ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΚΟΥΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ Α.Ε.Μ : 3228 ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ ΜΑΡΙΑ ΓΕΡΑΣΙΜΟΥ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2013

2 ΕΓΚΡΙΝΕΤΑΙ ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΑ Κούκης Δημήτριος 2 Έτος 2013

3 Κούκης Δημήτριος 3 Έτος 2013

4 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΣΤΗΝ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΦΥΣΙΚΟΥ ΑΕΡΙΟΥ ΚΟΥΚΗΣ ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΑΕΜ : 3228 ΕΠΙΒΛΕΠΟΝΤΕΣ: ΠΑΠΑΔΟΠΟΥΛΟΥ ΜΑΡΙΑ ΓΕΡΑΣΙΜΟΥ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΚΑΒΑΛΑ 2013 Κούκης Δημήτριος 4 Έτος 2013

5 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ 2013 Η παρούσα Πτυχιακή Εργασία και τα συμπεράσματά της σε οποιαδήποτε μορφή αποτελούν συνιδιοκτησία του Τμήματος Τεχνολογίας Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου του ΤΕΙ Καβάλας και του φοιτητή. Οι προαναφερόμενοι διατηρούν το δικαίωμα ανεξάρτητης χρήσης και αναπαραγωγής (τμηματικά ή συνολικά) για διδακτικούς και ερευνητικούς σκοπούς. Σε κάθε περίπτωση πρέπει να αναφέρεται ο τίτλος, ο συγγραφέας, ο επιβλέπων και το εν λόγω τμήμα του ΤΕΙ Καβάλας. Η έγκριση της παρούσας Πτυχιακής Εργασίας από το Τμήμα Τεχνολογίας Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου δεν υποδηλώνει απαραιτήτως και αποδοχή των απόψεων του συγγραφέα εκ μέρους του Τμήματος Ο υποφαινόμενος δηλώνω υπεύθυνα ότι η παρούσα Πτυχιακή Εργασία είναι εξ ολοκλήρου δικό μου έργο και συγγράφηκε ειδικά για τις απαιτήσεις του προγράμματος σπουδών του Τμήματος Τεχνολογίας Πετρελαίου και Φυσικού Αερίου. Δηλώνω υπεύθυνα ότι κατά τη συγγραφή ακολούθησα την πρέπουσα ακαδημαϊκή δεοντολογία αποφυγής λογοκλοπής. Έχω επίσης αποφύγει οποιαδήποτε ενέργεια που συνιστά παράπτωμα λογοκλοπής. Γνωρίζω ότι η λογοκλοπή μπορεί να επισύρει ποινή ανάκλησης του πτυχίου μου. Υπογραφή Ονοματεπώνυμο Φοιτητή Κούκης Δημήτριος 5 Έτος 2013

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Ο σκοπός της παρούσας πτυχιακής εργασίας είναι να διευκρινιστούν οι διεργασίες που εκτελούνται στην τεχνολογία του Φυσικού Αερίου και αφορούν την μέτρηση παραμέτρων όπως πίεση, θερμοκρασία, όγκος κλπ. καθώς επίσης και των διαφορετικών τύπων οργάνων που χρησιμοποιούνται σε αυτές τις διεργασίες. ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΠΕΡΙΟΧΗ: Τεχνολογία Φυσικού Αερίου ΛΕΞΕΙΣ ΚΛΕΙΔΙΑ: φυσικό αέριο, πίεση, χρωματογραφία, όργανα, μετρήσεις Κούκης Δημήτριος 6 Έτος 2013

7 ABSTRACT The aim of this assignment is to explain on the processes (procedures) that are conducted by the technology of natural gas and have to do with the accounting of parameters such as pressure, temperature, mass etc. as well as different types of organs that are used throughout these procedures. SUBJECT AREA: Natural Gas Technology KEYWORDS: natural gas, pressure, chromatography, organs, measurements Κούκης Δημήτριος 7 Έτος 2013

8 Κούκης Δημήτριος 8 Έτος 2013

9 Η πτυχιακή εργασία είναι αφιερωμένη στους γονείς μου και σε όλους όσους με έχουν βοηθήσει και με έχουν στηρίξει. Κούκης Δημήτριος 9 Έτος 2013

10 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Για τη διεκπεραίωση της παρούσας πτυχιακής εργασίας, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κ. Ευάγγελο Λυκούρη ο οποίος με βοήθησε να αναπτύξω αυτή την εργασία με τις χρήσιμες και πολύτιμες πληροφορίες που μου παρείχε. Κούκης Δημήτριος 10 Έτος 2013

11 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΙΔΗ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΟΙΟΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΙΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΥΠΟΙ ΜΕΤΡΗΤΩΝ ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΕΤΡΗΤΕΣ ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΥΠΕΡΗΧΩΝ ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΔΙΟΡΘΩΤΕΣ PTZ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ Η ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ ΑΕΡΙΟΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ ΤΟ ΦΕΡΟΝ ΑΕΡΙΟ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΣΤΗΛΕΣ ΤΟ ΣΤΕΡΕΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Κούκης Δημήτριος 11 Έτος 2013

12 2. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΕΙΔΗ ΟΡΓΑΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΡΗ ΤΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΔΙΑΧΕΙΡΗΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΗΛΕΜΕΤΡΙΑ ΚΥΡΙΕΣ ΟΜΑΔΕΣ ΟΡΓΑΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΑΡΧΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΚΛΙΜΑΚΕΣ ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΣΙΜΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΤΡΙΧΟΕΙΔΟΥΣ ΣΩΛΗΝΑ Ή ΥΑΛΟΥ ΜΕ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΕΚΤΟΝΩΣΗΣ ΑΕΡΙΟΥ Ή ΓΕΜΑΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΔΙΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΖΕΥΓΟΥΣ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΙΕΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ ΟΡΓΑΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΟΡΙΣΜΟΙ ΠΙΕΣΗ ΑΠΟΛΥΤΟΥ ΜΗΔΕΝ Κούκης Δημήτριος 12 Έτος 2013

13 4.2.2 ΑΠΟΛΥΤΗ ΠΙΕΣΗ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΣΧΕΤΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΚΕΝΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΠΙΕΖΟΜΕΤΡΙΚΟΙ ΔΑΚΤΥΛΙΟΙ ΣΤΑΤΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΣΧΕΣΕΙΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΙΕΣΗΣ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΑΠΟΛΥΤΗ ΠΙΕΣΗ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΓΕΝΙΚΟΙ ΟΡΟΙ ΤΥΠΟΠΟΙΗΣΕΙΣ ΜΑΝΟΜΕΤΡΑ ΣΥΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΒΑΡΩΝ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ ΠΙΕΣΗΣ ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Hart Communicator Κούκης Δημήτριος 13 Έτος 2013

14 5. ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΤΑΘΜΗ, ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΒΑΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ ΣΗΜΕΙΑΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ ΔΟΝΙΤΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΠΛΩΤΗΡΕΣ ΣΥΝΕΧΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΥΠΕΡΗΧΩΝ ΑΙΣΘΗΤΗΤΡΑΣ ΥΔΡΟΣΤΑΤΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΜΙΚΡΟΚΥΜΑΤΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΚΥΚΛΟΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΚΑΙ ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΤΙ ΕΙΝΑΙ ΡΥΘΜΙΣΗ ΣΤΟΙΧΕΙΩΔΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΔΡΑΣΗ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΔΡΑΣΗΣ ΔΡΑΣΗ ΔΥΟ ΘΕΣΕΩΝ ΚΑΙ ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΔΡΑΣΗΣ ΚΥΜΑΙΝΟΜΕΝΗ ΔΡΑΣΗ ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΗ ΖΩΝΗ ΑΠΟΚΟΠΗΣ ΕΠΙΘΥΜΗΤΗ ΤΙΜΗ ΣΗΜΕΙΟ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΦΑΛΜΑ Κούκης Δημήτριος 14 Έτος 2013

15 6.6 ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΑΝΑΛΟΓΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΡΥΘΜΙΣΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 ΠΗΓΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗΣ ΤΡΟΦΟΔΟΣΙΑΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΡΥΘΜΙΣΗΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΓΕΝΙΚΑ ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΝΑΚΑΣ ΟΡΟΛΟΓΙΑΣ ΣΥΝΤΜΗΣΕΙΣ ΑΡΤΙΚΟΛΕΞΑ ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Ι ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΙΙ ΑΝΑΦΟΡΕΣ Κούκης Δημήτριος 15 Έτος 2013

16 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ Σχήμα 1.1 : Προφίλ ροής συνάρτηση με τον αριθμό Reynolds ρευστού Σχήμα 1.2 : Περιστροφικοί μετρητές Σχήμα 1.3 : Κύκλος λειτουργίας περιστροφικού μετρητή Σχήμα 1.4 : Τυπική καμπύλη σφάλματος περιστροφικού μετρητή Σχήμα 1.5 : Τυπική καμπύλη σφάλματος στροβιλομετρητή Σχήμα 1.6 : Γεωμετρική διάταξη μετρητή υπερήχων Σχήμα 1.7 : Μετρητές υπερήχων πολλαπλών διαδρομών Σχήμα 1.8 : Μετρητής διαφράγματος Σχήμα 1.9 : Διαχωρισμός δείγματος τριών συστατικών σε μια απλή χρωματογραφική στήλη Σχήμα 1.10 : Διαχωρισμός κορυφών (συστατικών) σε χρωματογράφημα Σχήμα 1.11 : Αρχή λειτουργίας ενός χρωματογράφου αερίων Σχήμα 1.12 : Διάγραμμα μιας τυπικής βαλβίδας εισαγωγής δείγματος. 42 Σχήμα 1.13 : Ηλεκτρονικό κύκλωμα ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας Σχήμα 1.14 : Σχηματικό διάγραμμα βιομηχανικού χρωματογράφου Σχήμα 1.15 : Ολοκληρωμένο σύστημα βιομηχανικού χρωματογράφου αερίων Σχήμα 1.16 : Αποτέλεσμα ανάλυσης χρωματογράφου αερίων (χρωματογράφημα) Σχήμα 3.1 : Θερμόμετρο τριχοειδούς γυάλινου σωλήνα Σχήμα 3.2 : Θερμοηλεκτρικό ζεύγος τύπου J Σχήμα 3.3 : Ηλεκτρικά κυκλώματα θερμομέτρων αντίστασης δύο, τριών και τεσσάρων καλωδίων Σχήμα 3.4 : Τυπική εγκατάσταση μεταδότη θερμοκρασίας Σχήμα 3.5 : Βιομηχανικός Μεταδότης θερμοκρασίας...79 Κούκης Δημήτριος 16 Έτος 2013

17 Σχήμα 4.1 : Αρχή λειτουργίας βασικού μανομέτρου τύπου U Σχήμα 4.2 : Βασικά στοιχεία συσκευής πίεσης προτύπων βαρών Σχήμα 4.3 : Μηχανικός μετρητής Σχήμα 4.4 : Λειτουργικές καταστάσεις διακόπτη διαφορικής πίεσης Σχήμα 4.5: Συνδεσμολογία πεδίου HART Communicator με μεταδότη 4-20mA Σχήμα 5.1 : Σχηματικό διάγραμμα μέτρησης στάθμης με αισθητήρα υπερήχων. 116 Σχήμα 6.1 : Στοιχειώδες σύστημα ρύθμισης / Κλειστού Βρόγχου Σχήμα 6.2 : Διάγραμμα λειτουργίας δράσης δύο θέσεων Σχήμα 6.3 : Διάγραμμα λειτουργίας της κυμαινόμενης δράσης Σχήμα 6.4 : Διάγραμμα λειτουργίας δυναμικής ρύθμισης Σχήμα 6.5 : Γραφική παράσταση Αναλογικής Ρύθμισης Σταθερή Σχήμα 6.6 : Γραφική παράσταση Αναλογικής Ρύθμισης Ασταθής Σχήμα 6.7 : Γραφική παράσταση Αναλογικής Ολοκληρωτικής ρυθμιστικής συμπεριφοράς Κούκης Δημήτριος 17 Έτος 2013

18 Κούκης Δημήτριος 18 Έτος 2013

19 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ Εικόνα 1.1 : Μετρητής Διαφράγματος Εικόνα 1.2 : Διάταξη στροβιλομετρητή Εικόνα 1.3 : Διορθωτής όγκου PTZ Εικόνα 2.1 : Ενδεικτικά όργανα μέτρησης πίεσης Εικόνα 2.2 : Καταγραφικό όργανο μέτρησης αναλογικού τύπου Εικόνα 2.3 : Καταγραφικό όργανο μέτρησης ψηφιακού τύπου Εικόνα 2.4 : Αθροιστικά όργανα μέτρησης ενσωματωμένα σε μετρητές όγκου αερίου.. 57 Εικόνα 2.5 : Κέντρο ελέγχου συστήματος Τηλεμετρίας, Τηλεχειρισμού και Τηλεελέγχου (SCADA) Εικόνα 3.1 : Βιομηχανικά θερμόμετρα με αμπούλα υγρού στο εσωτερικό τους.. 63 Εικόνα 3.2 : Βιομηχανικό θερμόμετρο εκτόνωσης αερίου Εικόνα 3.3 : Διμεταλλικό θερμόμετρο βιομηχανικού τύπου Εικόνα 3.4 : Ψηφιακό όργανο θερμοηλεκτρικού ζεύγους Εικόνα 3.5 : Ανιχνευτής θερμοκρασίας υψηλής ακρίβειας από λευκόχρυσο Εικόνα 3.6 : Μεταδότης θερμοκρασίας με σήμα 4-20 ma, για θερμοκρασίες από 0 έως 20 C Εικόνα 3.7 : Μεταδότης θερμοκρασίας γραμμικού σήματος 4-20 Ma Εικόνα 4.1 : Μανόμετρο τύπου U κεκλιμένου σωλήνα μεγάλης ακρίβειας Εικόνα 4.2 : Μανόμετρο τύπου U μεγάλης ακρίβειας Εικόνα 4.3 : Συσκευή πίεσης πρότυπων βαρών μεγάλης ακρίβειας (Deadweight Tester) Εικόνα 4.4 : Συσκευή προτύπων βαρών διαφορικής πίεσης Εικόνα 4.5 : Όργανο μέτρησης πίεσης (ASME Grades A, 2A, 3A) Εικόνα 4.6 : Ψηφιακό όργανο μέτρησης. 95 Κούκης Δημήτριος 19 Έτος 2013

20 Εικόνα 4.7 : Όργανο μέτρησης διαφορικής πίεσης υγρού τύπου Εικόνα 4.8 : Όργανο μέτρησης διαφορικής πίεσης ξηρού τύπου Εικόνα 4.9 : Διακόπτης διαφορικής πίεσης Εικόνα 4.10 : Διακόπτης διαφορικής πίεσης με μεγάλο διάφραγμα Εικόνα 4.11 : Μεταδότες ένδειξης πίεσης με LCD και έξοδο 4-20mA Εικόνα 4.12 : Μεταδότης πίεσης επικίνδυνου κύκλου Εικόνα 4.13 : Μεταδότης πίεσης Αντιεκρηκτικού τύπου / Rosemount Εικόνα 4.14 : HART Communicator Εικόνα 5.1 : Δονητικός διακόπτης για μέτρηση στάθμης υγρών μέσων Εικόνα 5.2 : Χωρητικός διακόπτης RF, για υγρά ή στερεά Εικόνα 5.3 : Διακόπτης στάθμης διπλού σημείου Εικόνα 5.4 : Μαγνητικός αισθητήρας (Magnetic Immersion Probe) Εικόνα 5.5 : Πλωτήρας Εικόνα 5.6 : Όργανο μέτρησης στάθμης υπερήχων με μεταδότη σήματος 4-20mA Εικόνα 5.7 : Αισθητήρας υδροστατικής πίεσης και μεταδότης 4-20mA Εικόνα 5.8 : Αισθητήρας μικροκυμάτων με μεταδότη 4-20mA Κούκης Δημήτριος 20 Έτος 2013

21 Κούκης Δημήτριος 21 Έτος 2013

22 ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 4.1: Πίνακας μετατροπής μονάδων πίεσης (SI) Κούκης Δημήτριος 22 Έτος 2013

23 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η πραγματοποίηση της πτυχιακής εργασίας πραγματοποιήθηκε την περίοδο εκπόνησης της πρακτικής άσκησης στο Δ.Ε.Σ.Φ.Α. (Τμήμα Λειτουργίας και Συντήρησης) στην Αμπελιά Φαρσάλων. Η άμεση ενασχόληση με τη συντήρηση των σταθμών Μέτρησης/Ρύθμισης, καθώς επίσης με τις μετρήσεις και τα όργανα είχαν σαν αποτέλεσμα την εύρεση του τίτλου της πτυχιακής. Κούκης Δημήτριος 23 Έτος 2013

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΟΣΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ 1.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μέτρηση παροχής (ρυθμού ροής) είναι η διαδικασία της μέτρησης της ποσότητας ενός ρευστού που περνά από ένα ειδικό σημείο στη μονάδα του χρόνου. Μια ποσότητα ρευστού μπορεί να εκφραστεί σε μονάδες όγκου, μάζας ή βάρους. Η μέτρηση παροχής χρησιμοποιείται γενικά για την παρακολούθηση και τον έλεγχο διεργασιών. Για κάθε μετρητικό σημείο υπάρχουν συνήθως συγκεκριμένες απαιτήσεις. Επίσης, κάθε μετρητικό σύστημα έχει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά. Εάν τα χαρακτηριστικά αυτά υπερβαίνουν τις πραγματικές απαιτήσεις, τότε το μετρητικό σημείο μπορεί να έχει ακρίβεια πέρα από την απαιτούμενη (πράγμα που έχει επίπτωση στο κόστος). Για το λόγο αυτό, πριν την εφαρμογή κάποιου μετρητικού συστήματος πρέπει να καταγράφονται αναλυτικά οι απαιτήσεις και να καθορίζονται πλήρως τρεις τομείς: Μέθοδος μέτρησης Διεργασία Συνθήκες περιβάλλοντος 1.2 ΕΙΔΗ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Μέτρηση όγκου Είναι η συνεχόμενη μέτρηση των ποσοτήτων του ρευστού που περνούν μέσα από μια διατομή του αγωγού για ένα μεγάλο χρονικό διάστημα. Μέτρηση ταχύτητας Είναι ο προσδιορισμός της ταχύτητας του ρευστού σε ένα συγκεκριμένο σημείο της διατομής του αγωγού ροής. Χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό του προφίλ ροής. Αν το σημείο αυτό προσδιορίζει την μέση ταχύτητα ροής, μπορεί αυτή να χρησιμοποιηθεί από μετρητές όγκου. Μέτρηση μάζας Αυτό μπορεί να γίνει: (α) με προσδιορισμό της δύναμης Coriolis, (β) με προσδιορισμό της ογκομετρικής ροής και της πυκνότητας, (γ) με προσδιορισμό της ογκομετρικής ροής, της πίεσης και της θερμοκρασίας, (δ) με ζύγιση (ασυνεχής μέθοδος). Λόγω του υψηλού κόστους των μεθόδων αυτών, χρησιμοποιούνται μόνο για ακριβά ρευστά. Κούκης Δημήτριος 24 Έτος 2013

25 1.3 ΠΟΙΟΤΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Ακρίβεια: Είναι χαρακτηριστικό ποιότητας του οργάνου μέτρησης. Δείχνει την ικανότητα του οργάνου να δίνει μέτρηση κοντά στην αληθή τιμή. Επαναληψιμότητα: Καλή επαναληψιμότητα σημαίνει ότι η διαφορά μεταξύ δύο οποιονδήποτε διαδοχικών μετρήσεων που γίνονται από το όργανο κάτω από τις ίδιες συνθήκες και με τον ίδιο παρατηρητή (σε κοντινά χρονικά διαστήματα) είναι μικρή. Διαδοχικές μετρήσεις κάτω από σταθερές συνθήκες δίνουν κοντινές μετρήσεις. Αναπαραγωγησιμότητα: Ένδειξη της διαφοράς μεταξύ μετρήσεων που γίνονται με ένα όργανο όταν όμως οι συνθήκες έχουν αλλάξει (π.χ. τοποθεσία, χρόνος, παρατηρητής). Αβεβαιότητα: χαρακτηρίζει την ποιότητα της μέτρησης. Διάστημα εμπιστοσύνης: η πιθανότητα μιας μέτρησης να βρίσκεται μέσα σε συγκεκριμένα όρια. Γραμμικότητα: η ικανότητα του οργάνου μέτρησης να δίνει τιμές ευθέως ανάλογες της μετρούμενης παραμέτρου μέσα σε ένα συγκεκριμένο διάστημα μεταβολής της παραμέτρου. Κλίμακα μέτρησης: το άνω και κάτω όριο μέσα στο οποίο αναφέρονται οι παράμετροι μέτρησης (αβεβαιότητα, γραμμικότητα κ.λ.π.). Το σφάλμα μέτρησης διακρίνεται σε τυχαίο και συστηματικό. Ένα χαρακτηριστικό αδιάστατο μέγεθος για τη ροή ρευστών σε αγωγό είναι ο αριθμός Reynolds: Re = DV όπου ρ η πυκνότητα του ρευστού, μ το ιξώδες, V η ταχύτητα, D η διάμετρος του αγωγού. Για Re μικρότερο του 2000 η ροή είναι στρωτή (laminar flow) και το ρευστό ταξιδεύει σε διεύθυνση παράλληλη προς τον αγωγό. Σε μεγαλύτερες τιμές έχουμε αναταράξεις στη ροή που δημιουργούν στροβίλους (Τυρβώδης ροή ή turbulent flow) με αποτέλεσμα την ανάμιξη του ρευστού και μια ομοιόμορφη κατανομή ταχυτήτων. Κούκης Δημήτριος 25 Έτος 2013

