KJEMIPROSESSFAGET Måleteknikk Sist revidert: 29.07.2013
MODUL MÅLETEKNIKK Modulen har følgene innhold: Kompendium (dette dokumentet) Nettleksjon Nettoppgaver (inkludert i nettleksjonen) Skriftlig øvingsoppgave LÆRINGSMÅL e Etter å ha gjennomført denne modulen skal du kunne: Kunne forklare hvordan måleinstrumenter og måleomformere fungerer Vite hvordan man angir målenøyaktighet og beregner avvik Kune utføre en kalibrering av et måleinstrument MÅL NEDSATT I LÆREPLANEN Beskrive virkemåten for måle-, styre og reguleringsutstyr Vurdere avvik og mulige feilkilder på måle-, styre-, og reguleringsutstyr 2
Innhold 1 Innledning... 4 2 Instrumentering... 5 2.1 Måleinstrumenter... 5 2.2 Måleomformere... 7 2.3 Signaloverføring... 11 2.4 Aktive og passive instrumenter... 13 3 Håndholdte instrumenter... 15 3.1 Digitalt multimeter... 15 3.2 Sløyfekalibrator... 15 3.3 Prosessmeter... 17 3.4 Strømtang... 17 3.5 Oscilloscop... 18 3.6 Installasjonstestere... 18 3.7 Termokamera... 19 4 Målenøyaktighet... 19 4.1 Statisk og dynamisk nøyaktighet... 19 4.2 Oppløsningsevne... 20 4.3 Repeterbarhet og reproduserbarhet... 21 4.4 Hysterese... 21 4.5 Linearitet (konformitet)... 22 4.6 Aldring... 23 5 Kalibrering... 24 5.1 5-punktssjekk... 24 5.2 Kalibrering... 25 3
1 Innledning De fleste industrianlegg har i dag en svært høy grad av automatisering. Produksjonen følges opp fra sentrale kontrollrom, og man ser knapt mennesker ute i produksjonsanleggene. I en vanlig bilfabrikk settes mer enn 90 % av bilene sammen av roboter og maskiner. Store mengder data overføres fra produksjonsanleggene til sentrale databaser slik at ledelsen får produksjonsrapporter og vedlikeholdspersonell får beskjed om utsyr som trenger vedlikehold. For at prosesser skal kunne automatiseres og produksjonsdata skal kunne samles inn, trenger vi instrumenter som måler produksjonens tilstand. Vi trenger nivåinstrumenter som overvåker nivå i tankanlegg, trykkinstrumenter som kontrollerer at vi har riktig trykk i rørledningene, strømningsmålere som kontrollerer at vi har rett mengde osv. Måleinstrumentene er automasjonssystemenes "øyne og ører". Det hjelper imidlertid lite å installere måleinstrumenter ute i produksjonsanleggene hvis ikke disse er i stand til å overføre måleverdiene inn til styresystemene. De fleste instrumenter er derfor utstyrt med en elektrisk tilkobling slik at måleverdien kan overføres til andre systemer via en signalkabel. I denne modulen skal vi se på måleinstrumentenes oppbygging og hvordan disse kan omforme fysiske størrelser som trykk og temperatur, til elektriske signaler. Vi skal se på de mest vanlige signaltypene og koblingsmetodene som brukes i forbindelse med instrumentering. Måleinstrumenter har variabel nøyaktighet, og nøyaktigheten kan også variere over tid. Vi skal se på de vanligste måtene å oppgi målenøyaktighet, og hvordan denne kan justeres. Denne modulen tar for seg generell måleteknikk. Målemetoder for hver enkelt fysisk størrelse gjennomgås i de neste modulene. Måling av turtall og posisjon Måling av trykk Måling av temperatur Måling av nivå Måling av mengde 4
2 Instrumentering 2.1 Måleinstrumenter Et måleinstrument har som oppgave å måle en fysisk størrelse og presentere måleverdien som et visuelt eller elektrisk signal. Trykk, temperatur og tyngde er eksempler på fysiske størrelser. Et visuelt signal er et signal kan leses av visuelt altså med øynene. Det betyr at instrumentet må ha en viser, et display eller liknende som viser hvilken verdi instrumentet til enhver tid måler. Behovet for visuell avlesing direkte på instrumentet varierer ut fra hva det skal brukes til. I et industrianlegg overføres ofte måleverdien som et elektrisk signal til et sentralt kontrollrom og vises på dataskjermer. Noen mener at lokal visning på instrumentet da er overflødig og bruker instrumenter som kun har elektrisk tilkobling. Andre vil gjerne ha lokal visning av måleverdien som en ekstra sikkerhet, eller for å slippe å springe inn til kontrollrommet for se måleverdien når de er ute i anlegget. Figur 2.1 Eksempel på instrumenter for måling av trykk til "husbruk" og til industrielt