Smart Instrumentering, Trykmåling. Kursuskode: E0170

Transkript

1 Noget om tryk og tryk-enheder: Normaltryk Begrebet Normaltryk eller Standardtryk anvendes typisk som reference i forbindelse med opgivelsen af stoffers fysiske egenskaber; f. eks massefylde og kogepunkt. Der findes flere definitioner på Normaltryk ; de mest almindelige er: P 0 = [Pa] = 1 [atm] (fysisk atmosfære) P 0 = [Pa] = 1 [bar] Normaltrykket er en gennemsnitsværdi for trykket udøvet af jordens atmosfære, målt ved havets overflade. Over- og undertryk Hvis en trykmåling udføres med reference til atmosfæretrykket, kan målingen være større end referencen (overtryk) eller mindre end referencen (undertryk; vakuum). Måling i forhold til atmosfæretrykket benævnes også gauge. Hvis intet er angivet på måleinstrumentet, kan man næsten med 100 % sikkerhed gå ud fra, at instrumentet måler i forhold til atmosfæretrykket. For at fjerne enhver tvivl opgives måleenheden med tillæg for målemetode. Eks [bar g ]. Vær opmærksom på at den anvendte tryktransducer har fysisk forbindelse med den omgivende atmosfære. Støv, skidt og maling kan forårsage betydelige målefejl. Absolut tryk Normaltrykket er 760 [mmhg], men det daglige lufttryk kan variere mellem ca. 730 [mmhg] og 790 [mmhg]. I forbindelse med måling af meget lave tryk (stort vakuum) i lukkede processystemer, er det nødvendigt at have en fast reference, som er det absolutte vakuum (altså ingen tryk). Målingen er absolut, og måleværdien er altid en positiv størrelse. Måleenheden opgives med tillæg for målemetode. Eks [bar a ]. Dato: Side 1 af 1 Rev: Filnavn: UDG: 1

2 Overtryk Vakuum Absolut tryk Atmosfære tryk Absolut nul Differens tryk Her måles forskellen mellem to tryk. Måleinstrumentet (transmitteren) har to procestilslutninger, som typisk er benævnt: HP = High pressure (højt tryk) LP = Low pressure (lavt tryk) Transmitteren giver et standard udgangssignal, som er udtryk for forskellen mellem de to tryk. Output = HP - LP Dato: Side 2 af 2 Rev: Filnavn: UDG: 1

3 Enheden [bar] Ordet bar stammer fra Græsk, og betyder egentlig vægt. Enheden blev accepteret internationalt i 1929, og er stadig meget brugt som enhed for tryk. 1 [bar] = 1 [dan/cm 2 ] 1 [kg/cm 2 ] 10 mvs Enheden [Pa] SI enheden for tryk er Pascal [Pa]. Opkaldt efter den franske fysiker og matematiker Blaise Pascal. Enheden er en lille størrelse, så derfor anvendes i praksis ofte [kpa] og [Mpa]. 100 [kpa] = 0,1 [MPa] = 1 [bar] Enheden [mmhg] eller [Torr] Enheden er opkaldt efter Evangelista Torricelli, som var en italiensk fysiker der opdagede princippet i barometret i Anvendes i proces-teknisk sammenhæng til måling i forbindelse med meget lave tryk. Enheden [at] teknisk atmosfære 1 [at] = 1 kp/cm 2 Kilopond [kp] er en tidligere anvendt enhed for kraft. Er defineret som det tryk en masse på 1 [kg] udøver i jordens tyngdefelt. Jordens tyngdeacceleration varierer med den geografiske position, men definitionen for 1 [kp] er fastlagt til: 1 [kp] = 9,80665 [m/s 2 ] = 9,80665 [N] Enheden [atm] fysisk atmosfære 1 [atm] = 760 [mmhg] Enheden er knyttet til den oprindelige definition for normaltrykket. Dato: Side 3 af 3 Rev: Filnavn: UDG: 1

