FI71016C - Saett vid elektrisk tryckmaetning och en vid saettet anvaendbar maetsaendare - Google Patents

Description

71 01 6

Menetelmä sähköisessä painemittauksessa ja menetelmässä käytettävä mittauslähetin - Sätt vid elektrisk tryckm^tning och en vid sättet användbar mätsändare

Keksintö kohdistuu menetelmään sähköisessä paineenmittauksessa, jossa tuntoelimeltä tuleva prosessin painetta vastaava sähköinen signaali muokataan mittauslähettimessä prosessin toimilaitteille ja vastaaville sopivaksi sähköiseksi viestiksi.

Tunnetun tekniikan tason mukaiset tuntoelimet ja mittauslähettimet on suunniteltu siten, että ne soveltuvat ainoastaan joko staattisen paineen mittauksia ja viestinmuodostusta tai erityisesti dynaamisen paineen mittauksia ja viestinmuodostusta varten. Edellisessä samoin kuin tekstissä jäljempänä staattisella paineella tarkoitetaan prosessin ohjauksessa käytettävää, tuntoelimeltä saatavaa sähköistä viestä ja dynaamisella paineella tarkoitetaan tähän staattiseen viestiin syntyvää häiriötä, joka aiheutuu prosessilaitteiden, kuten pumppujen ja putkistojen värähtelystä. Tyypillisesti staattinen paine on hitaasti muuttuvaa verrattuna dynaamiseen paineeseen, joka on suurempitaajuis-ta. Mikäli tuntoelin ja mittauslaite on suunniteltu staattisen paineen mittauksia varten, on dynaaminen paine tarkkailtavan prosessin kannalta häiriö ja se usein suodatetaan pois vahvistuksen yhteydessä. Koska dynaamisille paineenvaihteluille on ominaista suuri taajuus ja pieni signaalitaso, on niiden erottaminen mahdotonta tavanomaisen staattisen paineen mittaukseen tarkoitetun mittauslähettimen suodattamattomastakin viestistä. Erikseen dynaamisia paineen mittauksia varten onkin saatavissa tähän tarkoitukseen dynamiikaltaan sopivia tuntoelimiä ja mit-tauselimiä.

On sinänsä tunnettua, että dynaamisia painesignaaleja syntyy prosessin toimilaitteiden kuten pumppujen ja muiden osien kuten putkistojen värähtelystä. Näitä dynaamisia painesignaaleja voidaan käyttää prosessilaitteiden kunnon valvonnassa. Mikäli nämä 7101 6 2 dynaamiset painesignaal it. vahvistetaan sopivasti, voidaan niissä ilmenevien vaihteluiden perusteella ennakoida prosessilaitteiden korjaustarpeet, kuten pumppujen siipipyörien vauriot ja putkistojen väsymi s vauriot.

Tämän keksinnön tarkoituksena on esittää sähköisessä paineen-mittauksessa käytettävä menetelmä, jolla yhtä ja samaa tunto-elintä käyttäen voidaan mittauslähettimessä muokata sekä toimilaitteiden ohjauksessa että prosessilaitteiden kunnon valvonnassa tarvittavat sähköiset viestit.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi on keksinnön mukainen menetelmä pääasiassa tunnettu siitä, että - mittauslähettimessä tuntoelimeltä tulevasta sähköisestä signaalista, joka sisältää staattisen ja dynaamisen osuuden muodostaman yhdistelmän, erotetaan dynaaminen osuus ja että - sekä yhdiste 1mäsignaa1i että dynaaminen osuus vahvistetaan erikseen, jolloin yhdiste 1mäsignaa 1ista vahvistettua viestiä sinänsä tunnetulla tavalla käytetään toimilaitteiden ohjauksessa ja jolloin dynaamisesta osuudesta vahvistettua viestiä käytetään prosessilaitteiden kunnon valvonnassa.

