Table Of Content

Instrumenterings teknikk med vekt på måleteknikk Odd Arild Olsen 3. opplag NBflansp TAPIR 1992 ©TAPIR, TRONDHEIM 1992 ISBN 82-519-0926-0 Det må ikke kopieres fra denne bok ut over det som er tillatt etter bestemmelser i “Lov om opphavsrett til åndsverk”, “Lov om rett til fotografi” og “Avtale mellom staten og rettighetshavernes organisasjoner om kopiering av opphavsrettslig beskyttet verk i undervisningsvirksomhet”. Trykk: Tapir Bind: Julius Maske A/S Sats: Forfatteren og TjrX Omslag ved Leif Gaustad Boken er satt i 10 pt Computer Modern Forord Instrumenteringsteknikken har et stort notater. Forskjellige deler av boken kan omfang, og det kreves innsikt i mange også være basis i flere fag. detaljer. Mye av det er ikke mulig å lære Det er ikke forfatterens mening at hele ved å lese bøker, det kommer med prak boken skal være pensum i fag med normal tisk erfaring. Boken er derfor konsentrert belastning. For å lette oppsett av pensum om beskrivelser av vanlige elementer og lister er det konsekvent benyttet nummere teknikker som benyttes innenfor prosessin ring av likninger, kapitler, avsnitt og under dustrien. Emner som det er lagt alt for liten avsnitt, selv om det kan virke forstyrrende vekt på, er først og fremst dokumentasjon, på leseren. prosjektering, drift og hvordan de beskrevne Instrumenteringsteknikk er et fag som elementer settes sammen til systemer. er nyttig også for andre enn de med elekt- Boken er skrevet for undervisningsbruk, ronikkbakgrunn. Innledningskapitlene er og det ville vært ønskelig at den dannet skrevet med henblikk på det, og de kan en union av alt som undervises om instru- derfor virke unødig elementære. Omtale menteringsteknikk i Norge. For å begrense av elektroniske elementer er forsøkt holdt omfanget har forfatteren i stedet valgt å på funksjonsnivå. Særlige elektronikkunn- beskrive sentrale emner. Ved mange skoler skaper skulle derfor ikke være nødvendig. vil boken dekke innholdet i ett fag, andre For å prøve å gjøre stoffet lettere tilgjenge steder vil den danne basis for utdypende lig er den matematiske stringens flere steder fraveket. Forfatteren mener at det er vikti Forord til andre opplag gere å få fram poengene og resultatene. De som savner formalitet, henvises til mer teo Kjente trykkfeil i første opplag er rettet retisk rettede bøker. Likevel var det enkelte opp, et par figurer er endret og noen små steder nødvendig å ta med noe matematikk. justeringer av teksten er foretatt. For å Hvert kapittel er avsluttet med henvis- unngå problemer ved referanser til teksten, ninger til en referanseliste bakerst i boken. for eksempel i pensumlister, er all num Referanselisten er ment som en liten hjelp merering (av sider, ligninger osv.) uendret for de som er ute etter litteratur som går fra første opplag. Av samme grunn er ikke dypere. Den er ikke ment å være komplett, og ikke viser