Mittaukset

Paineen mittaus voidaan toteuttaa kahdella perusperiaatteella: vertaamalla painetta tunnettuun voimaan tai mittaamalla paineen aiheuttaman elastisen osan muodonmuutosta.

Tunnettuun voimaan perustuvaa menetelmää hyödynnetään esimerkiksi paineantureiden kalibroinnissa mäntämanometrilla. Siinä sylinteriin asetetulla tunnetulla massalla muodostetaan tarkasti määritelty paine, jonka avulla mitataan anturin ulostulo ja varmistetaan sen oikeellisuus.

Muodonmuutokseen perustuvissa menetelmissä käytetään mekaanisia, sähköisiä, optisia ja magneettisia ratkaisuja. Näissä mitataan esimerkiksi kalvojen, kapseleiden, palkeiden tai putkien siirtymiä ja taipumia.

Tällaisia paineantureita ovat muun muassa bourdonputki-, kalvo-, kapseli-, palje- sekä pietsosähköiset anturit.

Paineen mittaukselle asetetut vaatimukset löytyvät standardista SFS 5059.
Painetta mitattaessa mittausyhde tulee sijoittaa putkistoon pienimmän virtauksen alueelle ottaen huomioon mahdollisesti sakkautuvat ja kiteytyvät aineet.

Myös hydrostaattisen paineen ja dynaamisten häiriöiden aiheuttamat virheet mittaustuloksiin tulee ottaa huomioon.

Mittauksen suunnittelussa kannattaa ottaa huomioon mm. että ennen paineen mittausta tulee olla 5 – 10 d häiriötön putkiosuus ja paineen mittauksen jälkeen tulee olla 2 – 5 d häiriötön putkiosuus (d on putken sisähalkaisija).

Mittausyhde varustetaan yleensä sulkuventtiilillä, jotta se voidaan erottaa prosessista ja tarvittaessa vaihtaa. Yhde sijoitetaan joko putken päälle tai sivulle.

Painemittaria sijoitettaessa tulee ottaa huomioon myös mahdollinen alipaineen syntyminen esimerkiksi kuristimien yhteydessä, jolloin mittausanturi voi vaurioitua tai häiriintyä ja antaa virheellistä tietoa.

Bourdonkaari

Mekaaninen painemittari jonka on kehittänyt ja patentoinut Eugene Bourdon vuonna 1852.

Bourdon-kaaret ovat säteittäin muotoiltuja toisesta päästä suljettuja putkia, joilla on soikea poikkileikkaus.

Mitattavan aineen paine toimii putken sisällä ja aiheuttaa liikkeen sen vapaassa päässä. Liike välitetään koneiston kautta mittarinäytölle, joka ilmaisee paineen suuruuden.

Bourdon-kaarellisia painemittareita käytetään suhteellisen paineen mitatukseen painealueelle 0,6 ... 7000 bar. Ne on luokiteltu mekaanisiksi painemittareiksi ja toimivat ilman sähköä.

C:n muotoiset Bourdon-kaaret valmistetaan noin 250° kulmalla. Niillä voidaan mitata painetta jopa 60 bariin asti. Korkeammille paineille käytettävät bourdonkaaret ovat kääritty kierteelle tai spiraalille.

Kapasitiivinen paineanturi

Kapasitiivisen paineanturin rakenne muodostuu kahdesta osasta, joustamattomasta johtimesta ja joustavasta pii kalvosta.

Ympäröivän paineen kasvaessa tai vähentyessä kalvo taipuu, jolloin anturin sisällä olevan tyhjiön korkeus kasvaa tai pienenee.

Tyhjiössä vastakkaiset puolet toimivat elektrodeina ja kun niiden välinen etäisyys muuttuu myös anturin kapasitanssi. Se mitataan ja muutetaan painelukemaksi

Kapasitiiviset paineanturit vievät vähän sähköä, ovat herkkiä paineen muutoksille eli tarkkoja eivätkä ole herkkiä lämpötilan muutoksille.

Niitä voidaan käyttää mm. ilmanpaineen mittauksissa tai esim. laivojen säiliöiden pinnankorkeusmittauksissa.

Induktiivinen paineanturi

Induktiivinen painemittari koostuu kolmesta elementistä, käämistä, liikkuvasta ytimestä ja ydintä liikuttavasta elementistä.

