått på samme sted, fordi det blir en dobbel bevegelse. Vi løper mot lydbølgene, og lydbølgene brer seg mot oss, se figur 1.75.

57

Lydbølger

Figur 1.75 Høyere frekvens når en løper mot lydkilden Fordi vi møter flere bølgetopper når vi beveger oss i retning mot lydkilden, vil vi høre en lyd med høyere frekvens enn når vi står stille. Dersom vi beveger oss vekk fra lydkilden, tar hver bølge lengre tid på å passere oss, og det antall bølgetopper som passerer oss pr. tidsenhet, blir mindre enn når vi står stille. Vi hører lavere frekvens når vi beveger oss vekk fra lydkilden, figur 1.76.

Figur 1.76 Lavere frekvens når en løper fra lydkilden Denne forandringen i tonehøyden kan vi også høre om vi står stille, og lydkilden beveger seg mot oss eller vekk fra oss. Kommer lydkilden mot oss, blir frekvensen høyere. Går lydkilden vekk fra oss, blir frekvensen lavere. Velkjent er frekvensendringen for lyden fra en møtende bil. Idet den passerer, synker tonen. Dette fenomenet kalles dopplereffekt. Det er oppkalt etter Christian Doppler, som først beskrev det.

Anvendelse Prinsippet anvendes i en type gjennomstrømningsmålere.

Varme Absolutt nullpunkt Det absolutte nullpunkt har verdien - 273,15 °C. Verken etter teorien eller i praksis er det mulig å bringe noe stoff helt ned til denne temperaturen.

Absolutt temperatur Absolutt temperatur ligger 273 °C under vannets frysepunkt, som er 0 °C. Absolutt temperatur har fått betegnelsen 0 K (null Kelvin), etter lord Kelvin. Vannets frysepunkt ligger da på 273 K. -273 °C

I------ 01--- 1001-°c-------- *T”C °C

0K

I------273K 1---- 3731-K-------- *TK

58 Energiloven Energi kan ikke forsvinne, men kan omvandles. Dette er en grunnlov i fysikken.

Arbeid og energi Dersom det blir utført et arbeid på et system, forandrer energien i systemet seg.

Figur 1.77 Figuren viser en stålfjær som får større potensiell energi når den strekkes

Endringen av den potensielle energien i en stålfjær er lik det arbeid som blir utført på den. Endringen av energien i et legeme som blir deformert, er lik det arbeid som blir utført på det. Et system som utfører arbeid på et annet system, mister like mye energi som det andre syste­ met får på grunn av arbeidet. Når vi filer på et jernstykke, får ikke fila og jernstykket noen økn­ ing i den ytre energi. Derimot øker temperaturen i jernstykket og fila. Temperaturstigningen viser at den indre energien har steget. Temperaturstigningen er det eneste vi kan måle som energiendring. Vi kan beregne det arbeidet vi utfører. Arbeidet er i dette tilfellet kraften vi bruker på fila, multiplisert med lengden av strøkene og antall strøk. Så undersøker vi hvilken sammenheng det er mellom arbeidet og temperaturstigningen i jernstykke, spon og fil. Definisjon: Arbeid er energi som blir overført fra ett system til et annet.

Varme og energi En kjele med vann settes på en varm kokeplate. Temperaturen stiger i vannet. I fysikken sier vi at den indre energien øker. Denne energien har blitt overført fra den indre energien i koke­ platen. Energien som har blitt overført, kaller vi varme. Varme kan overføres mellom to lege­ mer dersom temperaturen til legemene er forskjellig.

Figur 1.78 Den indre energien i vannet øker når vrmen overføres fra kokeplata

59

Varme overføres fra brenner til ballong. Ballongens indre energi øker.

Energi overføres fra spiller til ball.

Figur 1.79 To former for energitransport

I fysikken skiller vi mellom to former for energitransport - arbeid og varme. Definisjon Varme er energi som blir overført fra ett system til et annet på grunn av temperaturforskjell. All annen energitransport er arbeid. Et tungt lodd som er heist opp i en snor, har en potensiell energi (figur 1.80). Men loddet

Kraft F

Lodd

Figur 1.80 Loddet får en potensiell energi

utfører ikke arbeid. Når vi slipper løs loddet, får det etter hvert økende kinetisk energi. Arbeid blir det når loddet treffer et annet legeme og gir noe av sin energi til det. Arbeid er energi som blir overført fra ett system til et annet (figur 1.80).

Overføring av varme Vann med høy temperatur har stor indre energi, men det har ikke varme. Varme får vi når van­ net gir fra seg noe av sin indre energi til et legeme med lavere temperatur. Vi setter et kar med varmt vann inntil et kar med kaldt vann, figur 1.81. Da vil det overføres varme fra det varme karet til det kalde karet. For alle systemer vil vi skjelne mellom energien som er i et system, indre energi, og energien som blir overført, figur 1.82. Ordene varme og arbeid bruker vi om energi som blir overført.

60 Varmestrøm

Varme overføres har steget. Indre energi har steget

Figur 1.81 Overføring av varme

energien har sunket

energien har steget

Figur 1.82 Energioverføring som ved arbeid Ifølge fysikkens definisjon er det ikke varme i en ovn, det er indre energi. Varme er den ener­ gien som ovnen sender ut i rommet, figur 1.83.

Figur 1.83 Den indre energien i ovnen sendes ut som varme

Termodynamikk Når vi fører varme eller arbeid til et system, for eksempel til en beholder med vann, øker syste­ mets indre energi, og temperaturen stiger. Omvendt vil temperaturen synke dersom vi tar varme eller arbeid ut av systemet. Dersom et system mottar varme samtidig som det utfører arbeid på omgivelsene, er det ikke uten videre gitt at den indre energien har økt eller avtatt. Bensinmotorer og dieselmotorer blir brukt til å gjøre om indre energi i bensin/diesel til arbeid. Den delen av fysikken som beskriver slike energiomvandlinger, hører med til det vi kaller termodynamikken. Et volum gass er tilført volumet over stempelet i en maskin. Symbolet for varme er Q. Sett at varmen Q blir tilført gassen. Da stiger temperaturen fordi den indre energien i gassen øker.

61

Figur 1.84 Dieselmotorer blir brukt til å gjøre den indre energien i diesel om til arbeid. Stempel

Q = AU

Figur 1.85

Q=AU+W

Sylinder

Økningen i den indre energien betegnes med AU. Sett at gassen utfører et arbeid W ved at den skyver stempelet unna. Da får vi Likning 1.16

Q = AU +W

Den varmen Q som gassen har fått, brukes til to ting: • til å øke den indre energien med AU • til å utføre et arbeid W på stempelet Dette er en av de viktigste likningene i termodynamikken (1. hovedsetning). Den gjelder ikke bare for en avgrenset gass, men for et hvilket som helst system. Den gjelder også for fast stoff, væske, en bensinmotor, et batteri, et kjøleskap. Legg merke til at

Q AU W

= positiv for varme inn i systemet = positiv når den indre energien øker = positiv når det blir utført arbeid på omgivelsene

Varmekapasitet Det går med et arbeid på 4200 J for å heve temperaturen av 1 kg vann 1 K, figur 1.86. Den samme temperaturstigningen kan oppnås ved å tilføre vannet varme. Når temperaturen i 1 kg vann er blitt 1 K høyere, må varmen som strømmer fra kokeplaten være 4200 J. Termometer

1 kg vann

--------- Kokeplate

Figur 1.86

62 Eksempel Vi skal regne ut hvor mye varme Q som går med for å heve temperaturen i m = 6 kg vann fra T, = 12 °C til T2 = 32 °C. Til å varme opp 6 kg vann 1 K trengs det 4200 J • 6 = 25 200 J. Til å øke temperaturen til 6 kg vann med T2 - T, = 20 K, trengs det 25 200 J • 20 = 504 000 J.

Q = c-mff-Tf

Likning 1.17

Proporsjonalitetsfaktoren c heter stoffets spesifikke varmekapasitet. For vann har den verdien c = 4200 J/kg • K. Spesifikk varmekapasitet er altså varme pr. masse og temperaturdifferens:

C

Likning 1.18

m(T2-T\)

Spesifikk varmekapasitet til noen stoffer: Bly

Messing Jern Aluminium Glass Is Vann Etanol

130 J/kg • K

390 J/kg 480 J/kg 900 J/kg 800 J/kg 2000 J/kg 4200 J/kg 2400 J/kg

• • • • • • •

K K K K K K K

Den varmen som trengs pr. temperaturdifferens for et bestemt legeme, kalles legemets varme­ kapasitet:

Likning 1.19

r2-r, V armeoverføring

Dersom to legemer har forskjellig temperatur, overføres det varme fra det legemet som har høyest temperatur, til det som har lavest temperatur. Det kalles varmeoverføring. Varmen strømmer fra det varme legemet til det kalde.

Ti>T2

Legeme 2 med temperatur T2

Figur 1.87 Varme strømmer fra varmt legeme til kaldt legeme

Varme kan overføres på tre måter: 1 Ved varmeledning i stoffet!legemet selv eller ved legemer som berører hverandre.

63 Eksempel En metallstav blir oppvarmet i den ene enden. Varmen blir da ledet til den kalde enden av staven. Årsaken til varmeledningen er de delene i stoffet som ligger tett inntil hverandre, og som gir varmeenergien videre fra del til del. Varmen brer seg i metallstaven fra den varme enden til den kalde, figur 1.88.

Figur 1.88 2 Ved varmestråling mellom legemer som ikke berører hverandre, og som heller ikke har kontakt ved et formidlerstoff.

Eksempel Fra sola strømmer det varme til jorda, selv om de er atskilt av det tomme rom, verdensrommet, o Årsaken til det er overføring av varme ved varmestråler. Dette skjer også gjennom tomt rom.

Jorda

Figur 1.89 3 Ved konveksjon mellom legemer som har kontakt med et medium.

Eksempel Varmeoverføring fra en ovn gjennom lufta til en person, figur 1.90. Årsaken er luft som blir oppvarmet av ovnen. Lufta strømmer til personen og avgir sin varme.

Luft Varmeelement

Figur 1.90

Figur 1.91 Varmegjennomgang i trelags vegg

64 I industrien blir varmen fra ett stoff til et annet for det meste overført gjennom en vegg. Det skjer for eksempel ved avkjøling av en væske i en varmeveksler. Vi snakker da om varmegjennomgang. Ved varmegjennomgang må varmen overføres fra stoff 1 til veggen, deretter ledes den gjen­ nom veggen, og til slutt overføres den fra veggen til stoff 2 (figur 1.91). Ved dette forløpet blir det pr. time overført varme Q som vi finner ved hjelp av likningen: Likning 1.20

Q = k • A • Atm Her er: k = varmegjennomgangskoeffisienten, for eksempel i W/m2K A = varmevekslingsflaten Atm = den midlere temperaturforskjellen mellom stoff 1 og stoff 2

Varmegjennomgangen er bedre jo større varmegjennomgangskoeffisienten k er. Størrelsen på gjennomgangskoeffisienten bestemmes av strømningen for begge stoffene og av materiale og tykkelse i skilleveggen. For bestemte tilfeller er det mulig å angi omtrentlige verdier for varmegjennomgangskoeffisienten, se tabell 1.7.

Varmegjennomgangstall (grove verdier) Eksempler

kK W/m2K

Stoff 1

Vegg

Stoff 2

damp

jernvegg

vann

1047

vann

jernvegg

vann

349

vann

jernvegg

luft

12

røykgass

jernvegg

luft

5,8

røykgass

jernvegg

vann

9

luft ute

murverk

luft ute

2,3

Tabell 1.7 Eksempel En metallstav har varmeledningsmotstand og varmekapasitet, figur 1.92.

Figur 1.92 Metallstav leaer varme Stoffet som staven er laget av, gir en viss varmeledningsmotstand som er bestemt av varme­ gjennomgangskoeffisienten. Stavens masse gir en varmekapasitet. Varmekapasiteten kan sies å være stavens evne til å lagre energi. Staven er varm lenge etter at den er fjernet fra varme­ kilden. Varmeenergien overføres da for eksempel til omliggende luft, men da ved konveksjon og stråling.

65 Eksempel Alle metaller leder varme. Gull er en god varmeleder, mens stål er en dårlig varmeleder. Gull har liten varmemotstand, og stål har stor varmemotstand. Varmemotstanden kan vi betegne med RT. Enheten er °C/W. Rt(°C/W)

°C tilsvarer Tj - T2 = AT, temperaturforskjellen mellom for eksempel flammen og metallstaven. AT er altså «spenningsforskjellen», som driver en varmestrøm Q (W) gjennom metallstaven. I SI-systemet betegnes W med J/S. Metallstaven har evne til å lagre varme (varmeenergi), på samme måte som den elektriske kondensatoren har evne til å holde på elektrisk energi. Vi sier at metallstaven har en varmeka­ pasitet. Varmekapasiteten CT har enheten J/°C.

CT (J/°C) Anvendelse Teorien om varmeoverføring er meget viktig for forståelsen av temperaturmåling og pros­ essteknikken.

Mer om aggregattilstander Aggregattilstander og temperatur Vann har fire aggregattilstander, fast (is), flytende, gass (damp) og plasma, figur 1.93. Blant de mest vanlige stoffene er det bare vann som vi kan se i tre aggregattilstander.

Figur 1.93 Framstilling av aggregattilstandene til vann Aggregattilstandene fordeler seg etter en temperaturskala med den faste tilstanden ved den laveste temperaturen og gassformen ved den høyeste. For eksempel er aluminium i fast til­ stand fra det absolutte nullpunkt og opptil 660 °C, men ved denne temperaturen smelter det og holder seg flytende til omkring 2000 °C. Over denne temperaturen er aluminium i gassform. Ved tilstrekkelig høy temperatur vil gassen gå over i plasmatilstand. Vann kan vi observere gjennom tre aggregattilstander. Vi fører varme til et stykke is som har temperaturen -20 °C. Da stiger temperaturen til vi når smeltepunktet. Vi fortsetter å tilføre varme. Da smelter isen, men likevel holder temperaturen seg konstant på 0 °C helt til all isen

66 er smeltet. Nå vil temperaturen stige igjen dersom vi fortsetter å tilføre varme. Ved 100 °C begynner vannet å koke. Nå holder temperaturen seg konstant helt til alt vannet er fordampet.

Smeltevarme Definisjon Den varmen som trengs for å omdanne en bestemt mengde fast stoff av en bestemt temperatur til væske med samme temperatur, kaller vi smeltevarme. Når vi regner varmen pr. masse, kaller vi det spesifikk smeltevarme. Spesifikk smeltevarme har betegnelsen q: Likning 1.21

q = kJKp —

Likning 5.4

I faktoren k inngår en rekke størrelser: rørdiameter, innsnevringens diameter, innsnevringens utforming, friksjonstap m.m. k kalles for skivekonstanten eller måleskivens faktor.

Sammenlikning med en elektrisk krets Figur 5.16 viser en elektrisk krets, der Uj - U2 = I • R (V). AU Rx = andre resistanser i kretsen U-i og U2 er målt i forhold til minus på spenningskilden

Figur 5.16 Elektrisk krets Dersom denne likningen skrives med den elektriske ledningsevnen, får vi

Ux-U2 =

1

1 ,derG = ^(S)

Sammenlikner vi denne likningen med likningen for trykkfall over måleskiven 2 Q P1-P2 = -2’ k ser vi at det er likheter. Vi kan si at målekonstanten k er måleskivens «ledningsevne» for en gass eller væskestrøm.

170 Figur 5.17 viser utformingen til en måleskive. Høytrykk

1

> q (m3/s)

d

1

Lavtrykk

Figur 5.17 Måleskivens utforming

Kvadratisk måling 2

p. -p7 = viser at målingen er kvadratisk. “ k~

Dersom man ønsker å bruke differansetrykket til å finne gjennomstrømningen q, må man utføre følgende matematiske operasjon: q2 = k2(p! - p2)

=> q = kz/Ap

Figur 5.18 Eksempel på kurve som viser kvadratroten av Isp. I indikator med kvadratisk (ulineær) skala Figur 5.18 viser en kurve for utregning av gjennomstrømningen når Ap over måleskiven er kjent. Dobling av trykkfallet Ap over måleskiven (400-800 m bar), gir ikke en dobling i gjen­ nomstrømningen. Gjennomstrømningen øker fra 1,32 1/s til 1,86 1/s. Dersom man ikke har lineariseringsenhet mellom differansetrykkmåleren og indikatoren, må indikatoren ha ulineær skala som vist på figur 5.18.

171 Moderne differansetrykkmålere og regulatorer har innebygd rotuttrekningsledd som er tilgjen­ gelig for brukeren. Et symbolskjema for målingen blir som figur 5.19 viser, dersom man kopler til en indikator

Figur 5.19 Måleskive tilkoplet differansetrykkmåler med rotuttrekker og ekstern indikator (Fl) Figur 5.20 viser et sammensatt grafisk diagram for måleelement og instrumenter.

Figur 5.20 Sammenhengen mellom instrumentenes karakteristikker

172 Kompensering for endringer i trykk og temperatur Temperatur Tettheten i væsker endres lite med trykkforandring og moderate endringer i temperaturen. Dersom temperaturen til vann endres fra 20 °C til 80 °C, avtar tettheten med bare om lag 2,7 %. For gasser er det annerledes. Her øker tettheten proporsjonalt med trykket og omvendt pro­ porsjonalt med temperaturen.

Eksempel Dersom trykket øker fra 1 bar absolutt trykk til 4 bar absolutt trykk, så øker tettheten for en bestemt gass med 400 %. Dersom temperaturen øker fra 0 °C til 273 °C, så halveres tettheten for den samme gassen. Av det ser vi at dersom måleskiven er beregnet for å måle gasstilstand med en bestemt tempe­ ratur og trykk, og hvis en av størrelsene endrer seg, så kan målingene gi til dels store feil. Det kan kompenseres automatisk ved å måle både trykk, temperatur og mengde. En regne­ maskin som ofte kalles «flow computer», kan foreta de nødvendige beregningene slik at målingene blir riktige. Dette er vist på figur 5.21.

Figur 5.21 Gjennomstrømningsmåling med kompensering for endring i trykk og temperatur

Hensiktsmessig montasje For å oppnå en fornuftig målenøyaktighet, er det visse krav en må stille både til restriksjonene innbygning i prosessledningen og differansetrykkmålerens plassering. Restriksjonene må plasseres i et rett rørstrekk, og dessuten må en sørge for god sentrering. Hvor langt det rette strekk må være, avhenger blant annet av restriksjonene åpningsforhold og av type bend foran

Y13 og bak restriksjonen. Et rett strekk på 20 ganger rørdiameter er imidlertid som regel tilstrekkelig. Måleskiven plasseres slik: Rett strekk foran måleskiven lik 15 • D. Rett strekk bak måleskiven lik 5 • D. Plasseringen er vist på figur 5.22.

Figur 5.22 Rette strekk foran og bak måleskiven for å korrigere strømningsprofilen og stoppe roterende bevegelser i mediet

Dersom dette ikke er tilstrekkelig, benyttes strømningsrettere i prosessrøret. Figur 5.23 viser strømningsretter. Prosessrør

Figur 5.23 Strømningsretter for å korrigere strømningsprofiler og redusere store, roterende bevegelser i mediet

Væsken eller gassen må også være fri for pulseringer. Pulseringer i hastigheten fører til målefeil. Restriksjonen må derfor monteres på steder hvor hastigheten ikke pulserer. Plassering av måleomformeren må også gjøres med omtanke, likeledes forlenging av impulsledningene fra restriksjon til måleomformer. Når det gjelder montasje av måleomformer og impulsledninger skiller vi mellom følgende medier: • Gass som kan kondensere i impulsledningene • Væske • Vanndamp

174 Figurene 5.24, 5.25 og 5.26 viser installasjoner for de tre mediene.

Gass

Figur 5.24 Montasje for gassmåling, a Måleomformer montert over måleskiven slik at kon­ densert gass kan renne tilbake til prosessledningen. b Prinsippskisse: 1 Måleomformer, 2 Nullstillingsventil, 3 Avstengningsventil, 4 Måleskive

Væske

Figur 5.25 Montasje for væskemåling. Impulsrørene er fylt med væske

175 Vanndamp

Figur 5.26 Montasje for måling av vanndamp. Impulsrørene er fylt med vann Når måleskiven monteres, må både pakning og måleskive sentreres nøye. Dersom det stilles store krav til målenøyaktighet, må man dreie av påsveisete flensforbindelser slik at rørinnløpet er glatt. Man må passe på at montasjen er utført slik at målerøret til enhver tid er helt fylt og bare inneholder én aggregattilstand, gass eller væske.

Fordeler med måleskive Måleskiven er enkel å produsere og installere. Man kan benytte samme måleomformer uansett rørdimensjon. Måleskiven kan benyttes for høye temperaturer og trykk.

Ulemper med måleskive Målesignalet er ulineært. Urene medier som kan forårsake groing i innløpet, gjør at målingen raskt blir unøyaktig. Måleskiven er ubrukbar for fiberholdige medier.

176 Nøyaktighet Nøyaktigheten i praktiske installasjoner er om lag 2-3 %, regnet av øvre måleverdigrense (eng. Upper Range Limit, URL). På grunn av den kvadratiske sammenhengen mellom gjennomstrøming og trykkfall blir målingen svært unøyaktig under 30 % av måleområdet, se figur 5.27. Vær oppmerksom på at denne nøyaktighetssammenhengen gjelder for alle instrumenter som har nøyaktighet oppgitt i forhold til øvre målegrense.

URL

Figur 5.27 Avvik som funksjon av gjennomstrømningsmengden

Figur 5.28 og 5.29 viser eksempler på ventilmanifolder for differansetrykkmålere.

Figur 5.28 Treveismanifolder. Manifolden inneholder ventilene 2 og 3 på figur 5.24

Figur 5.29 Femveis manifold Ventilmanifoldene brukes for kalibrering og test av differansetrykkmåleren i felt, men også når differansetrykkmåleren må tas ut for reparasjon eller kalibrering.

W

Dyser Figur 5.30 viser utforming av en dyse. Måleskivens følsomhet overfor forandringer av den skarpe innløpskanten kan unngås ved at en med vilje lager et sterkt avrundet innløp. En dyse som har denne utformingen, er mindre ømfintlig for slitasje og avleiringer enn en måleskive. Tar man en dyse og en måleskive med samme åpningsforhold, så vil dysen gi mindre blivende trykkfall. Men da differansetrykket samtidig er avtatt tilsvarende, betyr dette vanligvis ikke noen fordel. Samme differansetrykk ved en måleskive og en dyse betyr praktisk talt samme blivende trykkfall, men forskjellige åpningsforhold.

Figur 5.30 Dyse Siden en dyse faller vesentlig dyrere i produksjon enn en måleskive, vil bruken av dyser innskrenke seg til de steder hvor måleskivens følsomhet for slitasje eller avleiringer gjør den uegnet.

Venturirør Det er tidligere nevnt at det særlig er virveldannelsen bak en innsnevring som er årsak til energitap, det vil si til det blivende trykkfall. Et venturirør har samme utforming av innløpet som en dyse, se figur 5.31.

Figur 5.31 Venturirør

178 Ved å bygge opp en slank overgang mellom innsnevring og rørtverrsnittet oppnår en imid­ lertid i vesentlig grad å redusere virveldannelser. En sammenlikning mellom blivende trykk­ fall for en måleskive, dyse og venturi er vist på figur 5.32.

Figur 5.32 Sammenlikning av blivende trykkfall

For svært store rørdiametre vil den totale byggelengden bli stor. Venturirøret lages derfor også i en avkortet utførelse, men dermed økes naturligvis det blivende trykkfall. Venturirør brukes mye til måling av gasstrømmer fra smelteovner og i skorsteiner.

Pitotrør Det er tidligere nevnt at Bernoullis likning kunne skrives slik: 1 2 . ^mv + p = konstant Av likningen ser vi at en reduksjon av hastigheten v resulterer i en økning av trykkenergien, det vil si trykket p øker. Pitotrørets prinsipp bygger nettopp på denne virkningen.

Figur 5.33 Pitotrørprinsippet

179 Til den ene siden av et U-rør føres det statiske trykket p]5 som søkes målt uten at mediets has­ tighet påvirkes mer enn strengt nødvendig. Til den andre siden av U-røret føres det dynamiske trykket p2. Det dynamiske trykket settes sammen av det statiske trykket pj og trykkstigningen som en får ved reduksjon av mediets hastighet til null i pitotrørets åpning. Da U-røret altså måler (p2—p,), vil det si at utslaget er direkte mål for oppstukningstrykket. Oppstukningstrykket er imidlertid igjen et mål for hastighetsreduksjonen, det vil i dette tilfellet si for has­ tigheten (Vj). Sammenhengen mellom trykk og hastighet kan skrives Likning 5.5

p2 = dynamisk trykk (N/mI2) pt = statisk trykk (N/m2) g = tyngdekraftens akselerasjon (m/s2) p = massetetthet (kg/m2)

Enheten til v blir da

I praksis bygger en de to trykksondene sammen til en enhet. En vanlig utførelse er vist på figur 5.34. 6-8 hull

P2 Pi Vinkel i forhold til strømretning

Figur 5.34 Pitotrør

180 Pitotrør brukes i industrien, spesielt for måling av gasshastighet i store rørdimensjoner og kanaler. En unngår dermed det blivende trykktap og de omkostninger som installering av for eksempel en venturi vil gi, men får på den annen side hastigheten i et punkt på et strømningsprofil som forandrer seg med belastningen. Forøvrig er pitotrøret velkjent som hastighetsmåler for fly og båter.

Fordeler Samme pitotrør kan brukes for alle rørdimensjoner. Installasjonen er meget enkel selv ved store rørdimensjoner. Det gir god nøyaktighet, 2 % av kalibrert måleområde.

Ulemper Groing i hullene for statisk og dynamisk trykk er en ulempe.

Annubar Pitotrøret måler hastigheten i bare ett punkt, og det forutsetter at strømningsprofilet er kjent for at en omregning til strømning skal gi et fornuftig resultat. Det har man prøvd å rette på med konstruksjonen på figur 5.35, kalt annubar.

Figur 5.35 Annubar Det diametralt monterte røret inneholder flere hull som peker mot hastighetsretningen, og trykket inn i røret blir da middelverdien av trykket ved hullene. Det statiske trykket måles på baksiden av røret. Annubar brukes både til gass og væsker og på rør med store dimensjoner, som pitotrør.

181

Rotametre For måling av gjennomstrømming i væsker og gasser har rotametre vunnet utstrakt anven­ delse. Et rotameter består i prinsipp av et loddrett, konisk målerør, som vist på figur 5.36. Målerøret er som oftest laget gjennomsiktig og med flenser eller slangestusser for tilkopling til prosessledningene. Inne i det koniske glassrøret plasseres et flytelegemet, som skal brukes til å indikere gjennomstrømningsmengden. v2

Figur 5.36 Rotameter

Strømmer det en væske eller gass opp gjennom målerøret, vil flytelegemet (flyteren) bli påvir­ ket av følgende krefter: Tyngden: Gf = m • g

Oppdrift i væsken: A = Vf • p • g Kraft forårsaket av strømningsmotstand: K Flyterens masse = m Tyngdens akselerasjon = g Flyterens volum = Vf Flyterens tetthet = p På grunn av målerørets koniske utforming vil strømningsmotstanden ved en bestemt gjennomstrømningsmengde avta etter hvert som flyteren heves i røret. De to andre kreftene vil være konstante. Ved en eller annen stilling vil det derfor være likevekt mellom kreftene: K + A = Gf

Tenker en seg nå at gjennomstrømmingen øker, vil kreftene A og Gf fortsatt være de samme, mens strømningsmotstanden (K) vil øke. Likevekta blir derfor forrykket, og flyteren presses oppover. Dermed minker hastigheten (v). Som følge av dette avtar strømningsmotstanden helt til ny likevekt er oppnådd, men nå med flyteren i en annen høyde. Da flyterens høyde altså er en funksjon av gjennomstrømmingen, kan en lese av flyterens høyde på en skala som er grad­ ert i m3/h eller m3/s.

182 Figur 5.37 viser et gjennomskåret stålrotameter. Rotameter med utvendig indikator og elektronikkenhet 4-20 mA utgang vises til høyre på figuren.

Endestopper Forlengelsesrør for magnet

Utgangsflens Styrestag for sentrering

Målerør Magnet for posisjonsoverføring til utvendig elektronikk

Flyter Referansemerke Stopper og demperutstyr

Inntaksflens

Figur 5.37 Rotameter med 4-20 mA-utgang For fjernoverføring av måleverdier nyttes induktiv eller magnetisk avtasting av flyterstillingen. For induktiv avtasting er differensialtransformator mye brukt. Differensialtransformatoren er tilkoplet en elektronisk forsterker med strøm eller spenningsutgang. Figur 5.38 viser noen typer flytere som benyttes i rotametre. Pilene viser avlesningspunkter.

Figur 5.38 Flytere som benyttes i rotametre.

Fordeler Rotameteret har en enkel konstruksjon og er enkelt å installere.

Ulemper Rotameteret må monteres vertikalt. Det har en dårlig nøyaktighet, 2-10 % av rotameterets måleområde. For rotametre av glass, med utvendig skala på glasset, er det lett å gjøre avlesningsfeil. Det er meget følsomt for endringer i viskositet og tetthet.

