FI74543C - Saett och anlaeggning vid elektrisk tryckmaetning. - Google Patents

Description

1 74543

Menetelmä ja laitteisto sähköisessä painemittauksessa - Sätt och anläggning vid elektrisk tryckmätning

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

5 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 10 paineella tarkoitetaan prosessin ohjauksessa käytettävää, tuntoelimeltä saatavaa sähköistä viestiä ja dynaamisella paineella tarkoitetaan tähän staattiseen viestiin syntyvää häiriötä, joka aiheutuu prosessilaitteiden, kuten pumppujen ja putkistojen värähtelystä. Tyypillisesti staattinen paine on hitaasti muuttu-15 vaa 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 20 ominaista suuri taajuus ja pieni signaalitaso, on niiden erottaminen vaikeaa tavanomaisen staattisen paineen mittaukseen tarkoitetun mittauslähettimen suodattamattomastakin viestistä. Erikseen dynaamisia paineen mittauksia varten onkin saatavissa tähän tarkoitukseen dynamiikaltaan sopivia tuntoelimiä ja mit-25 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 30 dynaamiset painesignaalit vahvistetaan sopivasti, voidaan niis sä ilmenevien vaihteluiden perusteella ennakoida prosessilaitteiden korjaustarpeet, kuten pumppujen siipipyörien vauriot ja putkistojen väsymisvauriot.

2 74543 Tämän keksinnön tarkoituksena on esittää sähköisessä paineen-mittauksesssa käytettävä menetelmä, jolla yhtä ja samaa tunto-elintä käyttäen voidaan ensinnäkin mittauslähettimessä muokata sekä toimilaitteiden ohjauksessa että prosessilaitteiden kunnon 5 valvonnassa tarvittavat sähköiset signaalit ja toiseksi erottaa nämä yhdistettynä vastaanottoelimelle viedyt signaalit toisistaan em. tarkoituksia varten käytettäviksi.

Tämän tarkoituksen saavuttamiseksi on keksinnön mukainen menetelmä pääasiassa tunnettu siitä, että 10 - mittauslähettimessä korostetaan tuntoelimeltä tulevan vahvistetun signaalin dynaamista osuutta, johdetaan signaali, joka käsittää staattisen osan ja korostetun dynaamisen suurtaajuisen osan muodostaman yhdistelmän vastaanottoelimeen ja 15 - erotetaan vastaanottoelimessä yhdistelmäsignaalista dynaaminen suurtaajuinen osuus, jolloin staattista osuutta käytetään sinänsä tunnetulla tavalla toimilaitteiden ohjauksessa ja jolloin dynaamista osuutta käytetään prosessilaitteiden kunnon valvonnassa.

20 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 mittauk- 25 seen tarkoitetun tuntoelimen ja mittauslähettimen hankinta, asennus ja kaapelointi. Suurtaajuisen osan korostaminen mittauslähettimessä helpottaa dynaamisen paineen signaalin esiin-saantia vastaanottoelimessä, koska häiriöiden suhteellinen osuus vaimenee. Tästä on erityisesti hyötyä silloin, kun vies- 30 tien siirtomatkat ovat pitkät. Lisäksi menetelmän soveltamisessa käytettävän laitteiston asennus- ja kaapelointityö on yksinkertainen. Mittauslähettimen ja vastaanottoelimen välinen

II

3 7454 3 signaalisiirto voidaan toteuttaa kaksinapaista viestikaapelia käyttäen.

