NULL Konwell
 
Sähköinen pinnanmittaus, osa 2: Vesi- ja höyryjärjestelmä
Blogiaiheen toisessa osiossa katsaus saksalaisen Gestra AG:n vesi- ja höyryjärjestelmiin kehittämistä pinnankorkeuden antureista NRGS 16-2, NRGT 26-1 ja NRG 26-21. Lisäksi PED:n mukaiset höyrykattilan pinnanrajoitinanturit NRG 16-50 ja 16-51, elektroniset NRS ja NRR -säätimet sekä URB 50 -prosessinäyttö.

Konwell on toiminut höyryjärjestelmiin erikoistuneen saksalaisen Gestra AG:n edustajana Suomessa jo yli 30 vuotta. Gestra on alunperin höyryveturivarusteista, mutta nykyisellään kuitenkin pääasiassa korkealaatuisista lauhteenpoistimista maailmanlaajuisesti tunnettu höyryalan laitevalmistaja. Tuoteohjelmaan kuuluu myös laaja valikoima erilaisia höyryjärjestelmän mittalaitteita.

Konduktiivinen pintakytkin

NRGS 16-2 on konduktiiviseen mittausperiaatteeseen perustuva, ns. ”kompakti” pintakytkin. Laite on varustettu 4:llä erillisellä mittaan katkaistavalla elektrodikärjellä sekä relelähdöillä - yhdellä NRGS-anturilla saadaan säiliöstä siis peräti neljä eri pinnankorkeustietoa. Esimerkkinä vaikkapa syöttövesisäiliön alarajahälytys, pumpun käynnistys ja sammutus, sekä ylärajahälytys. Kaikkia anturikärkiä ei myöskään tarvitse ottaa käyttöön, vaan osan voi jättää varalle.

Konduktiivinen pinnanmittaus perustuu resistanssin muutokseen anturin elektrodikärjen ja säiliön tai mittaputken seinämän välillä silloin, kun elektrodikärki kastuu väliaineeseen. Tämän takia mitattavan väliaineen tulee olla sähköä johtavaa. Johtokyky ilmoitetaan yksiköissä S/m (Siemensiä per metri). Toimintatavastaan johtuen konduktiivista mallia ei saa ATEX-vaatimusten mukaisena.

”Kompaktilla mallilla” tarkoitetaan sitä, että päähän on asennettu DIN EN 60529 mukainen IP65-suojattu sähkökotelo. Kotelon sisällä on anturin releet, toiminnan indikaatioledit sekä tarvittavat kytkentäterminaalit sähköliitännöille. Laite ei siis vaadi erillistä etäasennettavaa kytkinyksikköä. Anturissa on myös sisäänrakennettuna keinukytkin käytettävän väliaineen konduktiivisuudelle. Vaihtoehtoiset alueet ovat 0,5...1000 μS/cm tai 10...10 000 μS/cm (@25 °C). Alhaisella väliaineen johtavuudella elektrodien päihin asennetaan erityiset levyt johtavuuspinta-alan kasvattamiseksi.

Anturi liitetään prosessiin DIN ISO 228 G1”A -mukaisella kierreliitännällä. Optiona on saatavana EN 1092-1 mukainen DN50 PN40 kierrelaippa, johon anturi kierretään. Mittaelektrodien lähtöpituudeksi voidaan valita 500mm, 1000mm tai 1500mm. Syöttöjännite on 110 V, 230 V tai optiona 24 V AC. Anturi soveltuu ympäristön käyttölämpötilaan 0…70 °C, sekä väliaineen ylimmälle suunnitteluarvolle 32 bar @ 238 °C. Anturille 16-1S löytyy hyväksynnät myös merenkulun käyttökohteisiin.

Kapasitiivinen pinnankorkeuden mittaus

NRGT 26-1 on varsinainen jatkuvan pinnanmittauksen anturi, jonka toiminta perustuu ns. kapasitiiviseen mittausperiaatteeseen: Anturin mittaelektrodi ja säiliön seinämä muodostavat ”kondensaattorin”, jonka kapasitanssi muuttuu säiliössä olevan ilma–nestepinnan funktiona. Kapasitiivinen mittausperiaate toimii vain dielektrisillä nesteillä, jotka määritellään sähköä eristäviksi. Tästä syystä mittaelektrodin päälle on asennettu putkimainen eriste, jolloin pinnankorkeuden mittaaminen on mahdollista myös esimerkiksi normaalisti hyvin sähköä johtavan vesisäiliön tapauksessa.