26 Στρωτή ροή Τυρβώδης ροή Re<2000 Re=2,3 x 10^4 Re=1,1 x 10^6 Re=3,2 x 10^6 Σχήμα 1.1: Προφίλ ροής συνάρτηση με τον αριθμό Reynolds ρευστού 1.4. ΤΥΠΟΙ ΜΕΤΡΗΤΩΝ ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ Ο μετρητής διαφράγματος (Diaphragm meter) είναι ο μετρητής που χρησιμοποιείται στους οικιακούς και μικρούς εμπορικούς βιοτεχνικούς πελάτες. Είναι ογκομετρικού τύπου, δηλαδή μετράει απευθείας τον όγκο του διερχόμενου αερίου. Ονομάζεται επίσης και μετρητής θετικής μετατόπισης (positive displacement meter) καθώς και μετρητής παραμορφωμένου τοιχώματος (compteur a parois deformables). Είναι ο παλαιότερος τύπος μετρητή που χρησιμοποιείται σήμερα. Ο τυπικός μετρητής διαφράγματος αποτελείται από ένα εξωτερικό στεγανό κιβώτιο μέσα στο οποίο εισέρχεται το αέριο. Μέσα στο κιβώτιο υπάρχουν δυο θάλαμοι μέτρησης γνωστού όγκου. Οι θάλαμοι αυτοί χωρίζονται, ο καθένας, σε δυο ημιθαλάμους από ένα κλειστό διάφραγμα. Το διάφραγμα έχει τη δυνατότητα να κινείται αριστερά δεξιά με τη βοήθεια της πίεσης του εισερχόμενου αερίου. Η κίνηση του αερίου στους θαλάμους μέτρησης καθορίζεται από τις βαλβίδες, μια για κάθε θάλαμο. Η κίνηση των βαλβίδων συντονίζεται με την κίνηση του διαφράγματος με τη βοήθεια ενός συστήματος μοχλών. Οι βαλβίδες αυτές κατευθύνουν το μετρημένο αέριο στο σωλήνα εξόδου. Κούκης Δημήτριος 26 Έτος 2013

27 Εικόνα 1.1: Μετρητής Διαφράγματος Η κίνηση του διαφράγματος στον δεύτερο θάλαμο μέτρησης γίνεται με μια διαφορά φάσεων έτσι που όταν το διάφραγμα στον ένα θάλαμο βρίσκεται στην ακραία θέση, στον άλλο θάλαμο το διάφραγμα να κινείται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Αυτό συμβαίνει για να αποτραπεί ο κίνδυνος εμπλοκής του διαφράγματος ή της βαλβίδας κάποιου από τους θαλάμους σε μια από τις ακραίες θέσεις. Κατά τη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας ο κάθε θάλαμος γεμίζει πλήρως δυο φορές. Δηλαδή σε ένα κύκλο λειτουργίας η ποσότητα του αερίου που διέρχεται από τον μετρητή είναι τέσσερις φορές ο όγκος ενός θαλάμου μέτρησης και είναι η ποσότητα του αερίου που αθροίζει ο μετρητής. Ο συνολικός αυτός όγκος που διέρχεται από τον μετρητή κατά τη διάρκεια ενός κύκλου λειτουργίας ονομάζεται κυκλικός όγκος του μετρητή και αναγράφεται πάνω στην πλακέτα σήμανσης του κάθε μετρητή. Σύμφωνα με τις οδηγίες, οι μετρητές διαφράγματος έχουν όρια λειτουργίας Qmax/Qmin = 160/1. Στην πράξη αυτός ο λόγος φτάνει το 250/1 έως 350/1. Η παροχή εκκίνησης είναι Qmax/6000 έως Qmax/2000. Τα μέγιστα αποδεκτά σφάλματα για τους μετρητές διαφράγματος είναι: Για Qmin < Q <2Qmin, 3% Για 2Qmin < Q < Qmax, 2%. Κούκης Δημήτριος 27 Έτος 2013

28 1.4.2 ΠΕΡΙΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΜΕΤΡΗΤΕΣ Οι περιστροφικοί μετρητές (roots meters) είναι ογκομετρικοί μετρητές που χρησιμοποιούνται στη μέτρηση του αερίου σε εμπορικούς ή βιοτεχνικούς πελάτες. Ονομάζονται επίσης μετρητές περιστροφικής μετατόπισης (rotary positive displacement meters) ή μετρητές με περιστρεφόμενα έμβολα (rotary piston gas meters). Ένας περιστροφικός μετρητής αποτελείται από δυο έμβολα που περιστρέφονται σε αντίθετη φορά το ένα με το άλλο μέσα σε ένα σταθερό θάλαμο μέτρησης. Ο θάλαμος μέτρησης και η έξοδος του αερίου είναι αντιδιαμετρικά τοποθετημένες. Τα έμβολα είναι κατασκευασμένα κατά τέτοιο τρόπο που να υπάρχει συνεχής στεγανότητα χωρίς να υπάρχει επαφή των εμβόλων σε όλες τις θέσεις. Η συνδυασμένη κίνηση των εμβόλων επιτυγχάνεται από δυο γρανάζια που είναι τοποθετημένα πάνω στους άξονες των εμβόλων. Σχήμα 1.2: Περιστροφικοί μετρητές Κούκης Δημήτριος 28 Έτος 2013

29 Στον πλήρη κύκλο λειτουργίας ενός περιστροφικού μετρητή, κατά τη διάρκεια της πλήρους περιστροφής των εμβόλων γύρω από τον άξονά τους μέσα από τον μετρητή περνάει ποσότητα αερίου ίση με τέσσερις φορές τον όγκο που περικλείεται μεταξύ του εμβόλου σε οριζόντια θέση και του θαλάμου μέτρησης. Σχήμα 1.3: Κύκλος λειτουργίας περιστροφικού μετρητή Ανάλογα με το λόγο Qmin/Qmax οι μετρητές αυτοί διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Μικρού εύρους, Qmin/Qmax = 1/5 Μεσαίου εύρους, Qmin/Qmax = 1/10 Μεγάλους εύρους, Qmin/Qmax = 1/20 Στην αγορά οι πιο συνηθισμένοι είναι οι μετρητές μεγάλους εύρους. Η παροχή εκκίνησης κυμαίνεται από Qmax/800 έως Qmax/300. Τα αποδεκτά σφάλματα μέτρησης των περιστροφικών μετρητών είναι: Για Qmin < Q < 0.2Qmax, 2% Για 0.2Qmax < Q < Qmax, 1%. Κούκης Δημήτριος 29 Έτος 2013

30 Σχήμα 1.4: Τυπική καμπύλη σφάλματος περιστροφικού μετρητή Τυπική καμπύλη σφάλματος σε συνάρτηση με την παροχή για τον περιστροφικό μετρητή. Τα χαρακτηριστικά των μετρητών αυτών είναι: Μεγάλη ακρίβεια Δεν επηρεάζονται από το ιξώδες των ρευστών Μεγάλη πτώση πίεσης Έχουν κινούμενα μέρη (άρα και περιορισμένη διάρκεια ζωής) Υψηλό κόστος προμήθειας και συντήρησης Σε περίπτωση μηχανικής αστοχίας δεν επιτρέπουν τη ροή του ρευστού από τον αγωγό ΣΤΡΟΒΙΛΟΜΕΤΡΗΤΕΣ Οι στροβιλομετρητές ή τουρμπινόμετρα (turbine meters) είναι επαγωγικοί μετρητές με μεγάλη διάδοση σήμερα. Η αρχή λειτουργίας τους είναι η εξής: Το αέριο εισέρχεται στον στροβιλομετρητή διαμέσου ενός εξομαλυντή ροής, ο οποίος επιβάλει μια στρωτή ροή στο αέριο, διέρχεται από ένα δακτυλοειδή δίαυλο και κινεί τον στρόβιλο. Η συστολή του ρεύματος του αερίου που γίνεται μέσα στον δακτυλοειδή δίαυλο αυξάνει την ταχύτητα του αερίου έτσι που να δίνει μεγαλύτερη ροπή στρέψης στον στρόβιλο. Ο στρόβιλος αποτελείται από ένα τροχό πάνω στον οποίο είναι εμφυτευμένα πτερύγια υπό γωνία 30 έως 45 ο. Το ρεύμα του αερίου Κούκης Δημήτριος 30 Έτος 2013

31 περιστρέφει τον στρόβιλο με μια ταχύτητα ανάλογη της ταχύτητας του αερίου. Ο συνολικός όγκος του αερίου που διέρχεται από τον μετρητή στη μονάδα του χρόνου (παροχή) είναι ίσος με την ταχύτητα του αερίου πολλαπλασιαζόμενη με την επιφάνεια του δακτυλοειδούς διαύλου, και κάθε μια στροφή του στροβίλου αντιστοιχεί σε έναν καθορισμένο όγκο αερίου που διέρχεται διαμέσου του μετρητή. Εικόνα 1.2: Διάταξη στροβιλομετρητή Ανάλογα με το λόγο Qmin/Qmax οι μετρητές αυτοί διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες: Μικρού εύρους, Qmin/Qmax = 1/5 Μεσαίου εύρους, Qmin/Qmax = 1/10 Μεγάλους εύρους, Qmin/Qmax = 1/20 Η παροχή εκκίνησης είναι Qmax/100. Τα αποδεκτά σφάλματα μέτρησης των στροβιλομετρητών είναι: Για Qmin < Q < 0.2Qmax, 2% Για 0.2Qmax < Q < Qmax, 1%. Κούκης Δημήτριος 31 Έτος 2013

32 Στο ακόλουθο σχήμα δίνεται η τυπική καμπύλη σφάλματος σε συνάρτηση με την παροχή για τον στροβιλομετρητή. Σχήμα 1.5: Τυπική καμπύλη σφάλματος στροβιλομετρητή Τα χαρακτηριστικά των μετρητών αυτών είναι: Μεγάλη ακρίβεια μέτρησης για δεδομένο ιξώδες του ρευστού και κλίμακα μέτρησης. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολύ υψηλές και πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολύ υψηλές πιέσεις. Απαιτούν συγκεκριμένα μήκη σωλήνα πριν και μετά την μετρητική διάταξη. Το ρευστό πρέπει να είναι ελεύθερο σωματιδίων. Δεν πρέπει να υπερβαίνεται η κλίμακα μέτρησης. Έχουν κινητά μέρη (άρα και κόστος συντήρησης). Το κόστος τους εξαρτάται από τη διάμετρο της μετρητικής διάταξης ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΥΠΕΡΗΧΩΝ Οι μετρητές υπερήχων (ultrasonic flow meters) είναι μετρητικές διατάξεις που αποτελούνται από πομποδέκτες υπερήχων, τοποθετημένους στο εσωτερικό των αγωγών της μετρητικής διάταξης. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται σε παλμούς υπερήχων που Κούκης Δημήτριος 32 Έτος 2013

33 μεταδίδονται από ένα πομπό και λαμβάνονται από ένα δέκτη υπό μια γωνία φ (φαινόμενο Doppler). Χωρίς ροή, ένας παλμός από τον Α προς τον Β θα ταξιδεύει με την ίδια ταχύτητα συγκρινόμενο με την ταχύτητα ενός παλμού από τον Β προς τον Α (η ταχύτητα εξαρτάται από το μέσο μετάδοσης). Εάν μέσα στον αγωγό υπάρχει αέριο που κινείται με ταχύτητα διάφορη του μηδενός, τότε ο παλμός από τον Α προς τον Β θα ταξιδεύει με μεγαλύτερη ταχύτητα από ότι αυτός από τον Β προς τον Α. Σχήμα 1.6: Γεωμετρική διάταξη μετρητή υπερήχων Πιο συγκεκριμένα, ο χρόνος μετάβασης του παλμού για τις δύο διαδρομές θα είναι: Α Β : Β Α : Όπου t(a-b) = L / (c + v*cosφ) t(b-a) = L / (c v*cosφ) L η απόσταση μεταξύ των Α και Β c η ταχύτητα του ήχου στο αέριο φ η γωνία μετάδοσης του παλμού ως προς τον αγωγό v η ταχύτητα του κινούμενου αερίου Κούκης Δημήτριος 33 Έτος 2013

34 Με επίλυση των παραπάνω εξισώσεων, προκύπτει ότι η ταχύτητα του αερίου είναι: V = L * (l/t(a-b) l/t(b-a)) / (2 *cosφ) Οι δύο χρόνοι μετάδοσης του παλμού μετριούνται ηλεκτρονικά, και με τον τρόπο αυτόν προσδιορίζεται η ταχύτητα κίνησης του αερίου. Από την ταχύτητα κίνησης του αερίου μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί η ροή σε συνθήκες εργασίας και σε συνθήκες αναφοράς. Συνήθως χρησιμοποιούνται διατάξεις πολλαπλών διαδρομών ακόμη και με την χρήση ανακλαστήρων. Τα χαρακτηριστικά του μετρητή είναι: Σχήμα 1.7: Μετρητές υπερήχων πολλαπλών διαδρομών Δυνατότητα μέτρησης ροής και προς τις δυο κατευθύνσεις. Υψηλή επαναληψιμότητα. Δεν υπάρχει εμπόδιο στη ροή. Δεν υπάρχει πτώση πίεσης. Μεγάλο εύρος κλίμακας μέτρησης. Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη. Δεν επηρεάζεται από μεταβολές της πίεσης. Δεν απαιτούνται μεγάλα μήκη σωλήνα πριν και μετά την μέτρηση. Κούκης Δημήτριος 34 Έτος 2013

35 Εύκολη συντήρηση του εξοπλισμού. Δυνατότητα για μεγάλες διαμέτρους στην μετρητική διάταξη χωρίς να αυξάνει υπέρογκα το κόστος. Μεγάλη εξάρτηση της ακρίβειας μέτρησης από το προφίλ ροής. Τα συνήθη σφάλματα μέτρησης είναι: Για Qmin < Q < 0.05Qmax, 1% Για 0.05Qmax < Q < Qmax, 0.05% ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ Στους μετρητές διαφράγματος (restriction type orifice meters) προκαλείται πτώση πίεσης με μεταβολή της διαμέτρου του αγωγού ροής και αύξηση της ταχύτητας του ρευστού. Με τον προσδιορισμό της πτώσης πίεσης γίνεται προσδιορισμός της ογκομετρικής παροχής. Ο ρυθμός ροής του ρευστού είναι ανάλογος της τετραγωνικής ρίζας της πτώσης πίεσης. Σχήμα 1.8: Μετρητής διαφράγματος Κούκης Δημήτριος 35 Έτος 2013

36 Τα χαρακτηριστικά της μέτρησης αυτής είναι: Δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη. Η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διάφορες διαμέτρους και για πλήθος υγρών και αερίων. Το κόστος δεν αυξάνει πολύ με την αύξηση της διαμέτρου της μετρητικής διάταξης. Είναι μια γενικά αποδεκτή μέθοδος. Η μέτρηση επηρεάζεται ισχυρά από μεταβολές στην πυκνότητα και την πίεση του ρευστού. Η διάταξη χρειάζεται πολύ καλή συντήρηση (με υψηλό κόστος), καθότι η ακρίβεια μέτρησης είναι ευαίσθητη σε επικαθήσεις ή αλλοιώσεις αυτής. Παρουσιάζει υψηλή πτώση πίεσης. Απαιτεί μετρητικές διατάξεις μεγάλου μήκους. Έχει περιορισμένη κλίμακα μέτρησης (4:1) ΔΙΟΡΘΩΤΕΣ ΡΤΖ Η μέτρηση της παροχής αερίου με τους μετρητές που αναφέρθηκαν προηγουμένως γίνεται στην πίεση και τη θερμοκρασία λειτουργίας. Για να υπάρχει κοινή βάση αναφοράς, η μέτρηση αυτή ανάγεται σε κάποιες συνθήκες αναφοράς. Αυτό μπορεί να γίνει με διάφορους τρόπους. Η πιο ευρέως χρησιμοποιούμενη μέθοδος είναι η μέθοδος ΡΤΖ. Κατά τη μέθοδο αυτή, για την μετατροπή του μετρούμενου όγκου σε συνθήκες αναφοράς, χρησιμοποιείται η σχέση: Vb = Vm * (Pm/Pb) * (Tb/Tm) * (Zb/Zm) Όπου Ρ η πίεση του αερίου, Τ η απόλυτη θερμοκρασία του αερίου, V ο όγκος του αερίου, m η κατάσταση μέτρησης, b η κατάσταση αναφοράς, Z ο συντελεστής συμπιεστότητας Κούκης Δημήτριος 36 Έτος 2013

37 Εικόνα 1.3: Διορθωτής όγκου PTZ Ο συντελεστής συμπιεστότητας Ζ εξαρτάται από τη σύσταση του αερίου και τις συνθήκες Ρ και Τ. Για τους διορθωτές ΡΤΖ θεωρείται ότι η σύσταση του αερίου είναι σταθερή (Zb σταθερό) και επομένως το Zm υπολογίζεται για τις επικρατούσες συνθήκες Pm, Tm. Τα υπόλοιπα μεγέθη λαμβάνονται από τον διορθωτή με απευθείας μέτρηση (Vm, Pm, Tm). Με τον τρόπο αυτό υπολογίζεται η διορθωμένη παροχή Vb. 1.5 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΠΟΙΟΤΗΤΑΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ Η χρωματογραφία είναι μια μέθοδος χημικής ανάλυσης που σκοπό έχει το διαχωρισμό ενός ή περισσοτέρων συστατικών για την ταυτοποίησή τους (ποιοτική ανάλυση) και τον προσδιορισμό της ποσοστιαίας αναλογίας τους (ποσοτική ανάλυση). Το όνομά της οφείλεται στο Ρώσο Βοτανολόγο Michael Tswett, ο οποίος με μια εκχύλιση φυτών μελέτησε το διαχωρισμό της χλωροφύλλης και άλλων χρωστικών, χρησιμοποιώντας μια συσκευή. Ο Tswett χρησιμοποίησε μια λεπτή γυάλινη στήλη με υλικό πλήρωσης ανθρακικό ασβέστιο σε μορφή σκόνης, και στην κορυφή της πρόσθεσε πετρελαϊκό αιθέρα στον οποίο είχε διαλύσει το μείγμα. Μετά την πάροδο ορισμένου χρόνου, κατά τη διάρκεια του οποίου πρόσθετε συνεχώς καθαρό πετρελαϊκό αιθέρα, παρατήρησε ότι οι χρωστικές είχαν διαχωριστεί σε μερικές έγχρωμες ζώνες μέσα στη στήλη. Τέλος, αφαίρεσε προσεκτικά το υλικό πλήρωσης από τη στήλη, εκχύλισε τα συστατικά των χρωστικών από τις ζώνες και το ταυτοποίησε. Ο Tswett για να εξηγήσει το Κούκης Δημήτριος 37 Έτος 2013

38 πείραμα αυτό, διατύπωσε την άποψη ότι οι χρωστικές που προσροφούνται ισχυρά από το υλικό πλήρωσης της στήλης εκτοπίζουν τις χρωστικές εκείνες που προσροφούνται ασθενώς. Στην εμφάνιση μάλιστα αυτών των έγχρωμων ζωνών οφείλεται και το όνομα «χρωματογραφία». Σχήμα 1.9: Διαχωρισμός δείγματος τριών συστατικών σε μια απλή χρωματογραφική στήλη Σήμερα η χρωματογραφία εκφράζει μια ποικιλία από διεργασίες, που όλες στηρίζονται στις διαφορετικές κατανομές των συστατικών ενός μίγματος μεταξύ δυο φάσεων. Η μια φάση παραμένει σταθερή στο σύστημα και λέγεται ακίνητη φάση (stationary phase), ενώ η άλλη λέγεται κινητή φάση (mobile phase) και διέρχεται μέσα ή πάνω από την επιφάνεια της σταθερή φάσης. Η κινητή φάση προκαλεί μετατόπιση των συστατικών ενός μίγματος σε διαφορετικές θέσεις μέσα στη χρωματογραφική στήλη, με αποτέλεσμα το διαχωρισμό τους. Η γρήγορη ανάπτυξη και η μεγάλη χρήση της χρωματογραφίας οφείλονται κυρίως στη θεωρία που διατυπώθηκε για πρώτη φορά από τους Martin και Synge. Θεωρούμε ένα μικρό τμήμα μιας στήλης. Ένα ορισμένο μόριο του δείγματος θα βρίσκεται είτε στην ακίνητη φάση, οπότε θα παραμένει στάσιμο, είτε στην κινητή φάση, οπότε θα κινείται με Κούκης Δημήτριος 38 Έτος 2013