4 Kursus kode: E0170 Omregning af enheder for tryk: Opgave 1: Omskriv følgende værdier til [bar]: 3 [psi] = [bar] 15 [psi] = [bar] 20 [psi] = [bar] 9 [psi] = [bar] Opgave 2: Omskriv følgende værdier til [psi]: 0,2 [bar] = [psi] 1,0 [bar] = [psi] 1,4 [bar] = [psi] 0,6 [bar] = [psi] Opgave 3: Omskriv følgende værdier til [kpa]: 0,2 [bar] = [kpa] 1,0 [bar] = [kpa] 1,4 [bar] = [kpa] 0,6 [bar] = [kpa] Dato: Side 1 af 1 Rev: Filnavn: UDG: 1

5 Kursus kode: E0170 Omregningstabel for standardsignaler: Fra [%] til [ma]: (4 20 [ma]) ma = ( 20 4) % + 4 = 100 ( 0,16 %) + 4 Fra [%] til [psi]: (3 15 [psi]) psi = ( 15 3) % + 3 = 100 ( 0,12 %) + 3 Fra [%] til [bar]: (0,2 1 [bar]) bar = ( 1 0,2) % + 0,2 = 100 ( 0,008 %) + 0, 2 Eksempel: Hvor mange [psi] svarer til et processignal på 55 [%]? psi = ( 0,12 55) + 3 = 6,6 + 3 = 9, 6 Dato: Side 1 af 1 Rev: Filnavn: UDG: 1

6 Kursus kode: E0170 Proces- Signal [%] 4-20 [ma] 3-15 [psi] 0,2-1 [bar) 0 4,00 3,00 0, ,00 15,00 1,00 Dato: Side 2 af 2 Rev: Filnavn: UDG: 1

7 Anvendelse og montage af tryktransmittere: (de anvendte illustrationer er fra Endress+Hauser s kompendium vedrørende trykmåling) Indholdsmåling En meget udbredt anvendelse af tryktransmittere er i forbindelse med indholdsmåling. Princippet benævnes hydrostatisk måling. Ved montagen af tryktransmitteren skal det sikres at slam og andre aflejringer ikke medfører en målefejl. Desuden skal det sikres, at transmitteren er i hydraulisk kontakt med mediet. I praksis betyder dette at luftlommer skal undgås, idet disse vil medføre målefejl. Hvis transmitteren ikke kan monteres direkte på beholdere eller rørføring, må der anvendes såkaldte impulsrør til at overføre procestrykket til transmitteren. Der skal tages højde for den væskesøjle det står i impulsrøret i forbindelse med konfigurering af tryktransmitteren. Det kan være hensigtsmæssigt at montere en afspærringsventil, således at transmitteren kan afmonteres under drift. Desuden kan der etableres et ventilarrangement således at impulsrørene kan skylles rene for urenheder (purging). Dette kan eventuelt foregå med procesmediet. Trykmåling ved væsker Ovenstående forhold gør sig også gældende ved måling at procestrykket, når det drejer sig om væsker. Dato: Side 1 af 1 Rev: Filnavn: UDG: 1

8 Trykmåling ved gasser Ved måling på gasser bør transmitteren monteres højere end målestedet, således at kondensat kan løbe væk. En uhensigtsmæssig montage kan forårsage store feljbidrag, idet det givne kondensat har meget større massefylde end den tilhørende gas. I forbindelse med trykmåling på gasser med høje temperaturer, kan det være nødvendigt at anvende impulsrør fyldt med et passende spærremedie. Impulsrørets udformning giver en kølende virkning, og samtidig virker det som vandlås for spærremediet. Ved opstart af anlæg, skal det sikres at impulsrørene er fyldt med spærremedie. Dette kan sikres ved hjælp af et passende ventilarrangement. Hvis impulsrøret er dimensioneret korrekt vil den naturlige kondensation af gassen sikre, at tryktransmitteren ikke lider termisk overlast. Figurene ovenfor viser impulsrør udformet som U-rør og grisehale. Dato: Side 2 af 2 Rev: Filnavn: UDG: 1

