Elektro-, styre- og reguleringsteknikk : VK1 skipsteknisk drift [PDF]

Zitiervorschau

Per Jonassen

Elektro-, styre- og reguleringsteknikk

VK1 Skipsteknisk drift BOKMÅL

Vett & Viten as

4

© Vett & Viten AS 1996

ISBN 82-412-265-2 Omslag: Nica grafisk Tegninger: Grete Sørlie når ikke annet er angitt Boka er godkjent av Nasjonalt læremiddelsenter i november 1996 for bruk i videregående skole i studieretningsfaget Elektro-, styre- og reguleringsteknikk på videregående kurs 1 skipsteknisk drift i studieretning for mekaniske fag. Godkjenningen gjelder inntil ny fagplan eller revidert læreplan 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. Sats: Jan Hugo Printed in Norway 1996 by Østlands-Postens Boktrykkeri as, Larvik Utgiver: Vett & Viten AS Postboks 203, 1360 Nesbru

Forord Boka er skrevet for å samle lærestoffet som skal gjennomgås i modul 5 i læreplanen for VK1, Skipsteknisk drift. Dette stoffet måtte man tidligere hente fra flere lærebøker og kompendier. Boka dekker hovedmomentene som er satt opp i mål 1 og mål 2 i læreplanen, og en del tilleggsstoff ut over dette. Fysikken som danner bakgrunnen for de forskjellige hovedmoment­ ene, er også tatt med der den naturlig hører hjemme. Hovedmomentene er behandlet i en rekkefølge som ikke følger læreplanen. Det er gjort for å få til et bedre samsvar med andre fag og muligheter for å trekke tverrfaglige forbindelser. Elev­ ene kan på denne måten kombinere kunnskaper fra flere fag, og lærestoffet får en progresjon som fører fram til de målene som er satt for modulen. Dette er mulig siden elevene har visse grunnkunnskaper i elektro fra grunnkurset. Rekkefølgen er også valgt for at elevene tidligst mulig skal få en viss bredde i kunnskapene med tanke på tverrfaglig prosjektarbeid. For at tverrfaglig arbeid skal ha noen mening, må det faglige grunnlaget ikke være for snevert.

På bakgrunn av det som er nevnt ovenfor, er boka delt i fire hoveddeler: • Måleteknikk • Styreteknikk • Elektroteknikk • Reguleringsteknikk Det er tatt med beregninger i den utstrekning det er nødvendig for å kunne forstå utstyret og systemenes virkemåter, og for å kunne foreta vedlikehold på utstyret. De miljømessige aspek­ tene er integrert i stoffet hele veien.

Innhold Kapittel 1 Utviklingen av måle- og automatiseringsteknikk 1.1 Bakgrunn 15 1.2 Utviklingen av måle- og reguleringsteknikken

DEL 1 MÅLETEKNIKK 17 Kapittel 2 Måleelementer og måleteknikk

15

19

2.1 Trykkmåling 19 2.1.1 Trykkbegreper 20 2.1.2 Måleelementer og instrumenter for trykkmåling Membran 21 Belger 23 Bourdonmanometeret 25 2.2 Nivåmåling 26 2.2.1 Innledning 26 2.2.2 Direkte nivåmåling 27 Visuell måling 27 Seglass 27 2.2.3 Fortrengningslegeme 28 Indirekte nivåmåling 28 Måling med væsketrykk 28 Boblerør 30 Måling ved hjelp av kraft 31 Elektrisk nivåmåling 33 Kapasitiv måling 33 Nivåmåling ved hjelp av ultralyd 34 2.3 Temperaturmåling 34 2.3.1 Innledning 34 2.3.2 Fikspunkter 35 2.3.3 Måleelementer for temperatur 35 Termometer med fylt system 36 Bimetallføleren 37 Termoelementer 38 Motstandstermometer 41 Termistorer 43 2.3.4 Digital temperaturmåling 43 2.4 Strømningsmåling 44 2.4.1 Innledning 44 2.4.2 Direkte volummåling 45 Ovalhjulmåler 45 Ringstempelmåleren 46 2.4.3 Hastighetsmåling 47 Turbin- og propellmåler 48 Elektromagnetisk mengdemåler 49 Virvelstrømmåler (vortexmåler) 50

21

15

2.4.4 Måling basert på trykkfall 51 Måleblende (måleskive) 53 Montering av restriksjoner og omformere 53 Plassering av omformere 54 Rotameter 54 2.5 Turtallsmåling 55 2.5.1 Takogenerator 55 2.5.2 Elektromagnetisk omdreiningsmåler 56 2.6 Måling av pH og ledningsevne 57 2.6.1 Måling av pH 58 2.6.2 Ledningevnemåling. Salinometer 59

Kapittel 3 Omformere

61

3.1 Innledning 61 3.2 Enhetssignaler 62 3.3 Måleomformere 65 3.3.1 Måleomformere med pneumatisk utgangssignal 65 Mengdeforsterker 69 3.3.2 Måleomformere med elektrisk utgangssignal 70 3.4 Signalomformere 74 3.4.1 Omformer for trykk til strøm 75 3.4.2 Omformer for strøm til trykk 76 3.4.3 Omformere for analog til digital og digital til analog 3.5 Kobling av omformere 77 3.6 Instrumentsymboler og koder 79 3.7 Presentasjonsutstyr. Mottakerinstrumenter 83 3.7.1 Indikatorer 83 3.7.2 Skrivere 86 3.8 Målenøyaktighet 89 3.8.1 Statiske feil 89 3.8.2 Dynamisk nøyaktighet 91 3.8.3 Behovet for nøyaktighet 93

Kapittel 4 Signalgivere 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

94

Innledning 94 Pressostater 94 Termostater 96 Nivåbrytere 97 Flammevakt 98 Koblingspunkt og differensial

DEL 2 STYRING Kapittel 5 Styring

99

101 103

5.1 Innledning 103 5.2 Digital og analog automatisering

Kapittel 6 Komponenter 6.1 Releer 105 6.1.1 Funksjon

105

105

104

77

9 6.1.2 Klemmemerking 110 6.2 Halvledere 112 6.2.1 Innledning 112 Doping 114 6.2.2 PN-overgang, dioden 115 Lysdiode 117 Fotodioden 117 Zenerdioden 117 6.2.3 Diodekoblinger 118 Enveis likeretter 118 Toveis likeretter 119 Brulikeretter 120 Spenningsdobler 120 Betegnelser på dioder 121 6.2.4 Transistoren 121 Grunnkoblinger 123 FE-koblingen 123 FK-koblingen 124 FB-koblingen 124 Merking av transistorer 125 6.2.5 Tyristoren 125 6.3 Digitale kretser og porter 127 6.3.1 Innledning 127 6.3.2 Logiske grunnfunksjoner, porter 129 OG-funksjonen 129 ELLER-funksjonen 130 IKKE-funksjonen 130 NOG-funksjonen 131 NELLER-funksjonen 132 SR-vippe 133 6.3.3 Sannhetstabeller 134 6.3.4 Det binære tallsystemet 135 6.3.5 Boolsk algebra 137 Aksiomer 138 Lover 138 Regler 139 6.3.6 Det logiske skjemaet 140 6.3.7 Integrerte kretser 142 Pinnekonfigurasjon og kobling 146 Kobling av IC-enes innganger 147 6.3.8 Feilsøking 149 Måling på logiske elementer 150 6.3.9 PLS 151 Innledning 151 Beskrivelse 152 Inngangsenheten 152 Utgangsenheten 154 Reléutgang 154 Transistorutgang 155

10 Tyristorutgang 155 Triacutgang 156 Sentralenheten 156 Lager 157 RAM 157 EPROM 157 EEPROM 157 Biter og byter. Adresser 158 Logiske funksjoner 159 Tidsmålere 159 Tellere 160 Minner 160 Klokke 160 Programmeringsenheten 161 6.4 Alarm- og forriglingssystemer 163 6.4.1 Innledning 163 6.4.2 Alarmsystemet 164 6.4.3 Forriglingssystemet 166 Jordfeilovervåking 169 Forriglingsmatriser 170 Førstefeilsystemer 170

Kapittel 7 Pneumatikk

171

7.1 Innledning 171 7.2 Luftbehandling 172 7.3 Komponenter for pneumatikk 176 7.3.1 Energiomformere 177 7.3.2 Hovedkoblingselementer 179 7.3.3 Signalgivere 181 7.3.4 Andre komponenter 184 7.4 Styresystemer 190 7.4.1 Fjernmanøvrering 193 7.5 Dimensjonering av sylindere og ventiler 196 7.6 Igangkjøring, feilsøking og vedlikehold av pneumatiske anlegg 7.6.1 Oppstart 198 7.6.2 Feilsøking 199 7.6.3 Vedlikehold 200 7.6.4 Reparasjon og overhaling 201 7.7 Hydraulikk 202 7.7.1 Systemet 203 7.7.2 Pumper 204 7.7.3 Motorer 207 7.7.4 Ventiler 210 Trykkbegrensningsventilen 210 Mottrykksventil 211 7.7.5 Hydraulikkvæsken 212

198

11 DEL 3 ELEKTRO 213 Kapittel 8 Innledning 214 Kapittel 9 Komponenter

215

9.1 Kabler og ledningsmateriell 215 9.1.1 Dimensjonering av kabler og ledninger, spenningsfall 9.1.2 Ledermateriale 217 9.1.3 Isolasjonsmateriale 218 9.1.4 Oppbygning av kabler 220 9.2 Kontaktorer 221 9.2.1 Maksimalbryter 227 9.3 Sikringer 228 9.3.1 Oppbygningen av sikringene 229 9.4 Brytere 232 9.5 Motorvernbrytere 234

216

Kapittel 10 Elektromotorer 238 10.1 Trefaseasynkronmotoren 238 10.1.1 Kortslutningsmotoren 238 10.1.2 Sleperingsmotoren 241 10.2 Vedlikehold av elektriske motorer 244 10.2.1 Rengjøring 244 10.2.2 Tørking 245 10.2.3 Lagre 245 10.2.4 Sleperinger og børster 247 10.3 Symboler, styre- og hovedstrømsskjema 248 10.3.1 Symboler 248 10.3.2 Eksempler på styre- og hovedstrømsskjemaer 10.3.3 Stjerne-trekantvender 249 10.3.4 Dreieretningsvender 250

Kapittel 11 Kraftproduksjon og fordeling

251

11.1 Produksjon av elektrisk kraft 252 11.1.1 Generatoren 252 11.1.2 Spenningsreguleringen 254 11.2 Kraftfordeling 256 11.2.1 Hovedfordelingssystemet 256 11.2.2 Nødsystemet 257 11.3 Hovedtavlen, instrumenter og betjening 11.3.1 Hovedtavlen 258 Generatorfeltet 259 Synkroniseringsfeltet 261 Fordelingsfeltet 265 11.3.2 Vedlikehold på hovedtavlen 267 11.2.3 Eksempler på skjemaer 269

258

248

Kapittel 12 Forskrifter og vernetiltak 272 12.1 Regelverk og normer 273 12.2 Utdrag av Det Norske Veritas’ regler om elektriske maskiner og utstyr

273

12 12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5

Generatorer 273 Instrumenter 274 Generatorvern 274 Maksimalbrytere 274 Motorvern og betjeningsutstyr

275

DEL 4 REGULERINGSTEKNIKK 277 Kapittel 13 Innledning 278 13.1 Reguleringssløyfen 278 13.2 Historikk 281 13.3 Begreper og definisjoner 284 13.4 Eksempler på bruksområder 286

Kapittel 14 Reguleringsventiler 287 14.1 Innledning 287 14.2 Ventiltyper 287 14.2.1 Seteventil 287 14.2.2 Burventil 290 14.2.3 Kuleventil 291 14.2.4 Spjeldventil 293 14.2.5 Sluseventil 294 14.2.6 Pakkboks 294 14.3 Ventilkarakteristikker 296 14.4 Ekspansjonsfordampning og kavitasjon 14.4.1 Dimensjonering av ventiler 298 14.5 Service 299 14.5.1 Vedlikehold av ventilen 299 14.6 Forstillingsmekanismer 299 14.6.1 Membranmotor 300 14.6.2 Sylindere 302 14.6.3 Ventilstiller 303

Kapittel 15 Regulatoren

297

308

15.1 Innledning 308 15.2 Av/på-regulering 311 15.3 Kontinuerlige regulatorer 313 15.3.1 Proporsjonalfunksjonen 314 Oppbygning av P-regulatoren 316 15.3.2 Integralfunksjonen 319 Oppbygning av Pl-regulatoren 321 15.3.3 Derivatfunksjonen 322 Oppbygningen av PID-regulatoren 321 Prosessen 325 15.4 Justering av regulatorene 327 15.4.1 Justering av P-regulatoren 328 15.4.2 Justering av Pl-regulatoren 328 15.4.3 Justering av PID-regulatoren 328

15.5 Betjening av reguleringssløyfen 329 15.5.1 Oppstarting 329 15.5.2 Manuell regulering 329 15.5.3 Forandring av settpunkt 329 15.5.4 Støyfri omkobling 330 15.5.5 Regulatoren «spinner ut» 320 15.5.6 Ventilbevegelse og utgangssignal 331 15.5.7 Avstengning med reguleringsventilen 331

Stikkordregister

333

15 KAPITTEL 1

Utviklingen av måleog automatiseringsteknikk 1.1 Bakgrunn Om bord på skip og offshorefartøyer er det svært viktig at maskineri og utstyr fungerer best mulig. Dette er viktig på grunn av sikkerheten for skip og mannskap og på grunn av de miljø­ messige konsekvensene det kan få dersom noe går galt. Et skip kan i dag føre laster som er mangedobbelte av hva som ble fraktet tidligere. Typene av laster har også økt. Det betyr at konsekvensene ved et uhell kan bli enorme, noe vi har sett eksempler på ved flere skipshavarier. Også når det gjelder offshore, er det eksempler på hvilke konsekvenser det kan få når noe går galt. Dersom vi skal sikre oss best mulig mot uhell, kreves det at de som skal operere maskineriet og prosessutstyret, har de hjelpemidlene og kunnska­ pene som er nødvendige. I tillegg til at det har blitt flere typer laster, og at skipene har blitt større, er antallet personer om bord redusert i forhold til tidligere. Det er innført en høy grad av automatisering om bord, i likhet med det som har skjedd i industrien i land. Da dampmaskinen ble tatt i bruk til framdriften av skip, ble det et behov for å kunne måle trykk og temperaturer. Etter hvert kom dieselmotoren i bruk. Det skapte nye og flere behov. Dieselmotoren arbeidet med helt andre belastninger enn dampmaskinen, og den trengte flere hjelpesystemer for å fungere tilfredsstillende. Dette gjorde det nødvendig med flere målinger. Etter hvert som måleteknikken gjorde framskritt, ble den tatt i bruk. Først benyttet man enkle målinger som kunne leses av der målingene foregikk. Siden, da teknikkene med å overføre målingene til sentrale steder ble utviklet, ble måleresultatene overført til sentrale tavler og kon­ trollrom der maskinistene etter hvert kunne ha oversikt over alt utstyret som skulle passes. Utviklingen av måleteknikken gjorde det også mulig å automatisere utstyret. Det vil si at tekniske innretninger ble utviklet for å ta hånd om bestemte operasjoner, for eksempel å sørge for at kjølevannstemperaturen til enhver tid er riktig. Med dette ble regulerings- og automatise­ ringsteknikken innført. Regulerings- og automatiseringsteknikken ble for alvor tatt i bruk i sekstiårene. Da hadde teknikkene vært i bruk i land i en del år, og skipsfarten kunne dra nytte av de erfaringene og kunnskapene som var opparbeidet. Etter hvert inneholdt maskinrommene en så høy grad av automatisering at skipene kunne drives uten kontinuerlig vakt i maskinrommet. I 1966 ble det innført en klassetilføyelse «EO» av Det Norske Veritas. Den definerer den tekniske standarden for instrumenteringen og hvilken grad av automatisering et skip må ha for å kunne drives med ubemannet maskinrom i visse tidsrom. Drift med ubemannet maskinrom er regulert av forskrifter i Den norske skipskontrolls regler.

1.2 Utviklingen av måle- og reguleringsteknikken Måle- og reguleringsteknikk inneholder elementer fra fagområdene fysikk, mekanikk, kjemi, elektro og matematikk. I stor grad kan det sies at måleteknikken er fysikk i praksis. I måle- og

16 reguleringsteknikken benytter vi de fysiske lovene for å få fram de opplysningene vi er interes­ sert i, fra det utstyret som skal overvåkes og betjenes. De første instrumentene var enkle manometre og termometre som var plassert på målestedet. Den som passet maskinen, måtte gå rundt for å lese av tilstanden i de forskjellige utrustning­ ene. Det kunne gå lang tid mellom hver gang målingene ble lest av og kontrollert. Det var et ønske om å overføre målingene til ett sted hvor en person kunne ha oversikten over større deler av utrustningen, slik at kontrollen kunne bli bedre. Trykkmålingene lot seg overføre ved at det ble lagt rør fra det punktet der målingen ble foretatt, og til et manometer som var plassert i en tavle på et sentralt sted, men dette var ingen god løsning. Etter hvert ble det utviklet utstyr som kunne omforme en måleverdi til et pneumatisk signal. Signalet varierte proporsjonalt med måleverdien og var forholdsvis enkelt å overføre ved hjelp av slanger eller rør. Etter at de pneumatiske signalene ble standardiserte, fikk vi enhetssignalene. Alle produsentene av måleomformere begynte å lage utstyr som arbeidet med de samme trykkene. De enhetssignalene som er i bruk i pneumatiske overføringer, er 3 psi for minimum trykk og 15 psi for maksimum trykk. Dette er de samme trykkene som 0,2 bar og 1,0 bar. Til å begynne med ble elektronikken lite brukt til overføring av måleverdier. Elektronikken var bygd opp med radiorør, var for følsom for vibrasjoner og var stor og kraftkrevende. Ikke før transistoren gjorde sitt inntog, ble det fart i konstruksjonen av elektroniske omformere og elektrisk signaloverføring. Disse omformerne hadde mange fordeler, men også ulemper. Etter hvert har problemene blitt løst. Enhetssignalene som ble valgt for elektrisk overføring, var det mindre enighet om. Derfor har vi i dag flere enhetssignaler. De mest brukte er 0-20 mA, 4-20 mA, 0-10 V og 1-5 V. I dag eksisterer disse to overføringsteknikkene side om side, men det er elektronikken som har overtatt mer og mer. Dette har blant annet sammenheng med at det er innført datastyring av utstyret. Datamaskiner står også ofte for overvåkingen av viktige funksjoner. I denne sammen­ hengen er det enklere å bruke elektriske signaler for å overføre måleverdiene. De nyeste konstruksjonene av omformere opererer både med konvensjonelle elektriske enhetssignaler og med digitale signaler. Dette er en løsning som vil utvikles mer og mer, fordi behovet for tilpasning til datastyring vil bli større og større.

17

DEL 1

Måleteknikk MÅL: Når du har gjennomgått kapittel 2, skal du • kunne redegjøre for det fysiske grunnlaget for måling av trykk, nivå, temperatur, gjennom­ strømning, turtall og pH • kjenne de vanligste målemetodene for måling av trykk, nivå, temperatur, gjennomstrømning, turtall og pH • kunne redegjøre for hvordan måleverdier kan indikeres • kunne foreta enkle beregninger og omregninger mellom de mest brukte målenhetene

19 KAPITTEL 2

Måleelementer og måleteknikk I maskinrommet finnes det meste av det utstyret som er av vital betydning for skipets framdrift og øvrige funksjoner. Her finner vi hovedmotoren, hjelpemotorer med generatorer til kraftpro­ duksjonen, pumper til kjølevann og drikkevann og dessuten kjelene. Alt dette utstyret må overvåkes. Til overvåkingen bruker vi forskjellige typer måleelementer som er innebygd i måleinstrumentene. Disse måleelementene påvirkes fysisk eller kjemisk av det vi ønsker å måle. Resultatet av påvirkningen kan for eksempel vises som en forandring av et viserutslag, eller det kan forandre et utgangssignal fra en omformer. Det kan også være at en kontakt blir koblet av eller på for å gi et signal. Felles for alle måleinstrumentene er at de må påvirkes av det mediet som skal måles, og at det skjer en forandring i instrumentet. Forandringene bygger på fysikkens lover og innebærer ofte omforming av energi.