39 την ταχύτητά της. Συνεπώς, η μεν κινητή φάση δρα σαν ένα φέρον συστατικό που εκτελεί τη μεταφορά, η δε ακίνητη φάση δρα σαν ένας επιβραδυντής. Η κατανομή των μορίων ενός δείγματος μεταξύ δυο φάσεων ελέγχεται από μια σταθερά ισορροπίας, που ονομάζεται συντελεστής κατανομής και συμβολίζεται με Κ. Η ισορροπία είναι δυναμική, δηλαδή τα μόρια της ουσίας θα κινούνται γρήγορα από τη μια φάση στην άλλη και αντίστροφα. Οι συγκεντρώσεις της ουσίας στις δυο φάσεις και ο συντελεστής κατανομής θα συνδέονται μεταξύ τους με τη σχέση: Κ = C S C M όπου οι δείκτες S και Μ αναφέρονται στην ακίνητη και την κινητή φάση αντίστοιχα. Η τιμή του Κ προσδιορίζει τους σχετικούς πληθυσμούς των δύο φάσεων. Αν η τιμή του είναι μεγάλη, ο πληθυσμός των μορίων στην ακίνητη φάση είναι μεγαλύτερος από εκείνον στην κινητή φάση και τα μόρια του συστατικού αυτού θα βρίσκονται κατά μέσο όρο περισσότερο χρόνο στην ακίνητη φάση. Σε μια πραγματικά δυναμική ισορροπία, το κλάσμα του ολικού χρόνου κατά το οποίο ένα μόριο βρίσκεται στην κινητή φάση, σχετίζεται άμεσα με το κλάσμα του ολικού πληθυσμού των μορίων που βρίσκονται στην κινητή φάση: Κλάσμα του χρόνου στην κινητή φάση = Αριθμός των μορίων στην κινητή φάση / ολικός αριθμός των μορίων. Κούκης Δημήτριος 39 Έτος 2013

40 1.6 Η ΔΙΑΧΩΡΙΣΤΙΚΗ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑ Το σημαντικότερο χαρακτηριστικό μιας χρωματογραφικής στήλης είναι η ικανότητά της να διαχωρίζει τα συστατικά ενός μίγματος με παρόμοιο χημικό χαρακτήρα. Η δυνατότητα αυτή εκφράζεται με τον όρο διαχωριστική ικανότητα (resolution). Τα δυο συστατικά διαχωρίζονται μερικώς και οι κορυφές έκλουσης αλληλεπικαλύπτονται, με αποτέλεσμα να είναι αδύνατη η ταυτοποίηση ή ο ποσοτικός διαχωρισμός τους. Για να βελτιώσουμε τη διαχωριστική ικανότητα μπορούμε (i) να μεταβάλλουμε τη θερμοκρασία ή τη φύση των φάσεων, ή (ii) να ελαττώσουμε το πλάτος των κορυφών βελτιώνοντας την απόδοση της στήλης. Σχήμα 1.10: Διαχωρισμός κορυφών (συστατικών) σε χρωματογράφημα Κούκης Δημήτριος 40 Έτος 2013

41 1.7 ΑΕΡΙΟΣ ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΑ Στα βασικά χαρακτηριστικά ενός αέριου χρωματογράφου περιέχεται σε χαλύβδινους κυλίνδρους με μεγάλη πίεση και παρέχεται στη συσκευή με έναν ή περισσότερους ρυθμιστές πίεσης, που ρυθμίζουν την ταχύτητα ροής. Το δείγμα εισάγεται σε έναν θερμαινόμενο θάλαμο είτε με μια σύριγγα, αν είναι υγρό, είτε με μια ειδική βαλβίδα, αν είναι αέριο. Το φέρον αέριο μεταφέρει τα συστατικά του δείγματος μέσα στη στήλη όπου διαχωρίζονται το ένα μετά το άλλο και διέρχονται από τον ανιχνευτή, που στέλνει ένα σήμα στον καταγραφέα. Η στήλη, το σύστημα εισαγωγής του δείγματος και ο ανιχνευτής βρίσκονται μέσα σε ένα θερμοστατούμενο φούρνο, αν και τα δύο τελευταία μπορούν να θερμανθούν ξεχωριστά. Σχήμα 1.11: Αρχή λειτουργίας ενός χρωματογράφου αερίων Κούκης Δημήτριος 41 Έτος 2013

42 1.7.1 ΤΟ ΦΕΡΟΝ ΑΕΡΙΟ Σε κανονικές πιέσεις και θερμοκρασίες, τα συνηθισμένα φέροντα αέρια θεωρούνται χημικώς αδρανή, για παράδειγμα, το ήλιο, το άζωτο, το υδρογόνο και το αργό. Τα αέρια αυτά είναι σχετικώς φθηνά, υπάρχουν στο εμπόριο και δεν είναι επικίνδυνα στη χρήση τους, εκτός από το υδρογόνο που είναι εύφλεκτο και απαιτεί ειδικές προφυλάξεις. Επίσης, επειδή είναι αδρανή, οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μορίων του δείγματος και του φέροντος αερίου μπορούν να αγνοηθούν (εκτός αν η πίεση είναι μεγάλη). Έτσι ο συντελεστής κατανομής ενός συστατικού προσδιορίζεται αποκλειστικά από την πτητικότητά του στην ακίνητη φάση. Η εκλογή του φέροντος αερίου εξαρτάται από την κατάσταση καθαρότητας στην οποία βρίσκεται ή από τις απαιτήσεις του ανιχνευτή, που πρέπει να ανιχνεύει τα συστατικά που βρίσκονται στο φέρον αέριο σε πολύ μεγάλη αραίωση. Για παράδειγμα, οι ανιχνευτές θερμικής αγωγιμότητας εργάζονται καλύτερα με υδρογόνο ή με ήλιο. Στις περισσότερες περιπτώσεις σαν φέρον αέριο χρησιμοποιείται το ήλιο. Η καθαρότητα του φέροντος αερίου είναι πολύ σημαντική αφού και ίχνη ακαθαρσιών μπορούν να προκαλέσουν θόρυβο στο σήμα του ανιχνευτή. Η δίοδος του φέροντος αερίου μέσα από μια παγίδα με ζεόλιθο υπό ψύξη είναι πολύ αποτελεσματική στην αφαίρεση και του τελευταίου ίχνους υγρασίας, που βρίσκεται σε μεγάλο ποσοστό στα αέρια του εμπορίου ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΟΥ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ Η εισαγωγή του δείγματος πρέπει να γίνει σε πολύ μικρό χρόνο και στο μικρότερο δυνατό όγκο. Ο θάλαμος του δείγματος πρέπει να θερμαίνεται για τη γρήγορη εξαέρωση των υγρών δειγμάτων και να σχεδιάζεται έτσι ώστε το φέρον αέριο να μεταφέρει το δείγμα αμέσως στη στήλη. Αν δεν υπάρχουν οι παραπάνω προϋποθέσεις, το δείγμα θα απλώνεται προτού αρχίσει η διεργασία του διαχωρισμού. Το μέγεθος του δείγματος καθορίζεται από πολλούς παράγοντες, όπως είναι το ποσό που διαθέτουμε, η χωρητικότητα της στήλης και η ευαισθησία του ανιχνευτή. Σε περιπτώσεις εισαγωγής πολύ μικρών δειγμάτων χρησιμοποιείται μια τεχνική κατά την οποία μόνο μέρος του εισαγόμενου δείγματος χρησιμοποιείται, ενώ το υπόλοιπο οδηγείται προς την ατμόσφαιρα. Τα υγρά δείγματα εισάγονται στη στήλη με γρήγορη και συνεχή κίνηση του εμβόλου μιας μικροσύριγγας, κατάλληλης χωρητικότητας, μέσα από ένα λεπτό ελαστικό δίσκο. Τα αέρια Κούκης Δημήτριος 42 Έτος 2013

43 δείγματα μετρούνται ευκολότερα γιατί έχουν μεγαλύτερο όγκο. Για μια συνηθισμένη ανάλυση, μια βαλβίδα δύο θέσεων με έξι ανοίγματα (οπές), είναι κατάλληλη και ακριβής. Τα στερεά δείγματα μπορούν να διαλυθούν σε έναν διαλύτη ή να τοποθετηθούν σε ένα λεπτότοιχο γυάλινο φιαλίδιο, που εισάγεται και σπάει στο θάλαμο του δείγματος. column sample loop carrier gas Sample in Sample vent column sample loop carrier gas Sample in Sample vent Σχήμα 1.12: Διάγραμμα μιας τυπικής βαλβίδας εισαγωγής δείγματος ΧΡΩΜΑΤΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΣΤΗΛΕΣ Υπάρχουν δύο διαφορετικά είδη στηλών που χρησιμοποιούνται συνήθως, οι γεμισμένες και οι τριχοειδείς. Οι γεμισμένες στήλες κατασκευάζονται ευκολότερα, είναι φθηνότερες, έχουν μεγάλη χωρητικότητα, μεγάλο χρόνο ζωής και είναι κατάλληλες για τους πιο Κούκης Δημήτριος 43 Έτος 2013

44 δύσκολους διαχωρισμούς. Οι τριχοειδείς στήλες έχουν μικρότερη πτώση πίεσης και, συνεπώς, μπορούν να κατασκευασθούν με μεγαλύτερο μήκος. Οι γεμισμένες στήλες έχουν συνήθως μήκος 1 ως 20 m και διάμετρο 3 ως 10 mm (1/8 ως 3/8 ίντσας). Οι τριχοειδείς στήλες έχουν μήκος 10 ως 50 m και διάμετρο 0.2 ως 1.2 mm. Οι στήλες λυγίζονται σε σχήμα U ή W ή σε σπείρες, ανάλογα με το φούρνο. Οι μικρές στήλες κατασκευάζονται συνήθως από γυαλί, ενώ οι μεγαλύτερες κατασκευάζονται από χαλκό, αργίλιο ή από ανοξείδωτο χάλυβα, γιατί διευκολύνει το λύγισμα που μπορεί να γίνει και μετά το γέμισμα της στήλης ΤΟ ΣΤΕΡΕΟ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑ Ένα ιδανικό στερεό υπόστρωμα θα πρέπει να έχει μεγάλη ειδική επιφάνεια χημικά αδρανή, που να διαβρέχεται από την υγρή φάση, ώστε η τελευταία να διασκορπίζεται σε λεπτή στοιβάδα με ομοιόμορφο πάχος. Ακόμη, το στερεό υπόστρωμα θα πρέπει να έχει θερμική σταθερότητα, μηχανική αντοχή και να αποτελείται από ομοιόμορφα σωματίδια σφαιρικού σχήματος. Τα στερεά υποστρώματα που χρησιμοποιούνται πιο πολύ παράγονται από γη διατόμων, ένα σπογγώδες πυριτικό υλικό, που αποτελείται από τα υπολείμματα των σκελετών των διατόμων, ένα είδος από μικροσκοπικά φύκη (Chromosorb). Το υλικό πλήρωσης της στήλης παρασκευάζεται αν αναμείξουμε το στερεό με το κατάλληλο ποσό υγρής φάσης, που διαλύεται σ έναν κατάλληλο διαλύτη με χαμηλό σημείο βρασμού, όπως είναι το πεντάνιο, το διχλωρομεθάνιο, η ακετόνη κ.ά. Ο διαλύτης εξαερώνεται με θέρμανση, και τα τελευταία του ίχνη απομακρύνονται με κενό. Οι τριχοειδείς στήλες δεν περιέχουν υλικό πλήρωσης. Το λεπτό στρώμα της υγρής φάσης σχηματίζεται με τη δίοδο ενός αραιού διαλύματος μέσα από τη στήλη με μικρή ταχύτητα. Το διάλυμα, που παραμένει στα τοιχώματα της στήλης, εξαερώνεται με τη δίοδο του φέροντος αερίου, και αφήνει ένα λεπτό στρώμα υγρής φάσης. Κούκης Δημήτριος 44 Έτος 2013

45 1.7.5 ΑΝΙΧΝΕΥΤΕΣ Όλοι οι διαχωρισμοί που γίνονται μέσα στη στήλη πρέπει να ανιχνευτούν και να καταγραφούν. Όλα τα συστατικά του δείγματος έχουν μικρή συγκέντρωση στο φέρον αέριο, που στην καλύτερη περίπτωση είναι l ppt (part per thousand). Ακόμη, οι ουσίες που δίνουν οξείες κορυφές έκλουσης διέρχονται από τον ανιχνευτή σε χρόνο λιγότερο από ένα δευτερόλεπτο, ενώ άλλες κορυφές εμφανίζονται μετά από ώρες και είναι τόσο μικρές, ώστε μόλις να διακρίνονται πάνω από τη γραμμή βάσης. Ο ανιχνευτής πρέπει να αγνοεί το μεγάλο ποσό του φέροντος αερίου και να ανιχνεύει και τα μικρότερα ίχνη κάθε συστατικού που περιέχεται στο φέρον αέριο. Οι απαιτήσεις από έναν ανιχνευτή είναι: χαμηλό όριο ανίχνευσης, γραμμική απόκριση για μια μεγάλη περιοχή συγκεντρώσεων, ομοιόμορφη απόκριση για όλες τις ουσίες, απλή ρύθμιση, μικρό χρόνο απόκρισης, μικρό εσωτερικό όγκο, χαμηλό θόρυβο, μεγάλη σταθερότητα. Σε μερικές περιπτώσεις, η εκλεκτική απόκριση του ανιχνευτή βοηθάει στην ταυτοποίηση ή στην ανίχνευση συστατικών σε ίχνη, που δεν διαχωρίζονται τέλεια από το κύριο συστατικό. Τα χαρακτηριστικά ενός ανιχνευτή είναι το όριο ανίχνευσης (η μικρότερη ποσότητα μιας ουσίας που δίνει ευανάγνωστο σήμα σε σχέση με το θόρυβο), η ευαισθησία (η κλίση της καμπύλης απόκριση / συγκέντρωση του συστατικού), και το όριο γραμμικής απόκρισης. Γενικά, είναι επιθυμητό ένας ανιχνευτής, για μια συγκεκριμένη ουσία ή ομάδα ουσιών που θέλουμε να προσδιορίσουμε, να έχει μικρό όριο ανίχνευσης, μεγάλη ευαισθησία, και μεγάλο όριο γραμμικής απόκρισης. Οι ανιχνευτές διακρίνονται σε δύο βασικές κατηγορίες: τους διαφορικούς ανιχνευτές, που μετρούν στιγμιαίες συγκεντρώσεις ή στιγμιαίες ταχύτητες εμφάνισης των συστατικών, και τους ολοκληρωτικούς ανιχνευτές, που αθροίζουν τα στιγμιαία σήματα και δίνουν το συνολικό ποσό που έχει μετρηθεί μέχρι μια ορισμένη στιγμή. Τα σήματα των διαφορικών ανιχνευτών ολοκληρώνονται στην ποσοτική ανάλυση, ενώ τα σήματα των ολοκληρωτικών ανιχνευτών διαφορίζονται για να διευκολυνθεί η ποιοτική ανάλυση. Οι ανιχνευτές μπορούν επίσης να διακριθούν σε καταστροφικούς και μη καταστροφικούς, ανάλογα με το αν μπορούμε ή όχι να συλλέξουμε αμετάβλητα τα συστατικά του δείγματος για περαιτέρω μελέτη. Κούκης Δημήτριος 45 Έτος 2013

46 Παρακάτω δίνονται περισσότερα στοιχεία για δυο βασικούς ανιχνευτές, τον ανιχνευτή φλόγας υδρογόνου και τον ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας. Α. Ανιχνευτής Φλόγας Υδρογόνου Είναι από τους απλούστερους ανιχνευτές. Το υδρογόνο που χρησιμοποιείται σαν φέρον αέριο καίγεται καθώς βγαίνει από τη χρωματογραφική στήλη μέσα από μια λεπτή κοίλη βελόνα και παράγει μια σχεδόν άχρωμη φλόγα. Η φλόγα αυτή γίνεται κίτρινη όταν περνούν οργανικά συστατικά. Το ποσόν του συστατικού είναι με προσέγγιση ανάλογο με το ύψος και / ή τη φωτεινότητα της φλόγας. Για να αυξήσουμε την ακρίβεια της παραπάνω αναλογίας, μετράμε τη θερμοκρασία της φλόγας με θερμοζεύγος ή τη φωτεινότητά της με φωτοστοιχείο. Επειδή οι περισσότερες οργανικές ενώσεις ιονίζονται στη φλόγα, μπορούμε να πάρουμε ένα ρεύμα ιονισμού μεταξύ δυο αντίθετα φορτισμένων ηλεκτροδίων. Αυτό αποτελεί και την αρχή λειτουργίας του ανιχνευτή ιονισμού φλόγας (Flame Ionisation Detector FID), που είναι ένας από τους πιο ευαίσθητους και περισσότερο χρησιμοποιούμενους ανιχνευτές. Τα ιόντα που παράγονται συλλέγονται μεταξύ δυο ηλεκτροδίων. Επειδή η ηλεκτρική αντίσταση της φλόγας είναι πολύ μεγάλη (περίπου ohms) και το ρεύμα είναι πολύ μικρό (περίπου amp), τα ηλεκτρονικά του ανιχνευτή είναι αρκετά πολύπλοκα και ακριβά. Κατά τη διεργασία του ιονισμού που γίνεται στη φλόγα, το ρεύμα είναι κατά προσέγγιση ανάλογο με τον αριθμό των ατόμων άνθρακα που έχει η ανιχνευόμενη οργανική ένωση. Για μεγαλύτερη ακρίβεια, η απόκριση εξαρτάται επίσης από την οξειδωτική κατάσταση των ατόμων άνθρακα. Γενικά, ο ανιχνευτής ιονισμού φλόγας είναι σχετικά απλός, πολύ ευαίσθητος και έχει μια μεγάλη περιοχή γραμμικής απόκρισης. Δεν είναι όμως ευαίσθητος στις περισσότερες ανόργανες ενώσεις. Β. Ανιχνευτής Θερμικής Αγωγιμότητας Η μέτρηση της θερμικής αγωγιμότητας ενός αερίου στηρίζεται στη μεταφορά θερμότητας από ένα θερμό νήμα σε μια ψυχρή επιφάνεια. Έτσι, το αέριο μεταφέρει θερμότητα από το Κούκης Δημήτριος 46 Έτος 2013

47 νήμα στην επιφάνεια. Αν δοθεί στο νήμα ένα σταθερό ποσό ηλεκτρικής ενέργειας, η θερμοκρασία του θα είναι συνάρτηση της θερμικής αγωγιμότητας του αερίου. Είναι ευκολότερο να προσδιορίσουμε την ηλεκτρική αντίσταση του νήματος, που αυξάνεται με τη θερμοκρασία, παρά την ίδια τη θερμοκρασία του νήματος. Στην αέριο-χρωματογραφία χρησιμοποιείται ένας διπλός ανιχνευτής για να ελαχιστοποιηθούν η επίδραση της θερμικής αγωγιμότητας του φέροντος αερίου και οι διακυμάνσεις στη θερμοκρασία, την πίεση και την εφαρμοζόμενη τάση. Σε μερικούς ανιχνευτές αντί των νημάτων χρησιμοποιούνται θερμίστορες. Οι θερμίστορες είναι πιο ευαίσθητοι από τα νήματα σε θερμοκρασίες κάτω από 100 ο C, ενώ σε θερμοκρασίες πάνω από 150 ο C ισχύει το αντίστροφο. Σχήμα 1.13: Ηλεκτρονικό κύκλωμα ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας Η θερμοκρασία του νήματος (και συνεπώς το σήμα) είναι συνάρτηση του ρεύματος της γέφυρας, της γεωμετρίας του ανιχνευτή και της θερμικής αγωγιμότητας και ταχύτητας ροής του αερίου. Αύξηση του ρεύματος της γέφυρας θα αυξήσει τη θερμοκρασία λειτουργίας των νημάτων και θα βελτιώσει την ευαισθησία, αλλά τα νήματα θα καούν γρηγορότερα. Επειδή ο ανιχνευτής μετράει θερμική αγωγιμότητα, είναι πολύ βασικό να διατηρούμε σταθερή τη θερμοκρασία των τοιχωμάτων του, κυρίως στην ποσοτική ανάλυση. Το υδρογόνο και το ήλιο που χρησιμοποιούνται συνήθως ως φέροντα αέρια έχουν μεγάλη θερμική αγωγιμότητα σε σχέση με τις περισσότερες οργανικές ενώσεις. Επομένως, το αέριο μίγμα που περνά από τον ανιχνευτή κατά την έκλουση έχει ελαττωμένη θερμική αγωγιμότητα σε σχέση με το καθαρό φέρον αέριο, ενώ έχουμε αύξηση της θερμοκρασίας και της ηλεκτρικής αντίστασης του νήματος. Το κύκλωμα της γέφυρας απομακρύνεται από Κούκης Δημήτριος 47 Έτος 2013