Ydin liikkuu paineen aiheuttaman voiman ansiosta ja ytimen liikkuessa käämin induktanssi muuttuu. Paineen voi laskea tästä induktanssin muutoksesta.

Mittalaite mittaa pientä absoluuttista paineenmuutosta hyvin tarkasti. Eli suuri resoluutio pienellä mittausalueella.

Mittaustulokset ovat tästä johtuen hyvin lineaarisia. Mittalaite vaatii mekaanista liikettä, joten tärinä ja muut fyysiset voimat voivat häiritä toimintaa.

Mekaanisesta liikkeestä johtuen mittalaite myös kuluu nopeammin kuin esim. U-putkimanometri.

U-putkimanometri

U-putkimanometria on mittalaite, jota käytetään paine-eron mittaukseen. Mittalaite on nimensä mukaisesti nesteellä täytetty U:n muotoinen putki.

U-putken eri haarojen nestepintojen korkeuserosta voidaan laskea paine-ero putken suiden välillä.

Paine-ero lasketaan kaavalla: ∆p=∆h∗ρ∗g

ρ = nesteen tiheys kyseisessä tilassa [kg/m3]

g = putoamiskiihtyvyys [m/s² ]

∆ h = nestepintojen korkeusero [m]

Venymäliuska

Venymäliuska-anturi on materiaalin venymisen mittaamiseen tarkoitettu erittäin herkkä anturi.

Liuskan toiminta perustuu anturin sisällä olevan kuparilangan vastusarvon muutoksiin. Kun vastuslanka venyy, langan poikkipinta-ala pienenee ja sen vastusarvo kasvaa.

Pieni venymä aiheuttaa hyvin pienen vastusarvon muutoksen. Tätä muutosta voidaan vahvistaa siltakytkennöillä, joista yleisin on Wheatstonen silta.

Siltakytkennästä ulostulevan jännitteen vahvistamiseen on olemassa venymäliuska-anturin vahvistimia. Nämä mahdollistavat suuriin mittaustarkkuuksiin pääsemisen.

Mittausta voidaan käyttää esimerkiksi siilon pinnankorkeuden tai painon mittaukseen.

Wheatstonen silta

Pieni venymä aiheuttaa vain pienen vastusarvon muutoksen, pitää muutosta silloin vahvistaa. Yleisin tapa on wheatstonen silta, jossa neljä vastusta kytketään oheisella tavalla.

Kolmen sillassa olevan vastuksen arvot tunnetaan. Tasapainossa ollessaan Wheatstonen sähkömotorinen voima on vakio, mutta kun venymäliuskan vastus muuttuu niin vastusten tasapaino muuttuu ja jännitteen arvo muuttuu.

Kuvassa näkyvä Rx vastus voidaan selvittää kun R2 säädetään niin, että VG=0, jolloin Rx=(R3*R2)/R1

Vastuksen arvon muutosta mitataan jänniteen muutoksena. Jännitteen muutos on hyvin pieni (µV, mV), joten se pitää muuttaa A/D muuntimessa järkeväksi yksiköiksi.

Painekytkimet

Paine synnyttää kosketinmekanismin ohjaamiseen tarvittavan liikkeen. Kosketin avautuu/sulkeutuu, kun paine tai paine-ero saavuttaa asetellun rajan

Liikettä vastustaa jousi, jonka kireyttä voidaan säätää. Painekytkimiä käytetään esim. suojaus- ja hälytystoiminnoissa (yli- ja/tai alipainetilanne) tai yksinkertaisissa paineen säätösovelluksissa.

Painelähetin

Painelähetin voi olla erillinen komponentti tai se voi olla osana paineanturia.

Painelähettimen valinnassa vaikuttavat tekijät voivat olla esim. tarvitaanko paikallista indikointia, minkälaiset asennusolosuhteet ovat, tukeeko lähetin useamman paineanturin mittausten signaaleja, onko kyseessä paine-eromittaus.

Lähettimessä voi olla paikallisia parametrejä, esim. digitaalisien hälytysrajojen määrittely, indikointi ja lähetys.

Painelähetin voi sisältää mekaniikkaa ja elektroniikkaa. Painelähettimen materiaalia vasten oleva kalvo voi liikuttaa sauvaa, joka vaikuttaa kapasitiivisen mittauksen mittauskenttään, jolloin mitattu paine voidaan muuttaa säätimen luettavaksi signaaliksi.

Page updated

Report abuse