2.1 Trykkmåling Måling av trykk er kanskje den mest brukte målemetoden. Trykkmåling brukes ikke bare til å måle hvor store trykk det kan være i ledninger og beholdere, men også for å måle temperaturer, nivå og gjennomstrømning. I disse tilfellene snakker vi om indirekte målinger. Trykk definerer vi som kraft per arealenhet. Den standardiserte betegnelsen for trykk er p. For kraft er betegnelsen F og for areal A. Dette gir oss formelen:

F

I SI-systemet er målenheten for kraft newton, N. For areal er målenheten kvadratmeter, mI2. Målenheten for trykk blir etter formelen N/m2. Denne målenheten kaller vi pascal, Pa.

1 Pa = 1 N/m2 Pascal er en svært liten målenhet, som det er tungvint å bruke i praksis. Derfor er det laget avle­ dede enheter som er enklere å bruke. Vi kan oppgi trykket i antall tusen pascal, eller kPa.

1000 Pa = 103 Pa = 1 kPa Vi bruker også ofte enheten bar. Dette er også en enhet som er avledet fra pascal.

1 bar = 100 000 Pa = 100 • 103Pa 100 • 103 Pa = 100 kPa

20 I praksis brukes også andre enheter for trykk. I engelsktalende land er enheten psi mye brukt. Dette er en enhet som ofte brukes i måleteknikken, og som har utgangspunkt i de engelske enhetene for masse og areal. 1 psi = 1 pound per square inch. En annen enhet som fremdeles brukes, er kp/cm2

I måleteknikken bruker vi i mange tilfeller enheter som direkte refererer til det mediet vi bruker til å måle med. Dette er mmVS og mmHg. Disse enhetene forteller oss hvor høy søyle med vann eller kvikksølv trykket vi måler, kan klare å presse opp. En enhet som er sentral, er atmosfære, atm. Denne enheten skal tilsvare det trykket som atmosfæren øver på Jordens overflate. Dette trykket vet vi varierer. I meteorologien snakkes det om høytrykk og lavtrykk. Italieneren Torricelli var den første som målte lufttrykket. Han fylte kvikksølv i et glassrør som var en meter langt, og lukket det i den ene enden. Glassrøret med kvikksølvet satte han med den åpne enden ned i en skål med kvikksølv. Røret hadde vært helt fylt med kvikksølv, men når det stod opp ned, med den åpne enden ned i kvikksølvet i skålen, sank kvikksølvet i røret noe ned, og stoppet når høyden var 760 mm. Torricelli mente at det var lufttrykket som virket på kvikksølvet i skålen, og holdt søylen oppe i røret. Vi har satt enheten atmosfære til å være lik 760 mmHg. N/m2

bar

kp/cm2 (= at)

kp/mm2

1 100 ■ 103 98,0665 • 9,80665 ■ 133,332 101,325 • 6,89476 ■

to - icr i 0.980665 98,0665 1,33322 ■ 10-3 1,01325 68,9476 ■ 10-3

10,1972: Uh6 1,01972 1 100 1,35951 • 10-3 1,03323 70,3070 • 10-3

0,101972 10,1972 • 10- iæ3 1 13,5951 • 10,3323 • 0,703070

103 106 103 103

1 pascal = 1 N/m2

1 Torr - 1 mm HG ved 0 °C

Torr mm Hg

• 1(T 10-3

1(E 103 • 10~3

7,50062 • 10-3 750,062 735,559 73,5559 • 103 1 760 51,7149

1 mm vannsøyle = 9,81 N/mm2

atm (normalatmosfære) 9,86923 • 1(T 0,986923 0,967841 96,7841 1,31579 • 103 1 68,0460 • 10~3

lbf/in2 (psi)

0,145038 • 10-3 14,5038 14,2233 1,42233 • 103 19,3368 • 103 14,6959 1

1 lbf/in2 betegnes også 1 psi

Figur 2.1 Omregningstabell for trykk

Tabellen omfatter de vanligste målenhetene for trykk og omregningsfaktorene som gjelder mellom dem. Studerer vi tabellen, vil vi se at det er noen målenheter som i praksis kan regnes som like. Det er bar, kp/cm

2.1.1 Trykkbegreper Når vi måler trykk, måler vi alltid en differanse mellom to trykk. Det er fordi vi må ha noe å referere målingen til. Denne referansen er målingens nullpunkt. Vanligvis er dette lik atmosfæretrykket, men det kan ofte være andre trykk. Vi kan også måle i forhold til et lufttomt rom. Når størrelsen på et trykk skal oppgis, må vi samtidig opplyse om hva trykket er målt i for­ hold til. Derfor snakker vi om flere trykkbegreper. Absolutt trykk er det trykket vi måler når vi bruker et lufttomt rom, vakuum, som referanse. For å måle absolutt trykk må måleinstrumentet være konstruert slik at måleelementet er omgitt av et lufttomt rom.

21 Overtrykk er det trykket vi vanligvis måler. I dette tilfellet bruker vi atmosfæretrykket som referanse. Målingen sier oss hvor høyt trykket er over atmosfæretrykket. Det gjør målingen enklere, fordi atmosfæretrykket som omgir måleelementet, også omgir den beholderen eller ledningen der trykket måles. Undertrykk er det trykket vi har i mediet når trykket er lavere enn atmosfæretrykket. Måleverdien oppgir vi som regel med negativt fortegn, for eksempel -0,2 bar. Instrumentene som skal måle undertrykk, er ikke vesentlig forskjellige fra dem vi bruker til å måle overtrykk med, men måleelementet må være konstruert slik at det kan tåle et høyere trykk på utsiden enn innsiden. Ofte er det de samme instrumenttypene som brukes.

Manometertrykk er et begrep som vi av og til kan komme i kontakt med. Det er det samme som overtrykk. Det vil si at det er forskjellen mellom det absolutte trykket i det vi måler, mediet, og omgivelsene, atmosfæretrykket.

Når vi ser på figuren, ser vi at dersom vi måler et trykk som absolutt trykk og som overtrykk, blir forskjellen lik en atmosfære.

2.1.2 Måleelementer og instrumenter for trykkmåling De trykkene vi har behov for å måle, varierer mye i størrelse. For at måleresultatene skal være nøyaktige nok, trenger vi måleinstrumenter av forskjellige typer. Det vil ikke være mulig å måle et trykk på 0,1 bar med et instrument som også skal kunne måle trykk på 100 bar. For å kunne måle de forskjellige trykkene som er aktuelle, bruker vi måleelementer som er konstruert for å måle innenfor forskjellige trykkområder. Måleelementene er konstruert ulikt, og de forskjellige typene av måleelementer er igjen laget for spesielle områder de kan måle. Det er viktig at vi velger riktig måleinstrument for hver måleoppgave. Vi skal se på de mest alminnelige typene og funksjonsprinsippene.

Membran Dette måleelementet består av en rund plate som er laget av et elastisk materiale. Platen er bøl­ get, korrugert, for å få den elastisiteten som er nødvendig. Platen virker som en progressiv fjær,

22 slik at jo mer den blir påvirket og bøyer seg, jo større blir kreftene som virker mot bevegelsen. På denne måten vil det oppstå en balanse mellom de kreftene som påvirker membranen, og fjærkraften i membranen.

Figur 2.3 Membran

Figur 2.4 Membranmanometer Dersom vi belaster membranen med et trykk som er større enn det trykket den er beregnet for, kan vi få varige deformasjoner, spesielt i korrugeringen. Membranen vil ikke gå tilbake til den opprinnelige formen, og vi får målefeil. I verste fall kan membranen sprekke. Vi måler et trykk, men det som foregår, er en dekomponering av den formelen vi satte opp tidligere.

p = F/A Når vi skal måle trykket, er det den kraften som virker på måleelementets areal, som måles.

F = p- A

Det eneste som varierer, er trykket p, mens arealet er konstant. Derfor er forandringene i kraf­ ten F som virker på måleelementet, et mål for trykket. Den bevegelsen som oppstår, kan vi overføre til en indikator ved hjelp av en mekanisk over­ føring med et tannsegment og tannhjul som dreier en viser. Viseren beveger seg over en skala der vi kan lese av trykket.

23 Vanligvis vil det være atmosfæretrykk på oversiden av membranen, og instrumentet måler overtrykk. Dersom det skulle måles et absolutt trykk med et slikt instrument, måtte rommet over membranen tømmes for luft. Som regel lar ikke dette seg gjøre med et vanlig instrument, men det finnes spesialtyper med tette kapslinger som er beregnet til denne typen målinger. Membranmanometre brukes vanligvis i trykkområdet 0,1 til 25 bar. Membraner brukes også som måleelementer i instrumenter som måler trykk ved hjelp av elektriske prinsipper. En måte å gjøre dette på er å måle den endringen i kapasitans som oppstår når avstanden mellom membranen og huset den er plassert i, blir forandret. Kapasitansendringen blir omformet til et elektrisk signal, vanligvis på 0-20 mA eller 4-20 mA. Dielektrikum (isolasjonsmasse) = e Kondensatorplatens areal =A Avstanden mellom platene = I

Fast plate

Trykk

_

PM

Figur 2.5 Trykkmåleelement etter kondensatorprinsippet En kondensator er bygd opp av to plater med kjent areal. Platene er plassert i en viss avstand fra hverandre, og rommet mellom platene er fylt med et stoff, et dielektrikum, som er med på å bestemme kapasitansen. Kapasitansen til kondensatoren vil forandres når avstanden mellom platene blir forandret.

e = dielektrikumet A = platens areal 1 - avstanden mellom platene

Den ene av platene er membranen. Membranplaten forandrer avstanden til den faste platen etter hvor høyt trykk som måles. Dermed vil kapasitansen forandres. En fordel med de kapasitive måleelementene er at det bare trengs en liten forandring i avstanden mellom platene for å gi en stor forandring i strøm.

Belger Dette er et måleelement som er bygd som et foldet metallrør. Den ene enden av røret er avstengt med en plan flate, mens den andre enden har en stuss der trykket kan føres inn i bel­ gen.

24

Figur 2.6 Belger

I likhet med membranen er materialet i belgen elastisk og virker som en progressiv fjær. Så lenge belgen belastes innenfor de grensene som materialet tåler, vil den gå tilbake til den opp­ rinnelige formen når belastningen blir borte. Blir den derimot belastet for mye, får den en varig formforandring. Da kan den fremdeles fungere på et vis, men vi får store målefeil i form av ulineariteter og stadige forandringer i måleområdet. I et nødsfall kan vi bruke en belg som har blitt overbelastet, men vi må være oppmerksomme på de måletekniske egenskapene den har. Den kan også ha blitt svekket på en måte som gjør at den ikke lenger tåler det trykket den opprinnelig er beregnet for. Belgen kan også settes inn i et hus der det trykket som skal måles, blir tilført. Når trykket øker, blir belgen presset sammen. Dersom denne typen belg brukes til måling av undertrykk, blir trykket inne i belgen høyere enn trykket på utsiden, og belgen strekkes. Denne belgkonstruksjonen benyttes ofte i forbindelse med pressostater, som vi kommer tilbake til i kapitlet om av/på-elementer.

Figur 2.7 Belg montert i hus

Belger bruker vi som regel når vi ønsker å måle relativt små trykk, men har behov for en større mekanisk bevegelse enn den bevegelsen vi kan få når vi bruker membran. Dette er ofte tilfellet i pressostater. I pneumatiske instrumenter som omformere og regulatorer er belgene et sentralt element i kraftbalansesystemene. Måleområdet som belgene vanligvis brukes til, er mellom 0,002 bar til 2 bar overtrykk og mel­ lom -0,002 bar til -1,0 bar undertrykk. I de pneumatiske instrumentene vil trykket variere mel­ lom 0,2 og 1,0 bar.

25

Figur 2.8 Belgmanometer

Figur 2.9 Belger brukt i en pneumatisk måleomformer

Bourdonmanometeret Dette måleelementet er nok det som brukes mest. Vi finner det i de fleste av de manometrene vi til daglig bruker. Måleelementet består av et bøyd rør der tverrsnittet som regel er ovalt. I enkelte tilfeller kan tverrsnittet også være sirkulært.

Figur 2.10 Bourdonrør

26 Siden røret er bøyd, og utgjør omtrent 270° av sirkelens omkrets, vil yttersiden ha en større overflate enn innersiden. Når det tilføres et trykk inne i røret, vil det forsøke å rette seg ut, fordi kraften som virker mot rørets ytterside, er større enn kraften mot innersiden.

F = p-A Materialet i bourdonrøret er elastisk, i likhet med materialet i membranene og belgene. Når røret retter seg ut, vil det i et eller annet punkt bli en balanse mellom kreftene som vil rette det ut, og fjærkreftene som ligger i materialet. Den bevegelsen vi får, overføres via et tannsegment og et tannhjul til en viser på en indikator eller en penn på en skriver.

Figur 2.11 Bourdonmanometer

I enkelte tilfeller lages bourdonrøret som en spiral. Det er for å få en større mekanisk beve­ gelse. Et eksempel på spiralformede bourdonrør finner vi i fylte termometre. Dette gjennomgår vi senere under temperaturmåling. Bourdonmanometeret brukes i forskjellige versjoner og konstruksjoner i trykkområder fra -1 til 3000 bar.

2.2 Nivåmåling 2.2.1 Innledning Ordet nivå kommer fra fransk og betyr egentlig «libelle» eller «vaterpass». Det brukes om en vannrett flate gjennom et gitt punkt, og kan gjerne være en sammenligning med en annen hori­ sontal flate. I de fleste tilfellene er nivået grenseflaten mellom væske og gass eller mellom fast stoff og væske. Vi refererer ofte nivået til et annet fast punkt i beholderen, som regel bunnen eller top­ pen. Det er forskjell på å måle nivået til en væske i en tank og fyllingsgraden i en silo som inne­ holder fast stoff. Begge deler er nivåmåling. Men mediene som måles, er ulike, slik at et måleprinsipp eller en teknikk som kan brukes på for eksempel et bestemt pulver, kan være ubrukelig

27 på et annet pulver. Det samme kan gjelde for væsker, men disse er som regel stort sett enklere å måle enn faste stoffer. Noen måleprinsipper kan benyttes både for væsker og pulvere. (Når vi i pulverteknikken snakker om pulvere, er dette alt fra det fineste støv til grov stein.) Teknikken for å benytte måleprinsippet må tilpasses det mediet vi skal måle. I mange tilfeller er det ikke viktig å vite det virkelige nivået i en tank eller silo, men om det ligger over eller under et ønsket nivå, eller mellom to yttergrenser. I slike tilfeller vil selve reguleringen av nivået være enklere enn om det er et fast nivå vi ønsker. På grunn av de forskjellige kravene til nøyaktighet og pris er det utviklet en rekke ulike målemetoder og prinsipper. Målemetodene kan deles i to hovedgrupper, direkte og indirekte måling. Når vi benytter en direkte målemetode, vil som regel nivået vises direkte i instrumentet, for eksempel i et seglass eller på en peilestav. Når vi bruker indirekte målemetode, vil det si at vi egentlig måler en annen fysisk størrelse som er direkte proporsjonal med nivået.

2.2.2 Direkte nivåmåling Visuell måling Seglass Denne metoden benyttes for måling av væsker, og den er basert på prinsippet om kommuniserende rør. Seglasset er et glassrør som er plassert på utsiden av tanken, med én forbindelse til et punkt i tanken som er lavere enn det nivåområdet som er interessant, og én forbindelse til et punkt ovenfor det aktuelle området. Nivået i glasset og tanken vil være det samme. Ved å lese av på seglasset, som ofte har en skala montert på siden, kan vi se hvilket nivå det er i tanken.

Ved måling med seglass kan vi få målefeil på grunn av temperaturforskjell inne i tanken og ute ved seglasset. Dette gjelder spesielt når vi måler på en kjeledrum. På grunn av temperaturen vil densiteten til væsken i drummen og væsken i seglasset bli forskjellig. For å oppnå likevekt må nivåene være ulike. En annen feil som kan være vanskelig å oppdage, er tilstopping av forbindelsesrørene. Ved tilstopping vil ikke nivået i seglasset forandres når tanknivået forandres. I beste fall kan det være tale om en forsinkelse. I verste fall kan rørene være helt tette, slik at nivået i seglasset ikke forandres i det hele tatt.

28 Seglass brukes som regel bare til lokale målinger. Dersom målingen skal overføres til et kon­ trollrom, må vi bruke tv-overføring. Tv-overføring har vært vanlig i forbindelse med fjernsty­ ring av kjeleanlegg, der det har vært et krav at nivået i kjeledrummen skal leses av direkte.

2.2.3 Fortrengningslegeme Arkimedes’ lov sier at når et legeme senkes ned i en væske, får det en oppdrift som er lik vek­ ten av den væskemengden som fortrenges. Dette brukes som et måleprinsipp. En flottør som virker som et fortrengningslegeme, er hengt opp i en hevarm. Når nivået varierer, vil en større eller mindre del av flottøren være ned­ dykket i væsken. Dermed varierer vekten av flottøren. Kraften som overføres, varierer med vekten av flottøren. Ved hjelp av en torsjonsarm som virker som en fjær, blir kraften overført til en indikator eller en omformer på utsiden av røret. Flottøren har minimal bevegelse, men opp­ driften varierer med hvor mye den er neddykket i væske.

Figur 2.13 Nivåmåling med fortrengningslegeme

De målemetodene som er beskrevet, er utsatt for de samme feilmulighetene som seglasset. I til­ legg kan det oppstå feil fordi flottøren kan sette seg fast på grunn av groing. Det kan også opp­ stå feil på grunn av groing i overføringen ut til instrumentet. Målerne med fortrengningslegeme bygger på oppdrift. Det betyr at dersom væskens densitet forandres, får vi en målefeil. Fordelene med dette måleprinsippet er at det kan måle store nivåvariasjoner med en liten bevegelse av fortrengningslegemet. For variasjoner på 3-4 meter er det typisk med en beve­ gelse på ca. 25 millimeter.

Indirekte nivåmåling Måling med væsketrykk I åpne tanker er væsketrykket i tanken mye brukt for å måle nivået. Fra fysikken vet vi at tryk­ ket i et punkt i væsken er lik vekten av væskesøylen over punktet. Når vi kjenner væskens den­ sitet, kan vi bruke trykket som et mål for nivået.

29 Trykket = høyden • densiteten • tyngdens akselerasjon. Pat h 5 g Ph

= = = = =

atmosfæretrykket nivået i meter væskens tetthet tyngdens akselerasjon hydrostatisk trykk

Figur 2.14 Væsketrykk i åpen tank

Trykket i en tank der væskehøyden er 3 m, og væskens densitet er 1,000 • 10 m3 kg/m3, vil være P = 3,00 m • 1,000 • 103 kg/m3 • 9,8 m/s2 = 29 400 N/m2 Etter det vi tidligere har gjennomgått, vet vi at N/m2 er det samme som Pa. Væsketrykket i bun­ nen av tanken er da lik 29 400 Pa eller 29,4 kPa. Omregnet til bar blir det 0,294 bar. Dersom vi måler trykket med et manometer, kan det graderes direkte i meter eller millimeter. I vårt tilfelle blir det 0 til 3 m. Vi måler trykket med manometeret, men skalaen graderer det i det nivået som trykket representerer. Skal vi overføre målingen til et kontrollrom, er ikke manometeret anvendelig. I slike tilfeller bruker vi en trykkomformer i stedet. Trykkomformeren får væsketrykket tilført på den ene siden av en membran. På den andre siden av membranen er det atmosfæretrykk. Trykkets påvirkning på membranen blir overført til omformermekanismen.

Figur 2.15 Nivåmåling med omformer Når vi lukker tanken, vil det ikke lenger være atmosfæretrykk over væsken. I slike tilfeller kan vi ikke sammenligne væsketrykket med atmosfæretrykket. Så lenge vi har en åpen tank, vil trykket som måles, være summen av væskens vekt og atmosfæretrykket som er over væsken. Da måler vi med atmosfæretrykket på den ene siden av membranen i omformeren.

30 Dersom tanken er lukket, er det ikke lenger atmosfæretrykk over væsken, men et hvilket som helst annet trykk. Dette trykket er med i det væsketrykket vi måler. Skal det være noen hensikt med målingen, må vi måle mot trykket over væsken. Det gjør vi ved å sette inn en forbindelse mellom minussiden på omformeren og rommet over væskenivået. På denne måten får vi tryk­ ket over væsken inn både på plussiden (sammen med væsketrykket) og på minussiden av mem­ branen. Dermed kompenserer vi for det trykket som er over væsken, som kan variere uten at det influerer på målingen.