den nødvendigvis til de beste avsnitt 9.5 endret til 9.4.6 som det skulle referanser, men den representerer stort sett vært, og de få figurene som er plassert ute det som var tilgjengelig for forfatteren. De av rekkefølge er beholdt slik. fleste av referansene, bortsett fra materi Erfaring viser at en advarsel til studenter ell fra utstyrsprodusenter, er tilgjenglige som bruker boken kan være på sin plass: ved Norges tekniske universitetsbibliotek i Mange har ikke oppdaget før tett oppunder Trondheim. eksamen at boken er kompakt skrevet og Boken er som sagt først og fremst skrevet derfor inneholder uvanlig mye informasjon. som et læremiddel. Data og tabeller er derfor tatt med i begrenset omfang. Ved Trondheim, september 1989. praktisk bruk bør man også sjekke andre, mer utfyllende kilder, spesielt viktig er det for områder som omfattes av lovverk og Forord til tredje opplag forskrifter. En del figurer er hentet fra forskjellige Noen mindre feil og uklarheter er rettet. fabrikanters brosjyrematriell. Figurene er Avsnitt 11.1 er tilpasset den nye interna valgt ut fra kun ett kriterium: At de er gode sjonale temperaturskala. illustrasjoner. Referanser til produsenter innebærer derfor ikke at disse produktene Oslo, januar 1992. er vurdert som gode eller spesielt egnet. Moderne brosjyrer benytter i stor grad fotografier og farger som er vanskelige å reprodusere. Mange av illustrasjonene er derfor fra eldre materiell, og de viser ikke nødvendigvis produsentenes mest moderne produkter. Dette er uten betydning siden prinsippene de fremstiller ikke har endret seg vesentlig de siste tiårene. Deler av boken bygger på andre skrifter, spesielt publikasjoner fra Institutt for tek nisk kybernetikk, NTH. Av personer som på denne måten har bidratt, bør nevnes: Arthur B. Aune, Knut Grimnes, Gunder Homstvedt, Mathias Håndlykken, Ivar Loe, Inge Mohus, Helge E. Mordt, Thor 0. Olsen, Tor Onshus, Harald Slaathaug, Ole A. Solheim, Håkon Solum, Steinar Sælid og J. I. Ytreeide. Trondheim, juni 1988. Innhold 1 Innledning 13 14 Elektroanaytiske metoder 247 2 Begreper og definisjoner 19 15 Gassanalyse 258 16 Optiske målemetoder 268 3 Signalbehandling 53 17 Pådragsorganer og automati- 4 Signaloverføring 106 seringskomponenter 274 5 Resistans, kapasitans, lys, mag 18 Teknisk sikkerhet 300 netfelt og radioaktivitet 138 19 Instrumenteringssystemer 315 6 Posisjon, hastighet og akselerasjon 149 20 Prosjektering og dokumentasjon 324 7 Kraft og moment 166 A Beregning av reguleringsventiler 332 8 Trykk 174 B Beregning av måleskiver 343 9 Strømning 182 C Instrument symboler og -koder 346 10 Nivå 203 D Tetthetsklasser 350 11 Temperatur 212 E Data for noen eksplosive gasser 351 12 Tetthet, viskositet og konsistens 232 F Referanser 353 13 Fuktighet 240 G Stikkordliste 360 8 Kapittel 1 Innhold 1 Innledning 13 2.6.2 Posisjons- og hastig- hetsmetning 46 1.1 Historikk 13 