NRGT on kompaktia mallia - päähän asennettuun IP65-suojattuun koteloon on ympätty mA-lähetin. Tämän ansiosta se voidaan liittää suoraan yleismallisiin, 4-20 mA signaalia vastaanottaviin prosessiohjaimiin tai -näyttöihin. Ympäristön käyttölämpötila-alue on 0…70 °C, prosessissa maks. 238 °C @ 32 bar. Liitos säiliöön tehdään päältäpäin G1” A -mukaisella kierteellä, tai DN50 kierrelaipalla, samaan tapaan kuin NRGS-mallissa.

Jatkuvan pinnanmittauksen anturit joudutaan luonnollisesti kalibroimaan asennuksen jälkeen, jotta näyttämä saadaan oikeaksi. Lineaarinen kalibrointi tehdään normaalisti 2:n asetuspisteen avulla asettamalla tyhjä säiliö kohdaksi 0 ja täysi säiliö kohdaksi 100. Gestran kehittämänä erikoisuutena tietyt anturit voidaan kalibroida täysin vain puolitäytetyllä säiliöllä – erityisen kätevää kohteissa, joissa käsiteltyä vettä ei välttämättä ole hukattavaksi.

NRGT:n rinnalla käytetään myös toista jatkuvan pinnankorkeuden mittaukseen tarkoitettua anturia, kapasitiivista NRG 26-21:ä. Erona T-malliin on mA-lähettimen, eli transmitterin, puuttuminen. Sitä vastoin päässä on pienikokoinen NRV 2-29 -esivahvistin, josta signaali lähtee eteenpäin pinnankorkeuden mukaisena 0...7 VDC-jänniteviestinä. NRV 2-29:llä varustetut anturit ovat sopivia vain Gestran omien prosessisäätimien/-ohjaimien kanssa. Anturityypin etuja ovat luotettavatoimisen rakenteen lisäksi kilpailukykyinen hankintahinta sekä kompakti koko. NRG-mallissa prosessiliitäntä on G3/4” A.

Kapasitiiviset anturit ovat tilattavissa 300…2000mm pitkällä mittaelektrodilla (100mm välein).

Kuva 1 vasemmalta: Kapasitiivinen NRGT 26-1 kytkentäkotelolla ja mA-lähettimellä jatkuvaan pinnanmittaukseen. Konduktiivinen NRGS 16-1 4:llä mittaan katkaistavalla elektrodikärjellä & kytkentäpisteillä, sekä integroidulla kytkentäkotelolla. Kapasitiivinen NRG 26-21 + NRV 2-29 -signaalin esivahvistin jatkuvaan pinnanmittaukseen.

 

Höyrykattilan ylä- & alapinnankorkeuden anturit

NRG 16-50 on konduktiivinen höyrykattilan alapinnanrajoitinanturi, eli kuivakiehuntasuoja. Sen tehtävänä on sammuttaa poltin, kun vedenpinta kattilan sisällä laskee minimirajalle. Tällä tavoin estetään ns. boilerin kuivakiehuminen, eli höyrykattilan vaurioituminen ylikuumentumalla.

Anturissa erikoisuutena on itsevartiotoiminto. Tämä tarkoittaa sitä, että mittakärkeen vuosien käytön seurauksena kerääntyvien epäpuhtauksien, vaurioitumisesta johtuvan vuodon tai esimerkiksi sähköjohdon irtoamisen seurauksena syntynyt anturin toimimattomuus aiheuttaa järjestelmähälytyksen. Tällöin operaattorilla on mahdollisuus reagoida vikaantumiseen ennen vaaratilanteen syntymistä.

Anturi asennetaan kattilan vesitilaan erilliseen suojaputkeen, tai ulkopuolelle liitettyyn mittaputkeen. Saatavilla olevat mittakärjen pituudet ovat välillä 500…3000mm. Anturi on hyväksytty EU-kattilastandardien EN 12952 ja EN 12953 mukaisesti. Yhdessä NRS 1-50 pintakytkinyksikön kanssa se täyttää IEC 61508 mukaiset vaatimukset ja SIL 3 -luokituksen.

Yläpinnanrajoittimena toimii koko lailla samoilla ominaisuuksilla varustettu anturi NRG 16-51. Sen tehtävänä on estää kattilaveden yläpinnanrajan ylittyminen sammuttamalla esimerkiksi syöttövesipumppu tai sulkemalla venttiili.

Tarkempia tietoja antureista saa nettisivujemme lisäksi Konwellin myyntiedustajalta tai tutustumalla asiaa käsittelevään Gestran kotisivu-osioon.