Figur 2.16 Nivåmåling i lukket tank

Ved vannstandsmåling i dampkjeler kan vi få problemer når vi kompenserer på denne måten. Det blir forskjellig temperatur på væsken inne i kjeledrummen og måleledningen som er ført ned til omformerens minusside. Damp som kommer inn i måleledningen, blir kondensert til vann, og vi får et væskenivå på minussiden som representerer et trykk i tillegg til trykket over væsken. I verste fall blir ledningen fylt helt, slik at høyden blir større enn i kjeledrummen. I dette tilfellet får vi en negativ måling. For å unngå dette fyller vi ledningen med væske, slik at nivået blir konstant. Ledningen kobles til omformerens plusside, fordi trykket i ledningen hele tiden vil være det høyeste. Omformerens minusside kobles til uttaket i bunnen av kjeledrummen, der trykket vil variere med nivået. Utgangssignalet fra omformeren er omvendt proporsjonalt med væskenivået. Det vil si at når væsken er i øvre nivå, er signalet fra omformeren null eller minimum, mens det er maksimum når kjeledrummen er tom.

Boblerør Når vi stikker et rør ned i en væske, stiger væsken opp i røret til det er det samme nivået inne i røret som utenfor. Væsken inne i røret kan vi presse ut igjen ved å blåse luft inn i røret fra top­ pen. Det trykket som skal til for å presse væsken ut, er lik væsketrykket ved den nedre enden av røret. Ved å måle trykket vi får når vi presser væsken ut, kan vi måle det væsketrykket vi har ved

31 den nedre enden av røret. Slik får vi et mål for hvor høyt væsken står over rørets nedre ende. Trykket blir det samme som vi får når vi måler væsketrykket i den samme høyden i tanken med et manometer eller en omformer.

Dersom vi skal få en god måling, må lufttilførselen være konstant. Luft tilføres derfor med et purgemeter, som er en regulator som sørger for konstant luftmengde uavhengig av mottrykket. Luften som er i overskudd, vil boble opp i væsken. Dette er grunnen til navnet på måleprinsippet. For at ikke luftmengden skal bli for stor og målingen urolig, er det vanlig å regne at det skal være ti bobler i væsken samtidig. Blir luftmengden for liten, kan målingen i enkelte tilfeller bli treg. Feil som kan oppstå i boblerøret, er lekkasje eller fortetning. Lekkasjer er den feilen som er vanskeligst å oppdage. Ved lekkasjer måler vi for lavt nivå. Fortetninger oppdages derimot raskt, fordi trykket stiger hurtig til maksimum.

Måling ved hjelp av kraft Veiing er en metode som ofte brukes på offshorefartøyer for å måle nivå i tanker. Når vi bruker denne metoden, veier vi hele tanken og innholdet. For å vite nivået er det en betingelse at vi kjenner vekten av tanken når den er tom, og innholdets densitet. Vi kan veie en tank ved å sette veieceller under tankens støttebein, eller hele tanken kan hen­ ges i veieceller. Det kan ofte være nok å montere celler under to av beina dersom tanken står på tre eller fire bein. Dreier det seg om liggende tanker, setter vi tankens fundament på veieceller. Veiecellene er elementer som gir et elektrisk signal. Signalene må kobles til en forsterker, som samtidig er en omformer, og som gir et signal som kan føres til kontrollrommet. Når det brukes veieceller til nivåmåling, er det viktig at alle cellene får tilnærmet lik belast­ ning. I tanker som inneholder væske, er dette vanligvis ikke noe problem. I pulvertanker kan det imidlertid bli ulik belastning, fordi innholdet ikke fordeler seg jevnt i tanken.

32

Stående tank

Figur 2.18 Forskjellige plasseringer av veieceller Signalet fra alle cellene blir summert, og summen er et mål for vekten av tanken. Når denne formen for måling skal justeres, må vi tarere bort vekten av den tomme tanken og fundamen­ tene. Området justeres enten ved å legge på vekter med en masse som tilsvarer et kjent nivå, eller ved å fylle tanken. Settpunktsenhet

Figur 2.19 Summering av signaler fra veiecellene

I moderne veieforsterkere er det ofte nok at vi kjenner innholdets masse for to nivåer, som ikke må ligge for nær hverandre. Forsterkeren selv regner ut hvordan belastningskurven blir, og inn­ retter måleområdet etter den.

33 Elektrisk nivåmåling Kapasitiv måling Denne type målinger bygger på prinsippet for en kondensator. I en kondensator vil kapasitansen endre seg når platenes areal forandres, eller når dielektrikumet, som er stoffet mellom pla­ tene, forandres.

Figur 2.20 Platekondensator

Vanligvis er det måling med variabelt dielektrikum som benyttes. Målingen gjøres ved at det settes en føler eller en sonde ned i tanken. Sonden er den ene platen i kondensatoren, og tankveggen er den andre. Når mediet mellom sonden og veggen endrer seg, forandres dielektriku­ met, og kapasitansen forandrer seg tilsvarende. Forandringen forsterkes og brukes som et mål for nivået i tanken. Metoden er mye brukt til måling av nivået i pulversiloer og tanker med vanskelige medier. Ved å tillempe teknikken kan vi bruke den både som kontinuerlig måling og nivåbryter.

Figur 2.21 Forskjellige typer kapasitive sonder

34 En ulempe med målesystemet er at det er ømfintlig for fuktighet. Det merkes spesielt når det brukes for pulvere. Vi må også se til at det er god forbindelse mellom sondehodet og tanken eller siloen.

Nivåmåling ved hjelp av ultralyd Ultralydstråler som sendes ned i en tank, blir reflektert fra væskeoverflaten. Refleksjonen er uavhengig av mediets densitet og kan benyttes både for væsker og faste stoffer. Den kan også benyttes til å bestemme grenseflaten mellom to væsker dersom det er tilstrekkelig forskjell på væskenes densitet.

Figur 2.22 Nivåmåling med ultralyd Systemet består av en sender og en mottaker. Senderen og mottakeren er vanligvis bygd sammen til en enhet. Et signal som sendes fra sonden, reflekteres av mediets overflate og fan­ ges opp av mottakeren. Tiden fra signalet sendes til refleksjonen registreres, er et mål for avstanden til mediets overflate.

2.3 Temperaturmåling 2.3.1 Innledning Temperatur er et mål for den bevegelsesenergien molekylene i mediet har. Bevegelsesenergien føler vi som varme. Jo større bevegelse, jo større varme. Når mediet er i fast form, har moleky­ lene relativt liten bevegelse. Tilføres det energi, for eksempel varme, vil bevegelsene øke, og mediet vil etter hvert få en høyere aggregattilstand. Først blir mediet flytende, og tilføres det mer energi, vil mediet gå over til gassform. Hos oss er den vanligste målenheten for temperatur grader celsius, °C. Denne temperatur­ skalaen har utgangspunkt i vannets frysepunkt og kokepunkt ved atmosfæretrykket, som er satt til henholdsvis 0 og 100 °C. Avstanden mellom disse punktene er delt i hundre like store deler, og fortsetter videre i begge retninger ut over disse punktene. I sammenheng med tekniske målinger og beregninger brukes en annen skala for temperatur,

35 kelvinskalaen. Den har celsiusskalaen som utgangspunkt, og den har den samme inndelingen, men skalaens nullpunkt er flyttet til det absolutte nullpunkt, -273,15 °C. Ved denne temperatu­ ren finnes det ingen molekylbevegelse. For å angi at det er kelvinskalaen som er brukt, brukes benevningen K. Ifølge kelvinskalaen er alle temperaturer varmegrader. Celsiusskalaens nullpunkt er 273,15 K. 100 °C er 373,15 K.

Omregningen mellom grader celsius og grader kelvin vil være:

°C = Grader K - 273,15 Grader K = °C + 273,15

2.3.2 Fikspunkter Dette er temperaturer som lett kan reproduseres, og de brukes når vi skal kalibrere måleinstru­ mentene. Det er ofte behov for å måle temperaturer som kan gå opp i 1000 °C eller til og med 2000 °C. Når instrumentene som skal brukes for å måle disse temperaturene, skal kalibreres, er det liten hjelp i de fikspunktene vi kan få til med vannet. Derfor trenger vi andre som ligger nær­ mere de temperaturene som skal måles.

De vanligste fikspunktene er: • oksygenets kokepunkt -182,96 °C • vannets frysepunkt 0,01 °C • vannets kokepunkt 100,00 °C • svovelets kokepunkt 444,60 °C • antimonets smeltepunkt 630,50 °C • sølvets smeltepunkt 961,93 °C • gullets smeltepunkt 1064,43 °C Det er store forskjeller i de temperaturene vi har behov for å måle: fra temperaturer som ligger langt under vannets frysepunkt, og opp til flere tusen celsiusgrader. Disse målingene kan vi ikke klare å utføre med én enkelt målemetode. Derfor må vi bruke en mengde forskjellig måleutstyr og ulike målemetoder. Måleutstyret dekker hver for seg en liten del av det totale temperaturområdet. Når vi skal velge utstyr, må vi ta hensyn til måleområde, treghet, mekaniske påkjenninger og korrosjon. Vi må også ta hensyn til pris, vedlikehold og standardisering.

2.3.3 Måleelementer for temperatur Det måleutstyret som brukes, kan deles inn på denne måten etter måleområder og prinsipper: • utvidelse av gasser, væsker og faste stoffer • termoelektrisk effekt • elektrisk ledningsevne (konduktans) • elektromagnetisk stråling • andre prinsipper

36 Termometer med fylt system De fleste stoffene utvider seg ved oppvarming og trekker seg sammen når de avkjøles. Kvikk­ sølvtermometeret, der vi leser av hvor mye lengden på kvikksølvstrengen forandres, er et eksempel på dette. nniniiiniiiiiiiiiii

Kolbe

Kapillarrør

Figur 2.23 Kvikksølvtermometer

Denne egenskapen utnyttes også i en termometertype som består av en kolbe som er fylt med en væske. Kolben er bundet sammen med et bourdonrør eller en belg med et kapillarrør. Når kolben varmes opp, øker trykket, og vi får en bevegelse i trykkmåleelementet. Denne bevegelsen overfører vi for eksempel til en viser på en skala eller til mekanismen i en omfor­ mer.

Figur 2.24 Trykktermometer

Termometeret kan også fylles med gass, eller det kan fylles delvis med en væske. Da kalles det ofte et damptrykkstermometer. I dette termometeret vil væsken koke når temperaturen stiger over væskens kokepunkt. Trykket vil etter hvert stige i systemet. Væskens kokepunkt stiger med økende trykk, og kokingen stopper. Det motsatte skjer når termometeret avkjøles. Dam­ pen i systemet kondenserer, og trykket faller. Når trykket har falt under væskens damptrykk, starter kokingen igjen. På denne måten vil trykket i systemet variere med temperaturen. Trykktermometeret kan benyttes til å måle temperaturer fra -200 til 750 °C.

37 Bimetallføleren Et bimetall består av to metallremser med ulik temperaturutvidelseskoeffisient. Metallremsene er valset sammen. Når temperaturen øker, vil metallremsene utvide seg, men ikke like mye, og resultatet blir at de bøyer seg. Invar

Messing

Figur 2.25 Bimetall

Temperaturfølere av bimetall kan være utformet på forskjellige måter, avhengig av i hvilken sammenheng de brukes, hvor stor bevegelse som er ønsket, og hvilke temperaturområder de skal måle i.

Figur 2.26 Ulike utførelser av bimetall

Bimetallfølere er oftest brukt i termostater, der de styrer en kontakt, og til termometre for lokal avlesning av temperaturer.

38 Termoelementer Disse temperaturfølerne bygger på termoelektrisk effekt. Termoelementet består av to tråder av ulikt materiale som er sveist sammen i den ene enden. Dette punktet kalles loddepunktet. Mel­ lom de andre endene, som kalles kaldpunktet, oppstår det en elektrisk spenning når det har en temperaturdifferanse i forhold til loddepunktet. Denne spenningen, termospenningen, er pro­ porsjonal med temperaturdifferansen og kan måles med et millivoltmeter.

Figur 2.27 Prinsippet for et termoelement

Kombinasjonen av materialene i trådene og temperaturdifferansen mellom loddepunktet og kaldpunktet avgjør hvor stor spenning vi får fra termoelementet. Det er flere forskjellige kom­ binasjoner av metalliske ledere som kan brukes i termoelementer, men utvalget er stort sett standardisert til fire hovedkombinasjoner:

• • • •

Kopper-konstantan (Cu-Konst) Jern-konstantan (Fe-Konst) Nikkelkrom-nikkel (NiCr-Ni) Platina-platina-rhodium (Pt-PtRh)

-185 til Otil Otil 0 til

300 600 900 1400

Temperaturforskjell = 200°

o °c

Temperaturforskjell = 200°

Temperaturforskjell = 200°

Figur 2.28 Spenninger fra termoelementene ved samme temperaturdifferanse

39 For at vi på en enkel måte skal kunne skille mellom de forskjellige termoelementene, brukes ofte en fargekode. Den er ikke en internasjonal standard, men den brukes mye i Europa: • • • •

Cu-Konst Fe-Konst NiCr-Ni Pt-PtRh

Brun Blå Grønn Hvit

Figur 2.30 Temperaturmåling med termoelement, kompensasjonskabel og millivoltmeter

Fordi termoelementet måler temperaturforskjellen mellom loddepunktet og kaldpunktet, er det nødvendig at temperaturen i kaldpunktet ikke varierer. Denne stabiliteten kan vi ikke oppnå i termoelementets koblingshode. Der vil variasjonene være store. Avslutningen på termoelemen­ tet må derfor legges et annet sted. Derfor forlenger vi termoelementet med en kompensasjon­ skabel. Kabelen lages av det samme materialet som termoelementet så lenge det er snakk om uedle metaller. For de edle metallene må den lages av legeringer med de samme termoelektriske egenskapene som materialene i selve termoelementet. Kompensasjonskabelen er i virkeligheten et termoelement, men den behøver ikke å tåle de samme temperaturene som termoelementet, og det er ikke de samme kravene til linearitet. Der­ for kan den lages av materialer som er rimeligere enn de som brukes i termoelementet. Den vil kunne måle lineært opp til ca. 300 °C.

40

X.

mV

mV/°C

-200 -7.890 aaaa, 0 0231 190 7,659 AAA„ 0,0257 180 7.402 AAAOA 0,0280 170 7,122 AAAA. 0,0301 160 6,821 A’ AAA 0,0322 150 6,499 ' A4A 0,0340 140 6,159 n'a 0,0358 130 5,801 0,0375 120 5 426 0,0390 110 5,036 ' 0.0404

+ 400+21,846 AA„, 0,0551 410 22,397 A ACCA 0.0552 420 22,949 AA^A 0.0552 430 23,501 AA„„ 0,0553 440 24,054 AA„„ 0,0553 450 24,607 AA„i 0,0554 460 25,161 A ACCC 0,0555 470 25,716 AAC„ 0,0556 480 26.272 , 0,0557 1 490 26,829 A A„A 0,0559

°C

mV

mV/°C

-100 —4,632 AA4,_, 0.0417 90 4,215 • ,AA 0,0430 80 3,785 • 0,0441 70 3,344 ’c„ 0.0452 60 2,892 AAJA. 0,0461 50 2,431 AA„,4 0,0471 40 1,960 „ 0,0479 30 1,481 ' nj! 0,0486 20 0,995 A A,AJ 0,0494 10 °'5°1 0,0501

+ 500+27,388

510 27'949 0,0562

520 28,511 AACAJ 0,0564 530 29,075 A AC„ 0,0567 540 29,642 a acco 0,0568 550 30,210 AA„A 0,0572 560 30.782 AA„4 0,0574 570 31.356 ’ 0,0577 580 31.933 AAr„A „ 0,0580 590 32,513 AACoA 0,0583

“C

mV

mV/*C

± ° *° 0,0507 + 10 + 0 507 AAc4A „ 0,0512 20 1,019 ' 0,0517 30 1,536 A ACAA 0,0522 40 2,058 ' 0,0527 50 2,585 0,0530 60 3,115 AArA4 0,0534 70 3,649 0,0537 80 4.186 0,0539 9° 4’725 0,0543 +600 + 33.096

610 33,683

°C

mV

mVrC

+ 100 + 5,268 AAC,„ 0,0544 110 5,812 A’ , 0,0547 120 6,359 ’ ,Q 0,0548 130 6,907 ’ 0,0550 146 7^7W551

150

170 180 190

8 008

0.0552

8 560 0 0553 9,113 ' 0,0554 9,667 ' „ 0,0555 10,222 ’ 0,0555

+ 700 + 39,130 0,0587

0,0590 620 34,273 A AcA4 0,0594 630 34,867 , 0,0597 640 35,464 A' A 0,0602 650 36,066 A‘ c 0,0605 660 36,671 AAAAA 0,0609 670 37,280 „ 0,0613 680 37,893 ' 0,0617 690 38,510 AAAAA 0.0620

710

39,754

720 40,382

0,0624 'na 0,0628

0,0631 A 0 0634 740 41,647 A’ c 0,0636 750 42,283 A AAAA 0,0639 760 42,922 0,0641 770 43,563 A'A 0,0644 780 44,207 A’ 0,0645 790 44,852 0,0646 ________________ ______ 730 41,013

’C

mV

mV/°C

mV

mV/°C

+200+10,777 „nc„ 0,0555 210 11,332 A ACCC 0 0555 220 11,887 A A„C 0,0555 230 12,442 AA„A 0,0556 240 12,998 ’ 0,0555 250 13,553 1 0,0555 260 14,108 A Accc 0,0555 270 14,663 A ArcJ 0,0554 280 15,217 A’ , 0,0554 290 15771 AACC 0,0554

+300+16,325

+ 800 + 45,498 A_A 0,0646 810 46,144 A’ 0,0646 820 46.790 ' 0,0644 830 47,434 ’ xA 0,0642 840 48,076 ‘ JA 0,0640 850 48,716 „ 0,0638 860 49,354 ’ 0,0635 870 49,989 . 0,0632 880 50'621 A A^AO 0,0628 890 51.249 ’ 0,0626

+900 + 51,875 AAAA, 0,0621 910 52,496 A„4ft 0 0619 920 53,115 AAA4J „ 0,0614 930 53729 0,0612

Figur 2.31 Tabeller for mV-verdier for et termoelement typeJ, Fe-Konst

Figur 2.32 Termoelement i et beskyttelsesrør

•C

310 320 330 340 350 360

370 380

390

0,0554 ’ M 0,0553 ’ 0,0552 17.984 AACCA 0,0553 18,537 ’ cA 0,0552 19,089 0,0551 19,640 AA___ 0,0552 20,192 0,0551 20,743 ’ „ 0,0552 21,295 , 0,0551 16,879

17,432

940 54’341 0,0607 950 54 948 0,0605 960 55 553 0,0602 970 56 ,55 0,0598 980 56753 0,0596

"° 57 349 0,0593 +1000 + 57,942

41 Motstandstermometer Motstandstermometeret bygger på at den elektriske resistansen i metaller forandres med tem­ peraturen. Sammenhengen mellom temperaturen og den elektriske resistansen kan uttrykkes slik: Q

Temperaturkoeffisienten =

Måleelementet er laget av en tråd med lengde og tverrsnitt som er valgt slik at elementet har en bestemt resistans ved 0 °C. Som regel er dette 100 Q. Materialet i tråden er vanligvis nikkel eller platina. Tråden er viklet opp på en kjerne. Elementene betegnes etter materialet de er laget av, og resistansen de har ved 0 °C. Elementer som er laget av nikkel, betegnes Ni-100, og elementer av platina betegnes Pt-100. Det finnes andre typer. Betegnelsene på disse kan for eksempel være Ni-50, Pt-250 og så videre. Tilkobling Beskyttelses^ rør .

Motstandsvikling Glimmerstamme

Figur 2.33 Motstandselement Dette elementet må ha en hjelpespenning når vi skal måle. Med den sendes en strøm gjennom elementet. Strømmen er i mA-området og varierer proporsjonalt med resistansen i måleele­ mentet. Strømmen i måleelementet sammenlignes med en tilsvarende strøm i en referansemotstand i instrumentet. Referansemotstanden er kalibrert slik at differansen mellom strømmene er 0 ved instrumentets nullpunkt.