2.6.3 Dynamiske måleele- 1.2 Instrumenteringsteknikk i dag 16 menter 47 2 Begreper og definisjoner 19 2.7 Linearisering 48 2.7.1 Linearisering av måle- 2.1 Standardisering 19 signal 48 2.1.1 Grunnleggende en 2.7.2 Kompensasjonsmåling 50 heter 20 2.1.2 Kalibrering og spor 3 Signalbehandling 53 barhet 20 3.1 Forsterkere 53 2.1.3 Standarder under ISO 3.1.1 L adni ngsforsterkere 54 og IEC 21 3.1.2 Strømforsterkere 54 2.2 Måleomformere 22 3.1.3 Instrumenteringsfors- 2.2.1 Måle- og arbeidsbe terkere 55 tingelser 23 3.1.4 Galvanisk skille 55 2.3 Nøyaktighet 25 3.2 Signalbrytere 57 2.3.1 Statistisk behandling 3.2.1 Brytere 57 av måling 26 3.2.2 Multipleksere 60 2.4 Statisk nøyaktighet 28 3.3 Analoge signalomsettere 61 2.4.1 Kalibreringskarakteri- 3.4 Funksjonsgeneratorer 62 stikk 28 3.4.1 Analoge regneelementer 62 2.4.2 Referansekarakteristikk 28 3.4.2 Digitale regneelementer 64 2.4.3 Konformitet og line aritet 30 3.5 Filtrering 64 2.4.4 Hysterese og dødgang 30 3.5.1 Filterets egenskaper 65 2.4.5 Oppløsning 31 3.5.2 Realisering av filtre 67 2.4.6 Repeterbarhet og re- 3.6 Modulasjon 67 produserbarhet 32 3.6.1 Amplitudemodulasjon 67 2.4.7 Aldring 32 3.6.2 Frekvensmodulasjon 69 2.4.8 Justering av karakte 3.6.3 P ulsbreddemo dulasj on 70 ristikk 33 3.7 Analog/digitalt grensesnitt 70 2.4.9 Kurvetilpasning 35 3.7.1 Tåsting 70 2.5 Ytre feilkilder 38 3.7.2 Tasteelementer 73 2.5.1 Interferensfeil 38 3.7.3 Digital til analog om 2.5.2 Anvendelsesfeil 41 setting 74 2.5.3 Usymmetrisk metning 42 3.7.4 Analog til digital om setting 78 2.6 Dynamiske forhold i instru menter 42 3.8 Indirekte måleteknikk 81 2.6.1 Beregning av dyna 3.8.1 Støy 81 misk feil 44 3.8.2 Derivasjon 81 9 Kapittel 1 Innhold 3.8.3 Integrasjon 82 5 Resistans, kapasitans, lys, magnetfelt og radioaktivitet 138 3.8.4 Multivariabel kalibre ring 83 5.1 Resistans 138 3.8.5 Modellbasert måling 85 5.1.1 Direkte måling av re 3.8.6 Korrelasjon 90 sistans 138 5.1.2 Målebroer 139 3.9 Støy og jording 92 3.9.1 Støy og støyreduksjon 92 5.2 Kapasitans 141 3.9.2 Kobhngsveier 92 5.3 Lys 141 3.9.3 Støyfiltrering 96 5.3.1 Emisjonsceller 141 3.9.4 Schmittrigger 98 5.3.2 Fotomultiplikatorer 142 3.9.5 Jording 98 5.3.3 Fotomot st ander 142 3.9.6 Jording av kabelskjerm 102 5.3.4 Lysfølsomme dioder og transistorer 143 4 Signaloverføring 106 5.4 Magnetisk felt 143 4.1 Informasjonsmengde og en- 5.4.1 Hallgeneratorer 143 tropi 106 5.4.2 Magnetoresistivitet 144 4.1.1 Diskret informasjons 5.4.3 Kjernespinn 144 kilde 107 5.4.4 Magnetisk metning 144 4.1.2 Kanalkapasitet 108 5.5 Radioaktiv stråling 145 4.1.3 Kontinuerlig informa 5.5.1 Strålingskilder 145 sjonskilde 110 5.5.2 Sikkerhet 146 4.1.4 Signal/st øy forhold og båndbredde 112 5.5.3 Detektorer 146 4.1.5 Pulstransmisjon 113 6 Posisjon, hastighet og akselerasjon 149 4.2 Transmisjonslinjer 114 4.2.1 Periodiske signaler 115 6.1 Måleproblemet 149 4.2.2 Pulssignaler 