bruk. Instrumentet til venstre er et rent mekanisk instrument for måling av lufttrykk (barometer). Lufttrykket på stedet hvor instrumentet er montert, påvirker mekanikken i instrumentet og viseren beveger seg. De to instrumentene i midten og til høyre er trykkinstrument for industrielt bruk. Instrumentet i midten har både display for visuell visning og kabeltilkobling for elektrisk overføring av måleverdien. Instrumentet til høyre har ingen visuell vising og overfører kun verdien elektrisk. Et måleinstrument med elektrisk overføring av måleverdi, består i praksis av to deler; et måleelement og en måleomformer. Målelementet er sensoren som registrerer den fysiske størrelsen, mens måleomformeren omformer den fysiske størrelsen til et elektrisk eller mekanisk signal. For eksempel skal en måleomformer for trykk omforme trykksignalet til et elektrisk eller mekanisk signal som varierer proporsjonalt med det påførte trykket. Mekaniske instrumenter blir forklart i senere moduler for hver enkelt type måling (trykk, temperatur osv..). I denne omgang skal vi først og fremst 5
konsentrere oss om måleomformere for elektriske signaler. Figur 2.2 Et instrument består av et måleelement og en måleomformer. Det elektriske signalet overføres gjerne til et sentralt styresystem i fabrikken hvor det brukes til styring og regulering. Slike styresystemer har fellesbetegnelse PLS (Programmerbar logisk styring). I tillegg overføres signalet til et skjermsystem slik at verdien kan lese. Slike skjermsystem har felles betegnelse HMI (Human Machine Interface). Figur 2.3 Instrumentet måler trykk og omformer dette til et elektrisk signal ved hjelp av en måleomformer. Signalet kan være et spenningssignal, strømsignal eller basert på datakommunikasjon (f.eks. ethernet). Signalet overføres til en PLS for styring og regulering, og HMI for visning på skjerm. 6
2.2 Måleomformere En måleomformer er en komponent som omformer en fysisk størrelse til et elektrisk signal. Måleomformere kan være separate enheter eller være innebygget i instrumenter. Vi skal nå se på noen begreper i tilknytning til måleomformere: Nedre målegrense: Øvre målegrense: Måleområde: Måleomfang: Nedre signalverdi: Øvre signalverdi: Signalområde: Signalomfang: Den laveste verdien måleomformeren kan håndtere. Den største verdien måleomformeren kan håndtere. Området fra nedre til øvre målegrense. Differansen mellom nedre og øvre målegrense (må ikke forveksles med måleområde). Det laveste elektriske signalet måleomformeren gir ut. Det største elektriske signalet måleomformeren gir ut. Området fra nedre til øvre signalverdi. Differansen mellom nedre og øvre signalverdi (må ikke forveksles med signalområde). Figur 2.4 Måleomformeren omformer en måleverdi av en fysisk størrelse, til et elektrisk signal. Måleomformeren kan håndtere et måleomfang mellom nedre og øvre målegrense. Dette omformes til en signalverdi der nedre signalverdi gis ut på utgangen ved nedre målegrense, og øvre signalverdi gis ut ved øvre målegrense. 7
Instrumentet og måleomformerens måleverdi er avhengig av hva du skal måle. Dersom du skal måle lufttemperaturen utendørs, velger du kanskje et instrument som kan måle fra 50 C til + 50 C. Dersom du skal måle temperaturen i et badebasseng, er det neppe nødvendig med et instrument som måler minusgrader. La oss si at du velger et instrument som måler fra 0 C til 40 C for badebassenget, og at det har en måleomformer som gir ut en signalverdi mellom 0 Volt og 10 Volt. Vi får da følgende: Måleomformerens inngang: Måleomformerens utgang: Nedre målegrense: 0 C Nedre signalverdi: 0 V Øvre målegrense: 40 C Øvre signalverdi: 10 Måleområde: 0..40 C Signalområde: 0..10 V Måleomfang: 40 C Signalomfang: 10 V Figur 2.5 Måleomformer for måleområdet 0..40 C inn og signalområde 0..10V ut. Legg merke til skrivemåten for måle- og signalområdet. Dersom man skriver 0 40 C i stedet for 0..40 C, kan det noen ganger oppstå tvil om tegnet " " er en bindestrek eller et minusfortegn. Derfor anvendes ofte prikker i stedet for bindestrek i slike sammenhenger. Det kan være vanskelig å se forskjell på begrepene omfang og område. La oss se på eksempelet med måling av temperatur på uteluft. Instrumentet skal måle fra -50 C til + 50 C. Måleomformeren gir tilsvarende ut et signal mellom 10 V og + 10 V. Vi får da følgende: Måleomformerens inngang: Måleomformerens utgang: Nedre målegrense: - 50 C Nedre signalverdi: -10 V Øvre målegrense: 50 C Øvre signalverdi: 10 V Måleområde: -50..50 C Signalområde: -10..10 V Måleomfang: 100 C Signalomfang: 20 V 8