183 Måling av gjennomstrømning etter induksjonsprinsippet Induktiv gjennomstrømningsmåler Prinsippet bak elektromagnetisk måling er basert på Faradays lov om induksjon, figur 5.39. Dersom vi beveger en elektrisk leder på tvers av et magnetisk felt, vil det induseres en spen­ ning mellom ledningenes endepunkter etter likningen: Ue = B • l • v (Volt)

Likning 5.6

B = Magnetisk feltstyrke 1 = lengden av den lederen som er i feltet v = hastighet vertikalt på feltlinjene

Figur 5.39 Prinsippet for elektromagnetisk induksjon

Lar vi en ledende væske bevege seg i et rør, vil den elektrisk ledende væskestrømmen repre­ sentere den bevegelige lederen. En spenning induseres vertikalt på det magnetiske feltet og strømningsretningen.

Figur 5.40 Prinsippet for elektromagnetisk gjennomstrømingsmåler Monterer vi to elektroder i rørveggen blir den induserte spenningen Ue = B-Dv D = lengden av væskeleder, det vil si rørets diameter

Likning 5.7

184 Når Ue nå er kjent, kan hastigheten v (m/s) beregnes i elektronikkenheten siden B og D også er kjente verdier. Deretter beregnes gjennomstrømningen ved q = A • v (m3/s)

Målerøret må være fylt og luftfritt, ellers vil det oppstå målefeil. Man må derfor være nøyaktig med installasjon av instrumentet.

Oppbygging av en elektromagnetisk gjennomstrømningsmåler Figur 5.41 viser en elektromagnetisk gjennomstrømningsmåler med dekslene av. Det primære måleelementet, målerøret, må naturligvis lages av et umagnetisk materiale. Som oftest velges et CrNi-stabilisert (syrefast) stål. Andre ikke-magnetiske materialer som PVC glass., kan også benyttes. Dersom røret lages av et elektrisk ledende materiale, må i hvert fall et parti av rørveggen rundt elektrodene forsynes med et elektrisk isolerende belegg av for eksempel gummi, teflon eller keramikk. Som oftest isoleres imidlertid hele målerøret innvendig.

Deksel

Figur 5.41 Oppbygningen til en elektromagnetisk gjennomstrømningsmåler (Foxboro)

Elektrodenes gjennomføring og det isolerende beleggets evne til å feste seg til stålrøret er de kritiske punkter ved framstilling av gode målerør. Videre er det av betydning at magnetfeltet er homogent. Til mating av magnetfeltet er sinusformet vekselspenning mye brukt for strømingsmålere til industriell anvendelse, men vekselspenning med annen kurvefasong kan også benyttes. I moderne elektromagnetiske gjennomstrømningsmålere brukes ofte pulserende likestrøm istedenfor sinusformet vekselspenning. Noen leverandører lar også frekvenser variere. Det er bevist at dette fører til bedre måleresultater og mindre beleggdannelse på måleelektrodene. Figur 5.42 viser to elektromagnetiske gjennomstrømingsmålere. Kopling for elektronikk LCD Programmeringstastatur

Fiberoptisk utgang

Figur 5.42 To forskjellige fabrikater av elektromagnetiske gjennomstrømingsmålere a) 4-20 mA RS 422/485 overføring av målesignalene (Endress & Hauser), b) fiberoptisk overføring av måleverdiene (Fuji)

185 Figur 5.43 viser prinsippet for elektronikkenheten tilkoplet målerøret.

Figur 5.43 Blokkskjema av elektromagnetisk gjennomstrømmngsmåler

Fordeler med elektromagnetiske gjennomstrømningsmålere • God målenøyaktighet, typisk 1-2 % av målt verdi • Ikke trykktap • Ingen bevegelige deler (vedlikeholdsfritt) • Man kan måle slipende og korrosive medier såvel som partikler i suspensjon • Høy nøyaktighet • Stabilt nullpunkt • Man kan måle i begge retninger • De påvirkes lite av endringer i viskositet og massetetthet Ulemper (krav) • Væsken må ha en minimumsevne til å lede elektrisk strøm. Typisk verdi er 5/z s/cm.

Måling av gjennomstrømning med virvelprinsippet Vortex-gj ennomstrømningsmåler Vortex-gjennomstrømningsmåler er basert på Karmans vortex-teori. I et strømmende medium (gass eller væske) blir det generert en virvel (vortex) etter en restriksjon. Virvelens frekvens er direkte proporsjonal med strømningshastigheten. Frekvensen blir målt med et egnet måleele­ ment, for eksempel et piezoelektrisk element bak restriksjonen, se figur 5.44. Den målte spen­ ningen blir forsterket elektronisk og omvandlet til 4-20 mA eller et digitalt signal.

Virveldanningspunkt

Figur 5.44 Vortexmåler

Virvel løses ut

Virvelfrekvens

186 Figur 5.45 viser en gjennomskåret vortexmåler.

Figur 5.45 Gjennomskåret vortexmåler Figur 5.46 viser noen typer restriksjoner som brukes i vortexmålere.

Figur 5.46 Restriksjoner for vortexmålere

Figur 5.47 viser vortexmålere for to forskjellige rørdiametre.

Figur 5.47 Vortexmålere (Endress og Hauser)

Fordeler med vortexmåler Måleren har ingen bevegelige deler og krever derfor lite vedlikehold. Måleren har god langtidsstabilitet og er meget nøyaktig, typisk er 1-2 % av målt verdi. Vortexmåleren er lite følsom for endringer i mediets tetthet.

Ulemper med vortexmåler Restriksjoner gir et varig trykkfall. Måleren er følsom for vibrasjoner i prosessrøret. Den er meget følsom for montasjefeil, som unøyaktig sentrering av pakninger og måler. Strømningen må være laminær, noe som krever rette rørstrekk og, i krevende tilfeller, en strømningsretter. Strømningen må også være homogen. Noen vortexmålere er følsomme overfor pumpe- og ventilstøy dersom støyfrekvensen lig-

187 ger innenfor vortexmålerens kalibrerte område. Støyen fra pumpe eller ventil brer seg gjen­ nom rørnettet til vortexmåleren, der den registreres som en falsk endring i mediets hastighet. Støyen kan være turbulenser, pulsasjoner eller kraftige lydpulser.

Måling av gjennomstrømning med hjelp av corioliskraften Massestrømningsmåler Ved hjelp av gjennomstrømningsmålere kan man måle massestrømning med meget høy grad av nøyaktighet. 0,2 % nøyaktighet av kalibrert område, uavhengig av endringer i væskens temperatur, trykk, viskositet, tetthett eller hastighetsprofil, er ikke uvanlig.

Figur 5.48 Massestrømningsmåler (K-Flow)

Prinsipiell virkemåte La oss forestille oss en svingende slange som holdes fast i to punkter, se figur 5.49a. Gjennom slangen flyter det vann. I tillegg til hastigheten gjennom slangen vil vannet i sektorene A, B og C dessuten ha en hastighetskomponent på tvers av slangen der hvor buktningen er. På grunn av denne hastighetskomponenten vil vannet bevege seg opp og ned med større hastighet når det passerer B, enn når det passerer A eller C. Vann som passerer kurven, må derfor endre hastighet i forhold til omgivelsene, selv om has­ tigheten til vannet er konstant relatert til rørveggen. En hastighetsendring er en akselerasjon. Blant de krefter som da oppstår, er corioliskraften. Når vannet flyter vekk fra aksen A-C, blir slangens krumning slakkere, og når det flyter tilbake mot aksen, blir krumningen skarpere. På figur 5.49b flyter vannet mellom A og B vekk fra aksen. Hvis krumningen på slangen er på vei opp, vil væsken reagere med en liten nedadrettet reaksjon som vil bremse kurven. Tilsvarende vil vann som beveger seg mellom B og C, forårsake en liten ekstra reaksjon som vil forsterke slangens svingning. Disse to motsatt rettete corioliskrefter vil forårsake en liten, men målbar vridning. En motsatt rettet dreining vil framkomme når slangen svinger nedover, figur 5.49c. Fordi corioliskraften er direkte proporsjonal med massestrømmen og uavhengig av vannets fysiske egenskaper, er dette en meget god måte å bestemme en massestrøm på.

ISS

Figur 5.49 Svingende vannslange

Eksempelet med svingende vannslange overført til massestrømningsmåler Rørsystemet består av to B-formete rør som er plassert parallelt, se figur 5.50. Vibratoren er plassert sentralt mellom rørene, som vist på figur 5.50. Rørene svinger med vibratorfrekvensen.

Figur 5.50

189 Figurene 5.51a og 5.51b viser hvordan systemet virker. På figur 5.51a beveger vibratoren seg utover og i 5.51b innover. Mengden fordeles i to omtrent like store strømmer, F' og F".

Figur 5.51 Målerørene i massestrømningsmåleren (k-flow) Når rørene beveger seg utover, figur 5.51a, blir de like delene på rørene ført vekk fra hver­ andre. I denne fasen av svingningen beveger buene LI' og LI" seg mot hverandre, og det samme gjør buene L2' og L2". Men siden endene er fast forankret i meterets kropp, blir rotasjonene der undertrykt. Til gjengjeld blir den større i nærheten av punktene x og y. I B-rørskonstruksjonen vil coriolisreaksjonene i buene LT og LI" minske litt på den has­ tigheten som medfører at rørene kommer nærmere hverandre, og i buene L2' og L2" vil kraf­ ten øke denne hastigheten. Det motsatte gjelder når vibratoren beveger seg innover, figur 5.51b. Rørenes seksjoner blir skjøvet sammen, og buene fjerner seg fra hverandre. Overlagret denne bevegelsen kommer corioliskreftene, som øker den utadgående hastigheten for L2' og L2". Ved å plassere måleelementer på de to buene, kan man måle den totale massestrøm på grunnlag av de oppståtte corioliskrefter. Måleelementene er induktive, og det induseres en spenning i måleelementene proporsjonalt med rørenes svingninger. Faseforskyvningen er proporsjonal med massestrømmen. Stor massestrøm gir stor faseforskyvning. Liten massestrøm gir liten faseforskyvning. Figur 5.52 viser et eksempel på målte faseforskjøvete spenninger.

Figur 5.52 Massestrømmen er en funksjon av faseforskyvningen

190

------- Kasse

Induktivt måleelement

Induktivt måleelement

Strømningsrør Avstandsstykke

Pt 100-element

Manifold

Figur 5.53 Massestrømningsmåler (Rosemounth)

Måleomformer Måleomformerne til massestrømningsmålerne er basert på moderne datateknologi. De kan programmeres fra fronten, med håndstasjonen eller med PC via RS-232, 422 eller 485. Måle­ omformeren som vises på figur 5.54, har også innebygd PID-regulator.

Måleomformeren kan også gi en mengde tilleggsinformasjon, som: • Gjennomstrømmet masse over et tidsrom (minutt, time, døgn) • Væskens temperatur • Prosent partikler i væske • Væskens tetthet • Prosent alkohol i væske

Dessuten kan den brukes for tofasestrømmer (gass og væske blandet). I årene som kommer vil denne type måler erstatte mange av de kjente måleprinsipper som er i bruk i dag.

Figur 5.54 Programmerbar måleomformer for massestrømningsmåling (k-flow)

191 Fordeler med massestrømningsmåleren Den mekaniske konstruksjonen er enkel. Målenøyaktigheten er meget god, ned mot 0,2 %. Den er nesten ufølsom for endringer i trykk, viskositet og massetetthet. Måleren påvirkes også lite av pulseringer i gjennomstrømmingen og av groing i rørene. Massestrømningsmåleren kan måle gjennomstrømninger selvom det finnes gassbobler og partikler i væsken. Måleren kan også måle massetetthet.

Gjennomstrømningsmåler basert på ultralyd Ultralydmåleren måler strømningshastigheten ved hjelp av lydbølger, se figur 5.55.

Figur 5.55 Ultralydmåleren på figur 5.55 består av to pulsgeneratorer. Hver generator består av en sender og en mottaker. Hver generator med sender og mottaker virker slik:

Et pulstog på noen MHz sendes gjennom væsken som akustisk energi. Pulstoget mottas på den andre siden av røret. Det mottatte signalet forsterkes og sendes deretter inn på generatoren hvor det utløses et nytt pulstog. Repetisjonsfrekvensen avhenger av hvor lang tid det akustiske signalet bruker på å krysse røret, og om signalet er sendt med eller mot strømningsretningen. For akustiske signaler, som går med strømmen er repetisjonsfrekvensen f15 og for signaler mot strømningsretningen er frekvensen f2. En elektronisk krets måler differansen fa-f2 som nå er et mål for væskehastigheten v.

Fordeler Gjennomstrømningsmåleren har ingen bevegelige deler og egner seg meget godt for aggres­ sive, flytende gasser. Den kan måle i begge strømningsretninger. Ultralydmålere kan leveres med måleelementer for montasje på utsiden av rørene og i mobile utgaver. Nøyaktigheten til denne ultralydmåleren er bedre enn 1,5 % av målt verdi.

A

Alarm/status utgang x 8 A

RS-232C

Figur 5.56 Ultralydmåler med måleleementer for montasje på utsiden av rørene (Instrutek A/S)

192 Figur 5.57 viser en mobil ultralydmåler. Måleelementene monteres utenpå det røret hvor man ønsker å kontrollmåle gjennomstrømmingen. Nøyaktigheten til ultralydmåleren er bedre enn 1,5 % av målt verdi.

Ulemper Mediene må være rene og uten partikler.

Strømningsmåling i åpne renner For transport av store væskemengder er det ofte en fordel å bruke åpne renner istedenfor o lukkete ledninger. Apne kanaler blir i stor utstrekning brukt til å transportere avløpsvann fra industri og kommunale renseanlegg. Ultralyd nivåmåler

Figur 5.58 Venturikanal for måling av gjennomstrømming Oppstrøms smalner hinderet til en strupning med to parallelle sider. Nedstrøms utvider det seg igjen. Dette kalles en venturikanal. Den smaleste bredden er som regel 40-70 % av rennens bredde.

193 Den trykkforskjellen som oppstår i venturikanalen, resulterer i en nivåøkning foran hinderet. Hvor stor økningen skal være, bestemmer en ved dimensjoneringen av venturikanalen. Med kjennskap til strømningen og normal vannstand i kanalen er det vanlig å lage strupningen slik at hinn foran hinderet blir større eller lik 1,25 av normalt nivå. Med denne verdien får en passe gjennomløpshastighet. Nivåmålingen kan foregå med boblerør, kapasitivmetode, flottør eller nivåmåler med ultralyd. For at ikke målingen skal forstyrre gjennomstrømningen, kan flot­ tøren eller boblerøret plasseres i en brønn ved siden av strupningen.

Strømningsvakter Det er ofte ønskelig å vokte en væske eller gasstrøm, slik at en alarm eller forrigling trer i funksjon dersom væsken eller gasstrømmen kommer utenfor en fastsatt grense. Til dette benyttes såkalte strømningsvakter. En strømningsvakt kan bestå av en plate som står i et strømmende medium, se figur 5.59. Når det strømmende mediet treffer platen, virker det en kraft, F, på platen. Motsatt denne kraf­ ten virker fjærkraften -F.

En arm overfører kraften fra platen til en mekanisk innretning med en kontakt. Ved å justere fjæra kan en bestemme koplingspunktet. De fleste strømningsvakter leveres med arbeidskontakt og hvilekontakt. Figur 5.60 viser to strømningsvakter som er basert på et prinsipp hvor det settes en plate i det strømmende mediet.

Figur 5.60 Strømningsvakter (Johnson Control A/S)

194

Kontrollspørsmål 1 Kan du forklare hvilke enheter som brukes for volumstrøm og massestrøm? 2 Kan du tegne skisser og forklare virkemåten til disse gjennomstrømningsmålerne? Ovalhjulsmåler Turbinmåler Anemometer Måleskive med differansetrykkmåler, rotuttrekning og strømningsretter Pitotrør med u-rør Annubar med u-rør Rotameter Induktiv gjennomstrømningsmåler Vortexmåler Massestrømningsmåler Åpen renne Ultralydmåler 3 Kan du forklare fordeler og ulemper med de forskjellige gjennomstrømningsmålerne? 4 Kan du forklare noen regler for montasje av de gjennomstrømningsmålerne? 5 Kan du forklare riktig avlesning av forskjellige typer flytere i rotametre? 6 Kan du tegne skisse og forklare virkemåten til en type strømningsvakt? 7 Kan du forklare betydningen av Nm3/h? 8 Kan du forklare hva som menes med massestrøm og volumstrøm?

195 KAPITTEL 6

Måling av temperatur MÅL Etter å ha studert kapittel 6 skal du

• • • • • • • • •

kunne definere begrepet tidskonstant og forklare tidskonstantens betydning i et målsystem kunne tegne skisser og forklare hvordan bimetalltermometre og termometre basert på volumutvidelse virker kunne gjøre rede for målenheter ved måling av temperatur kunne tegne og forklare hvordan man måler temperaturer ved hjelp av termoelementer, Pt100-elementer, NTC-og PTC-elementer. Kunne bruke tabeller for disse måleelementene kunne tegne og forklare den prinsipielle virkemåten til måleomformere kunne forklare den prinsipielle virkemåten til to typer pyrometre kunne forklare framgangsmåten ved kalibrering av måleomformere for temperatur kunne forklare hvordan man foretar kontroll av måleelementer for måling av temperatur

Hva er temperatur? I ethvert medium, enten det er flytende, fast eller i gassform, er mole­ kylene i stadig bevegelse. Denne bevegelsesenergien kan føles som varme eller kulde etter som middelhastigheten for molekylene er stor eller liten. Et mål på denne bevegelsesenergien er det vi kaller temperatur. Enheten for temperatur er celsius (°C), fahrenheit (°F) og kelvin (K).

Referansepunkt Vannets frysepunkt og kokepunkt ved atmosfæretrykket kaller vi fikspunkter. Enkelt sagt er det temperaturer som lett lar seg reprodusere. Ved vann er det henholdsvis 0 °C (frysepunkt) og 100 °C (kokepunkt) ved atmosfæretrykk (ca 1 bar absolutt trykk). I nyere internasjonale standarder brukes ikke kokepunkter som fikspunkter. Det er bare frysepunkter som angis. Omregning fra celsius grader til fahrenheitgrader og omvendt kan gjøres med følgende formel:

°C = |°F-32 9 °F = 5°C + 32

Likning 6.1 Likning 6.2

For kelvinskalaen K gjelder følgende formel: °C = K - 273,15 K = 273,15 + °C

Fysikalske måleprinsipper De 1 2 3 4 5

fysikalske prinsippene som målemetodene bygger på, kan inndeles på følgende måte: Termoelektrisk effekt Elektrisk ledningsevne Utvidelse av gasser, væsker eller faste legemer Elektromagnetisk stråling Andre prinsipper

196

Tidskonstant Alle legemer, væsker og gasser har en termisk treghet eller såkalt varmekapasitet. Tempera­ turen kan altså ikke bygges opp eller avta momentant, se figur 6.1. Dersom vi har et temperaturelement i et medium, så vil temperaturelementet ikke kunne følge temperaturforandringene i mediet umiddelbart (dynamisk). Innstillingen til den nye temperaturen trenger tid.

Figur 6.1 Step!respons-kurve Teoretisk sett går det uendelig lang tid før måleelementet har oppnådd den nye temperaturen. For likevel å kunne angi hvor raskt eller langsomt for eksempel et temperaturelement rea­ gerer, bruker en den såkalte tidskonstant = t.

Definisjon Tidskonstant er tiden, målt i sekunder, som det tar før legemet har nådd 63,2 % av den foran­ dringen. i temperatur som en ønsker.

Eksempel Stikkes et temperaturelement som holder 0° i flytende metall som holder 1000°, og instrumen­ tet viser 632° etter 5 sekunder, så er altså t = 5 sekunder. Figur 6.2 viser prinsippet for hvordan temperaturen til måleelementet i eksempelet ovenfor vil forandre seg. Vi ser at temperaturøkningen vil være stor den første tiden etter at måleele­ mentet er dyppet ned. Det er fordi den store temperaturforskjellen mellom måleelementet og metallet gir stor varmetransport. Etter hvert som temperaturen i måleelementet stiger, blir temperaturøkningen pr. sekund mindre og mindre. Varmetransporten avtar fordi temperatur­ forskjellen mellom medium og måleelement avtar.

197 Følgende tabell angir hvor mange prosent av forandringen som oppnås etter 1 Tid % av forandring

t

2t

3t

4t

5t

63

86,5

95

98

99

t,

2 t,

osv.

Betrakter vi på nytt eksempelet med temperaturelementet som stikkes ned i flytende metall, så ser vi at selv etter 5 t = 5 • 5 = 25 sek, måler vi fremdeles 1 % feil. Tidskonstanten for temperaturelementer kan være atskillig mer enn 5 sekunder 1 til 2 minutter er ikke uvanlig. Ved måling med temperaturelementer, eller ved justering av dem, må en derfor sørge for å la temperaturelementet få tilstrekkelig tid til å oppnå riktig temperatur. Til hjelp bruker vi tids­ konstanten for å foreta en såkalt tidskonstantbetraktning. Hittil har vi gått ut ifra at temperaturelementet, i hvert fall etter lang tid, vil oppnå den ønskete temperatur. Men dette er ikke alltid tilfellet. For å beskytte temperaturelementet må en montere det i et beskyttelsesrør (lomme). Dette er vist på figur 6.3.

Temperaturen en ønsker å måle, er Tj på figur 6.3. Temperaturdifferansen fører til at det går en varmetransport Q til beskyttelsesrøret. Da koplingshodet og end el av beskyttelsesrøret står utenfor rør- eller tankvegg, vil dette kjøles, og dermed skjer en varmetransport Qj ut langs beskyttelsesrøret. På grunn av at varmeovergangen mellom mediet og beskyttelsesrøret ikke er uendelig god, men tvert imot kan representere en forholdsvis stor motstand, så vil dette føre til at T2 er lavere enn TP For de to neste ledd i kjeden beskyttelsesrør-luft og luft-element gjelder stort sett det samme. Resultatet blir at temperaturen på selve måleelementet T4 er lavere enn TP

198 Et elektrisk ekvivalentskjema for temperaturelementet er inntegnet på figur 6.4.

iw U4 = t4° R] - R3 og R5: Motstand mot varmetransport R2 og R4: Varmeledning (Q, og Q2) Cj - C2 og C3: Varmekapasitet (evnen til å lagre varme) For at forskjellen mellom T4 og T, skal bli minst mulig, er det viktig at innstikningslengden er så stor som mulig. Særlig for måling i væsker og gasser med liten bevegelseshastighet er det en alminnelig feil at innstikningslengden er for liten. Feilen kan reduseres ved følgende tiltak:

• Beskyttelsesrør gjøres tynnvegget • Beskyttelsesrør lages av god varmeleder • Muffe o.a. gjøres liten • Elementet bringes i metallisk kontakt med beskyttelsesrør. Varmeledende pasta kan også brukes for å oppnå god kontakt.

Foruten å plassere måleelementet i et beskyttelsesrør bruker en ofte i tillegg en lomme. Drifts­ messige forhold gjør at en slik monteringsmåte enkelte steder er nødvendig. Forholdene blir naturligvis da enda verre. En kan bare oppnå nøyaktige målinger med en slik montering der­ som en har svært store innstikningslengder. Tidskonstanten for målingen øker også betrak­ telig. Stilles det krav om nøyaktig måling, bør en overveie om det ikke er tilstrekkelig med en av delene: altså enten beskyttelsesrør eller lomme.

199 Utvidelse av faste og flytende stoffer Bimetalltermometer Bimetalltermometrene er aktive måleelementer og trenger derfor ingen hjelpespenning for å virke. De baserer seg på at metallene har ulike utvidelseskoeffisienter. To metallstrimler av ulike materialer valses sammen, som figur 6.5 viser.

Figur 6.5 Bimetall

Figur 6.6 Bimetall viklet i spiral- og sylinderform, a) spiral, b) enkel sylinder, c) dobbel sylinder

Når bimetall varmes opp, utvider metall 1 seg mer enn metall 2. Resultatet blir at bimetallet bøyer seg oppover. For å få tilstrekkelig lengde på bimetallet og dermed god følsomhet utformes de som spiraler eller i sylinderform, se figur 6.6. Bøyningen av bimetall kan utnyttes til direkte induksjon, ved overføring til en viser slik figur 6.7 illustrerer, eller gi et utsignal når en temperaturgrense er nådd. Det gjøres da ved at bøyningen gir en elektrisk kontakt.

Anmerkning: Ved oppvarming vrir bimetallet seg. Vridningen overføres til viseren Bimetall

Nullpunktjustering

Figur 6.7 Bimetalltermometer

200

Fylt termometer Vi skiller mellom to typer: 1 De som baserer seg på volumforandring. 2 De som baserer seg på trykkforandring, såkalte dampspenningstermometre.

Fylte termometre er basert på volumforandring Fylte termometre er aktive måleelementer som ikke trenger hjelpespenning. Figur 6.8 viser et termometer helt fylt med væske.

Væskefylt

Kolbe

‘z ♦ L iVarme

Kapillarrør (væskefylt)

Figur 6.8 Fylt system basert på volumforandring

Når kolben varmes opp, utvider væsken i kolben seg. Den presser på væsken i kapillarrøret og trykket øker i bourdonrøret, som da søker å rette seg ut. Bevegelsen i bourdonrøret overføres til en viser, som indikerer temperaturen rundt kolben på en skala. Kompensering for variasjoner i omgivelsestemperaturen gjøres på to forskjellige måter: 1 Man setter inn ekstra bourdonrør og kompensasjonskapillar 2 Man gjør bruk av bimetall

Figur 6.9 viser kompensering med ekstra bourdonrør og kompenseringskapillar.

201 Dersom temperaturen endres langs kapillarrøret og i instrumentet, endres trykket i de to bourdonrørene like mye. Bevegelsene i bourdonrørene virker imidlertid mot hverandre og får der­ for ingen innvirkning på målingen. Denne typen kompensering tillater kapillarrør med lengde helt opp til 50 meter. Den andre typen kompensering, med bimetall, er vist på figur 6.10. Det er satt inn et bimetall i overføringen fra bourdonrøret til viseren. Bimetallkompensator

Figur 6.10 Kompensering med bimetall

Endringer i temperaturen i det indikerende instrumentet kompenseres ved at bimetallet rea­ gerer motsatt av bourdonrørets bevegelse.

Gassfylte termometre Gassfylte termometre baserer seg på at trykket i en gass som er innestengt i et konstant volum, er proporsjonal med den absolutte temperaturen. Kolben må i slike termometre gjøres mye større enn for de væskefylte termometrene. De mest brukte gassene er helium og nitrogen. Gassfylte termometre brukes i området fra -200 til +600 °C, med et minste måleområde fra om lag 70-100 °C. Fordelen med gassfylte termometre er at heliumet og nitrogenet sjelden gjør skade i proses­ sen dersom de skulle lekke ut.

Delvis væskefylte termometre, dampspenningstermometre Delvis væskefylte termometre er også aktive måleelementer. I de delvis væskefylte systemene har vi væske og mettet damp, slik at det er damptrykket, (dampspenningen) som vil være et mål for temperaturen. Felles for alle dampspenningstermometre er at de måler temperaturen på overgangen i fasen mellom damp og væske. Alle dampspenningstermometre har den fordelen at de ikke trenger kompensering for omgivelsestemperaturen. På grunn av damptrykkurvens ulineære form må instrumentet ha en ulineær skala, som vist på figur 6.11.

50 .40

Damp

Damp over væske

Væske

Figur 6.11 Dampspenningstermometre har ulineær skala Fordelen med alle fylte termometre er at de ikke trenger noen hjelpeenergi.

202

Termoelektrisk spenning Termoelementer Termoelementer er aktive måleelementer. Termoelektriske temperaturmålinger er stort sett mulig for temperaturer opp til 2000-3000 °C. Målemetoden gjør det mulig å ha anviserinstrumentet forholdsvis langt borte fra selve målestedet. Videre trenger en ikke noen fremmed hjelpespenning. Et termoelement består av to metalltråder som er loddet eller sveiset sammen i den ene enden, uten bruk av et tredje metall, se figur 6.12.