Kuva 2 vasemmalta: Konduktiiviset NRG 16-50 + NRS 1-50 höyrykattilan alapinnan- ja NRG 16-51 + NRS 1-51 yläpinnanrajoitinanturit kytkimineen.

 

Suositus konduktiivisen anturikärjen katkaisuun on käyttää pulttisaksia, jotta vältetään mahdollinen elektrodin vioittuminen. Kulmahiomakonetta käytettäessä katkaisulaikan on oltava ohut. Yksittäisen elektrodikärjen taipuminen, puristuminen tai rungossa pyörähtäminen laikan mahdollisesti ”tarttuessa” on estettävä.

Prosessiohjain ja paikallisnäyttö

NRGT 26-1 anturin mA-viesti voidaan liittää ohjelmoitavaan Gestra NRS 2-51 -pintakytkinyksikköön tai NRR 2-50 -prosessisäätimeen. Ne muuntavat vallitsevan mittasignaalitason visuaaliseksi pinnankorkeustiedoksi laitteen näytölle ja ohjaavat tarvittaessa muita laitteita, kuten säätöventtiiliä tai pumppua. 

NRS 2-51:ä voidaan käyttää rajakytkimenä esimerkiksi lauhde- ja syöttövesisäiliöissä. Laite tunnistaa asetetun ala- ja ylärajan, erillisen relelähdön avulla voidaan ohjata säiliön täyttö- tai tyhjennyspumppua. Lisäksi optiona on saatavana 4…20 mA mittaviestin ulostulo, mistä saadaan pinnankorkeustieto esimerkiksi laitoksen kaukovalvontaan.

Kuva 3: NRS 2-50 pintakytkimen ominaisuudet.

 

Anturin, lähettimen tai sähköliitoksen vikatilanne laukaisee NRS:n ylä- ja alarajahälytyksen. Tällöin myös laitteen 4-numeroiselle, 7-segmenttiselle LED-näytölle ilmaantuu ilmoitus virheestä. Jos vikatilanne syntyy itse NRS-yksikössä, antaa laite rajahälytykset ja kokeilee toimintoa uudelleen. Erilliset pinnankorkeuden MIN/MAX -LED-valot antavat lisäindikaatiota toiminnasta.

NRR 2-50 on ns. entry-, eli lähtötason pinnankorkeuden prosessiohjain ja ulkoisesti lähes samannäköinen kuin NRS-pintakytkin. Laitteessa on pinnankorkeuden min./maks. -rajojen ja mittausjärjestelmän viantarkkailuominaisuuksien lisäksi sisäänrakennettu 3-pisteaskelohjaukseen perustuva PI-säädin, jolla voidaan ohjata esim. säätöventtiiliä. 2-51 mallissa erona on analoginen jatkuva (portaaton) säätö. Laite voidaan ohjelmoida täyttö- tai tyhjennystoiminnolle. Etupaneelin LED-valot ilmaisevat pinnankorkeusrajojen hälytykset ja säätöventtiilin ajosuunnan. Etupaneelissa on lisäksi LED-prosenttinäyttö säiliön täyttöasteelle.

Pinnansäätövalikoiman lippulaiva, NRR 2-52 + URB 50 on fundamentaalisesti erilainen. Prosessiohjain on erillinen, sähkökaapin uumeniin asennettava moduulinsa, joka liitetään kaapelilla URB 50 näyttötietokoneeseen. Kosketusnäytöllinen URB 50:n etupaneeli on IP65-suojattu ja laite on tarkoitettu asennettavaksi sähkökaapin oveen siten, että ohjausjärjestelmää voidaan käyttää ja tarkkailla avaamatta itse kaappia. Näyttö on kosketusohjattava ja turvallisuussyistä lukittavissa salasanalla. NRR 2-52 prosessiohjaimeen on saatavana lisäksi 0-1000 Ω sisääntulo säätöventtiilin asentotiedolle, sekä analogiset 4-20 mA sisääntulot höyry- ja syöttövesivirtausmäärän mittauksille.

Kuva 4: NRGT 26-1 liitettynä NRR 2-52 prosessisäätimeen ja URB 50 ohjausnäyttöön.

 

URB-50 paikallisnäytössä on myös muutamia muita käyttöarvoa lisääviä ominaisuuksia - sen avulla voidaan muuttaa NRR:n ohjausparametreja, tarkastella anturin näyttämää, mittasignaalin tasoa ja prosessin toimintatrendikäyriä sisäisen muistin, eli ns. ”dataloggauksen” avulla. Näytön kautta on mahdollista operoida NRR:n liitettyjä prosessilaitteita manuaalisesti. Lisäksi mahdolliset vikatilanteet, hälytykset tai varoitukset tallentuvat URB:n muistiin.