Figur 2.6 Måleomformer for måleområdet -50..50 C inn og signalområde -10..10V ut. Forholdet mellom måleomformerens inngangsverdi og utgangsverdi kaller vi forsterkning. Forsterkningen forteller oss altså hvor mye utgangsverdien til måleomformeren endrer seg ved en endring i inngangsverdien. Forsterkningen kan regnes ut med følgende formel: Signalomfang Forsterkni ng= Måleomfang Dette gir følgende forsterkning måleomformeren i figur 2.6: Signalomfang 20 V Forsterkni ng= = = 0,2 V/ C Måleomfang 100 C Måleomformeren har en forsterkning på 0,2 V/ C. Det betyr at utgangssignalet på måleomformeren endrer seg med 0,2 Volt for hver grad Celsius. Forsterkningen er som nevnt forholdet mellom måleomformerens inngangsverdi og utgangsverdi. Det betyr at vi ved hjelp av forsterkning kan klare å beregne signalverdien dersom vi kjenner måleverdien, og omvendt. Slike beregninger er som regel enklest når nullpunktet er null altså at måleverdi og signalverdi starter på null. Dersom et instrument som måler temperatur for eksempel har måleområde 0..100 C og signalområde 0..10 V, kan vi ved enkel hoderegning finne ut at instrumentet skal gi ut 1 V ved 10 C, 2 V ved 20 C osv. Men hva om instrumentet har måleområde 50..100 C og signalområde 4..20 ma? Hvilken signalverdi kan vi forvente ut av instrumentet ved 75 C? For de fleste stopper nå muligheten for hoderegning, og vi må finne fram pen og papir. 9
Måleomformerens forsterkning forteller oss hvor stor endring vi får i signalverdi ut av instrumentet ved en endring i måleverdi inn på instrumentet. Vi får altså ikke ut selve signalverdien direkte, men kun hvor mye den endrer seg i forhold til en endring på måleverdien. Vi bruker den greske bokstaven Δ (delta) til å marker at vi snakker om endring i verdi. Δ Signalverdi = Δ Måleverdi Forsterkning Formelen viser altså at vi kan beregne endring i signalverdi ved å multiplisere endring i måleverdi med forsterkningen. For instrumentet med måleområde 50..100 C og signalområde 4..20 ma blir forholdet som vist på figur 2.7 nedenfor. Figur 2.7 Måleomformeren har måleområde på 50..100 C og signalområde4..20 ma. Ved temperatur 75 C (markert med ring) har vi en endring i måleverdi på 25 C. Det gir en endring i signalverdi på 8 ma. Måleområde 50..100 C gir et måleomfang på 50 C. Signalområde 4..20 ma gir et signalomfang på 16 ma. Dette gir følgende forsterkningen for måleomformeren: Signalomfang 16 ma Forsterkni ng = = = 0,32 ma/ C Måleomfang 50 C 10
Ved en temperatur på 75 C er endringen i måleverdi 25 C når vi tar utangspunkt i laveste måleverdi i måleområdet (50 C). Dette gi følgende endring i signalverdi: Δ Signalverdi = Δ Måleverdi Forsterkning = 25 C 0,32 ma/ C = 8 ma En endring i 25 C i måleverdi, gir altså en endring på 8 ma i signalverdi. Siden nedre signalverdien er 4 ma, får vi følgende signalverdi ut av måleomformeren. Signalverdi = Δ Signalverdi + Nedre signalverdi = 8 ma + 4 ma = 12 ma En måleverdi på 75 C gir altså en signalverdi på 12 ma. Dette stemmer også godt med den gragiske fremstillingen i figur 2.7. 2.3 Signaloverføring Når instumentet har registrert en fysisk størrelse og måleomformeren har konvertert den til et elektrisk signal, overføres signalet til en mottaker. Mottakeren kan være et styresystem (PLS), et skjermsystem (HMI), en datalogger eller en annen enhet som trenger informasjonen fra instrumentet. Signalet fra en elektrisk måleomformer er som regel ett eller flere av disse tre alternativene: - Spenningssignal - Strømsignal - Datakommunikasjon Datakommunikasjon kan både være en enkel punkt-til-punkt kommunikasjon mellom et instrument og et styresystem, eller mer avanserte nettverks- og feltbussløsninger hvor flere instrumenter og styresystemer henger sammen. Dette blir behandlet grundig i senere moduler i kurset. I denne omgang skal vi konsentrere oss om spennings- og strømsingaler. De mest vanlige signalområdene er som følger: Spenningssignal: Strømsignal: 0..5 V 1..5 V 0..10 V ± 10 V 0..20 ma 4..20 ma ± 20 ma Det er ingen eksakt fasit på hvilke signaltype som skal brukes i forskjellige sammenhenger. Vi skal se 11