Ved oppvarming av loddestedet til en temperatur T2 oppstår det en elektrisk spenning U mel­ lom de to frie endene som ligger på temperatur T,. Størrelsen av denne spenningen er avhen­ gig av temperaturforskjellen mellom loddepunktet og de frie endene, det vil si av forholdet mellom T2 og TP Videre spiller valget av metaller i termoelementet inn. De metaller som brukes, bør så godt som mulig tilfredsstille følgende krav: • Størst mulig termospenning • Konstant termospenning ved de forskjellige temperaturer også etter lang tids kontinuerlig drift • Minst mulig fordampning, det vil si lang levetid • Mekanisk solid • Rimelig pris Alle disse kravene kan ikke tilfredsstilles av én og samme type termoelement både ved høye og lave temperaturer. Noen av de aktuelle stoffene en kan bruke, er angitt i tabellen nedenfor. Termospenningen er angitt i forhold til platina. Tallene gjelder for loddepunktet på 100 °C og de frie endene, som vanligvis kalles kaldpunkt eller referansepunkt, som ligger på 0 °C. Materiale

Konstantan Nikkel Platina Platinarhodium Kobber Jern Kromnikkel

Spenning i mV

-3,5 ... ...-3,04 - 1,94 .. ... - 1,20 0 + 0,65 ... .. + 0,90 + 0,72 ... .. + 0,77 + 1,87 ... .. + 1,89 + 2,20

203 Eksempel Et termoelement er av jern og konstantan. og har oddepunkt på 100°, kaldpunkt på 0°. Bruker en middelverdien for tallene i tabellen, blir termospenningen: U = + 1,88 - (-3,27) = 5,15 mV

Av disse og en rekke andre forskjellige metaller er det blitt laget en hel del forskjellige termoelementer. Etter hvert har en imidlertid standardisert på følgende typer: kobber - konstantan

(Cu - konstantan) kalles også type T

jern - konstantan

(Fe - konstantan) kalles også type J

nikkelkrom - nikkel

(NiCr - Ni) kalles også type K

platinarhodium - platina

(PtRh - Pt) kalles også type R eller S, avhengig av legering

Den siste typen lages i tre utførelser: en med 10 %, en annen med 13 % og en tredje med 18 % rhodium. Sammensetningen av legeringene er også normert slik at termoelementene er nøyaktigere enn tabellen ovenfor gir uttrykk for. En må imidlertid være oppmerksom på at normene i for eksempel Tyskland og USA er forskjellige, slik at termoelementer fra disse to land ikke kan brukes om hverandre. I Norge brukes mest termoelementer som følger de tyske DIN-normene. Toleransen for disse elementene finner en angitt i de fleste håndbøker. Generelt kan en imidlertid merke seg at toleransene for termoelementer av Fe-konstantan, NiCr-Ni og PtRh-Pt etter DIN ligger på fra ca ±3 til ±6 °C. For valg av termoelementtype kan det ikke gis noen eksterne retningslinjer. For kontinuerlig drift i ren luft viser driftserfaringer at de fire hovedtypene av termoelementer kan brukes opp til følgende temperaturer: Cu - konstantan

300-400°

(uedle metaller)

Fe - konstantan

500-600°

(uedle metaller)

NiCr - Ni

800-900°

(uedle metaller)

PtRh - Pt

1300-1400° (edle metaller)

På grunn av at en får høyere termospenning ved de uedle termoelementer enn ved de edle, og fordi prisen er lavere, søker en gjerne å anvende uedle termoelementer så langt som råd. Tall­ ene ovenfor må derfor oppfattes som rettledende. Innvirkning av skadelige gasser og hurtige temperaturvariasjoner vil medføre at de enkelte termoelementer ikke vil tåle de angitte tem­ peraturer. Videre kan termospenningen forandre seg ved at legeringen forandres fordi de påvirkes av forurensninger fra omgivelsene eller av andre årsaker.

204 Tabeller for termoelementer I tabell 6.1 og 6.2 vises termoelementspenningen til et termoelement av type Fe-konstantan og Nicr-Ni.

Eksempel på bruk av tabellene Regneeksempel for tabell 6.1 For et termoelement av type Fe-konstantan er avlest måleverdi med nøyaktig voltmeter 32,05 mV. Temperaturen i kaldpunktet var -20 °C. Beregn temperaturen i målepunktet.

Løsning - 20 °C tilsvarer -0,995 mV. Da får vi: 32,05 mV - 0,995 mV

= 31,055 mV Av tabellen ser vi at 560 °C tilsvarer 30,782 mV. Vår avlesning er 31,055 mV - 30,82 mV = 0,273 mV høyere.

Men 0,273 mv tilsvarer °’273fflV = 4 789°C 0, 057mV/°C ’

Svar: Temperaturen er 560 °C + 4,756 °C = 564,756 °C « 564,8 °C Regneeksempel for tabell 6.2 Et termoelement av type NiCr-Ni har avlest måleverdi 38,915 mV, målt med et meget nøyak­ tig voltmeter. Temperaturen i kaldpunktet var da +24 °C. Beregn temperaturen i målepunktet.

Løsning Av tabell 6.2 finner vi at 24 °C tilsvarer 0,777 mv + 4-0,039 mV = 0,933 mV Riktig mv-verdi er da 38,915 mV + 0,933 mV = 39,848 mV Av tabellen ser vi at 960 °C tilsvarer 39,703 mV Rest = 39,848 mV - 39,703 mV = 0,145 mV, som tilsvarer

0, 17mV/0, 039

mV

= 4, 36°C

Svar: Temperaturen i målepunktet er 963,72 °C.

205

°C

mV

mV/°C

0.0231 0.0257 0.0280 0,0301 0,0322 0.0340 'l! 0.0358 5 80’ 0.0375 5.426 „„„„„ 0.0390 5,036 0.0404

-200 -7^ 190 7 659 100 7,402 170 7 1 22 160 6,821 150 6 490 140 130 120 110

0.0552 420 22 949 0.0552 430 23,5°’ 0.0553

24 054 24 607 25,161 25,716 26 272 26 829

mV

0,0553 0.0554 0.0555 0.0556 0,0557 0.0559

°C

mV/°C

mV

+ 0+0 * 1^00430 + 10 + 0 507 20 1 019 3 785 0,0441 30 3 344 0 0452 40 2’°“ 2 892 0.0461 50 2,585 2,431 0.0471 60 3715 7960 0,0479 70 1'48 ’ 0.0486 80 47 86 ° "5 0,0494 90 4 725 0W1 0,0501

-1°° -4,632

90 80 70 60 50 40 30 20 10

510 520 530 540 550 560 570

27 949 28511 29 075 29 642 30 210 30782 31,356

mVrC

0,0507 0,0512 0,0517

0.0527 0,0530 0,0534 0.0537 0,0539 0,0543

+ 600 +33.096 0()587

+ 500 + 27,388

+400+21.846 410 22,397

440 450 460 470 , 480 ’ 490

•C

0,0562 0,0564 0,0567 0.0568 0,0572 0.0574 „„„ 0.0577 580 31 933 0,0580 590 32 513 0,0583

610 33,683 0,0590 620 34.273

630 640 650 660 670 680 690

34,867 35,464 36,066 36,671 37,280 37,893 38,510

0,0597 0,0602 0,0605 0,0609 0,0613 0,0617 0.0620

°C

mV

+ 100 +5,268 110 120 130 140 150 160 170 180 190

5,812 6,359 6,907 7,457 8 008 8 560 9,113 9,667 10.222

+ 700+39,130 710 720 730 740 750 760 770 780 790

39754 40,382 41,013 41,647 42,283 42,922 43,563 44.207 44,852

mVrC

°C

mV

+200+10,777 210 11,332 __ , 220 11,887 230 12,442 240 12 998 250 13,553 260 14 108 270 14,663 0,0554 280 15,217 ’ „ 0,0555 290 15.771 ’ 0,0555

0,0544 0.0547 0.0548 0,0550 0,0551 0,0552 0,0553

mV/°C

•C

mV

mVrC

n„„ +300+16.325 0,0555 310 16,879 0,0553 0.0555 320 17,432 0,0552 0,0555 330 17,984 0,0553 0,0556 340 18 ™ 0 0552 0.0555 350 19,089 0,0551 0,0555 ' „ 360 19,640 0,0552 0,0555 , 370 20,192 0,0551 0,0554 x 380 0.0552 0,0554 390 21,295 0,0551 0,0554

+900 +51.875 0 0621 + 800 + 45,498 0.0646 810 46,144 ’ 910 52,496 0.0619 0,0646 820 46 790 ’AA 920 53,115 0,0614 0,0644 830 47.434 930 53729 0.0612 0,0642 840 48,076 940 54,341 0.0607 0,0640 850 48,716 ' „o 950 54,948 0,0605 0,0638 0,0639 860 49.354 " „ 960 55,553 0,0602 ’ 0,0635 0,0641 870 49.989 970 56,155 0,0598 0,0632 0,0644 880 50,621 „„„ 980 56753 0,0596 „'c 0 0628 0,0645 990 57,349 0,0593 890 51,249 „„„ 0,0626 0,0646 +1000+57,942

0,0624 0,0628 0,0631 0,0634 0,0636

Tabell 6.1 mV/°C tabell for Fe-konstantan, typeJ termoelement DIN IEC 584-1. Referansetemperatur 0 °C

"C

mV

mvrc

-200 -5.891

190 180 170 160 150 140 130 120 110

5,730 5,550 5,354 5'?1 4,912 4.669 „ 4.410 4,138 3,852

0,018 0 020 0.021 0,023 ’A 0,024

0,026 0,027 0.029 0,030

16,818 17’*1 17,664 18,088

0.042 0,042 0,042 0 043

450 18,513 460 18,938 470 19,363 480 19.788 490 20,214

0.044 0,043 0,044

0,043 ’ „ 0,043

+ 1000+41,269 1010 41,657

1020 42,045 1030 42,432 1040 42,817 1050 1060 1070 1080 1090

mV

mVrC

-100 -3,553 0,031 90 3.242 ’ „ __ 0,032 80 2,920 0,033 70 2,586 0 034

60 50 40 30 20 10

2,243 1,889 1,52 1,156 0,777 0,392

0,035 0,036 0.037 0,038 0,039

0,040

+ 500 + 20,640 0 043

+400+16,395 410 420 430 440

°C

0,039 0,039 „ „„„ 0,039 n 0,039 0 039 0 038

43,202 43,585 43,968 0,038 44,349 0,038 44,729 ' o 0,038

510 520 530 540 550 560 570 580 590

21,066 0,043 21,493 0 043 21,919 0 043 22,346 0,043

22,772 23,198 23,624 24,050 24,476

0,043 0 043 0,043 0 043 0.043

+ 1100M5.108

1110 45,486 0.038 1120 45,863 nn„o __ 0,038 1130 46.238 1140 46,612 0 037 1150 46.985 1160 47.356 1170 47,726 0 037 1180 48,095 0,037 1190 48,462 ’ _ 0,037

°C

mV

mVrC

°C

mV

mV/°C

°C

mV

mVrC

•c

mV

mV/~C

± ° ±0 0,040 + 10 + 0,397 0,040 20 0,798 0.040 30 1,203 0.041 40 1,611 0.041 50 2,022 0.041 60 2,436 0,041 70 2,850 0,042 80 3,266 0,042 90 3,681 0,041

+ 100 + 4,095 o,O41 110 4,508 0,041 120 4,919 0,041 130 5,327 0,041 140 5,733 0,040 150 6,137 0,040 160 6,539 0.040 170 6,939 0,040 180 7,338 0,040 190 7,737 0:040

+200 + 8,137 0.040 210 8,537 0.040 220 8,938 0 040 230 9,341 0,040 240 9,745 0,041 250 10,151 0,041 260 10,560 5.041 270 10,969 0 041 280 11,381 0041 290 11.793 0 M1

+300+12.207 0 W2

+600 + 24,902

+ 700+ 29,128 710 29,547 0:042

+800+33.277

+900 +37.325

610 25,327 0,042 620 25,751 0,043 630 26,176

640 26,599 0,042 650 27.022

720 730 740 750

29,965 0,042 30,383 0 042 30,799 0,042 31,214

27,445 27,867 0,042 28,288 0 042 28.709 ° M2

760 31,629 0,041 770 32,042 ’ , 0,041 780 32,455 ’ 0,041 790 32,866 0,041

+ 1200+48,828 0036 1210 49.192

+ 1300+52,398 „ 0,035 1310 52,747 _ 0 035 1320 53,093

66° 670 680 690

1220 49.555 1230 49.916

1240 1250 1260 1270 1280

50,276 0.036 50,633 50,990 51,344 51,697

310 320 330 340 350

12,623 0X142 13.039 0 M2 13,456 O’o42 13.874 14,292

360 14,712 0,042 370 15,132 0,042 380 15,552 0,042 390 15,974 0 042

610 33,686 0 041 820 34,095

910 37,724 0 040

830 34,502

930 940 950 960 970 900

840 34,909 0.041 850 35 314 0,040 860 35,718 0,040

870 36,121 0,040 880 36,524 0 040 890 36,925 0,040

920 38,122 0,040

30,519 30,915 39,310 39,703 40,096 40,488 990 40,879

1330 53,439 0 034 1340 53,782 0,034 1350 54,125

1360 54,466 0 034 1370 54,807

1290 52,049 0 035

Tabell 6.2 mV/°C tabell for NiCr-Ni, Type K termoelement DIN IEC 584-1. Referansetemperatur 0 °C

0 040 OXMO 0 039 0 039 0,039 0 039 0 039

206 Tabell 6.3 viser toleransen for termoelementer. TOLERANSER SPESIAL

OMRÅDE °C

STANDARD

CHROMEL-ALUMEL K

0-277 272 - 1260

±2,2°C ±3/4%

±1,1°C ±3/8%

JERN-KONSTANTAN J

0-277 277 - 1260

±2,2°C ±3/4%

±1,1% ±3/8%

KOBBER-KONSTANTAN T

-184-59 -59 - 93 93-371

±2% ±1,1°C ±3/4%

±1% ±0,55°C ±3/8%

PLATINA-RHODIUM

0-538 538 - 1482

±2,78°C ±1/2%

±1,39°C ±1/4%

Tabell 6.3

Beskyttelse av termoelementer Ved de fleste kontinuerlige målinger kan en ikke la termoelementet komme i direkte kontakt med mediet. Man må beskytte elementet med et beskyttelsesrør (lomme). Beskyttelsesrøret kan ha til oppgave å beskytte elementet rent mekanisk mot angrep fra syrer eller gasser eller for å gjøre det lettere å skifte til et nytt element. Ved høye temperaturer vil en ofte finne at et beskyttelsesrør som er tilstrekkelig mekanisk solid, ikke er tilstrekkelig gasstett. På figur 6.13 vises termoelementet montert i beskyttelsesrør.

Figur 6.13 Termoelementet i beskyttelsesrør med koplingshode

Kompensasj onskabel Som tidligere nevnt vil den spenningen et termoelement gir, være direkte avhengig av temp­ eraturdifferansen mellom lodpunktet og kaldpunktet. Dersom spenningen skal være et entydig mål for den temperaturen en søker, må derfor kaldpunktet ligge på en konstant og kjent tem­ peratur. I termoelementets koplingshode vil temperaturen variere sterkt med mediets og omgivelsens temperatur.

207 Termoelementets avslutning, det vil si kaldpunktet, kan altså ikke legges her. For å forlenge termoelementet til et sted hvor temperaturvariasjonene er så små at de kan godtas, eller hvor man kompenserer elektronisk, brukes en såkalt kompensasjonskabel. Figur 6.14 viser en prinsippfigur for kompensasjonskabel tilkoplet termoelement. Kompensasjonskabel

Tilledning Ot

Koplingshode

Termoelement

Referansepunkt

T Målepunkt

Figur 6.14 Prinsippfigur for kompensasjonskabel tilkoplet termoelement For de uedle termoelementer lages kompensasjonskabelen av samme materiale som termo­ elementet. For de edle termoelementer lages kabelen av billigere legeringer, men slik at termospenningen er den samme opp til ca 300°. Kompensasjonskabelen er altså i seg selv et termoelement, og for hver enkelt termoelementtype må en altså bruke tilsvarende kompensa­ sjonskabel.

Figur 6.15 Termoelement tilkoplet kompensasjonskabel (Instrutek A/S) For på en enkel måte å kunne skille de forskjellige kompensasjonskablene fra hverandre brukes følgende DIN-normert fargekode:

Cu - konstantan:

brun

Fe - konstantan:

blå

NiCr - Ni:

grønn

PtRh - Pt:

hvit

Betegnelsen av termoelementer er valgt slik at den positive leder blir nevnt først. Ved for eksempel Fe-konstantan vil jerntråden være +leder. I henhold til DIN-normene skal den tilsvarende +leder i kompensasjonskabelen være merket med rødt.

208 Tabell 6.4 viser en sammenlikning av DIN-normert fargekode mot ASTM- og BS-standarder. BS

DIN

ASTM TPDKXnPI PKXPNTT 1 LixIVIkJLL/Livli_/P ’i l

+

-

utv.

+

-

utv.

+

-

utv.

Chromel-Alumel NiCr - Ni (type K)

gul

rød

gul

rød

grønn

grønn

brun

blå

rød

Jem-Konst. (type J)

hvit

rød

svart

rød

blå

blå

gul

blå

sort

Kobber-Konst. (type T)

blå

rød

blå

rød

brun

brun

hvit

blå

blå

Piatina-Rhodium (type S/R)

svart

rød

grønn

rød

hvit

hvit

hvit

blå

grønn

Tabell 6.4 En sammenlikning av DIN-normert fargekode mot ASTM- og BS-standarder

Bestemmelse av pluss og minus på et termoelement Det kan ofte være problematisk å finne pluss og minus på et termoelement dersom trådene ikke er merket. For chromel-alumel gjelder det at alumeltråden er negativ og magnetisk. For jern-konstantan gjelder det at jerntråden er positiv og magnetisk.

Ofte er skrutrekkere litt magnetiske. Det er derfor nok å legge skrutrekkeren forsiktig inntil lederne for å konstatere hvilken leder som er magnetisk. Da kompensasjonsledningen er en forlengelse av termoelementet, skal termoelementets og kompensasjonskabelens plussledere koples sammen. Kompensasjonskabler lages i en rekke forskjellige utførelser for å tilfredsstille ulike krav til elektrisk isolasjon og mekanisk beskyt­ telse.

Måleomformere Termoelementer brukes som regel sammen med elektroniske forsterkere, som er det samme som måleomformere. Disse måleomformerne har justeringsmuligheter for laveste og høyeste måleverdi. Laveste måleverdi kalles nullpunktet. Forskjellen mellom høyeste og laveste måleverdi kalles måleområde. Utgangssignalet fra forsterkerne er 4-20 mA innenfor måleomfanget. Figur 6.16 viser sam­ menkopling av et termoelement og en elektronisk forsterker.

4-20 mA

Figur 6.16 Måleomformer for termoelement (Null - nedre målegrense, Omr. = øvre måle­ grense)

209 Figur 6.17 viser hvordan man elektronisk kompenserer for temperaturendringer i referan­ sepunktet.

Figur 6.17 Kompensering for temperaturvariasjoner i referansepunktet

Figur 6.18 viser en måleomformer montert i måleelementets koplingshode.

Figur 6.18 Termoelement med måleomformer i koplingshuset

Figur 6.19 viser termoelementet tilkoplet ekstern måleomformer via kompensasjonskabel.

Figur 6.19 Termoelement koplet til indikator (InstrutekA/S)

210 Håndtermometre På markedet finnes mange typer elektroniske håndtermometre for manuell måling. På figur 6.20 vises et eksempel.

Figur 6.20 Instrument med termoelement for manuell temperaturmåling (InstrutekA/S)

Måling av temperatur ved hjelp av elektrisk ledningsevne Resistanstermometer Temperaturmåling med resistanstermometer baserer seg på den endring en får i metallenes spesifikke resistans når temperaturen forandres. I et metall av en bestemt renhet eller i en legering av en bestemt sammensetning vil en ved en bestemt temperatur finne en bestemt spesifikk resistans. Er sammenhengen mellom tem­ peratur og spesifikk resistans kjent, så kan en ved en eller annen form for resistansmåling bestemme temperaturen i metallet. Sammenhengen mellom temperatur og resistans uttrykkes ved temperaturkoeffisienten. Fra elektroteknikken har vi likningen: Rt = Ro[l + a(T-To)]

Likning 6.3

der Rt er resistansen til metallet ved temperaturen T. a = temperaturkoeffisienten Alle rene metaller har en positiv cx, det vil si at motstanden vokser med temperaturen. Ved valg av materiale bør følgende krav oppfylles:

1 2 3 4

Det bør være definert sammenheng mellom temperatur og resistans også etter lang tids bruk Det bør være stor temperaturkoeffisient Materialet bør kunne bearbeides til en tråddiameter på 0,05-0,1 mm Materialet må lett kunne raffineres til ønsket renhet slik at en får minst mulig spredning mellom de enkelte termometre

211 Det metall som oppfyller disse betingelser best, og som derfor er mest benyttet i resistanstermometre, er platina. Det har et forholdsvis høyt smeltepunkt (1760°) og er selv ved høye tem­ peraturer så korrosjonsbestandige at det for mer vitenskapelige målinger har vært brukt helt opp til 1100°. På markedet finnes standard platinatermometre med betegnelsen Pt-100, Pt-500 og Pt-1000. Disse betegnelsene står for følgende: Pt = platina 100 = 100 Q ved 0 °C 500 = 500 Q ved 0 °C 1000 = 1000 Q ved 0 °C

For kontinuerlige driftsmålinger kan en bruke platinatermometre i området fra -200 til +900 °C. I dette området vil en finne at platinatermometeret i seg selv har en nøyaktighet som er like god eller bedre enn det en finner ved alle andre termometre, forutsatt at det er riktig kon­ struert og korrekt behandlet.

Temperaturkoeffisienten a til platina er ikke stor. DIN-normene angir ocpt = 385 • 1(F3 Q/°C Et annet materiale som tilfredsstiller kravene ganske bra, er nikkel. Det har en høyere temperaturkoeffisient enn platina: ocNi = 670 • IO-3 Q/°C

Nikkel brukes sjelden over +180°. Over den temperaturen får vi strukturforandringer i metalletsom vil forandre.

°c -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -30 -20 -10

Q

10,41 18,53 27,05 35,48 43,80 52,04 60,20 68,28 76,28 84,21 88, 17 92,13 96,07

°C 0 10 20 30 40 50 60 80 100 120 140 160 180

Q

100,00 100,90 107,79 111,67 115,54 119,40 123,24 130,24 138,50 146,06 153,57 161,04 168,47

°C

200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440

Tabell 6.5 resistansverdier for Pt-100-elementet.

Q

175,84 183,17 190,46 197,70 204,88 212,03 219,13 226,18 233,19 240,15 247,06 253,93 260,75

°C 460 480 500 520 540? 560 580 600 620 640 660 700 750

Q

267, 52 274,25 280,93 287,57 294,16 300,70 307,20 313,65 320, 05 326, 41 332,72 345, 21 360,55

212 Tabell 6.6 viser toleransegrenser for Pt-100-elementer etter DIN 43760. KLASSE B

1/3 DIN

KLASSE A

1/10 DIN

OHM

“C

OHM

“c

OHM

lC

OHM

"c

-200

0,56

1,30

0,24

0.55

0,18

0,43

0,06

0,13

-100

0,32

0,80

0,14

0,35

0,11

0,26

0,03

0,08

±0

0,12

0,30

0,06

0,15

0,04

0,10

0,01

0,03

+ 100

0,30

0,80

0,13

0,35

0,10

0,26

0,03

0,08

+200

0,48

1,30

0,20

0,55

0,16

0,43

0,05

0,13

+300

0.64

1,80

0,27

0,75

0,21

0,60

0,06

0,18

+400

0,79

2,30

0,33

0,95

0,26

0,76

0,08

0,23

+500

0,93

2,80

0,38

1,15

0,31

0,93

0,09

0,28

+600

1,06

3,30

0,43

1,35

0,35

1,1

0,11

0,33

Alle oppgitte verdier er ±.

Tabell 6.6 Toleransegrenser for Pt-100-elementer

Oppbygning av resistanstermometeret Måten selve resistansen bygges opp på er avhengig av hvilke temperaturer den skal brukes for. Mest vanlig er det å smelte platinaviklingen inn i et glassrør, se figur 6.21. Resistanstermometre av denne typen i standard utførelse tåler kontinuerlig drift opp til ca 500 °C, i spesialutførelse opp til +900 °C.

Figur 6.21 Figuren viser et Pt-100 element Resistanstermometrene monteres vanligvis i et beskyttelsesrør, figur 6.22, med koplingskode på samme måte som termoelementer. De samme betraktninger om varmeledning, temperatur­ fall og tidskonstant gjelder også her.

Figur 6.22 Pt-100-element i beskyttelsesrør

213 Resistanstermometre brukes nesten alltid sammen med elektroniske måleomformere. Måle­ omformere består av en såkalt Wheatstones målebro og forsterker. Figur 6.23 viser Pt-lOOelementet koplet til en elektronisk måleomformer med 4-20 mA utgang.

Trelederkopling I mange tilfeller ønsker man ikke å plassere måleomformeren på samme sted som Pt-100-elementet. Man må da ta hensyn til de temperaturvariasjonene som kan forekomme i signalkabelen fra Pt-100-elementet til måleomformeren. Resistansverdien i kabelen endres når temperaturen i kabelen endrer seg. Denne resistansendringen vil derfor medføre målefeil. For å kompensere for denne målefeilen benytter vi trelederkopling. Figur 6.24 viser en slik kopling.

Figur 6.24 Figuren viser bruk av trelederkopling mellom måleelement og måleomformer

214 På figur 6.24 ser vi at målebroen består av to brogreiner: 1 Spenningskilde + -> punkt A -* gjennom ledning D gjennom Pt-lOO til punkt x 2 Fra punkt x gjennom ledning C -> gjennom R4 til punkt B -» spenningskilde Spenningen over broen tas ut ved punkt x og y til forsterkeren. Vi forutsetter at ledningene A og B er laget av samme materiale og har samme tverrsnitt. Temperaturvariasjoner langs ledningene vil da forårsake de samme resistansvariasjoner i de to brogreinene og får derfor ingen innflytelse på målingen. Figur 6.25 viser en måleomformer med fiberoptisk utgang.

Figur 6.25 Programmerbar digital måleomformer med Pt-100-element og fiberoptisk utgang (Fuji).

Firelederkopling I praksis kan endringer i resistansen i ledningen fra punkt x til broen gi små målefeil. Stilles det store krav til målenøyaktigheten, som for eksempel i laboratorier, brukes firelederkopling, se figur 6.26. Måleomformer

Figur 6.27 viser Pt-100-element koplet i en måleomformer. Måleomformeren gir 4-20 mA signal til den digitale indikatoren for panelmontasje. Panelindikatoren forsyner også måleom­ formeren med driftsspenning.

215

Figur 6.28 viser Pt-100-element med måleomformeren montert i koplingshodet.

Figur 6.28 Pt-100-element med måleomformeren montert i koplingshodet

Termistorer Vi kan også bruke halvledermaterialer til måling av temperatur. Når det gjelder de halvledermaterialene som brukes, er det en meget ulineær sammenheng mellom temperatur og resist­ ans. Temperaturkoeffisienten er meget stor, mye større enn for platina. NTC-termistoren har fallende resistans med økende temperatur, altså negativ temperaturkoeffisient. Resistansen varierer logaritmisk med den absolutte temperatur etter likningen

Likning 6.4

To = referansetemperatur B = materialkonstant Ro = resistansen ved To = 273 K

216 Termistorer har stor produksjonsspredning i resistansen, og de må derfor kontrolleres. Produksjonsspredningen må det kompenseres for i hvert enkelt tilfelle. Figur 6.29 viser typiske utførelser av NTC-resistanser.

Figur 6.29 Eksempel på utførelse av NTC, og PTC-motstander (resistanser)

Figur 6.30 viser karakteristikken til NTC-resistanser tegnet sammen med karakteristikken til et platinaelement.

Figur 6.30 Sammenlikning av karakteristikk for termistorer og et motstandselement av platina

217 Figur 6.31 viser typisk utførelse av et komplett måleinstrument med NTC-resistans og måleomformer.

NTC-resistans

Innebygd måleomformer

Figur 6.31. NTC-måleresistans med måleomformer for 0-10-V-utgang. Utgangen er Unearisert

Figur 6.32 Måleomformer med NTC-måleelement tilkoplet forsyningsspenning. Diagrammet på figur 6.33 viser en grafisk framstilling av inn- og utgangsvariabler for måle­ omformeren på figurene 6.31 og 6.32. Måleomformerens utgang er lineær.

Figur 6.33 Grafisk framstilling av måleomformer

218 Istedenfor synkende resistanse ved økt temperatur kan vi få termistorer hvor motstanden øker når temperaturen stiger. Disse kalles PTC (Positive Temperature Coeffisient). Figur 6.34 viser typiske karakteristikker for NTC- og PTC-resistanser.

Figur 6.34. Karakteristikk for PTC- og NTC-resistans

Måling av temperatur ved hjelp av elektromagnetisk stråling Strålingspyrometer Alle temperaturelementer vi har beskrevet til nå, er basert på å være i direkte kontakt med måleobjektet. Skal en måle temperaturer over ca 1400 °C, må en foreta på temperaturmålinger basert på strålingen som det varme legemet sender ut (direktemålingsprinsippet). De mest brukte strålingspyrometrene er totalstrålingspyrometeret og delstrålingspyrometeret.

T otalstrålingspy rometeret Figur 6.35 viser en prinsippfigur for et totalstrålingspyrometer. Totalstrålingspyrometer

Figur 6.35 Totalstrålingspyrometer Pyrometeret rettes mot det varme legemet. Varmestrålingen kommer inn gjennom pyrometerets vindu. Den fokuseres av en linse, og treffer et termoelement i linsens brennpunkt. Termoelementet varmes og avgir en spenning som er en funksjon av temperaturen til det varme legemet. Temperaturen rundt pyrometeret kan variere. Derfor må målingen temperaturkompenseres. Totalstrålingspyrometre blir brukt når man har behov for å kontrollere temperaturen hele tiden. Et eksempel på anvendelse er måling av temperaturer i roterende sement- og smelte­ ovner.