Keksintö tarjoaa siis huomattavan taloudellisen edun tilanteessa, jossa halutaan mitata samanaikaisesti sekä staattinen paine että dynaaminen paine, joka sisältää suurempitaajuisia, tasoltaan olennaisesti staattista painetta pienempiä muutoksia. Tällöin voidaan siis välttää erillisen dynaamisen paineen mittaukseen tarkoitetun tuntoelimen ja mittauslähettimen hankinta, asennus ja kaapelointi.

7101 6 3

Keksinnön mukainen yhdistelmälähetin mitoitetaan staattisen paineenmittausalueen mukaan, joten sen dynaaminen painesignaa-liaste välttää ylikuormitusongelmat. Lisäksi mittauslähettimen rakenne mahdollistaa sen, että dynaamisen painesignaalin herk-kyysluku on määriteltävissä staattisen signaalin käsittelyosan avulla, mikä puolestaan voidaan kalibroida tavanomaisin menetelmin .

On edullista, että dynaaminen osuus erotetaan yhdistelmäsignaa-lista kapasitiivise 1la tai induktiivisella periaatteella toimivan y1ipäästösuodattimen kautta vahvistukseen.

Erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti vahvistuksen jälkeen sekä toimilaitteiden ohjauksessa että prosessilaitteiden kunnon valvonnassa käytettävät sähköiset viestit yhdistetään ja että ne uudelleen erotetaan ennen toimilaitetta ja valvontaa. Erottaminen voi tapahtua tällöin joko kapasitiivisesti tai induktiivisesta. Tämä on erityisen edullista silloin kun viestien siirtomatkat ovat pitkät. Tämä suoritusmuoto mahdollistaa myös sen, että asennus- ja kaapelointityö ei vaadi erityistöitä verrattuna tavanomaiseen mittauslähettimeen, joten suunnittelutyö helpottuu. Lisäksi käytännössä voidaan aikaisemmin asennetun tavallisen mittauslähettimen paikalle vaihtaa keksinnön mukainen lähetin ilman, että tarvitsee muuttaa asennustapaa tai kaapelointia.

Luonnollisesti molemmat viestit voidaan johtaa erikseen toimilaitteille ja valvontaan. Tämä on edullista, mikäli viestien siirtomatkat eivät ole pitkiä ja toimilaitteet ja prosessin kunnon valvonta sijaitsevat lähellä mittauslähetintä, jolloin asennus- ja kaapelointityö on yksinkertaisempi.

Keksintö kohdistuu myös menetelmässä käytettävään mittauslähet-timeen, jota käytetään tuntoelimeltä tulevan, prosessin painetta vastaavan sähköisen signaalin muokkaamisessa. Tämä mittaus-lähetin on tunnettu pääasiassa siitä, että mittauslähetin käsittää rinnakkain kytkettyinä kaksi vahvistinpiiriä, joille on 4 7101 6 johdettu samalta tuntoelimeltä tuleva sähköinen signaali siten, että ensimmäinen vahvistinpiiri ottaa vastaan sähköisen signaalin sekä staattisen että dynaamisen osuuden prosessin tilaan verrannollisen sähköisen viestin aikaansaamiseksi ja toinen vahvistinpiiri ottaa vastaan ylipäästösuodattimen kautta sähköisen signaalin dynaamisen osuuden prosessilaitteiden kunnon valvontaan käytettävän sähköisen viestin aikaansaamiseksi.

Muissa mittauslähettimeen kohdistuvissa aij vaatimuksissa on esitetty mittaus 1ähettimen edullisia suoritusmuotoja.

Seuraavassa selityksessä havainnollistetaan oheisiin piirustuksiin viitaten keksinnön mukaista menetelmää sekä mittauslähe-tintä erään suoritusesimerkin avulla. Piirustuksissa kuva 1 esittää kaaviollisesti prosessin ohjausta ja kunnon valvontaa , kuva 2 kuvaa graafisesti painetta vastaavaa sähköistä signaalia sekä viestejä pisteissä A, B ja C ja kuvat 3 ja 4 esittävät kaaviollisesti eräitä miltauslähettimen suoritusmuotoja.

