Sähköinen pinnanmittaus - osa 1: Periaate
Kävin jokin aika sitten asiakaswebinaarissa läpi visuaalisia pinnankorkeusnäyttöjä, joita tyypillisesti säiliöissä käytetään. Koska suomalaisia prosessilaitoksia automatisoidaan tasaisella tahdilla, moni webinaariin osallistunut halusi kuulla lisää myös mekaanisten näyttötyyppien rinnalla käytettävistä sähköisistä pinnankorkeuden mittalaitteista.

Sähköiset pinnankorkeuden anturit voidaan jakaa karkeasti kahteen eri laiteryhmään: pintakytkimiin ja jatkuviin pinnanmittauslaitteisiin.

Pintakytkin ilmaisee nimensä mukaisesti säiliön pinnankorkeuden ainoastaan asetetussa kohdassa, ja signaali on muotoa ”ON/EI”. Tarkkailtava pinnankorkeus määritellään mekaanisesti asentamalla anturi haluttuun kohtaan säiliössä. Mittausperiaatteita on useita, esimerkkeinä mekaaninen uimuri-, piezosähköinen värähtely- tai konduktiivinen pintakytkin. Kytkinvalikoimassa on laitteita yhden tai useamman pinnankorkeusrajan tarkkailuun: Määrääväksi tekijäksi muodostuu asennussuunta säiliöön - esimerkiksi perinteisessä, useita uimureita sisältävässä pinnankorkeuskytkimessä asennussuunta on päältäpäin. Säiliön kylkeen voidaan myös liittää erillinen pysty- eli mittaputki, johon laite asennetaan. Jos päältäpäin asennus ei ole mahdollinen, on vaihtoehtona tehdä säiliön kylkeen yhteitä yksittäisille uimuri- tai värähtelykytkimlle. 

Myös jatkuvia pinnanmittauslaitteita on useita: Hydrostaattisen paineen mittaukseen perustuva säiliön pohjalle tuleva anturi, perinteinen säiliön kylkeen ylä- ja alaosasta yhdysputkilla asennettava paine-eromittaus, Reed-releketjuun perustuva magneettivälitteinen uimurimalli, kapasitiivisuuteen perustuva elektrodimittaus, mikroaaltotutka, ultraääni, ym. Jatkuvilla pinnamittauslaitteilla saadaan luonnollisesti myös pintakytkimen ominaisuudet, kun anturi kytketään sopivaan elektroniikkaan, jolle käyttäjä määrittelee pinnankorkeuden hälytysrajat.

Anturityypin valinta ei ole aivan yksinkertainen – tärkein määräävä tekijä on luonnollisesti väliaineen fysikaaliset ominaisuudet. Eri anturityyppien toimivuuteen ja kestävyyden optimointiin vaikuttavia asioita ovat esimerkiksi lämpötila, paine, sähkönjohtokyky, sameus, kiintoainepitoisuus, happamuus… Höyryjärjestelmässä esim. epäpuhtauksien kertyminen elektrodin pintaan tai uimurimallin saranamekanismiin voi aiheuttaa huomaamattoman laitteen toimimattomuuden, joka on historiassa johtanut pahimmillaan höyrykattilan, ja sitä myöten osan laitosta, räjähtämisiin. Kun parhaimmillaankin kalliista höyrykattilasta voivat sulaa ”vain” tuliputket ennen kuin vika huomataan, on asiaan todella syytä paneutua.

Edustamamme, vuonna 1902 perustettu saksalainen höyryjärjestelmiin erikoistunut Gestra AG on kehittänyt tätä tarkoitusta varten ns. itseään vartioivat anturit, jotka testaavat toimintansa automaattisesti ja ilmoittavat vikatilanteista operaattorille.

Kuten monilla muillakin teollisuuden aloilla, höyrykattilan laitevalintojen ja suunnittelun helpottamiseen, sekä käyttäjän turvallisuuden parantamiseen käytetään SIL-luokituksia (Safety-Integrity-Level), jotka ohjausjärjestelmän on täytettävä.

Myös prosessilla on vaikutusta – muodostuuko säiliössä esimerkiksi termisiä vesi-iskuja, jotka voivat rikkoa anturin? Onko väliaine vaahtoavaa, jolloin vaahdon yläpinnasta voidaan saada väärä pinnankorkeustieto? Polttoaineiden, syttyvien kaasujen ja kemikaalien sekä hienojakoista syttyvää pölyä sisältävien ympäristöjen yhteydessä on otettava huomioon ATEX-vaatimukset. Myös liitoskohdalla säiliöön on merkitystä, huomioiden mahdolliset ympäristöhaittatekijät vuodon sattuessa. Kun kyseessä on sähköinen laite, käyttöolosuhteiden mukaiseen koteloinnin IP-luokitukseen tulee myös kiinnittää huomiota.

Vähänkin kriittiset systeemit on syytä kahdentaa ja laitteiden vikaantumisiin varautua ennalta esimerkiksi omasta varastosta löytyvällä vara-anturilla ja -elektroniikalla. Esimerkiksi höyrykattilaa ei painelaitelain mukaan ole lupa käyttää ilman varmennettua pinnan-/polttimon ohjausjärjestelmää. Tästä syystä käyttäjän on tärkeä ymmärtää, että järjestelmistä toisen vikaantuessa joudutaan kattila ajamaan alas, kunnes korvaava laite on saatu ja asennettu.

