6.1 Mittaustekniikka

Mittaustekniikka

Mittaustaito on ollut ja on edelleen yhteiskunnan kehityksen kannalta olennainen. Luultavasti ihminen alkoi ensin mitata pituutta, aikaa ja massaa.

Mittaustekniikka tutkii sitä, millaisilla laitteilla ja menetelmillä mittaukset voidaan ja pitää tehdä, jotta tulokset olisivat riittävän oikeita, ja tiedettäisiin mittausvirheen mahdollinen suuruus.

Mittaustietojen käyttötarkoitus voidaan jakaa kolmeen ryhmään:

• halutaan määrittää järjestelmän tila

• halutaan tutkia järjestelmän ominaisuuksia

• halutaan säätää järjestelmän käyttäytymistä

• Prosessin validointi (järjestelmä toimii kuten on suunniteltu ja että prosessi pysyy

aina sellaisessa tilassa, jossa se tuottaa oikeanlaista lopputuotetta)

• Prosessin turvallisuus

Mittaussignaalin muodostuminen

Mittausarvo muodostuu kun mittausanturi muuttaa mitattavaan suuren joksikin toiseksi

havaittavaksi tai edelleen muutettavaksi suureeksi.

Mittamuunnin/lähetin muuttaa saadun signaalin vähemmän häiriöherkäksi sähköiseksi suureeksi, sandardiviestiksi.

Standardiviestit mittamuuntimista ja lähettimistä siirretään tulkittavaksi ja visualisoitavaksi esimerkiksi automaatiojärjestelmään. Mittamuunnin sijaitsee yleensä mittaanturin välittömässä läheisyydessä, esimerkiksi kenttäkotelossa lähelle prosessia.

Ristikytkennässä kentältä tulevat kaapelit kiinnitetään riviliittimiin, josta signaalit viedään ristikytkentäkaapeleilla toisille riviliittimiltä. Riviliittimiltä viedään signaalit johtimilla  automaatiojärjestelmän tulokorttien tuloihin.

Ristikytkennässä voidaan mitata kentältä tulevia signaaleja, asentaa sinne erilaisia vahvistimia, muuntimia ja suodattimia ja muuttaa signaalien kytkentöjä.

Signaalin käsittely tapahtuu esimerkiksi automaatiojärjestelmässä, jossa se vaikuttaa säätöön ja sitä voidaan monitoroida sekä tallentaa.

Sähköiset viestityypit

Sähköiset analogiset anturiviestit

Yksinkertaisin signaalin siirtotapa on anturisignaalin siirtäminen jatkuvana vaihtelevana analogisena jänniteviestinä. Analogisen jänniteviestin amplitudi sisältää mittauksen arvon.

Yleisimmin käytetyt jänniteviestit ovat:
0 – 5 V,

0 – 10 V,

1 – 5 V, 

-5 – +5 V 

-10 – +10 V.

Pidemmillä signaalinsiirtomatkoilla johtimien resistanssi kasvaa ja samalla jännitesignaali heikkenee. Signaalin heikkenemistä ei esiinny pitkilläkään siirtomatkoilla (satoja metrejä),

kun anturisignaalin siirtoon käytetään analogista virtaviestiä. 

Virtaviesti on myös häiriösietoisempi jänniteviestiin verrattuna.  Yleisimmin käytetty virtaviesti on 4 – 20 mA. Myös viestiä 0 – 20 mA käytetään.

Nollatilassa virtaviestiä 4 – 20 mA lähettävän anturin ulostulo on 4 mA ja johdon katketessa ulostulo putoaa arvoon 0 mA. Käytäntö mahdollistaa myös virransyötön mittauslaitteelle.

Signaali vaimenee ja vääristyy siirrettäessä.  Lisäksi siirtotiellä signaaliin summautuu kohinaa

Signaalia vahvistettaessa vahvistetaan samalla myös häiriötä. Vääristymiä voidaan korjata hyvin rajoitetusti, koska häiriötä ei voida erottaa varsinaisesta signaalista.