219 Delstrålepyrometeret Figur 6.36 viser en prinsippfigur for et delstrålepyrometer. Prinsippet er at man sammenlikner måleobjektets lysstyrke innenfor et lite område med lysstyrken fra en justert strålingskilde. Denne justerbare strålingskilden er vanligvis en glødelampe. Varm flate

Figur 6.36 Delstrålepyrometer Pyrometeret på figur 6.36 er oppbygd som en kikkert. Mellom objektivet og okularet ligger en glødelampe. Et filter slipper gjennom det ønskete lysspektrum. Ved hjelp av et potensiometer kan man variere strømmen og dermed temperaturen på glødetråden. Før målingen skal linsen innstilles slik at først glødetråden, og deretter måleobjektet sees skarpt. Holder en nå pyrometeret mot et måleobjekt som har tilstrekkelig høy temperatur, vil glødelampen i strømløs tilstand avtegne seg mørk mot lysende bakgrunn. Deretter øker man strømstyrken, slik at det ser ut som midten av glødetråden forsvinner. Da vil den gå i ett med bakgrunnen fordi den har samme temperatur som måleobjektet. Temperaturen på glødetråden er direkte avhengig av strømmen, og indikatoren kan derfor deles inn i celsiusgrader. Temperaturen på glødetråden kan imidlertid ikke overskride en viss grense (ca 1500 °C) uten at forholdet mellom strøm og temperatur forandres. For å kunne utvide måleområdet mot høyere temperatur må en derfor kople inn et gråfilter. Gråfilteret svekker lysstyrken fra måleobjektet med en viss faktor. Denne type pyrometer, som også kalles et optisk pyrometer, er ikke egnet for kontinuerlig måling, siden øyet inngår som en del av instrumentet.

Andre målemetoder for måling av temperatur Akustiske termometre bygger på prinsippet om at lydhastigheten i en gass er temperatu­ ravhengig. Slike termometre kan benyttes opp til 3100 °C.

Kvartstermometeret bygger på prinsippet om at når et kvartskrystall slipes på en spesiell måte, blir resonansfrekvensen temperaturavhengig. Signalet (frekvensen) kan overføres over store avstander uten tap av nøyaktighet.

220 Termostater En termostat, figur 6.37, består av et temperaturfølende element og en bryter eller relé. Kolben og kapillarrøret er væskefylt. Når temperaturen stiger, øker damptrykket over væsken i kolben 1, kapillarrøret 2 og belgen 3. Belgen utvider seg, noe som gir en kraft på stammen 5. Den videre funksjonen er som for pressostaten.

Figur 6.37 Prinsippskisse av en termostat

Figur 6.38 viser forskjellige typer termostater.

Figur 6.38. Termostater med henholdsvis måleelement for a, rommåling, b, måleelement for kanalmontasje, c, med kolbe, d, for måling av temperaturdifferanse

221 Kontroll og kalibrering Kontroll av termoelement En kalibreringsovn gir kontrollerte temperaturer for testing av måleelementer, se figur 6.39. Kalibreringsovnen har en digital avlesning som viser temperaturen i ovnen. Man ønsker ofte å montere et ekstra kvalitets-Pt-100-element i et eget hull i ovnsblokken. Det gjøres for å kunne avlese temperaturen med instrumenter av høyere kvalitet enn dem som leveres med ovnen i standardutgave.

Figur 6.39 Termoelementplassert i kalibreringsovn og tilkoplet mV-meter

Temperaturen i referansepunktet må også måles. Det kan gjøres med et kvalitetstermometer av glass eller et elektronisk termometer. For å måle termoelementets spenning må man benytte en mV-standard. En mV-standard er et instrument som kan avgi en mV-spenning med stor nøyaktighet. Instrumentet skal ha spor­ barhet mot en høyere kalibrert standard.

T repunktskontroll Det er ikke mulig å foreta noen justeringer på et termoelementet. Vi kan derfor bare foreta en kontroll av termoelementets nøyaktighet. Denne kontrollen utføres vanligvis slik at vi kontrol­ lerer tre temperaturer. Disse temperaturene er • omgivelsestemperatur • temperaturer midt i måleområdet • temperaturen i øvre grense av måleområdet

Før termoelementet plasseres i temperaturovnen må man avlese termometeret for omgivelsestemperaturen. Denne vil nå være lik temperaturen i målepunktet. mV-meteret skal nå vise OmV. Still så ovnstemperaturen til den temperaturen som tilsvarer midten av måleområdet. Noter omgivelsestemperaturen. Slik kompenseres det for omgivelsestemperaturen: mV som tilsvarer omgivelsestemperaturen

+

mV som tilsvarer temperaturen midt i måleområdet mV som er kompensert for omgivelsestemperaturen

222 Eksempel Termoelement type J Omgivelsestemperatur 20 °C Målt temperatur 50 °C Løsning Avlest spenning ved 50 °C - 1,566 mV. Av tabell finner vi at 20 °C tilsvarer 1,019 mV.

Dermed får vi for kontrollen midt i området: 1,019 mV +

1,566 mV

=

2,585 mV

Av tabell ser vi at denne spenningen tilsvarer 50 °C for termoelement type J.

Kontroll av Pt-100-element Det er anvendelsen av Pt-100-elementet som bestemmer målestandarden. Den samme ovnen som ble brukt for kontroll av termoelementet, egner seg også godt for kontroll av Pt-100-elementet. Testoppstillingen vises på figur 6.40.

Pt-100-element med ekstra presisjon kan også her benyttes for å kontrollere ovnens innebygde instrument for avlesning av ovnstemperaturen. I tillegg til oppstillingen på figur 6.40 trenger vi temperatur-resistanstabell for Pt-100-elementer.

T repunktskontroll Et • • •

resistanstermometer testes vanligvis i tre punkter, for omgivelsestemperatur for temperaturen midt i måleområdet for øvre temperatur for målingen

Etter hvert som kontrollen utføres, noteres forventete og målte resistansverdier. Pt-100-elementet påvirkes ikke av forandringer i omgivelsestemperaturen, så noen kompensering for denne er ikke nødvendig. De målte resistansverdiene sammenliknes mot Pt-100-elementene. Deretter kontrolleres de mot tabellene. Dersom feilene ligger innenfor leverandørens spesifikasjoner, så kan Pt-100elementet godkjennes for bruk.

223

Kalibrering av måleomformer for termoelement Figur 6.41 viser en oppstilling for kalibrering av en måleomformer for termoelement, her jernkonstantan, type J. Måleomformer

Figur 6.41 Oppstilling for kalibrering av måleomformer for termoelement

F empunktskontroll For å bestemme om måleomformeren følger leverandørens spesifikasjoner utføres en fempunktskontroll. Først bestemmer man nullpunktet. Bruk termoelementtabellen for å finne den ikke-kompenserte spenningen for denne temperaturen. Deretter kompenserer man denne spen­ ningen ved å finne spenningen for omgivelsestemperaturen. Forskjellen mellom spenningen for omgivelsestemperaturen og inngangsspenningen for temperaturverdien er kalibreringsspenningen. Bruk denne beregnete spenningen som inngangsverdi for den første kontrol­ len. Still inn millivoltgiveren for det første kontrollpunktet, som skal være 0 %. Sammenlikn nå resultatet med den forventete verdien. Noter denne verdien for 0 % kontrollen. I noen tilfeller kan omgivelsestemperaturen være høyere enn 0 % av måleområdet. I så fall vil testspenningen være negativ. For å kunne gi en negativ verdi må man reversere polariteten til testledningene og innstille giveren på den positive spenningsverdien. Når denne kontrollen er utført, snur man igjen polariteten til ledningene. (Merk at dette er avhengig av instrumenttypen.) Inngangsverdien for det andre kontrollpunktet, som er ved 25 %, finner man ved å subtra­ here kompensasjonsspenningen fra inngangsspenningen, som er bestemt fra en tabell. Spen­ ningen for de gjenværende punktene bestemmes på liknende måte. Test alle punktene etter hverandre i stigende rekkefølge. Deretter utføres en synkende test for å kontrollere hysteresen.

Instrumentets nøyaktighet Når fempunktskontrollen er ferdig og resultatene notert, bestemmer man måleomformerens nøyaktighet. Dersom nøyaktigheten ikke tilfredsstiller kravene, må avvikene korrigeres. Nå evalueres dataene for å bestemme eventuelle feil. Hvis det er feil, må nullområdet kali­ breres først. Når null er kalibrert, skal 0 % inngangsverdi gi 0 % utgangsverdi. Deretter kali­ breres området. Siden disse to kalibreringene påvirker hverandre, må både området og null kontrolleres igjen og kalibreres til de er riktige.

224 Når kalibreringen er utført, må man gjøre en ny fempunktskontroll for å kontrollere kalibrerin­ gen. Bruk de etterfølgende data for å beregne feilene på nytt. Deretter arkiveres dataene i hen­ hold til rutinene som gjelder for anlegget.

Huskeregler 1 Måleomformeren har en intern referansekompensasjon slik at man må subtrahere millivoltverdien for omgivelsestemperaturen fra kalibratorens spenning. Det er ikke nødvendig når man bruker en temperaturkalibrator (ovn). 2 Et termoelement har ikke referansepunktkompensasjon, så for å kunne kontrollere et ter­ moelement med en ren millivolt målestandard må man addere millivoltverdien for omgiv­ elsestemperaturen til den målte millivoltverdien. Dermed kan man bestemme temperaturen ved målepunktet. 3 Et termoelement produserer ikke noen spenning når målepunktet og referansepunktet har den samme temperaturen. 4 For å gi inn en verdi som representerer 0 °C når du kalibrerer en omformer, må man reversere polariteten til inngangene på måleomformeren (eller millivoltkilden).

Kontrollspørsmål 1 Kan du tegne figur og definere begrepet tidskonstant? 2 Kan du forklare hva som er årsaken til at et målsystem for temperatur kan ha flere tidskonstanter? 3 Kan du tegne prinsipielle figurer og forklare virkemåtene til bimetall-termometer, fylt termo­ meter, termoelement, Pt-100-element, NTC/PTC-motstander, totalstrålingspyrometer og delstrålingspyrometer? 4 Kan du forklare hvordan man kontrollerer nøyaktigheten til termoelementer og Pt-100-elementer, og hvordan man kalibrerer måleomformere? 5 Kan du forklare virkemåten til toleder-, fireleder- og trelederkopling med PT-100-element og hvilke fordeler og ulemper de forskjellige koplingene har? 6 Kan du bruke tabellene for termoelementer til å finne riktig termoelementspenning og finne riktig temperatur i målepunktet når mV-spenningen er kjent? 7 Kan du forklare hvordan man kalibrerer en måleomformer for Pt-100-element og termoele­ ment? 8 Kan du tegne og forklare bruken av kompensasjonskabler?

225 KAPITTEL 7

Måling av pH, fuktighet, gasskonsentrasjon m.m. MÅL Etter å ha studert kapittel 7 skal du

• • •

•

• • • • • • •

kunne definere pH-begrepet kunne forklare begrepene oksidasjon, elektrolyse, galvanisk element, korrosjon og beskyt­ telse mot korrosjon og selvantenning kunne forklare de viktigste kildene til forurensning av luft og vann i Norge, med hensyn på svoveldioksid (SO2), karbondioksid (CO2) nitrøse gasser (NOX), fluorider, støv, tungme­ taller og organiske stoffer kunne gjøre rede for myndighetenes krav til driftsrutiner og vedlikehold av det produk­ sjons- og måleutstyr som direkte eller indirekte kan påvirke utslipp av miljøfarlige stoffer og gasser kunne beskrive virkemåten til måleinstrumenter for måling av fuktig luft, pH-verdi, ledningsevne, gasskonsentrasjoner i luft og andre gasser kunne forklare virkemåten til et eksplosimeter og personlig gassmåleutstyr for giftige gas­ ser kunne forklare virkemåten til et oksygenmeter (D.O.-meter), nefelometer og kolorimeter kunne forklare virkemåten til en konsentrasjonsmåler basert på skjærkraft kunne forklare virkemåten til målsystemer for måling av massetetthet kunne forklare prinsippet for måling av tykkelse kunne forklare prinsipiell virkemåte til noen indikatorer og en type skriver

De instrumentene som skal gjennomgås i dette kapittelet brukes til måling i produksjonsbed­ rifter, til renseprosesser og måling av miljøforurensning. For å forstå instrumentenes virkemåte og anvendelse kreves det bakgrunn i kjemi og fysikk og problematikken rundt miljøforurensning. Dette kapitlet repeterer derfor først noen viktige kjemiske begreper. Deretter gjennomgår vi noen viktige emner rundt miljøforurensning.

Kjemi pH-begrepet pH-defineres som pH = 10log (hydrogenionekonsentrasjon i molvekt pr. liter). A male pH-verdien i en oppløsning innebærer at man måler surhet og alkalitet i løsninger som inneholder vann. pH-verdien bestemmes av konsentrasjonen av hydrogenioner. Når hydrogenionene (H+) er i overvekt, er oppløsningen sur. Er hydroksidionene (OH) i overvekt, er oppløsningen alkalisk (basisk). Produktet av hydrogenionene og hydroksidionekonsentrasjonene er konstant i enhver oppløsning. Det er derfor nok å måle hydrogenionekonsentrasjonen for å bestemme pH-verdien. En nøytral løsning har verdien 7 på pH-skalaen. pH 7 oppnås når konsentrasjonene av

226 hydrogenioner og hydroksidioner er like store, slik forholdet er i rent vann. Er oppløsningen sur, er pH-verdien mindre enn 7. Er den alkalisk, er den over 7. Se tabell 7.1 PH

Konsentrasjon av hydrogenioner i mol/liter

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

1 0,1 0,01 0,001 0,0001 0,00001 0,000001 0,0000001 0,00000001 0,000000001 0,0000000001 0,00000000001 0,000000000001 0,0000000000001 0,00000000000001

Anm.

10° A Sterk syre W1 10‘2 10'3 Syre (surt) 10'4 10'5 10'6 10'7 Y pH 7 (nøytral) 10’8 W9 W10 Base (alkalisk) 10'11 10’12 W13 W14 ▼ Sterk base

Tabell 7.1

Oksidasjon Et stykke trekull som varmes i luft, vil gløde. Dersom det glødende trekullet legges i en boks og lokket skrus på, vil det snart slukne. Det kommer av at oksygenet i lufta som er i boksen, blir brukt opp. Reaksjonslikningen for karbonets forbrenning til karbondioksid er

C+O2

Likning 7.1

CO2

Vi ser at den kjemiske sammensetningen av karbondioksid går fram av navnet. Oksid er navnet på en oksygenforbindelse, og dioksid betyr at det er to oksygenatomer i molekylet. Reaksjonen er eksempel på en oksidasjon. Lar vi trekullet brenne uten tilstrekkelig lufttilførsel, dannes karbonmonoksid, CO. CO kalles også kullos. Det er en meget giftig gass. Den er fargeløs og luktfri som karbondioksid. Reaksjonslikningen er:

2C + O2

Likning 7.2

2CO

2 karbonatomer + 1 oksygenmolekyl

2 karbonmonoksidmolekyler

Nesten alt drivstoff til motorer består av karbonforbindelser. Ved forbrenningen i motoren dannes både karbonmonoksid og karbondioksid. Forbrenningsgasser er derfor ytterst farlige. Lekkasje i eksosanlegget på en bil kan gjøre den til et livsfarlig oppholdssted.

227 Forbrenning av magnesium Magnesium er et sølvhvitt, mykt metall. Det brenner med intenst, hvitt lys. Magnesium kan antennes med en fyrstikk. Det som er igjen av metallet etter forbrenningen, er et hvitt, sprøtt pulver.

Reaksjonslikningen er: 2 Mg + O2~* 2MgO

Likning 7.3

Under forbrenningen har magnesium reagert med oksygenet i lufta. Det hvite pulveret, magnesiumoksid, er eksempel på et metalloksid. Metallene kalles faste oksider. Ser vi på ytterste elektronnivå, ser vi hvordan oksidasjonen av magnesium skjer, figur 7.1.

Magnesium oksyderes '

Oksygen reduseres. _ _ - - 'Oksydasjon

bort to elektroner

Fått to elektroner

Figur 7.1 Oksydasjon av magnesium

Oksidasjonsmidler Et stoff som virker oksiderende, kalles et oksidasjonsmiddel. Oksygen er altså et oksidasjonsmiddel. Oksygenet i enkelte kjemiske forbindelser kan brukes som oksidasjonsmiddel. Kaliumklorat, KC1O3, og kaliumnitrat, KNO3, har stor evne til å avgi oksygen. De brukes i såkalte eksplosiver og er farlige å håndtere.

Metallenes spenningsrekke En stålkniv dyppes i et kar med kobbersulfatoppløsning.

Stålkniv som inneholder jern (Fe)

Belegg av kobber (Cu) Kobbersulfat

Figur 7.2 Stålkniven får et tynt belegg av kobber i kobbersulfutløsningen Etter kort tid har kniven fått et tynt belegg av kobber. Kobberionene i løsningen er blitt redu­ sert til kobber i kontaktflaten med jernet. Samtidig er noe jern blitt oksidert til jernioner som går ut i løsningen. Fe + Cu2+ -> Fe2+ + Cu jern + kobberioner —» jernioner + kobber

Likning 7.4

Dette skjer fordi kobber felles ut og jern løses. Man sier at kobber er et edlere metall enn jern.

228 Metallene kan ordnes i en rekke etter deres evne til å felle ut andre metaller fra en løsning ioner. Tabell 7.2 viser noen metaller og deres plass i denne rekken. Rekken kalles for metal­ lenes spenningsrekke. K - Kalium | Na - Natrium | Mg - Magnesium | Al - Aluminium | Zn - Sink | Cr - Krom | Fe - Jern Ni - Nikkel ] Pb - Bly Sn - Tinn I H - Hydrogen | Cu - Kobber I Ag - Sølv —q Au - Gull

Tabell 7.2 Metallenes spenningsrekke

Uedle metaler

Edle metaller

I tabellen er også hydrogen tatt med fordi hydrogen oppfører seg på samme måte som et metall ved å danne et positivt ion. Hvis vi setter syre til et av de metallene som står foran hydrogen i spenningsrekken, blir det utviklet hydrogengass. Disse metallene kalles uedle met­ aller. De metallene som står først i spenningsrekken, har en tendens til å danne ioner. De første metallene i spenningsrekken er uedle metaller, de andre er edle metaller.

Elektrolyse Når et stoff med ionebinding blir smeltet eller løst opp i vann, blir ionene lettbevegelige. Slike stoffer kalles for elektrolytter. Elektrolytter kan lede elektrisk strøm. Om man ønsker å skille ut ionene i en løsning eller smelte, kan dette gjøres ved å plassere to elektroder nedi løsningen eller smeiten og sette på likestrøm. Det kalles for elektrolyse. Den elektroden som står i forbindelse med strømkildens positive pol, kalles anoden. Den andre elektroden, som er tilkoplet den negative polen, kalles katoden. Når likespenningen er tilkoplet, går det en strøm i kretsen. De positive ionene trekkes til katoden. De negative ionene går til anoden. Figur 7.3 viser hvordan ionene vandrer ved elektrolyse.

Kation er et positivt ion Anion er et negativt ion

Figur 7.3 Kationene og anionene blir avladet ved henholdsvis katoden og anoden

Vi skal nå gjennomgå et praktisk eksempel på elektrolyse. Magnesium utvinnes ved elektro­ lyse av smeltet magnesiumklorid, som da er dissosiert (spaltet til ioner), slik likning 7.5 viser.

MgCl2

Mg2+ + 2CI-

Likning 7.5

229 Likestrøm settes på, og ionene vandrer som vist på figur 7.4.

Figur 7.4 Hvordan ionene vandrer i elektrolytten Anoden er positivt ladet og trekker til seg ioner med motsatt ladning, det vil si klorionene. Katoden, som er negativt ladet, vil trekke til seg de positive ionene, Mg2+-ionene. Når Mg2+ionene treffer katoden, mottar de to elektroner hver, dermed er de elektrisk nøytrale. De går nå over til metallform. Hver gang et magnesiumion treffer katoden, vil to klorioner treffe anoden og levere fra seg hvert sitt elektron. Dermed blir de avladet, og de slår seg sammen til ett gassmolekyl Cl2. Det som skjer ved elektrodene, kan derfor skrives slik:

Ved katoden: Mg2++ 2 elektroner -> Mg Ved anoden: 2 CD - 2 elektroner -> Cl2

Galvanisk element Figur 7.5 viser en prinsippskisse av et galvanisk element.

Figur 7.5 Prinsippet for et galvanisk element

Vi kan lage et galvanisk element ved å kople sammen to forskjellige metaller, eller karbon og et metall, og sette dem i en elektrolytt. Vi skal undersøke hva som skjer i det galvaniske elementet. I det mest uedle metallet vil det foregå en oksidasjon. Det dannes positive metallioner som går ut i elektrolytten. Tilbake blir det et overskudd av elektroner som gjør at dette metallet blir en negativ pol. Metallet løses etter hvert opp og kalles derfor en løsningspol. I det edlere metallet skjer det en reduksjon.

230 Metallet blir fratatt elektroner og blir en positiv pol. Da vi får en utfelling, kalles denne polen utfellingspol. Resultatet er en elektrontransport i kretsen fra den negative til den positive polen.

Eksempler på oksidasjonsprosesser Korrosjon Med korrosjon av metaller menes at metallet tæres av luft og vann og de forskjellige stoffer som de kan være forurenset med. Særlig har CO2-innholdet i lufta mye å si, men også andre stoffer, som sulfater og klorider i regnvann, kan virke korroderende. Mange metaller, for eksempel aluminium, vil i luft øyeblikkelig danne en tynn oksidhinne som hindrer videre innvirkning. Om jern oppbevares i helt tørr luft, vil det aldri ruste. Men hvis lufta blir fuktig, og karbondioksid kommer til, skjer korrosjonen fort. Jern og andre metaller som er lite holdbare i fuktig luft, vernes derfor mot direkte påvirkning av luft, dels ved maling, dels ved overtrekk av andre metaller eller forbindelser som ikke ruster.

Beskyttelse mot korrosjon En jernplate er forsinket (galvanisert). Sett at sinklaget er falt av eller har slått sprekker. Han vil da se at jernet allikevel ikke ruster så fort som det ville gjort om vi hadde hatt et jernstykke uten sink. Det er fordi fuktig luft med innhold av karbonsyre lager et lite element i sprekken mellom de to metallene. Begge metallene løser seg noe i karbonsyre, oksideres av H+, og vi har fått et gal­ vanisk element. r— Fuktig luft med CO2 danner H+ ioner. \ Både Fe++ og Zn++ dannes. \ Sink blir den negative pol som tæres

Sink

_______ . Jern + 2e Fe]

Figur 7.6 Sink er en korrosjonsbeskytter for jern

Av spenningsrekken ser vi at jernet vil danne den positive siden, og sinken den negative. Den, negative polen tæres, mens den positive polen stadig øker på grunn av utfelling. Jernet vil følgelig ikke tæres. Konklusjon: Jernet ruster ikke fordi sink står på den negative siden av jern i spennings­ rekken. Dersom jernet er belagt med nikkel, vil det ruste fordi nikkel er negativt i spenningsrekken i forhold til jern, se figur 7.7. ------ Fuktig luft med CO2 danner H+ ioner. Både Fe++ og Ni++ dannes. Jern blir den negative pol som tæres

Figur 7.7 Nikkel framskynder korrosjon

231 Etter spenningsrekken danner nikkel den positive polen og jernet den negative polen. Rustprosessen går derfor raskt. Nikkel verner derfor dårlig dersom dekklaget får en sprekk.

Selvantenning Hvis vi har en tvistdott som er gjennomtrukket med olje, vil oljen etter hvert oksideres av oksygenet i lufta. Ved de fleste oksidasjoner blir det frigjort varme. Når oljen i tvistdotten oksideres, kan varmeutviklingen bli så stor at tvistdotten tar fyr. Det kalles selvantenning. Mange branner har oppstått på grunn av uforsiktighet med tvistdotter og tøyfiller som har vært fuktet med olje. Mange metaller oksideres av oksygenet i lufta allerede ved romtemperatur. Bare noen få, edle metaller forblir upåvirket og beholder sin metallglans. Kobbergjenstander får etter hvert et matt belegg, irr, som skyldes oksidasjon. Kobberet oksideres ikke bare av oksygenet i lufta. Den misfargen kobber får, skyldes vesentlig svovelforurensninger. Det er svovelforbindelsene som gjør at vi så ofte må pusse sølv. Sølv oksideres nemlig ikke av oksygenet i lufta ved romtemperatur.

Forurensning av luft og vann Forurensning av luft og vann er et vidt begrep. Vi skal gjennomgå utslipp av • soveldioksid SO2 • karbondioksid CO2 • nitrøse gasser NOX • fluorider • støv • tungmetaller • organiske stoffer

Svoveldioksid Utslipp av svoveldioksid skyldes i hovedsak forbrenning av fossile brennstoffer (kull, olje og gass). Forbruket av kull og olje har vært sterkt økende i de seneste tiår. Tabell 3 viser for­ bruket av fossile brennstoffer i 1989. USA hadde klart det største forbruk av olje. Olje

USA 792,6 Canada 76,8 Latin Amerika 248,5 Vest-Europa inkl. Norge 591,7 Norge 8,9 Øst-Europa inkl. Sovjetunionen539,9 Midtøsten 140,3 Afrika 87,5 Asia 582,5 Australia og New Zealand 35,6 Verden totalt 3097,8

Naturgass

Kull

Total

487,6 53,7 80,4 207,5 640,4 85,0 31,2 100,0 21,6 1707,4

473,8 33,3 22,6 258,4 0,5 548,1 2,6 75,5 775,1 41,8 2231,3

1754,0 163,8 351,5 1057,6 9,4 1728,4 227,9 194,2 1457,6 99,0 7036,5

Tabell 7.3 Verdens forbruk av fossilt brennstoff i 1989, i millioner tonn Når kull og olje forbrennes, blir det en reaksjon der svovelet binder seg til oksygen, og vi får dannet svoveldioksid:

s+o2 = so2

Likning 7.6

232 I atmosfæren reagerer svoveldioksid med oksygen og vann, og det blir dannet svovelsyre. Det er hovedbestanddelen i sur nedbør. Nitrøse gasser, NOX, bidrar også noe til den sure nedbøren.

Figur 7.8 Langtransport av svovel til Norge i 1986, regnet i 1000 tonn

Det aller meste av den sure nedbøren i Norge skyldes langtransport av svovel fra andre land. På figur 7.8 er det vist hvilke land som i hovedsak bidrar til dette. I disse landene blir store mengder kull brukt til oppvarming og for å produsere elektrisk energi. Tabell 7.4 viser utslipp av svoveldioksid i en del land.

Danmark USA Frankrike Tyskland Nederland Storbritannia Norge

125 10 200 645 990 141 1 932 38

Tabell 7.4 Utslipp av svoveldioksid i en del land i 1987, regnet i 1000 tonn

I Norge er utslippene av svoveldioksid sunket betraktelig de siste årene. Reduksjonen skyldes hovedsakelig overgang til svovelfattig olje.

233 Utslippene, fordelt mellom ulike industrigreiner, framgår av tabell 7.5.1 ferrolegeringsindustrien blir det brent kull og koks som reduksjonsmateriale. Det inneholder noe svovel som gir svoveldioksid i utslippsgassene. Bransje

SO2

Treforedling

3345

Ferrolegering

6140

Raffinering

4750

Aluminium/karbidproduksjon

6515

Jern/stålproduksjon

2700

Sement/koksproduksjon

1080

Tabell 7.5 Utslipp av svoveldioksid fra industrien i Norge i 1985, regnet i tonn pr. år

Nitrøse gasser Dette er en fellesbetegnelse for dinitrogenoksid (N2O), nitrogenmonoksid (NO) og nitrogendioksid (NO2). Disse gassene oppstår i forbrenningsreaksjoner dersom temperaturen overstiger 1000 °C. Mengden av de nitrøse gassene øker med stigende temperatur. Det meste av nitrogenoksidene kommer til Norge fra andre land, på samme måte som svoveldioksid. Figur 7.6 viser utslipp av nitrogenoksider i en del land. USAs dominerende stilling skyldes i stor grad den enorme biltrafikken og kraftverkene som fyres med fossile brennstoffer.

Danmark USA Frankrike Tyskland Nederland Storbritannia Norge

19 1 2 5 2

262 500 630 940 592 429 232

Tabell 7.6 Utslipp av nitrogenoksider i 1987fra et utvalg land, regnet i 1000 tonn

I Norge er det mobile kilder (transport fra andre land) som dominerer, slik det framgår av figur 7.9. Stasjonære kilder og industri bidrar i liten grad til utslippene. Nitrogenoksidene blir i atmosfæren omdannet til salpetersyre (HNO3) og salpetersyrling (HNO2) og bidrar dermed til den sure nedbøren. Reaksjonen kan vi skrive slik:

2NO2 + H2 = HNO3 + HNO2

Likning 7.7

Virkningen av nitrogenoksider på mennesker er ikke godt nok undersøkt. De øker imidlertid faren for luftveissykdommer, og en vet at NO2 er farligere enn NO. Ved sprengninger i tunneler blir det dannet store mengder nitrøse gasser. Dersom en puster inn denne gassen, kan gassene gi store lungeskader, i alvorlige tilfeller med dødelig utgang. Bilenes bidrag til konsentrasjon av nitrøse gasser i Oslo framgår av figur 7.10. Man kan se at konsentrasjonen er høyest i perioder med stor biltrafikk.