på noen forhold som ha betydning for valg av signaltype. Negative måleverdier: Dersom målingen kan innta negative verdier kan det være hensiktsmessig å benytte en måleomformer som gir både positivt og negativ signal. En temperaturmåler med måleområde -50..50 C kan eksempelvis ha en måleomformer med signalområde ±10 V eller ± 20 ma. Det er også vanlig å benytte slike signalområder for måling av rotasjonshastighet dersom motoren kan rotere i begge retninger. Feildeteksjon: Velger du en måleomformer med et signalområde som starter høyere enn null, vil du ha mulighet til å overvåke målesløyfa og detektere et eventuelt sløyfebrudd (kabelbrudd). I en sløyfe med signalområde 4..20 ma vil aldri ha strøm lavere enn 4 ma i normal drift. Dersom et kabelbrudd oppstår, går strømmen til 0 ma og vi kan detektere dette som en feilsituasjon. Det vil ikke være mulig ved bruk av for eksempel et 0..20 ma eller 0..10 V signal. Utstyr: Ofte kan det ligge begrensinger i det utstyret du har tilgjengelig som påvirker valget av signaltype. Dersom du skal montere inn et nytt instrument i et eksisterende anlegg, og PLS-modulen instrumentet som skal tilkobles, bare støtter 4..20 ma, er valget som regel enkelt. Kabellengde: Alle kabler har en viss mostand som resulterer i et spenningsfall. Ved lange kabellengder mellom instrument og mottaker, kan et spenningssignal fra instrumentet være betydelig redusert når det når fram til mottakeren. Derimot er ikke et strømsignal like ømfintlig for kabellengder. Så lenge sløyfa er "tett" (ingen jordfeil eller liknende), vil strømmen være lik i hele sløyfa uansett kabellengde. Instrument U+ U- U Kabel U U PLS Figur 2.8 Ved spenningssignal sender instrumentet ut en spenning som mottakeren i andre enden av kabelen måler. Lange kabler forårsaker spenningsfall som gjør at spenningen ut av kabelen blir lavere enn spenningen inn på kabelen fra instrumentet. Instrument I+ I- I Kabel I PLS A Figur 2.9 Ved strømsignal sender instrumentet ut en strøm som mottakeren i andre enden av kabelen måler. Så lenge kabelen er "tett" vil strømmen være lik i hele sløyfa, uavhengig av kabellengde. 12
2.4 Aktive og passive instrumenter Instrumentene har forskjellig energibehov alt etter hvilket måleprinsipp de er basert på. Instrumenter med lavt energibehov klarer å hente den energien de trenger direkte ut av målesløyfa. Slike instrumenter kalles passive instrumenter. Instrumenter med høyere energibehov trenger en separat strømforsyning og kalles aktive instrumenter. Instrument +24VDC Kabel Power +24VDC 0V 0 V I+ I- I Kabel I PLS A Figur 2.10 Aktive instrumenter har separat strømforsyning (firelederkobling). Spenningsforsyningen kan for eksempel være 24 VDC eller 230 VAC. Instrument I+ I Kabel I Power +24VDC I- 0 V PLS A Figur 2.11 Passive instrumenter henter energien de trenger for å drive seg selv, direkte ut av målesløyfa. Instrumentet og mottakeren (PLS) er da koblet i serie (tolederkobling). Koblingen for et aktiv instrument kalles ofte for firelederkobling, fordi den krever fire ledere. På 13
tilsvarende måte kalles også koblingen for passive instrumenter ofte for tolederkobling. I aktive instrumenter med spenningsutgang kan spenningsforsyning og signalutgang benytte samme 0Vleder. Vi trenger da bare tre ledere og får en kobling som vist på figur 2.12 nedenfor. Power Instrument +24VDC Signal + 0V Kabel +24VDC 0 V PLS U Figur 2.12 Aktive instrumenter med spenningsutgang kan ha felles 0V-leder for spenningsforsyning og signalutgang. Dette gjør at instrumentet klarer seg med tre ledere (trelederkobling). Dersom man kommer i en situasjon hvor instrumentet har strømutgang, mens mottakeren kun har inngang for måling av spenning, kan dette løses ved å sette inn en motstand. Dersom strømutgangen er 0..20 ma, og vi setter inn en mostand på 500 Ω på klemmene hos mottakeren (som vist i figur 2.13 nedenfor), vil vi få et spenningsfall på 0..10 V over motstanden. U = I R = 20 ma 500 Ω = 10 V Vi har med andre ord "konvertert" et 0..20 ma strømsignal til et 0..10 V spenningssignal. Instrument I+ I Kabel I Power +24VDC I- 0 V PLS R U Figur 2.13 Et instrument med strømutgang (aktivt eller passivt) kan tilkobles en mottaker med spenningsinngang ved bruk av en motstand (R). 14