Kuvaan 1 viitaten prosessiin ja prosessia!neeseen 1 yhteydessä oleva tuntoelin 2 muuntaa paineen, sekä staattisen että dynaamisen sähköiseksi signaaliksi, joka esivahvis tetaan esivahvis-timella 3. Vahvistettu signaali johdetaan varsinaiseen vahvis-tusosaan, jossa on rinnan kaksi vahvistuspairiä 4 ja 5, joista ensimmäinen 4 vahvistaa yhdiste1mäsignaa1in ja joista toinen 5 vahvistaa ylipäästösuodattimen 6 läpäisevän dynaamisen osuuden yhdiste1mäsignaalis ta . Edelleen vahvistuspiiristä 4 johdetaan sähköinen viesti toimi- tai säatölaitteel1 e 7 sekä mahdolliseen näyttöön 8. Vastaavasti vahvistuspiiristä 5 johdetaan sähköinen viesti prosessilaitteiden kunnon valvontaan ja tarkkailuun 9.

7101 6 5

Kuva 2 esittää signaaleja ajan t funktiona esimerkinomaisesti. Tällöin tuntoelimen 2 välittämä esivahvistettu yhdistelmäsig-naali on merkitty kirjaimella A. Kirjaimella B merkitystä vahvistetusta toimilaitteiden ohjauksessa käytettävästä viestistä on suodattunut pois signaalissa A näkyvä dynaaminen osuus ja viesti B vastaa toimilaitteiden tarpeita. Kirjaimella C on merkitty vahvistettu dynaaminen osuus, josta puolestaan on suodatettu pois staattinen osuus. Ympyröillä on esitetty vahvistus-suhdetta. Vaikka staattisen paineen painetaso muuttuu (pienempi ympyrä) niin vahvistettu dynaaminen osuus säilyttää olennaisesti saman viestitason (suurempi ympyrä).

Kuvassa 3 on kaaviollisesti esitetty erästä mittauslähettimen 10 suoritusmuotoa. Prosessiaineen paineesta p saatava tieto muunnetaan sähköiseksi signaaliksi tuntoelimessä, joka voi olla esim. venymäliuskamittaukseen perustuva tai pietso-resistiivi— nen. Kuvan 3 esittämä mittauslähetin 10 toimii kaksijohdinperi-aatteella, jolloin sekä vahvistinpiirin 4 että 5 (johdin 21 kaksijohdinjärjes telmän liittimista 11) syöttöjännite voidaan kuvan 3 mukaisesti ottaa virtalähteestä 22. Toimintatehon vaatima virta voidaan ohjata diodihaaran 15 ja mittauslähettimen metallisten osien kautta prosessin maapotentiaaliin.

Vaihtoehtoisesti vahvistinpiiri 5 voidaan konstruoida myös niin pienellä teholla toimivista elektroniikkakomponenteista, että diodihaara 15 voidaan jättää kokonaan pois ja käyttövirta ohjata viesti1iittimeen 12 (katkoviiva kuvassa 3). Tämä on konstruktiona kalliimpi, mutta parantaa elektroniikkaosien eristystä prosessin metallirakenteista. Samoin prosessin maapoten-tiaali saa olla riippumaton viestijärjestelmän maapotentiaalis-ta.

Vahvistinpiirit 4 ja 5 sisältävät tarvittavan määrän tehoasteita 16, 17, kuten transistoreita, joita asetettavat vahvistin-piirien 4 ja 5 vahvistimet 23, 24 ohjaavat.