42

Platina

Nikkel

t °C

R Q

-200 - 190 - 180 - 170 - 160 - 150 - 140 - 130 - 120 -110 -100 - 90 - 80 - 70 - 60 - 50 - 40 - 30 - 20 - 10 0 + 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

17,7 20,7 23,9 27,1 30,5 33,9 37,3 40,8 44,6 48,4 52,3 56,3 60,5 64,9 69,5 74,2 79,1 84,1 89,3 94,6 100,0 105,6 111,3 117,1 123,0 129,1 135,3 141,7 148,2 154,9 161,7 168,7 175,9 183,3 190,9 198,7 206,7 214,9 223,1 232,0 241,3

AR/At Q/°C

0,30 0,31 0,32 0,33 0,34 0,34 0,35 0,36 0,38 0,39 0,40 0,41 0,43 0,45 0,47 0,48 0,50 0,51 0,53 0,54 0,55 0,55 0,57 0,59 0,61 0,62 0,63 0,65 0,67 0,68 0,69 0,71 0,73 0,75 0,77 0,79 0,81 0,84 0,87 0,89 0,91

t ”C

R Q

t °C

-220 -210 -200 - 190 - 180 - 170 - 160 - 150 - 140 - 130 - 120 - 110 - 100 - 90 - 80 - 70 - 60 - 50 - 40 - 30 - 20 - 10 0 + 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190

10,41 14,36 18,53 22,78 27,05 31,28 35,48 39,65 43,80 47,93 52,04 56,13 60,20 64,25 68,28 72,29 76,28 80,28 84,21 88,17 92,13 96,07 100,00 103,90 107,80 111,68 115,54 119,40 123,24 127,08 130,91 134,70 138,50 142,29 146,07 149,83 153,59 157,33 161,06 164,78 168,48 172,18

200 210 220 230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650

R Q 175,86 179,54 183,20 186,85 190,49 194,13 197,75 201,35 204,94 208,52 212,08 215,62 219,16 222,68 226,20 229,70 233,19 236,67 240,15 243,61 247,07 250,07 253,95 257,37 260,79 264,19 267,57 270,95 274,31 277,64 280,94 284,23 287,51 290,79 294,06 297,30 300,70 303,95 307,20 310,43 313,65 316,86 320,05 323,24 326,41 329,57

AR/At Q/°C

0,367 0,366 0,364 0,364 0,364 0,362 0,360 0,359 0,358 0,358 0,356 0,355 0,353 0,352 0,352 0,350 0,349 0,348 0,346 0,346 0,344 0,344 0,342 0,341 0,340 0,338 0,338 0,337 0,336 0,334 0,333 0,332 0,331 0,330 0,328 0,326 0,326 0,324 0,324 0,322 0,322 0,320 0,319 0,318 0,317 0,316

Figur 2.34 Målesystem med. motstandstermometer

Differansen mellom stømmene i målesystemet driver visersystemet slik at den kan leses av på instrumentets skala.

Motstandstermometrene er nøyaktige og pålitelige. De anvendes vanligvis i disse områdene: • Nikkelmotstand -60 til 180 °C • Platinamotstand -250 til 500 °C

( 70-200 Q) (2,5-280 Q)

43 Termistorer Halvledermateriale kan også brukes i temperaturmålinger. De materialene som brukes mye, er ulineære, men de har en mye større temperaturkoeffisient enn motstandselementene av metall. En ulempe med termistorene er at de ikke kan lages like. Det vil si at hele målesystemet må kalibreres om når vi må skifte ut en føler.

Figur 2.35 Sammenligning av karakteristikker for NTC-termistorer og PT-100-element Halvlederfølerne lages både med økende og fallende resistans. Elementer med resistans som øker med temperaturen, kaller vi PTC, positive temperature coefficient. Elementer med resis­ tans, som avtar med økende temperatur, kaller vi NTC, negative temperature coefficient. Termistorene er en del brukt i overvåkingen. Fordi det er så store forandringer i resistansen ved relativt små variasjoner i temperaturen, er det enkelt å få et definert koblingspunkt i for eksempel en temperaturbryter.

2.3.4 Digital temperaturmåling For temperaturmåling har kravene til nøyaktighet, stabilitet og tilgjengelighet økt i likhet med kravene til andre målinger. Det har ført til forbedringer både når det gjelder måleelementene, signaloverføringen og presentasjonen. I disse forbedringene har digitalteknikken vært sentral. Vi har fått digital signaloverføring, digital indikering og mulighet til direkte tilkobling til data­ maskiner. Det er de samme fysiske prinsippene som tidligere som anvendes til målingene, uansett om

44 det er snakk om digital eller analog måling. Hvor nøyaktig en måling er, er som regel ikke gitt av den digitale indikatoren, men av nøyaktigheten til den primære målingen og resten av det utstyret som er med i målesløyfen.

Figur 2.36 Målesløyfe med motstandselement, måleomformer og indikator Ulinearitet i instrumentene kan ofte kompenseres. Nøyaktigheten i omformerne er vanligvis så god at den feilen som kommer fra dem, er ubetydelig. Som regel vil det derfor være primærelementet som bestemmer hvor nøyaktig målingen er i en digital temperaturmåling.

2.4 Strømningsmåling 2.4.1 Innledning Med mengdemåling, eller mer riktig, måling av strømning, mener vi måling av volum eller masse per tidsenhet. Målenheten vi bruker, sier oss om det er volum eller masse vi måler, og i hvilket tidsrom målingen foregår. Strømning kan vi definere som den stoffmengden som passerer et tverrsnitt per tidsenhet.

Mengden Q = Hastigheten m/s • tverrsnittet A Q=vA

Fra formelen som er satt opp, kan vi utlede målenheten: m/s • m2/s

Denne målenheten gjelder for volum per tidsenhet. Skal vi oppgi masse per tidsenhet, må vi regne inn mediets densitet. De målenhetene som vi vanligvis bruker for strømning, er:

Masse: Volum: t/h (tonn per time) m3/h (kubikkmeter per time) kg/h (kilogram per time) 1/min (liter per minutt) kg/min (kilogram per minutt) Det er også andre målenheter som brukes, men alle inneholder masse eller volum per tidsenhet.

45 Når strømningen angis i masse per tidsenhet, er dette entydig. Angir vi strømningen i volum per tidsenhet, er dette entydig når det gjelder væsker og faste stoffer. For gasser er mengden også avhengig av gassens trykk og temperatur. Av den grunn må både trykk og temperatur opp­ gis i tillegg til volumet når vi måler gassmengder. For å gjøre det enkelt oppgir vi ofte mengden ved gassens normaltilstand. Det vil si at vi oppgir hva volumet ville være med et trykk lik 760 mmHg og en temperatur lik 0 °C. Dette kal­ les gassenes normaltilstand og vises ved å sette en N før målenheten, for eksempel Nm3/h. Der­ som vi ønsker å oppgi mengden i vekt, kan dette lett regnes om ved å multiplisere med densiteten. For å måle gjennomstrømningen er det tatt i bruk flere måleprinsipper. Vi skal se på noen av dem som er mest i bruk. Disse måleprinsippene bygger på • direkte volummåling • hastighetsmåling • trykkfall • veiing

2.4.2 Direkte volummåling Ovalhjulmåler Denne måleren har to målekamre med kjent volum, og mediet passerer gjennom kamrene vek­ selvis. Kamrene er mekanisk skilt fra hverandre med tannhjul. Trykket fra det mediet vi måler, får tannhjulene til å rotere. Rotasjonen overføres til et mekanisk telleverk eller en takogenerator som gir en spenning som er proporsjonal med hastigheten. På denne måten telles det antal­ let ganger målekamrene tømmes per tidsenhet. Ut fra dette kan indikeringen skaleres og vise strømningen direkte i volum per tidsenhet. Denne typen måling forteller hvor mye som har gått gjennom måleren. Dersom vi ønsker et mål for gjennomstrømningens størrelse, kan vi bruke spenningen fra generatoren som et mål. Den indikeres på et instrument som er skalert i mengde per tidsenhet.

Pos 1

Pos 2

Pos 3

Figur 2.37 Prinsippet for ovalhjulmåler

Ovalhjulmåleren består av to ovale tannhjul, 1 og 2, som griper inn i hverandre. På tegningen på figur 2.37 ser vi at det øves et trykk fra mediet mot tannhjulene. Tannhjul 1 har det samme trykket på begge sider av omdreiningsaksen. Tannhjul 2 har trykk bare mot den ene siden. Dette gir et dreiemoment som får tannhjulene til å dreie rundt slik at de kommer i stillingen som er vist i posisjon 2 på figuren. I denne posisjonen overtar tannhjul 1 dreiemomentet, og tannhjulene fortsetter dreiebevegelsen. Væskevolumene som er sperret inne over tannhjulene, følger med til neste stilling og støtes ut.

46

Figur 2.38 Ovalhjulmåler

Fra et av hjulene føres clreiebevegelsen ut via en magnetkobling til en generator eller direkte til et telleverk. Spenningen fra generatoren er proporsjonal med hjulenes hastighet og indikerer gjennomstrømningens størrelse, for eksempel i kubikkmeter per time (m3/h). Denne typen måler har stor nøyaktighet, men nøyaktigheten er avhengig av tilført ren væske. Derfor må væsken passere et filter før den måles. Urenheter i væsken vil føre til slitasje og dår­ ligere nøyaktighet. Smøringen av måleren er det væsken som passerer, som sørger for. Derfor må måleren aldri kjøres med luft eller lignende. Dersom det er nødvendig å dampe opp ledningen, må måleren kobles ut, slik at dampen ikke passerer gjennom den.

Ringstempelmåleren Denne måleren er mye brukt til å måle vannforbruk. Den består av et ringstempel som ligger i målekammeret. Ringstempelet er montert slik at det delvis dreier seg eksentrisk fra innløp til utløp og delvis beveger seg fram og tilbake langs skilleveggen.

A

C

Figur 2.39 Ringstempelmålerens bevegelser Hver gang ringstempelet gjør en dreining fra innløp til utløp, leder den to atskilte volumer VI og V2 gjennom målekammeret. Volumene er gitte, og de er like store. Ved å måle ringstempelets dreininger får vi et mål for gjennomstrømningen.

47

2.4.3 Hastighetsmåling Hastighetsmålerne måler den hastigheten som mediet har gjennom røret. Rørets tverrsnitt er konstant, og når vi måler hastigheten, vet vi hvor langt mediet har beve­ get seg i et gitt tidsrom. Det vil si hvor langt mediet beveger seg i meter per sekund. Ser vi på dette, ser vi at vi har en sylinder der rørets tverrsnitt er endeflaten, og den lengden mediet beveger seg i et tidsrom, er sylinderens høyde. Ved å se hvor mange sylindere vi kan fylle i løpet av for eksempel en time, finner vi ut hvor stort volum som har passert. Den eneste størrelsen som kan variere i denne målingen, er mediets hastighet. Ved å måle hastigheten får vi et mål for størrelsen på gjennomstrømningen.

Q=

4

. m/s

Figur 2.40 Prinsipp for mengdemåling Diameteren i røret oppgir vi i meter. Tidsrommet multipliseres med 3600 sekunder. Målere som baserer seg på måling av hastighet, er • turbin- eller propellmåler • elektromagnetisk måler • virvelstrømmåler (vortexmåler)

Bortsett fra den elektromagnetiske måleren kan alle hastighetsmålerne benyttes både for væs­ ker og gasser.

48 Turbin- og propellmåler Disse målerne består av en turbin eller propell som er opplagret slik at den kan rotere inne i et rørstykke. Bevegelsen overføres via snekkeveksel og en utveksling til et telleverk eller en giver for fjernoverføring.

Figur 2.41 Turbinmåler De nyeste konstruksjonene kan ha kontaktløs overføring fra turbinen eller propellen til utsiden av huset. Hver gang et blad passerer forbi en spole på utsiden, oppstår det en elektrisk puls. Antallet pulser er et mål for mengden som passerer.

Figur 2.42 Overføring av pulser fra turbinen

49 Elektromagnetisk mengdemåler Dette måleprinsippet baserer seg på at det oppstår elektrisk spenning i en leder som beveger seg i et magnetfelt. Spenningen er proporsjonal med hastigheten og det elektriske feltets styrke. På den måten kan vi måle væskens hastighet. For at dette måleprinsippet skal fungere, må væs­ ken som måles, være litt ledende. For at målingen skal være nøyaktig, må magnetfeltet være konstant.

Figur 2.43 Snitt gjennom en elektromagnetisk mengdemåler Væsken strømmer gjennom måleren på tvers av magnetfeltet B. På tvers av magnetfeltet er det satt inn to elektroder, og mellom elektrodene induseres det en spenning. Spenningen E = K • B • V • D

K er en faktor som henger sammen med målerens konstruksjon. B er magnetfeltets styrke. V er væskens strømningshastighet. D er rørets diameter. Av formelen ser vi at hastigheten V er den eneste faktoren som varierer med mengden. Siden spenningen E varierer med hastigheten, kan den være et mål for gjennomstrømningen. Sammenhengen mellom mengden og målesignalet er lineær. Instrumentet som spenningen føres til, skaleres i mengde per tidsenhet. Den elektromagnetiske mengdemåleren har ikke noe trykkfall, og den er uavhengig av væs­ kens densitet og ledningsevne. Det er en måler som med fordel kan brukes til å måle væsker som er vanskelige å måle med andre metoder. Spesielt egner den elektromagnetiske mengde­ måleren seg til suspensjoner, fordi den innvendig er helt glatt. Måleren må monteres slik at vi er sikret at den til enhver tid er helt fylt med væske, fordi rørets tverrsnitt er kalibrert inn i beregningen av mengden. Dersom måleren monteres i en sti­ gende rørledning, vil den alltid være væskefylt. Den kan også monteres i en sløyfe som går lavere enn selve rørledningen.

50 Virvelstrømmåler (vortexmåler) Denne måleren bygger på det samme forholdet som får et flagg til å vaie fram og tilbake i vin­ den. Flagget beveger seg fra side til side med en frekvens som er proporsjonal med vindhastig­ heten. Det kommer av den forstyrrelsen som flaggstangen representerer i luftstrømmen.

Figur 2.44 Virvelstrømmåler (vortexmåler) med strømningsmønster

Virvelstrømmåleren kan sammenlignes med en flaggstang som går tvers gjennom rørtverrsnittet. Virvlene som dannes på baksiden av denne flaggstangen, kan vi måle på forskjellige måter. Som regel måler vi trykkvariasjonene på hver side av flagget. Det lar seg også gjøre å måle virvlene som dannes med en ultralydstråle som sendes på tvers gjennom røret like bak stangen. Signalledninger

Figur 2.45 Måling av virvelpulser

Figur 2.46 Ekspansjonstegning av virvelstrømmåler

Målerne er vanligvis svært robuste. De har lineært utgangssignal, og nøyaktigheten er relativt god over 10 prosent av måleområdet.

51

2.4.4 Måling basert på trykkfall Fra fysikken vet vi at i et rør med gass eller væske er det potensiell energi, hastighetsenergi og trykkenergi.

Kontinuitetsligningen sier: Når en gass eller væske strømmer gjennom et rør eller en kanal, er summen av bevegelses- og trykkenergi konstant langs en strømningslinje. 1/2 mv2 + p = konstant

Det vil si at dersom en av energiformene øker, må den andre avta. Energi kan ikke forsvinne, bare gå over til andre former. Dette forholdet benytter vi oss av når vi måler gjennomstrømning ved hjelp av trykkfall. Når vi setter inn en innsnevring i røret som det strømmer en gass eller væske gjennom, må den mengden som går i røret, øke hastigheten for å komme forbi innsnevringen. Det medfører at den andre energiformen i røret må avta. Trykkenergien i røret er det statiske trykket, mens hastigheten gir et dynamisk trykk. Når vi måler differansen mellom trykket før og i innsnevrin­ gen, får vi et mål for gjennomstrømningen.

Figur 2.47 Blende i rør I en trykkfallsmåling måler vi det statiske trykket i ledningen. Det statiske trykket har direkte sammenheng med det dynamiske trykket. Når det dynamiske trykket øker, det vil si når væs­ ken eller gassen beveger seg, vil det statiske trykket avta. Ved å lage en restriksjon i røret og måle det statiske trykket før og etter innsnevringen, får vi et differansetrykk som varierer med hastigheten. I en måling gjort med trykkfallsprinsippet ligger det en god del matematisk behandling. Dette ender med følgende ligning:

Q = KVAp[JB4

Ap = PH-PL

Figur 2.48 Ligning for mengde

Q = volum per tidsenhet k = faktor som blant annet inneholder forholdet mellom tverrsnittene i røret og restriksjonen

52 Målingen er kvadratisk, og vi må derfor linearisere signalet. Dersom dette ikke gjøres, må instrumentet ha en ulineær skala.

Figur 2.49 Kurve for sammenhengen mellom strømning og differansetrykk Den kvadratiske sammenhengen mellom mengde og trykkfall gjør at denne formen for måling blir svært unøyaktig i 30 prosent av måleområdet. Forholdet blir ikke bedre med lineariseringen, fordi problemet ligger i selve målingen. Linearisering vil bare gi en annen presentasjon av det unøyaktige målesignalet. I rørledningen vil det være friksjon i mediet og mellom mediet og rørveggen. Før og etter restriksjonen vil det danne seg strømvirvler som medvirker sterkt til friksjonstapet, noe som medfører at vi får et trykktap etter restriksjonen. Trykktapet vil variere avhengig av hvordan restriksjonen er utformet. Måleelementene som brukes for å måle gjennomstrømning med trykkfall, er beregnet for en bestemt gasstilstand. Gjør vi målingene ved en annen gasstilstand, blir de gale. For å korrigere denne feilen må vi kompensere for avviket. Det kan gjøres i regneenheter som tilføres målesignalene både fra gjennomstrømningen, trykket og temperaturen. Densiteten kan også måles direkte. 4-20 mA - et mål for mengden i Nm3/h

Figur 2.50 Eksempel på korrigering av gjennomstrømningsmåling

53 Måleblende (måleskive) Den billigste, enkleste og mest brukte restriksjonen for måling av gjennomstrømning er måleskiven.

Figur 2.51 Måleskive Måleskiven gir relativt god målenøyaktighet, den er lett å montere mellom to flenser, og måleuttakene kan være plassert i selve skiven. Ulemper med måleskiven er at den gir et forholdsvis stort varig trykktap, den har lett for å samle urenheter, og den skarpe kanten i innløpet kan lett bli skadet eller slitt av partikler i mediet. Den kan også være utsatt for groing i måleuttakene. Den egner seg lite for måling i rør med diameter mindre enn 50 mm.

Montering av restriksjoner og omformere Hvor nøyaktige målingene skal bli, er avhengig av hvordan vi plasserer restriksjonen i rørled­ ningen, og hvordan vi plasserer måleomformeren i forhold til restriksjonen. Restriksjonen må plasseres i et rett rørstrekk, og den må sentreres nøye i flensene. Det samme gjelder pakningene, slik at ingen del av pakningene stikker inn i røret. Som regel er det tilstrekkelig med et rett rørstrekk på 15 ganger rørdiameteren før restriksjo­ nen og 5 ganger rørdiameteren etter. Dersom det ikke lar seg gjøre, kan det monteres inn en strømretter før restriksjonen. Restriksjonen må plasseres på et sted der det ikke er pulsering i mediet, og rørtverrsnittet må alltid være fullt. En god løsning kan være å montere restriksjonen inn i en vertikal del av rør­ ledningen.

54 Plassering av omformere Signalene fra måleskivene måles som regel med måleomformere. For å unngå skade på mem­ branene og for å sikre riktige målinger er det viktig at omformerne plasseres riktig i forhold til restriksjonen.

Figur 2.52 Plassering av omformere i forhold til restriksjonen Når vi måler gjennomstrømning av væsker, må vi sørge for at væsken alltid fyller måleledningene. For å sikre dette plasserer vi omformeren lavere enn restriksjonen, og det må være fall i måleledningene mot omformeren, slik at eventuell gass kan finne avløp oppover. Når det er gasser som skal måles, plasserer vi omformeren over restriksjonen, slik at even­ tuelt kondensat kan renne tilbake til prosessledningen. Damp er vann i gassform og vil kondensere i relativt store mengder. Derfor plasserer vi omformeren på samme måte som for væsker og sørger for at måleledningene er helt fylt med vann før vi setter prosesstrykket på. Kondenseringen av dampen sørger for at måleledningene holdes fylt med vann. Det overflødige kondensatet renner tilbake til prosessledningen. For å sikre god kondensasjon og fri strømning av damp bør vi benytte relativt store dimen­ sjoner på rør og ventiler i måleopplegget.

Rotameter Rotameteret brukes mye til å måle gjennomstrømning av gasser og væsker. Det har en enkel konstruksjon, som består av et vertikalt, konisk målerør der det er plassert en flyter. I den enkleste formen er målerøret gjennomsiktig, og det kobles til rørledningen der mediet skal måles, med flenser eller med slangestusser slik at det utgjør en del av denne.

