Sensor og elektronikk er instrumentets hjerte og hjerne, skriver Skatvedt. Her loddes en sensor til et kretskort, og dermed er begge «organer» representert. (Bilde: Joachim Seehusen)
Her lodder Clementine Collin sensorer. (Bilde: Joachim Seehusen)
Elektronikk spiller en stdig viktigere rolle i moderne instrumentering. (Bilde: Joachim Seehusen)
Rolf Skatvedt (Bilde: Ukjent)

Fundamentale sensorbeskrivelser

Måling av trykk, temperatur, nivå og mengde er de vanligste målingene i industrielle prosesser. Målingene blir utført av instrumenter som direkte eller indirekte registrerer størrelsesorden til en variabel eller dens eksistens.

Ordliste

Her er en liste over ofte brukte engelske begreper, med norsk oversettelse.

Accuracy = Nøyaktighet

Hysteresis = Hysterese

Linearity = Linearitet

Precision = Presisjon

Range = Område

Repeatability = Repeterbarhet

Reproducibility = Reproduserbarhet

Resolution = Oppløsning

Response = Respons

Sensitivity = Følsomhet

Uncertainty = Usikkerhet

Zero = Nullpunkt

Zero drift = Nullvandring

Artikkelserie

Artikkelserie

Sivilingeniør Rolf Skatvedt, daglig leder i Total Fiscal Metering AS skriver en serie på 10 artikler om industriell måling, inklusive usikkerhetsbetraktninger.

Del 1: nr. 5/14: Hva er prosess og industrielle måleinstrumenter? 

Del 2: nr. 6/14: Fundamentale sensorbeskrivelser

Del 3: nr. 7/14: De fire vanligste industrielle målinger

Del 4: nr. 8/14: Industrielle analyser online

Del 5: nr. 1/15: Kalibrering av industrielle målere

Del 6: nr.2/15: Måleusikkerhet og målefeil er ikke det samme

Del 7: nr. 3:/15 Hvordan beregne usikkerheten i en industriell måling

Del 8: nr. 4/15: Praktisk eksempel på kalkulasjon av måleusikkerhet

Del 9: nr. 5/15: Verktøy for å beregne måle­usikkerheter

Del 10: nr. 6/15: Hvordan redusere måleusikkerheter

Et måleinstrument er en prosess som består av flere elementer. Antallet varierer avhengig av om det kun er lokal avlesning og drives fullt og helt av hovedprosessen, eksempelvis et bourbonbasert trykk-manometer, eller om det er et elektrisk drevet instrument som skal transmittere måleverdier til en avlesningsenhet eller et prosess-datasystem. Elementene som inngår i et prosess-måleinstrument vil være en del av den totale overføringsfunksjonen som eksisterer mellom ønsket målt variabel og avlest verdi. Følgelig vil alle elementene inngå i estimering av systemets totale usikkerhet, nøyaktighet og pålitelighet.

Hjerte og hjerne

Alle måleinstrumenter må ha en detektor som registrerer det som skal måles. Instrumentet bør være differensiellbasert for å unngå påvirkninger fra andre fysikalske størrelser. Elektrisk drevne instrumenter har i tillegg til selve sensoren mer eller mindre sofistikert elektronikk som spenner fra enkle forsterkere til avansert datateknologi. Sensor og elektronikk kan betraktes som henholdsvis instrumentets hjerte og hjerne. Elektriske instrumenter er normalt del av et større elektrisk system og det er viktig at jording, isolering, skjerming, etc. internt i instrumentet så vel som tilførsel, ivaretas i henhold til overordnede retningslinjer dersom oppsatte målsettinger med hensyn på sikkerhet, pålitelighet og usikkerhet skal imøtekommes. Installasjon av elektrisk drevne instrumenter i potensielt eksplosjonsfarlige prosessområder, eksempelvis petroleumsprosesser, krever at instrumentene i seg selv er godkjent for dette formålet, installert og elektrifisert i henhold til gjeldende standarder.

Når det gjelder selve målingene finnes det to målemetoder, direkte og indirekte. Direkte målinger består i at man måler variasjonene til variabelen i en prosess, for eksempel mengden av bensin som løftes fra bensinstasjon over til en bil via en fortrengningsmåler. Indirekte målinger måler effekten som skapes av størrelsen man ønsker å måle, eksempelvis måling av mengde som strømmer i et rør. Man måler trykkfallet over en restriksjon plassert i røret.

Måling av trykk, temperatur, nivå og mengde kan gjøres på forskjellige måter ved å benytte ulike sensorer. Det er umulig å sette opp en fullstendig oversikt for hver enkelt målevariabel, spesielt på grunn av den kontinuerlige forskningen på dette området. Imidlertid er det viktig å ha kjennskap til en del fellestrekk eller terminologiske beskrivelser knyttet til hver enkelt sensor eller transducer. Under følger en oversikt.

Les om: Måler med akustiske overflatebølger

Område

Enhver sensor jobber innenfor et gitt måleområde. En elektrisk utgang vil ofte være variabel og justerbar slik at den passer de fleste bruksområder. For en mekanisk innretning er dette svært sjelden realiserbart. Det kan føre til en deformasjon dersom området overskrides. Det operative måleområdet (det området hvor målingene skal ligge) er ofte mindre enn sensorens maksimale område. Dette gir fordeler som økt nøyaktighet, bedre linearitet, samt at det fører til mindre sjanse for overbelastning. Ulemper kan være at følsomheten, altså utgangssignal dividert med inngangssignal, kan øke, noe som må kompenseres for ved å redusere forsterkningen i andre ledd. Det er imidlertid grenser for hvor høy denne følsomheten kan bli før det går utover total nøyaktighet. Grunnen til dette er støy og at komponentforskjeller i forsterkerkoblinger ikke er utbalansert. Støy er et interferens eller forstyrrelsessignal som adderes til det virkelige målesignal. Støy kan bli plukket opp fra eksterne kilder, eller forårsakes av ustabilitet i selve måleinnretningen.