9 En typisk SMART tryktransmitters opbygning: Dato: Side 1 af 1 Rev: Filnavn: UDG: 1

10 Differens- og overtryk transmitter Procestrykket overføres via skillemembranerne og fyldemediet til den kapacitive sensor. Ændringen af kapaciteten i målecellen aftastes elektronisk og konverteres til digital form. Herefter er det muligt at korrigere for mindre unøjagtigheder i målecellen, altså en kalibrering, som foretages af fabrikanten. Nu kan målesignalet skaleres, dæmpes, tildeles ingeniørenheder med videre. Til sidst foretages der er konvertering (D/A konvertering) til det analoge 4-20 ma standardsignal. Principdiagram af differens- og overtryk transmitter Dato: Side 2 af 2 Rev: Filnavn: UDG: 1

11 Absolut tryk transmitter Procestrykket overføres via skillemembranen og fyldemediet til den piezoresistive silicium sensor, som består af en Wheatstone målebro udført med silicium modstande der er pådampet et silicium substrat. Det tilførte tryk forårsager en lille deformation af silicium substratet, som forårsager en ubalance i målebroen. Dette detekteres elektronisk og konverteres til digital form. Herefter er det muligt at korrigere for mindre unøjagtigheder i målecellen, altså en kalibrering, som foretages af fabrikanten. Nu kan målesignalet skaleres, dæmpes, tildeles ingeniørenheder med videre. Til sidst foretages der er konvertering (D/A konvertering) til det analoge 4-20 ma standardsignal. Principdiagram af absolut tryk transmitter Dato: Side 3 af 3 Rev: Filnavn: UDG: 1

12 Notat vedrørende kvadratrods uddragning I forbindelse med anvendelse af differenstryk transmittere til flowmåling (restriktionsmålere) anvendes kvadratrodsfunktionen. Ved små procesinput bliver kurvens stigning meget voldsom, med risiko for et ustabilt og svingende outputsignal. For at undgå dette, er overføringsfunktionen lineær på det første lille stykke. Skiftet fra lineær til kvadratrod foregår automatisk med en glidende overgang. Funktionen er ikke justerbar. Skiftet sker ved 0,8 % af måleområdet eller 9 % af outputområdet i transmittere med revision 5.2 software eller senere. I tidligere software var skiftet ved 4 % af måleområdet eller 20 % af outputområdet. Omregning mellem ma og % ma = 0,16 * % + 4 % = (ma-4) / 0,16 Dato: Side 4 af 4 Rev: Filnavn: UDG: 1

13 Tryk til flow output konvertering Konvertering fra et givet procestryk indenfor måleområdet til en % værdi for flowet (output), gøres på følgende måde: 1. Udtryk procestrykket som % af måleområdet 2. Multiplicer kvadratroden af procentværdien med 10 Eksempel En Rosemount model 3051C tryktransmitter er sat til kvadratrodsuddragning, måleområdet er 0-50 [kpa] og den aktuelle måleværdi er 32 [kpa]. Beregn % værdien for flowet [ kpa] [ kpa] 100 = 64% 2. 64% 10 = 80% ( af outputområdet) Strømforsyning Transmitteren kan arbejde med forsyningsspænding mellem 10,5 og 55 volt. Når der anvendes HART kommunikation må spændingen ikke være lavere end 14,5 volt, og loop modstanden skal være større end 250 ohm. (CSA: Canadian Standards Association) Dato: Side 5 af 5 Rev: Filnavn: UDG: 1