48 την ισορροπία, με αποτέλεσμα να αποστέλνεται ένα σήμα στον καταγραφέα. Με άζωτο ως φέρον αέριο, η ευαισθησία ελαττώνεται και το σήμα μπορεί να είναι αρνητικό (αντίστροφη κορυφή έκλουσης), γιατί η θερμική αγωγιμότητα του αζώτου είναι περίπου ίση με εκείνη των οργανικών ενώσεων. Η θερμική αγωγιμότητα ενός μίγματος αερίων δεν είναι εύκολο να υπολογιστεί, και για το λόγο αυτό ο ανιχνευτής πρέπει να ρυθμίζεται για κάθε συστατικό, αν θέλουμε να πετύχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια. Ο ανιχνευτής θερμικής αγωγιμότητας είναι απλός, φτηνός, μέτρια ευαίσθητος, μη εκλεκτικός, μη καταστροφικός, πολύ ακριβής αν ρυθμιστεί κατάλληλα, και χρησιμοποιείται περισσότερο από όλους τους άλλους ανιχνευτές. Άλλοι Ανιχνευτές: είναι ο ανιχνευτής σύλληψης ηλεκτρονίων, ο ζυγός πυκνότητας αερίων, ο κουλομετρικός τιτλοδότης, ο θερμιονικός ανιχνευτής και ο φλογοφωτομετρικός ανιχνευτής. 1.8 ΠΟΙΟΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Στην ποιοτική ανάλυση γίνεται ταυτοποίηση των κορυφών έκλουσης με σύγκριση των χρόνων κατακράτησης με αυτούς πρότυπων δειγμάτων. 1.9 ΠΟΣΟΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ Οι ολοκληρωτικοί ανιχνευτές δίνουν ένα σήμα που είναι ανάλογο με κάποια κύρια ιδιότητα της ποσότητας του συστατικού που εκλούεται. Στους ανιχνευτές αυτού του είδους δεν υπάρχουν προβλήματα ρύθμισης. Για τους διαφορικούς ανιχνευτές, που δίνουν ένα σήμα ανάλογο με τη στιγμιαία συγκέντρωση, πρέπει να αθροίσουμε τα ποσά της ουσίας που εκλούονται κάθε χρονική στιγμή ή να βρούμε το εμβαδόν της κορυφής έκλουσης, ή ακριβέστερα, το εμβαδόν μεταξύ της καμπύλης έκλουσης και της υποθετικής γραμμής βάσης. Κανονικοποίηση: Όταν το χρωματογράφημα αντιπροσωπεύει όλα τα συστατικά του δείγματος, τα αποτελέσματα πρέπει να κανονικοποιούνται, δεχόμενοι ότι το κλάσμα του ολικού εμβαδού κάθε κορυφής είναι το ίδιο με την εκατοστιαία αναλογία του συστατικού στο δείγμα. Κούκης Δημήτριος 48 Έτος 2013

49 Επίδραση της θερμοκρασίας Υπάρχουν τρία βασικά τμήματα του χρωματογράφου όπου πρέπει να ελέγχεται η θερμοκρασία. Πρώτον, η θερμοκρασία του σημείου εισόδου προσδιορίζει την ταχύτητα εξαέρωσης του δείγματος. Το σημείο εισόδου του δείγματος διατηρείται σε υψηλή θερμοκρασία ανάλογα με τη θερμική σταθερότητα του δείγματος, που είναι συνήθως 50 ο C πάνω από τα σημεία βρασμού των συστατικών. Έτσι πετυχαίνουμε τη μεγαλύτερη δυνατή ταχύτητα εξαέρωσης και την εισαγωγή του δείγματος στη στήλη με τη μεγαλύτερη δυνατή συγκέντρωση. Δεύτερον, ο ανιχνευτής πρέπει να είναι αρκετά θερμός έτσι ώστε τα συστατικά του δείγματος να μην συμπυκνώνονται μέσα σ αυτόν. Αντίθετα, η ευαισθησία του ανιχνευτή θερμικής αγωγιμότητας ελαττώνεται με τη θερμοκρασία, γι αυτό είναι αναγκαίο να εκλέγουμε την ιδανική θερμοκρασία ακριβώς πιο πάνω από τη θερμοκρασία της στήλης. Τέλος, η θερμοκρασία της στήλης είναι ένας βασικός παράγοντας στον προσδιορισμό της συγκράτησης και του διαχωρισμού. Σε υψηλές θερμοκρασίες, τα συστατικά έχουν την τάση να βρίσκονται περισσότερο χρόνο σε αέρια φάση. Έτσι, τα συστατικά εκλούονται γρήγορα και σχεδόν μαζί, με συνέπεια την ελάττωση του διαχωρισμού. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα συστατικά βρίσκονται περισσότερο χρόνο στην υγρή φάση. Έτσι τα συστατικά εκλούονται σιγά και διαχωρίζονται καλύτερα. Για να πετύχουμε ένα καλό διαχωρισμό των συστατικών, χωρίς να είναι πολύ μεγάλος ο χρόνος ολοκλήρωσης της ανάλυσης, είναι συχνά αναγκαίο να κάνουμε ένα προγραμματισμό μεταβολής της θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Η τεχνική αυτή είναι χρήσιμη όταν η περιοχή του σημείου βρασμού των συστατικών του δείγματος είναι μεγαλύτερη από 100 ο C. Η τεχνική αυτή απαιτεί πολύπλοκη συσκευή θέρμανσης, σίγουρο έλεγχο της ταχύτητας ροής και υγρή φάση κατάλληλη για όλη την περιοχή θερμοκρασιών. Κούκης Δημήτριος 49 Έτος 2013

50 Sample Vent Sample Inlet Flow Regulator (15mL/min) Regrouper Column Line Gas 3 Way Valve Sample Loop Calibrating Gas Measure Measure Vent Detector Block Backflush Collumn Port Valve Reference Valve off Valve on 120 PSI Main Column 2 Main Column 1 Helium Inlet Σχήμα1.14: Σχηματικό διάγραμμα βιομηχανικού χρωματογράφου Κούκης Δημήτριος 50 Έτος 2013

51 Σχήμα 1.15: Ολοκληρωμένο σύστημα βιομηχανικού χρωματογράφου αερίων 10 CH4 9 N2 C CO C3 2 C6+ ic4 nc4 ic5 nc Σχήμα 1.16: Αποτέλεσμα ανάλυσης χρωματογράφου αερίων (χρωματογράφημα) Κούκης Δημήτριος 51 Έτος 2013

52 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ & ΑΥΤΟΜΑΤΙΣΜΟΥ 2.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Ανέκαθεν, μαζί με την εγκατάσταση των βιομηχανικών μονάδων παραγωγής ή διαφόρων συστημάτων διακίνησης προϊόντων, ήταν πάντοτε αναγκαίο κάποιες μεταβλητές που ενυπήρχαν στην όλη παραγωγική ή λειτουργική διαδικασία να μετρούνται, να καταγράφονται και γενικά να ελέγχονται. Μεταβλητές όπως για παράδειγμα: η θερμοκρασία, η πίεση, η ροή, η στάθμη αποτελούν σημαντικές παράμετροι για την εύρυθμη λειτουργία βιομηχανικών συστημάτων, και είναι απαραίτητο να ελέγχονται πάντα για να διασφαλίζεται με αυτό τον τρόπο ότι, τα συστήματα και τα επιμέρους μέρη τους λειτουργούν βάσει των σχεδιαστικών παραμέτρων, με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα. Για την μέτρηση, καταγραφή και έλεγχο αυτών των σημαντικών μεταβλητών αναπτύχθηκε παράλληλα και η τεχνολογία των ειδικών οργάνων που έχουν την ιδιότητα να αποτυπώνουν τα μεγέθη και τις όποιες μεταβολές αυτών των λειτουργικών μεταβλητών. Εξειδικευμένα όργανα και ολοκληρωμένα συστήματα αυτοματισμού και ελέγχου, με μεγάλη ακρίβεια και αποτελεσματικότητα είναι το αποτέλεσμα μακροχρόνιας επιστημονικής έρευνας και ανάπτυξης στον τομέα της βιομηχανίας και της παραγωγής. Το Εθνικό Σύστημα Μεταφοράς Φυσικού Αερίου στην Ελλάδα, το οποίο το διαχειρίζεται η ΔΕΠΑ Α.Ε., έχει σχεδιασθεί λαμβάνοντας υπ όψιν την χρήση ειδικών οργάνων για την μέτρηση των μεταβλητών της πίεσης, της θερμοκρασίας, της ροής του αερίου και άλλων, με στόχο τον απόλυτο έλεγχο των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην λειτουργία του. Επιπλέον, η χρήση εξειδικευμένων οργάνων και αυτοματισμών επιτρέπει την τηλεμετρική διαχείριση του όλου Εθνικού Συστήματος Μεταφοράς, που παίζει σημαντικότατο ρόλο για την εποπτεία αυτού του σύνθετου και γεωγραφικά κατανεμημένου δικτύου σωληναγωγών μεταφοράς Φυσικού Αερίου. Η πίεση του αερίου στα δίκτυα των υπόγειων σωληναγωγών, η θερμοκρασία του, η ροή του, η ποσότητα και η ποιότητά του, η λειτουργία σταθμών Μέτρησης και Ρύθμισης του παρεχόμενου αερίου στους καταναλωτές, η λειτουργική κατάσταση διατάξεων και επιμέρους συστημάτων και γενικότερα η διασφάλιση της ακεραιότητας των εγκαταστάσεων, καθώς και η εύρυθμη λειτουργία του όλου συστήματος Κούκης Δημήτριος 52 Έτος 2013

53 γίνεται εφικτή λόγω της ενσωμάτωσης και χρήσης ειδικών οργάνων μέτρησης και αυτοματισμού. Για τα εν λόγω όργανα μέτρησης και αυτοματισμού, για την βασική θεωρεία των διαφόρων μετρήσεων και λειτουργίας των οργάνων γίνεται προσπάθεια αναφοράς στην παρούσα ενότητα, με στόχο την βασική ενημέρωση. 2.2 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Τα όργανα μέτρησης παίζουν σημαντικό ρόλο στην λειτουργία των συστημάτων που ενσωματώνονται στο δίκτυο μεταφοράς φυσικού αερίου. Μεταβλητές όπως η πίεση, η θερμοκρασία και η ροή του αερίου είναι σημαντικότατες παράμετροι στις διεργασίες που διενεργούνται σε όλα τα σημεία του εν γένει δικτύου. Αυτές οι μεταβλητές αποτυπώνονται σε ειδικά όργανα, τα οποία βρίσκονται εγκατεστημένα στα βανοστάσια, στους Μετρητικούς και Ρυθμιστικούς σταθμούς, καθώς και σε άλλα σημεία του δικτύου. Μέσω λοιπόν αυτής της αποτύπωσης των μεταβλητών παραμέτρων από τα ειδικά όργανα μέτρησης, πραγματοποιείται η διαχείριση του όλου συστήματος, είτε τοπικά είτε ακόμη και τηλεμετρικά, ανάγονται οι ποσότητες του αερίου προς τους καταναλωτές στην τελική μορφή κοστολόγησης, ελέγχεται η εύρυθμη λειτουργία του συστήματος σε συνεχιζόμενη βάση, αναλύεται η ποιότητα του εισερχόμενου αερίου, και ουσιαστικά διενεργείται με την δέουσα εποπτεία και έλεγχο η όλη λειτουργία με έγκυρο και αποτελεσματικό τρόπο ΟΡΙΣΜΟΙ ΚΑΙ ΕΙΔΗ ΟΡΓΑΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Με τον όρο όργανο εννοείται μια ευαίσθητη ηλεκτρική μηχανή ή πνευματική ή ψηφιακή συσκευή μέτρησης μετάδοσης ή ελέγχου μίας μεταβλητής παραμέτρου, η οποία συσκευή είναι εγκατεστημένη στο σύστημα και διασυνδεδεμένη με τις διατάξεις και τα μέρη της διεργασίας παραγωγής. Σε ότι αφορά την έννοια του αυτοματισμού μιας εγκατάστασης θα μπορούσαμε να αποδώσουμε τον ορισμό λέγοντας ότι, αυτοματισμός σημαίνει η μέτρηση, η καταγραφή και ο τελικός έλεγχος των σημαντικών μεταβλητών παραμέτρων μιας διεργασίας που λαμβάνει χώρα σε ένα λειτουργικό σύστημα μέσω μετρητικών οργάνων, με στόχο την Κούκης Δημήτριος 53 Έτος 2013

54 διαχείριση αυτής της διεργασίας είτε τοπικά είτε τηλεμετρικά με ασφάλεια και αποτελεσματικότητα. Τα διάφορα είδη οργάνων μέτρησης θα μπορούσαμε να τα κατατάξουμε ανάλογα με το είδος της μέτρησης που διενεργούν. Σύμφωνα λοιπόν με το είδος μέτρησης τα όργανα εντάσσονται σε τρεις βασικές κατηγορίες, ήτοι: Ι. ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΙΙ. ΚΑΤΑΓΡΑΦΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΙΙΙ. ΑΘΡΟΙΣΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ Σε ότι αφορά τα ενδεικτικά όργανα, αυτά μετρούν και αποτυπώνουν τη στιγμιαία τιμή μιας μεταβαλλόμενης μεταβλητής παραμέτρου που σχετίζεται ουσιαστικά με την διεργασία παραγωγής και δεν είναι απαραίτητη η αποθήκευση ή καταγραφή της σε μορφή είτε αναλογική είτε ψηφιακή. Τέτοια όργανα για παράδειγμα είναι: το αναλογικό ή ψηφιακό μανόμετρο (όργανο μέτρησης πίεσης), το θερμόμετρο (όργανο μέτρησης θερμοκρασίας)..., κ.λ.π. Εικόνα 2.1: Ενδεικτικά όργανα μέτρησης πίεσης Κούκης Δημήτριος 54 Έτος 2013

55 Σε ότι αφορά τα Καταγραφικά Όργανα Μέτρησης, αυτά είναι τα όργανα τα οποία χρησιμοποιούνται για την μόνιμη ή μερική καταγραφή των μεταβλητών παραμέτρων μιας διεργασίας, με σκοπό την συστηματική καταγραφή λειτουργικών δεδομένων που χρειάζονται στον λειτουργό για μελέτη και περαιτέρω ανάλυση. Στην ουσία τα όργανα αυτά, εάν πρόκειται για αναλογική λειτουργία, καταγράφουν σε επιφάνεια χάρτου (διαβαθμισμένου αναλόγως την χρήση) την μεταβολή της λειτουργικής μεταβλητής συναρτήσει του χρόνου. Η σημερινή τεχνολογία χρησιμοποιεί ευρέως καταγραφικά όργανα με ψηφιακή λειτουργία (Digital Data Loggers), τα οποία καταγράφουν τα δεδομένα των μετρήσεων, ανάλογα με τις επιθυμητές ρυθμίσεις, σε ψηφιακή μνήμη, απ την οποία μπορούν να αναχθούν με την βοήθεια ηλεκτρονικού υπολογιστή και να αναλυθούν με κατάλληλα λογισμικά προγράμματα. Με τον τρόπο αυτό και με την βοήθεια των καταγραφικών οργάνων μέτρησης, ο λειτουργός ενός συστήματος έχει την δυνατότητα να αποθηκεύσει τα διάφορα λειτουργικά δεδομένα για την αναγκαία επεξεργασία τους και για την μελλοντική χρήση τους. Μια τέτοιου είδους δυνατότητα καθίσταται πολύ σημαντική και χρηστική στην ευρύτερη λειτουργία των επιχειρήσεων που αναπτύσσονται και λειτουργούν με τα σημερινά πρότυπα. Εικόνα 2.2: Καταγραφικό όργανο μέτρησης αναλογικού τύπου Κούκης Δημήτριος 55 Έτος 2013

56 Εικόνα 2.3: Καταγραφικό όργανο μέτρησης ψηφιακού τύπου Σε ότι αφορά τα Αθροιστικά Όργανα Μέτρησης τα οποία ονομάζονται και μετρητές (αναλογικοί μηχανικοί ή ψηφιακοί), αυτά καταγράφουν την συνολική τιμή της λειτουργικής μεταβλητής για ένα δεδομένο χρονικό διάστημα, κατά το οποίο το όργανο ή η διάταξη μέτρησης μιας συγκεκριμένης παραμέτρου ήταν σε λειτουργία. Τέτοια αθροιστικά όργανα τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στην βιομηχανία φυσικού αερίου είναι όπως για παράδειγμα: το όργανο καταγραφής του συνολικού όγκου φυσικού αερίου το οποίο έχει διέλθει για ένα χρονικό διάστημα από τον στροβιλομετρητή αερίου ή άλλου τύπου μετρητή στους Μετρητικούς και Ρυθμιστικούς σταθμούς του συστήματος μεταφοράς, καθώς και σε μετρητές αερίου διαφόρων τύπων σε άλλα σημεία κατανάλωσης αερίου (βιομηχανικός, εμπορικός και οικιακός τομέας). Τέτοιου είδους αθροιστικά όργανα μέτρησης απεικονίζονται στα ακόλουθα σχήματα. Οι εν λόγω μετρητές είναι εγκατεστημένοι σε διατάξεις διεργασίας μέτρησης όγκου αερίου. Κούκης Δημήτριος 56 Έτος 2013

57 Εικόνα 2.4: Αθροιστικά όργανα μέτρησης ενσωματωμένα σε μετρητές όγκου αερίου Άλλα παραδείγματα για την πλήρη κατανόηση αυτού του τύπου αθροιστικών οργάνων, θα μπορούσαμε να αναφέρουμε: τα αθροιστικά όργανα μέτρησης της συνολικής καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας (kwh) στους μετρητές της ΔΕΗ στις οικίες μας, ακόμη και τα όργανα καταγραφής της συνολικής διανυθείσας χιλιομετρικής απόστασης των αυτοκινήτων ΒΑΣΙΚΑ ΜΕΡΗ ΤΩΝ ΟΡΓΑΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Από τα πιο απλά ενδεικτικά όργανα έως τα πιο σύνθετα, θα μπορούσαμε να αναφερθούμε ουσιαστικά στα κύρια και βασικά μέρη τα οποία συνθέτουν την ολοκληρωμένη λειτουργία ενός οργάνου. Ασφαλώς ένα απλό όργανο μέτρησης, όπως π.χ. ένα γυάλινο επαγωγικό θερμόμετρο ή ένας δείκτης στάθμης υγρών διαφέρει ως προς την σύνθεσή του από ένα πιο πολύπλοκο όργανο, όπως π.χ. έναν πομπό μετάδοσης πίεσης, ένα ηλεκτρικό θερμοστοιχείο, ένα ψηφιακό πολύμετρο ηλεκτρικών παραμέτρων...κ.λ.π. Τα περισσότερα λοιπόν όργανα μέτρησης, κατά κανόνα περιλαμβάνουν τα εξής βασικά μέρη: Κούκης Δημήτριος 57 Έτος 2013

58 1. Στοιχείο Ανίχνευσης (βασικό στοιχείο μέτρησης), που σκοπό έχει να ανιχνεύσει την τιμή της μεταβλητής παραμέτρου την οποία καλείται να μετρήσει το συγκεκριμένο όργανο. Η μεταβλητή μπορεί να είναι η θερμοκρασία του διερχόμενου αερίου, η πίεση την δεδομένη στιγμή, η ροή... κ.λπ. Δηλαδή αυτό το στοιχείο το οποίο είναι ευαίσθητο στην βασική παράμετρο της μεταβλητής, και το οποίο αλλάζει φυσική κατάσταση λόγω της επαφής του (γαλβανικής ή μη) με την μεταβλητή παράμετρο (π.χ. ο υδράργυρος σε ένα θερμόμετρο, το μεταλλικό έλασμα σε ένα αναλογικό μανόμετρο, η ηλεκτρική αντίσταση σε ένα θερμοστοιχείο, το διάφραγμα σε όργανο διαφορικής πίεσης,...κ.λπ.). 2. Στοιχείο Μέτρησης, το οποίο ουσιαστικά μετατρέπει την μεταβολή του Στοιχείου Ανίχνευσης σε μετρήσιμο μέγεθος. Δηλαδή είναι η τελική ένδειξη της τιμής η οποία απεικονίζεται είτε τοπικά στο όργανο μέτρησης είτε τηλεμετρικά. Στοιχείο Μέτρησης για παράδειγμα είναι ένας δείκτης ενός μανομέτρου ή ενός θερμομέτρου επάνω σε μια διαβαθμισμένη κλίμακα, ή μια ψηφιακή ένδειξη (αριθμός) σε οθόνη παρατήρησης με την μονάδα μέτρησης (π.χ. bar, ο C, mvdc, mmh 2 O,...κ.λπ.). 3. Στοιχείο Μετάδοσης ή Σύνδεσης, το οποίο σκοπό έχει να ενώσει τα δυο πρώτα στοιχεία και να μεταφέρει την πληροφορία από την διαδικασία ανίχνευσης στην διαδικασία μέτρησης. Αυτό μπορεί να είναι ένας μεταλλικός σύνδεσμος ή ηλεκτρικά καλώδια ή ακόμη και μια τηλεπικοινωνιακή ασύρματη σύνδεση, που μεταφέρει την πληροφορία της μέτρησης από το στοιχείο ανίχνευσης στο στοιχείο μέτρησης ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ ΜΕ ΤΗΛΕΜΕΤΡΙΑ Όπως έχει αναφερθεί και πιο πάνω, το στοιχείο μετάδοσης έχει την δυνατότητα να μεταφέρει την τιμή μιας πρωτογενούς μέτρησης σε ένα απομακρυσμένο γεωγραφικό χώρο, με σκοπό την συνολική διαχείριση, ανάλυση και αποθήκευση. Αυτή η λειτουργία παρέχει την δυνατότητα της συγκέντρωσης στοιχείων πολλαπλών μετρήσεων των μεταβλητών παραμέτρων της διεργασίας ή των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα σε ένα γεωγραφικά κατανεμημένο σύστημα, σε ένα κεντρικό σημείο που ονομάζεται Κέντρο Ελέγχου Συστήματος Τηλεμετρίας, Τηλεχειρισμού και Τηλεελέγχου ή SCADA Supervisory Control And Data Acquisition. Με αυτόν τον τρόπο μπορούν οι βασικές λειτουργικές παράμετροι ενός μεγάλου και σύνθετου συστήματος να συλλεχθούν και να συγκριθούν εάν απαιτείται ταυτόχρονα σε ένα συγκεκριμένο χώρο και έτσι με αυτόν τον τρόπο να διασφαλίζεται η εύρυθμη και ασφαλής λειτουργία του. Κούκης Δημήτριος 58 Έτος 2013

