Rolf Skatvedt En RTD (Resistance Temperature Detector) endrer motstand proporsjonalt med temperaturendringen. De finnes både som PTC (positiv temperaturkoeffisient) og NTC (negativ temperaturkoeffisient) (Bilde: Ukjent)

De fire vanligste industrielle målingene

Måling av trykk, temperatur, nivå og mengde er de fire vanligste industrielle målingene. Karakteristiske trekk knyttet til hver av størrelsene og hvordan de kan måles i form av forskjellige sensorer eller følerelement er behandlet i artikkelen.

Felles for alle disse fire størrelsene er at de påvirker hverandre mer eller mindre, og sammenlignbare målinger krever derfor at man har kontroll over de fysiske størrelser som ikke skal måles og at man kompenserer for deres variasjoner. Eksempelvis vil vi finne at nivået i en tank eller mengden som indikeres å flyte i et rør varierer med prosessmediets temperatur, og følgelig må også temperaturen i mange tilfeller inngå som del av signalprosesseringen dersom disse målestørrelsene skal angis korrekt.

Trykk

Trykkmålinger er knyttet til gasser, væsker og faste stoffer, og i noen prosesser måles denne størrelsen slik at riktig arbeidstrykk kan opprettholdes eller høyeste eller laveste trykk kan angis. Trykk er kraft per arealenhet, eksempelvis vil kraften uttrykt i Newton (N) og arealet i kvadratmeter (m²) gi oss den internasjonale målenheten Pascal (Pa) etter franskmannen Blaise Pascal.

Atmosfæretrykk eller trykket til luften som vi omgir oss med varierer fra dag til dag som funksjon av luftstrømmer i atmosfæren, høyde over havet, fuktighet, temperatur, osv. Ut fra behovet for å kunne sammenligne atmosfæretrykk fra dag til dag, ref. metrologien, er det definert et standard atmosfæretrykk. Dette er 101,325 kPa i forhold til vakuum, hvilket er referanse for å melde lavtrykk eller høytrykk i metrologien. Trykk som måles mot vakuum skal angis med en A etter trykkenheten, eksempelvis PaA, mens trykk målt i forhold til atmosfære, ofte kalt manometertrykk, skal ha en G etter trykkenheten (PaG). Trykk som er målt mellom to forskjellige avtappingspunkter kalles differansetrykkmålinger og angis uten noen bokstav etter trykkenheten (Pa).

Det originale Bourdon-røret til trykkmåling, utviklet av Eugéne Bourdon i 1849.
Det originale Bourdon-røret til trykkmåling, utviklet av Eugéne Bourdon i 1849. Foto: Baumer

 

Manometer eller lokal trykkmåler viser trykket gjennom at trykket virker på en flate, og dermed skaper en kraft som igjen fører til en mekanisk vandring. De fleste manometere er i dag enten basert på bourdon-, bel- eller membransensorer. Dersom trykksensoren inngår i et system hvor det tilføres energi kan trykket måles sekundært ved at mekanisk bevegelse gir opphav til endring i elektrisk resistans, kapasitans, induktans, resonans, osv. Forskjellige fabrikater av trykkmålere sverger til forskjellige måleprinsipper som alle har sine svake og sterke sider, og riktig valg bør starte med å klarlegge prosessforholdene den skal stå i og hvilke krav det er til dynamikk, usikkerhet og risiko for gitt måling. Det er ellers verdt å merke seg at trykkmålinger eller trykkgenerering som baserer seg på kraftprinsippet vil kunne være påvirkelig av gravitasjonsakselerasjon på stedet.

Les om: Smart salg av grillgass

Temperatur

Den internasjonale enheten for temperatur (én av 7 grunnenheter) er Kelvin (K), som ble definert av William Thomsen. Kelvinskalaen definerer 0 K lik det absolutte nullpunkt som er -273,15 grader celsius. I Norge og også i de fleste andre land der SI-enhetene har fotfeste, brukes normalt grader celsius som enhet for temperatur. Denne skalaen ble laget i 1742 av Anders Celsius, og valgte 100 °C, som er kokepunktet for vann og 0 °C, som er frysepunktet for vann, som fiks- eller referansepunkter. Temperatursensorer kan i grove trekk deles i tre hovedgrupper: termisk utvidelsesbaserte, elektriske og andre. Sensorer som utnytter termisk utvidelse kan være fylte systemer hvor temperaturendring fører til endring av volum eller trykk i en væske eller gass. Temperaturen kan også detekteres som lengde- eller volumforandring til et metall. Elektriske termometere eller sensorer vil normalt kunne klassifiseres i gruppene motstandsbaserte, termistorer og termoelementer.

Les også: Fra Mars til gassproduksjon

Motstandstermometer

Motstandstermometre benytter prinsippet om at en elektrisk resistans forandres ved endring av temperaturen. Motstanden øker med økende temperatur. Et vanlig element er Pt 100, hvor metallet er platina og motstanden er 100 ? ved 0 °C +/- usikkerhet som er avhengig av klasse eller metallets renhet. Pt- termometer benyttes fra -200 til over 850 °C. Temperaturavhengigheten er nær lineær i dette området, men kan dersom veldig lav usikkerhet skal oppnås, beskrives gjennom et kubisk polynom (grad 3), eksempelvis Calendar van Dusen ligningen.