14 Kursus kode: E0170 Justering af tryktransmitter for niveaumåling: Åben beholder Nødvendige data: X Y LT X = lodret afstand mellem min. niveau og max. niveau [m]. Y = lodret afstand mellem transmitterens centerlinje og min. niveau [m]. ρ = mediets massefylde [kg/m 3 ] g = tyngdeaccelerationen [m/s 2 ] Det udøvede tryk beregnes som: Der anvendes SI enheder: Afstanden i [m] Massefylden i [kg/m 3 ] Tyngdeaccelerationen i [m/s 2 ] Trykket = Afstanden x Massefylden x Tyngdeaccelerationen P 1 = max. tryk i defineret måleområde (området X) P 2 = tryk af residual mængde (området Y) Måleområdet defineres som: 0 % (4 ma) = P % (20 ma) = P 2 + P 1 Dato: Side 1 af 1 Rev: Filnavn: UDG: 2

15 Kursus kode: E0170 Eksempel: X = 10 [m] Y = 0,5 [m] ρ = 890 [kg/m 3 ] (vegetabilsk olie) g = 9,81 [m/s 2 ] (standardværdi) P 1 = X * ρ * g = 10 [m] * 890 [kg/m 3 ] * 9,81 [m/s 2 ] = [Pa] = 87,3 [kpa] P 2 = Y * ρ * g = 0,5 [m] * 890 [kg/m 3 ] * 9,81 [m/s 2 ] = 4365 [Pa] = 4,4 [kpa] Måleområdet konfigureres som: 0 % (4 ma) = P 2 = 4,4 [kpa] 100 % (20 ma) = P 2 + P 1 = 4,4 [kpa] + 87,3 [kpa] = 91,7 [kpa] Dato: Side 2 af 2 Rev: Filnavn: UDG: 2

16 Kursus kode: E0170 Lukket beholder Nødvendige data: X Y LT Z X = lodret afstand mellem min. niveau og max. niveau [m] Y = lodret afstand mellem transmitterens centerlinje og min. niveau [m] Z = lodret afstand mellem max. niveau i det våde ben og transmitterens centerlinje [m] ρ 1 = procesmediets massefylde [kg/m 3 ] ρ 2 = fyldemediets massefylde [kg/m 3 ] g = tyngdeaccelerationen [m/s 2 ] Det udøvede tryk beregnes som: Der anvendes SI enheder: Afstanden i [m] Massefylden i [kg/m 3 ] Tyngdeaccelerationen i [m/s 2 ] Trykket = Afstanden x Massefylden x Tyngdeaccelerationen P 1 = max. tryk i defineret måleområde (området X) P 2 = tryk af residual mængde (området Y) P 3 = tryk af fyldemediet i det våde ben (området Z) Måleområdet defineres som: 0 % (4 ma) = P 2 P % (20 ma) = (P 2 + P 1 ) P 3 Dato: Side 3 af 3 Rev: Filnavn: UDG: 2

17 Kursus kode: E0170 Eksempel: X = 10 [m] Y = 0,5 [m] Z = 12 [m] ρ 1 = 890 [kg/m 3 ] (vegetabilsk olie) ρ 2 = 1000 [kg/m 3 ] (vand) g = 9,81 [m/s 2 ] (standardværdi) P 1 = X * ρ 1 * g = 10 [m] * 890 [kg/m 3 ] * 9,81 [m/s 2 ] = [Pa] = 87,3 [kpa] P 2 = Y * ρ 1 * g = 0,5 [m] * 890 [kg/m 3 ] * 9,81 [m/s 2 ] = 4365 [Pa] = 4,4 [kpa] P 3 = Z * ρ 2 * g = 12 [m] * 1000 [kg/m 3 ] * 9,81 [m/s 2 ] = [Pa] = 117,7 [kpa] Måleområdet konfigureres som: 0 % (4 ma) = P 2 - P 3 = 4,4 [kpa] 117,7 [kpa] = -113,3 [kpa] 100 % (20 ma) = (P 2 + P 1 ) P 3 = (4,4 [kpa] + 87,3 [kpa]) 117,7 [kpa] = -26 [kpa] Dato: Side 4 af 4 Rev: Filnavn: UDG: 2