Analogisen signaalin laatua mitataan signaali-kohina-suhteella (Signal-to-Noise Ratio, SNR)

SNR kertoo hyötysignaalin määrän taustakohinaan nähden. Mitä suurempi SNR, sitä parempilaatuinen signaali on kyseessä. Esimerkiksi SNR = 20 dB tarkoittaisi, että signaali on 20 dB eli 100 kertaa voimakkaampi kuin kohina (arvo kaksinkertaistuu 3 dB:n välein).

Digitaaliset viestit

Analogia digitaalimuunnos

Analogisten anturisignaalien muuntamiseen digitaaliseen muotoon digitaalisia laitteita

varten.  A/D-muunnoksessa on kaksi vaihetta:

• näytteenottovaihe

• mittaustuloksen kvantisointivaihe

Näytteenottovaiheessa analogiasignaalista otetaan mittausarvoja talteen tasavälein. Näytteenoton tuloksena saadaan signaali, joka voidaan esittää impulssijonona.

Kvantisointivaiheessa impulssijono muunnetaan digitaaliseen binäärimuotoon, jossa kukin mittausarvo kuvataan tietyn suuruisena lukuna A/D-muuntimen tarkkuuden mukaan. A/D-muunnin voi mallista riippuen käsitellä esimerkiksi jänniteviestejä (0 – 10 V) tai virtaviestejä (4 – 20 mA).

Digitaalinen anturisignaali on diskreetin mittaustiedon siirtoa jännitepulssijonoilla. Digitaalisignaalin siirrossa analoginen anturisignaali muunnetaan ensin A/Dmuuntimella

digitaaliseen binäärimuotoon. Tämän jälkeen digitaaliviesti siirretään pulssijonoina eteenpäin, jolloin tasaleveillä jännitepulsseilla kuvataan binääritilat 0 ja 1.

Digitaalisen anturisignaalin siirtämiseen on käytössä useita eri protokollia, mutta niiden perusperiaate on sama: Binääritilat kuvataan tietyillä jännitetasoilla, joista päätellään onko tila 0 vai 1. Yleensä jännitetaso on +5 V, jolloin jännite +5 V tarkoittaa binääri 1:tä ja jännite 0 V binääri 0:aa.

Digitaalisen tiedonsiirron ominaisuuksia

Osa informaatiosta kadotetaan analogia-digitaalimuunnoksessa. Signaali vääristyy ja vaimenee, mutta se voidaan regeneroida eli uusia toistimissa.  Useimmat vääristymät voidaan korjata, koska signaalilla on vain harvoja sallittuja arvoja. Silloin tällöin voi esiintyä esim. niin suuri jännitepiikki, että jokin bitti voi "kääntyä ympäri" ts. 0 → 1 tai toisinpäin 1 → 0 . Tällöin on tapahtunut bittivirhe. 

Digitaalisen signaalin laatua mitataan bittivirhesuhteella (Bit Error Ratio, BER). Tämä luku kertoo virheellisten bittien määrän verrattuna johonkin referenssimäärään. Mitä pienempi BER, sitä parempi signaali on kyseessä. Yleisesti ottaen digitaalinen tiedonsiirto ja -tallennus vaativat analogista monimutkaisemman laitteiston.

Järjestelmä

Mittauksen kohdetta voidaan kutsua järjestelmäksi eli systeemiksi. •Järjestelmä on tässä Järjestelmä on ymmärrettävä hyvin yleisesti. Se voi olla yksittäinen prosessi, esimerkiksi putkessa tapahtuva virtaus tai lähes mitä tahansa minkä käyttäytymistä tutkitaan. Järjestelmällä voidaan tarkoittaa esimerkiksi mittalaitetta.

 
Järjestelmä voi olla esimerkiksi: 

• sähköinen tai mekaaninen laite, 

• mittauslaite, 

• teollinen prosessi, 

• lämmityskattila, 

• saunan kiuas, 

• omakotitalo,

• ihmisen sydän

Tulo- ja lähtösuure

Tulosuure on mitattava suure esimerkiksi jännite, lämpötila tai vaikka paine.