6 71016

Kuvan 3 mukaisesti vahvistinpiirien 4 ja 5 u1 ostu1oviestit yhdistetään (liitin 1P) , jolloin mittaus lähettimen 10 kaksijoh-dinperiaatetta voidaan käyttää hyväksi myös dynaamisen viestin siirtämisessä. Tällöin vastaanottopäässä 1P voidaan suuritaa-juinen dynaaminen viesti johtaa kapusi ti i v i sost i (y1ipäästösuo-datin 25) yhdistetystä viestistä erotettuna valvonta-, tarkkailu- tai rekisteröinti laittee 11 e, kuten oski11oskoopi1 le. Vastaavasti staattinen viesti erotetaan vastuksen ?6 ja kondensaattorin 27 avulla. Lisäksi vastaanottopäässä on mittausvastus 28. Edellä kuvattu järjestely soveltuu sellaisiin järjestelmiin, joissa vanha mittauslähetin halutaan korvata keksinnön mukaisella m i t taus 1 ähe 11. i me 11 a . Tällöin ei tarvita asennuksia eikä uusia kaapelointeja. Luonnollisesti keksinnön mukainen mittauslähetin edellä esitetyllä tavalla toteutettuna säästää myös uusien kohteiden suunnittelukustannuksia, koska aikaisempia kaapelointisuunnitelmia ei tarvitse muuttaa.

Vaihtoehtoisesti voidaan dynaamisen viestin erottaminen toteuttaa myös induktiivisesti kaksijohdinjärjes telmän jommasta kummasta syöttöjohtimesta sijoittamalla johtimen yhteyteen herkkä induktiivinen vaihtovirran tuntoelin, joka yhdistetään valvonta-, tarkkailu- tai rekisteröinti laitteeseen .

Luonnollisesti lisäjohtimien avulla voidaan signaalit kuljettaa erillisenä jo mittauslähettimeltä. Esimerkiksi mikäli mittaus-lähettimessä, joka on tarkoitettu ainoastaan staattisten paineiden mittaukseen, on olemassa kytkentävalmi us, voidaan dynaaminen viesti erottaa erillisellä vahvistinpiiri11ä 5, joka on rakennettu paikallista valvontaa tai rekisteröintiä varten. Tällöin staattisen paineen mittauksessa käytettävä mittauslähetin on varustettava 1iitäntäpistei11ä 11, 12 ja 19. Valvonta- ja tarkkailulaite, kuten oskilloskooppi on puolestaan kytketty kytkentäpisteisiin 14' ja 13'. Tällöin siis saadaan aikaan kuvan 4 mukainen kytkentä, jossa dynaaminen paineviesti saadaan kohdasta 20. Kohdan 20 signaa1ijännite muodostetaan yhdellä mittausvastuksella joko kuvan 4 mukaisesti vahvistinpiirissä 5 7 71016 (mittausvastus 29) tai ulkopuolella (mittausvastus kohdassa 30) signaalin vastaanottopäässä. Toisen vahvietinpiirin 5 käyttö-virtahaara 31 voidaan yhdistää suoraan kytkentäpisteeseen 13, jolloin diodin 15 muodostamaa yhteyttä ei tarvita. Diodin 15 avulla estetään maahan kytkentää muodostamasta tässä tapauksessa maavirtasilmukkaa. Luonnollisesti edellä esitetty kytkentä voidaan toteuttaa myös siten, että mittauslähetin sinänsä sisältää vahvistuspiirin 5 ja lähetin sisältää kytkentäpisteet 14 ja 13, joiden kautta paikallinen tai jatkuva valvonta ja tarkkailu voidaan toteuttaa vastaavalla tavalla.

Kuva 4 sisältää siis lähettimen ulkopuoliset vaihtoehtoiset kytkentämahdollisuudet vahvistinpiirin 5 käyttövirran johtamiseksi joko diodihaaran 15 kautta tai liittimen 13 kautta. Diodien tehtävänä on estää virran kulkeminen diodihaaran kautta siinä tapauksessa, että käyttövirta johdetaan liittimen 13 kautta. Diodeita ei tarvittaisi, jos nämä kaksi vaihtoehtoa toteutettaisiin erilaisilla vahvistinpiirin 5 sisäisillä kytken-nöillä; ensin mainitussa tapauksessa haara 15 voisi olla pelkkä johdin ja jälkimmäisessä tapauksessa se puuttuisi kokonaan. (Sama pätee kuvaan 3, jolloin vain käytetään liitintä 12 liittimen 13 sijasta). Käytännössä on edullista toteuttaa vaihtoehdot samanlaisilla vahvistinyksiköi11ä.