Span

Span er den aritmetiske differansen mellom instrumentets øvre og nedre signalgrenser. Et termometer kan være laget for å måle temperaturer mellom 0 °C og 100 °C, men termometerets skala går fra -20 °C til 110 °C. I dette tilfelle er det operative måleområdet 0 °C til 100 °C, med span = 100 °C. Termometerets maksimale område er derimot fra -20 °C til 110 °C med span = 130 °C.

Les om: Bedre kontroll på kraftnettet

Nullpunkt

Når man foretar en måling er det nødvendig med et forhåndsbestemt startpunkt. Det er ofte vanlig å justere utgangen av instrumentet til null ved dette punktet. Utgangen fra et termometer gradert etter celsius-skalaen er null ved frysepunktet for vann. Utgangen til et trykkmanometer kan være null ved atmosfærisk trykk. Null er derfor en verdi som på forhånd er definert innenfor måleområdet.

Nullvandring

Erfaringer viser at sensorer har en tendens til å flytte nullpunktet fra det opprinnelige. Dette bidrar til en feil i målingen, lik den variasjon eller vandring nullpunktet er utsatt for. Nullvandring kan ha flere årsaker. Det kan være forandring i omgivelsestemperatur eller fysiske forandringer i forsterkeren. Eldre komponenter eller mekanisk ødeleggelse kan også bidra til denne vandringen. Korttidsvandring er vanligvis sett i sammenheng med forandring av temperatur eller elektronikkstabilisering. Langtidsvandring assosierer vi med aldring av transducer eller elektroniske komponenter. Det er ofte et vanlig og tidkrevende arbeid forbundet med langtidstesting ved hjelp av sensorer med nullvandring.

Følsomhet

Følsomhet er definert som deltaforandringen i utgangen på en sensor for en gitt deltaforandring i den målbare parameteren (inngangsverdien). Faktoren kan være konstant over hele måleområdet for sensoren, eller den kan variere. Vi beskriver dette som en lineær eller ikke-lineær utgang. Følsomheten avhenger av faktorer, som alle er variable. De mekaniske egenskapene til en transducer vil kunne variere med temperaturen, noe som gir opphav til variasjon i følsomheten, men det er ofte de elektriske komponentene som gir opphav til størst forandring. En forsterker vil kunne forandre sin forsterkningsfaktor som følge av temperaturen, variasjoner i tilførselsspenningen eller en feil på komponentnivå. Ofte vil transduceren være avhengig av en driftsspenning. En variasjon i denne vil føre til en korresponderende feil. Det verste som kan inntreffe ved følsomhetsforandring er ikke at sensoren kollapser helt, men at det oppstår en forandring som er vanskelig å oppdage.

Oppløsning

Oppløsning er den minste forandringen i den målbare variabelen som kan detekteres av sensoren. Det er ikke et universelt akseptert uttrykk, da enkelte personer hevder at definisjonen ikke er presis nok som funksjon av ingen absolutt verdi.Sensorer som bruker trådviklede potensiometre eller digitale teknikker for å generere ønsket elektrisk utgangssignal, har alle en gitt oppløsning. Produsenter oppgir ofte deres sensorer til å ha en uendelig oppløsning. En slik innretning finnes ikke.

Respons

Tiden en sensor bruker for å nå sin sanne utgangsverdi, når inngangen er utsatt for en trinnvis forandring, er referert til som sensorens responstid. Den forteller mye om sensorens dynamiske nøyaktighet. Frekvensrespons er en annen måte å vurdere sensorens dynamiske egenskaper og testes ved at sensoren blir utsatt for en sinus-svingende inngang, med konstant amplitude (nivå) hvorpå det er vanlig å få avtegnet en flat respons mellom to gitte frekvenspunkter. Utenfor frekvenspunktene vil utgangens amplitude stige eller falle, alt avhengig av konstruksjonen til sensoren.

Linearitet

Den mest behagelige sensoren å jobbe med er den som har en lineær overføringsfunksjon. Linearitet er en utgang som er direkte proporsjonal med inngangen over hele måleområdet, slik at hellingen på grafen til en utgang sett i forhold til inngangen, beskrives av en rett linje. Dette gir oss mulighet til å bruke en enkel konverteringsfaktor over hele området. I praksis lar dette seg aldri helt oppfylle, selv om de fleste sensorer på markedet i dag kun har små avvik fra det ideelle.

Hysterese

Hysterese kan bli anskueliggjort dersom inngangen til en sensor tilføres etter et rotasjonsmønster. Hvis inngangen gradvis økes til sensorens maksimum for så å gradvis returneres til nullutgangspunktet, vil det skisseres opp to kurver som møtes ved maksimal sensorverdi. Den returner ikke til det eksakte nullutgangspunktet. Fortsetter vi nå med inngangsverdi med negativ polaritet vil vi få tegnet to nye kurver, som vil være speilbilde av de vi har fra før. Slik kan vi nå fortsette i vårt rotasjonsmønster og de to halvsløyfene vil nå møtes for å danne en hel sløyfe, som igjen vil repeteres ved hver omdreining i vårt rotasjonsmønster.