Pinnanmittausanturin toiminta

Pintakytkimien yleinen toimintaperiaate perustuu releperiaatteeseen: Perinteinen rele on on/off -kytkin, joka käämin sähköistyessä kytkee järjestelmän jännitteen joko päälle tai pois. Kun käämi sammutetaan, rele palautuu normaaliasemaansa jousivoiman avulla. Toimintaperiaatteen johdosta, ns. "jatkuva pinnanmittaus" ei ole pintakytkimillä mahdollista.

Erilaiset kytkintyypit on kehitetty vaihtelevia käyttöolosuhteita varten: Esimerkiksi konduktiivista mittausta voidaan käyttää vain tietyntyyppisillä sähköä johtavilla väliaineilla. Uimurimalli on altis mekaaniselle kulumiselle ja paineiskuille, värähtelykytkimissä vastaan tulee tavallisesti käyttölämpötila. Tutkat taas ovat hankintakustannuksiltaan tavallisesti kalliita. Palaan eri kytkintyyppeihin ja niiden ominaisuuksin tarkemmin kuitenkin myöhemmissä osissa, laite-esimerkkien yhteydessä.

Toisaalta - aina ei jatkuvaa pintatietoa tarvitakaan. Esimerkiksi varasto- tai polttoainesäiliön tapauksessa karrikoidusti voi riittää 3-rajatietoa: ”tyhjä”, ”täytön tilaaminen” ja ”täysi”, jotka vastaisivat säiliössä esimerkiksi pinnankorkeuskohtia 0 %, 20 % ja 90 %. Tällöin on mahdollista käyttää joko kolmea erillistä kytkintä, tai yhtä useamman kytkimen laitetta. Tämäntyyppistä ohjaustapaa käytetään esimerkiksi KH-lauhteenpumppaussäiliössä.

Perinteinen jatkuvan pinnanmittauksen laite koostuu väliaineeseen upotettavasta anturiosasta ja ulkopuolelle kytketystä lähettimestä. Lähettimen elektroniikka käsittelee anturin ”näyttämän”, esimerkiksi systeemin kapasitanssin muutoksen, ja muuntaa sen tavallisesti 0/2…10 V tai 4…20 mA signaaliviestiksi. Signaaliviesti voidaan liittää kohteen läheisyyteen asennettuun paikallisnäyttöön tai ohjauskeskukseen. Tällöin operaattorin on mahdollista nähdä mitattavan suureen arvo paikan päällä, kuitata hälytyksiä, ohjauskeskuksen tapauksessa muuttaa ohjausparametreja ja mahdollisesti tarkkailla myös prosessihistoriaa ns. dataloggauksen avulla.

Myös elektroniikan osalta on muutamia laitevariaatioita. Toisissa on anturi, lähetin ja näyttö kaikki samassa paketissa ”suoraan putkilinjassa”, toisissa signaali tuodaan esivahvistimelta johtoa pitkin etäasennettavaan vastaanottimeen, jossa se käsitellään. Järjestelmää suunniteltaessa oman prosessin tunteminen on tärkeää, jotta pystytään arvioimaan esimerkiksi mahdollista signaalihäiriöiden syntyä, elektroniikalle liian matalia tai korkeita ympäristön lämpötiloja, tärinänkestoa, laitteiden käytettävyyttä asennuspaikalla, ym.

Valitettavasti toisinaan erikoisolosuhteet huomataan vasta laitteen käyttöönoton jälkeen. Hauskana esimerkkinä törmäsin taannoin automaatiomessuilla englantilaiseen yliopistoprofessoriin, joka oli esittelemässä oppilaiden kanssa rakennettua sähköistä kilpamoottoripyörää. Yksi prototyyppivaiheen ongelmista oli, että aina kun pyörä tärähti tiessä olevan epäjohdonmukaisuuden takia, se sammui ja ohjausjärjestelmä käynnisti itsensä uudelleen. Tämän jälkeen pyörä toimi taas normaalisti seuraavan isompaan töyssyyn saakka. Vika oli kuukausien pään rapsuttelun jälkeen saatu lopulta paikannettua releeseen, joka oli (”Murphyn lain mukaisesti”) satuttu asentamaan niin päin, että vaihtokosketin pääsi tärähdyksen vaikutuksesta irtoamaan häviävän pieneksi ajaksi aiheuttaen virtakatkoksen. Vaikeaksi vian etsimisen oli tehnyt se, ettei järjestelmädiagnoosi (OBD) rekisteröinyt asiasta virhettä.

Jatkuvan pinnanmittauksen paikallisnäytöissä on tavallisesti vähintään relelähdöt säädettäviä pinnankorkeuden raja-arvoja varten, sekä/tai 4…20 mA mittaviesti valvomolle. Varsinaisiin PI-säätimellä varustettuihin prosessiohjaimiin saatavilla lisäkorteilla saadaan sitten digitaalisia lähtöjä (väyläliitäntöjä), tukku ohjausjännite-/virtaviestilähtöjä, dataloggausta, ym. käyttäjän tarpeiden mukaisesti.

Palataan näihin tarkemmin laite-esimerkkien kera osiossa 2, kiitokset mielenkiinnosta. Pinnanmittauslaitetarpeen iskiessä ota yhteyttä Konwellin myyntiin, asiantuntijamme auttavat mielellään. Otan mielelläni vastaan myös niin positiivista kuin negatiivistakin palautetta, kysymyksiä ja kehitysehdotuksia sekä blogitekstien osalta että tuotevalikoimaamme liittyen. 3.10.2017 pitämäni visuaaliset pinnankorkeusnäytöt -webinaari on katsottavissa jälkitallenteena täältä.

  • pinnanohjaus
  • pintalähettimet
  • pinnanosoittimet