Lähtösuure on mittalaitteen osoitin- tai digitaalinäytön lukema, tai viestisignaali, jonka mittalaite lähettää eteenpäin. Lähtösuureita on erillaisia. Esimerkiksi sähkövirta, -jännite, lämpötila tai vaikka mekaaninen siirtymä.

Tulo- ja lähtösuureen välinen riippuvuus on nimeltään ominaiskäyrä eli järjestelmän staattiset ominaisuudet (tai kalibrointikäyrä). Ominaiskäyrä mitataan siten, että tulosignaalille annetaan erilaisia arvoja ja mitataan vastaava lähtösignaali. 

Staattisia ominaisuuksia 

Staattinen käyttäytyminen kuvaa teknisen järjestelmän, esimerkiksi sähkömoottorin näkökulmasta mitä nopeus lopulta on?

Staattisia ominaisuuksia ovat staattinen tarkkuus, toistotarkkuus, herkkyys, lineaarisuus, erotustarkkuus, erotuskynnys,hystereesi, nollapisteen virhe, herkkyyden virhe, ryömintävirhe. Anturisignaalin dynaamisia ominaisuuksia ovat dynaaminen virhe ja vasteaika.

Staattisella tarkkuudella (accuracy) tarkoitetaan anturin ilmoittaman mittausarvon ja todellisen arvon (oloarvon) välistä eroa.

Toistotarkkuudella (repeatbility) tarkoitetaan anturin kykyä toistaa sama mittausarvo peräkkäisissä mittauksissa. Yleensä anturin toistotarkkuus on suurempi kuin absoluuttinen staattinen tarkkuus.

Mittausalueella (range) tarkoitetaan anturin minimi ja maksimi mittausarvoja, jotka anturi on suunniteltu mittaamaan. Jos esimerkiksi paineanturin mittausalue on 0 – 400 bar, niin anturilla voi minimissään mitata 0 bar ja maksimissaan 400 bar ylipainetta.

Herkkyydellä (sensitivity) tarkoitetaan anturin ulostuloalueen sekä anturin mittausalueen välistä suhdetta tietyssä pisteessä. Esimerkiksi jänniteviestillä 0 – 10 V sekä paineanturilla, jonka mittausalue on 400 bar, saadaan herkkyydeksi S = 10 V/400 bar = 0,025 V/bar.

Tällöin paineen ollessa 100 bar anturin ulostulo on 100 bar · 0,025 V/bar = 2,5 V.

Erotustarkkuudella eli resoluutiolla tarkoitetaan pienintä muutosta mittausarvossa, joka aiheuttaa anturin ulostuloon muutoksen. Esimerkiksi öljyn tilavuusvirta-anturin resoluution ollessa 1 l/min ja virtauksen muuttuessa arvosta 10 l/min arvoon 12,5 l/min, anturin ulostulo muuttuu vasta kun öljyn virtaus ylittää arvon 11 l/min.

Erotuskynnyksellä (threshold) tarkoitetaan pienintä mittausarvoa, jonka ylittyessä

anturin ulostulo alkaa kasvamaan, kun mitattava suure kasvaa asteittain nollasta. Esimerkiksi auton nopeusmittarien erotuskynnys on yleensä noin 15 km/h. Kun autolla kiihdytetään 0 ‒ 50 km/h, alkaa nopeusmittarin ulostulo muuttua, kun auton vauhti ylittää arvon 15 km/h.

Hystereesillä tarkoitetaan anturin ulostulojen välistä eroa samalla mittausarvolla, kun mittalaitetta luetaan nousevaan ja laskevaan suuntaan. 

Kun mittausarvoa aluksi kasvatetaan lähtöarvosta ja pienennetään takaisin samaan arvoon, niin anturin ulostulot poikkeavat toisistaan. Hystereesivirheen arvo on suurin poikkeama.