234

Figur 7.9 Utslipp av nitrogenoksider fordelt mellom tre kilder for perioden 1973 til 1989

Figur 7.10 Konsentrasjon av nitrøse gasser i Oslo i løpet av et døgn

Karbonmonoksid og karbondioksid All forbrenning av karbonholdige materialer vil gi karbondioksider. Ved lav tilgang på oksy­ gen, vil det bli dannet karbonmonoksid (CO). Det kaller vi ufullstendig forbrenning. Ved full­ stendig forbrenning blir det dannet karbondioksid (CO2). Dette kan vi skrive slik:

Ufullstendig forbrenning: 2C + O2 = 2CO

Likning 7.8

Fullstendig forbrenning: C + O2 = CO2

Likning 7.9

235 Brenner vi naturgass som inneholder både karbon og hydrogen, blir det dannet karbondioksid og vann: Likning 7.10

CH4 + 202 = CO2 + 2H2O

1 ferrolegeringsindustrien blir det dannet karbonmonoksid som et resultat av reduksjonsprosessen med karbon. Det vil framgå av reaksjonen mellom kvarts og karbon: SiO2 + 2C = Si + 2CO

Likning 7.11

CO-gassen vil så forbrennes til CO2. Også andre utslipp av CO vil etter kort tid bli omdannet til CO2. I aluminiumsproduksjon vil det bli dannet karbondioksid på anoden. Oksygenioner i kryolittsmelta vil vandre til anoden og forbinde seg der med karbonet. Totalreaksjonen er: Likning 7.12

2Al2O3 + 3C= 4AI + 3CO2

Utslippene av CO2 i Norge har steget forholdsvis jevnt fra 1960 og til i dag, se figur 7.11. Mobile kilder står for det største bidraget og industrien for det minste bidraget av de tre kildene.

|

| Mobile kilder

|

| Stasjonære kilder

Figur 7.11 Utslipp av karbondioksid i Norge for perioden 1960 til 1988 totalt og fordelt på kilder

236 I verdensmålestokk er de norske utslippene små. I tabell 7.7 er den prosentvise fordelingen av karbondioksidutslippene listet opp. USA dominerer med 22 %, tett fulgt av den tidligere Sovjet-unionen. Norges bidrag ligger på 0,22 %. Land USA Tidl. Sovjet-unionen Japan Tyskland Storbritannia Canada Frankrike Italia Australia Nederland Belgia Danmark Finland Sverige Norge Sveits Irland New Zealand

CO2-utslipp

22,00 18,40 4,30 3,20 2,80 2,00 1,90 1,80 1,60 0,65 0,50 0,30 0,26 0,22 0,22 0,20 0,14 0,10

Tabell 7.7 Prosentvise bidrag til verdens utslipp av karbondioksid for 1990 Karbondioksid, også kalt kulldioksid, deltar i kretsløpet i naturen. Planter avgir og opptar gas­ sen, og dyr og mennesker puster ut karbondioksid. Den sterke økningen av kulldioksid i dette århundret har skapt bekymring for den såkalte drivhuseffekten. Hvis det blir et for høyt innhold av karbondioksid og en del andre gasser i atmosfæren, vil det føre til en økning av jordas temperatur. Se figur 7.12.

Figur 7.12 Virkningen av drivhusgasser i atmosfæren på utstrålingen fra sola

Forklaringen på dette er at de kortbølgete strålene fra sola lett kan trenge gjennom atmos­ færen. Utstrålingen fra jordoverflaten skjer med lange bølger. De blir reflektert i økende grad når mengden av karbondioksid tiltar i atmosfæren. Dermed stiger temperaturen i atmosfæren og på jordoverflaten. Det er en alminnelig oppfatning i dag at denne temperaturøkningen kan føre til klimaforandringer på jorda. Økningen av karbondioksid framgår av figur 7.13. Konsentrasjonen varierer med årstiden. Om vinteren er det en stor økning i forbruk av fossilt brennstoff på den nordlige halvkule, og det er noe som øker kulldioksidinnholdet. Dermed får vi en tagget kurve som vist på figur 7.13.

237 Karbondioksyd ppm CO2 (cm3/m2) 340 335 330 325

320 315 t

-1952

- i

i----- 1--- 1---- r- i---- v —v— r----- 1--- 1---- r--- v----- 1-- 1----- 1--- 1---- 1

60

62

64

66 68 70 72 Luftas innhold av CO2

74

i------ r

76

78

i

1

80

Figur 7.13 Variasjonen av karbondioksid i atmosfæren

I de seneste årene har det vært en tendens til stigende gjennomsnittstemperatur på jorda. Det vil framgå av figur 7.14. Om dette skyldes den økningen vi har hatt i av karbondioksid i atmosfæren, er ennå ikke avklart.

Figur 7.14 Økningen i den globale temperatur for perioden 1880 til 1990

Fluorider Framstilling av aluminium finner sted når aluminiumoksid løses i smeltet kryolitt. I kryolitten er det fluorforbindelser. Under elektrolysen blir det dannet store gassmengder som inneholder fluor. I dag er det effektive renseanlegg på alle aluminiumsanlegg, men noe fluor slipper likevel ut til luft og vann. Tabell 7.8 viser de totale norske utslipp av fluor fra norske alumini­ umsverk. Bedrift

Utslipp tonn fluor pr. år

Årdal Verk Sunndal Verk Karmøy Fabrikker Mosjøen Aluminiumsverk Lista Aluminiumsverk Høyanger Verk Sør- Norge Aluminium

235 230 120 90 90 55 50

Tabell 7.8 Utslipp av fluor fra norske aluminiumsverk for 1988

238 Fluor gir skader både på planter, dyr og mennesker. De viktigste skadevirkningene av fluorutslipp til luft kommer av at stoffet blir tatt opp av planter og trær. Når furu og gran blir brune, skyldes det fluor. Husdyr som spiser planter som inneholder mer enn normale mengder fluor, kan få betydelige skader på beinbygningen. I ovnshaller kan det bli så høye verdier av fluorider at det kan føre til astma for operatørene. Av den grunn er det viktig at hallgassene blir fanget opp av avgassystemer i så stor grad som mulig.

Støv Støv som utvikles i metallurgiske prosesser der en lager silisium- og ferrolegeringer, blir i dag fanget opp av rensesystemer og gjenvunnet som et nyttig produkt. Kvartsstøv, også kalt «microsilica», blir brukt som tilsatsmateriale i betong og noen andre produkter.

Organiske materialer Av organiske stoffer som slipper ut fra industrien, er det i første rekke PAH (polysykliske aro­ matiske hydrokarboner) som er viktige. Det er en gruppe stoffer som oppstår i de fleste forbrenningsprosesser. I metallurgisk industri kommer dette materialet fra bindemiddelet i ovnselektrodene. Bindemidlet er tjære, og den består av et stort antall organiske forbindelser. Noen av disse blir regnet som kreftframkallende. Det er vist ved dyreforsøk. Ikke alle PAH-forbindelser er undersøkt ennå, men det nedlegges i dag et stort arbeid i mange land for å undersøke virkninger av enkeltforbindelser og flere stoffer i blanding. Det meste av PAH som oppstår i industrien, blir fanget opp av rensesystemene. Men noe slipper ut i havet gjennom rensesystemet, eller går ut i luft som ikke fanges opp av rensesys­ temene, se figur 7.15.1 sjøen kan PAH skade dyr og planter og gjøre disse uegnet som føde.

Figur 7.15 PAH til luft og sjø fra et aluminiumsverk i perioden 1987 til 1991 Av de totale utslipp av PAH-komponenter i Norge kommer bare om lag 10 % fra metallurgisk industri. De øvrige kommer fra biltrafikk og andre forbrenningsprosesser.

Tungmetaller Ordet tungmetaller kommer av at metallene i denne gruppen har høy tetthet. De viktigste metallene i denne gruppen knyttet til industrien er: kvikksølv, bly, mangan, sink, kobber, kobolt og krom. Enkelte av disse metallene som bly og kvikksølv er svært giftige for planter og dyr. Utslip­

239 pene av tungmetaller i dag er svært små fordi rensesystemene er blitt så effektive, men tidligere utslipp til vann og deponier er i dag en kilde til forurensning av miljøet. Virkningen av rensetiltak og ombygging av prosessene i et nikkelverk vil framgå av figur 7.16. I 1970 var utslippene av metallene nikkel, kobber og kobolt fra bedriften over 900 kilo pr. time. Dette er nå redusert til ca 50 kilo time.

Figur 7.16 Reduksjon av tungmetaller i avløpsvann fra et nikkelverk for perioden 1971 til 1988

Utslippstillatelser, drift og vedlikehold Alle bedrifter og institusjoner som har utslipp til luft, vann og jord, må søke SFT (Statens forurensningstilsyn) om utslippstillatelse. Slike tillatelser har normalt en varighet på 1 år. De utslipp som er knyttet til konsesjonene, kan grupperes på følgende måte:

Utslipp til luft • Støv og sot som består av metaller, organiske stoffer eller har trukket til seg andre skadelige stoffer. • Aerosoler, som er væske i dråpeform (tåke). Det kan være organiske materialer eller syrer eller elektrolytter. • Gasser som svoveldioksid, hydrogensulfid, nitrøse gasser, saltsyre og flussyre. • Organiske mikroforurensninger, som er en fellesbetegnelse på organiske stoffer som er giftige, eller virker gift- eller kreftframkallende i små konsentrasjoner. Eksempler på dette er PAH og dioksiner.

Utslipp til vann Suspendert stoff, som er det man kaller faste stoffer som fiber, uløselige salter og fine metallpartikler som befinner seg i vannet. • Syrer og baser som endrer vannets pH-verdi. • Metallsalter som kan inneholde giftige metaller. • Organiske stoffer, i hovedsak oljer og løsemidler. •

240 Utslipp til jord • Syre eller base • Tungmetaller • Organisk stoff • Organiske mikroforurensninger

Drift og vedlikehold Drifts- og vedlikeholdspersonalet vil i høy grad være ansvarlige når det gjelder å overholde vilkårene for konsesjon som en bedrift har fått. Skal betingelsene for utslippskonsesjoner praktiseres på en god måte, er det en rekke forhold som må være i orden. De viktigste vil være:

Driftsrutiner Driftsrutiner for prosessene må være beskrevet i detalj og basert på de beste erfaringer som bedriften har skaffet seg. I tillegg må driftspersonellet ha fått tilstrekkelig opplæring slik at driftsrutinene etterleves av alle fagoperatørene. • Driftsrutinene for de fleste prosesser er beskrevet i kvalitetshåndbøker som blir revidert og godkjent med jevne mellomrom. • Avvik fra godkjente prosedyrer skal rapporteres, og tiltak som kan hindre avvik i framtiden må settes i gang.

•

Vedlikeholdsrutiner og måleutstyr De samme krav må stilles til vedlikeholdsrutiner som til driftsrutiner. Kjennskap til utsty­ rets levetid er av avgjørende betydning.. • Vedlikeholdsrutinene skal omfatte alt produksjons-, rense-, elektro- og automatiseringsutstyr. Måleteknisk analyseutstyr som skal dokumentere utslipp til vann eller luft, er her meget viktig. •

241

Analytiske målinger Måling av relativ fuktighet Måling og regulering av relativ fuktighet er svært vanlig i ventilasjons- og klimaanlegg, og i produksjon av elektroniske artikler, tekstiler, maling, lakk og papir.

Mettet luft Om 1 kubikkmeter tørr luft med en temperatur t °C tilføres vanndamp, vil all vanndampen i starten bli absorbert (tatt opp) av lufta. Vi sier at lufta blir fuktigere. Lufta når imidlertid en metningsgrense. Når den ikke kan absorbere mer vanndamp, sier vi at lufta er mettet. Dersom temperaturen t til lufta økes, kan lufta absorbere mer damp. Om lufta avkjøles igjen, vil noe av vannet felles ut som tåke. I håndbøker finner man følgende verdier for temperaturer i luft som er helt mettet av van­ ndamp:

°C

0

20

40

60

g/m3

4,85

17,39

51

130

Vi ser at luftas evne til å oppta vanndamp, stiger raskt med temperaturen.

Kunnskap om hvordan renseutstyr blir vedlikeholdt og eventuelt skiftet ut i tide, er avgjørende, slik at en unngår havari på utstyr med påfølgende skadelige utslipp.

Relativ fuktighet i prosent Av tabellen ser vi at ved 60 °C har vi 17,39 g H2O/m3. Ved denne temperaturen vil lufta imid­ lertid kunne oppta 130 g H2O/m3. Definisjon

Virkelig konsentrasjon x 100 Relativ fuktighet =--------------------------------------------- % Maksimal konsentrasjon

Det vil i vårt eksempel si: 17 3 • 100 relativ fuktighet = --^Q= 13, 3 %

Hygroskopiske materialer Et hygroskopisk materiale har den egenskapen at det tar til seg fuktighet fra omgivelsene.

242 Hårhygrometer Den enkleste luftfuktighetsmåleren vi har, er hårhygrometeret, som vises på figur 7.17. Hygrometeret består av hår, en viser og en spiralfjær.

Prinsippet er at hårene tar til seg fuktighet og blir lengre jo fuktigere de er. Måleren er van­ ligvis gradert i prosent relativ fuktighet. Måleinstrumentet krever hyppig kalibrering og rengjøring av hårene for å være pålitelig.

Psykrometer Et psykrometer består av to termometre, se figur 7.18. Det ene termometeret måler romtem­ peraturen. Det kalles tørt termometer. Det andre termometeret måler fordampningstemperaturen til vannet. Det kalles vått termometer. Psykrometeret kan rotere om håndtakets akse. Når målingen utføres, holder man i håndtaket og slynger psykrometeret rundt i om lag 2 minutter. Dette er en nøyaktig metode for å bestemme luftas relative fuktighet.

Figur 7.18 Psykrometer for manuell måling av luftfuktighet For å finne luftas relative fuktighet slår man opp i en tabell, eller man bruker mollierdiagrammet på figur 7.19. Målingen krever at veken alltid er passe fuktig.

Eksempel Vi skal vise et eksempel på bruk av mollierdiagrammet på figur 7.19. Psykrometeret på figur 7.27 viser ved måling: våt temperatur = 10°C tørr temperatur = 20°C

Av mollierdiagrammet ser vi at den relative fuktigheten er ca. 23 %. Mollierdiagrammet viser at vanninnholdet i lufta ved 23 % relativ fuktighet ved 20 % tørr luft er 0,0034 kg vann/kg luft. Dersom denne lufta kjøles ned -1,3 °C er den relative fuktigheten 100 %. Det kaller man for kondenseringspunktet (duggpunktet) for denne luftblandingen.

243 Vanninnhold 0,0034 kg/kg luft x kg/kg 0.000 40

0.010

0.015

0.020

35

30

25

Tørr temperatur

(p =23°/

Kondenseringstemperatur -1,3 °C

Pb

kPa

-5 Våt temperatur

-10

-15

-20

-25

Figur 7.19 Psykrometerdiagram (mollierdiagram)

Tv = Det våte termometerets temperatur T = Det tørre termometerets temperatur x = Vanninnhold i kg/kg tørr luft I = Relativ fuktighet h = Luftas entalpi (totalt varmeinnhold) pB = Vanndampens partialtrykk

244 Måling av relativ fuktighet med litiumkloridcelle Figur 7.20 viser oppbygningen av en litiumkloridcelle. Inne i et tynt metallrør ligger et utskiftbart motstandstermometer av platina. Metallrøret som er forsynt med et elektrisk isolerende belegg, er utvendig overtrukket med en glassfiberveke. Rundt veken er det viklet to edelmetallelektroder. Fuktes nå veken med litriumklorid (oppløst i vann), vil en vekselspenning på ele­ ktrodene få strøm til å gå gjennom oppløsningen og dermed gi oppvarming.

Figur 7.20 Litiumkloridcelle Ved oppvarmingen fordamper en del vann, ledningsevnen reduseres, strømmen avtar og tem­ peraturen synker igjen. Ved synkende temperatur vil det hygroskopiske LiCl-saltet oppta fuk­ tighet fra gassen omkring føleren slik at strømmen igjen øker. Det vil raskt innstille seg på en likevektstilstand mellom gassens fuktighetsinnhold og tilført elektrisk energi. Den temperatur men da har i litriumkloridet bestemmes med motstandstermometeret. Gassens fuktighetsinnhold (det vil si partialtrykket av vanndamp) balanserer nå med vanndamptrykket over mettet LiCl-løsning. Det vil si at det nå er et definert forhold mellom tem­ peratur og gassens fuktighetsinnhold. Temperaturen er altså et direkte mål for den absolutte fuktighet, og indikatoren kan graderes i prosent relativ fuktighet eller g H2O/m3. Litiumkloridcellen tilkoples vanligvis en elektronisk forsterker med indikator eller strøm eller spenningsutgang til regulator.

Nedre Øvre målegrense målegrense

Figur 7.21 Litiumkloridcelle tilkoplet måleomformer

Linearitet

245 Kapasitiv måling av relativ fuktighet Relativ fuktighet kan måles med kapasitive elektroder. Dersom fuktigheten i lufta mellom to elektroder forandres, endres også kapasitansen, se figur 7.22.

Figur 7.22 Kondensatorplatens areal A og avstanden I mellom dem er konstant, e, som representerer luf­ tas egenskaper, endres med luftfuktigheten. Siden e endres, forandres også kondensatorens kapasitans C. Kapasitansen C måles elektronisk og blir et mål for luftfuktigheten. Den tørre temperaturen måles med et vanlig Pt-100-element.

A = platenes areal £ = luftas dielektrikum

Likning 7.13 På figur 7.23 vises en hygrostat for måling av relativ fuktighet i området fra -15 % til 90 % ReF.

Figur 7.23 Hygrostat for måling av relativ fuktighet Denne målemetoden brukes også for måling av fuktighet i papir og treplater. Papiret eller treplatene er da dielektrikaene, som passerer mellom elektrodene.

Mikrobølge-fuktighetsmåler Mikrobølger har ca. 1 000 000 000 (en milliard) svingninger pr. sekund. Metoden med mikrobølger brukes for måling av fuktighet i papir. Når det gjelder fuktighetsmåling med mikrobølger, skiller en mellom refleksjonsmåling, hvor både sender og mottaker er på samme side av papiret, og transmisjonsmåling hvor de er på hver sin side. Måleren regner ut hvor mye vann det er i materialet ut fra hvor stor del av mikrobølgene som er absorbert.

246

Måling av pH-verdi Eksempler på måling av pH i industrielle prosesser er mange og brukes i forbindelse med raff­ inering av sukker, papir og papirmasse, i matproduksjon, metallbearbeiding, gjødselproduks­ jon, legemiddelproduksjon og vannbehandling knyttet til miljøverninteresser. Foruten den betydningen slike pH-målinger har i prosessindustrien, har pH også en sentral rolle i vårt daglige liv. Levende organismer krever spesielle pH-verdier i sine omgivelser for å vokse og formere seg. Blir det en forstyrrelse i pH-verdien, kan det være fare for at veksten stopper opp, og organismen kan til og med dø. Mange planter, busker og trær krever et surt miljø for å utvikle seg best. Korn, frø og grønnsaker krever gjødsel med en gitt pH-verdi for at maksimal produk­ sjon skal kunne oppnås. Hos oss mennesker er pH-verdien til blodet vårt svært kritisk, ja fak­ tisk så kritisk at hvis pH-verdien endres med én enhet, er døden uunngåelig. Selv om kontinuerlige prosess-pH-analysatorer er relativt enkle instrumenter, så er teorien bak deres operasjonsprinsipper svært vanskelig. pH-målinger er likevel en av de målinger som vi finner lengst tradisjon for i industrien. Svært mange prosessreaksjoner er avhengige av pHverdien. Det er derfor nødvendig å styre eller regulere pH-verdien dersom man skal oppnå et optimalt produkt. I andre tilfeller er pH-verdien viktig med hensyn på å unngå korrosjon (rust) og andre uønskete effekter på prosessutstyr. pH-verdier for noen vanlige løsninger, stoffer og husholdningsartikler vises i tabell 7.9. I tabellen betyr 1 N løsning av en syre med 1 gram av syren pr. liter løsning. (N = normal). Stoff Saltsyre (IN) Svovelsyre (O,1N) Saltsyre (O,1N) Oksalsyre (O,1N) Sitronsyre (O,1N) Eddiksyre (O,1N) Eddiksyre (O,1N) Eddiksyre (0,01)

pH-verdi 0

Hydrogensulfid (O,1N)

4

Mettet kullsyre

5 6

1

2

3

7

Natriumkarbonat Boraks (O,1N) Vandig ammoniakk (0,01 N) Vandig ammoniakk (O,1N) Kaliumhydroksid (0,01N) Kaliumhydroksid (0,1N) Kaliumhydroksid

Tabell 7.9

Coca-cola Sitron Eple Appelsin Kirsebær Tomat Alkoholfritt øl Ost Laks Helmelk Hårsjampo Drikkevann Blodplasma Egg

8 9 10 11 12 13 14

1 lSur

— —Nøytral

1

Flytende såpe

Soda Myk såpe

Basisk

247

Elektroder for pH-måling Ved måling av pH, senkes to elektroder ned i væsken. Den ene elektroden er følsom for H+ ioner. Det oppstår nå en potensialdifferanse mellom disse elektrodene, og den er avhengig av pH-verdien i væsken. De elektrodene som benyttes, kalles referanseelektrode og måleelektrode (glasselektrode). Vi skal nå gjennomgå hvordan elektrodene virker.

Referanseelektrode Den vanligste typen av referanseelektroder er kalomelektroden. Figur 7.24 viser oppbygnin­ gen til denne elektroden. Referansevæsken er en mettet KCl-løsning. Den har elektrisk forbindelse med målevæsken via et kapillarrør. Kapillarrøret er slik laget at målevæsken ikke kan trenge inn i referanseelektroden og blande seg med KCl-løsningen. Kalomelet har elektrisk kontakt med kvikksølvet over. I kvikksølvet er det stukket ned en platinatråd som danner den elektriske tilkoplingen. Ved en temperatur på +25 °C gir en kalomelelektrode med mettet KCl-løsning et potensial på 0,2444 V.

Glasselektrode Dersom en tynn membran av et spesialprodusert glass skiller to væsker med ulike pH-verdier, oppstår det over glassmembranen et elektrisk potensial som er en funksjon av væskens pHverdier. I praksis utformes glasselektroden som figur 7.25 viser.

Ventilasjons- og påfyllingshull

------ Platinatråd Kvikksølv

Kalomel (Hg2 Cl2) Bomullspropp

Mettet KCl-løsning Kapillar

Figur 7.24 Kalomel referanseelektrode

Figur 7.25 Glasselektrode

Elektroden er egentlig en glassbeholder, som nederst har en meget tynn (ca. 0,05 mm) glassmembran. Den er kuleformet eller konisk. Glasselektroden har også en kalomelelektrode innv­ endig. Glasselektroden er fylt med en bufferløsning med pH 7. Glasselektroden har ingen luftehull eller påfyllingsmulighet. Om glasselektroden plasseres i en væske med pH 7, vil potensialforskjellen over glassmem-

248 branen være null. Om den plasseres i en væske med pH < 7, vil vi få en potensialforskjell. Målevæsken har nå et overskudd av H+-ioner. H+-ionene vandrer nå gjennom glassmembranen for å utlikne potensialforskjellen. De tar imidlertid med seg elektriske ladninger, og væsken inne i glasselektroden blir positivt ladet. Dersom glasselektroden plasseres i en væske med høy pH (pH > 7), blir det også en poten­ sialforskjell, men H+-ionene vandrer nå fra glasselektroden og ut i målevæsken. Væsken inne i glasselektroden blir dermed negativt ladet.

Målekrets for pH Figur 7.26 viser en oppkopling for pH-målingen.

Figur 7.26 Krets for pH-måling

Krav til målekretsen og montasje Glasselektrodens indre impedans er noen hundre megaohm (MQ). Denne høyohmige elektro­ den krever spesielle signalledninger. De må ha høy isolasjonsresistans og være tilkoplet en instrumenteringsforsterker. Ledningsisolasjonen må være absolutt fri for fuktighet. Signalledningene lukkes derfor her­ metisk med den ytre isolasjonen festet til glasselektroden, og med en spesialkontakt i den andre enden. Dersom isolasjonen på en signalledning blir skadet slik at det går hull på den, kan det gi målefeil.

Standardisering Dersom en glasselektrode skiftes ut, vil den ikke bli helt lik den forutgående. Det kommer av at innerflatene og ytterflatene på membranen ikke er helt like. Det fører til at elektroden ikke måler pH 7 om den plasseres i en målevæske med nøytral pH-verdi (pH 7). Den potensialdifferansen vi får, kalles asymmetri, og den må justeres hver gang en elektrode skiftes. Dette kalles standardisering av elektroden. Siden elektrodene er meget høyohmige, må det brukes spesielle forsterkere, såkalte instru­ menteringsforsterkere. Forsterkeren har en inngangsimpedans som er oppimot 1012 Q. pH-måling er temperaturavhengig fordi antallet av H+-ioner varierer noe med temperaturen. En pH-måling utstyres derfor med en temperaturkompensering. Som måleelement benyttes Pt-100-element. (Eller et Pt-1000-element.)

249 Jording Vi kan ikke jorde skjermen rundt glasselektroden og elektronikken til beskyttelsesjord (PEjord). Jordfeil i prosessanlegget ville da kunne gi store målefeil i pH-målingen. Referanseelektroden danner jord for elektronikken og skjermen rundt glasselektroden. Figur 7.27 viser et komplett anlegg for måling av pH. For at målingen skal være pålitelig, må elektrodene kontrolleres og rengjøres ofte.

Figur 7.27 Komplett anlegg for måling av pH

250

Den kombinerte pH-elektroden Figur 7.28 viser oppbygningen av en kombinert pH-elektrode og et pH-meter med kombinert måleelektrode.

Indre fyllingsvæske normalt pH 7

Figur 7.28

Bærbar pH-måler med kombinasjonselektrode (Jenway)

På kombinasjonselektroden, figur 7.28, er glasselektroden og referanseelektroden bygd sam­ men, slik at det ser ut som én elektrode. Elektrodens indre er delt i to atskilte rom. Det midterste har fylling for glasselektroden, mens referanseelektroden ligger som en kappe rundt det hele. Den er fylt med KCI-oppløsning. Denne væsken står i ledende forbindelse med målevæsken gjennom det såkalte dia­ fragma. Dette er et lite hull med en porøs plugg av for eksempel keramisk materiale. Det er viktig at elektroden blir dyppet så langt ned at diafragmaet står nede i målevæsken.

Kalibrering av pH-måleutstyr Det finnes to grunnleggende kalibreringsmetoder. • prosesskalibrering (testing) • topunktskalibrering (bufferkalibrering)

Prosesskalibrering Denne metoden er den enkleste måten å kalibrere systemet på. Man tar en prøve fra prosessen og måler pH-verdien med et nøyaktig pH-instrument, se figur 7.27. Potensiometrene «standardize» eller «asymmetry potensial» justeres til man kan avlese den samme referanseverdien som ble påvist under laboratorietesten på måleinstrumentets display. Når man bruker denne metoden, er det meget vanskelig å oppnå en nøyaktighet bedre enn 0,02 «TJ

251

pH

Figur 7.29 pH-meter for laboratoriebruk (Jenway) For å redusere unøyaktigheten knyttet til denne kalibreringsmetoden, bør følgende prosedyre følges: 1 Ta pH-laboratorieutstyret til prosessen, og ikke omvendt. Bruk en pH-analysator av høy kvalitet og mål prøven med en gang den er tappet. 2 Kalibrer pH-meteret før analysen. Kontroller pH-meteret også etter analysen. Kalibreringen er bare riktig dersom pH-meteret viser nøyaktig samme verdi etter målingen som før målin­ gen. 3 Følg måleresultatene over tid etter at du har tatt kalibreringen for å være sikker på at du har unngått problemer som kan henge sammen med punkt 1 og 2.

Fordeler ved prosesskalibrering • Man trenger ikke å ta måleelektrodene ut av prosessen. • Levetiden til elektrodene øker (fjerning, rengjøring, kalibrering og remontering kan skade elektrodene). • Det er ingen uoverensstemmelse mellom prosess- og laboratoriemåling. Dersom det er uoverensstemmelse, må måleavviket analyseres.

252 Ulemper ved prosesskalibrering • pH-meterets måleusikkerheter blir lagt til prosessanalysatoren. pH-verdien kan bli endret mellom prøvetaking og analyse. • Ved redusert trykk kan oppløste gasser forsvinne, og det kan medføre endringer i prøvens pH-verdi. • Dersom prøven avkjøles, endres pH-verdien. • Prøven «fryser» den dynamiske prosessen, mens den kjemiske og biologiske prosessen fortsetter i prøven. Det kan resultere i endret pH-verdi. • Prosessavlesningen blir justert etter at referanseanalysen er ferdig. Endringer i prosessen i den perioden blir ofte ikke tatt med i kalibreringen.

Topunktskalibrering Topunktskalibrering er den metoden som foretrekkes. Mikroprosessorbaserte instrumenter kan ha automatisk buffergjenkjennelse. Det innebærer at de har innprogrammert nøyaktig pHverdi for en gitt bufferløsning. Typiske verdier på bufferoppløsning er: for 4 : 4,01 pH for 7 : 6,86 pH for 9 : 9,18 pH Har måleomformeren en analog skalering fra 0 til 14 pH, finnes ingen mulighet for nøyaktig kalibrering fordi indikatorens nøyaktighet ofte ikke er bedre enn 0,15 pH. Ved denne metoden bruker man en bufferoppløsning med pH 7. Potensiometrene «standardize» eller «asymmetry potensial» justeres, til den ønskete verdi kan leses av på instrumentet. Man gjentar prosedyren med en bufferoppløsning som har en pH-verdi forskjellig fra pH 7, men justerer nå «slope»-regulatoren. Det tilsvarer justering av øvre målegrense (området) i en annen måleform.