117 6.2 Vinke]l og posisjon 150 4.3 Optisk transmisjon 118 6.2.1 Strekklapper 150 6.2.2 Potensiometre 152 4.4 Digital koding 120 6.2.3 Platedyseelementer 152 4.4.1 Feildeteksjon og 6.2.4 Differensialtransfor- -retting 120 matorer 153 4.5 Dataoverføring 124 6.2.5 Resolvere 154 4.5.1 Seriell overføring 124 6.2.6 Induktosyner 155 4.5.2 Parallell overføring 126 6.2.7 Magnetostriksjon 156 4.5.3 Datanett 127 6.2.8 Kodeskiver 157 4.6 Analoge signalformer 135 '6.2.9 Kodelinealer 158 4.6.1 Spenningssignaler 135 6.2.10 Nærhetsdetektorer 159 4.6.2 Strømsignaler 135 6.3 Hastighet 160 4.6.3 Pneumatiske signaler 136 6.3.1 Indusert spenning 160 10 Kapittel 1 Innhold 6.3.2 Likespenningstacho- 9.4 Forskjellige måleprinsipper 185 metre 161 9.4.1 Måleskive og andre 6.3.3 Vekselspenningstacho- trykkfallbaserte ele metre 161 menter 185 6.3.4 Pulstachometre 162 9.4.2 Pitotrør 189 6.4 Akselerasjon 163 9.4.3 Rotametre 189 9.4.4 Elektromagnetisme 190 Kraft og mo me nt 166 9.4.5 Kalorimetriske me 7.1 Kraft 166 toder 192 7.1.1 Kompensasjonsmåling 167 7.1.2 Piezoelektrisitet 167 9.5 Ultralyd 193 7.1.3 Strekklapper 168 9.5.1 Vorteks 194 7.1.4 Svingende streng 170 9.5.2 Treghet 195 7.1.5 Magnetisme 170 9.5.3 Turbiner 196 7.2 Dreiemoment 171 9.5.4 Volummålere 196 7.2.1 Strekklapper 171 9.6 Åpne kanaler 197 7.2.2 Magnetisme 171 9.7 Tørrstoff 198 7.2.3 Torsjonsvinkel 173 9.7.1 Båndvekter 198 Trykk 174 9.7.2 Radioaktivitet 199 8.1 Kalibrering 175 9.7.3 Korrelasjon 199 8.2 Prosesstilkobling 175 9.7.4 Treghetskrefter 200 8.3 Dynamiske forhold 176 9.8 Strømningsvakter 201 8.4 Klassisk oppbygning av trykk- måler 176 Nivå 203 8.5 Forskjellige måleprinsipper 177 10.1 Måleproblemet 203 8.5.1 Posisjonsmåling 177 10.2 De enkelte målemetodene 204 8.5.2 Membraner 178 10.2.1 Tyngde 204 8.5.3 Strekklapper 179 10.2.2 Oppdrift 205 8.5.4 Halvledermembraner 179 10.2.3 Elektromekanikk 205 8.5.5 Svingende kvarts krystall 180 10.2.4 Trykk 206 8.5.6 Piezoelektrisitet 180 10.2.5 Kapasitans og kon- duktans 207 8.5.7 Kompensasjonsmåling 180 10.2.6 Radioaktivitet 208 8.6 Måling av svært lave trykk 181 10.2.7 Ultralyd 208 Strømning 182 10.2.8 Mikrobølger 209 9.1 Mediets viktigste egenskaper 182 10.2.9 Laser 209 9.2 Strømningsbildet 183 10.2.10 Nivåvakter 210 9.3 Måleproblemet 184 10.2.11 Måling av grensesjikt 210 Kapittel 1 Innhold 11 11 Temperatur 212 15 Gassanalyse 258 11.1 Temperaturskala og kalibre 15.1 Prøvetaking 258 ring 212 15.2 Noen målemetoder 260 11.2 Måleproblemet 214 15.2.1 Magnetisme 260 15.2.2 Varmeledningsevne 261 11.3 Montering 216 15.2.3 Varmetoning 262 11.4 Forskjellige måleprinsipper 217 15.2.4 Infrarød absorpsjon 263 11.4.1 Motstandsfølere av 15.2.5 Ultrafiolett absorpsjon 265 metall 218 15.2.6 Kromatografi 265 11.4.2 Termistorer 220 15.3 Gassvakter 267 11.4.3 Termo element er 220 16 Optiske målemetoder 268 11.4.4 Halvlederfølere 226 16.1 Optisk fiber som føler 