59 Εικόνα 2.5: Κέντρο ελέγχου συστήματος Τηλεμετρίας, Τηλεχειρισμού και Τηλεελέγχου (SCADA) Πληροφοριακά, το σύστημα SCADA είναι ένα σύστημα το οποίο αποτελείται από κεντρικούς ηλεκτρονικούς υπολογιστές που βρίσκονται στο Κέντρο Ελέγχου, από περιφερειακές μονάδες και βασικά από άλλα ηλεκτρικά ηλεκτρονικά συστήματα. Το όλο σύστημα συνδέεται μεταξύ των περιφερειακών και των άλλων ηλεκτρικών συστημάτων τα οποία βρίσκονται κατανεμημένα στους διάφορους σταθμούς, όπου συντελείται η διεργασία παραγωγής, μέσω ενός ολοκληρωμένου τηλεπικοινωνιακού δικτύου, απ το οποίο μεταφέρονται όλα τα σχετικά σήματα μέτρησης ρύθμισης και ελέγχου. Όλες οι σχετικές πληροφορίες και τα σήματα από τα τοπικά όργανα μέτρησης στους σταθμούς των διεργασιών (π.χ. Σταθμοί Μέτρησης και Ρύθμισης της ΔΕΣΦΑ Α.Ε.) μετατρέπονται από ηλεκτρικά κατά κύριο λόγο σήματα σε μια κατάλληλη μορφή και μέσω του φορέα τηλεπικοινωνίας (οπτικές ίνες την συγκεκριμένη περίπτωση) με ένα ειδικό πρωτόκολλο (MODBUS) μεταφέρονται με υψηλές ταχύτητες (π.χ bps) στους κεντρικούς υπολογιστές του Κέντρου Ελέγχου για την σχετική διαχείριση. Σημειωτέων είναι ότι, η εν λόγω επικοινωνία είναι αμφίδρομη, δηλαδή τα διάφορα σήματα, είτε αυτά είναι τιμές Κούκης Δημήτριος 59 Έτος 2013

60 μέτρησης είτε είναι σήματα ελέγχου, μεταδίδονται από τα σημεία της διεργασίας παραγωγής προς το Κέντρο Ελέγχου, αλλά και αντιστρόφως. Σε μερικές περιπτώσεις όπου το στοιχείο μετάδοσης ή σύνδεσης δεν βρίσκεται πολύ μακριά από το σημείο μέτρησης, χρησιμοποιούνται συστήματα πνευματικής μετάδοσης, τα οποία μπορούν να εξασφαλίσουν σε μεγάλο βαθμό την δέουσα ασφάλεια, όταν η διεργασία συντελείται σε επικίνδυνο περιβάλλον (κίνδυνος έκρηξης ή ανάφλεξης). Τα σύγχρονα όμως συστήματα μετάδοσης των τιμών μέτρησης υλοποιούν την ηλεκτρική μετάδοση χωρίς προβλήματα ασφάλειας, ακόμη και σε διαβαθμισμένες περιοχές (π.χ. περιοχή αερίου). Αυτό είναι εφικτό διότι χρησιμοποιείται η τεχνολογία Intrinsically Safe, όπου η ηλεκτρική ενέργεια διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα και έτσι δεν μπορεί να αναπτυχθεί η απαιτούμενη θερμική ενέργεια για την ανάφλεξη ενός αναφλέξιμου μέσου (π.χ. φυσικό αέριο). Όλες οι τιμές μέτρησης μεταφέρονται μέσω χαμηλής εντάσεως σηματοδοσία (4 20 mapms) από ειδικούς ηλεκτρικούς αγωγούς (ενισχυμένα καλώδια με οπλισμό και προστασία γείωσης), όπως επίσης και η ηλεκτρική τροφοδοσία των οργάνων (π.χ. μεταδότες πίεσης και θερμοκρασίας,...κ.λπ.) δεν μπορεί να υπερβεί τάση μεγαλύτερη των 50 Vdc, στις περισσότερες περιπτώσεις η τάση τροφοδοσίας είναι ίση με 24 Vdc. Η αξιοπιστία ενός τέτοιου συστήματος μετάδοσης των μετρήσιμων μεγεθών, η ταχύτητα μετάδοσης αυτών, καθώς επίσης και η απλούστευση της εφαρμογής σε συνδυασμό με την οικονομία της εγκατάστασης καθιστούν τα συστήματα αυτά τα πιο διαδεδομένα στις σύγχρονες εφαρμογές ΚΥΡΙΕΣ ΟΜΑΔΕΣ ΟΡΓΑΝΩΝ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Σε ότι αφορά τις διάφορες ομάδες που μπορούν να καταταγούν τα όργανα μέτρησης, αυτές προσδιορίζονται από τις διάφορες μεταβλητές που ενυπάρχουν στις συγκεκριμένες διεργασίες παραγωγής. Γενικά, θα μπορούσαμε να αναφέρουμε ότι οι κύριες μεταβλητές στην περίπτωση του Εθνικού Συστήματος Μεταφοράς Φυσικού Αερίου είναι οι κάτωθι, ήτοι: ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ ΠΙΕΣΗ ΡΟΗ ΑΕΡΙΟΥ ΣΤΑΘΜΗ ΥΓΡΟΥ Κούκης Δημήτριος 60 Έτος 2013

61 Κατά συνέπεια οι πιο σπουδαιότερες ομάδες οργάνων σε σχέση με τις παραπάνω μεταβλητές συνοψίζονται στις εξής: ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ (ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ή ΨΗΦΙΑΚΑ / ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ) ΜΑΝΟΜΕΤΡΑ (ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ ή ΨΗΦΙΑΚΑ / ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ) ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΡΟΗΣ ή ΡΟΟΜΕΤΡΑ (ΣΡΟΒΙΛΟΜΕΤΡΗΤΕΣ, ΔΙΑΦΡΑΓΜΑΤΟΣ, ΘΕΤΙΚΗΣ ΜΕΤΑΤΟΠΙΣΗΣ, κ.λπ.) ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΣΤΑΘΜΗΣ ή ΔΕΙΚΤΕΣ ΣΤΑΘΜΗΣ (ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ, ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ / ΑΝΑΛΟΓΙΚΟΙ ή ΨΗΦΙΑΚΟΙ). Στα επόμενα κεφάλαια της παρούσης αναφοράς θα γίνει προσπάθεια ανάπτυξης των βασικών θεωριών και αρχών λειτουργίας των παραπάνω μεταβλητών και μετρήσεων, καθώς επίσης και των διαφόρων οργάνων μέτρησης αυτών των μεταβλητών. Κούκης Δημήτριος 61 Έτος 2013

62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑ - ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ 3.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η θερμοκρασία είναι ένα φυσικό μέγεθος που ο ίδιος ο άνθρωπος αντιλαμβάνεται πολύ εύκολα στο περιβάλλον του. Η ευαισθησία του ανθρώπου στην θερμοκρασία του περιβάλλοντος και των διαφόρων σωμάτων είτε αυτά είναι στερεά, είτε υγρά, είτε αέρια, μπορεί να προσδιορισθεί κατά προσέγγιση. Η εκτίμηση όμως της θερμοκρασίας από άνθρωπο σε άνθρωπο διαφέρει εν μέρει, και αυτό διότι αυτή η αίσθηση βασίζεται σε υποκειμενικά κριτήρια. Έτσι δεν θα μπορούσαμε να αρκεσθούμε στην ευαισθησία μας για να προσεγγίσουμε με ακρίβεια τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας ενός φυσικού σώματος. Δηλαδή, ενώ έχουμε την ευαισθησία ως προς το εάν ένα σώμα είναι θερμότερο ή ψυχρότερο από ένα άλλο, πάρα ταύτα δεν μπορούμε να μετρήσουμε την ακριβή θερμοκρασία αυτού του σώματος. Άρα λοιπόν, εάν θέλαμε να διατυπώσουμε τον ορισμό της θερμοκρασίας θα λέγαμε ότι: Θερμοκρασία καλείται η χαρακτηριστική ιδιότητα η οποία προσδιορίζει το κατά πόσο ένα φυσικό σώμα είναι θερμότερο ή ψυχρότερο από ένα άλλο. Στην παρούσα ενότητα θα εξετάσουμε τις διάφορες ιδιότητες που σχετίζονται με την θερμοκρασία, με την μέτρησή της, με τους διάφορους τρόπους μέτρησης και με τα είδη των διαφορετικών οργάνων που χρησιμοποιούνται για την συγκεκριμένη μέτρηση. Και αυτό διότι το μέγεθος της θερμοκρασίας παίζει πολλές φορές σημαντικότατο ρόλο στις διάφορες βιομηχανικές διεργασίες και από μόνο του ως αυτούσιο μέγεθος, αλλά και ενεργώντας με άλλες σημαντικές μεταβλητές των διεργασιών για την επίτευξη των επιθυμητών αποτελεσμάτων. 3.2 ΑΡΧΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Πρωτίστως θα πρέπει να αναφερθεί ότι, το μέγεθος ή η ποσοτική τιμή της θερμοκρασίας δεν μπορεί να προσδιορισθεί με άμεσους τρόπους. Ίσως να είναι και η μόνη μεταβλητή μιας διεργασίας η οποία έχει αυτή την ιδιότητα. Κατά συνέπεια, θα πρέπει η τιμή της θερμοκρασίας να προσδιορισθεί εμμέσως και βάσει κάποιων χαρακτηριστικών ιδιοτήτων Κούκης Δημήτριος 62 Έτος 2013

63 της ύλης, οι οποίες μεταβάλλονται συναρτήσει της θερμοκρασιακής αύξησης ή μείωσης. Τέτοιου είδους χαρακτηριστικές ιδιότητες είναι για παράδειγμα: Το Μήκος ή ο Όγκος (βασίζεται στην θερμική διαστολή) Οι Ηλεκτρικές μεταβολές (μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης) Οι Οπτικές ιδιότητες Η αύξηση της θερμοκρασίας για παράδειγμα μεταβάλλει τον όγκο των στερεών, υγρών και αερίων σωμάτων, δηλαδή οι παραπάνω μορφές της ύλης διαστέλλονται συναρτήσει της θερμοκρασιακής αύξησης. Αυτή είναι ουσιαστικά η βασική ιδιότητα στην οποία στηρίζεται η λειτουργία των απλών θερμομέτρων με την στήλη υδραργύρου ή άλλου υγρού (το υγρό διαστέλλεται όταν η θερμοκρασία αυξάνει). Η ακριβής λειτουργία των διαφόρων τύπων θερμομέτρων θα περιγραφεί σε άλλες παραγράφους του παρόντος κεφαλαίου. Εικόνα 3.1: Βιομηχανικά θερμόμετρα με αμπούλα υγρού στο εσωτερικό τους Κούκης Δημήτριος 63 Έτος 2013

64 3.3 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΙΚΕΣ ΚΛΙΜΑΚΕΣ Βασικά, η μέτρηση της θερμοκρασίας ενός σώματος πραγματοποιείται εκφράζοντας αυτή την θερμοκρασία σε μια μετρήσιμη τιμή, η οποία προσδιορίζει την ακριβή ένδειξη της θερμικής στάθμης αυτού του σώματος. Θα πρέπει λοιπόν να καταλήξουμε σε μια βαθμολογημένη κλίμακα απ την οποία η θερμική στάθμη του σώματος θα εκφράζεται με έναν αριθμό. Το 1968 η Διεθνής Επιτροπή Μέτρων και βαρών (International Committee of Weights and Measures) αποδέχθηκε μερικές αλλαγές στην εμπειρική θερμομετρική κλίμακα. Αυτή η συγκεκριμένη εργασία της επιτροπής αναφέρεται διεθνώς ως: «Η Διεθνής Πρακτική Θερμομετρική Κλίμακα του 1968» (The International Practical Temperature Scale of 1968). Σε αυτή λοιπόν την εργασία, η μονάδα Kelvin (Κ) υιοθετήθηκε ως η βασική θερμοδυναμική θερμομετρική μονάδα. Αν και αυτή η νέα κλίμακα προσεγγίζει καλύτερα την θερμοδυναμική κλίμακα, απομένει επίσης να αντικαταστήσει τις εμπειρικές εξισώσεις που χρησιμοποιούνται για τον υπολογισμό των απόλυτων θερμοκρασιών. Αυτές είναι οι εξής: O T R = O T F + 459,67 Για βαθμούς Rankine, και Τ Κ = O T C + 273,15 Για βαθμούς Kelvin, σε σχέση με την μετατροπή της θερμοκρασίας μεταξύ βαθμών Fahrenheit και Celsius, βάσει των ακόλουθων εξισώσεων: T OF = 5 9 ( T 0C + 32) [ ο F] T 0C = 5 9 ( T OF - 32) [ o C] Η εξίσωση η οποία συσχετίζει τους θερμομετρικούς βαθμούς Rankine με την θερμομετρική κλίμακα Kelvin είναι η εξής: 9 T OR = ΤΚ 5 Σε ότι αφορά τις παραπάνω θερμομετρικές κλίμακες, κατά κύριο λόγο χρησιμοποιούνται η εκατοντάβαθμος ή κλίμακα Celsius ( o C) ή η κλίμακα Fahrenheit ( o F). Κούκης Δημήτριος 64 Έτος 2013

65 Στην εκατοντάβαθμο κλίμακα το μεταξύ των δύο σταθερών σημείων διάστημα, δηλ. του σημείου βρασμού και του σημείου τήξης, χωρίσθηκε σε 100 ίσους βαθμούς. Το σημείο τήξης του πάγου οριοθετήθηκε ως μηδέν (0) βαθμοί Το σημείο βρασμού του ύδατος οριοθετήθηκε ως εκατό (100) βαθμοί. Η μονάδα μέτρησης αυτής της θερμομετρικής κλίμακας είναι ο βαθμός Κελσίου (Degree Celsius), ή βαθμός εκατοντάβαθμου κλίμακας θερμομέτρου. Η θερμομετρική κλίμακα Fahrenheit δεν διαφέρει ως προς τα δύο σταθερά σημεία της τήξης και του βρασμού, αλλά διαφέρει ως προς τις τιμές αυτών των δύο σημείων και ως προς τις υποδιαιρέσεις του μεταξύ των δύο σταθερών σημείων διάστημα, έτσι: Το σημείο τήξης του πάγου οριοθετήθηκε ως τριάντα-δύο (32) βαθμοί. Το σημείο βρασμού του ύδατος οριοθετήθηκε ως διακόσιοι-δώδεκα (212) βαθμοί. Η μονάδα μέτρησης αυτής της θερμομετρικής κλίμακας είναι ο βαθμός Φαρενάϊτ (Degree Fahrenheit). 3.4 ΠΡΑΚΤΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΣΙΜΕΣ ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Όπως έχει λεχθεί και προγενέστερα, οι περισσότερες διατάξεις μέτρησης θερμοκρασίας βασίζονται στην θερμική διαστολή ενός στερεού, ή υγρού, ή αερίου σώματος, σε μια θερμοηλεκτρική μέτρηση στην οποία μια θερμικά παρακινούμενη ηλεκτρεγερτική δύναμη (thermal induced electromotive force emf) χρησιμοποιείται για την προβολή της θερμοκρασίας, ή στην μέτρηση της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης (μιας αντίστασης ακριβείας ή ενός θερμίστωρα). Σε σχέση με τους παραπάνω διαφορετικούς τρόπους με τους οποίους πραγματοποιείται μια μέτρηση θερμοκρασίας, διακρίνονται τα πιο συνήθη όργανα που είναι: θερμόμετρο ύαλου με υδράργυρο, θερμόμετρο εκτόνωσης αερίου (ή ατμού) ή γεμάτου συστήματος, διαμεταλλικό θερμόμετρο, θερμόμετρο θερμοηλεκτρικού ζεύγους, και θερμόμετρα ηλεκτρικής αντίστασης). Κούκης Δημήτριος 65 Έτος 2013

66 3.5 ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟ ΤΡΙΧΟΕΙΔΟΥΣ ΣΩΛΗΝΑ Η ΥΑΛΟΥ ΜΕ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟ Το θερμόμετρο τριχοειδούς σωλήνα ή απλώς ύαλου με υδράργυρο χρησιμοποιείται ευρέως και σε εργαστήρια και στην βιομηχανία λόγω της βασικής του απλούστευσης. Ένα κοινό θερμόμετρο αυτού του είδους αποτελείται από μια γυάλινη αμπούλα και ένα τριχοειδή σωλήνα, ο οποίος αναπτύσσεται σε μια διαβαθμισμένη θερμομετρική κλίμακα. Όταν η θερμότητα μετατίθεται στην γυάλινη αμπούλα (που περιλαμβάνει τον υδράργυρο), ο υδράργυρος (ή άλλο θερμομετρικό υγρό) ανέρχεται εντός του τριχοειδούς σωλήνα λόγω της θερμικής διαστολής και αλλάζει την θέση ενός παρεμβύσματος αδρανούς αερίου. Η τιμή της θερμοκρασίας λαμβάνεται από την θερμομετρική κλίμακα που έχει βαθμονομηθεί στους ανάλογους βαθμούς. Σε ότι αφορά το θερμομετρικό υγρό, αυτό που συνηθίζεται να χρησιμοποιείται είναι ο υδράργυρος στις περισσότερες περιπτώσεις, αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλα υγρά όπως π.χ. το οινόπνευμα. Λόγω του ότι ο υδράργυρος είναι μέταλλο, έχει κατά συνέπεια καλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλή ειδική αντίσταση, γεγονός που επιτείνει την ταχεία ένδειξη της θερμοκρασίας. Ένας ακόμη λόγος που ο υδράργυρος χρησιμοποιείται ευρέως είναι ότι, ο υδράργυρος έχει πολύ καλό συντελεστή διαστολής, που σημαίνει ότι η διαστολή του συναρτήσει της θερμοκρασίας είναι αρκετά μεγάλη. Με αυτόν τον τρόπο, όταν η θερμοκρασία αυξάνει, ο όγκος του υδραργύρου αυξάνει χαρακτηριστικά και ανέρχεται ταχέως εντός του τριχοειδούς σωλήνα του θερμομέτρου. Σχήμα 3.1: Θερμόμετρο τριχοειδούς γυάλινου σωλήνα Είναι πολύ σημαντική η παράμετρος ότι, το θερμόμετρο θα πρέπει να χρησιμοποιείται πάντα κάτω από τις συνθήκες που έχουν ισχύσει κατά τη διαδικασία βαθμονόμησής του. Συγκεκριμένα, τα θερμόμετρα βαθμονομούνται εμβαπτισμένα μερικώς ή ολικώς εντός Κούκης Δημήτριος 66 Έτος 2013

67 θερμολουτρού. Εάν χρησιμοποιηθούν κάτω από διαφορετικές απ αυτές συνθήκες τότε απαιτείται διορθωτικό στέλεχος. Ο Benedict (1984) δίνει αρκετά παραδείγματα που αφορούν διορθωτικά στελέχη. Σε ένα από αυτά τα παραδείγματα αναφέρει ότι, ένα θερμόμετρο ολικής εμβάπτισης (ή βύθισης) το οποίο εμβαπτίζεται μόνο έως την υποδιαίρεση 90 ο C στην κλίμακά του έχει λάθος ίσο με 4% όταν χρησιμοποιείται για να μετρήσει μια θερμοκρασία 434 ο C ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΕΚΤΟΝΩΣΗΣ ΑΕΡΙΟΥ (Η ΑΤΜΟΥ) Η ΓΕΜΑΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Αυτού του είδους το θερμόμετρο λειτουργεί με την βασική θεωρία ότι, ένα αέριο εκτονώνεται σε σταθερό όγκο με την αύξηση της θερμοκρασίας του. Στην βιομηχανική διάταξη, μια αλλαγή της θερμοκρασίας στον ανιχνευτή προκαλεί αλλαγή της πίεσης του αερίου. Αυτή η αλλαγή της πίεσης μετατίθεται από την κάψουλα θερμικού συστήματος σε μια αλλαγή της δύναμης επάνω στη μπάρα αντιστήριξης. Ο σχεδιασμός του μηχανισμού εξισορρόπησης δύναμης επιτρέπει στην μπάρα να στρέφεται ανεπαισθήτως σε σχέση με το ζεύγος ταλαντωτών σταυροειδούς κάμψης όταν αλλάζει η πίεση του αερίου. Αυτή η μικρή κίνηση της μπάρας προξενεί αλλαγή στο μεταξύ περιθώριο του ακροφυσίου και του άνω άκρου της μπάρας αντιστήριξης, που έχει ως αποτέλεσμα την αλλαγή της πίεσης εξόδου του διακόπτη Relay. Επιπροσθέτως της αλλαγής της πίεσης εξόδου του πομπού, αυτή η αλλαγή της πίεσης εφαρμόζεται στην μπάρα αντιστήριξης από την φούσκα ανάδρασης. Με αυτόν τον τρόπο, τις στιγμές κατά τις οποίες ο ταλαντωτής σταυροειδούς κάμψης διατηρείται σε ισορροπία, το σήμα εξόδου το πομπού είναι ανάλογο της μετρήσιμης θερμοκρασίας. Κατά κύριο λόγο και σχεδόν πάντα, το άζωτο είναι το αέριο πλήρωσης που χρησιμοποιείται, λόγω του ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ένα μεγάλο εύρος θερμοκρασίας, όπως επίσης και λόγω του ότι διατίθεται ως αέριο υψηλής ποιότητας. Η θερμομετρική κλίμακα είναι σχεδόν γραμμική και τα όρια θερμοκρασίας διακυμαίνονται από -220 έως 760 ο C. Δεδομένου ότι, η πίεση του ατμού των υγρών εξαρτάται μόνο από την θερμοκρασία της ελεύθερης επιφάνειας ενός υγρού, μια μετρήσιμη πίεση ατμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί επίσης για τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας. Το θερμόμετρο ώθησης ατμού είναι Κούκης Δημήτριος 67 Έτος 2013