Keksinnön kohteena on myös laitteisto, jolla menetelmää voidaan soveltaa. Keksinnön mukaiseen laitteistoon kuuluu pääosina mit-5 tauslähetin ja vastaanottoelin, joita yhdistää viestikaapeli. Keksinnön mukaiselle laitteistolle on pääasiassa tunnusomaista se, että mittauslähettimessä on vahvistinpiiri, jonka avulla tuntoelimeltä mittauslähettimeen muodostuvan säh-10 köisen signaalin, joka sisältää staattisen ja dynaa misen, suurtaajuisen osuuden osan muodostaman yhdistelmän, dynaamista suurtaajuista osuutta korostetaan, että vastaanottoelin käsittää ensimmäisen virtapiirin, jo-15 ka on sähköisessä yhteydessä viestikaapelin välityk sellä mittauslähettimeen ja joka on tarkoitettu toimilaitteiden ohjauksessa käytettävien viestien aikaansaamiseen mittauslähettimeltä tulevien signaalien mukaisesti; ensimmäisestä virtapiiristä eristetyn 20 toisen virtapiirin, josta saatavia viestejä käytetään prosessilaitteiden kunnon valvonnassa, ja ensimmäisen ja toisen virtapiirin välille sovitetun elimen dynaamisen, suurtaajuisen signaalin erottamiseksi toiseen virtapiiriin ensimmäisestä virtapiiristä.

25 Keksinnön mukaisen laitteiston tuntoelin mitoitetaan staattisen paineenmittausalueen mukaan, joten sen dynaaminen painesignaa-liaste välttää ylikuormitusongelmat. Lisäksi laitteiston rakenne mahdollistaa sen, että dynaamisen painesignaalin herkkyyslu-ku on määriteltävissä staattisen signaalin käsittelyosan avul-30 la, mikä puolestaan voidaan kalibroida tavanomaisin menetelmin.

Se, että vastaanottoelimen virtapiirit on eristetty, mahdollistaa laitteiston käytön erityyppisten kunnonvalvontalaitteiden kanssa.

4 74543

Keksinnön mukaisen laitteiston edullisia toteutusmuotoja on esitetty oheisissa aiivaatimuksissa.

Seuraavassa selityksessä havainnollistetaan oheiseen piirustukseen viitaten keksinnön mukaista menetelmää sekä laitteistoa 5 erään kaaviollisesti esitetyn suoritusesimerkin avulla.

Kuvaan viitaten prosessiin ja prosessiaine'eseen 1 yhteydessä oleva tuntoelin 2 muuntaa paineen, sekä staattisen että dynaamisen sähköiseksi signaaliksi, joka esivahvistetaan esivahvis-timella 3. Vahvistettu signaali johdetaan varsinaiseen vahvis-tinpiiriin 4, jonka toiminta selostetaan myöhemmin. Vahvistin-piirin jälkeen on mittauslähettimessä ohjauspiiri 5. Edelleen vahvistinpiiristä 4 johdetaan sähköinen viesti kaksinapaista kaapelia K2 pitkin vastaanottoelimelle 6, jossa tapahtuu dynaamiselta osuudeltaan korostetun yhdistelmäsignaalin erottaminen. 15 Ensimmäinen virtapiiri 7 on sähköisessä yhteydessä kaapelin K2 välityksellä mittauslänettimeen 2, 3, 4. Toinen virtapiiri 8 on eristetty ensimmäisestä virtapiiristä. Ensimmäisen virtapiirin 7 ja toisen virtapiirin 8 välillä on muuntaja 9, jolloin ensimmäisessä virtapiirissä kulkevasta signaalista erotetaan toiseen 20 virtapiiriin 8 prosessilaitteiden kunnon valvonnassa käytettävä viesti (KV). Ensimmäinen virtapiiri 7 toimii toimilaitteiden ohjaukseen saatavien viestien (TO) aikaansaamisessa.

Vahvistinpiiriin 4 kuuluu invertoiva operaatiovahvistin AI. Sen tuloimpedanssin muodostaa vastus ja sarjaan kytketyt konden-25 saattori C ja vastus R2. Vastus R^ muodostaa takaisinkytkentä- vastuksen, joka on kytketty tuloimpedanssipiirin ja operaatio-vahvistimen AI lähtöimpedanssin välille.