3 Håndholdte instrumenter Som automatiker benytter du håndholdte verktøy først og fremst som et arbeidsverktøy for måling av elektriske størrelser som strøm, spenning og mostand. I mange prosesser brukes også håndholdte instrumenter også for kontrollmåling av avleste verdier fra fastmonterte instrumenter. Vi skal se på noen av de mest vanlige instrumentene som benyttes. 3.1 Digitalt multimeter Digitalt multimeter er "universalinstrumentet" for de fleste fagfolk. Instrumenter måler de vanligste elektriske størrelsene som strøm, spenning og motstand. Figur 3.1 Digitalt multimeter. 3.2 Sløyfekalibrator Sløyfekalibrator ofte kalt "loop-kalibrator" er et instrument som brukes for å teste signalsløyfer. De fleste slike kalibratorer kan både måle og sende ut strøm- og spenningssignaler. Noen mer avanserte kalibratorer har også mulighet for å konfigurere instrumenter ved hjelp av datakommunikasjon (Hart). Figur 3.2 Kalibrator (loopkalibrator). Figurene nedenfor er hentet fra manualen til en sløyfekalibrator at type 709H fra Fluke. Figuren til 15
venstre viser kalibratoren koblet som amperemeter hvor den måler strømsignalet som enheten sender ut (4..20 ma). Kalibratoren simulerer den enheten som skal være tilkoblet signalutgangen (for eksempel en PLS), og denne modusen kalles på de fleste slike instrumenter for "simulate mode". Figuren til høyre viser kalibratoren i en modus hvor den sender ut et strømsignal til en enhet. Kalibratoren fungerer som en signalkilde, og denne modusen heter derfor "source mode". Figur 3.3 Kalibrator i "simulate mode" (til venstre) og "source mode" (til høyre). Enkelte prosessinstrumenter med veldig lavt energiforbruk, henter den energien de trenger direkte ut av målesløyfa såkalte "passive" instrumenter. Dersom du ønsker å kontrollere hvor mye strøm som går i sløyfa, må kalibratoren kobles i serie med måleinstrumentet slik som vist på figur 3.4. Figur 3.4 Kalibrator i målesløyfe med passivt instrument. 16
3.3 Prosessmeter En prosessmeter er et digitalt multimeter med innebygget sløyfekalibrator. Instrumentet har de samme funksjonene som de to instrumentene hver for seg. Figur 3.5 Prosessmeter. 3.4 Strømtang Med en strømtang kan man måle strømmen i en ledning uten at man trenger å koble seg elektrisk inn i kretsen. Tanga holdes rundt den aktuelle ledningen, og målingen utføres ved at tanga måler magnetfeltet som omgir ledningen. Det kan være en del forskjell i målenøyaktighet på de forskjellige instrumentene, og det er ikke alle som kan måle likestrøm. En strømtang som skal benyttes i automatiserte anlegg, bør kunne måle likestrøm og ma for å utføre målinger på signalsløyfer. Figur 3.6 Det er stor forskjell på strømtenger. Vær derfor nøye med å sjekke at tanga har de egenskapene du trenger. Tanga til venstre er for "grovere" målinger i vekselstrøms kretser, mens tanga til høyre er beregnet for måling på signalsløyfer. 17
3.5 Oscilloscop Ved behov for en grundigere analyse av digitale og analoge signalutvekslinger, kan det være nyttig med et bærbart oscilloscop. Et slikt instrument gir deg blant annet mulighet til å avdekke eventuelle problemer med støy og forstyrrelser på signalkablene. Figur 3.7 Bærbart oscilloscop. 3.6 Installasjonstestere Installasjonstestere er først og fremst beregnet på kontroll av elektriske installasjoner (lavspenningsanlegg). Et slikt instrument utfører alle de målinger som er påkrevd å utføre under en sluttkontroll av en elektrisk installasjon. Instrumentet kan blant annet benyttes til spenningstest, kontinuitetstest, måling av isolasjonsmotstand, test av jordfeilvern og måling av kortslutningsstrømmer. Figur 3.8 Installasjonstester. 18