Vedlikehold I motsetning til laboratorieomgivelser er måleelektroder for kontinuerlig pH-måling i en produksjonsprosess utsatt for stadige temperatur- og trykkendringer. Måleelementene er også i direkte kontakt med prosessen uten noen form for filter- eller stikkprøveundersøkelser. Det fører ofte til groing, dannelse av belegg eller forurensning på elektrodene. Resultatet blir pHfeil og tap av følsomhet. Avleiringer vil også øke responstiden til elektrodene. Målingene blir da tregere. Elektrodene må renses etter fastsatte rutiner, enten automatisk eller manuelt. Bruk ikke klut, for den kan føre til at belegget spres utover og forårsake ytterligere avleiringer. Selv om målelektrodene ser rene ut etter rengjøring med klut, er det ofte ikke tilfellet. Den beste måten å rense elektrodene på er å bruke en passende syreoppløsning som fjerner belegget. En oppløsning av 5 % saltsyre (HCL) er effektiv i de fleste tilfeller. Etter rensing bør man teste elektrodens respons. Mikroprosessorteknologi vil være til hjelp for å oppnå effektivt vedlikehold fordi den kan kontrollere den elektriske impedansen mellom væskeforbindelse og glassmembran. Den kan også utføre en automatisk syrerens til rett tid og vil kunne kontrollere den dynamiske respon­ sen til elektrodene etter rensing.

253 Måling av ledningsevne (konduktivitet) Med ledningsevne menes et stoffs evne til å lede elektrisk strøm. Enheten for ledningsevne (G) er Siemens (S). Ledningsevnen er gitt ved 1 G - R®

Likning 7.14

For å kunne bestemme ledningsevnen i væsker, trenger man en standard.

Standard Ledningsevnen måles mellom to elektroder med areal 1 kubikkcentimeter og en avstand på 1 centimeter mellom elektrodene, se figur 7.30.

Ledningsevnen er en funksjon av antallet frie ioner i oppløsningen. Antall frie ioner i en oppløsning er igjen avhengig av temperaturen. Målingen må derfor temperaturkompenseres. Dersom temperaturen øker én grad, vil ledningsevnen øke med ca. 2 prosent. Dersom det benyttes likespenning på elektrodene, får vi polarisering i væsken, noe som også påvirker ledningsevnen. For å motvirke dette benyttes det vekselspenning på elektrodene,

Figur 7.31 Prinsippskisse for måling av ledningevne

254

Gassanalyseinstrumenter for prosessmålinger De analyseinstrumentene vi skal gjennomgå, er instrumenter som er beregnet på å stå ute i fabrikkene og gi en automatisk måling av gasskonsentrasjonen i forskjellige prosesser. Analyseinstrumentene kan gi informasjon om gasskonsentrasjoner i en produksjonsprosess eller om gassutslipp til atmosfæren. Produksjonsbedrifter er pålagt å dokumentere utslipp av miljøfarlige gasser. Her stiller myndighetene meget strenge krav til de målingene (analysene) som utføres, figur 7.32.

Figur 7.32 Røykutslipp fra industrien inneholder svoveldioksid, som blir syre når den er oppløst i vann

I tett befolkete områder måles utslipp av CO, CO2 og andre gasser. Kvaliteten til de varene som industrien produserer, er ofte avhengig av nøyaktige analyser, slik at blandingen av råvarer blir riktig. De analyseinstrumentene som beskrives i dette kapitlet, brukes også til måling av utslipp av giftige og miljøfarlige gasser til atmosfæren. Etter å ha gjennomgått noen felles trekk ved gassanalysatorer og gassbehandlingssystemer, skal vi gjennomgå den prinsipielle virkemåten til følgende analyseinstrumenter: • • • • • •

Oksygenanalysator Infrarød analysator Varmeledningsanalysator Gasskomatograf Eksplosimeter Personlig gassmåleutstyr

Fellestrekk ved analysatorer Måleverdiene fra analysatorene vil alltid foreligge som elektriske signaler, og kan avleses på indikatorer eller skrivere, eller overføres til datamaskin. De gasstrømmene som vi måler på en analysator, kan være sammensatt av to eller flere gassarter. Vi kaller disse komponenter. Den gassarten som vi vil måle, kaller vi målekomponenten. Det er vanlig at ett analyseinstrument bare måler én gasskomponent. Men vi har noen unntakelser. Vi har for eksempel infrarøde analysatorer som måler sum CO + CO2. Videre gjelder det for alle gasskromatografer at de kan måle flere gasskomponenter. Et analyseinstrument kan også måle flere forskjellige gasstrømmer, det vil si at instrumentet i tur og orden koples inn på forskjellige gassuttak. Det kan gjøres med en automatisk

255 omkopling eller manuelt. I det første tilfellet må det benyttes en flerpunktskriver som samtidig viser hvilket målepunkt som til enhver tid er inne. Det er vanlig at skalaen er gradert i prosent (%), og i forbindelse med gasser menes det da volumprosent. (For gasser er volumprosent ensbetydende med mol-prosent). Ofte begynner skalaen på 0, men vi kan også ha undertrykt nullpunkt og får da skalaer for eksempel fra 20 til 40 % eller 90 til 100 % osv. Har vi svært lave konsentrasjoner av en komponent, er det tungvint å bruke betegnelsen prosent. Vi bruker i stedet ppm som betyr parts per million eller ppb som betyr parts per bil­ lion (= milliard). Anta at en gassanalysator kan registrere at en gass inneholder 1 ppb av en annen gasskomponent. Hvor lite er 1 ppb?

Eksempel I Kina bor det ca. en milliard mennesker. Dersom enda en person flytter til Kina, så skulle altså det kunne gi utslag på en eller annen måling. Vi har altså: 1

-2

1 y— =

10

Prosent: —— - 10

Promille:

1

ppm: iQQQQQQ = 10

-en hundredel

-3

6

- en tusendel

- en milliondel

ppb: 1000000000 = 10

Det vil si 1 % = 10 000 ppm = 10 000 000 ppb.

Ved lave konsentrasjoner hender det også at vi finner analyseinstrumenter med skalagradering i gram pr. kubikkmeter (g/m3)eller milligram pr. kubikkmeter (mg/m3).

Analyseanlegg Analyseinstrumentene har vanligvis en meget god driftssikkerhet og nøyaktighet, men det forutsetter at den tilførte gassen er ren og tørr, og at gasstilførselen er kontinuerlig. En vesent­ lig del av vedlikeholdsarbeidet går derfor ut på å holde gasstilførselen i orden og sørge for at det ikke på noe tidspunkt kommer urenheter fram til analysatoren. Vi skal derfor først gjen­ nomgå hjelpeutstyret som brukes sammen med analysatorene, deretter skal vi gjennomgå den prinsipielle virkemåten til noen gassanalysatorer.

Analyseopplegg Med analyseopplegg menes her montasje av analysator med alt det hjelpeutstyr som må til, for at analysatoren skal virke som forventet.

256 På figur 7.33 vises et komplett analyseanlegg for analyse av gass i et prosessrør. For å tegne et analyseanlegg benytter man symboler. Symboler for analyseanlegg vises i tabell 7.10.

Skriver

V1, V2, V3 er avstengningsventiler

Drenering

Figur 7.33 Skjematisk figur av et analyseopplegg

Montasjesteder Det vanligste er at analysatoren monteres ute i fabrikken. Ofte bygges det egne boder for ana­ lyseinstrumentene inne i fabrikkene, på steder hvor atmosfæren er så støvete og aggressiv at det kan ødelegge analysatoren. Boden må da settes under svakt overtrykk. Analysator som ikke står i bod, må spyles med luft hvis de står i ugunstige omgivelser, eller de må settes inn i et skap som spyles (pumpes). Det bygges også spesielle analyseboder i områder der vi har eksplosjonsfarlige omgivelser. Det stilles spesielle krav til disse angående gjennomstrømning og overtrykk, slik at eksplos­ jonsfarlige gasser ikke kan trenge inn i boden. I «Forskrifter for elektriske anlegg i eksplosjonsfarlige områder» redegjøres det for «Krav ved bruk av kunstig ventilasjon». Figur 7.34 viser et symbolskjema for et analyseanlegg for en prosess med overtrykk. (p>0,5 bar) På grunn av overtrykket er dette anlegget uten pumpe.

Figur 7.34 Symbolskjema for et analyseanlegg for prosess med overtrykk

257 Symbol

Betydning

Symbol

± [1 P-o

J 1_ “1

Uttakssonde med keramisk grovfilter

J 1—J “1

Uttakssonde med keramisk grovfilter og oppvarmingsanordning

—

1—l—

1

Strømningsmåler (rotameter) med og

uten induktivt måleelement

T 7 0 H

y_

Gasskjøler

xn

Keramisk filter

Betydning

1___

Symbol Betydning

1

Skriver

Nåleventil, avstengningsventil og reduksjonsventil

Regulator

Magnetventil, toveis og treveis

Reguleringsmotor

Gassflaske med reduksjonsventil

—— Vurderingsenhet

Membranfilter for partikler > 1”

Gassanalysator

Tørketårn, selektivfilter, vasketårn, vaskeflaske e.l.

Automatisk gassbryter

Enhet for grenseverdiovervåkning

Programverk

Signalhorn eller annen alarm

Reaksjonsovn

Gasspumpe

Viserinstrument

Digital presentasjon (display)

Signallampe, alarmtavle e.l.

Tabell 7.10 Symboler som brukes i analyseanlegg

Gassuttak Gassuttaket eller måleuttaket plasseres alltid på toppen av rør, tanker o.a. for å hindre væsker og partikler i å følge med inn i måleledningen. I vertikale rør, for eksempel skorsteiner, kan det av og til være riktig å montere inn et smalere rør (en målesonde) som stikker et stykke inn. For bedre å kunne få et gjennomsnitt av gassen, for eksempel i en skorstein, kan man bore noen hull i målesonden med forskjellige avstander fra ytterveggen. I noen prosesser kan støvpartikler eller enkelte kjemiske reaksjoner forårsake fortetninger i uttaket. Derfor er det viktig at man velger uttak og sonde med tanke på dette problemet, og sørger for mulighet til å kunne enten stake opp eller blåse opp uttaket på en enkel måte. Blåsing av uttaket kjøres ofte automatisk, med faste (programmerte) tidsintervaller.

Måleledninger Avstanden fra måleuttaket til analysatoren bør være så kort som mulig. Som målegassledninger brukes syrefast stål, vanlig stål, plast-, polyetylen-, eller teflonslanger med indre diameter fra 4 til 10 millimeter. Er det fare for frost, må det legges varmekabel og isolasjon rundt måleledningen.

258 På steder hvor man skal måle lave konsentrasjoner (ppm-målinger) er det viktig at måleledningen er laget av et materiale som ikke absorberer den gassen som skal måles (målekomponenten). Slanger av polyetylen og teflon har vist seg å være gunstige for slike målinger når temperaturen ikke er for høy for slangene.

Transport av gass fram til analysatoren Det gunstigste er at prosessen har et visst overtrykk, slik at vi kan regulere tilførselen med en reduksjonsventil. Er prosesstrykket for høyt, må man sette inn en reduksjonsventil og redusere til ca. 0,5 bar. I begge tilfeller oppnår man å hindre at falsk luft kommer inn i måleledningen, noe man kan få når man må sette inn en eller annen form for pumpe. Er prosesstrykket mindre enn ca. 300 mm vannsøyle, må man sette inn en pumpe, figur 7.35.

Prosessledning med undertrykk

Figur 7.35 Symbolskjema for analyseanlegg i prosess med undertrykk

Foran og i pumpen kan vi da få undertrykk og fare for innsugning av falsk luft. Altså stilles det her store krav til at gassløypa er tett. Membranpumper av forskjellige typer er mest brukt, belgpumper er også i bruk enkelte steder. Membranmaterialet må være av god kvalitet, særlig ved aggressive media. Viton er et gun­ stig materiale. Det finnes også belgpumper hvor belgen er laget av teflon. Damp- og vanninjektorer brukes også en del, særlig i forbindelse med røykgassmålinger. Hvis man skal føre gass fra mange forskjellige punkter til en analysator, og hvis hver av punktene trenger en pumpe, kan vi kople anlegget til for eksempel et felles sug, hvis det fins og er tilgjengelig (for eksempel avsugsvifte). Da kan vi spare pumpene.

Filtrering Partikler som kan virke ødeleggende på analysesystemet, må filtreres bort. Analysatoren er den mest ømfintlige del i analysesystemet og må beskyttes med et finfilter, for eksempel et membranfilter. I enkelte tilfeller er det nødvendig med et ekstra filter, grovfilter, tidligere i gassløypa. Det beskytter andre deler i analysesystemet, som for eksempel membranpumpen. Grovfilteret hjelper dessuten til at ikke finfilteret blir overbelastet. Er gassen svært uren og i tillegg noe fuktig, bør grovfilteret plasseres så nær uttaket som mulig. Det hindrer tilstopping av rør eller slange. Som grovfilter er steinull mye brukt, pakket i en egnet glassbolle. Foruten membranfiltre kan nevnes patronfiltre av forskjellige kapasiteter og materialer. Filterhusene kan eksempelvis være av syrefast stål, PVC eller teflon. Vi må sørge for å velge filtre etter de trykk og media vi behandler.

259 Kjøling En av grunnene til at vi kjøler målegassen, er at den i enkelte prosesser er for varm for ana­ lysatoren. Men den viktigste grunnen er at fuktighetsinnholdet i gassen blir fjernet og stabilis­ ert ved kjøling. Da forhindrer man kondensering i analysatoren og unngår dermed målefeil, se figur 7.36.

Kjøleren kan plasseres i et elektrisk kjøleskap. Man slipper da å montere vannrør til kjøleren, samtidig som temperaturen er enkel å holde konstant. Kondensvannet som samles opp i en beholder, må tømmes regelmessig. Dersom det plutselig skulle komme store mengder vann fra prosessen, har vi ingen garanti for at det ikke kommer fram til analysatoren. Det kan da brukes en automatisk utskiller (flottørstyrt potte e.l.) i forbindelse med kjøleren eller en væskesperre for analysatoren. Væskesperren stopper all gjennomstrømning så snart det kommer vann. Dessuten virker den som en sikring.

Tørking I avsnittet om kjøling ble det vist hvordan vi fjerner og stabiliserer fuktighetsinnholdet i måle­ gassen. Men ofte trenger vi enda tørrere gass. Da kan vi benytte silikagel eller la gassen boble gjennom konsentrert svovelsyre, se figur 7.37.

Figur 7.37 Detalj av uttak med svovelsyre som tørkemiddel

260 Silikagel er renslig å ha med å gjøre, men vi må passe på å bytte den eller fjerne den absor­ berte fuktigheten med visse mellomrom. Fuktigheten akkumuleres i silikagelen, og den mister til slutt sin tørkeeffekt. Kalsiumklorid er også et brukbart tørkemiddel. Konsentrert svovelsyre er effektivt, men man må merke seg at den er meget farlig å hånd­ tere. Også i den får vi en akkumulering av vann, som gjør at syren fortynnes. Det hender at det monteres en utskiller etter svovelsyreflasken for å hindre at syre og vann renner inn i analysa­ toren. Svovelsyreflasken plasseres i enkelte tilfeller helt inntil uttaket for å hindre fuktighet i å trenge inn i måleledningen. Dette er meget viktig hvis vi skal måle i ppm-området, da målekomponenten av enkelte gasstyper lett absorberes i fuktigheten. En annen grunn til å plassere flasken slik er at hvis gassen også inneholder litt støv, så vil støv og fuktighet fort tette igjen måleledningen.

Utløp for analysatoren Utløpet fra analysatoren må vi ikke overse. Utløpet må være fritt, slik at analysatorens målecelle blir liggende på atmosfæretrykk. Er gassen giftig eller brennbar, må vi sørge for et avløpsrør som går tilstrekkelig høyt over tak. Dersom gassen ikke kan slippes til atmosfæren, må den føres tilbake til prosessen. Trykkvariasjoner i prosessen kan da virke forstyrrende på målingen. Vi må også være klar over at variasjonene i atmosfæretrykket virker på samme måte. Det betyr at dersom analysatoren kalibreres med prøvegass den ene dagen, og vi neste dag har 1 prosent økning i trykket, så får vi i de fleste tilfeller en målefeil på 1 prosent. Det finnes utstyr som kan kompensere for trykkvariasjoner, hvis målingene er kritiske. Avløpsrørene må ikke ha noen form for strupning, og vi må sørge for at det ikke dannes kondensat eller is i røret. I noen tilfeller må det monteres varmekabel på røret.

Tidsforsinkelse Det er viktig å ha oversikt over hvilke tidsforsinkelser vi har fra gassuttaket og fram til avlesningsinstrumentet. En forsinkelse kan deles opp i den transportforsinkelsen vi har fra gassut­ taket fram til analysatoren, og analysatorens egen tidskonstant. Analysatorens tidskonstant kan være fra noen få sekunder opp til noen minutter. Den er vanligvis oppgitt i spesifikas­ jonene. Transportforsinkelsen i måleledningen er avhengig av volum og gassmengde. Et rør med indre diameter på 6 millimeter har et volum på 1 liter når den er 35 meter lang. Med en gjennomstrømning på 1 liter pr. minutt vil vi få en forsinkelse på 1 minutt. I praksis dimensjo­ neres anleggene slik at tidsforsinkelsen blir minst mulig.

261

Oksygenanalysator Eksempel på bruk av analysator Til all forbrenning må det være oksygen (O2) til stede. Normalt brukes luft som forbrenningsgass, hvor andelen av O2 utgjør 21 prosent, resten (ca. 80 %) er nitrogen (N2), som ikke deltar i forbrenningen. I all forbrenning produseres karbondioksid (CO2), vanndamp (H2O) og gass. I en ideell forbrenning skal alt oksygen bli forbrent. Da har vi en maksimal konsentrasjon av karbondioksid i røykgassen. Med et overskudd av forbrenningsluft har vi overskudd av O2 og en redusert CO2-konsentrasjon, se figur 7.38.

Figur 7.38 CO2-konsentrasjon i forbrenningslufta ved luftoverskudd og luftunderskudd

Dersom det tilføres for lite luft, vil det føre til et underskudd av CO2. Vi har da en ufullstendig forbrenning. Resultatet gir produksjon av uforbrent gass som CO og hydrokarboner. Samtidig vil også mengden av CO2 reduseres. Det betyr at det ved to tilfeller måles samme konsentras­ jon av CO2 i røykgassen, både ved luftoverskudd og luftunderskudd. Det er viktig for natur og miljø, men også for en økonomisk drift, at forbrenningen i fyrkjelen er best mulig. Gal forbrenning gir utslipp av sot og den meget giftige gassen CO. For å oppnå optimal drift må forbrenningen i fyrkjelen reguleres. Reguleringen kan ikke baseres på måling av CO2 fordi to forskjellige lufttilførsler jo gir samme CO2-konsentrasjon i røykgassen. Da måtte vi i så fall ha en ekstra måling av uforbrent CO-gass. I praksis måler man bare O2-innholdet i røykgassen (i praksis 6-8 % O2). En reguleringssløyfe basert på O2-analyse arbeider med en skalverdi i området med luftoverskudd, men så nær det optimale forbrenningsforholdet som mulig, uten dannelse av CO-gass og sot.

Hvorfor Omregulering og ikke CO-regulering? O2-konsentrasjonen i røykgassen reduseres med en faktor som er en direkte funksjon av redu­ sert lufttilførsel. CO-konsentrasjonen i røykgassen vil holde seg på et ganske stabilt nivå, for eksempel 400 ppm, før forbrenningslufta reduseres til et slikt nivå at det optimale forbrenningspunktet passeres. Når O2-innholdet i gassen er sunket til om lag 5 prosent vil CO-nivået stige raskt, og sot formes. En reguleringskrets som er basert på CO-signalet, vil kunne arte seg som en av- eller på-regulering.

262 Oksygenmåling og regulering basert primært på O2-analyse, kan i anlegg med svært variabel brenselskvalitet kombineres med CO-måling for at man kontinuerlig kan korrigere og stille inn på det optimale forbrenningspunktet.

Paramagnetisk oksygenanalysator I 1851 oppdaget Faraday at oksygen oppførte seg svært forskjellig fra andre gasser i et mag­ netfelt. Oksygenet ble tiltrukket magnetfeltet. Oksygen ble definert som en paramagnetisk gass. De fleste andre gasser, for eksempel nitrogen, vek unna feltet og ble definert som diamagnetiske. Måleprinsippet er altså fysisk og baserer seg på at oksygenmolekylet har magnet­ iske egenskaper. Oksygenets paramagnetiske egenskap gjør det mulig å måle (analysere) mengden av O2 i en ukjent gass med stor nøyaktighet. O2-molekylet vil tiltrekkes av et magnetfelt, mens N2 og andre diamagnetiske gasser fra­ støtes, se figur 7.39.

Diamagnetisk gass skyves ut av magnetfeltet

Paramagnetisk gass tiltrekkes av magnetfeltet

Figur 7.39 Diamagnetisk gass skyves ut av magnetfeltet, mens paramagnetisk gass tiltrekkes To glasskuler fylt med nitrogen, N2, er montert på en stang. Stangen med glasskulene monteres i et magnetfelt, se figur 7.40. Stangen kan rotere om sin akse. Opphenget til stangen er en metalltråd.

Figur 7.40 Glasskuler fylt med N2, montert i magnetfelt På grunn av nitrogenets diamagnetisme vil glasskulene presses utover i magnetfeltet. Motkraf­ ten ti) denne vridningen oppnås ved at det vikles en spole rundt hver av N2-kulene. En strøm gjennom spolene vil etablere et magnetfelt som vil presse kulene mot det permanente magnet­ feltet igjen, se figur 7.41.

263 Gassblandingen som skal måles, inneholder altså oksygen. Gassblandingen tilføres målecellen. Oksygenet blir tiltrukket av det sterke magnetfeltet i permanentmagneten. Siden oksy­ genet er paramagnetisk og nitrogenet diamagnetisk, vil oksygenet skyve bort nitrogencellen, som dermed dreier. Et speil som er montert på den dreibare nitrogencellen, forandrer nå den reflekterende lysstrålens retning, se figur 7.42.

Figur 7.42 Prinsippfigur for oksygenanalysator (Servomex)

Lysstrålen treffer fotocellen i andre punkter, og dermed endres spenningen ut fra fotocellen. Den elektroniske forsterkeren føler denne endringen og øker sin utgangsstrøm som går gjen­ nom strømspolene rundt N2-kulene. Økningen i strømmen er så stor at N2-kulene dreier tilbake inn i magnetfeltet slik at den reflekterende lysstrålen treffer fotocellen i samme punkt (nullpunktet). Strømmen fra forsterkeren er nå et mål for oksygenkonsentrasjonen i gassbland­ ingen.

Infrarød analysator Infrarød stråling er nær beslektet med stråling fra lys, men det infrarøde lyset er så langbølget at det ikke kan sees med øyet. Infrarød stråling er en varmestråling lik varmestrålingen fra en ovn. En del gasser absorberer infrarød stråling med bestemte bølgelengder. Infrarøde analysa­ torer er instrumenter som kan måle en gassblandings evne til å absorbere infrarød stråling med en bestemt bølgelengde. Konsentrasjonen av en gasskomponent i gassblandingen kan således bestemmes. Eksempler på gasser som absorberer infrarød stråling, er: • ammoniakk, NH3 • karbonoksid, CO • karbondioksid, CO2 • metan, CH4

264 Figur 7.43 viser absorpsjonsspektra for noen gasser. Skalaen er logaritmisk.

Bølgelengde (nm)

Figur 7.43 Infrarøde absorpsjonsspektra til noen gasser

Eksempel Av figur 7.43 ser vi at CO2 absorberer infrarød stråling med bølgelengde ca. 3 nm og ca. 4,5 nm. CH4 absorberer infrarød stråling med bølgelengde ca. 3,5 nm og med bølgelengde ca. 7 nm. Den infrarøde analysatoren brukes både for å måle gasskonsentrasjoner i produksjon og utslipp til atmosfæren. Analysatoren kan også brukes til måling av forurensning i atmosfæren. Eksempel på dette kan være måling av CO og CO2 i byer og ved sterkt trafikkerte veier.

Gasser som består av bare én atomtype, absorberer ikke infrarød stråling. Eksempler på slike gasser er: • alle edelgassene • oksygen, O2 • nitrogen, N2 • hydrogen, H2 Figur 7.44 viser en prinsippskisse for en infrarød analysator. Analysatoren består av to filtre som bare slipper gjennom lys med den bølgelengden man ønsker å måle. Måleelementet er elektronisk og koplet til en elektronisk forsterker.

Figur 7.54 Prinsippskisse for en infrarød analysator

To forskjellige bølgelengder, og X2, sendes vekselvis gjennom målecellen. Den ene bølge­ lengden er slik tilpasset at den vil absorberes av den ene gasskomponenten i målecellen. Den andre bølgelengden velges slik at den ikke påvirkes av noen av gasskomponentene. Bølge­ lengdene treffer måleelementet vekselvis og akkurat der intensiteten i de to infrarøde strålingene omsettes til elektriske spenninger. Forsterkeren sammenlikner de to spenningene, og differansen på disse spenningene blir et mål for konsentrasjonen av den gassen man ønsker å måle.

265 Det er forholdet mellom intensiteten til de to bølgelengdene som gir et mål på konsentrasjonen av målekomponenten. Belegg på vinduene i målecellen får således nesten ingen innflytelse på måleresultatet. Dette er en av de store fordelene med denne instrumenttypen. Vanligvis skal det være atmosfæretrykk i målecellen. Det oppnås ved å la gassen strømme fritt ut fra cellen uten å passere noen strupning. Dersom trykket øker, fører det til at gassen i målecellen får større tetthet. Instrumentutslaget vil da øke tilsvarende. Feilen som da oppstår, er stor nok til at vi må ta hensyn til den ved nøyaktige målinger. Den blir særlig merkbar når vi arbeider med undertrykt nullpunkt. I slike tilfeller må vi bruke en trykkregulator som kan sørge for konstant trykk i målecellen. Andre former for trykkompensering kan også brukes. Det laveste måleområdet en IR-analysator kan brukes for, er avhengig av målekomponentens absorpsjonsevne. Som en rettledning kan vi si at grensen er mellom 0-0,001 og 0-0,05 prosent, det vil si 0-10 og 0-500 ppm. IR-analysatoren er en av de viktigste analysatorene i kjemisk industri, både når det gjelder måling i produksjon, og utslipp av miljøfarlige gasser til atmosfæren.

V armeledningsanalysator Vi kjenner til at metaller har forskjellig varmeledningsevne. For eksempel leder kobber varme bedre enn jern. På samme måte er det for gasser. Gassen hydrogen leder varme tolv ganger bedre enn karbondioksid. Dersom den komponenten som skal måles, har en varmelednings­ evne som er vesentlig forskjellig fra de andre gasskomponentene, så er varmeledningsanalysatoren et aktuelt analyseprinsipp. Tabell 7.11 viser noen gassers relative varmeledningsevne. Gass

Relativ varmeledningsevne

Gass

Relativ varmeledningsevne

Ar

68

He

593

Etan

76

Ne

191

Propan

63

h2

714

Butan

56

n2

100

Pentan

51

O2

102

Heksan

50

Luft

100

Acetylen

77

co2 co

59

Etylen

73

96

Propylen

58

NO

96

Metanol

59

n2o

63

Metylklorid

39

nh3

90

Metylenklorid

27

Cl2

32

Kloroform

27

so2 cs2

35

Aceton

40

28

Etyleter

54

H2S

53

Benzen

37

Metan

Tabell 7.11 Varmeledningsevnen til noen gasser

125

266 Prinsipiell virkemåte I målekammeret er det en elektrisk motstandstråd. Motstandstråden fører en strøm og dermed varmes denne opp. Temperaturen i tråden er avhengig av varmeledningsevnen til gassen i målecellen, se figur 7.45.

Figur 7.45 Prinsippskisse for en varmeledningsanalysator

Dersom målegassen har høy varmeledningsevne, blir temperaturen i tråden lavere enn om gas­ sen har liten varmeledningsevne. Høy temperatur gir større resistans i motstandstråden. Lav temperatur gir lavere resistans. Referansecellen R er bygd opp på nøyaktig samme måte som målecellen, men er fylt med en referansegass. Sammen med fastmotstandene R! og R2 utgjør dette systemet en såkalt Wheatstones brokopling. En elektronisk forsterker er koplet inn i brodiagonalene. Spenningen over brodiagonalene forsterkes og omformes til 4-20 mA for fjernavlesning. Instrumentet på figur 7.45 er også utstyrt med digital avlesning. Denne målemetoden er temperaturavhengig, og målingen må derfor temperaturkompenseres. Varierende fuktighetsinnhold i gassen kan også gi betydelige feil i målingen. Fuktighets­ innholdet må derfor holdes mest mulig konstant og gjerne så lavt som mulig.