Nollapisteen virhe (zero drift) tarkoittaa olosuhteiden muutoksesta syntyvää anturin ulostulon poikkeamaa nollasta, kun mitattava suure on nolla. Nollapisteen virhe syntyy olosuhteiden, kuten lämpötilan poiketessa kalibrointitilanteesta. Esimerkiksi lämpötilan ollessa eri verrattuna kalibrointilämpötilaan, siirtyy anturin nollapiste ja anturin ulostuloon tulee pysyvä nollapisteen virhe.

Herkkyyden virhe (sensitivity drift) tarkoittaa olosuhteiden muutoksesta johtuvaa anturin herkkyyden muuttumista. Esimerkiksi lämpötilan muutos aiheuttaa anturin herkkyyden muutoksen.

Ryömintävirhe (drift) kuvaa anturin tarkkuuden muutosta pitkän ajan kuluessa. Anturin ominaisuudet muuttuvat muun muassa käytön, kulumisen ja likaantumisen johdosta.

Dynaamisia ominaisuuksia

Järjestelmän dynaamisilla ominaisuuksilla tarkoitetaan sitä, kuinka nopeasti ja millä tavalla järjestelmä reagoi muuttuvaan tulosuureeseen. Esimerkiksi sähkömoottorin nopeutta säädettäessä tutkitaan kuinka nopeasti nopeus saavuttaa uuden arvon? Tuleeko värähtelyä? Yliohjausta? Viivettä?  Järjestelmän dynaamisien ominaisuuksien mittaamiseen käytetään erillaisia tulosignaaleita, joita kutsutaan herätteiksi. Tavallisimmat herätteet ovat askel ja siniaalto.

Anturin dynaamisia ominaisuuksia ovat dynaaminen virhe ja anturin vasteaika. Ne kuvaavat anturin käyttäytymistä, kun sillä mitataan ajan mukaan muuttuvaa suuretta.  Dynaaminen virhe on anturin näyttämän ja suureen todellisen arvon välinen ero, kun staattinen virhe on nolla. Anturin näyttämät poikkeavat toisistaan, vaikka suureen todellinen arvo on sama sekä staattisessa että dynaamisessa mittaustilanteessa.

Dynaaminen virhe on yleensä hitausvirhe, koska sen aiheuttavat mittauslaitteiden osien ja näiden kytkentöjen mekaaniset, termiset ynnä muut inertiat (hitaudet)

Anturin vasteaika kuvaa kuinka nopeasti anturi reagoi mitattavan suureen muutoksiin.

Askelvaste 

kuvaa järjestelmän käyttäytymistä muutostilanteessa. Kun tulosignaaliin tehdään askelmainen muutos, saadaan lähtösignaalina askelvaste.

Askelvasteesta voidaan määritellä:

• Askel - tulosignaali muuttuu tietyllä hetkellä uuteen arvoon ja jää siihen. Kun heräte on askel, saadaan ulostulosignaalina askelvaste.

• Nousuaika - Aika, jonka kuluessa askelvaste on kasvaa 10% arvosta 90% arvoon

• Aikavakio - Aika, jonka kuluessa askelvaste on kasvanut 63,2% loppuarvostaan (nopeus). 

• Ylitys - paljonko lähtösignaali enimmillään tilapäisesti ylittää lopullisen 100% :n tason. 

• Viivästymä eli kuollut aika tai askelmaisen herätteen tulosta siihen, että vasteessa alkaa tapahtua olennainen muutos.

• Viipymä - Kun viivästymä johtuu aiheutuu aineen kuljettamiseen tarvittavasta ajasta.

• Asettumisaika - ilmoittaa sen ajan, joka kuluu tuloaskeleen tapahtumisesta siihen, että lähtösuure tulee tarpeeksi lähelle lopullista arvoaan. 

• Vasteaika eli askelvasteaika on aika, joka kuluu askelmaisen tulosuureen muutoksen saapumisesta saapumishetkestä siihen, että lähtösuure ensimmäisen kerran saavuttaa sovitun tason.

Taajuusvaste 

Taajuusvasteen tulosuureena on sinimuotoinen signaali. Lähtösuureesta mitataan amplitudi ja vaihe.