68 όμοιο με το θερμόμετρο αερίου, με μόνη διαφορά ότι η αμπούλα αερίου είναι μεγαλύτερη σε διαστάσεις για να περιέχει όλο το υγρό όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλότερη αυτής του τριχοειδούς σωλήνα και της κάψουλας θερμικού συστήματος. Εικόνα 3.2: Βιομηχανικό θερμόμετρο εκτόνωσης αερίου Συνήθως αυτού του είδους τα θερμόμετρα αποτελούνται από το μέρος ανίχνευσης της θερμοκρασίας που βρίσκεται εντός της αμπούλας και εγκαθίσταται στον εξοπλισμό (π.χ. σε σωλήνα αερίου), από ένα λεπτό τριχοειδή σωλήνα που μεταφέρει το πρωτογενές μήνυμα στο τρίτο μέρος που είναι το ενδεικτικό του οργάνου. Κατά γενικό κανόνα η κατασκευή αυτών των διατάξεων είναι σχετικά απλή και όχι ακριβή, η μέτρηση έχει μεγάλη ακρίβεια και γενικά δεν παρουσιάζουν προβλήματα, και γι αυτόν τον λόγο χρησιμοποιούνται ευρέως σε πολλές ειδικές βιομηχανικές εφαρμογές ΔΙΜΕΤΑΛΛΙΚΟ ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟ Κατά κύριο λόγο η κατασκευαστική σύνθεση αυτού του τύπου των θερμομέτρων είναι η συνένωση δύο λεπτών ελασμάτων από διαφορετικά μέταλλα, τα οποία έχουν ανόμοιους συντελεστές διαστολής. Αυτά τα δύο μεταλλικά ελάσματα τοποθετούνται το ένα επάνω στο Κούκης Δημήτριος 68 Έτος 2013

69 άλλο και συμπεριφέρονται τελικά ως ενιαίο έλασμα, το οποίο παραμορφώνεται από την διαφορετική διαστολή των ελασμάτων, και η παραμόρφωσή του είναι ευθέως ανάλογη της μεταβολής της θερμοκρασίας. Αυτή ουσιαστικά είναι η αρχή λειτουργίας των εν λόγω τύπου θερμομέτρων. Εικόνα 3.3: Διμεταλλικό θερμόμετρο βιομηχανικού τύπου Πρακτικά, ως προς την λειτουργία αυτού του τύπου θερμομέτρου, το ένα άκρο του ενιαίου ελάσματος στερεώνεται στο πλαίσιο του οργάνου και το άλλο αφήνετε ελεύθερο να λυγίζει. Το ελεύθερο άκρο του ελάσματος συνδέεται με έναν δείκτη ο οποίος κινείται επάνω σε μια διαβαθμισμένη θερμομετρική κλίμακα και μεταφράζει ουσιαστικά την πρωτογενή μεταβολή του ελάσματος σε τιμή θερμοκρασίας. Τα βιομηχανικά θερμόμετρα υλοποιούν διάφορες μορφές ελασμάτων, ανάλογα την εφαρμογή. Υπάρχουν ελάσματα σε σπειροειδής ή ελικοειδής μορφή και λεπτά σε πάχος για την αύξηση της ευαισθησίας του οργάνου. Με αυτό τον τύπο μπορεί να μετρηθεί με μεγάλη ακρίβεια η θερμοκρασία λεβήτων, αεραγωγών, μηχανών, εδράνων, φούρνων,...και άλλων βιομηχανικών διατάξεων παραγωγής. Ο σχεδιασμός των διπλών μαγνητών επιτρέπει την ευκολία εγκατάστασης σε οποιαδήποτε μεταλλική επιφάνεια. Κούκης Δημήτριος 69 Έτος 2013

70 3.5.4 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Πρακτικά τα όργανα μέτρησης της θερμοκρασίας που έχουμε αναφέρει έως τώρα έχουν κάποιους σημαντικούς περιορισμούς ως προς το εύρος της μετρήσιμης θερμοκρασίας (μέτρηση με αποδεκτά όρια ακρίβειας μπορεί να επιτευχθεί περίπου έως τους 800 ο C) και ως προς την παράμετρο της μεταφοράς της μετρήσιμης τιμής σε μακρινές αποστάσεις από το φυσικό σημείο της μέτρησης. Οι παραπάνω περιορισμοί μπορούν ουσιαστικά να αρθούν με την χρήση της ηλεκτρικής μέτρησης και μετάδοσης των τιμών. Τα ηλεκτρικά θερμόμετρα έχουν την δυνατότητα να μετρήσουν θερμοκρασίες που ανέρχονται σε ύψος των 3000 ο C, με αποδεκτή ακρίβεια μέτρησης. Παράλληλα δεν είναι πολύπλοκη η κατασκευή τους και κατασκευάζονται σε μικρά φυσικά μεγέθη, πράγμα που τα καθιστά ευκολόχρηστα στις περισσότερες βιομηχανικές διεργασίες. Τέτοιου είδους ηλεκτρικά θερμόμετρα που συνήθως χρησιμοποιούνται ευρέως είναι τα κάτωθι, ήτοι: Θερμόμετρο Θερμοηλεκτρικού Ζεύγους (Thermocouple) Θερμόμετρο Ηλεκτρικής Αντίστασης (Resistance Thermometer) ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΟ ΘΕΡΜΟΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΖΕΥΓΟΥΣ Το θερμοηλεκτρικό ζεύγος παρέχει αξιοπιστία και ακρίβεια της θερμοκρασιακής ένδειξης στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές. Στην πιο απλή του μορφή αποτελείται από ένα ζεύγος διαφορετικών αγωγών ή στοιχείων, οι οποίοι ενώνονται και στα δύο άκρα τους. Σχήμα 3.2: Θερμοηλεκτρικό ζεύγος τύπου J Κούκης Δημήτριος 70 Έτος 2013

71 Εάν είναι να μετρηθεί η θερμοκρασία στη σημείο Τ1 (Σύνδεση Μέτρησης ή Θερμή Σύνδεση), μια θερμοκρασία αναφοράς αναπτύσσεται και διατηρείται στο σημείο Τ2 (Σύνδεση Αναφοράς) και η ηλεκτρεγερτική δύναμη (emf) που παράγεται σχετίζεται με την θερμοκρασία βάσει μιας πολυωνυμικής εξίσωσης. Ο βαθμός του πολυωνύμου μπορεί να αναπτυχθεί από δευτέρου σε ενάτου εξαρτώμενος από τον συνδυασμό του θερμοηλεκτρικού ζεύγους και από το επιθυμητό εύρος της θερμοκρασίας που θα μετρηθεί. Τα χαρακτηριστικά της ηλεκτρεγερτικής δύναμης της θερμοκρασίας ενός θερμοηλεκτρικού ζεύγους εξαρτώνται από το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί για τα στοιχεία του θερμοηλεκτρικού ζεύγους και από την θερμοκρασία στην οποία αυτό θα υποβληθεί. Πρακτικά, σε ότι αφορά την λειτουργία του, μια μικρή τάση αναπτύσσεται στην ένωση των διαφορετικών στοιχείων (μεταλλικά κράματα). Η τάση αυτή μεταβάλλεται συναρτήσει της θερμοκρασίας. Το στοιχείο ελέγχου ή η καταγραφή αντιλαμβάνεται και μετράει αυτή την μεταβολή της μικρής τάσης και τη μετατρέπει σε ένα σήμα θερμοκρασίας. Σύγχρονες μέθοδοι μέτρησης μετρούν επίσης την θερμοκρασία στο σημείο όπου το θερμοηλεκτρικό ζεύγος ενώνεται με το όργανο μέτρησης, δηλαδή στο σημείο της σύνδεσης αναφοράς. Κάθε μεταβολή της θερμοκρασίας πλησίον του οργάνου μπορεί να εξαλειφθεί, μετρώντας με μεγάλη ακρίβεια την καθ αυτού θερμοκρασία της μεταβλητής. Εικόνα 3.4: Ψηφιακό όργανο θερμοηλεκτρικού ζεύγους Κούκης Δημήτριος 71 Έτος 2013

72 Ένα θερμοηλεκτρικό ζεύγος μπορεί να συνδεθεί κατ ευθείαν στο στοιχείο ελέγχου και παρακολούθησης του οργάνου. Εάν χρησιμοποιηθούν διάφορα καλώδια για την μεταφορά του σήματος μέτρησης, αυτά τα καλώδια θα πρέπει να είναι από το ίδιο υλικό με αυτό που έχει χρησιμοποιηθεί για τα στοιχεία του θερμοηλεκτρικού ζεύγους. Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη που έχουν σχεδιασθεί με την σύνδεση μέτρησης σε επαφή με νέες επιφάνειες είναι γνωστά σαν θερμοηλεκτρικά ζεύγη γειωμένης ένωσης (grounded junction thermocouples). Αυτά είναι τα πιο διαδεδομένα και σε γενικές γραμμές έχουν τις πιο γρήγορες τιμές ανταπόκρισης και επίσης είναι τα πιο οικονομικά. Τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη υπόγειας ένωσης (underground junction thermocouples) προσφέρουν το πλεονέκτημα της ηλεκτρικής απομόνωσης. Σε ότι αφορά τις βιομηχανικές εφαρμογές, τα θερμοηλεκτρικά ζεύγη εγκαθίστανται με τρόπο ώστε να αποφεύγονται οι μηχανικές καταπονήσεις και η διάβρωση των στοιχείων του ζεύγους. Επίσης όλα τα υλικά που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των στοιχείων ενός θερμοηλεκτρικού ζεύγους θα πρέπει να επιλέγονται ανάλογα με τις καθ αυτού εφαρμογές και ανάλογα με τα γενικά και ειδικά λειτουργικά χαρακτηριστικά των μεταβλητών της διεργασίας (εύρος θερμοκρασιών, κ.λ.π.). Για την επιλογή των υλικών θα πρέπει κατ ελάχιστον να ακολουθούν τις κάτωθι απαιτήσεις, ήτοι: 1. Τα υλικά θα πρέπει να αντέχουν όλο το εύρος της θερμοκρασίας (ακραίες τιμές) που προορίζονται να μετρήσουν, χωρίς σημαντική πρόωρη γήρανση και για το επιθυμητό χρονικό διάστημα. 2. Μια σχετικά μεγάλη ηλεκτρεγερτική δύναμη θα πρέπει να αναπτύσσεται για κάθε βαθμό θερμοκρασιακής μεταβολής, έτσι ώστε το όργανο να προσδιορίσει τις μικρές μεταβολές της θερμοκρασίας. 3. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη θα πρέπει να αυξάνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας σε συνεχιζόμενη βάση σε όλο το εύρος της χρήσης. 4. Τα υλικά θα πρέπει να διατηρούν τα αρχικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρεγερτικής δύναμης για μεγάλο χρονικό διάστημα. Η συνοχή της βαθμονόμησης βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο κατά πόσο το όργανο είναι απαλλαγμένο από περιβάλλον διαφόρων μολύνσεων και μηχανικών τάσεων. Αυτοί οι παράγοντες προσδίδουν ανομοιογένειες στα στοιχεία του θερμοηλεκτρικού ζεύγους. Κούκης Δημήτριος 72 Έτος 2013

73 5. Τα υλικά θα πρέπει να είναι ομοιογενή και ικανά στην εύκολη προτυποποίηση. Θα πρέπει επίσης να είναι διαθέσιμα στο εμπόριο για να επιτρέπεται η αντικατάστασή τους χωρίς να απαιτείται η επανα-βαθμονόμηση του όλου οργάνου μέτρησης. 6. Τα υλικά θα πρέπει να είναι ικανά για την μορφοποίηση μιας βαρέου τύπου διάταξης θερμοηλεκτρικού ζεύγους, για να ικανοποιούν τις απαιτήσεις της εφαρμογής και της εγκατάστασης ΘΕΡΜΟΜΕΤΡΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ Το βιομηχανικό θερμόμετρο αντίστασης χρησιμοποιείται ευρέως λόγω της ακρίβειάς του και της απλότητάς του. Θερμοκρασιακές μεταβολές της τάξεως 0,02 ο C μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν σε βιομηχανικές εφαρμογές. Το εύρος της μέτρησης σ αυτού του τύπου τα όργανα είναι σχεδόν όμοιο με αυτών των θερμοηλεκτρικών ζευγών Χαλκού Κονσταντάν, Σιδήρου Κονσταντάν, και θερμομέτρου εκτόνωσης ή κλειστού τύπου. Τα όρια αυτού του εύρους διακυμαίνονται σχεδόν από -184 έως 689 ο C. Σχήμα 3.3: Ηλεκτρικά κυκλώματα θερμομέτρων αντίστασης δύο, τριών και τεσσάρων καλωδίων Κούκης Δημήτριος 73 Έτος 2013

74 Τα θερμόμετρα αντίστασης (RTD-Resistant Temperature Detector) δεν απαιτούν σύνδεση αναφοράς, λόγω του ότι λειτουργούν με μία μετρήσιμη μεταβολή της αντίστασης του μετάλλου ή ενός ημιαγωγού (Thermistor) συναρτήσει της θερμοκρασίας. Συνήθως το μέταλλο είναι λευκόχρυσος, χαλκός ή νικέλιο και ο ημιαγωγός οξείδιο του μετάλλου. Στην βιομηχανία το μέταλλο που χρησιμοποιείται συνήθως είναι σύρμα από λευκόχρυσο τυλιγμένο σε μπομπίνα ύαλου ή κεραμικού υλικού και σφραγισμένο με κεραμική ή γυάλινη επικάλυψη. Μπορούν επίσης να κατασκευασθούν με εναπόθεση λευκόχρυσου ως μια λεπτή στρώση (film) σε ένα υπόστρωμα και κατόπιν αυτό να εγκιβωτιστεί σε μορφή αμπούλας. Η ηλεκτρική αντίσταση του RTD μεταβάλλεται συναρτήσει της θερμοκρασίας, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Ηλεκτρικό κύκλωμα όμοιο με αυτό μιας γέφυρας Wheatstone, εγκαθίσταται σε συστήματα ελέγχου σχεδιασμένα για χρήση σε όργανα αντίστασης (RTD). Ένα σταθερό ρεύμα στην γέφυρα παράγει μια τάση εξόδου η οποία μεταβάλλεται με την θερμοκρασία. Η αντίσταση των καλωδίων μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την μέτρηση του θερμομέτρου αντίστασης. Αυτή η παράμετρος σφάλματος διορθώνεται χρησιμοποιώντας ένα τρίτο καλώδιο για λόγους αντιστάθμισης. Καλώδια επιμήκυνσης που χρησιμοποιούνται στα θερμόμετρα αντίστασης μπορεί να είναι κοινά χάλκινα καλώδια. Τα θερμόμετρα αντίστασης (RTD) είναι γενικά πιο ακριβή και σταθερά συναρτήσει του χρόνου από αυτά με θερμοηλεκτρικά ζεύγη. Εικόνα 3.5: Ανιχνευτής θερμοκρασίας υψηλής ακρίβειας από λευκόχρυσο Για ένα καθαρό μέταλλο, η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και αντίστασης εκφράζεται ως σειριακή εκτόνωση θερμοκρασίας με σταθερό συντελεστή, βάσει της ακόλουθης εξίσωσης: R temp = (Ι + ατc + bt 2 c+ct 3 c +...) R ref Κούκης Δημήτριος 74 Έτος 2013

75 Όπου: Rref είναι η αντίσταση, σε Ohms, μιας θερμοκρασίας αναφοράς, συνήθως 0 ο C, και R temp είναι η μετρήσιμη αντίσταση. Για πολλές εφαρμογές, λαμβάνεται ένας μέσος όρος συντελεστή αντίστασης, και όλα τα μέρη της εξίσωσης που έχουν δύναμη μεγαλύτερη της μονάδος θεωρούνται ως μηδέν (0). Για τον λευκόχρυσο, μία δευτεροβάθμια εξίσωση εκτιμά την συμπεριφορά σε θερμοκρασίες έως και 649 ο C. Ανιχνευτές χαλκού είναι φθηνότεροι από αυτούς με λευκόχρυσο και γενικά γραμμικοί. Εν τούτοις, αυτοί περιορίζονται σε θερμοκρασίες έως και 121 ο C. Το νικέλιο είναι γενικά μη γραμμικό και έχει ανώτερο όριο θερμοκρασίας 316 ο C. Λόγω της σύμφυτης σταθερότητας και γραμμικότητας, το βασικό θερμόμετρο ηλεκτρικής αντίστασης από λευκόχρυσο συνεχίζει να επικρατεί στο πεδίο των θερμομέτρων αντίστασης. Ο θερμίστωρας (thermistor) ταξινομείται ως ημιαγωγός διότι η ηλεκτρική του αγωγιμότητα εμπίπτει μεταξύ αυτής ενός μονωτή και αυτής ενός αγωγού. Το χαρακτηριστικό όνομα Thermistor συνάγεται από το «Thermal Sensitive Resistor» που σημαίνει Αντίσταση Ευαίσθητη στην Θερμότητα. Η αντίσταση ενός Thermistor μεταβάλλεται συναρτήσει της θερμοκρασίας. Ο θερμίστωρας είναι στερεός ημιαγωγός με υψηλό θερμοκρασιακό συντελεστή ειδικής αντίστασης. Η μεταβολή της αντίστασης με την θερμοκρασία μπορεί να προσδιορισθεί με μια απλή εκθετική εξίσωση της παρακάτω μορφής: R temp = αexp b T f Όπου: R temp είναι η αντίσταση στην μετρήσιμη απόλυτη θερμοκρασία Τ f. Οι σταθερές a και b είναι ίσες με 0,06 και 8000, αντιστοίχως ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ Όπως έχει λεχθεί και προηγούμενα στις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές υφίσταται η ανάγκη για την μεταφορά των τιμών της μεταβλητής της διεργασίας (π.χ. την θερμοκρασία αερίου ή υγρού,...κ.λπ.) σε απόμακρο σημείο από αυτό το φυσικό σημείο στο οποίο εξελίσσεται η διεργασία και πραγματοποιείται η μέτρηση. Δηλαδή το στοιχείο μετάδοσης ή σύνδεσης, για το οποίο έχει γίνει αναφορά, θα πρέπει να μεταδώσει την μετρήσιμη τιμή, στην περίπτωσή μας την θερμοκρασία του μέσου, στο σημείο που βρίσκεται σε απόσταση και μπορεί να είναι το κέντρο ελέγχου ενός συστήματος ή οι Κούκης Δημήτριος 75 Έτος 2013

76 μονάδες και τα συστήματα επεξεργασίας των δεδομένων και ελέγχου της διεργασίας. Γι αυτόν λοιπόν τον λόγο έχουν κατασκευασθεί διατάξεις μεταφοράς αυτών των μετρήσεων που ονομάζονται μεταδότες. Ο μεταδότης θερμοκρασίας ή Temperature Transmitter όπως έχει επικρατήσει στην βιομηχανική ορολογία από την αγγλική του ονομασία, μπορεί να είναι ένα όργανο χαμηλού κόστους και μικρού φυσικού μεγέθους, ιδανικό για μια μεγάλη ποικιλία βιομηχανικών εφαρμογών όπως π.χ.: HVAC (συστήματα διαχείρισης κλιματολογικών συνθηκών χώρων), βιομηχανικές και εμπορικές εφαρμογές πολλαπλών σημείων παρακολούθησης θερμοκρασίας, κ.λπ. Εικόνα 3.6: Μεταδότης θερμοκρασίας με σήμα 4-20 ma, για θερμοκρασίες από 0 έως 20 C Ένας μεταδότης «λειτουργίας 2 καλωδίων», με σηματοδοσία «4 20 mamps» και για μέτρηση εύρους θερμοκρασίας από -55 ο C έως 180 ο C, τροφοδοτείται ηλεκτρικά μέσω ακροδεκτών χωρίς πολικότητα για απλούστευση, από τροφοδοτικό με τάση εξόδου από 12 έως 35 Vdc. Κούκης Δημήτριος 76 Έτος 2013