Gasskromatograf Dette er et kostbart og komplisert instrument, men som har den store fordelen at man kan utføre analyser som ikke er mulig med andre prosessanalysatorer. Dessuten kan en gasskro­ matograf analysere mange forskjellige gasskomponenter og flere forskjellige gasstrømmer, se figur 7.46. Figur 7.46 viser et prinsipielt blokkskjema for en gasskromatograf. Selve analysatoren er plassert ute i anlegget. Skriver, skjerm, datamaskin (dataenhet), programmeringsenhet og utgangsmoduler er satt i et kontrollrom eller i koplingsrommet. Måledataene kan koples direkte til en prosessdatamaskin dersom man ønsker å presentere målingene på fagoperatørenes skjermer. I motsetning til de tidligere omtalte instrumenttypene arbeider gasskromatografen diskonti-

267

Prosesstilkoplinger

Punktene 1-7 svarer til prosesstilkoplinger

Figur 7.46 Et prinsipielt blokkskjema for en gasskromatograf

nuerlig. Det vil si at den tar ut en liten gassprøve og bruker noen minutter til å analysere prøven. Den viktigste egenskapen til gasskromatografen er at den skiller de forskjellige gasskomponentene i prøven fra hverandre. Det foregår i analysatorens kolonner. Målegassen drives gjennom kolonnene av en hjelpegass, for eksempel helium. Denne hjelpegassen tilføres fra gassflasker som plasseres ved analysatoren. Når de separerte gasskomponentene kommer ut igjen, måles mengden av dem i meget raske detektorer av forskjellige typer. Alle gasskomponentene kan presenteres på skriver, egen skjerm eller på prosessdatamaskin. Presentasjonene kan være i form av tall, et stolpediagram eller en historisk trend. De gasstrømmene som skal analyseres, legges i gasskromatografens dataprogram. Dette pro­ grammet kan konfigureres, det vil si tilpasses måleoppgavene. Kromatografen analyserer i tur og orden de strømmene som er valgt. På dataskjerm og skriver vil det automatisk komme resultater for prosesstrøm og tidspunkt.

Eksplosimeter Dersom det skal utføres arbeid som kan antenne en eventuell gass i et Ex-område, forlanges det en manuell og uavhengig gasstest på arbeidsstedet før og under arbeidsforløpet. Manuelle gasstestere som er beregnet for slike målinger, kalles eksplosimetre. Figur 7.47 viser eksempel på et eksplosimeter.

Bruksformål Instrumentet er beregnet til kontinuerlig, samtidig og uavhengig måling av eksplosive bland­ inger av gass eller damp i luft i området under nedre eksplosjonsgrense, smt til overvåkning av oksygeninnholdet i lufta. Med eksposimeteret kan arbeidsstedet overvåkes slik at brukeren varsles når eksplosjonsfare oppstår eller ved oksygenmangel. Instrumentet kan også benyttes til kontroll av gassforholdene i sjakter, beholdere o.a. Det er bærbart og drives med opplad-

268

Figur 7.47 Eksplosimeter (Combiwarn C)

bare batterier. Instrumentet har et måleområde fra 0 til 50 prosent LEL. Instrumentet på figur 7.47 har et måleområde for oksygen fra 0 til 25 volumprosent.

Virkemåte og måleprinsipp som gjelder for en instrumenttype på markedet Instrumentet betjenes med en bryter. I bryterposisjon «T» kontrolleres funksjonen for den optiske og akustiske alarm, samt batteriets ladetilstand. I driftsposisjonen «I-Ex», henholdsvis «I-O2», er instrumentet klar for måling. Instrumentet måler nå samtidig konsentrasjonen av eksplosive gasser og damper samt oksygenkonsentrasjonen. Avhengig av hvilket måleområde man velger, vil instrumentet vise konsentrasjonen av enten eksplosiv gass eller damp eller av oksygenkonsentrasjonen. Indikasjonen er entydig til 50 volumprosent av den brennbare gas­ sen. En logikkopling sørger for at indikasjonen for de brennbare andelene holdes på fullt utslag når det samtidig oppstår oksygenmangel i tillegg til konsentrasjoner av eksplosive gas­ ser som overskrider måleområdet. Under den mer enn åtte timer lange driftstiden utløses automatisk en optisk og akustisk farealarm når enten konsentrasjonen av den eksplosive gassen eller dampen overskrider den innstilte varselgrense, eller oksygeninnholdet i lufta synker under 17 volumprosent. En akus­ tisk funksjonsfeilalarm, som er tydelig forskjellig fra farealarmen, lyder når batterispenningen har sunket under en minimumsverdi. Figur 7.48 viser måleprinsippet for eksplosimeteret på figur 7.47. Ex-målekammeret arbeider etter prinsippet om oksidasjonsvarme. Blandingen avgass eller luft diffunderer inn under målekammeret hvor gassene og dampene forbrennes. Forbrenningsvarmen forårsaker en motstandsøkning og dermed ubalanse i målebroen. Dette målesignalet ledes over en forsterker til påvisningsinstrumentet og til alarmenheten. Oksygensensoren arbeider etter et elektrokjemisk prinsipp. Oksygenet diffunderer gjennom en kunststoffmembran inn i en kjemisk celle hvor det genereres en liten elektrisk strøm mellom en gullkatode og en blyanode. Dette målesignalet, som er proporsjonalt med oksygenkonsentrasjonen, ledes over en annen forsterker til påvisningsinstrumentet og videre til alarmenheten.

269 Funksjonsprinsipp for Ex-målekammer Passiv Sintermetall kompensasjonsperle Målekammer

Funksjonsprinsipp for O2-sensor

Figur 7.48 Eksplosimeterets måleprinsipp

Tekniske data Nedenfor vises tekniske data for eksplosimeteret. Ex-beskyttelse

Ex sd 3n G5 8Ex sdll c T6

Testsertifikat

PTB sertifikat III B/E 28972

Måleområder

0 til 50 % LEL

Justering fra fabrikk

Justert til CH4 (metan) Ex alarm: 10 % LEL O2 alarm: 17 %

Driftstemperaturområde

0 til 40 °C

Lagringstemperaturområde

-20 til +50 °C

Tillatt barometertrykk

900 til 1100 mbar

Tillatt relativ fuktighet

Inntil 95 % relativ

Statiske feil

Ex

Nullpunkt

Følsomhet

o2

Temperatur

0,03 %/°C

Trykk

0,01 %/mbar

Fuktighet

0,02 %/R.h.

Temperatur

0,25 %/ °C

0,09 %/ °C

Trykk

0,05 %/mbar

0,03 %/mbar

Fuktighet

0,04 %/R.H.

0,02 %/% R.h.

0,1 %/dag

0,06 %/dag

Langtidsfølsomhet (ved fullt skalautslag)

270 Personlig gassmåleutstyr for giftige gasser, oksygen m.m. Når man skal utføre et arbeid i et område med giftige gasser, eller hvor det er fare for oksygen­ mangel, må man foreta en manuell gasstest, både før arbeidet starter, og under arbeidets for­ løp. På figur 7.49 vises et personlig gassvarslingsinstrument. Instrumentet er, som figuren viser, lite og enkelt å bære med seg.

Figur 7.49 Personlig gassvarslingsutstyr for registrering av giftige og eksplosive gasser (GarekAS) Alle gasser er ikke like giftige. Det gjør at en gasskonsentrasjon som er farlig i ett område kan være akseptabel i et annet. Dette instrumentet har to stillbare alarmgrenser som kan justeres ute i anlegget. Man kan både forandre alarmkriterier og justere forvarsling og alarmnivåer som passer til den spesielle situasjonen man er i. Alarmnivåene justeres enkelt på fronten av instrumentet. Trykk på alarmnivå 1 eller 2, og still justeringsskruen til vinduet viser den fast­ satte alarmgrense. Gasskonsentrasjoner som overskrider de forhåndsstilte alarmgrensene indikeres både ved lyd og lys. Et sakte pulserende lydsignal med lys fra en LED, lampe indik­ erer liten fare, et hurtig pulserende lydsignal med lyssignal indikerer at gasskonsentrasjonen er over høyalarm. Alarmsignalet har en styrke på ca. 85 dB på 30 cm avstand. Gasstesteren kan brukes for en lang rekke av gasser. Gassensoren skiftes etter hvilken gass som skal måles. En gassensor kan brukes i et år eller mer uten kalibrering. Tabell 7.12 viser hvilke gasser gasstesteren kan brukes for. Måleomfang

Gass AsH3

Arsin

0-

0,50

ppm

b2h6

Diboran

0-

1,00

PPm

Br2

Bromin

0-

5,00

PPm

Cl2

Klorin

0-

5,0

PPm

CO

Karbonmonoksid

0-

300

PPm

271 COC12

Fosgen

0-

1,00

ppm

F2

Fluorin

0-

5,00

ppm

GeH4

German

0-

5,00

PPm

h2

Hydrogen

0-

0,200

%

h2s

Hydrogensulfid

0-

100

PPm

HBr

Hydrogenbromid

0-

30

PPm

HC1

Hydrogenklorid

0-

30

PPm

HCN

Hydrogencyanid

0-

30

PPm

HF

Hydrogenfluorid

0-

10,0

Ppm

nh3

Ammoniakk

0-

100

PPm

O2

Oksygen

0-

25,0

%

O3

Ozon

0-

1,00

PPm

ph3

Fosbin

0-

1,00

PPm

SiH4

Silan

0-

50

PPm

Tabell 7.12

Egensikkerhet Noen av gassene som vises i tabell 7.12, er brennbare eller eksplosive. Et instrument som skal brukes i eksplosjonsfarlige områder, må selvfølgelig være godkjent etter følgende Ex-standarder. Instrumentet på figur 7.49 er merket slik: EEx ib l/IIC T 6 BVS-N2 88.1011 BVS-N2 88.B. 2002 EN 50014-50020 CSA Class I Division 1 and 2, Group A, B, C and D United States Department of Labor

MSHA 2G-3850-0

MSHA Mine Safety and Health Administration

Certificate of Compliance issued by the USSR State Committee for Standards, N2 12640-91

272

Måling av oksygeninnhold i vann Felles for mange forurensningsstoffer er at de påvirker mengden av oksygen løst i vann. Oksygeninnholdet betegnes med DO, som er en forkortelse for «dissolved oxygen», som betyr oppløst oksygen. Konsentrasjonen av DO har derfor blitt den viktigste målestørrelsen når man vil si noe om hvor sterkt forurenset vannet er (resipienten). Dersom det er nok oksygen i van­ net, kan mange forurensningsstoffer av betydning bli oksidert direkte, eller de kan bli tatt hånd om av mikroorganismer som må ha oksygen for å eksistere. På figur 7.50 vises et tenkt eksempel på oksygenkonsentrasjonen i en elv nedenfor et forurensningssted. Vi ser at den laveste verdien av oksygenkonsentrasjonen ikke ligger ved selve utslippet, men et stykke nedenfor. Oksygeninnhold ppm

Utslipp av forurensende stoffer

Nedstrøms

Figur 7.50 Oksygenkonsentrasjonen som funksjon av avstanden nedstrøms fra forurensningsstedet i en elv Hvor lang strekning vannet må tilbakelegge før konsentrasjonen av oksygen er oppe i det nor­ male igjen, avhenger av dybdeforholdene i elven, strømningshastigheten i vannet og hvor tur­ bulent strømningen er. Det er de to siste faktorene som bestemmer kontaktflaten mellom vann og luft, og dermed absorpsjonsevnen. For å overvåke forurensninger i vann må en derfor ha utstyr for kontinuerlig måling av innholdet av løst oksygen i vannet. Figur 7.51 viser oksygenmeter for kontinuerlig måling (DO-meter). Instrumentet er beregnet for panelmontasje. Måleelementet (målecelle) vises montert i røret.

Figur 7.51 Oksygenmeter (DO-meter) og måleelement (GarekAS)

273 Figur 7.52 viser en prinsippskisse for målecellen til oksygenmeteret.

Figur 7.52 Målecelle for oksygen løst i vann

Gullkatoden i målecellen ovenfor er skilt fra omgivelsene med en membran som bare slipper gasser gjennom. Målecellen er fylt med en elektrolytt. Hele målecellen blir senket ned i van­ net som skal analyseres. En spenning blir påtrykt mellom anoden og katoden. Når oksygen trenger gjennom membranen ved katoden, oppstår det en spenningsvariasjon som er propors­ jonal med oksygenkonsentrasjonen i vannet. Den gassmengden som trenger gjennom membranen, avhenger av trykkdifferansen mellom oksygenet inne i og utenfor målecellen. Oksygentrykket i elektrolytten er tilnærmet lik null. Oksygenstrømningen blir derfor utelukkende bestemt av oksygenets partialtrykk i vannet utenfor målecellen. Ettersom ledningsevnen i cellen avhenger av det oksygenet som trenger gjennom membranen, blir forandringen i utgangsspenningen proporsjonal med partialtrykket. Den prosessen som foregår i denne målecellen, er sterkt temperaturavhengig. Målecellen må derfor temperaturkompenseres. Mens man tar målinger, må målecellen være helt nedsenket i vann, og den må holdes under vann helt til den har fått en stabil temperatur. Ved manuell prøvetaking må målecellen føres fram og tilbake slik at vannet som strømmer forbi membranen, byttes ut. Ved kontinuerlige målinger monteres målecellen i et rør sammen med en pumpe som pumper vannet forbi målecellens membran. Figur 7.53 viser et DO-meter beregnet på manuelle målinger.

Figur 7.53 D.O.-meter beregnet på manuell måling (GarekAS) DO-meteret på figur 7.53 har en nøyaktighet på ±2 % av fullt utslag innenfor ±10 °C av kalib­ rert temperatur.

274

Måling av tungmetaller Avløpsvann inneholder organiske stoffer. De blir brutt ned og forbruker da det oksygenet som er løst i vannet. Denne nedbrytningen bør foregå før vannet blir sluppet ut i resipienten, det vil si sjøen eller vassdraget. På alle kloakkrenseanlegg bør det finnes måleutstyr for å måle utslipp av ikke-nedbrutte organiske stoffer. En vanlig målemetode for dette formålet kalles BO-metoden. (BO = biokjemisk oksygenfor­ bruk.) Det er en manuell målemetode som foregår slik at en vannprøve med bakterier stenges inne i en viss tid, vanligvis i flere døgn, ved en bestemt temperatur. I løpet av denne tiden blir de fleste organiske stoffene brutt ned samtidig som oksygen forbrukes. Oksygeninnholdet i prøven (DO-verdien) måles før og etter isolasjonen. Man får nå et mål for innholdet av ned­ brytbart organisk stoff i avløpsvannet. Den store svakheten med denne metoden er at det kan ta en uke eller mer før måleresultatet foreligger. Dette gjør at en ikke kan styre renseprosessen med denne måleverdien fordi måleresultatet bare har historisk verdi. COD-analysatoren (Chemical Oxygen Demand, som betyr kjemisk oksygenforbruk) gir en raskere måling. COD-analysatoren bruker en bestemt type svovelsyre i stedet for bakterier til å bryte ned de organiske stoffene. Denne målemetoden kan gjøres automatisk og kontinuerlig. Analyseresultatene foreligger etter noen minutter, slik at man kan få en kontinuerlig måleverdi for regulering.

Måling av slaminnhold i vann På grunn av forurensning av vann, særlig i innlandet og i fjordene, stilles det krav til effektiv­ iteten av driften ved kommunale og industrielle renseanlegg. I en slamprosess i et kloakkrenseanlegg blir organisk stoff brutt ned ved hjelp av mikroor­ ganismene i slammet. Dette foregår ved at det tilføres store mengder luft i et basseng som kloakkvannet renner gjennom. For at denne prosessen skal være effektiv, må væsken inne­ holde en bestemt mengde slam i forhold til mengden av organisk stoff i kloakkvannet. Derfor må konsentrasjonen av slam måles. Slammålere virker vanligvis etter to optiske prinsipper. Felles for de to prinsippene er at partikler som er fordelt i en væske, sprer en innfallende, sam­ menknyttet lysbunt i alle retninger på grunn av refleksjonen fra partiklene i kloakkvannet. Den reflekterte lysstyrken er altså proporsjonal med partikkelkonsentrasjonen i kloakkvannet. Ved turbimetri, som er det ene prinsippet, måler man den lysstyrken som blir igjen etter at lyset har passert kloakkvannet. Det andre prinsippet kalles nefelometri, og da måler en lysstyrken av det lyset som blir reflektert av kloakkvannet. Figur 7.54 viser den prinsipielle virkemåten til et nefelometer.

Fotocelle Partikler som reflekterer lys

Målecelle

Figur 7.54 Prinsippet til et nefelometer

275 Måling av tungmetaller og organiske forbindelser i vann Disse miljøgiftene kommer hovedsakelig fra • industri • gruvevirksomhet • søppelfyllinger • avløp fra boliger (kloakkrenseanlegg) • plantevernmidler

Instrumenter basert på strålingsabsorpsjon (kolorimeter) Grunnprinsippet for strålingsabsorpsjon er at forskjellige stoffer absorberer visse lysbølgelengder og slipper andre igjennom. Hvis lyset fra en strålingskilde blir filtrert slik at bare lys av en bestemt bølgelengde blir tilbake, kan intensiteten av dette lyset måles før og etter at det filtrerte lyset har passert målemediet. Forskjellen i lysintensitet (lysstyrke) kan måles og uttrykker dermed konsentrasjonen av det stoffet som absorberer nettopp den bestemte bølge­ lengden. Strålingsintensiteten måles med fotoceller. Et instrument som brukes mye til manuelle konsentrasjonsmålinger av kjemiske stoffer og tungmetaller i vann, er kolorimeteret. Den prinsipielle virkemåten til instrumentet vises på figur 7.55.

Strålingskilden er en glødelampe som sender ut lys med et bredt bølgelengdeområde. Lyset blir fokusert av en linse og passerer deretter et gelatinfilter som bare slipper gjennom et forholdsvis smalt bølgelengdeområde. Etter å ha gått gjennom filteret passerer lyset målekammeret, som vanligvis blir kalt målekyvette, og deretter går det til en fotocelle. Utgangsstrømmen forsterkes og tilføres dataenheten via A/D-omformer.

Arbeidsmåte 1 Først velges et gelatinfilter som slipper gjennom det samme bølgelengdeområdet som blir absorbert av den kjemiske komponenten man ønsker å måle konsentrasjonen av. 2 Deretter setter man inn en referansekyvette som inneholder målemediet (vann), men uten den aktuelle kjemiske absorpsjonskomponenten. 3 Nå trykkes tasten for kalibrering, og dataenheten justerer automatisk nullpunktet. 4 Referansekyvetten blir deretter fjernet og erstattet med målekyvetten. Absorpsjonen, det vil si konsentrasjonen av den kjemiske komponenten, kan nå leses av på instrumentet. Kolorimeteret har sin begrensning. I målekyvetten må det bare være ett ukjent stoff til stede som absorberer lys innenfor filterets bølgelengdeområde.

276

Figur 7.56 Bærbart kolorimeter (400—710 nm) fra Jenway

Måling av konsentrasjon Suspensjon En suspensjon er en væske som inneholder fint fordelte partikler av fast stoff. Eksempler på suspensjon er grumset vann der sandkorn og støv er fordelt i vannet, eller melk der fettet er fint fordelt i væsken. En suspensjon er å betrakte som en mekanisk blanding. I papirindustrien har man fibersuspensjoner i konsentrasjoner fra 0,1 prosent til 15 prosent. Mange av produksjonsprosessene er avhengig av at konsentrasjonen er helt riktig. For å reg­ ulere konsentrasjonen nøyaktig trenger vi derfor konsentrasjonsmålere med høy presisjon.

Konsentrasjonsmåler basert på måling av skjærkraft Måleelementet er utformet som en haifinne montert i en rørledning, slik det er vist på figur 7.57. Hvis massekonsentrasjonen øker, dras finnen kraftigere med strømmen og overfører et signal via hevarmen til en måleomformer.

Måleelement

Figur 7.57 Måling av konsentrasjon etter skjærkraftprinsippet

Måleinstrumentet på figur 7.57 brukes også for måling av viskositet. Denne målingen kan påvirkes av flere størrelser, blant annet partiklenes eller fibrenes størrelse, temperatur og strømningshastighet.

w

Måling av massetetthet Tetthet er vekt pr. volumenhet. Vann har tettheten 1000 kg/m3 ved 4 °C. De to viktigste tilfel­ lene hvor vi er interessert i tettheten, er:

• Volumstrømningen er kjent, og vi vil vite hvor stor masse som strømmer i røret. • Vi har en blanding av to væsker med forskjellig tetthet og vil vite hvor stor del det er av hver væske.

Hydrometer Hydrometeret er den enkleste måler for tetthet i væsker og brukes blant annet til syrevektmåling av batterier. Måleren består av et glassrør med en flyter. Flyterens posisjon i forhold til væskeoverflaten er et mål for væskens spesifikke tetthet. Det avleses på flyterens skala.

Hydrometer

Figur 7.58 Hydrometer

o

Induktiv posisjonsmåler for omforming til 4-20 mA

Måling av tetthet med to boblerør Figur 7.59 viser et arrangement for måling av tetthet med to boblerør. Prosessvæske 1

Prosess­ væske 2

Boblerør 2

Boblerør 1

P2

Pi

Figur 7.59 Måling av tetthet med to boblerør og differansetrykkmåler To boblerør med ulik lengde monteres i tanken. Avstanden mellom boblerørenes uttak 1 må være kjent.

278 Trykket i boblerørene måles med en differansetrykkmåler. Differansetrykket over d/p-cellen er da gitt og kn uttrykkes slik:

Ph =

h ' P ‘S+1’ P ’S

Ph = h'P'g

Ph~Pii =

h

’ p-g + f-p-g-h • P • g Likning 7.15

=>PH~Ph = l’ P ' g

Vi ser at differansetrykket mellom boblerørene er uavhengig av væskehøyden h, men avhen­ gig av avstanden 1 mellom boblerørenes utløp.

Væskens tetthet er gitt ved p

P]~P^ 3 ■ - (kg/m ) ‘

12 k"m

Sammenlikning mot en vannsøyle Prosessmediene 1 og 2 kommer inn i tanken på figur 7.60 og blandes. Det blandete mediet renner i overløp til neste prosessenhet. Væskenivået h i tanken er da lik vannsøylen h i det utvendige røret. For å være sikker på at røret alltid er fullt, gjennomspyles røret kontinuerlig med vann.

279

Figur 7.60 Sammenlikning mot en vannsøyle

Differansetrykket over d/p-cellen er gitt ved

Likning 7.17

Pl = pm'h'g Her er pw = tettheten til prosessmediet

Trykket p2 er gitt ved

P2 = Pv *

Likning 7.18

'S

der pv = tettheten til vannet. Kombinasjon av likning 7.17 og 7.18 gir p} -p2 - Pm' h ' S~PV '

'S

Ordning av denne likningen gir

Pl “Pl = h -g(Pm-Pv)

Likning 7.19

Tettheten til prosessmediet blir da Pm

P] ~P2 ----- + p,. Men tettheten til vannet er 100 kg/m3. Da får vi h•g

Pm = Pl-P2' + 1000 m n•g Enheten til pm er kg/m3

Likning 7.20

280 Regneeksempel I tetthetsmåling er nivået tanken og vannsøylen h = 3 meter. Differansetrykket over d/p-cellen måles til 3650 Pa = 9,81 (m/s2)

Beregn prosessvæskens tetthet. Løsning 3 P,„ = P1-P2 4-7- + 1000 ■ {kg/m) ri 5

pm =

33g5gt + 1000£g/m3

= 124, 02 + 1000

pm = 1124,02(£g/m3)

Måling av tetthet med radioaktive isotoper En radioaktiv tetthetsmåler baserer seg på at radioaktiv stråling gjennom forskjellige materi­ aler gradvis blir svakere, men at tiden som denne dempningen tar, er ulik for de forskjellige stoffene. En radioaktiv kilde sender stråling gjennom et væskefylt rør. En mottaker måler intensiteten til strålen på den andre siden av røret. Denne intensiteten er avhengig av hvor mye væsken i røret demper de radioaktive strålene. På figur 7.61 vises en prinsipiell figur for tetthetsmålingen. Strålingskilden stråler mot en mottaker 1 gjennom fri luft. Differansen mellom strømmene Ij og I2 er nå et mål for tettheten som strømmer i røret.

Figur 7.61 Måling av tetthet med radiaktiv isotop Strålingskilden blir svakere med tiden, og man kan få avleiringer i røret derfor må måleren kalibreres med jevne mellomrom.

281

Måling av tykkelse Tykkelsesmåling av treplater, papp o.a. kan gjøres på mange måter, men vi skal her begrense oss til ett prinsipp. Måleinstrumentet består av to måleelementer som er festet til enden av hver sin gummibelg. Måleelementene trykker mot hver sin side av det man skal måle tykkelsen på, for eksempel papir, ved hjelp av lufttrykk i belgene, se figur 7.62.

Til hvert måleelement er det festet en styreplate som har til oppgave å holde måleleementene på plass og styre papiret. Det ene måleelementet består av en ferrittkjerne, den andre av en spole som er forbundet med en svingekrets, figur 7.63.

Figur 7.63 Svingekretsens frekvens, som er et mål på avstanden mellom kjerne og spole (her papirtykkelsen), sendes til en pulsteller.

Indikatorer og skrivere Presentasjon av måleverdien kan gjøres på forskjellige måter. Eksempler på det er: • Indikatorer montert et sentralt sted, for eksempel i kontrollrom. Indikatorene viser tall som uttrykker øyeblikksverdier. Indikatorene kan ikke vise historiske måleverdier. • Skrivere montert i kontrollrom/tavle. Med dagens mikroprosessorteknologi gir moderne skrivere driftspersonalet mange muligheter for å overvåke måleverdiene i form av øye­ blikksverdier og historisk utvikling. • Datamaskiner som gir muligheter for å analysere og viderebehandle loggete data.

282 Indikerende instrumenter Moderne, panelmonterte indikatorer er svært fleksible i bruk. Eksempel på det er instrumentet som vises på figur 7.64.

Figur 7.64 Moderne programmerbar indikator (InstrutekA/S)

Instrumentet har programmerbar inngang for strøm og spenning. Området er programmerbart mellom 4-1999 og +1999. De fysiske og kjemiske enhetene, som for eksempel °C, Pa, bar, pH, kan velges fritt. All programmering kan gjøres fra instrumentets front. Figur 7.65 viser et annet eksempel på panelinstrument. Dette instrumentet har i tillegg pro­ grammerbare alarmutganger.

Figur 7.65 Programmerbar indikator med alarmutganger

De digitale instrumentene på figurene 7.64 og 7.65 viser bare et tall og ikke hele skalaen for måleområdet. Med slike instrumenter kan vi ikke se om verdien ligger nær toppen eller bun­ nen av måleområdet. Med det analoge instrumentet på figur 7.66 ser vi den målte verdien, samtidig som det viser et bilde av hvor i måleområdet den ligger.

Figur 7.66 Analogt instrument

De digitale instrumentene kan lages mer nøyaktige enn de analoge, men vær oppmerksom på at digitale instrumenter også kan være unøyaktige. Nøyaktigheten er avhengig av kvaliteten, og det henger ofte sammen med prisen.

283 Eksempel Et digitalt instrument viser 15,0 mA (3 siffer). Den sanne verdien kan da ligge mellom 14,5 og 15,5 mA. Det at man leser av 15,0 mA, kan gi inntrykk av at man får en verdi som er mer nøyaktig enn det som i virkeligheten er tilfellet.

Skrivere Fordelen med bruk av skrivere er at skriveren kan tegne historiske kurver som viser måleverdiens utvikling over tid. Moderne datateknologi har gjort at skriverne i dagens marked har blitt et meget effektivt presentasjonsverktøy for drifts- og vedlikeholdspersonalet i en fabrikk. Figur 7.67 viser eksempel på en programmerbar skriver.

Figur 7.67 Programmerbar skriver (InstrutekA/S) Skriveren er egentlig en datamaskin med innebygd skriver, spesiallaget for å logge måleverdier. Skriveren har hele 12 innganger eller kanaler. Det betyr at hele 12 måleverdier kan pre­ senteres på skriverens papir samtidig. Skriverhodet er ikke laget som vanlig penneskrivere eller nålmatrise, men av en liten silikonbrikke. På silikonbrikken er det montert et piezoelement. Figur 7.68 viser skriverhodets prinsipielle oppbygning.

Figur 7.68 Skriverhodets prinsipielle oppbygning

Når silikonplaten tilkoples en spenning, settes piezoelementet i svingninger. En blekkdråpe skytes ut av skriverhodets dyse og treffer papiret. En prikk med en diameter på 0,3 mm mar­ keres nå på skriverens papir. Skriveren kan «skyte ut» 1000 slike dråper hvert sekund.

284 Denne teknologien gjør at det ene skriverhodet kan tegne alle 12 måleverdiene på en slik måte at kurvene oppfattes som jevne kurver. Til skriverhodet føres det fire grunnfarger, svart, blått, rødt og gult. Skriverens datasystem kan blande fargene ved at flere fargedråper skytes ut på papiret samtidig, se figur 7.69. Kurver og skrift kan derfor presenteres i forskjellige farger, og det gjør naturligvis avlesningen lettere. Fargene svart, blå, rød og gul

Figur 7.69 Skriver som er utstyrt med fire grunnfarger

Noen tekniske data for skrivere • • • • • •

•

Alle 12 inngangene eller kanalene er programmerbare Hver kanal kan vise kanalnummer, måleverdi, fysisk og kjemisk enhet og brukerens løpe­ nummer (tag-nummer). Samplingstiden er 0,16 sekunder. Konfigureringen er menystyrt. Det finnes mengder for papirhastighet, alarmer, måleområder, løpenummer, dato, klokkeslett, papirbelysning osv. Skriveren har flere muligheter for signalbehandling, som rotutrekning, dempning, diffe­ ranse, summering, gjennomsnittsberegning, totalisering m.m. Utskriftene er fleksible og gir mulighet for: - soneinndeling av papiret - zooming - trend og logging - skalering. Skala kan skrives ut for hvert område - autorange. Øker området automatisk dersom måleverdien kommer utenfor området. Skriveren kan kommunisere med datamaskin over RS 485 grensesnitt. Presentasjon av his­ torisk trend kan da foregå på dataskjerm.