Figur 2.53 Snitt av et rotameter

55 Mediet går gjennom rorameteret nedenfra og opp. Gjennomstrømningen løfter flyteren opp i røret, der den inntar en posisjon som er avhengig av strømningens størrelse. I denne stillingen er det likevekt mellom flyterens masse og de oppadrettede kreftene som oppstår når mediet passerer den ringformede åpningen rundt flyteren. Rotameteret er basert på trykkfall på samme måte som måleskiven. I dette tilfellet er trykk­ fallet konstant, men fordi målerøret er konisk, varierer arealet. Vi leser av mengden på den skarpeste kanten på flyteren, mot en skala som er gravert inn i rørveggen. Det enkleste rotameteret kan brukes til direkte avlesning, men det kan også være måleelement i en omformer. Da lages røret som regel i stål, og flyterens stilling overføres til utsiden av røret. Dette kan gjøres på flere måter. En vanlig metode er at flyteren er magnetisk, og påvirker et måleverk på utsiden.

2.5 Turtallsmåling Måling av turtall vil for eksempel si å måle hvor mange omdreininger akselen på en motor gjør i løpet av et tidsrom. Tidsrommet som vanligvis brukes, er minutter. Enheten for omdreiningstallet blir derfor omdreininger per minutt (r/min). I engelske beskrivelser vil vi kunne se betegnelsen rpm. Det betyr revolutions per minute og er den samme enheten som den norske. For å måle omdreiningstallet kan vi bruke flere metoder. Vi har allerede nevnt noen metoder i forbindelse med overføringene av rotasjonene i mengdemålerne, men uten å forklare nærmere hvordan dette fungerer. Et område der vi benytter måling av omdreiningstall, er i overføringene i instrumentene. Et annet område er måling av turtallet på motorer. Vi skal ta for oss to metoder for måling av turtall. Begge metodene benyttes mest for stasjon­ ære målinger. Det vil si at måleutstyret er montert fast på det utstyret der målingen utføres.

2.5.1 Takogenerator En takogenerator kan vi sammenligne med en sykkeldynamo. Når dynamoen trekkes rundt av sykkelhjulet, oppstår det en spenning. Denne spenningen forandrer seg når hastigheten på hju­ let forandres. Det kan vi se fordi lyset i lykten blir sterkere og svakere etter som hastigheten øker eller minker. Spenningen fra dynamoen varierer i takt med hjulets hastighet. En takogenerator virker på samme måte, men den er konstruert slik at spenningen er lineær i forhold til hastigheten den roterer med. I stedet for å la spenningen fra generatoren drive en strøm gjennom en lampe, leser vi den av på et voltmeter. Dette kan vi gradere i omdreininger per minutt (r/min) og lese turtallet av direkte på skalaen. Generatoren kan for eksempel være konstruert for et område fra 0 til 1000 omdreininger, med en spenning som varierer fra 0 til 10 V. Kobles den til en hjelpemotor som går med 600 r/min, vil vi ha 6 V når motoren har riktig turtall.

Figur 2.54 Takogenerator

56 Takogeneratorene kan kobles direkte til akselen på motoren vi måler på, eller den kan drives med reimdrift. Med reimdrift vil vi få en utveksling, slik at generatorens turtall ikke er det samme som motorens. Det må vi ta hensyn til ved monteringen. Overføringen kan også være et svakt punkt i overvåkingen av hjelpemotorene. Dersom reima slurer eller slites av, får vi feil og dermed stopp i hjelpemotoren.

2.5.2 Elektromagnetisk omdreiningsmåler En annen måte å måle turtall på er å telle pulser per tidsrom. Pulsene kan vi få fra det utstyret som vi måler på. Når vi bruker denne metoden, bruker vi et elektromagnetisk måleelement som plukker opp pulser. Elementet består av en jernfylt spole som er plassert nær akselen eller hju­ let vi måler på. Akselen eller hjulet må være av et magnetisk materiale.

Figur 2.55 Prinsippet for en elektromagnetisk omdreiningsmåler Hver gang det blir en forandring i avstanden til det magnetiske materialet, blir det indusert en strøm i spolen, og vi får en puls. Pulsene kan vi føre til en omformer og gjøre dem om til et strømsignal, eller de kan telles og indikeres av digitalt utstyr.

Figur 2.56 Måling av omdreiningshastighet Det er flere måter å variere avstanden til måleobjektet på. I noen tilfeller er det mulig å måle direkte på et tannhjul. Hver tann vil gi en strømpuls. Skal vi måle omdreiningtallet til en aksel, må vi i mange tilfeller sette på en skive med huller eller faner som vi kan måle mot. Antallet huller eller faner må vi tilpasse slik at antallet pulser passer til mottakeren. Dersom vi ikke gjør det, kan vi risikere at det ikke lar seg gjøre å justere målingen.

57

2.6 Måling av pH og ledningsevne Disse målingene har vi behov for å kjenne til i forbindelse med behandling av kjelevann og i forbindelse med produksjonen av ferskvann om bord. pH-målingene går ut på å måle surheten eller alkaliteten i kjelevannet. Dette er målinger vi som regel gjør med transportabelt utstyr, men i industriell sammenheng er det stasjonært utstyr som er i bruk. Måleprinsippene er de samme, men utformingen av utstyret er noe forskjellig. I løsninger som inneholder vann, er graden av surhet eller alkalitet bestemt av konsentrasjo­ nen av hydrogenioner. Er det overvekt av hydrogenioner, H+, er løsningen sur. Er det derimot overvekt av hydroksidioner, OH-, er løsningen alkalisk (basisk). Når det er likevekt, det vil si like mange hydrogenioner og hydoksidioner, er løsningen nøytral. I rent vann er det likevekt mellom ionene. Produktet av disse ionene er alltid konstant, derfor er det nok at vi måler kon­ sentrasjonen av hydrogenioner for å finne pH-konsentrasjonen i løsningen. Definisjonen av pH: pH er den negative logaritmen til den positive hydrogenionekonsentrasjonen.

Dette kan vi sette opp i følgende tabell: Konsentrasjon av hydrogenion i mol/liter

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

1

w0 4

Sterk syre

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

10‘1 10’2 10’3 10’4 10*5

Syre (surt)

Figur 2.57 Tabell for pH-konsentrasjon

w6 10’7 2L pH 7 (nøytral) 10’8 10’9 10-w Base (alkalisk) 10'11 10'12 10'13 10'14 ▼ Sterk base

58

2.6.1 Måling av pH For å måle pH bruker vi to elektroder som settes ned i væsken. Den ene elektroden er en glasselektrode og den andre en referanseelektrode. Når vi setter elektrodene ned i væsken, dannes det en spenning mellom dem. Spenningen er direkte proporsjonal med konsentrasjonen av hydrogenioner.

Figur 2.58 Glasselektrode og referanseelektrode

Årsaken til at det oppstår en spenning, er at det dannes en elektrolytisk celle mellom elektro­ dene nede i væsken. I denne cellen blir det et elektrisk potensial mellom elektrodene. Spenningen som oppstår, er avhengig av temperaturen. For at målingen skal bli riktig, må vi kompensere for temperaturvariasjonene. I det transportable måleutstyret gjøres det vanligvis manuelt ved å stille inn temperaturen i væsken på et potensiometer. I mer avansert utstyr gjøres det med en temperaturføler som settes ned i væsken sammen med elektrodene. Føleren er koblet til måleren og kompenserer automatisk for temperaturvariasjonene. Som temperaturfø­ ler brukes ofte et PT-100-element. Glasselektroden er et utsatt element. Den ytterste tuppen må ikke berøres med fingrene. Den består av en tynn membran som er perforert med huller som har en diameter som bare slipper igjennom H+-ionene. Rommet innenfor membranen er fylt med en løsning med pH 7. Dette rommet har ingen luftehull eller påfyllingsmulighet. Inne i glasselektroden er det også en kalomelelektrode. Når vi setter glasselektroden ned i en væske med pH mindre enn 7, vil det oppstå en potensialforskjell mellom innsiden og utsiden av membranen. Dette er fordi løsningen inne i elektro­ den har et overskudd av H-i-ioner i forhold til væsken utenfor. For å utligne potensialforskjellen vil H-i-ioner vandre inn gjennom glassmembranen. H-t-ionene er ladet, slik at væsken inne i elektroden blir positivt ladet. Plasserer vi elektroden i en væske med pH høyere enn 7, vil det motsatte skje. Væsken inne i elektroden blir altså negativt ladet. Som referanseelektrode er kalomelelektroden den vanligste. Kalomel er en klor-kvikksølvforbindelse. Denne forbindelsen er senket ned i en referansevæske med elektrisk forbindelse til den væsken vi skal måle i.

59 Forbindelsen med væsken vi skal måle, får vi ved at elektroden er fylt med en kaliumkloridløsning, KC1, som lekker ganske lite ut i væsken. Lekkasjen sikrer at ikke noe av målevæsken kommer inn i elektroden. Kalomelet er koblet til den elektriske forbindelsen til måleinstrumen­ tet via en platinatråd, som danner forbindelsen videre. Ved en temperatur på +25 °C får vi et potensial i referanseelektroden på 0,2444 V. Elektrodene kobles til en forsterker og videre til en elektronisk indikator. Vi må bruke spesi­ alkabler med høy isolasjonsmotstand. Det er fordi glasselektroden har en svært høy indre mot­ stand. Den kan variere fra noen hundre megaohm til gigaohmområdet. Derfor er det også nødvendig å benytte instrumentforsterker. For at vi skal få en måling som vi kan stole på, må ledningsisolasjonen være fri for fuktighet og skader. Dersom måleledningen fra glasselektroden blir skadet, kan den ikke brukes. Den kan ikke skiftes, fordi tilkoblingen til glasselektroden er hermetisk lukket. Vi må også sørge for at elektrodene er rene når vi måler. Glasselektrodene er ikke helt like, derfor må pH-forsterkeren justeres dersom elektroden byttes. Denne justeringen kaller vi standardisering av elektroden, og den går ut på å kompen­ sere for asymmetri i elektroden. Måleomformer

Figur 2.59 Oppkobling av pH-målingen

I det transportable måleutstyret blir det ofte brukt kombinasjonselektroder. I disse elektrodene er glasselektroden og referanseelektroden bygd sammen til en enhet.

2.6.2 Ledningevnemåling. Salinometer Denne målingen benytter seg av den evnen ionene har til å lede elektrisk strøm i en væske. Enheten for ledningsevne, G, er Siemens, S. Dette gir oss formelen:

R er den ohmske motstanden. Formelen sier oss derfor at ledningsevne er det motsatte av resistans.

60 For å finne saltinnholdet i ferskvann kan vi måle den ledningsevnen vannet har. Dersom det er salter i vannet, har vi ioner som kan lede strøm. Størrelsen på strømmen er avhengig av hvor mange ioner det er til stede som kan lede strømmen, og spenningen. Den er også avhengig av hvor stort tverrsnitt som leder strømmen. For at målingen skal være entydig, trenger vi en referanse, det vil si en standard for målin­ gen. Denne standarden defineres slik: Ledningsevnen måles mellom to elektroder der arealet er 1 cm2 og avstanden mellom elektro­ dene er 1 cm.

Som vi har sett, er antallet frie ioner i en løsning avhengig av temperaturen. Om temperaturen øker med 1 °C, øker ledningsevnen med 2 prosent. Det er derfor nødvendig å temperaturkompensere målingen. Det kan vi gjøre med et PT-100-element som kobles til måleomformeren. Spenningen som vi bruker til å måle ledningsevnen er vekselspenning. Det er for å motvirke polarisering i væsken. Dette ville kunne påvirke ledningsevnen.

Figur 2.61 Probe for måling av ledningevne

Elektrodene og temperaturføleren kombineres i praksis til en probe. Det er viktig at proben tas ut og rengjøres av og til, fordi det over tid danner seg belegg som vil gi en ekstra resistans og dermed nedsette ledningsevnen. Dette fører til målefeil, og måleresultatet viser et lavere salt­ innhold i ferskvannet enn det som faktisk er til stede.

61 KAPITTEL 3

Omformere Mål: Når du har gjennomgått kapittel 3, skal du • kjenne til enhetssignalene som brukes for overføring av måleverdier og reguleringssignaler • kjenne prinsippene for måle- og signalomformere og kunne koble og kalibrere omformere • kjenne til og kunne anvende instrumentsymboler og koder i P&I-skjemaer • kjenne til de vanligste måtene å presentere måleverdier på • vite hva som menes med målenøyaktighet

3.1 Innledning I moderne anlegg om bord i skip og plattformer blir målingene som gjøres i anlegget, overført til sentrale kontrollrom. Der blir målingene presentert på indikatorer, skrivere eller dataskjer­ mer. Noen signaler går til alarmsystemer og andre til sikringssystemer som foretar automatiske inngrep for å sikre mannskap og utstyr. De verdiene vi måler fra utstyret og prosessene, må altså gjøres om til signaler som kan overføres, og som mottakerne kan forstå. Det krever spesielt måleutstyr som både kan oppfatte prosessverdiene og lage signaler som varierer med prosessverdiene. Utstyret kobles sammen, slik at vi får en målesløyfe som inneholder måleomformer, signaloverføring og mottaker.

Figur 3.1 Målesløyfe

Signalene må kunne overføres over avstander, de må påvirkes lite av forstyrrelser, og de bør være slik at vi ikke er avhengige av spesielle mottakerinstrumenter for hver type måling. Instrumentene er ikke 100 prosent nøyaktige. Det er det umulig å få til. Det vil være unøyak­ tigheter i konstruksjonen, det vil være unøyaktigheter som kommer av slitasje, og instrumen­ tene er utsatt for skiftende temperaturer og andre miljøpåvirkninger. Alt dette resulterer i at vi får målefeil. Disse feilene må vi være oppmerksomme på og prøve å redusere slik at de blir så små som mulig. Når det skal lages skjemaer og tegninger av de anleggene vi skal operere, er det tungvint og nesten umulig å tegne alle instrumentene og signalledningene slik som de ser ut. Det ville i beste fall bli en kjempetegning som det ville være umulig å lese. Derfor er det laget et system med symboler og bokstavkoder som forteller hva som måles, hvor målingene gjøres, og hvor­ dan de anvendes.

62

Figur 3.2 Eksempel på skjema med instrumentsymboler og koder

Disse symbolene og kodene for målinger er standardiserte, og det er også symbolene for signa­ ler. På denne måten er det enkelt å lese en tegning eller et skjema enten det er norsk eller av en annen nasjonalitet.

3.2 Enhetssignaler I et moderne anlegg for styring og overvåking av maskiner og prosesser blir målingene som gjøres i anleggene, overført til et kontrollrom. På denne måten får den som opererer anleggene, bedre oversikt enn om alle målingene måtte leses av lokalt. Med en bedre oversikt over hele anlegget får vi en bedre mulighet til å vurdere den totale tilstanden i anlegget, og det blir lettere å ta de riktige avgjørelsene og gjøre de riktige inngrepene. I de første sentraliserte anleggene var det plassert instrumenter i paneler på sentrale steder i anlegget. Trykkmålingene ble ført i rør fram til instrumentene, som var vanlige manometre for de måleområdene som var aktuelle. Temperaturmålingene var enklere å overføre, fordi dette var elektriske målinger, enten gjort med termoelementer eller motstandstermometre. Disse målingene gav signaler som det var mulig å overføre. Slik fikk man en viss form for sentralise­ ring, men det var ikke tilfredsstillende. Etter hvert ble det konstruert instrumenter som kunne måle prosessverdiene og gjøre dem om til signaler som kunne overføres til sentralt plasserte instrumenter. Dette var måleomformerne. I de første omformerne var signalene som ble sendt ut, trykkluft som varierte proporsjo­ nalt med prosessverdien. Vi kaller disse instrumentene pneumatiske. Overføringen av signaler er enkel og blir gjort med tynne rør og slanger. Et slikt anlegg er enkelt å vedlikeholde. Men kravene til luftkvaliteten er høy. I instrumen­ tene er det små dyser og restriksjoner som luften passerer, og disse blir lett tettet dersom det er forurensninger i luften. Overføringer som skjer i friluft, kan være utsatt for frysing dersom det er fuktighet i luften. For å unngå disse problemene, må luften som skal brukes til instrumentene, renses og tørkes spesielt. I større anlegg er det som regel spesielle kompressorer som sørger for instrumentluften.

63 Siden, når transistorene ble tatt i bruk, kom det også omformere som benyttet seg av elek­ triske signaler til overføringen av prosessverdier. Disse signalene overføres i kabler, og signa­ lene fra mange prosessverdier kan føres i hver sine ledere i den samme kabelen. På denne måten blir installasjonen enklere, samtidig som den plassen som kreves, er mindre enn for pneumatiske installasjoner. Elektriske signaler har ikke de samme svakhetene som de pneuma­ tiske. Derimot kan de være utsatt for påvirkninger av elektromagnetiske felter dersom kablene føres nær store elektriske motorer eller ligger for nær kabler som fører store energimengder. Elektriske signaler kan overføres mye hurtigere og over større distanser enn pneumatiske. De egner seg derfor godt til signaloverføring i friluft, og der avstandene er store. I forbindelse med dataassistert styring og kontroll er det nesten utelukkende elektrisk signaloverføring som benyttes. Til å begynne med hadde hver instrumentprodusent sin egen standard for de signalene som ble brukt i overføringen. Dette skapte problemer, fordi det mange ganger var ønskelig å bruke en måleomformer fra én leverandør og en indikator eller regulator fra en annen. Derfor ble det etter hvert innført standarder for signalene som skulle brukes. Man kom fram til standardsignalene, det vi kaller enhetssignalene. For pneumatiske instrumenter er enhetssignalene

0,2-1,0 bar eller 3-15 psi

3-15 psi tilsvarer 0,2-1,0 bar, men målenheten psi er den som oftest benyttes for amerikanske og engelske instrumenter.

Figur 3.3 Kurven for det pneumatiske enhetssignalet De elektriske enhetssignalene er:

Strøm:

4-20 mA 0-20 mA

Spenning:

0-10 V 1-5 V

64 Standardiseringen av elektriske signaler inneholder flere signalområder, og det skilles mellom strøm- og spenningssignaler. Dette henger sammen med hvordan instrumentene er bygd opp, og de måleelementene som er brukt. I de fleste tilfellene foretrekkes enhetssignalet 4-20 mA dersom det er mulig.

Figur 3.4 Kurver for elektriske enhetssignaler Enkelte leverandører har gjort det mulig å rette opp noen av de ulempene det er med flere enhetssignaler, og har bygd inn komponenter i instrumentene som gjør det mulig å koble om til andre områder. De pneumatiske og elektriske enhetssignalene er analoge. Dette går fint så lenge vi har et anlegg som er bygd opp med vanlige, konvensjonelle instrumenter. Dersom signalene skal bru­ kes i et datastyrt anlegg, får vi problemer. I datamaskiner benyttes det digitale signaler, som er spennings- eller strømpulser som veksler mellom lav og høy verdi. I stedet for en overføring der signalet hele tiden varierer med prosessverdien, overføres verdiene digitalt ved at det sen­ des et signal som består av et bestemt antall plasser eller biter. Signalene kan sendes når maski­ nen ber om det, eller for eksempel ti ganger i sekundet. Prosessverdien angis med kombinasjonen av puls eller ikke puls i hver bit. Systemene som denne formen for overføringer arbeider etter, kalles protokoller og kan være flere forskjellige. Når vi skal bruke analoge sig­ naler i datastyrte systemer, omformer vi dem til digitale signaler. Dette gjøres med analogdigital-omformere, AD-omformere.

Figur 3.5 Digitalt overføringssignal I tillegg til de signalene som overfører prosessverdier, finnes det også mange andre signaler som er digitale. Dette er signaler som blir slått av og på av signalgivere, for eksempel trykkbrytere og temperaturbrytere. Vi kan ikke bruke disse signalene for å overføre måleverdier, men til å varsle om at prosessen har gått over eller under grenser som er satt. Det kan for eksempel være at smøreoljetrykket har blitt for lavt, eller at nivået i en tank har kommet under minimum.

65

3.3 Måleomformere De aller fleste målinger vi gjør i prosessen, blir overført til et sentralt kontrollrom langt unna målestedet. For å få til dette trenger vi utstyr som kan omforme måleverdien til et signal som kan overføres. Instrumentene som skal omforme måleverdiene, arbeider etter det samme grunnprinsippet, kraftbalanseprinsippet. Vi kan si at instrumentene er delt i to hoveddeler: en måledel og en omformerdel. Mellom disse hoveddelene er det en overføring. Den kan enten være elektrisk, eller mekanisk. Hele instrumentet kalles en omformer eller, på engelsk, transmitter.