En RTD (Resistance Temperature Detector) endrer motstand proporsjonalt med temperaturendringen. De finnes både som PTC (positiv temperaturkoeffisient) og NTC (negativ temperaturkoeffisient). Bilde: Arkiv

Termistor

Termistorer er laget av halvledermateriale, for eksempel silisium. Det finnes to typer: NTC (Negativ Temperatur Koeffisient) og PTC (Positiv Temperatur Koeffisient). I NTC-materialer minker resistansen med økende temperatur i motsetning til PTC-materialer som øker sin resistans med økende temperatur. Karakteristikken til disse elementene er sterkt ikke lineær, så disse må normalt kalibreres individuelt. Termistorbaserte termometer brukes typisk opp til 100 °C.

Termoelement

Termoelementer er temperatursensorer som normalt benyttes opp til omkring 1100 °C, og som består av to ulike metalltråder som er sammenføyet ved punktsveising. Elementet kalibreres mot fikspunkter gjennom at det ene sammenkoblingspunktet er plassert i en referanse og det andre sammenkoblingspunktet et sted hvor fikstemperatur kan endres. Sammenhengen mellom termospenning og temperatur mellom fikspunktene finnes ved interpolering. Måleusikkerheten er mellom 0,2 og 1,0 °C. Termoelementer kan brukes opp til 1500 °C og høyere, men har et handikap ved sin lave følsomhet. Bokstaver som R, S, K, T, J og E benyttes for å beskrive hvilke metaller som utgjør elementet og derav hvilken følsomhet og bruksområde i °C som gjelder.

Pyrometer

Av andre temperatursensorer kan nevnes Pyrometre som er temperaturmålere som ikke er i berøring med målestedet, men angir temperaturen på utstrålte bølge­lengder (lys). Disse benyttes ved høye temperaturer, normalt over 1000 °C. Magnetiske temperaturgivere bygger på at den magnetiske feltstyrken til noen paramagnetiske salter er lineær med temperaturen, og avtar med økende temperatur. Akustiske temperaturgivere bygger på prinsippet om at lydhastigheten i en gass er temperaturavhengig. Når en kvartskrystall slipes på en spesiell måte, blir resonansfrekvensen temperaturavhengig. Temperaturindikatorer er en metode der man fester eller smører forskjellige typer maling, tape og lignende i prosessen. De mest nøyaktige bruker smelting av en serie metaller som indikasjon.

Nivå

Nivåmåling høres i utgangspunktet ut som en enkel måling, men de som har jobbet med denne type målinger vet at de fleste måleoppstillinger på en eller annen måte vil påvirkes av tilstanden til tanken hvor nivået skal måles og ikke minst av prosessmediets egenskaper.

Når man skal velge riktig nivåmåler gjelder det å finne det instrumentet med de egenskaper som passer best til tanken og prosessmediet. Det finnes mange forskjellige metoder for å måle væskenivået i tanker. Mange av disse målerne virker tilfredsstillende, men hver av dem har sine begrensninger. Ofte kan kravet til systemet være innfridd av flere instrumenter, men kostnadene vil ofte redusere antallet aktuelle målere.

Radiometrisk måling viste seg som det mest gunstige alternativet for å kontrollere fyllingsgrad i en tank hos Yara. Radioaktiv stråling blir sendt fra motsatt side av tanken og fanges opp av enheten på bildet. Foto: joachim Seehusen Bilde: Joachim Seehusen

Korrekt installasjon

Å ta utgangspunkt i type tank eller beholder som væsken skal oppbevares i kan være noe det viktigste for riktig valg av nivåmåler. Strengt tatt kan vi dele beholderne opp i ti forskjellige kategorier, som hver har sine restriksjoner og krav. Disse kategoriene er: nedgravde, ventilerte, trykksatte, hevete kjølemedium, høy temperatur, karbondioksid, klor, vakuum, væske/væske eller gass/væske-grensesnitt. Konklusjonen er at det finnes utallige typer måleprinsipper og instrumenter beregnet for nivåmåling i disse tankene, alle med sine fordeler og ulemper. Valg av instrument er ikke lett, men ved å innhente erfaring fra lignende applikasjon burde det være overkommelig. En vellykket måling er også avhengig av at installasjon gjøres riktig.

Les om: Måler med akustiske overflatebølger

Mengde

Det er mest vanlig å snakke om flow eller strømningsmålinger og da henholdsvis av volum (m³/h) eller masse (kg/h). I volumbaserte målinger av gasser blir det faktiske volumet beregnet til standard volum ved å beregne hva volumet ville vært ved standard temperatur (15 °C) og trykk (101,325 kPaA). Dette er nødvendig for at vi alltid skal få den korrekte mengden uavhengig av temperatur og trykk. Hvis vi skal fylle bensin på bilen vil vi ha den samme mengden bensin uavhengig av hva temperaturen er. Massebaserte målinger er i teorien ikke følsomme for temperatur- og trykkforandringer, men i praksis, spesielt for store dimensjoner, ser vi avvik mellom teori og praksis. Antall flow-måleprinsipper på markedet er stort og det finnes en egnet måler i de fleste tilfeller. De største fallgruvene med hensyn til valg av måler ligger i forståelse for omkringliggende krav og prosessmediet det skal måles på. Her som for annen prosessinstrumentering er installasjonskompetanse avgjørende for hvorvidt et akseptabelt resultat skal oppnås eller ikke.

Se for øvrig egne artikkelserier i Automatisering vedrørende fiskale olje- og gass-mengdemålinger.

Omfattende oljemålinger  

Nyttig om naturgass