285 Kontrollspørsmål 1 Kan du definere pH-begrepet? 2 Kan du forklare hva som menes med oksidasjon, elektrolyse og galvanisk element? 3 Kan du forklare hva som menes med korrosjon, og gjøre rede for hvordan man kan beskytte metaller mot korrosjon? 4 Kan du gjøre rede for de viktigste kildene til forurensning av land, sjø og vassdrag i Norge? 5 Kan du forklare hvordan følgende gasser og stoffer kan skade levende organismer direkte eller indirekte: Svoveldioksyd (SO2), karbondioksid (CO2), nitrøse gasser (NOX), fluorider, støv, tungmetaller og organiske stoffer? 6 Kan du gjøre rede for hvilke krav myndighetene setter til rutiner for drift og vedlikehold av produksjons- og måleutstyr som, direkte eller indirekte, kan påvirke utslipp av miljøfarlige stoffer og gasser? 7 Kan du definere begrepet relativ fuktighet og forklare hvordan relativ fuktighet måles? Kan du bruke mollierdiagrammet for å finne relativ fuktighet? 8 Kan du forklare hvordan en pH-elektrode virker og hvordan en installasjon for måling av pH skal utføres? 9 Kan du forklare hvordan man vedlikeholder og kalibrerer et målsystem som måler pHverdi i en produksjon? 10 Kan du tegne og forklare prinsippet for måling av ledningsevne? 11 Kan du forklare den prinsipielle virkemåten til disse gassanalysatorene: infrarød gassanalysator, oksygenanalysator og varmeledningsanalysator? 12 Kan du gjøre rede for det viktigste når man installerer et gassanalyseanlegg? 13 Kan du forklare hva forkortelsene ppm og ppb står for? 14 Kan du forklare den prinsipielle virkemåten til en gasskromatograf? 15 Kan du forklare hva et eksplosimeter brukes til og hvordan det virker prinsipielt? 16 Kan du forklare hvordan man måler oksygen i vann, slaminnhold i vann og tungmetaller i vann? 17 Kan du forklare hvordan man måler tetthet i vann og tegne figurer for tre forskjellige måleprinsipper? 18 Kan du forklare hvordan man måler tykkelse? 19 Kan du gjøre rede for noen fordeler og ulemper med analoge og digitale indikatorer?

286 KAPITTEL 8

Måling av turtall MÅL Etter å ha studert kapittel 8 skal du kunne tegne figurer og forklare virkemåten til minst tre typer turtallsmålere og tre typer posisjonsmålere • kunne tegne figur og forklare hvordan man måler vibrasjon • kunne forklare hvordan forskjellige industrigreiner gjør bruk av målinger av posisjon, turtall og vibrasjon. •

Når en sykkeldynamo (sykkelgenerator) blir trukket rundt av sykkelhjulet, vil det genereres en spenning i generatoren. Spenningen driver en strøm gjennom lyspæren, som da vil lyse. Når en sykler fortere, får en sterkere lys. Dersom lyspæren blir erstattet med et voltmeter med en skala som viser omdreininger pr. minutt, har vi et instrument for å måle turtall.

Målemetoder for turtall Takogenerator for vekselstrøm Figur 8.1 viser en vekselstrømstakogenerator. Prinsippet for takogeneratoren er det samme som for sykkelgeneratoren. Takogeneratoren kan koples til akslingen på en motor, og man kan måle motorens turtall ved hjelp av den spenningen som generatoren gir.

Figur 8.1 Takogenerator for vekselstrøm

Takogenerator for likestrøm Figur 8.2 viser en likestrømstakogenerator. Generatoren sender ut spenning som er propor­ sjonal med turtallet. Statoren er en permanentmagnet, og rotoren har viklinger. Når rotoren roterer, blir det indu­ sert en spenning i viklingene. Spenningen tas ut over kullbørstene.

287

Figur 8.2 Likestrømstakogenerator

Styrken på spenningen er et mål for rotasjonshastigheten. Dermed får man et mål for turtallet til den maskinen takogeneratoren er koplet til. På figur 8.3 vises hvordan en takogenerator kan se ut. Denne takogeneratoren gir ut 0-2 volt når turtallet varierer mellom 0 og 2000 omdrein­ inger pr. minutt.

Figur 8.3. Takogenerator og grafisk framstilling som viser utgangsspenningen som funksjon av turtall

Målemetoder for posisjon Element for absolutt posisjonsmåling Dette måleprinsippet sikrer at måleverdien for enhver posisjon presenteres med en meget nøyaktig verdi. Potensiometeret er et eksempel på et måleelement for absolutt posisjonsmåling. Potensiometeret kan brukes til måling av lineær bevegelse og vinkeldreining. Figurene 8.4 og 8.5 viser eksempler på potensiometre.

Figur 8.4 Vripotensiometer

288 Variabel spenning ut

Lineær bevegelse Potensiometer

Figur 8.5 Måling av lineær bevegelse med potensiometer

Inkrementelle måleelementer Inkrementelle stillingsgivere angir om en forflytning skjer. Den forflytningen som måles, blir presentert med et pulstog. Figur 8.6 viser prinsippet for en giver med enkel kodeskive. Kodeskiven gir digitale signaler ut, og pulstoget kjøres inn til en pulsteller.

En inkrementell pulsgiver baserer seg på flere prinsipper, avhengig av hvilken oppløsning man ønsker. Ved høy oppløsning er fotoelektrisk prinsipp vanlig. Man kan bruke en perforert kodeskive som belyses av en lysdiode som mottas av en fototransistor. Figur 8.7 viser at kodeskiven er festet til en aksel. Kodeskiven er perforert for å kunne slippe/ikke slippe («1» og «0») lys igjennom. Når akselen dreier, får man ut et pulstog. Pulsene blir overført til en teller som viser posisjon på et digitalt vindu (display). Fotoceller

Optikk Gitterskive Lyskilde

Figur 8.7 Prinsippet for inkrementell A/D-omformer

289 Figur 8.8 viser skjematisk hvordan pulsene ser ut i fra den digitale, inkrementelle giveren. Den er her koplet mekanisk til en aksel. S

R

T

kopling

90° /

Figur 8.8 Digital, inkrementell giver for måling av turtall og posisjon Pulsfrekvensen på utgang C er et mål for turtallet. Pulsene på utgang A og B gir et mål for posisjonen. Vi ser at pulsene er komplementære, og dette reduserer faren for støy. Pulsene er dessuten faseforskjøvet 90°. Det gir informasjon om rotasjonsretning.

Eksempel på posisjonsmåleutstyr Figur 8.9 viser en mikroprosessorbasert signalbehandlingsenhet for posisjonsmåling av tre akser, x-, y- og z-akse.

Figur 8.9 Digital signalbehandlingsenhet for tre akser

290 Figur 8.10 viser signalbehandlingsenheten på figur 8.9.

Målestaven består av et presisjonsframstilt, umagnetisk rør av rustfritt stål. Røret inneholder magnetiske stålkuler. Staven omgis av fem sammenbygde spoler, en er sender og en er mot­ taker. Spolene kan beveges aksialt i forhold til staven, og det gir en variasjon i det induserte magnetfeltet i hver av magnetspolene. Variasjonen svarer til måleobjektets (for eksempel et maskinbord) bevegelse. Målestavens nøyaktighet er ±0,005 mm ved 20 °C. Målestaven gir digitalpulsutgang på serieform. Mottakeren er en mikroprosessorstyrt dataen­ het med digital presentasjon. Dersom man ønsker måling og presentasjon for alle tre aksene x, y og z, brukes en målestav for hver akse. Figur 8.11 viser målestav og dataenhet montert på en kombinert bore- og fresemaskin. Dataenheten har RS-232-utgang, slik at målestaven kan overføres til en overordnet data­ maskin.

Figur 8.11 Digitalt posisjonsmåleutstyr montert på en kombinert bore- og fresemaskin

291 Resolver Det mest brukte måleelementet for posisjonsmåling er roterende, induktive vinkelmålere (eng.: resolver). I utgangspunktet er det et analogt vinkelmåleelement, men en kan måle lineære bevegelser med kopling til skrue for drift av maskinelement, eller med kopling via tannhjul og tannstang. Resolveren er bygd omtrent som en elektrisk motor. Den består av en rotor og to statorviklinger, figur 8.12.

Ui

coscd

Figur 8.12 Resolver

Statorene påtrykkes en spenning med frekvens mellom 400 og 1200 herz. Det induseres en vekselspenning i rotoren som er avhengig av rotorens mekaniske vinkel. Vinkelen er entydig gitt av spenningen som tas ut over rotoren, U2 • sin (cut + ø + n) = mekanisk dreievinkel n = antall omdreininger

Den spenningen som tas ut over rotoren, kan påtrykkes en analog-til-digitalomvandler for behandling i datamaskin.

292 Figur 8.13 viser et blokkskjema for regulering av hastighet og posisjon av et ledd i en robot.

Figur 8.13 Regulering av hastighet og posisjon av et ledd

Fotoelektriske posisjonsmålere Måleprinsippet bygger på at en lyskilde, ofte en infrarød lysdiode, sender ut en lysstråle. Lysstrålen mottas av en mottaker. Dersom lysstrålen brytes, koples mottakerens utgang fra høy til lav eller motsatt. Figur 8.14b viser forskjellige typer fotoelektriske posisjonsmålere og 8.14a en typisk anven­ delse på et transportbånd.

Figur 8.14 Fotoelektriske posisjonsmålere. a viser sortering av forskjellige pakker ved hjelp av fotoelektriske posisjonsmålere, b viser eksempler på forskjellige utførelser av fototekniske posisjonsmålere

293

Induktive posisjonsmålere Figur 8.15 viser en prinsippfigur for en posisjonsmåler basert på variabel induktans.

Figur 8.15 Induktiv posisjonsmåler

På figur 8.15 er spolene en del av en sinusoscillator. Dersom et magnetisk materiale føres inn i magnetfeltet mellom spolene, forandres induktansen. Oscillatorene slutter da å svinge, og utgangen koples av eller på.

Figur 8.16 Forskjellige utførelser av induktive posisjonsmålere

294 Kapasitive posisjonsmålere Figur 8.17 viser en posisjonsmåler basert på variabel kapasitans.

På figur 8.17 er plater i en kondensator. Dersom et medium føres inn i det elektriske feltet mellom platene, endres kondensatorens kapasitans. Årsaken til dette er at kondensatorens dielektrikum e endres. Likning 8.1 Oscillatoren slutter å svinge, og utgangen koples av eller på.

Kapasitive posisjonsmålere reagerer på alle typer stoffer. Følsomheten varierer, men den kan stilles ved å justere forsterkningen.

Figur 8.18 Eksempel på en kapasitiv posisjonsmåler

295

V ibrasj onsmåling Når man vil måle vibrasjon, benyttes elektrodynamiske måleelementer og induktive posisjon­ smålere med analogt utgangssignal. Figur 8.19 viser den prinsipielle oppbygningen av et elektrodynamisk måleelement. Den faste delen består av en permanent magnet med bløtjernkrets og luftgap, der en bevegelig spole er plassert.

Figur 8.19 Elektrodynamisk måleelement

Forholdet mellom indusert EMS (elektromotorisk spenning) og spolens hastighet i forhold til den faste magnetkretsen kan skrives

E - N • jr • d • B • v Her er N = antall vindinger i spolen d = spolens midlere diameter, p

Likning 8.2

B = flukstetthet v = hastighet

Vibrasjonsmåling er blitt mer og mer vanlig på roterende utstyr, som store motorer, kompres­ sorer og turbiner. Dersom små vibrasjoner i en stor kompressor får utvikle seg, kan det med­ føre havari. Ved å installere elektronisk vibrasjonsutstyr vil man tidlig oppdage små vibrasjoner. Disse vibrasjonene vil fortelle en fagoperatør noe om tilstanden til kompressoren. Vibrasjoner utsetter dessuten kompressoren for påkjenninger og slitasje. Ved regelmessig registrering av vibrasjonsutslaget kan man følge utviklingen og rette opp tilstanden før det er gått for langt. Eksempler på slitasje som kan oppdages, er: • lagerslitasje • ubalanse • fundamentsvakheter I moderne vibrasjonsmålinger koples måleelementene til en datamaskin som foretar automat­ iske analyser av vibrasjonene. Datamaskinene vil oppdage feil før man får havari. De kan også analysere årsaken til vibrasjonen, slik at man vet hvor feilen ligger før man skrur kompres­ soren fra hverandre.

296

Kontrollspørsmål 1

Kan du forklare virkemåten til en takogenerator for vekselstrøm og likestrøm og forklare anvendelsen av dem?

2

Kan du forklare hvordan absolutte og inkrementelle posisjonsmålere virker, og hvordan de brukes? Kan du tegne en figur som viser anvendelsen av disse posisjonsmålerne?

3

Kan du forklare den prinsipielle virkemåten til og anvendelsen av en resolver?

4

Kan du tegne figurer og forklare virkemåten til kapasitive og induktive posisjonsmålere?

5

Kan du forklare virkemåten til et elektrodynamisk måleelement for måling av vibrasjon?

297

Stikkord

A/D-omvandling 88 absolutt nullpunkt 57 absolutt posisjonsmåling 287 absolutt temperatur 57 absolutt trykk 107, 111 absorpsjonspekter 264 adressering 129 aggregattilstand 13, 41, 65 akselerasjon 12, 15 aldring 92 alfa-stråling 73 alkalisk 226 amplitudemodulasjon 85 analogt instrument 97, 282 analysator, infrarød 263 analysator, oksygen- 261, 262 analysator, varmeled­ nings- 265 analyseanlegg 255 analyseopplegg 255 anemometer 164 aneroidmanometer 111 annubar180 anrike 74 ANSI 79 arbeid 58 Arkimedes’ lov 32, 146 ASTM-standard 208 av/på-utgang 134, 154 avfall, radioaktivt 75 avlesningspunkt 182 avvik 101 barometer 32 belgmanometer 111 Bell-202 130

belysningsstyrke 52 Bernoullis likning 35, 167, 178 beskyttelsesrør 197, 206, 213 beta-stråling 73 bevegelsesenergi 168 bimetalltermometer 199 bly 238 BO-metode 274 boblerør 145, 277 bourdonmanometer 110 bourdonrør 200 brytning 53 BS-standard 208 bufferløsning 247 bølge 44 bølgelengde 264 bøyning 48 candela 52 celsius 195 CGPOM 78 COD-analysator 274 corioliskraft 20, 21, 187

D/A-omvandling 88 d/p-celle 117 damptrykk 68, 201 dataflyt 130 dataprotokoll 127 dB 56 dB-skala 55 delstrålepyrometer 219 demodulasjon 85 dempet svingning 47 dempning 83, 99 desibel 56

desibelskala 55 differansetrykk 106, 107, 117 differensialtransformator 113 digitalt instrument 97 DIN 79 DIN-43760 212 DIN-norm 203 dissolved oxygen 272 DO-meter 272 DO-verdi 274 dopplereffekt 56 driftsrutine 240 drivhuseffekt 236 duggpunkt 242 dynamisk energi 38 dynamisk nøyaktighet 91, 100 dyse 177 dødgang 101, 110

effekt 55 egensikkerhet 271 egenvekt 153 eksplosimeter 267 ekvivalentskjema 198 elektode, pH- 247 elektrisk kraft 18 elektrode, glass- 247 elektrode, kalomel- 247 elektrode, kombinert pH250 elektrode, måle- 184 elektrode, referanse- 247 elektrolyse 228 elektromagnetisk induk­ sjon 183

298 elektromagnetisk stråling 218 elektromotorisk spenning 294 elektron 70 energi 36, 37, 58 energi, bevegelses- 168 energi, dynamisk 38 energi, hastighets- 36 energi, kinetisk 36 energi, statisk 36 energi, trykk- 168 energiinnhold 36 energiloven 58 energitransport 59 ex-område 84

fahrenheit 195 fargekode 207 faste stoffer 13 feil 101 feilkontroll 129 feilsøkingsprogram 125 feltbuss 132 fempunktskontroll 223 fiberkabel 89 fiberoptisk kabel 89 fiberoptisk utgangssignal 133 fikspunkt 195 filtrering 87, 258 firelederkopling 118, 120, 214 fisjon 74 fisjonsbombe 74 fiskal måling 79 fjernkraft 18 fjærkraft 19 fjærstivhet 19 flashing 164 flow computer 172 fluorider 237 flytende stoffer 13 fordampning 67 fordampningsvarme 65, 69 fordampningsvarme, spesi­ fikk 69 forsterkning 96, 101 fortrengningsmåler 147

forurensning 231 fotocelle 275 fotoelektrisk prinsipp 288 foton 73 frekvensskifting 131 friksjon 22 friksjonstap 42, 168 fritt fall 12 fuktighet, relativ 241-245 fuktighetsinnhold 244 fuktighetsmåler, mikrobølge- 245 fusjon 74

galvanisk element 229 galvanisk skille 84 gamma-stråling 73, 152 gass 13 gassanalyseinstrumenter 254 gassensor 270 gasskromatograf 266 gassmåleutstyr 270 gasstester 270 gassuttak 257 gassvarslingsinstrument 270 Geiger-Muller-prinsippet 152 Geiger-Miiller-røret 152 Geiger-Miiller-teller 73 gjennomstrømning 158 gjennomstrømningsmåler 183 gjennomstrømningsmåler, vortex- 185 glasselektrode 247 glassmembran 247 glidefriksjon 22 gravitasjonskraft 18, 19 grunnbegreper 9 Hart-protokoll 130 hastighet 14 hastighetsenergi 36 hastighetsregulering 292 hydrogenioner 225 hydroksidioner 225 hydrometer 277

hydrostatisk trykk 28, 31, 142 hygroskopisk materiale 241 hysterese 92 hysterese 101 hørsel 55 hårhygrometer 242

IEC 78, 79 impulsledning 173 indikator 281 induksjon, elektromagnet­ isk 183 induksjonsprinsippet 183 induktans 293 induktiv gjennomstrøm­ ningsmåler 183 induktiv posisjonsmåler 293 inkrementelt måleelement 288 installasjon 163 instrument, indikerende 282 instrumenteringsforsterker 81 instrumenteringssystem 132 interferens av lysbølger 49 interferens 49 interferens av vannbølger 49 ionisasjonskammer 73 ISA 79 ISO 78, 79 isotop 72, 280 jern-konstantan 203 jernioner 227 JIS 79 jording 249 justeringsmulighet 99 kaldpunkt 202 kalibrering 93, 101, 136, 221,250 kalibrering, gjentatt 96 kalibrering, prosess- 250

299 kalibrering, topunkts- 252 kalibreringsinstrument 137 kalibreringskarakteristikk 97 kalibreringskurve 90, 138 kalomelelektrode 247 kapasitans 115, 148 kapasitivt måleelement 116 kapillarrør 200, 201 kapselmanometer 111 karbondioksid 234 karbonforbindelser 226 karbonmonoksid 234 karbonoksidregulering 261 kelvin 195 kilgram 09 kilopond 17 kinetisk energi 36 kjedereaksjon 74 kjerneenergiverk 75 kjernefysikk 70 kjernepartikkel 71 kjernereaksjon 72 kjøling 259 kloakkrenseanlegg 274 kobber 238 kobber-konstantan 203 kobberioner 227 kobolt 238 kodeskive 288 koking 68 kolorimeter 275 kompensasjonskabel 206 kompensering 172, 200 kompenseringskapillar 200 kondenseringspunkt 242 konduktivitet 253 konstant akselerasjon 15 konstant hastighet 14 konstantan 203 kontroll 221 konveksjon 63 koplingshode 206, 215 korrosjon 230 kraft 16, 17, 103 kraftenhet, teknisk 17 kraftmoment 23 krom 238 kvadratisk måling 170

kvikksølv 238 ladning 71 laminær strømning 34 lavpassfilter 87 ledningsevne 253 lengde 09 lesbarhet 101 likestrøm 286 likestrøm, pulserende 184 likestrømstakogenerator 286 lineariseringsenhet 170 linearitet 92, 99, 163 linkstyring 130 litiumkloridcelle 244 litiumkloridløsning 244 litiumkloridsalt 244 loddepunkt 202 luft, mettet 241 lumen 52 lyd 54 lydintensitet 55, 56 lysdiode, infrarød 292 lysfluks 52 lysintensitet 275 lysspektrum 52 lysstyrke 52 magnesiumklorid 228 magnetisk kraft 18 magnetisk punkt 162 magnetvikling 184 mangan 238 manometer 110, 139 masse 10, 11, 103 masseenhet 70 massestrøm 187 massestrømningsmåler 187 massetetthet 11, 27, 30, 34, 143, 277 materialkonstant 215 mekanikk i væsker 25 membranmanometer 110 meter 9 midlere hastighet 14 mollierdiagram 242 momentbalanseprinsipp 123

montasjested 256 motkraft 17 multiplekser 86 multiplekser, analog 86 multivibrator, astabil 83 målecelle 266 måleelektrode 184 måleelement, aktivt 81 måleelement, inkrementelt 288 måleelement, kapasitivt 116 måleelement, passivt 81 måleelement, piezoelektrisk 112 målegrense, nedre 94, 101 målegrense, øvre 94, 101 måleledning 257 målenhet 158 målenøyaktighet 90 måleomfang 94, 98, 101 måleomformer 97, 107, 208 måleomformer, program­ merbar 125 måleområde 94, 101 måler, differansetrykk117, 123 måler, fortrengnings- 147 måler, gjennomstrømnings- 183 måler, massestrømnings187 måler, ovalhjuls- 160 måler, slam- 274 måler, turbin- 161 måler, ultralyd- 150, 191 måler, vortex-gjennomstrømnings- 185 målerør 184 måleskive 167, 175 måleskivekonstant 169 målestandard 101 målestav 290 måleteknikk 90 målevæske 248 måling (tykkelse) 281 måling, fiskal 79 måling, kvadratisk 170

300 måling, nivå- 141 NBR 78 nefelometer 274 NEK 78 nettverk 130 newton 16 nikkel 211 nikkelkrom-nikkel 203 nitrogen 262 nitrogencelle 263 nitrogenoksid 233 nitrøs gass 233 nivå (OSI-modellen) 130 nivåmåling 141 nivåvippe 154 Norges Byggstandardiser­ ingsråd 78 Norges Standardiserings­ forbund 78 normaltilstand 159 Norsk Elektroteknisk Komité 78 Norsk Verkstedsindustris Standardiseringssentral 78 NSF 78 NTC-motstand 216 NTC-termistor 215 nukleoner 71 nullpunkt (heving) 99 nullpunkt, absolutt 57 nullpunktfeil 101 nullstillingsventil 174, 175 NVS 78 nærkraft 18, 19 nøyaktighet 91, 96, 101, 132, 176 nøytron 71

OIML 78 oksidasjon 226, 227 oksidasjonsmiddel 227 oksygen 262 oksygenanalysator 261 oksygenanalysator, paramagnetisk 262 oksygeninnhold 272 oksygenkonsentrasjon 272

oksygenmeter 272 oksygenregulering 261 omformer 109 oppdrift 32 optisk skille 86 organisk materiale 238 organiske forbindelser 275 oscillator 83 OSI-modellen 129 ovalhjulsmåler 160 overlagring 45 overtrykk 105, 107

PAH-forbindelser 238 panelindikator 214 paramagnetisk oksygen­ analysator 262 partikkelteller 73 pendel 46, 47 permanentmagnet 286 pH-begrepet 225 pH-elektrode 247, 250 pH-verdi 246 piezoelektrisk element 81, 112,154,185, 283 pitotrør 178 planpolarisere 51 plasma 14 plate/dyse-element 121 platina 211 platinrhodium-platina 203 plutonium 75 pneumatisk differanse­ trykkmåler 123 pneumatisk forsterker 121 poise 39 polarisasjon 50 polarisasjonsfilter 51 polarisasjonsplanet 51 posisjon 287 posisjonsmåler, induktiv 293 posisjonsmåler, kapasitiv 294 posisjonsmåleutstyr 289 posisjonsmåling, absolutt 287 posisjonsregulering 292 potensiometer 287

presentasjon 130 pressduktor 124 pressduktorelement 125 pressostat 135 programmerbar måleom­ former 125 programmeringsenhet 128 proporsjonalitetsfaktor 19 prosess 77 prosesskalibrering 250 proton 70 protontall 71 psykrometer 242 Pt-100-element 211 Pt-100-element (kontroll) 222 Pt-1000-element 211 Pt-500-element 211 PTC-motstand 216 pulstog 191, 288 pyrometer 218

radioaktiv stråling 156 radioaktivitet 73, 151 radioaktivt avfall 75 Range 98 reaksjonslikning 226 referanseelektrode 247 referansegass 266 referansekarakteristikk 93 referansepunkt 195, 202 referansevæske 247 refleksjon 45, 53 renne, åpen 192 repeterbarhet 91, 101, 163 reproduserbarhet 92, 101 resipient 272 resistans, spesifikk 210 resolver 291 resonans 47 Reynolds’ tall 39 rotameter 181 rotor 161 rotorblad 161, 162 rotuttrekker 171 RS-232-utgang 290 rust 230 rørfjær 110 sekund 09

301 selvantenning 231 sertifisering 164 SI-systemet 9 signalbehandling 80, 81 sikkerhet 271 silikonhalvleder 166 sink 238 sinusoscillator 83 sjekkliste 102 skjærkraft 276 skjærkraftprinsippet 276 skrivere 281, 283 slaminnhold 274 slammåler 274 smart-transmitter 125 smeltepunkt 66 smeltevarme 65, 66 Span 98 spenning til omvandler 82 spenningsrekke 227 spenningstilkopling 118 spesifikk smeltevarme 66 sporbarhet 79 standard 253 standardisering 248 standardsignal 94 statikk 23 statisk energi 36 statisk nøyaktighet 91 statisk trykkfall 168 stoffer, faste 13 stoffer, flytende 13 strekklapp 114, 153 strømning i rør 35 strømningsmotstand 35 strømningsretter 163, 173 strømningstyper 34 strømningsvakt 193 strømsløyfe 119 strømvirvel 168 stråling, alfa- 73 stråling, beta- 73 stråling, elektromagnetisk 218 stråling, gamma- 73, 152 stråling, radioaktiv 156 stråling, varme- 63 strålingspyrometer 218 størkningsvarme 67

støv 238 sur 226 surt miljø 246 suspensjon 276 svingning 46 svoveldioksid 231 sykkeldynamo 286 synkronisering 129

takogenerator 286 takogenerator, likestrøms286 teflonkledning 184 teknisk kraftenhet 17 temperatur, absolutt 57 temperatur, våt 243 temperaturelement 197 temperaturkoeffisienten 210 termistor 215 termodynamikk 60 termoelektrisk spenning 202 termoelement 202, 204 termometer, akustisk 219 termometer, bimetall- 199 termometer, dampspennings- 201 termometer, delvis væske fylt 201 termometer, fylt 200 termometer, gassfylt 201 termometer, hånd- 210 termometer, kvarts- 219 termometer, platina- 211 termometer, resistans- 210 termometer, tørt 243 termometer, vått 243 termospenning 202 termostat 220 testpunkt 139 tetthet 280 tid 10 tidskonstant 196 toarmet vektstang 24 tofasestrømning 41 tolederkopling 118 toleransegrense 212 topunktskalibrering 252

torduktor 125 Torricellis instrument 33 totalrefleksjon 53 totalstrålingspyrometer 218 trafikkstyring 129 transformator 84, 113 transmisjon 45 transport 130 treghet 10, 100 trelederkopling 118, 120, 213 trepunktskontroll 221, 222 trykk 25, 103 trykk i gasser 32 trykk i væsker 26 trykk langs nivåflater 31 trykk, absolutt 107, 111 trykk, damp- 68, 201 trykk, differanse-106,107, 117 trykk, hydrostatisk 28, 31, 142 trykkenergi 36, 168 trykkenheter 104 trykkfall, statisk 168 trykkmåler, differanse- 117 trykkmåler, pneumatisk differanse- 123 tungmetall 238, 274, 275 turbinhus 162 turbinmåler 161 turbulens 168 turbulent strømning 34 turtall 286 tykkelse 281 tyngde 12 tørking 259 tøyningsgiver 114 ulinearitet 101 ultralyd 191 ultralydmåler 150, 191 undertrykk 107 undertrykking 99 Upper Range Limit (UR) 98 uranisotop 74 utgangsverdi 95

302 utslipp til jord 240 utslipp til luft 239 utslipp til vann 239 utslippstillatelse 239 varme 36, 57 varmegjennomgang 63 varmegjennomgangskoeffisienten 64 varmegjennomgangstall 64 varmekapasitet 61, 64, 198 varmekapasitet, spesifikk 62 varmeledning 62, 198

varmeledningsanalysator 265 varmeledningsevne 265 varmeledningsmotstand 64 varmeoverføring 59, 61 varmestråling 63 varmetransport 197 varmevekslingsflaten 64 vedlikehold 132, 239, 252 veiing 153 vekselstrøm 286 vektstang 23 venturikanal 192 venturirør 177

vibrasjon 154 vibrator 85, 189 vibratorstabiliserende for­ sterker 85 viskositet 34, 38, 276 vortex-gjennomstrømningsmåler 185 væskeleder 183 Wheatstones målebro 213 Zero 98 øret 54 åpen renne 192