Måleverdi

Figur 3.6 Blokkskjema som viser en omformer Måledelen inneholder et av de måleelementene som tidligere er gjennomgått, slik at denne delen er tilpasningen til det som skal måles. I de fleste omformere gir måleelementet en bevegelse som overføres til omformerdelen av den mekaniske overføringen. Omformerdelen kan være enten pneumatisk med plate-/dyse (engelsk flapper/nozzle) eller elektrisk med elektromagnetisk påvisning av bevegelsen. I enkelte målesystemer er det en elektrisk størrelse som forandres og overføres til en forsterker. Omformere deles gjerne i to grupper: måleomformere, transmittere, som gjør en måleverdi om til et enhetssignal, og signalomformere, konvertere, som gjør om fra ett enhetssignal til et annet, for eksempel fra pneumatisk til elektrisk. Måleomformerne har måledel som er tilpasset den prosesstørrelsen som skal måles. Prosesstørrelsen kan være trykk, temperatur, mengde og så videre. Omformerdelen er som regel i prinsippet den samme for alle omformerne.

3.3.1 Måleomformere med pneumatisk utgangssignal Når vi skal forklare hvordan en omformer fungerer, er det enklest å ta utgangspunkt i en pneu­ matisk omformer. Her er alle delene mekaniske, og det er greit å se hvordan omformeren arbei­ der. I en elektrisk omformer finner vi de samme funksjonene, slik at det er enkelt å forstå hvordan den virker når vi kjenner den mekaniske omformeren. Figur 3.7 viser en pneumatisk måleomformer for differansetrykk. Måledelen består av en membran. De to trykkene vi skal måle differansen til, tilføres på hver sin side av membranen, med det største på undersiden. Arealet til membranen er tilpasset det trykkområdet omforme­ ren skal kunne anvendes for. Jo mindre trykkdifferanse som skal måles, jo større areal, slik at kraften vi får fra måledelen, ligger innenfor det området som omformeren kan kalibreres for.

F = p-A Omformerdelen består av en plate-/dyseenhet, og forbindelsen mellom måledelen og omfor­ merdelen er en bjelke som i den ene enden er festet til membranen, og i den andre ender i plateelementet. Bjelken utgjør den mekaniske overføringen av bevegelsen som membranen gir.

66

Omformingen foregår ved at den bevegelsen som blir overført, forandrer avstanden mellom platen og dysen. På den måten blir luftgjennomstrømningen gjennom dysen forandret. Signalet som omformeren sender ut, er det trykket som er i dysesystemet. På grunn av trykkforandringene som oppstår når gjennomstrømningen forandres, blir utgangstrykket fra omformeren for­ andret.

Utgående signal

Bevegelse

Figur 3.8 Plate-/dysesystemet

Når vi forandrer luftgjennomstrømningen i dysen, betyr det at lufthastigheten forandres, og det statiske trykket i dysen forandres. Det kommer av at det er satt inn en kraftig restriksjon i tilførselsluften. Dette er det samme prinsippet som vi bruker når vi skal måle gjennomstrømning med måleblende.

Bevegelsen av platen som skal til for å forandre trykket i dysen fra det laveste til det høyeste, er bare 0,02 mm. Dette betyr i praksis at vi må behandle plate-/dysesystemet svært forsiktig dersom vi ikke skal ødelegge justeringen.

Platens avstand s fra dysen i mm

Figur 3.9 Kurve for dysetrykk og platebevegelse Omformeren arbeider etter kraftbalanseprinsippet. Det vil si at kraften på membranen multipli­ sert med momentarmen på målesiden av dreiepunktet balanserer med kraften fra tilbakeføringsbelgen multiplisert med den forlengede momentarmen på omformersiden. Se figur 3.7. Når vi setter på et differansetrykk, vil dette skje: Membranen vil bøye seg litt oppover, og bjelken tipper opp i denne enden og ned mot dysen i den andre. Da øker trykket i dysen fordi gjennomstrømningen blir mindre når åpningen snev­ res inn. Når trykket i dysen øker, øker også trykket i tilbakeføringsbelgen og samtidig utgangstrykket. Fordi trykket øker i tilbakeføringsbelgen, vil kraften fra belgen øke og løfte platen litt opp fra dysen. Da faller trykket i dysen igjen, og kraften fra belgen avtar. Dermed beveges platen nærmere dysen, trykket øker, og belgen løfter igjen platen. Slik svinger omformeren seg inn på den nye måleverdien.

Prosessverdi (PV) (inngang

Figur 3.10 Utgangstrykk som funksjon av prosessverdien

68 Det er altså trykket i tilbakeføringsbelgen som kompenserer for den bevegelsen som overføres fra måleelementet, som i dette tilfellet er en membran. Trykket i belgen blir automatisk regulert av bevegelsen fra måleelementet. Dette prinsippet benytter vi i alle former for mekaniske omformere. I elektriske omformere er det andre komponenter som brukes i omformerdelen, men de utfører de samme funksjonene. En mekanisk omformer som skiller seg noe ut, er Foxboros pneumatiske temperaturomformer.

Figur 3.11 Foxboros pneumatiske temperaturomformer

Forandringer i temperaturen i det gassfylte følerelementet fører til at trykket i elementet foran­ dres, og kraften som påvirker bjelken i omformeren, vil også forandres. Dermed blir åpningen mellom platen og dysen i den andre enden av bjelken større eller mindre. Det fører til at trykket i dysen endrer seg til det trykket som er nødvendig for å opprettholde kraftbalansen og dermed utgangstrykket. Måleområdet til omformeren bestemmes av fjærsystemet som på figur 3.11 er kalt base elevation spring. Ved å skifte ut fjærsystemet kan vi få et måleområde som er 50 °C, 100 °C og så

69 videre. Dette måleområdet kan plasseres hvor som helst innenfor det området som følerelementet er beregnet for. Det kan også skiftes ut, slik at det totale området omformeren kan bru­ kes i, kan forandres. I tillegg er omformeren forsynt med en kompensasjonsbelg. Belgen skal motvirke forandrin­ ger i omformerens omgivelsestemperatur. Dersom det er forandringer i omgivelsestemperaturen, vil det påvirke trykkmåleelementet i temperaturføleren, og vi får feilmålinger. Kompensasjonsbelgen må også skiftes ut dersom måleelementet skiftes. Kalibreringen av denne omformeren gjøres ved å stille inn omformerens område slik at utgangssignelet er 0,2 bar ved den laveste temperaturen i det området vi ønsker å måle. Omfor­ merens område er bestemt av fjæren, og det kan bare finjusteres noe ved at vi løsner på festeskruen til tilbakeføringsbelgen og dreier den noen grader. Det vil forandre belgens anleggspunkt mot balansebjelken, slik at vi forandrer momentarmen ganske lite.

Mengdeforsterker Signalet som går ut fra de pneumatiske omformerne, skal ofte fylle et betydelig volum fordi overføringene kan være forholdsvis lange. Derfor kan det ta lang tid før forandringene i platedysesystemet blir registrert i målesløyfen. Årsaken til dette er at all luften som skal opparbeide trykket i systemet, må passere den faste restriksjonen i omformeren. Det motsatte er tilfellet når trykket i systemet skal forandres til et lavere trykk. Da må all luften som skal ut av syste­ met, luftes ut gjennom dysen. Dette er forhold som vi ikke ønsker. Målingen blir treg, og vi er ikke i stand til å registrere raske forandringer. For å unngå disse problemene lar vi trykket i dysen styre en mengdeforsterker. Mengdeforsterkeren er koblet inn i systemet slik at den sender ut målesignaler med samme trykk som vi har i dysen, men med større kapasitet i luftmengden. På denne måten øker reaksjonshastigheten i sløyfen.

Figur 3.12 Plate- dyse med mengdeforsterker Når vi bruker en mengdeforsterker for utgangssignalet fra omformeren, lar vi trykket som er i dysen, påvirke oversiden på en membran. Membranen opererer en ventil som leder luft fra omformerens tilførsel direkte ut på signalutgangen, samtidig som den stenger for eksos fra signalledningen. I det øyeblikket trykket i overføringsledningen er det samme som trykket fra dysen, lukker ventilen, fordi fjærkraften og kraften fra trykket i ledningen vil utbalanseres. Ved fallende trykk i dysen vil trykket i ledningen, sammen med kraften fra fjæren, åpne eksosventilen samtidig som tilførselen stenges. Da blir luft ledet fra overføringsledningen,

70 gjennom eksosventilen og til friluft. Det luftes ut til trykket i ledningen er det samme som dysetrykket, og ventilen stenges. Denne vekslingen skjer hele tiden, slik at mengdeforsterkeren på en måte «ligger og føler» på trykket fra dysen og trykket i ledningen.

Figur 3.13 Mengdeforsterker type Foxboro Luften som sendes ut på signalledningen, tas ut fra tilførselen før den faste restriksjonen og har derfor større kapasitet. Dette gir oss igjen en bedre reaksjonshastighet i målesløyfen.

3.3.2 Måleomformere med elektrisk utgangssignal En måleomformer med elektrisk utgangssignal kan være basert på flere måleprinsipp. Måleprinsippet er avhengig av hva slags prosessverdi som skal omformes. Omformerne kan ha utgangspunkt i et av de mekaniske måleprinsippene vi har beskrevet tidligere, eller det kan være påvirkninger som forandrer en elektrisk balanse. Et av disse måleprinsippene har vi sett på tidligere, forandring av kapasitans. For målinger som baserer seg på trykkforandringer, skal vi ta for oss to konstruksjoner. Begge konstruksjonene er omformere for differansetrykk, men de viser hvordan omformerne i prinsipp er bygd opp. Denne konstruksjonen har beholdt det mekaniske måleelementet, men i omformingen benyttes det en induktiv detektor. På figuren er omformerprinsippet brukt i en omformer for differanse­ trykk. Her kobles de to trykkene som skal måles, til hver sin side av belgen. Differansetrykket gir en kraft på overføringsbjelken. Denne kraften blir balansert med kraf­ ten som oppstår i tilbakeføringgsspolen. Kraften i tilbakeføringsspolen kommer av at bjelkens bevegelse påvirker detektoren ved at

71

Figur 3.14 Elektrisk måleomformer for differansetrykk (Foxboro) ankeret til spolene beveges nærmere eller lenger fra, på samme måte som med plate- dyse-systemet. Når ankeret forandrer avstand til detektorspolene, endres induktansen i spolene, og der­ med også den strømmen som går i spolene. Forandringen i spolestrømmen blir registrert av en forsterker, som gir ut en strøm som varie­ rer mellom 4 og 20 mA til tilbakeføringsspolene. Tilbakeføringsspolene er koblet i serie med den utvendige sløyfen, slik at strømmen også går gjennom mottakerinstrumentene.

Figur 3.15 Utgangssignal som funksjon av prosessverdi

72 Et annet måleprinsipp som benyttes i omformere med elektrisk utgangssignal, er forandring i kapasitans. Disse omformerne er også bygd opp med en membran som trykkmåleelement, men membranens bevegelse, som er avhengig av den kraften som påvirker den, detekteres ved at den elektriske kapasitansen forandres. Måleomformer

Måleelement basert på kapasitans

Ci

c2

Utgang

4-20 mA

Figur 3.16 Måleomformer med kapasitivt måleelement

Måleomformeren består av en måledel der membranen er plassert. Trykkene som skal måles, kobles til hver sin side av membranen.

Figur 3.17 Målecelle for kapasitiv differansetrykkmåling Membranen som måler trykket, er plassert inne i et lukket rom. Rommet er fylt med en olje og har en membran som skiller det fra prosessmediet. Hele denne enheten danner en målecelle, der målemembranen og veggene i rommet der den er plassert, fungerer som en kondensator. Trykket som virker på denne membranen, overføres av oljen til målemembranen. Bevegel­ sen som oppstår, er maksimalt 0,1 mm. Denne bevegelsen fører til at kapasitansen på den siden som blir presset nærmere veggen, øker, mens kapasitansen på den andre siden avtar. Målecellen får tilført en vekselspenning fra oscillatoren, og det går en strøm i kondensato­ ren. Når vi forandrer forholdet mellom kapasitansene, blir strømmene som går i kondensato­ ren, forskjellige. Denne differansen er et mål for differansetrykket.

73 Strømdifferansen blir omformet til en spenning. Denne spenningen forsterkes og gir et signal på 4-20 mA ut på utgangen. Justeringen av omformerens nullpunkt og område gjøres med potensiometre i forsterkeren. Her finner vi i enkelte typer også en vender for å undertrykke eller heve omformerens null­ punkt. Enkelte omformere har også muligheter til å koble om mellom 4-20 mA og 10-50 mA utgangssignal. Når vi skal omforme et elektrisk målesignal, for eksempel signalet fra et termoelement, må vi benytte oss av andre metoder enn dem vi har sett på til nå.

Figur 3.18 Termoelement med måleomformer Termoelementet brukes sammen med en elektronisk forsterker. I forsterkeren justeres null­ punkt og område med hvert sitt potensiometer. Forsterkeren inneholder også en elektronisk kompensering for temperaturvariasjoner i kaldpunktet. En type omformere plasseres i termoelementes koblingshode, slik at termoelement og omformer blir en sammenbygd enhet med utgangssignal i form av et 4-20 mA strømsignal. Kabelen til denne målingen er derfor en vanlig signalkabel. Når omformeren ikke plasseres i termoelementets koblingshode, men i et skap eller rack i et koblingsrom, må vi bruke en kompensasjonskabel mellom termoelementet og omformeren.

Figur 3.19 Måleomformer for separat plassering

74 I likhet med termoelementet kan vi plassere måleomformeren i koblingshodet til temperaturføleren når vi benytter motstandstermometer til målingen. Målingen kan også monteres separat, med en kabelforbindelse mellom motstandstermometret og omformeren. Denne omformeren består av en Wheatstone-målebru og en forsterker. Motstandstermometret kobles inn i brua, og utgjør en av grenene.

Når temperaturen i motstandstermometeret forandres, blir resistansen forandret. Det fører til en skjevhet i målebrua, og det oppstår et spenningspotensial mellom punktene A og B. Denne spenningen føres til en måleforsterker og blir omformet til et 4-20 mA-utgangssignal. I måle­ forsterkeren finner vi også justeringer for kalibrering av nullpunkt og måleområde.

3.4 Signalomformere Signalomformerne er konstruert for å omforme fra ett enhets- eller standardsignal til et annet. For eksempel omformer de fra et pneumatisk signal (0,2-1,0 bar) til et elektrisk signal (4-20 mA). I prinsippet er de bygd opp på samme måte som måleomformerne, men disse har faste måleområder.

De vanligste typene av signalomformere er • strøm til trykk I/P • trykk til strøm P/I AD • analog til digital DA • digital til analog

I tillegg til disse signalomformerne kan vi ofte støte på andre spesielle typer, men de vil også i prinsippet fungere som de omformerne vi har behandlet. Signalomformerne brukes når vi i et anlegg opererer med en type enhetssignaler, men må til­

75 passe signalene til spesielt utstyr i måle- eller reguleringssløyfen. For eksempel brukes de når vi skal styre en pneumatisk membranventil eller en sylinder, og det utstyret vi benytter til måling og som regulator, er elektrisk. Da må vi omforme enhetssignalet som skal styre, fra et elektrisk signal som kommer fra regulatoren, og til et pneumatisk signal som kan operere ven­ tilen eller sylinderen.

Figur 3.21 Blokkskjema for en regulering

3.4.1 Omformer for trykk til strøm Disse omformerne er rene trykkomformere med elektrisk utgangssignal. I mange tilfeller bru­ kes vanlige omformere for differansetrykk. Det er fordi de som regel har et måleområde som omfatter det trykkområdet som enhetssignalet ligger innefor, 0,2-1,0 bar. En annen årsak er at det kan forenkle lageret av reservedeler. Inngangssignalet til omformeren er 0,2-1,0 bar. Utgangssignalet er 4-20 mA eller eventuelt 0-20 mA. Omformerens karakteristikk vil se ut som på kurven i diagrammet.

0,2

°-6

1,0

Figur 3.22 Karakteristikk for en trykk til strøm-omformer. Kurve A er 4-20 mA og B er 0-20 mA

76

3.4.2 Omformer for strøm til trykk En omformer som skal gjøre om et strømsignal, må ha et måleelement som kan måle strømmen som går i målesløyfen. Måleelementet som ofte benyttes, består av en spole som er plassert nede i en permanent magnet. Spolen er festet til den ene enden av en overføringsbjelke. I den andre enden finner vi et plate-/dysesystem og en tilbakeføringsbelg.

Overføringsbjelken er opplagret i et punkt mellom spolen og plate-/dysesystemet. Utgangssignalet er et pneumatisk signal, og det tilsvarer trykket i dysen og tilbakeføringsbelgen. Strømmen som skal måles, blir tilført spolen, og det oppstår et elektromagnetisk kraftfelt som forsøker å skyve spolen ut av det magnetiske kraftfeltet. Denne bevegelsen overføres via bjelken til plate-/dysesystemet. Platen vil beveges nærmere dysen, slik at gjennomstrømningen blir mindre, og trykket stiger. Dette trykket er koblet til tilbakeføringsbelgen. Når trykket stiger i belgen, vil den presse bjelken oppover. Da vil platen beveges fra dysen, gjennomstrømningen øker og trykket faller. Dette fører til at trykket i belgen faller, platen kommer igjen nærmere dysen, og trykket stiger. På denne måten finner omformeren et balansepunkt mellom de kreftene som virker på måleele­ mentet og tilbakeføringsbelgen. Utgangstrykket fra omformeren er proporsjonalt med strømmen i måleelementet.

Figur 3.24 Karakteristikk for en strøm til trykk-omformer (I/P)

77

3.4.3 Omformere for analog til digital og digital til analog Disse omformerne brukes i forbindelse med datastyring. Dataanlegget arbeider med digitale signaler. De enhetssignalene vi benytter oss av, er analoge, og de må derfor omformes til et sig­ nal som dataanlegget kan ta imot. På samme måte må de signalene som dataanlegget sender ut, omformes slik at de kan forstås av utstyret som skal opereres i anlegget. Omformerne som omformer de analoge signalene fra måleomformerne til digitale signaler, kalles analog-digital-omformere, eller AD-omformere. Det motsatte er digital-analog-omformere, eller DA-omformere. AD- og DA-omformerne er elektroniske omformere. De kan være bygd i enheter som inne­ holder flere omformere. Omformerne er adresserbare, det vil si at de har hvert sitt adressenummer. Alle omformerne kan være koblet til den samme overføringslinjen. Denne kaller vi en buss.

Figur 3.25 Buss

Datamaskinen leser inn måleverdiene én etter én. Det kan gjøres enten ved at omformerne kal­ les opp med sin adresse, eller ved at at omformerne kobler seg inn på den felles linjen. I det signalet som sendes, finner vi adressenummer og måleverdi. På denne måten kan datamaskinen holde rede på hvilke målepunkter som leses.

3.5 Kobling av omformere Omformernes oppgave er å gjøre om et hvilket som helst prosessignal til et enhetssignal og sende dette til et mottakerinstrument. For at omformeren skal kunne sende ut et signal, enten det er pneumatisk eller elektrisk, må den tilføres energi som kan omformes til et utgangssignal. Omformeren trenger også energi for å kunne drives. Så lenge vi opererer med pneumatiske omformere, er dette enkelt. Disse omformerne drives med luft, som kan tilføres via en slange eller et rør. Kravet til luften er at den er tørr og ren, og at den har det trykket som omformeren skal ha. Trykket er standardisert og skal være 1,4 bar, eller 20 psi. Omformerens utgangssignal sendes i en slange eller et rør til mottakeren. Dersom det er flere instrumenter som skal ha dette signalet, kobles de til den samme slangen eller røret. Disse instrumentene vil ikke belaste signalet. I signalsløyfen er det ingen lufttransport. I mottakerinstrumentene er det et trykkmåleelement som blir påvirket. Trykkmåleelementet består som regel av belger for å få så stor bevegelse som mulig.

I mange tilfeller legges det opp tilførselsluft til sentrale steder ute i anlegget. For å sikre at tryk­ ket i tilførselsluften til enhver tid er riktig, har denne luften som regel et høyere trykk. Trykket blir redusert med en reduksjonsventil og koblet til en manifold, eller en fordeler, med flere uttak. På denne måten unngår vi også å ha egne tilførselsledninger fra kontrollrommet og ut til omformerne. De elektriske omformerne må i likhet med de pneumatiske ha tilført energi. Energien skal

78

Figur 3.26 Kobling av en pneumatisk omformer

både drive omformeren og utgangssignalet. Forskjellen her er at de elektriske omformerne kan ha flere enhetssignaler, både strømsignaler og spenningssignaler. Vi har signaler som er 1-5 V, 0-10 V, 0-20 mA og 4-20 mA. Dette krever forskjellige typer koblinger. Omformere som bruker strøm som enhetssignal, kan enten kobles med tolederkobling eller firelederkobling. Dette er avhengig av hvordan omformeren får tilført sin energi. I tolederkoblingen tilføres energien på de samme lederne som signalet. Enhetssignalet fra denne omformeren er 4-20 mA. Den strømmen som driver elektronikken i omformeren, ligger innenfor de 4 mA som enhetssignalet ikke benytter.