 Lineaarinen järjestelmässä lineaarinen tulosignaali voi tuottaa vain lineaarisen vasteen, jonka amplitudi ja vaihe riippuvat taajuudesta.

Mittaus toistetaan eritaajuisilla signaaleilla, ja tuloksista piirretään vahvistus ja amplitudikäyrät. Käyriä kutsutaan taajuusvastekäyriksi tai Bode-käyriksi ja niistä voidaan lukea vahvistus ja vaihesiirto. Vahvistuskäyrä esitetään yleensä desibeleinä

• A /dB  = 20 lg (U2 / U1)

Lineaarisuudella tarkoitetaan anturin kalibroidun lähtöviestin poikkeamaa ideaalisesta suorasta viivasta. Mittausanturin mittausarvot osuvat harvoin täsmällisesti suoralle, vaan ne poikkeavat staattisen tarkkuuden rajoissa ideaalisuorasta mittaussuureen vaihdellessa 0:sta mittausalueen maksimiarvoon. Tästä ilmiöstä käytetään nimitystä anturin lineaarisuus. Virheen arvo on suurin poikkeama.

Monet tekniikan järjestelmät ovat (ainakin likipitäen) lineaarisia, tai niiden ainakin pitäisi olla.

Lineaarisen järjestelmän tuntee siitä, että tietyn suuruinen tulosuureen suhteellinen muutos saa aikaan lähtösuureessa aina yhtä suuren suhteellisen muutoksen. 

Esimerkiksi jos tulosuure kasvaa 10 %, myös lähtösuure kasvaa 10 %, ja tämä pätee kaikilla tulosuureen arvoilla.

Herkkyys k on ominaiskäyrän kulmakerroin, lineaarisissa järjestelmissä k on vakio.

Poikkeamat lineaarisuudessa

Hystereesi –Lähtösuure saa eri arvoja tulosuureen kasvaessa ja pienentyessä.

Erottelukynnys – pienin tulosuureen muutos, joka havaitaan lähdössä

Kyllästyminen – lähtösuureen kasvu lakkaa, vaikka tulosuure kasvaa

Toistokykyvirhe – Mittaussarjan suurimman ja pienimmän mittaustuloksen erotus samalla tulosuureella 

Nollakohdan virhe – On mittauslaitteen näyttämä, kun mitattavan suureen arvo on nolla.

Ryömintä tai ajautuma – Mittalaitteen ominaisuuksien hidas muuttuminen esim. mittarin vanhetessa

Virheen lajit 

Absoluuttinen virhe F = mittaustuloksen x ja oikean arvon xo erotus

Suhteellinen virhe Fs = F / x o

Suhteellinen virhe lasketaan absoluuttivirheen ja todellisen oloarvon suhteena. Anturin suhteellinen virhe ilmoitetaan yleensä prosentteina anturin täydestä mittausalueesta (FSO, Full-Scale Output) tai prosentteina anturin oloarvosta. Jos esimerkiksi paineanturin tarkkuus on 1 % FSO täydestä mittausalueesta ja mittausalue 0 – 400 bar, niin anturin mittausarvo voi poiketa todellisesta oloarvosta 400 bar · 0,01 = ±4 bar. Valmistaja ilmoittaa yleensä max virheprosentin käytetyllä mittausalueella

Kokonaisvirheen määritys eri tekijöiden perusteella F = √ (F12 +F22 +…+ F52 )

• F1…F5  ovat:

  • • epälineaarisuusvirhe

    • hystereesivirhe

    • Nollapistevirhe

    • Toistokykyvirhe

    • Erotteluvirhe

• Menetelmä antaa n 70% todennäköisyydellä odotettavissa olevan kokonaisvirheen ylärajan

Häiriöt 

Anturisignaalit ovat perinteisesti heikkotehoisia sähköisiä signaaleita, jolloin anturisignaalin siirtoon vaikuttavat häiriöt voivat aiheuttaa merkittäviäkin virheitä mittaustulokseen.