Vahvistinpiirin 4 sähköinen toiminta voidaan piirustuksessa esitetyn kytkennän osalta selittää seuraavasti. Vahvistinpiiri 30 4 korostaa yhdistelmäsignaalin suuria taajuuksia. Ajan funktioina vaihtelevat signaalijännitteet ja U2 voidaan myös esittää Fourierin muunnoksina U^(w) ja U2(w), jotka kuvaavat

II

74543 5 jännitteiden amplitudin jakaantumista kulmataajuudeltaan w erilaisiin komponentteihin. Esitetyn vahvistinpiirin 4 operaatio-vahvistimen AI on vahvistuskerroin on hyvin suuri, esim. 10^ ja tuloimpedanssi suuri verrattuna vahvistinpiirin vastuksiin R.^ 5 r2 ja , jolloin sen tulonapojen kautta kulkeva virta on merkityksetön. Silloin jännitteiden Fourierin muutosten välinen yhteys on: A R3\ U 2 (w) = f- + -K (w) \R1 z2/ 2 missä Z2 = R2 + ^wC = (1+iWCR2^^^wC^' 3 = -1

Pienillä taajuuksilla (w<< l/£(Rn + R0) CQ ) on vahvistimen vah- J. c.

10 vistuskerroin K=R-./R.. . Suurilla taajuuksilla (w >> 1/(R~C)) on J 1 i i Δ vahvistuskerroin K=R2*( /R^+ /R2)· Kun R2< saadaan vahvis- tinkytkennällä selvästi suuria taajuuksia korostava vaikutus.

Vahvistinpiirin 4 jälkeen mittauslähettimessä olevan ohjauspiirin operaatiovahvistin A2 ohjaa päätetransistorin Tl avulla 15 virranmittausvastuksen 10 kautta kulkevan viestivirran verrannolliseksi jännitteeseen U2· Jänniteregulaattori 11 (vakiopii-ri) pitää mittauselektroniikan syöttöjännitteen vakiona.

Vastaavasti signaalin erottaminen galvaanisella periaatteella vastaanottoelimessä voidaan selittää seuraavalla tavalla.

20 Paineen vaihteluun verrannollinen signaali saadaan muuntajan 9 avulla edullisesti siirretyksi lähettimen ensimmäisestä virtapiiristä 7 eristettyyn toiseen virtapiiriin 8. Muuntajan, kaavio A, toimintaa on paras kuvata vastinkytkennän, kaavio B, avulla.

6 1 τ 74543 nl Lh2r | R -TR©—p TW' -y—

Jl) N1 p l N2 y \ U2m ^ I Lp U RLr | U2r

KAAVIO A KAAVIO B

Näissä kaavioissa on käytetty seuraavia merkintöjä = ensiökäämin johdinkierrosmäärää N2 = toisiokäämin johdinkierrosmäärää

Lp = ensiökäämin pääinduktanssi ^ L^ = ensiökäämin hajainduktanssi L^2 = toisiokäämin hajainduktanssi

Rl = toision kuormitusresistanssi

Vastinkytkennässä toisiopuolen suureet on redusoitu ensiöön:

Lh2r - <VN2)2'Lh2 10 RLr = tNl/N2>2-RL

U2r *

Muuntajan taajuusvaste on

(jw) = ]w Lp_. R

xl(jw) RLr+^w Lh2r+-'wLp ^ = jwLp 2 1+DW (L. , +Lp) ; j = -1 (j = imag. yks.) /RLr

Suhde (L^2r + Lp^RLr = T on kytkennän aikavakio ja määrää muuntajan alarajataajuuden w = 1/T, jota pienemmillä kulmataa- 15'*· ^ juuksilla signaalin siirtyminen toisioon heikkenee kulmataajuu- den pienentyessä, siis kun w<< w , niin 3 74543 7 U2r (jw) a* jwLp*I1(jw)

Tasavirta (w=0) ei siirry muuntajan kautta. Alarajataajuutta selvästi suuremmilla taajuuksilla signaalin siirtyminen on taajuudesta riippumaton: U2r<j“> ~ -L, , -^Lp - · <jw) = h2r = w iLp*I, (jw) ; w >>w d 1 a

Eräs sopiva muuntaja on valmiina komponenttina saatava pulssi-5 muuntaja Schaffner IT332, jonka pääinduktanssi Lp on 200 mH ja kierrosmääräsuhde N^/N2 = ^^oko 25x25x25 mm3.