77 Η βασική αρχή λειτουργίας ενός μεταδότη θερμοκρασίας είναι να μετατρέπει την μετρήσιμη τιμή της θερμοκρασίας σε ένα ηλεκτρικό σήμα χαμηλού ρεύματος, της τάξεως από 4 mamps έως 20 mamps, και αυτό να το μεταδίδει στον τελικό αποδέκτη ο οποίος λαμβάνει αυτό το χαμηλό ηλεκτρικό σήμα και το μετατρέπει σε θερμοκρασιακή ένδειξη. Η βαθμονόμηση του μεταδότη γίνεται με βάσει αυτή την κλίμακα του ηλεκτρικού σήματος 4 20 mamps. Το σήμα των 4 mamps αντιπροσωπεύει το κάτω άκρο της θερμομετρικής κλίμακας που καλύπτει το όργανο (π.χ ο C), και το σήμα των 20 mamps αντιπροσωπεύει το άνω άκρο της θερμομετρικής κλίμακας (π.χ ο C). Στην συντριπτική πλειοψηφία αυτή η σχέση είναι γραμμική, με «άνοιγμα» π.χ. 0,25%, σε σχέση με την διαφορά θερμοκρασίας χαμηλού και υψηλού σημείου του εύρους των 4-20 mamps. Τα όργανα αυτά έχουν την δυνατότητα επαναβαθμονόμησης με ειδικές συσκευές, για μεγαλύτερη ακρίβεια των μετρήσεων και της μετάδοσης. Εικόνα 3.7: Μεταδότης θερμοκρασίας γραμμικού σήματος 4-20 Ma Ο παραπάνω Μεταδότης Θερμοκρασίας είναι ένας μεταδότης που μπορεί να μεταδώσει με μεγάλη ακρίβεια την μετρήσιμη τιμή της θερμοκρασίας για παρακολούθηση και έλεγχο. Έχει σχεδιασθεί να χρησιμοποιεί θερμόμετρο αντίστασης 2 ή 3 καλωδίων (Pt 100 RTD) σύμφωνα με το πρότυπο DIN ή BS 1904, ή ακόμη και υπόγειο θερμοηλεκτρικό ζεύγος τύπου «Κ». Αυτή η οικονομική διάταξη παρέχει ακρίβεια και αξιοπιστία μετρήσεων που χρειάζεται μια εφαρμογή και με μικρό κόστος Κούκης Δημήτριος 77 Έτος 2013

78 Σχήμα 3.4: Τυπική εγκατάσταση μεταδότη θερμοκρασίας Μια τυπική εγκατάσταση που χρησιμοποιείται βάσει των Ευρωπαϊκών προτύπων για βιομηχανικές διεργασίες, περιλαμβάνει την διάταξη του οργάνου μέτρησης θερμοκρασίας και τον μεταδότη θερμοκρασίας, καθώς και τα καλώδια διασύνδεσης αυτών των διατάξεων και μεταξύ τους αλλά και με τον απομακρυσμένο χώρο ελέγχου της μέτρησης και γενικά της διεργασίας. Τα σημερινά συστήματα μεταδοτών θερμοκρασίας (αυτά που χρησιμοποιούνται και στο σύστημα μεταφοράς του Φυσικού Αερίου) υλοποιούν Ολοκληρωμένα Κυκλώματα Ειδικών Εφαρμογών (ASIC Application Specific Integrated Circuits) και ηλεκτρονική τεχνολογία επιφανειακής εγκατάστασης, γεγονός το οποίο ελαττώνει σημαντικά το μέγεθος και το βάρος αυτών των διατάξεων. Παράλληλα, η ψηφιακή τεχνολογία που χρησιμοποιείται με τα συστήματα ASIC διασφαλίζει την μέγιστη ακρίβεια και την ακεραιότητα του σήματος. Επιπροσθέτως, αυτή η τεχνολογία επιτρέπει στον μεταδότη θερμοκρασίας να αποδέχεται διαφορετικά είδη οργάνων μέτρησης όπως π.χ.: θερμόμετρα αντίστασης (RTD), διαφορικά Κούκης Δημήτριος 78 Έτος 2013

79 θερμόμετρα αντίστασης, θερμόμετρα θερμοηλεκτρικού ζεύγους, και εισόδους σε millivolt με μόνο ένα ηλεκτρονικό κύκλωμα. Σχήμα 3.5: Βιομηχανικός Μεταδότης θερμοκρασίας Κούκης Δημήτριος 79 Έτος 2013

80 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΙΕΣΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΠΙΕΣΗΣ - ΟΡΓΑΝΑ 4.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η μέτρηση της πίεσης θεωρείται, ιδιαίτερα σε ότι αφορά το Σύστημα Μεταφοράς Φυσικού Αερίου, μια από τις πιο σημαντικές μετρήσεις στην όλη διεργασία. Επίσης μια από τις πιο κύριες παραμέτρους του βασικού σχεδιασμού του εν λόγω συστήματος είναι η πίεση λειτουργίας του αγωγού μεταφοράς. Βάση της πιέσεως του αερίου εντός του αγωγού προσδιορίζεται ο συνολικός του όγκος, η κανονική του ποσότητα προς τιμολόγηση (δηλαδή ο διορθωμένος όγκος του), η ροή του συναρτήσει μιας συγκεκριμένης κατανάλωσης,... κ.λπ. Κατά συνέπεια, βάσει όλων αυτών των σημαντικών λειτουργικών παραμέτρων που ουσιαστικά καθορίζουν την εν γένει λειτουργία του συστήματος την ασφάλεια και την ακεραιότητά του, η μέτρηση της πίεσης ως ένα αυτούσιο μέγεθος οι τρόποι μέτρησης τα διάφορα όργανα και οι διατάξεις για την μέτρηση αυτού του μεγέθους, είναι οι σημαντικές παράμετροι για τις οποίες γίνεται αναφορά στο παρόν κεφάλαιο. 4.2 ΟΡΙΣΜΟΙ Πίεση ορίζεται ως η ένταση της δύναμης και αξιολογείται ως η δύναμη η οποία εξασκείται σε μια μονάδα επιφανείας. Στο Αγγλικό σύστημα των μονάδων της μηχανικής, η μονάδα πίεσης είναι η λίβρα ανά τετραγωνική ίντσα ή πάουντ ανά τετραγωνική ίντσα (Pound force per square inch) lb/in 2 ή PSI. Στο διεθνές σύστημα μονάδων (SI), η μονάδα της πίεσης είναι Newton ανά τετραγωνικό μέτρο N/m 2. Από αυτές τις μονάδες εξάγονται χρήσιμες μονάδες μέτρησης προς διευκόλυνση όπως: ίντσες νερού, bar, κανονική ατμόσφαιρα,...κ.λ.π. Εννέα διαφορετικοί όροι χρησιμοποιούνται για τον ορισμό επιπέδων πίεσης και διαφορών πίεσης. Αυτοί οι όροι αναπτύσσονται παρακάτω ΠΙΕΣΗ ΑΠΟΛΥΤΟΥ ΜΗΔΕΝ Εάν όλα τα μόρια αφαιρεθούν από έναν θάλαμο, ένα ιδανικό κενό θα μπορούσε να υπάρξει εντός του θαλάμου και καμία δύναμη πίεσης θα μπορούσε να εξασκηθεί στα Κούκης Δημήτριος 80 Έτος 2013

81 τοιχώματα του θαλάμου. Αυτή η ιδανική κατάσταση ορίζει την κατάσταση της μηδενικής πίεσης και αναφέρεται ως «απόλυτο μηδέν» ΑΠΟΛΥΤΗ ΠΙΕΣΗ Η απόλυτη πίεση είναι η πίεση πάνω από το απόλυτο μηδέν. Η στατική απόλυτη πίεση ορίζει την μοριακή δραστηριότητα ενός αερίου. Είναι η πίεση που χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό της πυκνότητας του αερίου ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Η πίεση που εξασκείται από την ατμόσφαιρα πάνω από το απόλυτο μηδέν ορίζεται ως ατμοσφαιρική πίεση. Αυτή η πίεση μεταβάλλεται κατά περιοχή, είναι εύκολο να ορισθεί ένα πρότυπο ατμοσφαιρικής πίεσης στην επιφάνεια της θάλασσας ως 101,325 kp.a (1,01325 bar.a) ή 14,696 psi.a, και να χρησιμοποιήσουμε αυτή την τιμή ως σημείο αναφοράς για τους υπολογισμούς του όγκου αερίου. Η μέτρηση της πραγματικής ατμοσφαιρικής πίεσης πραγματοποιείται με βαρόμετρο και μεταβάλλεται σε σχέση με το υψόμετρο. Στα 1524 m (5000 ft) είναι περίπου ίση με 84,8 kpa ή 0,848 bar.a (12,3 psi.a), στα 3048 m (10000 ft) είναι ίση με 69 kpa ή 0,69 bar.a (10 psi.a) ΣΧΕΤΙΚΗ ΠΙΕΣΗ (Gauge Pressure) Τα όργανα μέτρησης της πίεσης μετρούν την διαφορά μεταξύ της πίεσης εντός ενός στοιχείου πίεσης και της ατμοσφαιρικής πίεσης που το περιβάλλει. Για να αναχθεί η απόλυτη πίεση θα πρέπει η ατμοσφαιρική πίεση να προστεθεί στην σχετική πίεση δηλ. στην μέτρηση του οργάνου πίεσης ΚΕΝΑ (vacuums) Μία μέτρηση σχετικού κενού είναι μέτρηση κάτω απ την ατμοσφαιρική πίεση, που συνήθως εκφράζεται σε ίντσες ή mm υδραργύρου. Κούκης Δημήτριος 81 Έτος 2013

82 4.2.6 ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Διαφορική πίεση είναι η διαφορά μεταξύ δύο πιέσεων. Μπορεί να μετρηθεί είτε διαχωρίζοντας τις δυο πιέσεις με ένα διάφραγμα και μετρώντας την δύναμη ή την κίνηση του διαφράγματος, ή ακόμη παρακολουθώντας το ύψος μιας στήλης υγρού εντός ενός μανομέτρου ΠΙΕΖΟΜΕΤΡΙΚΟΙ ΔΑΚΤΥΛΙΟΙ Οι πιεζομετρικοί δακτύλιοι χρησιμοποιούνται για την ισοστάθμιση των μετρήσεων από σημεία στατικής πίεσης γύρω από τα τοιχώματα ενός αγωγού. Οι τυπικοί δακτύλιοι χρησιμοποιούνται σε γενικές γραμμές, εν τούτοις, ο Blake (1976) είχε δείξει ότι ο σχεδιασμός «τριπλού Τ» είναι θεωρητικά περισσότερο ακριβής σαν δακτύλιος ισοστάθμισης. Οι πιεζομετρικοί δακτύλιοι ελαττώνουν κάποιες από τις επιδράσεις των ανάντη εξαρτημάτων και της εκκεντρικότητας του στομίου (orifice) επάνω στον συντελεστή εκτόνωσης. Η σκόνη και ο αέρας σε γραμμές υγρών μέσων είναι σοβαρά προβλήματα τα οποία θα πρέπει να ληφθούν υπ όψιν όταν εγκαθίστανται πιεζόμετρα ΣΤΑΤΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Η πραγματική πίεση η οποία εξασκείται από ένα υγρό είτε σε ακινησία είτε σε κίνηση είναι η στατική του πίεση. Ένας πιεζομετρικός δακτύλιος ή ακόμη μια μικρή ακτινική οπή στο τοίχωμα ενός αγωγού μπορεί να επιτρέψει την μέτρηση της στατικής πίεσης. Για την επίτευξη της στατικής πίεσης ενός ρέοντος υγρού, είναι πολύ σημαντικό ότι η οπή θα πρέπει να ανοιχθεί κάθετα προς τον αγωγό, χωρίς ρινίσματα και ανωμαλίες στην επιφάνεια του μετάλλου και χωρίς κοίλες γωνίες. Ο Rayle (1959) είχε δείξει ότι η απομάκρυνση από το μέγεθος της τυποποιημένης οπής, η κλίση ή η κατάσταση της εγκοπής έχει σαν αποτέλεσμα ένα πολωτικό σφάλμα (bias error) της τάξεως από -0,5 έως 1,1% της δυναμικής πίεσης. Ο Ferron (1986) επισήμανε ότι αναρίθμητες μετρήσεις στατικής πίεσης έχουν σφάλμα λόγω μη καλής κατασκευής των συνδέσμων πίεσης. Με βάση τις δοκιμές που έχουν πραγματοποιηθεί στο Εργαστήριο Έρευνας Alden και στα αποτελέσματα των εργασιών του Rayle (1959) και του Brunkalla (1985), προτείνεται οπή με διάμετρο ¼ ή 6,4mm για Κούκης Δημήτριος 82 Έτος 2013

83 αγωγούς διαμέτρου μεγαλύτερης των 2 ή 50 mm. Επίσης ανέφερε ότι τα σημεία μέτρησης της σχετικής πίεσης θα πρέπει να ανοίγονται με τρυπάνι και κατά προτίμηση να εκτορνεύονται (διεργασία με τόρνο), έτσι ώστε η κεντρική γραμμή της οπής να συναντά το κέντρο του αγωγού σε ορθές γωνίες με την αξονική γραμμή του. Το άνοιγμα της οπής θα πρέπει να γίνεται κατόπιν της συγκόλλησης όλων των εξαρτημάτων για την τοποθέτηση των σημείων πίεσης επάνω στον αγωγό. Στο εσωτερικό του αγωγού η οπή θα πρέπει να λειαίνεται και να είναι ελεύθερη από ρινίσματα ή από διάφορες μεταλλικές εγκοπές. Ο καθαρισμός των ρινισμάτων και των εγκοπών θα πρέπει να πραγματοποιείται με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε να αποφεύγονται κοίλες και κυρτές επιφάνειες που περιβάλλουν την οπή. Εάν αυτή η διεργασία ολοκληρωθεί με τον δέοντα τρόπο, τότε τα άκρα της οπής θα είναι τετραγωνισμένα με την εσωτερική επιφάνεια του αγωγού ΔΥΝΑΜΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Εάν ένας σωλήνας καμφθεί κάθετα στην ροή του μέσου, τότε η στατική πίεση αυξάνεται από την κατευθυνόμενη κινητή ενέργεια του ρεύματος. Κατά την μηδενική ταχύτητα (όχι ροή) η ένδειξη της πίεσης είναι ίδια με την ένδειξη της στατικής πίεσης. Όταν όμως αυξηθεί η ταχύτητα (έχουμε ροή) η διαφορά παρατηρείται να αυξάνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας. Αυτή η διαφορά των επιπέδων πίεσης οφείλεται στη δυναμική πίεση ΣΥΝΟΛΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Το άθροισμα της στατικής και της δυναμικής πίεσης είναι η στασιμότητα, ή η συνολική πίεση. Η πίεση στασιμότητας μπορεί να μετρηθεί με ένα όργανο μέτρησης πίεσης που συνδέεται με ένα σωλήνα κοιλότητας. 4.3 ΣΧΕΣΕΙΣ ΠΙΕΣΗΣ Δεδομένου των πολλών μονάδων πίεσης που περιλαμβάνονται στην απόδοση αυτής της έννοιας, είναι πολύ σημαντικό να χρησιμοποιηθεί μια ομάδα μονάδων με συνοχή σε συνδυασμό με τις ακόλουθες σχέσεις της πίεσης. Για την πίεση γραμμής ροής (σε psi ή kpa ή bar): P f = P G + P B Κούκης Δημήτριος 83 Έτος 2013

84 Η συνολική πίεση είναι το άθροισμα της δυναμικής πίεσης και της στατικής πίεσης. Αυτή η σχέση είναι: P T = P f + P D Όπου η δυναμική πίεση P D μπορεί να εκφρασθεί σε σχέση με την πυκνότητα του υγρού και της ταχύτητας: P D = P f V 2 P 2g c Η διαφορική πίεση μεταξύ δύο επιπέδων πίεσης εκφράζεται με την ακόλουθη σχέση: ΔΡ = Ρ f1 P f2 4.4 ΜΟΝΑΔΕΣ ΠΙΕΣΗΣ Πολλαπλές μονάδες και κλίμακες πίεσης έχουν αναπτυχθεί για να εκφράσουν την πίεση. Μερικές από τις πιο γνωστές μονάδες αναφέρονται ακολούθως, ήτοι: ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Κανονικές Ατμόσφαιρες (atm) Standard Atmospheres. Ατμοσφαιρική Πίεση (atm) Atmospheric Pressure. Χιλιοστά Υδραργύρου στους 0 ο C (mm Hg) Millimeters of Mercury at 0 ο C ΑΠΟΛΥΤΗ ΠΙΕΣΗ Absolute Pressure Πάουντ ανά τετραγωνική ίντσα απόλυτη (psi.a) Pound per square inch absolute. Bars (bar). Pascals (Pa, kpa) ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Differential Pressure Πόδια ρέοντος υγρού Feet of flowing fluid. Ίντσες ρέοντος υγρού Inches of flowing fluid. Κούκης Δημήτριος 84 Έτος 2013

85 Ίντσες ύδατος (in H 2 O) σε θερμοκρασία ροής Inches of water at flowing temperature. Ίντσες ύδατος (in H 2 O) σε 39.2 ο F, σε 60 ο F, σε 68 ο F Inches of water at 39.2 ο F, at 60 ο F, at 68 ο F. Ίντσες υδραργύρου (in Hg) σε 32 ο F, σε 60 ο F, σε 68 ο F Inches of mercury at 32 ο F, at 60 ο F, at 68 ο F. Bars (bar). Pascals (Pa, kpa). Πάουντ ανά τετραγωνική ίντσα διαφορική (psi.d) Pound per square inch differential ΓΕΝΙΚΟΙ ΟΡΟΙ Πάουντ ανά τετραγωνική ίντσα σχετική (psi.g) Pound per square inch gauge. Ίντσες υδραργύρου (in Hg) σε 32 ο F, σε 60 ο F, σε 69 ο F Inches of mercury at 32 ο F, at 60 ο F, at 69 ο F. ΔεκαΜπόιλ Deciboyles. Torr (torr) [torr=1333,3 Pa = 1,333mbar = 0,5352 in H 2 O]. Οι συντελεστές μετατροπής των μονάδων στο διεθνές σύστημα (SI) και αντιθέτως δίνονται στον ακόλουθο Πίνακα (οι πιο χρήσιμες μονάδες πίεσης). Κούκης Δημήτριος 85 Έτος 2013

86 ΠΙΕΣΗ Α \ Β Pa mbar Torr inh 2 O kpa Pa 1 0,0100 7,501x10 3 4,015x mbar ,751 0,4015 0,10000 Torr 133,3 1, ,5352 0,1333 inh 2 O 249,1 2,491 1, ,2491 kpa 1, ,501 4,015 1 inhg 3,386 33,83 25,40 13,60 3,386 Psi 6,895 68,95 51,71 27,68 6,895 Bar , ,1 401,5 100 atm 1,013x10 5 1, ,0 406,8 101,3 Α \ Β inhg psi bar Atm Pa 2,953 1,450x x10-6 mbar 0,2953 0, ,869 x10-5 Torr 0, , ,333x10-3 1,316 x10-3 inh 2 O 0, , ,491 x10 3 2,458 x10-3 KPa 0,2953 0,1450 0,0100 9,869 x10-3 InHg 1 0,4912 0, ,03342 Psi 2, , ,06805 Bar 29,53 14,50 1 0,9869 atm ,70 1,013 1 Πίνακας 4.1: Πίνακας μετατροπής μονάδων πίεσης (SI) Κούκης Δημήτριος 86 Έτος 2013

87 1torr = 1mmHg 1Pa = 1N/m 2 1psi 1mmH 2 O = psi = mbr Για την μετατροπή μεταξύ δύο μονάδων πίεσης εκτός συστήματος SI, οι γνωστές μονάδες πρωτίστως μετατρέπονται σε μονάδες pascals και κατόπιν με διαίρεση, προσδιορίζονται οι επιθυμητές μονάδες. Για την κατανόηση αυτού του τρόπου μετατροπής, αναφέρεται το ακόλουθο παράδειγμα: Η μετατροπή από ίντσες υδραργύρου στους 32 ο F σε δύναμη κιλών ανά τετραγωνικά εκατοστά θα μπορούσε να εκφρασθεί ως ακόλουθα: (inhg) 32 ο F(3,38638x ) = Pa = (kg f /cm 2 ) ( x ) ή kg / cm x x ο ο (in Hg) 32 F = ( ) (in Hg) 32 F 4.5 ΤΥΠΟΠΟΙΗΣΕΙΣ Οι δύο βασικές τυποποιήσεις για την πίεση είναι η συσκευή δοκιμής με πρότυπα βάρη και το απλό μανόμετρο. Το μανόμετρο τύπου Σωλήνα U ή μανόμετρο δεξαμενής χρησιμοποιείται για πίεση περίπου από 21 kpa (3 lb/in 2 ), με μια ακρίβεια τις τάξεως +/- 0,1%. Εν τούτοις, τα μανόμετρα μπορούν να σχεδιασθούν με μεγαλύτερη ακρίβεια μέτρησης. Υπάρχουν μανόμετρα υδραργύρου υψηλής ακρίβειας της τάξεως +/-0,0003 inhg, +/-0,003% μέτρησης. Η συσκευή δοκιμής με πρότυπα βάρη προσδιορίζει πιέσεις από 0,001 έως psi (0, kpa) με εύρος ακρίβειας από 0,01 έως 0,15%, εξαρτάται από τον συγκεκριμένο σχεδιασμό. Κούκης Δημήτριος 87 Έτος 2013