Pienillä mittaustaajuuksilla tavallisimpia häiriönlähteitä ovat:

• voimavirtajohdot

• solenoidit ja releet

• muuntajat,

• moottorit

• radiotaajuuksilla:

  • radiopuhelimet ja muut lähettimet

  • loisteputket

  • staattisen varauksen purkaukset

  • ukkonen

Häiriön kytkeytyminen

Häiriölähde kytkeytyy anturisignaalin siirtoon signaalijohtimien tai virransyöttöpiirin

kautta tai säteilemällä. Kytkeytyminen voi tapahtua galvaanisesti, induktiivisesti, kapasitiivisesti tai säteilemällä.

Galvaaninen kytkeytyminen tapahtuu, kun suurivirtaisilla ja pienivirtaisilla piireillä on yhteisiä virtateitä (esim. vahvistinten tulopiirit).

Induktiivinen kytkeytyminen tapahtuu magneettikentän välityksellä, kun virran vaihtelut indusoivat piirissä esiintyviin silmukoihin jännitteitä. Induktiivinen kytkeytyminen voidaan estää välttämällä silmukoita sähköpiirin rakenteessa. Signaalijohtimien kiertämistä (twisted pairs) käytetään kaapeleissa, koska muodostuvat silmukat ovat mahdollisimman pienet ja jokaisessa silmukassa magneettikentät kumoutuvat.

Kapasitiivinen kytkeytyminen syntyy sähköpiirien välisten hajakapasitanssien seurauksena.

Hajakapasitanssien kautta siirtyy virtaa, kun piirien jännitteet muuttuvat. Kapasitiivista kytkeytymistä voidaan välttää, kun esimerkiksi voimavirtajohdot ja signaalijohdot sijoitetaan mahdollisimman kauas toisistaan ja eri kaapelihyllyille. 

Signaalijohtimien metallivaipan maadoittamisella voidaan myös suojata signaalijohtimia kapasitiiviselta kytkeytymiseltä. 

Sähköpiirin suojaaminen suoraan säteilemällä kytkeytyviltä häiriöiltä vaatii sähköpiirin erottamista sähkömagneettisista kentistä. Siihen voidaan käyttää sähköä hyvin johtavaa metallikotelointia, jolloin myös kotelon ulkopuolelle jäävät johtimet vaativat suojauksen.

Häiriöiden torjuminen

Häiriöitä voidaan torjua erillaisilla tavoilla. Esimerkiksi: 

• Estetään häiriöiden syntyminen

• Katkaistaan häiriöiden etenemistie

• Parannetaan häiriönsietoa

  • Maadoitus

  • Sarjaankytketty maadoitus (yleensä huonoin vaihtoehto)

  • Rinnankytketty maadoitus (puumaiset verkot)

  • Monipistemaadoitus (suurilla taajuuksilla)

  • Maasilmukat - Maasilmukka syntyy, kun järjestelmä on kytketty useammasta kuin yhdestä pisteestä maapotentiaaliin.

Mittauksen häiriöt

Häiriöitä ovat mm. mittauskohina ja kuormitushäiriöt. Kuormitushäiriöt ovat usein askelmaisia tai jaksollisia, kohina satunnaista. Häiriötä ovat esimerkiksi satunnaiset sykkivät painevaihtelut, aallot nesteen pinnankorkeudessa, turbulenssi putkistovirtauksissa sekä sähköiset häiriöt

mittausantureissa.

Säätöpiirin lohkokaaviossa häiriön summauspiste on piirretty prosessin jälkeen. Joskus häiriön summautumispiste piirretään ennen prosessia eli säätimen lähtöön

Mittaustekniikan standardit

Suureiden mittaamisen ohjeet löytyvät standardeissa kuten SFS 5059, jossa määritellään suurelta osin mittausmenetelmät ja niiden reunaehdot.

Standardia voidaan soveltaa prosessiteollisuudessa yleisimpien instrumenttien sijoittamisessa prosessiin, mutta varsinaisia asennusohjeita se ei sisällä.

Asennustekniset tarkemmat vaatimukset on esitetty PSK-käsikirjan 2 standardeissa.