Eräänä käytännön esimerkkinä voidaan esittää seuraava: Mittaus-lähettimen lähtöviestikaapeli on tavallisesti pitkä. Siihen voi näin ollen indusoitua erilaisia häiriöitä. Niinpä viestialueek-si on useimmiten valittu suhteellisen suuri tasavirta, 20mA, joka siirtää pieneen tuloimpedanssiin (vastus 28 kuvassa 3) suhteellisen häiriövapaan jännitesignaalin. Tuloimpedanssin suuruus on tyypillisesti 250 ohmia ja jännitesignaalin suuruus on täten 0 - 5V. Näillä arvoilla saadaan siis käytännön tilanteessa tarvittavan tarkka staattinen paineviesti.

8 7101 6

Mikäli halutaan myös tarkkailla dynaamista painetta ja saada aikaan dynaaminen paineviesti, on staattisen ja dynaamisen pai-nesignaalin muodostamasta yhdistelmästä erotettava, olennaisesti pienempi dynaaminen viesti, joka suuruusluokaltaan on ainoastaan prosentin murto-osa staattisesta paineesta, esim. 10 mbar 10 barin prosessipaineella. Signaalin erottaminen yhdis-telmasignaalista on vaikeaa ja se sekoittuu helposti lähtövies-tikaapeliin indusoituneisiin häiriöihin. Esimerkin tapauksessa dynaamisen paineen signaalialue on 20 μΑ / 5 mV (250 ohm mit-tausvastus).

Nämä vaikeudet voidaan välttää keksinnön mukaisesti vahvistamalla erotettu dynaaminen painesignaali esim. 1 mA:n luokkaa olevaksi viestiksi. Tällöin saadaan edellä mainituista häiriöistä riittävän hyvin erottuva hyötyviesti. Tämä viesti lähetetään kaksijohdinperiaatteella toimivassa mittauslähettimessä (0,5 + 0,5) mA:n alueelle asetettuna virtana, joka voidaan yhdistää ja summata mittauslähettimen staattiseen viestivirtaan, koska viestihaarat ovat lähdöiltään hyvin suuri-impedanssisia. Koska dynaamisen viestin nolla-arvo on 0,5 mA, täytyy varsinaisen mittauslähettimen viestille suorittaa vastaava alkupisteen siirto. Edellä esitetyllä kytkennällä saadaan 250 ohmin mit-tausvastuksessa dynaamiseen signaaliin nähden verrannollinen vaihtojännite + 125 mV:n alueella.

Keksinnön mukaista mi ttaus1ähetintä voidaan soveltaa myös pai-ne-eromittauksien yhteydessä.

Claims (14)

71 01 6 9

1. Menetelmä sähköisessä painemittauksessa, jossa tuntoelimeltä (2) tuleva prosessin (1) painetta vastaava sähköinen signaali muokataan mittauslähettimessä (10) prosessin toimilaitteille (7) ja vastaaville (8) sopivaksi sähköiseksi viestiksi, tunnettu siitä, että - mittauslähettimessä (10) tuntoelimeltä (2) tulevasta sähköisestä signaalista, joka sisältää staattisen ja dynaamisen osuuden muodostaman yhdistelmän, erotetaan dynaaminen osuus ja että sekä yhdistelmäsignaali että dynaaminen osuus vahvistetaan erikseen, jolloin yhdistelmäsignaalista vahvistettua viestiä sinänsä tunnetulla tavalla käytetään toimilaitteiden (7) ohjauksessa ja jolloin dynaamisesta osuudesta vahvistettua viestiä käytetään prosessilaitteiden kunnon valvonnassa (9).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dynaaminen osuus erotetaan (6) yhdistelmäsignaalista kapasitiivisella tai induktiivisella periaatteella toimivan ylipäästösuodattimen kautta vahvistukseen.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vahvistuksen jälkeen sekä yhdistelmäsignaalista että sen dynaamisesta osuudesta vahvistetut viestit yhdistetään ja että viestit uudelleen erotetaan ennen toimilaitetta (7) ja valvontaa (9).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että vastaanottopäässä (18) dynaamisesta osuudesta vahvistettu viesti erotetaan kapasitiivisesti. 10 71016