3.7 Termokamera Et termokamera tar bilde av infrarød stråling og kalles ofte for "IR-kamera". Den infrarøde strålingen forteller noe om temperaturen til objektene som tas bilde av. Slike kameraer kan være nyttige for å avdekke uønsket varmgang, for eksempel som følge av dårlig kontakt i en koblingsklemme. Potensielle problemer kan avdekkes før de gjør skade, uten at man trener å røre anlegget. Figur 3.9 Termokamera. 4 Målenøyaktighet 4.1 Statisk og dynamisk nøyaktighet Med målenøyaktighet mener vi graden av samsvar mellom den målte verdien og den faktiske verdien. Vi skiller gjerne mellom statisk- og dynamisk nøyaktighet. Med dynamisk nøyaktighet mener vi hvor godt målingen klarer "å hegne med" ved en endring i den fysiske størrelsen. La oss si at vi skal utføre en temperaturmåling i en vanntank. Temperaturen stiger brått fra temperatur "t1" til temperatur "t2" ved tilførsel av varmt vann, og det tar litt tid før temperaturinstrumentet kommer opp på korrekt verdi ("t2"). Instrumentet har altså en viss treghet og vil derfor vise feil verdi et kort øyeblikk etter at endringen i den fysiske størrelsen har skjedd. Jo raskere endringen skjer, jo større blir avviket. Dersom temperaturendringen i vannet skjer veldig sakte, blir det dynamiske avviket så lite at vi som regel ser bort fra det. 19
C t2 t1 Responstid tid Figur 4.1 Den sorte kurven viser den faktiske temperaturen på vanntanken, mens den blå viser utgangsverdien fra måleinstrumentet. Instrumentet har en viss treghet og klarer ikke helt å henge med på raske endringer. Dette avviket kaller vi "dynamisk nøyaktighet". Med statisk nøyaktighet mener vi instrumentets nøyaktighet etter at alle dynamiske forhold har stabilisert seg. Statisk nøyaktighet kan spesifiseres på seks måter: 1. Oppløsningsevne 2. Repeterbarhet 3. Reproduserbarhet 4. Hysterese 5. Linearitet 6. Aldring 4.2 Oppløsningsevne Med oppløsningsevne mener vi den minste størrelsen som kan måles med et instrument. Figur 4.2 viser en vanlig meterstokk hvor den minste inndelingen er 1 mm. Den minste størrelsen vi er i stand til å måle, er derfor 1 mm. Vi sier da at meterstokkens oppløsning er 1 mm. Figur 4.2 En meterstav med en oppløsning på 1 mm. 20
4.3 Repeterbarhet og reproduserbarhet Med repeterbarhet mener vi hvor nøyaktig et instrument kan gjengi samme verdi ved gjentatte målinger under like forhold og betingelser. Målingene skal utføres: - med samme instrument - på samme lokasjon og under samme forhold - med samme fremgangsmåte - av samme observatør (person som leser av måling) - innenfor et kort tidsrom Med reproduserbarhet mener vi også hvor nøyaktig instrumentet kan gjengi samme verdi ved gjentatte målinger, men under forskjellige forhold og betingelser. Målingen skal altså utføres på forskjellige steder under forskjellige forhold, og kunne utføres av forskjellige personer. Repeterbarhet og reproduserbarhet angir instrumentets største forskjell mellom måleverdi og referanseverdi (ideell måleverdi) i prosent av måleområdet. Figur 4.3 Et instruments repeterbarhet og reproduserbarhet angir et instruments evne til å gjengi samme verdi ved gjentatte målinger under henholdsvis like og forskjellige betingelser. 4.4 Hysterese Med hysterese mener vi at samme inngangssignal kan gi forskjellig utgangssignal, avhengig av om verdien stiger eller synker. Hysterese skyldes ofte treghet, mekanisk dødgang ("slark") eller friksjon, og angis normalt i prosent av hele måleområdet. Figur 4.4 viser kurven for en posisjonsindikator på en ventil med noe mekanisk dødgang. Posisjonsindikatoren henger litt etter, slik at den på tur mot åpen posisjon viser en litt mindre verdi en faktisk ventilåpning, mens den mot lukket posisjon viser noe større verdi. Dette gjør at vi ved samme ventilåpning vil få forskjellig avlesning avhengig av om ventilen er på tur til å åpne eller å lukke. 21