Figur 3.27 Omformer med tolederkobling

Kraftforsyning

Hele målesløyfen er seriekoblet, og både omformeren og spenningsforsyningen inngår som en del av seriekoblingen. Når vi benytter firelederkobling, tilføres omformeren energi med en separat tilførsel, og måleverdien overføres i en egen sløyfe. Signalstørrelsen kan være 0-20 mA eller 0-10 V.

Figur 3.28 Omformer med strømsløyfe, firelederkobling

Hele målesløyfen er seriekoblet. Omformeren leverer strøm til de instrumentene som er tilko­ blet sløyfen. Fordelen med strømsignal i målesløyfen er at det kan kobles inn flere instrumenter i sløyfen. Strømsignalet i målesløyfen er uavhengig av motstanden i kabler og instrumenter inntil en viss

79 grense. Det blir regulert til det nivået som måledelen forlanger. Begrensningen ligger i den spenningen omformeren kan styre ut på målesløyfen. Dette kan vi forklare med Ohms lov:

I = strømmen i ampere (A) U = spenningen i volt (V) R = resistansen i ohm (Q)

■4-

(Ohms lov)

Dersom R blir for stor, vil U til slutt ikke bli høy nok til å drive den strømmen i kretsen som målingen tilsier. En ulempe er at dersom det oppstår en feil i instrumenter, kabler eller koblingsklemmer som resulterer i brudd, vil hele sløyfen falle ut. Dersom et av instrumentene i sløyfen skal tas ut, må vi kortslutte over rekkeklemmene for instrumentet. Da har vi fortsatt en sluttet sløyfe, og instrumentet kan fjernes uten at det influe­ rer på resten av målesløyfen. Omformere med spenningsutgang må ha en egen tilførsel. De instrumentene som skal motta omformerens utgangssignal, må kobles i parallell. Dette krever at instrumentene har en høy inngangsimpedans, slik at omformerens utgang ikke belastes.

Tilførsel

Figur 3.29 Omformer med spenningsutgang

3.6 Instrumentsymboler og koder Når vi skal tegne måle- og reguleringssløyfene inn i systemtegningene, P&I-skjemaet, kan vi ikke tegne instrumentene og ledningsforbindelsene slik de er. Vi må tegne dem med symboler som kodes. På denne måten får vi en ensartet gjengivelse av instrumenter og funksjoner. Det er en betingelse at symbolene og kodene er standardiserte. Kravene som stilles til de standardi­ serte symbolene og kodene, er at • de skal kreve liten plass på flytskjemaet • de skal være lette å huske

I USA ble det i 1949 laget en nasjonal standard for instrumentering. Den kalles ISA S5.1 og ble etter hvert tatt i bruk internasjonalt, også i Norge. En revidert utgave ble i 1979 vedtatt som internasjonal standard, med betegnelsen ISO 3511-1. Begge standardene er basert på de samme prinsippene, det er bare noen detaljendringer på enkelte av symbolene. Betydningen av enkelte bokstaver er gjort valgfri for å kunne angi spesielle funksjoner. Norsk Standard NS 1438 er en oversettelse av ISO 3511-1. Standarden inneholder symboler for instrumentene og en liste over bokstavkodene som viser hva slags målinger som gjøres, og hvordan målingene blir anvendt. Instrumentsymbolene er bygd opp med et grunnsymbol, en sirkel. I sirkelen fyller vi ut med tegn og bokstavkoder, slik at i et fullstendig utfylt symbol kan vi lese hva slags måling dette er, og hva den brukes til, enten det bare er indikering eller den skal brukes til regulering eller andre oppgaver. Vi finner også en nummerering som forteller oss hvor i anlegget vi kan finne målingen.

80

PIC 1003

Figur 3.30 Instrumentsymbol: a grunnsymbol, b eksempel på utfylt symbol. Streken over sym­ bolet forteller at instrumentet er plassert i et sentralt rom (kontrollrom)

Symbolene for ventiler er bygd opp på samme måte som instrumentsymbolene. Et grunnsym­ bol blir utfylt med symboler for hvordan ventilen opereres.

Figur 3.31 Ventilsymbol: a grunnsymbol, b symbol for ventil med membranmotor

Signalledningene er bygd opp på samme måte som instrumentene og ventilene. Det er ett sym­ bol som danner grunnlaget. Dette symbolet er en tynn strek. På streken setter vi tegn som for­ teller oss om det er en luftledning, det vil si en pneumatisk ledning, eller en elektrisk. I det siste tilfellet sier symbolene ikke noe om det er strøm eller spenning som går i sløyfen. For å navnsette instrumentene benytter vi en kode. Koden skal inneholde de opplysningene vi trenger for å kunne finne instrumentet i anlegget, vi skal kunne se hva slags funksjon instru­ mentet har, og vi skal se hva som måles. Det skal også gå fram av tegningen hvilke andre instrumenter som er knyttet til den samme sløyfen. Koden er bygd opp av bokstaver. Bokstavene som brukes, er stort sett den første bokstaven i det engelske ordet for funksjonen. Bokstavenes rekkefølge har også betydning. Vi skiller mellom første bokstav og etterføl­ gende bokstaver, slik at en bokstav har én betydning når den står som første bokstav, og betyr noe annet når den står lenger ute i rekkefølgen. Bokstaven T betyr for eksempel temperaturmå­ ling når den står som første bokstav. Som andre bokstav betyr den at instrumentet er en omfor­ mer, det vil si en transmitter. Setter vi sammen bokstavene som beskriver et instrument, får vi en bokstavkode. Koden skal skrives inn i symbolet for instrumentet, i den øvre halvdelen. I den nedre halvdelen skal num­ mereringen skrives. Det første sifferet i nummeret forteller hvilken anleggsdel instrumentet til­ hører. De siste angir sløyfenummeret. Bokstavkoden og nummeret danner til sammen en helhet som gir oss de nødvendige opplys­ ningene for å identifisere instrumentet og instrumentets plassering i anlegget. Denne kombina­ sjonen, som består av instrumentets navn, adresse og postnummer, kaller vi et identifikasjons­ nummer (tag-nummer). Identifikasjonsnummeret blir brukt som referanse i tegninger, og det kan brukes til oppkalling av funksjonen i skjermbaserte styringer.

PIC 10003 Figur 3.32 Eksempel på identifikasjonsnummer (tag-nummer)

81 Dette instrumentet er en indikerende regulator som regulerer trykk. Måleomformeren som denne regulatoren får sitt signal fra, vil ha dette identifikasjonsnummeret:

PT 10003 Vi ser at den måler trykk, P, og at det er en omformer, eller transmitter, T. Nummeret er det samme som regulatorens, fordi begge instrumentene er knyttet til den samme sløyfen.

Figur 3.33 Eksempel på koding av instrumenter i P&I

I mange tilfeller er det behov for utfyllende informasjoner til instrumentsymbolet. Det kan være om en alarm skal være høyalarm eller lavalarm. Det kan være at vi ønsker å opplyse om hva slags funksjon en angitt hjelpefunksjon er. Disse opplysningene kan vi skrive oppe til høyre for instrumentsymbolet. Ventilen

Figur 3.34 Utfyllende funksjoner til instrumentsymbolet

82 Tegnsymbolene er hentet fra Norsk Standard NS 1438 (ISO 3511/1) Symboler

Symboler

For flytskjemaer

Ved luftsvikt

Prosessledning

Prosesshjelpeledning Instrument signalledning generelt Instrument signalledning pneumatisk Instrument signalledning elektrisk Instrument signalledning kapillar Instrument signalledning hydraulisk Mekanisk omramming

Instrument montert ved målested Instrument montert på sentralt panel

Instrument montert på lokalt panel

Generelt ventilsymbol normal åpen

Ventil lukker

Ventil åpner

Ventil blir stående

For kretsskjemaer Generelt komponentsymbol med tilkoblinger eller rekkeklemmer etter behov

Generelt komponentsymbol med tilkoblinger eller rekkeklemmer etter behov Generelt komponentsymbol med tilkoblinger eller rekkeklemmer etter behov

Generelt ventilsymbol normalt lukket

Ventil med håndbetjening

Omformer, ventilstiller, forsterker

Ventil med udefinert innstillingsorgan Ventil med membranmotor

Ventil med elektromagnet

Ventil med elektromagnet Ventil med sylinderdrift

Selvvirkende reduksjonsventil

Norsk Standard NS 1438

Figur 3.35 Tegnsymboler for instrumenter i P&I

83 Forkortelse og koder for hjelpefunksjoner ifølge Norsk Standard NS 1438 Første bokstav

Etterfølgende bokstaver

Forkortelser oq koder for hjelpeenheter

Diverse

Symbol

Funksjon

A

Alarm

c = a + b (a-b)

Sum (differnse) av to signaler

B

Tilstandsindikator (0-1)

c = ab (-§-)

Multiplikasjon (divisjon) av to signaler

C

Regulator

Bias

Nullpunktsforskyvning

Prosessvariabel

D

Densitet

E

Alle elektriske størrelser

F

Mengde (per tidsenhet)

G

Dimensjon, posisjon

H

Håndstyring

Tilleggsfunksjon

Differanse Måleelement

f(x)

Tid. programverk

L

Nivå

M

Fuktighet

N

Valgfri

0

Valgfri

1 :1

Effektforsterker (booster)

Indikator

>( 70° C Pex

LEDER F: H: K: R: S: U: W:

Mangetrådet bevegelig kabel Ekstra mangetrådet bevegelig kabel Mangetrådet. Tast installasjon Flertrådet. Rund Flertrådet. Sektorformet Entrådet. Rund Entrådet. Sektorformet

METALLKAPPE

A3: Aliminiumsband C: Konsentrisk kobberskjerm

KAPPEMATERIALE (IKKE METALLISK) B: EPDm-gummi H: Halogentri polyolefin N: Polykloropren (neopren) R: Natur- eller kunstgummi S: Silikongummi T: Tekstilfletting V: PVC

SPESIELL OPPBYGGING H: Flat delbar ledning eller kabel H2: Flat ikke delbar ledning eller kabel

Figur 9.3 CENELEC-systemet

9.2 Kontaktorer I elektroteknikken er det kontaktorene som er hovedkoblingselementet. Kontaktorene kobler den elektriske energien til elektromotorene. Kontaktorene virker i prinsippet på samme måte som releene, som vi har gjennomgått tidligere. Begge er bygd opp med en jernkjerne, et anker, en spole og et kontaktsystem. Det som hovedsakelig skiller releer og kontaktorer, er dimensjo­ nene på kontaktene og kontaktmaterialet. Siden kontaktorene skal koble store strømmer, må kontaktene være grove, og av et materiale som har større slitestyrke enn kontaktene i releet. Dimensjonene kan variere mye. Kontaktorer som skal koble strømmer på opptil 10-15 ampere, behøver ikke å skille seg ut fra releene, mens kontaktorer som skal koble flere hundre ampere, har anselige dimensjoner.

222

Figur 9.4 Forskjellige typer kontaktorer I likhet med releene kan kontaktorene fjernstyres. De har en spole som trekker til kontaktene. Spolen kan være tilført en annen spenning enn den spenningen som kontaktoren kobler til motoren eller energiomformeren. I mange tilfeller er det 400 V som tilføres motoren, mens det er brukt 24 V til styringen.

Figur 9.5 Prinsipptegning av en kontaktor

I kontaktoren finner vi to kontaktsett: hovedkontaktene som kobler hovedstrømmen, det vil si strømmen til motoren, og hjelpekontaktene, som er til bruk for å koble signaler og styrestrøm. På kontaktoren er kontaktene alltid bygd for å gi dobbelt brudd. Hjelpekontakter

Hovedkontakter

Figur 9.6 Koblingsbilde for en kontaktor

223 Når strømmen over hovedkontaktene blir brutt, kan det oppstå en lysbue. Den kan betraktes som en ionisert luftsøyle av elektroner og metallmolekyler, og den har alle de elektriske egen­ skapene som vi finner i en leder. Lysbuens temperatur er betydelig høyere enn smeltepunktet til kontaktene. Derfor er det vik­ tig at den ikke varer for lenge, fordi kontaktmaterialet blir ødelagt. Det er årsaken til at kontak­ tene blir laget med dobbelt brudd for hver pol. Da blir den totale avstanden mellom den faste og den bevegelige kontakten dobbelt så stor, fordi energien må gå over to luftgap. Lysbuen blir på denne måten delt i to, og det blir lettere å slukke den. For å slukke lysbuen er kontaktoren utstyrt med gnistkammer. I en moderne kontaktor er gnistkammeret laget av glassfiberarmert plast med stor motstandskraft mot avbrenning. Når vi får en lysbue mellom kontaktene, vil den varme opp luften inne i kammeret. Den varme luften stiger opp og blir erstattet av kald luft. Den kalde luften kjøler ned lysbuen og er med på å slukke den. Inne i kammeret finner vi også avioniseringslameller av kadmiert stål. På grunn av utformin­ gen av hovedkontaktene vil det elektromagnetiske feltet omkring strømbanene slynge lysbuen ut mot avioniseringslamellene i gnistkammeret. Her blir lysbuen delt i flere deler, og den sluk­ ker når vi får en nullgjennomgang i strømmen.

Figur 9.7 Kontaktor med gnistkammer Ledningene som skal kobles til kontaktene i kontaktoren, kan kobles på forskjellige måter. Det vanligste er å bruke en tilkoblingsklemme med en kravekontakt og en buet fjærskive.

Figur 9.8 Tilkoblingsklemme På figuren kan vi se at denne tilkoblingen gir god kontakt selv om det er ledninger med for­ skjellige tverrsnitt som kobles under den samme fjærskiven.

224 I tillegg til hovedkontaktene har vi også hjelpekontakter på kontaktoren. Hjelpekontaktene skal bare koble styrestrøm eller signaler, og de er derfor ikke utstyrt på samme måte som hovedkontaktene. Hjelpekontaktene kan være arbeidskontakter eller hvilekontakter. På enkelte kontaktorer er det mulig å montere blokker med hjelpekontakter. Disse blokkene kan inneholde vanlige arbeids- og hvilekontakter. De kan også inneholde tidselementer, slik at vi får et tidsrelé i tillegg til hovedkontaktfunksjonen. Merkingen av hjelpekontaktene i kontaktoren følger det samme systemet som vi gjennom­ gikk i forbindelse med releer. Hovedkontaktene merkes noe annerledes. J 1

I 3

I 5

113

. 21

|31 p

A2

Figur 9.9 Symbol og merking av kontaktene i en kontaktor

Vi ser at hovedkontaktene, som er nummerert med 1-2, 3—4 og 5-6, har fått en annen marke­ ring av kontaktpunktet enn hjelpekontaktene. Hjelpekontaktene nummereres på samme måte som releer. Kontaktorenes oppgave er for eksempel å koble hovedstrømmen til motorene. Hovedstrøm­ men kan være av en annen spenning enn spenningen som brukes til styrestrømmen. Hoved­ strømmen har også en helt annen størrelse enn styrestrømmen. Kontaktorene og hjelpereleene plasseres i styreskap sammen med sikringene. Styreskapene kan være plassert på et egnet, sentralt sted i nærheten av det utstyret som skal opereres. Start og stopp av motorene gjøres fra trykknapper som kan være montert i betjeningstablåer ved utsty­ ret, eller de kan være sentralisert i en styrepult, sammen med styringen av flere motorer og andre funksjoner.

225

Figur 9.10 Styreskap og kontaktorstativ, fordeling og betjeningsutstyr

I større prosessanlegg, for eksempel på en produksjonsplattform, holdes ofte disse to funksjo­ nene atskilt. Som regel er det elektrikere som har med hovedstrømmen og driften av motorene, mens styrefunksjonene ofte ligger i automasjonsutstyret. Når anleggene deles slik, plasseres kontaktorene på et eget stativ eller i et eget rom, kontaktorrom, sammen med sikringsutstyret og ofte sammen med transformatorutstyr for andre spenninger. Når styringen av kontaktorene plasseres i et annet rom eller på et annet stativ, føres alle sig­ nalene fra maskinanlegget eller prosessen dit. Det kan for eksempel være forriglingssignaler. Alle har forbindelse med styringen. Her foregår alle funksjonene, og her finner vi alle betingel­ sene for styringen av kontaktorene tilkoblet. Når dette skal tegnes elektrisk, skiller vi mellom tegningen for styringen, styrestrømsskjemaet, og tegningen for hovedstrømmen, hovedstrømsskjemaet. Forbindelsen mellom disse funksjonene markeres bare med merkingen av spolene i skjemaene.

226

Figur 9.12 Eksempel på hovedstrømsskjema

Figur 9.11 Eksempel på styrestrømsskjema

I eksemplet er skjemaene forenklet. -Kl er hjelpereleet og -K2 er kontaktoren. Hjelpereleet styrer kontaktoren via kontakt 1.2. I dette eksemplet er det ikke tatt med noen form for motorvern. Dette kommer vi tilbake til når vi skal gjennomgå denne komponenten. Da kommer vi også fram til eksempler på fullstendige skjemaer. Det er heller ikke tatt med noen form for forriglinger. De ville komme inn i strømveien til hjelpereleet.

227

9.2.1 Maksimalbryter I forbindelse med produksjonen av strøm om bord på skip og offshoreanlegg har vi en spesiell type kontaktorer, maksimalbryteren. Den skal koble spenningen fra generatoren inn på nettet. Den skal også koble ut generatoren for å beskytte den dersom det oppstår kortslutninger i hovedtavlen. Denne bryteren fungerer som en kontaktor, men med et noe annet prinsipp for innkobling og utkobling. Innkoblingen av bryteren foregår ved at en motor spenner opp en fjær som utfører selve innkoblingen. Motoren styres av trykknapper på fronten, eller den kan fjernstyres.

Figur 9.13 Maksimalbrytere Utkoblingen av bryteren skjer ved at et tripprelé løser ut låsemekanismen som holder bryteren innkoblet. Slik oppnår vi raske og kontante inn- og utkoblinger, og vi unngår brenning av kon­ taktene. Trippreleet er koblet til sikrings- og overvåkingssystemet om bord. Bryterne har nullspenningsutløsning og overstrømsutløsning. Dersom en eller begge av disse løser ut, får sikringsanlegget signal.

Bryterne er montert i fronten på hovedtavlen i en egen tavleseksjon, og de kan trekkes ut for å komme til for ettersyn og vedlikehold. Innerst i tavleseksjonen er det tilkoblingskontakter for bryteren. For å unngå at bryteren trekkes ut mens den er innkoblet, er uttrekksmekanismen forriglet med innkoblingsutstyret. Dersom vi forsøker å trekke ut en bryter i drift, vil den løse ut.