Kokeissa on alarajataajuudeksi saatu n. 6 Hz, kun ulkopuolinen kuormitusresistanssi oli 0,47 ohmia. (Toisiokäämin oma resistanssi on 0,5 ohmia, R = 0,97 ohmia).

L· 10 Vastaanottoelin 6 käsittää ensimmäisessä piirissä 7 olevat vir-ranmittausvastuksen 12, kondensaattorin 13 ja tasavirtalähteen 14. Kondensaattorilla 13 suoritetaan ensimmäisen virtapiirin 7 yhdistelmäsignaalin suurtaajuisen osan esisuodatus.

Claims (4)

74543 8

1. Menetelmä sähköisessä painemittauksessa, jossa tuntoelimeltä (2) tuleva prosessin painetta vastaava sähköinen signaali muokataan mittauslähettimessä (2, 3, 4, 5) prosessin toimilaitteelle tai vastaaville sopivaksi sähköiseksi viestiksi, t u n- 5. e t t u siitä, että mittauslähettimessä (2, 3, 4, 5) korostetaan tunto- elimeltä (2) tulevan vahvistetun (3) signaalin dynaamista osuutta, johdetaan signaali, joka käsittää staattisen osan ja 10 korostetun dynaamisen suurtaajuisen osan muodostaman yhdistelmän vastaanottoelimeen (6) ja erotetaan vastaanottoelimessä (6) yhdistelmäsignaa-lista dynaaminen suurtaajuinen osuus, jolloin staattista osuutta käytetään sinänsä tunnetulla tavalla 15 toimilaitteiden ohjauksessa ja jolloin dynaamista osuutta käytetään prosessilaitteiden kunnon valvonnassa.

2. Laitteisto sähköisessä painemittauksessa, johon laitteistoon kuuluu mittauslähetin (2, 3, 4) ja vastaanottoelin (6), 20 joita yhdistää viestikaapeli (Kj), tunnettu siitä, että mittauslähettimessä (2, 3, 4, 5) on vahvistinpiiri (4), jonka avulla tuntoelimeltä (2) mittauslähettimeen muodostuvan sähköisen signaalin, joka sisältää staattisen ja dynaamisen, suurtaajuisen osuuden muodostaman yhdistelmän, dynaamista suur-25 taajuista osuutta korostetaan ja että vastaanottoelin (6) käsittää ensimmäisen virtapiirin (7), joka on sähköisessä yhteydessä viestikaapelin (I^) välityksellä mittauslähettimeen (2, 3. 4, 5) ja joka on tarkoitettu toimilaitteiden ohjauksessa käytettävien viestien aikaansaamiseen mittauslähettimeltä tule- 30 vien signaalien mukaisesti; ensimmäisestä virtapiiristä (7) 74543 9 eristetyn toisen virtapiirin (8), josta saatuja viestejä käytetään prosessilaitteiden kunnon valvonnassa ja ensimmäisen ja toisen virtapiirin välille sovitetun elimen (9) dynaamisen, suurtaajuisen signaalin erottamiseksi toiseen virtapiiriin (8) 5 ensimmäisestä virtapiiristä (7).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että vahvistinpiirin (4) muodostaa operaatiovahvistin (AI), jonka tuloimpedanssi muodostuu rinnankytketyistä toisaalta vastuksesta (R^) ja toisaalta sarjaan kytketyistä konden- 10 saattorista (C) ja vastuksesta (R2) ja jonka lähtöimpedanssi on kytketty vastuksen (R3) välityksellä tuloimpedanssipiiriin (R^ c, r2).

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että elin (9) on muuntaja. 10 74543