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että dynaamisesta osuudesta vahvistettu viesti erotetaan induktiivisesti.

6. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekä yhdistelmäsignaalista että sen dynaamisesta osuudesta vahvistettu viesti johdetaan erikseen toimilaitteelle (7) ja valvontaan (9).

7. Patenttivaatimusten 1-6 mukaisessa menetelmässä käytettävä mittauslähetin (10) tuntoelimeltä (2) tulevan prosessin (1) painetta vastaavan sähköisen signaalin muokkaamiseksi, tunnettu siitä, että mittauslähetin (10) käsittää rinnakkain kytkettyinä kaksi vahvistinpiiriä (4, 5), joille on johdettu samalta tuntoelimeltä (2) tuleva sähköinen signaali siten, että ensimmäinen vahvistinpiiri (4) ottaa vastaan sähköisen signaalin sekä staattisen että dynaamisen osuuden prosessin tilaan verrannollisen sähköisen viestin aikaansaamiseksi ja toinen vahvistinpiiri (5) ottaa vastaan y1ipäästösuotimen (6) kautta sähköisen signaalin dynaamisen osuuden prosessilaitteiden kunnon valvonnassa (9) käytettävän sähköisen viestin aikaansaamiseksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen mittauslähetin, tunnettu siitä, että prosessin tilaan verrannollinen säh köinen viesti (B) ja prosessin toimilaitteiden kunnon valvontaan käytettävä viesti (C) on yhdistetty vahvistinpiirin jälkeen (12) ja että vastaanottopäähän on järjestetty elimet (18) viestien uudelleen erottamiseksi ennen toimilaitetta (7) ja valvontaa (9).

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen mittauslähetin, tunnettu siitä, että prosessin toimilaitteiden kunnon valvontaan käytettävän viestin erotuselin (25) on kapasitiivisella periaatteella toimiva. 11 71016

10. Patenttivaatimuksen 8 mukainen mittauslähetin, tunnettu siitä, että prosessin toimilaitteiden kunnon valvontaan käytettävän viestin erottava elin on induktiivisella periaatteella toimiva.

11. Patenttivaatimuksen 7 mukainen mittauslähetin, t u n- n e t t u siitä, että sähköisen signaalin dynaamisen osuuden erottamisessa käytettävä elin (6) on kapasitiivisella tai induktiivisella periaatteella toimiva ylipäästösuodatin.

12. Patenttivaatimuksen 7 mukainen mittauslähetin, tunnettu siitä, että toisen vahvistinpiirin (5) käyttöteho on kytketty kaksijohdinperiaatteella toimivan mittauslähettimen (10) virtalähteen (22) positiiviseen johtimeen (11) ja että käyttövirta on johdettu mittauslähettimen (10) kuorirakenteen kautta maapotentiaaliin.

13. Patenttivaatimusten 7-10 ja 12 mukainen mittauslähetin, tunnettu siitä, että toisen vahvistinpiirin (5) käyttövirta on kytketty kaksijohdinperiaatteella toimivan mittauslähettimen (10) negatiiviseen johtimeen (12).

14. Patenttivaatimuksen 7 mukainen mittauslähetin, tunnettu siitä, että tuntoelin (2) on venymäliuskaperiaat- teella tai pietso-resistiivisella periaatteella toimiva. 12 7101 6 Patentkrav^