228

Figur 9.14 Diagram for maksimalbryteren

9.3 Sikringer I elektriske anlegg kan det oppstå feil. Det kan for eksempel oppstå overbelastning på anlegget, eller det kan oppstå kortslutninger mellom lederne eller mellom ledere og jord. Når det oppstår slike feil, det fare for skader på mennesker og utstyr. Derfor er det nødvendig å sikre anleggene så det ikke oppstår farlige forhold ved slike feil. Vi kan dele inn de feilene som opptrer i ledninger, apparater og motorer, i tre hovedgrupper: • Overbelastning som kommer av at det er tilkoblet utstyr som trekker for mye strøm fra kur­ sen. • Kortslutning som kommer av at det er forbindelse mellom to av fasene i kursen. Denne for­ bindelsen kan komme av at det er direkte forbindelse, for eksempel på grunn av en koblingsfeil. Kortslutning kan også oppstå ved at isolasjonen mellom lederne har blitt skadet, slik at det er for liten resistans mellom fasene. Dermed vil det gå en stor strøm. • Jordslutning oppstår når vi får en god forbindelse mellom en av lederne og jord. Om bord vil dette si at vi har forbindelse mellom en av lederne og skroget. Det gir seg utslag i drifts­ forstyrrelser og overstrømmer. Overbelastning vil ikke i første omgang forårsake noen fare for personer, men det kan skade anlegget fordi strømmen som flyter i ledningene, er større enn det anlegget er dimensjonert for. Vi får oppheting av ledninger og kontakter, som dermed blir skadet. Jo lenger overbelastningen varer, jo høyere temperatur. For å unngå overbelastning sikrer vi anlegget slik at strømmen brytes når belastningen på ledningene eller kablene overstiger den belastningen de er dimen­ sjonert for. Kortslutning vil føre til at det plutselig går en stor strøm i de kortsluttede lederne. Denne strømmen er bare begrenset av ledningsmotstanden, og den kan bli svært stor. Ledninger og kabler vil bli overbelastet. Det samme gjelder kontakter som er inne i kretsen. For å sikre oss mot dette sørger vi for at strømmen brytes. Kortslutninger kan oppstå fordi isolasjonen mellom to av fasene i en kabel blir skadet og kommer i direkte kontakt med hverandre. Enkelte ganger er det vi som er årsaken til kortslut­ ningene. På grunn av feilkoblinger kan vi koble to ulike faser sammen og dermed få en kort­ slutning. Jordslutning får vi når det er en forbindelse mellom en av fasene og jord. Denne feilen kan være vanskelig å oppdage. Ofte kommer jordslutningen litt etter litt på grunn av slitasje i appa­ rater og i ledningsnettet. I mange tilfeller vil jordslutningen «komme og gå», slik at det kan være vanskelig å lokalisere feilen. Jordslutningen kan også oppstå på samme måte som ved en kortslutning. En av fasene får direkte forbindelse med jord. Da vil det oppstå en stor strøm som kan skade ledere og utstyr. Jordslutninger kan skape farlige forhold for mennesker. Er det oppstått en jordslutning mel­

229 lom en av fasene og jord, vil alt av ledende materiale rundt om på skipet være som en elektrisk leder, og risikoen er stor for at noen får strømmen gjennom seg. Å sikre anleggene mot jordslutninger kan være vanskeligere enn å sikre mot overstrøm og kortslutning, og vi må bruke andre former for sikring. Sikring av de elektriske anleggene går ut på å skape et mekanisk brudd når det oppstår en feil. Et mekanisk brudd vil bryte strømtilførselen til kursen og dermed avverge faren for ulyk­ ker eller skader på anlegget. De enkleste formene for sikringer er de vi kjenner fra boliger. Det vanligste er smeltesikringer. En mer avansert sikring er automatsikringen. Den har innebygd et bimetall som løser ut og bryter forbindelsen når strømmen gjennom sikringen blir for stor. Smeltesikringene består i prinsippet av tynne metalltråder som smelter på grunn av oppvar­ mingen som oppstår når det går for stor strøm i tråden. Metallet som brukes, er sølv. Det skyl­ des den lave spesifikke resistansen og at metalltrådene kan gjøres tynne, slik at det oppstår lite metalldamp på grunn av smeltingen. Tråden er dimensjonert slik at den skal smelte før det oppstår noen skade på apparatene og ledningene. Derfor må smeltetiden variere med den strømstyrken apparatene skal tåle. Sikrin­ gene blir laget for standardiserte strømstyrker, merkestrømmen for sikringen. Den blir stemplet inn i sikringen. Utstyret som sikringene skal verne, kan ha mange forskjellige egenskaper. Noe utstyr tåler svært lite overstrøm, mens annet utstyr, for eksempel motorer, trekker store strømmer i startøyeblikket og lite under normal drift. Derfor er det nødvendig med flere typer sikringer, og vi skiller mellom vanlige sikringer, som vi betegner som kvikke, og sikringer som skal tåle startstrømmene til motorer. Disse kaller vi trege. Kravene til en kvikk sikring er at den skal tåle noen prosent større strøm enn merkestrøm­ men i en time, og det dobbelte av merkestrømmen i 10 sekunder. Blir strømmen større, skal sikringen smelte og bryte momentant. En treg sikring skal tåle relativt store, kortvarige strømstøt bedre enn den vanlige sikringen. Det er nødvendig for at sikringene skal kunne brukes til beskyttelse av motorer. Ved normal last har begge sikringstypene stort sett like egenskaper.

9.3.1 Oppbygningen av sikringene Automatsikringene har i prinsippet den samme oppbygningen som motorvernet. Denne sikringstypen benyttes også bare for relativt små strømmer. Derfor skal vi ikke se på den her. Smeltesikringene deler vi inn i tre typer: • proppsikring • patronsikring • rørsikring

Proppsikringen bruker vi for å sikre strømmer mellom 2 og 60 ampere. Den består av en porselenshylse med en metallkapsel i hver ende. Sikringstråden som ligger inne i hylsen, er festet til metallkapslene. Metallkapslene er også kontaktpunktene for sikringen. Hylsen er fylt med fin­ kornet sand for å gi rask slukking av en eventuell lysbue.

I den ene enden av sikringsproppen er det en meldeperle. Den er festet til en smeltetråd og er fjærbelastet, slik at dersom tråden smelter, blir perlen kastet ut og varsler om sikringsbruddet. Proppsikringene settes inn i en sikringsholder og festes med et lokk som er gjenget. I bunnen av sikringsholderen er det et kontaktpunkt. Dette har form som en liten skål og kalles bunn-

230

Figur 9.15 Snitt av en proppsikring

skruen. Den ene enden på sikringsproppen er formet slik at den passer inn i bunnskruen. Stør­ relsen på bunnskruene er forskjellig, og øker med økende merkestrøm. På denne måten skal det ikke være mulig å bruke en sikring med for stor merkestrøm.

Patronlokk Sikringspatron

Sikringssokkel Tilkoblingsklemme Bunnskrue

Figur 9.16 Snitt av sikringselement med sikring Sikringen blir holdt på plass av et sikringslokk. Lokket har gjenger som skrus ned i motsva­ rende gjenger i sikringsholderen. Disse gjengene er samtidig kontaktpunktet som har forbin­ delse med apparatene eller utstyret som skal sikres. For strømmer som er større enn 60 ampere, bruker vi patronsikringer og rørsikringer. Disse sikringene fungerer etter de samme prinsippene som proppsikringen, men de har større dimen­ sjoner, samtidig som tilkoblingene er annerledes. Siden det er snakk om store strømmer, er det viktig at det ikke er noen overgangsmotstand i tilkoblingene. Det vil gi spenningsfall og varmgang.

231

Figur 9.17 Patronsikring

Patronsikringen består av et keramisk rør som er fylt med fin sand og har en metallavslutning i hver ende. Avslutningene er formet slik at de kan plasseres under tilkoblingsskruer. Inne i det keramiske røret er det en smeltetråd på samme måte som i proppsikringen. På siden av røret er det også en meldeperle. Disse sikringene kan ikke repareres. En annen type sikring som også benyttes i noen grad for store strømmer, er rørsikringen. Den består av et porselensrør. Sikringstråden trekkes gjennom røret og festes til kontaktstykker i begge ender.

Figur 9.18 Rørsikring

Rørsikringen er helt åpen, slik at den kan repareres. Da må det trekkes en ny smeltetråd gjen­ nom røret. Det krever at vi har reservetråd. I moderne anlegg er denne sikringstypen lite i bruk, men det er mulig å se den i eldre anlegg.

Viktig! Rør og patronsikringer er som regel festet til fjærende tilkoblingsklemmer. Ved utskifting skal det brukes isolert verktøy, fordi det er fare for å komme i kontakt med stømførende deler. Arbeidet bør alltid utføres med spenningen frakoblet.

232

9.4 Brytere Når vi skal koble strøm til de forskjellige forbrukerne, bruker vi brytere. Det kan være manu­ elle brytere, eller det kan være kontaktene i en kontaktor. Kontaktorer har vi gjennomgått tidli­ gere, så her skal vi se på manuelle brytere. Det er forholdsvis enkelt å koble små strømmer inn eller ut. Det omfatter stort sett kontaktsett i signalgivere og manuelle trykknapper. Det kan også være endebrytere og mikrobrytere som signalerer stillinger og posisjoner. Alle disse bryterne opererer små strømmer som gir få eller ingen problemer. Derimot vil inn- og utkobling av store strømmer utsette bryteren for store påkjenninger.

Figur 9.19 Eksempler på små brytere Når strømmen brytes, oppstår det en lysbue på grunn av selvinduksjonen. Den må slukkes eller brytes slik at strømmen ikke fortsetter å gå mellom bryterkontaktene. Lysbuen kan vi sammen­ ligne med en resistans, og den gir en stor varmeutvikling som ganske raskt vil ødelegge kon­ taktene. På samme måte som da vi behandlet effektkontaktene i kontaktoren, kan vi sørge for at det er stor åpning mellom kontaktene, samtidig som brytingen foregår raskt (momentbryting). Slik kan vi redusere lysbuetiden og de skadevirkningene som kan oppstå i kontaktene. Momentbrytingen får vi ved å benytte kraftige fjærer til å slå bryteren fra. I tillegg kan det være nødvendig å bruke andre metoder for å redusere selvinduksjonen. Dette er spesielt nød­ vendig når vi arbeider med likestrøm. Da vil vi ikke ha noen nullgjennomgang som slukker lysbuen slik som med vekselstrøm. Manuelle brytere finnes i mange utforminger og typer på grunn av de forskjellige arbeidsbe­ tingelsene og kravene som skal oppfylles. Felles for alle er at de er momentbrytere. Det vil si at de ikke er avhengige av hvor raskt de blir betjent. Kapslingen rundt bryteren er bestemt av det miljøet bryteren skal stå i. I tørre rom er det til­ strekkelig med støvtett kapsling, men i fuktige rom må kapslingen være vanntett. Vanntett kapsling kan for eksempel være nødvendig i maskinrom og lasterom. Støvtett kapsling kan være bakelitt eller plastkapsling uten pakninger. Vanntett kapsling må ha gummipakninger, og den er vanligvis utført i støpegods eller plast. Kravet er at det ikke skal kunne trenge vann inn i kapslingen. Der det kan være fare for at det oppstår eksplosjoner, skal bryterne være eksplosjonssikre. Disse kapslingene skal trykkprøves og tåle en innvendig eksplosjon uten å slippe ut energi nok til å antenne atmosfæren rundt bryteren. En metode som brukes for å slukke lysbuen, er å la bryterkontakten kortslutte spolen samti­ dig som den bryter for strømmen.

233 PS -o

Figur 9.20 Eksempel på kortslutningsknapp På denne måten vil induksjonsstrømmen bli kortsluttet og lade seg raskt ut over bryteren.

Ved at vi kobler en stor motstand over spolen, vil en selvinduksjonsspenning lade seg ut over denne motstanden. Denne metoden kalles ofte overspenningsbeskyttelse.

Figur 9.21 Overspenningsbeskyttelse Andre måter å beskytte kontaktene på er å la trykkluft blåse ut lysbuen. Dette er en metode som vi spesielt bruker når det er snakk om høye spenninger. En annen metode er å la kontaktene arbeide i olje, slik at brytebevegelsen tvinger en oljestrøm gjennom lysbuen og slukker den. I de vanlige bryterne, installasjonsbryterne, som vi bruker til å slå lys av og på, er bryterelementet enten en dreiebryter eller en kippbryter.

Figur 9.22 Knivbryter med sikringer

234 Både dreiebryterne og kippbryterne har kraftige kontakt- og arbeidsfjærer slik at brytingen skjer raskt. Disse brytertypene lages for 6, 10 og 25 ampere. Knivbrytere og valsebrytere er brukt ved lavspenning og strømmer over 25 ampere. Kontak­ tene i disse bryterne er laget som kniver eller valser. Knivene blir presset inn mellom de faste kontaktene når bryteren blir lukket. De faste kontaktene er fjærbelastet, slik at det blir et kraftig press på kontaktene. I valsebryteren er også de faste kontaktene fjærbelastet og presser mot den bevegelige kontakten med stor kraft. I gruppen for brytere kan vi også regne vendere. Dette er en type brytere som i tillegg til å bryte strømmen i en krets kobler strømmen til en annen krets. Venderne omfatter mange dimensjo­ ner. De minste typene er ofte konstruert i moduler og kan bygges ut til å vende mellom et stort antall kurser. Disse bryterne brukes stort sett i måleteknikken. Skillebryteren er en bryter som bare er beregnet til å skille deler av anleggene fra hverandre. Skillebryterne er som regel ikke utstyrt slik at de kan slukke lysbuen, og de skal opereres strømløst. De er i første rekke en sikkerhetsforanstaltning når det skal utføres et arbeid i anleg­ get. Ofte er de utstyrt med muligheter for å låses i åpen stilling.

9.5 Motorvernbrytere Motorer kan bli utsatt for overbelastninger av flere årsaker. Det kan for eksempel oppstå feil i en pumpe som gjør at den blir tyngre å dra. Det kan være at vi er uforsiktige og belaster moto­ ren med mer enn den er beregnet for. Det hender også at det blir brudd i en av fasene til en trefasemotor, slik at motoren bare går på to faser. Dermed blir disse fasene belastet med det dobbelte av den normale belastningen. Siden sikringene skal tåle motorens startstrøm, er denne strømmen ofte ikke stor nok til å smelte sikringene. Dermed får vi varmgang i motorviklingene, som blir skadet. Overbelaster vi motoren, vil den også trekke mer strøm enn normalt. Dersom dette varer en tid, vil motoren gå varm og bli skadet. For å sikre oss mot slike forhold bruker vi et spesielt motorvern i tillegg til sikringene. Motor-

Figur 9.23 Motorvernbryter

235

Figur 9.24 Motorvernbryter koblet til kontaktor vernet er en bryter som vi setter inn i tilførselen foran motoren. Motorvernet er konstruert med termiske utløsere. Den strømmen som går gjennom motorviklingene, går også gjennom motor­ vernet. Oppstår det feil som fører til oppheting i motorviklingene, vil det også føre til høyere temperatur i motorvernet. Blir strømmen for høy, vil motorvernet løse ut og bryte strømmen til motoren. Brytingen av strømmen må foregå med kontaktoren. Motorvernet plasserer vi i forbindelse med kontaktoren, ofte koblet direkte til tilkoblingene 2, 4 og 6 på kontaktoren. Ledningene videre til motoren kobler vi på motorvernet.

Figur 9.25 Symbol for motorvern koblet til kontaktor

236 Den ene fasen til kontaktorens spole kobles via en hvilekontakt på motorvernet. Spolestrømmen til kontaktoren vil være beskjeden i forhold til de strømmene som kan gå gjennom kontak­ tene på kontaktoren. Når strømmen blir for stor, vil motorvernet løse ut og bryte spolestrømmen til kontaktoren. Dermed faller kontaktoren ut og bryter for hovedstrømmen. L1

L2

L3

Figur 9.26 Symbol for termisk vern og kortslutningsvern

Motorvernet med bimetall er et termisk relé. Det løser ut når strømmen har nådd en viss stør­ relse og har hatt en viss varighet. Releet arbeider relativt langsomt. For å beskytte mot kortslutningsstrømmer kan vi bruke smeltesikringer i tillegg. Vi kan også montere spesielle elektromagnetiske kortslutningsreleer i tillegg. De vil reagere på det kraftige elektromagne­ tiske feltet som oppstår når det blir kortslutning i kretsen, og dermed sørger de for å løse ut kontaktoren.

I tillegg til å sikre motorene mot for store strømmer ved overbelastninger og kortslutninger kan vi sikre mot for lave spenninger i tilførselen. Da setter vi inn et nullspenningsrelé som kobles til to av fasene. Dersom spenningen faller til ca. 75 % av normalspenningen, vil dette releet løse ut kontaktoren.

237 L1

L2

L3

Figur 9.27 Motorvern med termisk kortslutnings- og nullspenningsvern

På figuren er motorvernbryteren utstyrt med nødstoppbryter. Ifølge forskriftene skal dette bru­ kes ved nærmere spesifisert utstyr i maskin- og kjelerom, og plasseres lett tilgjengelig utenfor disse rommene. Motorvern med termisk utløsning kan justeres til den strømstyrken som skal løse ut. For å sikre god og nøyaktig innstilling er det justerbare området lite. Derfor har vi flere typer og stør­ relser av motorvern for hver kontaktor, slik at vi kan dekke det samme området som kontakto­ ren. Områdene overlapper hverandre til en viss grad. Nedenfor er det en oppstilling som viser eksempler på hvordan områdene kan være: 0,1-0,16 A 0,25-0,4 A 0,4-0,63 A 0,63-1,0 A 1,0-1,6 A 1,6-2,5 A

Av sikkerhetsmessige grunner kan det være nødvendig at motorvernet ikke kobler inn kontak­ toren igjen etter en tid når bimetallet har kjølnet. Dette kan forårsake skader på personer og utstyr. Derfor er motorvernbryterne utstyrt med en mekanisk sperre som må tilbakestilles for å sette bryterne tilbake til normalstilling. Vi kan også la hjelpereleet, som styrer kontaktoren, koble ut ved at motorvernet er koblet inn i strømkretsen til spolen på hjelpereleet.

238 KAPITTEL 10

Elektromotorer 10.1 Trefaseasynkronmotoren 10.1.1 Kortslutningsmotoren De mest brukte elektromotorene i dag er trefaseasynkronmotorene. De har en rekke fordeler i forhold til enfasemotoren. De er enklere å konstruere, dreiemomentet er jevnere, og vekten av tilførselskabelen kan reduseres.

Figur 10.1 Oppbygningen av en asynkronmotor Konstruksjonen er som sagt enkel. Den består i hovedsak av to deler, stator og rotor. Statoren utgjøres av de tre separate viklingene som er plassert på innsiden av motorhuset. Viklingene er plassert i spor og er innbyrdes forskjøvet 120 elektriske grader. Slik er forholdet mellom elek­ triske og mekaniske grader:

elektriske grader Mekaniske grader =------- --------------polpar Statorviklingen kan være topolet, firepolet, sekspolet og så videre. Statorviklingen kan vi koble i stjerne eller trekant. Kobler vi viklingene i statoren i stjerne, får alle viklingene et felles koblingspunkt, og strømmen må gå gjennom to viklinger fra den ene fasen til den andre.

239

t U=230V

U=230V

Figur 10.2 Statorviklinger med stjerne- og trekantkobling Kobler vi statorviklingene i trekant, vil hver vikling være koblet mellom to faser, og strømmen går bare gjennom den ene viklingen. I praksis betyr dette at en stjernekoblet stator har større spenningsfall enn en trekantkoblet. Rotoren er opplagret inne i statoren. Den består av en jernkjerne. Når vi setter spenning på spolene i statoren, oppstår det et magnetisk felt som roterer. Dette kaller vi dreiefeltet.

Figur 10.3 Dreiefeltet

I hver spole oppstår det et felt som varierer analogt i størrelse og retning med vekselstrømmen gjennom spolen. Feltene fra spolene setter seg sammen til et resulterende felt. Dette feltet har en konstant størrelse og roterer med en jevn hastighet.

f • 60 z z . x

n =---------- (r/min) p

I formelen er n turtallet, f er spenningens frekvens, og p er antallet poler. Vi multipliserer med 60 for å få turtallet per minutt, det vil si per 60 sekunder. Frekvensen er oppgitt i perioder per sekund. I rotoren vil det dannes virvelstrømmer på grunn av induksjonen. Jernkjernen blir strømfø­ rende, og vi får et dreiemoment i samme retning som dreiefeltet.

Figur 10.4 Rotor til en kortslutningsmotor

Jernkjernen kan ikke være massiv. Da ville den fort gå varm. I stedet er den satt sammen av mange lameller med langsgående spor. I sporet legges rotorviklingen. Den kobles ikke til noe nett, men kortsluttes i seg selv. Derfor har denne typen motor fått navnet kortslutningsmotor.

Ferdig kortslutningsrotor

Figur 10.5 Rotorvikling og rotor

Ved start av motoren vil dreiefeltet passere rotoren, som står stille. Da blir det indusert en spen­ ning i rotorviklingen, og det vil flyte en strøm. På grunn av strømmen oppstår det en fluks som er rettet mot dreiefeltet. Det gjør at når en nordpol i dreiefeltet nærmer seg en av polene i roto­ ren, vil denne bli nordpol, og polene frastøter hverandre. Når nordpolen i dreiefeltet har passert rotorpolen og fjerner seg, blir den en sydpol, og nord­ polen og sydpolen vil tiltrekke hverandre. På denne måten får rotoren alltid en polaritet som gjør at den dreier seg i samme retning som dreiefeltet, og motoren blir selvstartende. På grunn av virkemåten vil rotoren aldri komme opp i den samme hastigheten som dreiefel­ tet. Det blir alltid en viss sakking i forhold til det synkrone turtallet. Det er dette som regulerer motorens hastighet. Dersom belastningen på motoren blir mindre, vil rotoren først øke hastig­ heten. Dermed vil den nærme seg dreiefeltets turtall og miste dreiemomentet slik at turtallet minker. Dersom vi belaster motoren, begynner rotoren å sakke. Det går da en større strøm i statorviklingene, dreiefeltets styrke blir større, den induserte spenningen i rotoren blir større, og rotoren øker hastigheten. På grunn av dette har motoren fått navnet asynkronmotor. På motorene finner vi alltid en merkeplate. Den inneholder de opplysningene vi trenger for å koble motoren.

241

AS EA Typ

N.

KBRF 21 J7

kW

50

hp

2910

CIojj E Prim. 10-0-01 Y

V 67

A

225 S

55

f/m

coi