Kuva 4: URB 50 prosessinäyttö

 

PI-säätimen toimintaperiaate pinnankorkeuden ohjauksessa

PI-säätimen (Proportional-Integral-Controller) pyrkimyksenä on saada systeemi tasapainotilaan, jossa asetettu pinnankorkeus pysyy vakiona tietyllä venttiilin avautumalla. Kun esimerkiksi höyrykattilan polttimelle lisätään polttoainetta, vedenkulutus kasvaa ja kattilan pinta vajuu. Tällöin säädin reagoi ja pyrkii etsimään uuden tasapainotilan säiliön pinnankorkeuden ja syöttövesiventtiilin asennon suhteen.

Kalibroidun mittausjärjestelmän säätimeen asetetaan haluttu asetusarvo: Käytän tässä esimerkkinä 2m kokonaiskorkeaa säiliötä, jossa halutaan pitää 1m:n pinnankorkeus. Kun anturi on kalibroitu säiliölle, annetaan säätimeen asetusarvo 50 %. Suhdeosalla ”P” kontrolloidaan lähtevän säätösignaalin suuruutta suhteessa mittaussignaaliin. Esim. kokonaissäätöalue ± 10 % tavoitteesta: Tällöin syöttöventtiili on täysin kiinni, kun pinnankorkeus on 60 %. Täysin auki, kun pinnankorkeus on 40 %. Jos pinnankorkeus on 55 %, niin syöttöventtiili on 25 % auki.

Integraaliosa ”I” ottaa huomioon mittaussignaalin muutoshistorian ja sen tehtävänä on ajaa säätöpiirin oloarvoa kohti asetusarvoa. Esimerkiksi jos 10 peräkkäisen pinnanmittauksen keskiarvo on 55 %, jolloin P-arvon osalta säätöpiiri on "tyytyväinen" (ns. pysyväispoikkeama), säädin korjaa venttiilin asentoa hiljaa niin, että lähestytään haluttua 50 %:n pinnankorkeusarvoa. Muuttujien yhteisvaikutuksella saadaan korjattua ja tasoitettua ulostulevaa ohjaussignaalia, jolla ohjattaisi tässä esimerkissä höyrykattilan syöttövesiventtiiliä.

Liittämällä NRR 2-52 säätimeen höyrymäärän mittaus, saadaan säädin reagoimaan automaattisesti oikein myös tilanteeseen, jossa esimerkiksi höyryn kulutus prosessissa kasvaa nopeasti ja voimakkaasti: Tällöin paine höyrykattilassa laskee, ja veden tilavuuden muutoksen seurauksena pinnankorkeus hetkellisesti nousee. Tällöin pinnankorkeuden mitta-anturin signaalin perusteella säädin ajaisi syöttövesiventtiiliä kiinni-suuntaan, vaikka höyryntuoton tarve prosessissa on juuri kasvanut ja syöttövettä tarvitaan todellisuudessa lisää. Tällöin höyrymäärän mittauksesta saatava signaali kertoo säätimelle tarkemmin prosessin todellisen tilan, antaen sille paremmat toimintamahdollisuudet reagoida muutoksiin oikein.

Tarkkasilmäinen saattoi blogiin lisäämieni kuvien yhteydessä huomata, että tekstin ja kuvan laitetyyppi ei kaikissa aivan vastannut toistaan. Perisaksalaiseen tapaan, myös Gestra käyttää antureissaan tuoteniminä ”koodeja”, jotka eivät äkkinäiselle sano välttämättä mitään. Alla asiaa tarkemmin avaava kuva.

Kuva 6: Antureiden nimeämiskäytäntö.

 

Jatketaan laajasta tuotevalikoimastamme löytyvien muiden pinnankorkeuden anturityyppien kanssa seuraavassa blogiosiossa. Jos energiaa vielä jäi, niin höyrykattiloiden ohjauksesta kiinnostuneille suosittelen ehdottomasti visiittiä virtuaaliseen höyrykattilan ohjausjärjestelmään. Ohjelmassa voi testata eri säätimien toimintaa, muuttaa ohjausparametreja, sekä testailla yleisesti kattilan toimintaa ja mahdollisia hälytyksiä. Kiitos mielenkiinnosta Konwellia kohtaan!

 

  • syöttövesisäiliöt
  • pinnanohjaus
  • pintalähettimet
  • pinnanosoittimet
  • säätimet ja signaalimuuntimet