Figur 4.4 Posisjonsindikator for en ventil med mekanisk dødgang. Kurven viser at indikatoren har et hystereseavvik. 4.5 Linearitet (konformitet) Med linearitet også kalt konformitet mener vi hvor godt måleinstrumentets kurve samsvarer med kurven for den fysiske størrelsen som måles (referansekurve). Linearitet angis ved største avvik mellom referansekurve og instrumentets kurve. Figur 4.5 Instrumentets linearitet angir hvor godt instrumentets kurve følger samme kurve som den fysiske størrelsen det skal måle. 22
4.6 Aldring Instrumenter kan utsettes for forurensning, temperaturendringer og andre påvirkninger fra sine omgivelser, eller for forskjellige typer slitasje. Etter hvert som instrumentet blir eldre, vil disse forholdene også kunne påvirke målenøyaktigheten. Slike avvik kalles aldring. 4.7 Avvik Med avvik mener vi hvor mye feil vi har i måleverdien i forhold til den faktiske verdien. Dersom et instrument viser 52 C, men den faktiske verdien er 50 C, har vi et avvik på 2 C. Produsentene av instrumenter angir som regel avviket i instrumentets datablad. Avvik angis enten i den aktuelle måleenheten eller som prosent av måleomfanget. Figur 4.6 viser et eksempel på hvordan avviket kan angis for et trykkinstrument fra Vega (det engelske ordet for avvik er "deviation"). Figur 4.6 Tekniske data for en trykkmåler av type "Vegabar 14" fra Vega. Databladet oppgir et måleområde på -1...60 bar for instrumentet. Det gir et måleomgang på 61 bar. Vi kan da regnet ut instrumentets avvik i bar på følgende måte: Avvik i prosent 0,3 % Avvik = Måleomfang = 61bar = 0,183 bar 100 % 100 % Det betyr at vi må regne med et maksimalt avvik på ± 0,183 bar i trykkmålinger hvor dette instrumentet brukes. Merk at avviket er like stort over hele måleområdet. Vi må altså regne med et avvik på ± 0,183 bar både når vi måler 1 bar og når vi måler 60 bar. Figur 4.7 viser spesifikasjon for en ultralydsensor for nivåmåling fra Siemens. Instrumentets måleomfang (Range) kan programmeres fra minimum 0,3 m til maksimalt 15 m. Vi ser at avviket er angitt til den verdien som er størst av 6 mm eller 0,25 % av måleområdet. 23
Figur 4.7 Tekniske data for Sitrans Multirange 100/200 ultralyd nivåsensor fra Siemens. Ved et måleomfang på 2 meter får vi følgende avvik: Avvik i prosent 0,25 % Avvik = Måleomfang = 2 m = 0,005m = 5 mm 100 % 100 % Beregningene viser at instrumentet vil ha et avvik på ± 5 mm, men vi husker at databladet sa at avviket aldri vil være mindre enn ± 6 mm. Det betyr at avviket ved et måleomfang på 2 meter, vil være ± 6 mm. Ved maksimalt måleomfang på 15 meter får vi følgende beregning: Avvik i prosent 0,25 % Avvik = Måleomfang = 15 m = 0,0375m = 37,5 mm 100 % 100 % Det beregnede avviket på ± 37,5 mm er større enn minimumsavviket på ± 6 mm. Avviket ved maksimalt måleomfang på 15 meter, er altså ± 37,5 mm. 5 Kalibrering Med kalibrering mener vi en justering av instrumentets nøyaktighet ved å sammenlikne det mot en kjent størrelse eller et annet instrument med kjent nøyaktighet. Formålet med kalibrering er som regel å forbedre instrumentets nøyaktighet. Noen instrumenter kan kalibreres direkte på montasjested, mens andre må sendes inn til et laboratorium eller kalibreringsverksted. 5.1 5-punktssjekk Ved kalibrering er det vanlig å utføre en 5-punkssjekk. Det innebærer at du plukker ut fem sjekkpunkter over hele måleområdet fra minste til største verdi. Vanligvis brukes 0%, 25%, 50%, 75% og 100% av instrumentets måleomfang. Ved hvert av punktene noterer du ned den faktiske verdien, sammenlikner den med den ideelle verdien og beregner avviket. Dette er vanlig å gjøre både for stigende og synkende verdi. Tabell 5.1 viser eksempel på en 5-punktssjekk for en nivåmåling i tank på 24