268 11.4.5 Strålingspyrometre 227 16.1.1 Måling ved fiberin- 12 Tetthet, viskositet og konsis terne effekter 269 tens 232 16.1.2 Måling av fibereks- terne effekter 269 12.1 Tetthet 232 16.1.3 Måling og energiover 12.1.1 Noen målemetoder 233 føring på samme fiber 270 12.2 Viskositet 235 16.2 Bildeanalyse som måleprin- 12.2.1 Noen målemetoder 236 sipp 271 12.3 Konsistens 238 17 Pådragsorganer og automati- 12.3.1 Noen målemetoder 238 seringskomponenter 274 17.1 Reguleringsventiler 274 13 Fuktighet 240 17.1.1 Trykkforhold 275 13.1 Fuktighet i luft 240 17.1.2 Ventilkarakteristikk 275 13.1.1 Noen målemetoder 241 17.1.3 Noen vanlige ventil- typer 277 13.2 Fuktighet i faste stoffer 244 17.1.4 Forstillingsmotor 278 13.2.1 Noen målemetoder 244 17.1.5 Positioner 279 14 Elektroanalytiske metoder 247 17.1.6 Praktiske hensyn 280 14.1 loneselektive målinger 247 17.2 Magnetventiler 281 14.1.1 pH-elektroder 248 17.3 Dosering 282 14.1.2 Faststoffelektroder 251 17.3.1 Væskedosering 282 17.3.2 Tørrstoffdosering 283 14.2 Redokspotensiale 252 17.3.3 Reseptdosering 284 14.3 Ledningsevne 252 17.4 Pumper 284 14.3.1 Noen målemetoder 254 17.4.1 Sentrifugalpumper 285 14.4 Gassensorer 255 17.4.2 Vingepumper 285 14.4.1 Oksygenmålere 256 17.4.3 Tannhjulspumper 286 12 Kapittel 1 Innhold 17.5 Kompressorer 286 A Beregning av reguleringsventiler 332 17.6 Elektriske pådragsorganer 287 17.6.1 Kontaktorer 287 A.l Hydrodynamikk 332 17.6.2 Effektstyring 288 A.2 Reguleringsventilens formel- 17.6.3 Elektriske motorer 289 verk 332 A.2.1 Reguleringsventil med 17.7 Hydraulikk 292 væske 333 17.7.1 Hydraulikksylindre 292 A.2.2 Reguleringsventil med 17.7.2 Ventiler 292 gass og damp 334 17.8 Pneumatikk 293 A.3 Eksempler på ventilbereg- 17.9 Regulatorer 294 ninger 335 17.9.1 Regulatorfronter 296 A.3.1 Eksempel 1: Væske 335 17.10Registrerende instrumenter 298 A.3.2 Eksempel 2: Væske og pumpe 335 18 Teknisk sikkerhet 300 A.3.3 Eksempel 3: Damp 337 18.1 Sikkerhet og pålitelighet 301 18.1.1 De viktigste begrepene 301 B Beregning av måleskiver 343 18.1.2 Parallelle systemer 304 B.l Formel verk 343 18.1.3 Hva påvirker pålitelig B.2 Eksempel 1: Væske 344 heten? 305 B.3 Eksempel 2: Gass 344 18.1.4 Sikringssystemer 305 18.2 Eksplosjonssikring 307 C Instrumentsymboler og -koder 346 18.2.1 Eksplosjonsfarlig gass 307 C.l Instrumentkoder 346 18.2.2 Områdeklassifisering 308 C.2 Instrumenteringssymboler 347 18.2.3 Eksplosjonssikring av utstyr 311 D Tett het sklasser 350 18.2.4 Egensikkert utstyr 311 E Data for noen eksplosive 19 Instrumenteringssystemer 315 gasser 351 19.1 Programmerbare styringer 315 F Referanser 353 19.2 Prosessdatautstyr 316 G Stikkordliste 360 19.3 Kontrollrom 317 19.4 Operatør/prosesskommuni- kasjon 318 20 Prosjektering og dokumenta sjon 324 20.1 Prosjektering 324 20.2 Dokumentasjon 325 20.2.1 Dokumenttyper 327 20.3 Instrument koder 331 20.4 Datastøttet dokumentasjon 331