5 meter hvor kontroll av nivåinstrument er gjort mot en målestav i tanken. Ideell verdi Stigende verdi Synkende verdi Målt verdi Avvik Målt verdi Avvik 0 m 0,01 m + 0,01 m 0,03 m + 0,03 m 1,25 m 1,28 m + 0,03 m 1,27 m + 0,02 m 2,50 m 2,49 m - 0,01 m 2,51 m +0,01 m 3,75 m 3,72 m - 0,03 m 3,74 m - 0,01 m 5, 00 m 4,97 m - 0,03 m 4,97 m - 0,03 m Tabell 5.1 5-punktssjekk for stigende og synkende nivåmåling i tank. Målt verdi kan også være angitt som et strømsignal (ma) eller spenningssignal (V) dersom det er mer hensiktsmessig eksempelvis om instrumentet ikke har display eller liknende for lokal avlesing. Før 5-punktssjekk utføres, bør grenseverdier for maksimalt avvik avklares. Dersom avviket er innenfor grensene, er instrumentet godkjent. Dersom avviket er større enn grenseverdien, må instrumentet kalibreres. 5.2 Kalibrering Fremgangsmåte for kalibrering vil variere sterkt ut fra instrumenttype, måleprinsipp, leverandør og tilgjengelige verktøy. Moderne instrumenter er ofte utstyrt med programvare og dataverktøy for kalibrering, og man er nødt til å sette seg inn i produsentens manualer. Vi skal nå se på den "tradisjonelle" fremgangsmåten for instrumentkalibrering. Prinsippet vil i de fleste tilfeller være likt også ved programmerbare instrumenter, bare at man bruker andre verktøy. Et tradisjonelt instrument er utstyrt med to justeringsmuligheter; "Zero" og "Span": - "Zero" justerer nedre målegrense (nullpunkt for måling) - "Span" justerer måleomfanget Vær oppmerksom på at vi justerer måleomfanget og ikke øvre målegrense, slik mange tror. Det betyr at justering på den ene verdien, vil påvirke den andre. Vi må altså finne den kombinasjonen som gir mest korrekt måling. Fremgangsmåten er som følger: 1. Gjør klart kalibreringsoppsettet 2. Bestem testpunkter for 5-punkssjekken og avklar grenseverdi for avvik 3. Utfør en 5-punktssjekk og beregne avvik 4. Juster nullpunktet ("Zero") dersom det er nødvendig 5. Kontroller punktene opp til 100 % og juster måleomfanget ("Span") dersom det er nødvendig 6. Kontroller punktene ned til 0 % 7. Repeter punkt 2 til 4 inntil instrumentet har ønsket nøyaktighet 25
5.3 Justering av måleområde Måleinstrumenter får som regel best nøyaktighet dersom måleområdet gjøres minst mulig. Det betyr at måleområdet bør passe så godt som mulig til den målingen som skal utføres. Skal du måle utetemperatur, er det unødvendig å bruke et instrument med måleområdet -500 500 C. Da passer et instrument med måleområdet -50 50 C mye bedre. Målingen vil også bli mer nøyaktig, spesielt om signalet skal overføres til et styresystem. Slike systemer har normalt en oppløsning som må deles over hele måleområdet, og jo større måleområdet blir, jo grovere blir da oppløsningen. Dersom vi har en oppløsning på 1000 steg på en PLS, vil vi få en oppløsning på 0,5 C på det første instrumenter. Temperaturvisningen vil altså hoppe i steg på 0,5 C. På det andre instrumentet vil oppløsningen bli 0,05 C. PLS'en er den samme, men vi har et instrument med mindre måleområdet. For noen typer instrumenter finnes det ikke noe stort utvalg av måleområder. Der må man ofte kjøpe et standard instrument, og justere inn måleområdet slik at det passer best mulig med målingen som skal utføres. På noen instrumenter kan måleområdet kan måleområdet programmeres ved hjelp av dataverktøy. Dersom slike muligheter ikke finnes, kan kablibreringsmetoden beskrevet i kapittel 5.2 benyttes. Mange sier derfor noe feilaktig at de "kalibrerer" instrumentet når de egentlig bare justerer måleområdet. 5.4 Sporbarhet I begynnelsen av dette kapitlet, så vi at kalibrering betyr å sammenlikne et instrument mot en annet med kjent nøyaktighet altså et referanseinstrument. Men hvordan kan vi kjenne nøyaktigheten til referanseinstrumentet? Instrumentet har kanskje et merkeskilt eller datablad hvor nøyaktigheten er oppgitt, men det er jo ikke sikkert at instrumentet faktisk har denne nøyaktigheten? Dessuten må jo også referanseinstrumentet må være kalibrert mot et annet referanseinstrument som er enda mer nøyaktig, og det er her begrepet sporbarhet kommer inn. Sporbarhet betyr av vi må kunne spore oss tilbake til de kalibreringene som er utført på referanseinstrumentene vi bruker under en kalibrering. Det kan hende at vi får en lang rekke med kalibreringer fra referanseinstrument til referanseinstrument som til slutt ender opp i en nasjonal eller internasjonal målenormal. En målenormal er en referanse som definerer en måleenhet. For eksempel er den internasjonale målenormalen for kilogram et lodd som er oppbevart i Paris. Dersom du skal kalibrere et vektsystem, vil sporbarhet bety at du kan dokumentere kalibreringen fra instrument til instrument helt tilbake til kilogramloddet i Paris. 26