88 Εικόνα 4.1: Μανόμετρο τύπου U κεκλιμένου σωλήνα μεγάλης ακρίβειας Εικόνα 4.2: Μανόμετρο τύπου U μεγάλης ακρίβειας Κούκης Δημήτριος 88 Έτος 2013

89 Εικόνα 4.3: Συσκευή πίεσης πρότυπων βαρών μεγάλης ακρίβειας (Deadweight Tester) 4.6 ΜΑΝΟΜΕΤΡΟ Λόγω της απλότητάς του, το κοινό μανόμετρο ύαλου τύπου U έχει καθιερωθεί ως η βασική τυποποίηση πίεσης για πολλά χρόνια. Τα μανόμετρα μετρούν την πίεση με το να εξισορροπούν τις δυνάμεις πίεσης ευθέως ως προς μια στήλη υγρού μέσου. Το υγρό το οποίο επιλέγεται να χρησιμοποιηθεί εξαρτάται από την διαφορά πίεσης και μπορεί να διακυμανθεί από υγρό αραιής πυκνότητας όπως για παράδειγμα κηροζίνη, έως ένα υγρό πυκνής πυκνότητας όπως ο υδράργυρος. Για το μανόμετρο η ενδεικνυόμενη διαφορά πίεσης είναι: ΔΡ = g l (ρ m ρ s ) H = F L (ρ m ρ s ) Η [lb s /ft 2 ] g c όπου Η είναι η υψομετρική διαφορά της στήλης σε ft ή m, ρ m, είναι πυκνότητα του υγρού εντός του μανομέτρου, και ρ s είναι η πυκνότητα του υγρού στην πλευρά της υψηλής πίεσης, g l είναι η σταθερά της τοπικής βαρύτητας σε ft/s 2 ή σε m/s 2 και g c είναι η διαστατική σταθερά μετατροπής σε lb m.ft/(lb f.s 2 ) ή kg.m/(n.s 2 ). Κούκης Δημήτριος 89 Έτος 2013

90 Στο διεθνές σύστημα (SI) η διαφορά πίεσης δίνεται από την παρακάτω σχέση: ΔΡ*=9,806650F L (ρ m ρ s )H* [Pa] Σχήμα 4.1: Αρχή λειτουργίας βασικού μανομέτρου τύπου U Η μονάδα διαφορικής πίεσης inh 2 O χρησιμοποιείται στην εξίσωση ροής διαφορικής παραγωγής. Ανάγεται ως η ισοδύναμη ένδειξη πίεσης σε ένα μανόμετρο ύδατος με ειδική θερμοκρασία και κανονική πυκνότητα (g o ) ή από την εξίσωση: ΔΡ = g e (ρ w ) H = F L (ρ w ) T. g o h w [lb f /ft 2 ] g c 12 Εάν αντικαταστήσουμε την πυκνότητα του ύδατος σε κανονική βαρύτητα, θα προσδιορισθεί η σχέση μεταξύ μιας ίντσας ύδατος πίεσης στους 68 ο F και της διαφορικής πίεσης ως ακολούθως: ΔΡ = 62,31572 h w = h w [lb f /ft 2 ] 12 Κούκης Δημήτριος 90 Έτος 2013

91 4.7 ΣΥΣΚΕΥΗ ΔΟΚΙΜΗΣ ΠΙΕΣΗΣ ΠΡΟΤΥΠΩΝ ΒΑΡΩΝ Είναι τα βασικά στοιχεία μιας συσκευής προτύπων βαρών που χρησιμοποιείται για την παραγωγή μιας βαθμονομημένης πίεσης αναφοράς. Ένα ακριβές επεξεργασμένο έμβολο γνωστού εμβαδού επιφάνειας τοποθετείται εντός κυλίνδρου, και κατόπιν τα τυποποιημένα βάρη τοποθετούνται επάνω στην πλατφόρμα. Όταν η αντλία ελαίου τροφοδοτεί με επαρκή πίεση για την ανύψωση των πρότυπων βαρών, η δύναμη που εξασκείται από την πίεση του ελαίου επάνω στον εμβαδόν επιφανείας του εμβόλου εξισορροπείται από την δύναμη των πρότυπων βαρών. Τότε η πίεση ορίζεται από την ακόλουθη σχέση: PG = F N.M = F N.M Επιφάνεια Εμβόλου Α ρ Συσκευές δοκιμής με πρότυπα βάρη που χρησιμοποιούν αέρα αντί για λάδι είναι επίσης διαθέσιμες στην αγορά, όπως επίσης και φορητές συσκευές για χρήση στο πεδίο. Σχήμα 4.2: Βασικά στοιχεία συσκευής πίεσης προτύπων βαρών Θα πρέπει να αναφερθεί στο σημείο αυτό ότι, όταν χρησιμοποιούνται συσκευές προτύπων βαρών είτε ελαίου είτε αέρος είναι σημαντικό να εφαρμοσθούν όλες οι γνωστές διορθώσεις (λάθη πόλωσης), της τοπικής βαρύτητας, του υψομέτρου, της ανώσεως ή ακόμη της Κούκης Δημήτριος 91 Έτος 2013

92 θερμικής διαστολής του εμβόλου της συσκευής, δεδομένου τα σφάλματα αυτά μπορεί να είναι σημαντικά στην διαδικασία δοκιμής και ρύθμισης (>0,1%). Μια πνευματική συσκευή προτύπων βαρών, για παράδειγμα, μπορεί να χρησιμοποιήσει τους ακόλουθους συντελεστές διόρθωσης για επιδράσεις: θερμικής διαστολής, τοπικής βαρύτητας, και υψομετρικής διαφοράς. Ρ = g calib 3 g l (1 2,37x10 H 5 [1 1.67x10 ( Tc 23] P weight Όπου Η (σε ft ή m) είναι θετικό όταν η πνευματική συσκευή είναι επάνω από την συσκευή υπό έλεγχο, Pweight είναι η πίεση που δίνεται στα βάρη, g calib είναι η τιμή της βαρύτητας για την οποία η συσκευή δοκιμής έχει βαθμονομηθεί, και g l είναι η τοπική βαρύτητα. 4.8 ΔΙΑΦΟΡΙΚΗ ΠΙΕΣΗ Οι συσκευές δοκιμής προτύπων βαρών με λειτουργία διπλού αερίου χρησιμοποιούνται ευρέως για την βαθμονόμηση μεταδοτών διαφορικής πίεσης στην στατική πίεση λειτουργίας τους. Αυτή η συσκευή χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό των πολωτικών σφαλμάτων (bias errors), συνήθως η χρήση είναι για διορθωτικούς λόγους, σε γραμμή στατικής πίεσης έως και 83 MPa ή psi. Η συσκευή πρωτίστως εφαρμόζει μια κοινή στατική πίεση στα άκρα χαμηλής και υψηλής πίεσης του μεταδότη διαφορικής πίεσης. Κατόπιν, το άκρο της χαμηλής πίεσης απομονώνεται, στην υψομετρική πίεση, και το άκρο της υψηλής πίεσης διαβαθμίζεται ανοδικά στο επιθυμητό διαφορικό εύρος. Κούκης Δημήτριος 92 Έτος 2013

93 Εικόνα 4.4: Συσκευή προτύπων βαρών διαφορικής πίεσης Η ακρίβεια ορίζεται ως η συνολική αβεβαιότητα της μέτρησης της διαφοράς μεταξύ δύο στατικών πιέσεων και ενός ποσοστού της τιμής της διαφορικής πίεσης, το οποίο εξαρτάται από την επιλογή του εμβόλου κυλίνδρου και των προτύπων βαρών. Τυπικά, σε πίεση 7 MPa (1000 psia) η ακρίβεια προσδιορίζεται ως +/-0,04% για διαφορική πίεση της τάξεως των 69 KPa (10 psia). 4.9 ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΠΙΕΣΗΣ Σήμερα στις διάφορες βιομηχανικές ή μη εφαρμογές χρησιμοποιούνται διάφορα όργανα μέτρησης της πίεσης είτε μηχανικά είτε ψηφιακά. Σε ότι αφορά την μηχανική μέτρηση της πίεσης, ουσιαστικά η βασική αρχή λειτουργίας είναι ότι: η ύπαρξη της στατικής πίεσης ενός ρευστού ή αέριου μέσου προκαλεί την μηχανική μεταβολή ενός εξαρτήματος ή μέρους του οργάνου μέτρησης. Αυτή η μεταβολή μετατρέπεται σε μέτρηση επάνω σε μια βαθμονομημένη κλίμακα πίεσης μέσω ενός μηχανικού δείκτη. Σε ότι αφορά την ψηφιακή απεικόνιση της μέτρησης, πρόκειται για όργανα μέτρησης που μετατρέπουν την πρωτογενή τιμή μέσω μιας ηλεκτρονικής διεργασίας σε ένδειξη επάνω σε οθόνη απεικόνισης. Τα όργανα αυτά μπορούν να σχεδιασθούν με μεγάλη ακρίβεια, ανάλογα πάντα με την εφαρμογή για την οποία προορίζονται. Κούκης Δημήτριος 93 Έτος 2013

94 4.9.1 ΜΗΧΑΝΙΚΟΙ ΜΕΤΡΗΤΕΣ ΜΕ ΣΩΛΗΝΑ BOURDON Σχήμα 4.3: Μηχανικός μετρητής Αυτός ο τύπος των μετρητών χρησιμοποιείται ευρέως στην βιομηχανία για την μέτρηση της στατικής πίεσης. Ουσιαστικά η αρχή λειτουργίας αυτού του οργάνου είναι, ότι ένας μεταλλικός εύκαμπτος σωλήνας ο οποίος είναι λυγισμένος σε κυκλικό τόξο και το ένα άκρο του είναι σταθερά συνδεδεμένο, υπό την επίδραση της στατικής πίεσης του μέσου (υγρό ή αέριο) η οποία αναπτύσσεται μέσω του μεταλλικού σωλήνα της βάσεων (είναι η ανοικτή άκρη του οργάνου μέτρησης), παραμορφώνεται μεταβάλλοντας, ως συνέπεια, την ακτίνα κάμψης του. Το μεταβαλλόμενο άκρο του μεταλλικού εύκαμπτου σωλήνα είναι συνδεδεμένο μέσω ενός μηχανικού συστήματος με έναν δείκτη, ο οποίος κινείται επάνω σε μια διαβαθμισμένη κλίμακα, απ την οποία μπορούμε να αναγνώσουμε την μετρήσιμη τιμή της πίεσης. Κούκης Δημήτριος 94 Έτος 2013

95 Εικόνα 4.5: Όργανο μέτρησης πίεσης (ASME Grades A, 2A, 3A) Όργανα μέτρησης πίεσης όπως τα παραπάνω, υιοθετούν ένα μοναδικό τριπλού σπειρώματος σωλήνα Bourdon για μετρήσεις ακριβείας πιέσεων συμβατών αερίων και υγρών μέσων. Εγκαθίστανται με σχετική ευκολία σε εξαρτήματα βιομηχανικών εφαρμογών, δεν είναι σχετικά ακριβά όργανα και η χρήση τους είναι σε γενικές γραμμές απλή στον χρήστη. Χρησιμοποιούν επίσης παρέμβυσμα φίλτρου μεγάλης επιφανείας για να εμποδίζει την εισροή σκόνης εντός του οργάνου, καθώς επίσης και να περιορίζει την ροή σε περίπτωση που ο σωλήνας Bourdon έχει υποστεί ζημιά. Εικόνα 4.6: Ψηφιακό όργανο μέτρησης Κούκης Δημήτριος 95 Έτος 2013

96 Το ψηφιακό όργανο μέτρησης πίεσης που απεικονίζεται παραπάνω μπορεί με ευκολία να αντικαταστήσει ένα αναλογικού τύπου όργανο. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για όμοιες εφαρμογές (καθαρά, όχι διαβρωτικά αέρια ή υγρά), με ακρίβεια μέτρησης ίση με +/-2%, και για υπερπίεση έως 700 psi ή 4826 kpa. Μπορεί να λειτουργήσει ακόμη και με μια 9Vdc αλκαλική μπαταρία, γεγονός που προσδίδει μεγάλη ευκολία στην χρήση για οποιαδήποτε εφαρμογή μέτρησης της στατικής πίεσης ΟΡΓΑΝΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ Σε πολλές βιομηχανικές εφαρμογές καθίσταται απαραίτητο για την εξέλιξη της διεργασίας να ελέγχεται η διαφορική πίεση σε διάφορες διατάξεις, όπως για παράδειγμα σε φίλτρα εισόδου του μέσου, είτε πρόκειται για αέρια είτε για υγρά. Εικόνα 4.7: Όργανο μέτρησης διαφορικής πίεσης υγρού τύπου Οι πιέσεις που εφαρμόζονται στις δύο εισόδους του οργάνου οδηγούνται σε διαφορετικά μέρη στο εσωτερικό της διάταξης. Η «κεφαλή» του οργάνου πληρώνεται με ένα υγρό. Η Κούκης Δημήτριος 96 Έτος 2013

97 διαφορική πίεση κατά μήκος των άκρων πίεσης παρεκκλίνει το διάφραγμα και ως εκ τούτου μετατοπίζει το υγρό με αποτέλεσμα την μεταβολή της ένδειξης του οργάνου. Εικόνα 4.8: Όργανο μέτρησης διαφορικής πίεσης ξηρού τύπου Στα όργανα μέτρησης διαφορικής πίεσης «ξηρού τύπου», η διαφορά πίεσης επάνω σε ένα διάφραγμα είναι η αιτία να κινηθεί ένα σπείρωμα, συνήθως από κράμα υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας, μεταφέροντας την κίνηση σε έναν δείκτη αλουμινίου, ο οποίος κινείται επάνω σε μια βαθμονομημένη κλίμακα πίεσης. Η κίνηση αυτή είναι ευθέως ανάλογη της διαφορικής πίεσης που εξασκείται στο διάφραγμα του οργάνου. Η ακρίβεια αυτού του είδους οργάνου διαφορικής πίεσης ανέρχεται σε +/-2%, πλήρους κλίμακας ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΠΙΕΣΗΣ ΚΑΙ ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ Η αναγκαιότητα του ελέγχου των λειτουργικών παραμέτρων μιας βιομηχανικής διεργασίας επιβάλλει την αυτοματοποίηση των συστημάτων γενικά. Έτσι σε ότι αφορά την σημαντική μεταβλητή παράμετρο της πίεσης, έχουν αναπτυχθεί διατάξεις ελέγχου και μετάδοσης των πρωτογενών δεδομένων για τον τοπικό έλεγχο των διαδικασιών που περιλαμβάνει μια διεργασία, καθώς και την διαχείριση των συστημάτων εκ του μακρόθεν (τηλεχειρισμό και τηλε-έλεγχο). Αυτές οι εφαρμογές περιλαμβάνουν και δυο βασικές κατηγορίες οργάνων σε Κούκης Δημήτριος 97 Έτος 2013

98 σχέση με την μεταβλητή της πίεσης, που είναι: οι διακόπτες διαφορικής πίεσης καθώς και οι μεταδότες πίεσης ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΗΣ ΠΙΕΣΗΣ Εικόνα 4.9: Διακόπτης διαφορικής πίεσης Ένας διακόπτης διαφορικής πίεσης είναι μια συσκευή η οποία αξιοποιεί την διαφορική πίεση αέρος για να ενεργοποιήσει έναν ηλεκτρικό διακόπτη με ένα προ-ρυθμισμένο σημείο ενεργοποίησης. Αυτό μπορεί να είναι η διαφορά μεταξύ δύο θετικών ή αρνητικών σημείων πίεσης, ένα από τα δύο, ή ακόμη μια θετική και ατμοσφαιρική ή αρνητική και ατμοσφαιρική πίεση. Αυτός ο ηλεκτρικός διακόπτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ξεκινήσει έναν κινητήρα ανεμιστήρος, να ανοίξει ή να κλείσει έναν ή πολλούς αναστολείς, να ενεργοποιήσει σήματα κινδύνου, να φωτίσει λαμπτήρες προειδοποίησης, να κλείσει βαλβίδες και βάνες διεργασιών,...κλπ. Συνήθως, οι διακόπτες διαφορικής πίεσης κατασκευάζονται ειδικά για χαμηλά και πολύ χαμηλά επίπεδα διαφορικής πίεσης, που Κούκης Δημήτριος 98 Έτος 2013

99 μπορούν να κυμαίνονται από 0,01 στήλης ύδατος (0,0004 psig ή 0,003 Pa) έως 50 psig ή 345 Pa. Όταν μια αλλαγή εμφανισθεί στην διαφορική πίεση μεταξύ δυο πλευρών ενός διαφράγματος, το διάφραγμα με φόρτιση ελατηρίου μετακινείται και μεταδίδει με αυτόν τον τρόπο μια δύναμη σε έναν μεταγωγικό διακόπτη. Αυτός ο διακόπτης μπορεί να σχεδιασθεί να ενεργοποιείται είτε με την αύξηση είτε με την μείωση της διαφορικής πίεσης. Η κίνηση του διαφράγματος αντιστέκεται μέσω ενός βαθμονομημένου ελατηρίου. Αυτό το ελατήριο με την σειρά του προσδιορίζει το εύρος της διαφορικής πίεσης, εντός του οποίου η κίνηση του διαφράγματος θα ενεργοποιήσει τον ηλεκτρικό διακόπτη. Το σημείο ενεργοποίησης συνήθως τίθεται σε συγκεκριμένη επιθυμητή θέση ρυθμίζοντας την συμπίεση ή την τάση του ελατηρίου. Σε διαφορική πίεση / χρόνου τις μεταβατικές λειτουργικές καταστάσεις της διάταξης και του μεταγωτικού διακόπτη, στην περιοχή «DEAD BAND» (νεκρή δέσμη), εντός της οποίας παραμένει ενεργοποιημένος ο μεταγωγικός διακόπτης, είναι απαραίτητη για την ομαλή λειτουργία της διάταξης. Πρακτικά, όταν εμφανίζεται μια αλλαγή στην πίεση αέρος (ή διαφορική πίεση), η οποία προκαλεί την κίνηση του διαφράγματος και κατά συνέπεια την ενεργοποίηση του διακόπτη, ένα μέρος της πίεσης πρέπει να εξαλειφθεί. Σχήμα 4.4: Λειτουργικές καταστάσεις διακόπτη διαφορικής πίεσης Κούκης Δημήτριος 99 Έτος 2013

100 Συνεπώς, η νεκρή δέσμη είναι η πίεση η οποία θα πρέπει να εξαλειφθεί πριν ο διακόπτης επαναρρυθμιστεί για τον επόμενο κύκλο, αφού πρώτα έχει επιτευχθεί η ενεργοποίησής του (έχει προκύψει το επιθυμητό σημείο ρύθμισης). Η νεκρή δέσμη είναι σύμφυτη σ ένα μεταγωγικό διακόπτη και είναι το αποτέλεσμα δυο παραγόντων, ήτοι: του ρυθμού του ελατηρίου εμβέλειας στο επιλεγμένο σημείο ρύθμισης και της διανυόμενης απόστασης απενεργοποίησης του μοχλού αλλαγής. Έτσι, η νεκρή δέσμη είναι διαφορετική για κάθε ένα σημείο ρύθμισης. Όταν το σημείο ρύθμισης βρίσκεται στο χαμηλότερο άκρο της εμβέλειας του διακόπτη πίεσης, η νεκρή δέσμη είναι ελάχιστη. Αντιστρόφως, όταν το σημείο ρύθμισης βρίσκεται στο υψηλότερο άκρο της εμβέλειας του διακόπτη πίεσης, η νεκρή δέσμη είναι μέγιστη. Εικόνα 4.10: Διακόπτης διαφορικής πίεσης με μεγάλο διάφραγμα Διακόπτες πίεσης συμβατικού τύπου, με μεγάλο διάφραγμα, κατασκευάζονται με μεγάλη ακρίβεια παρέχοντας την απαραίτητη αξιοπιστία και ευκολία στην τελική χρήση τους(ορατό σημείο ρύθμισης πιέσεως). Αυτοί οι διακόπτες είναι χρήσιμοι για βιομηχανικές εφαρμογές και γενικά συστήματα κλιματισμού και διαχείρισης επιμέρους διατάξεων με μικρά ηλεκτρικά φορτία, με ένταση έως και 15 Amps. Το υλικό κατασκευής του διαφράγματος μπορεί να είναι ελαστικό πυρίτιο με πλακίδιο υποστήριξης από αλουμίνιο, για μεγάλη αντοχή. Κούκης Δημήτριος 100 Έτος 2013

101 ΜΕΤΑΔΟΤΕΣ ΠΙΕΣΗΣ Όπως έχει αναφερθεί και για τους μεταδότες θερμοκρασίας, η αναγκαιότητα μεταφοράς ενός μετρήσιμου μεγέθους μιας μεταβλητής διεργασίας σε μεγάλες αποστάσεις είναι μια αναγκαία παράμετρος στις βιομηχανικές εφαρμογές σήμερα. Η μέτρηση λοιπόν της πίεσης, μέσω των διαφόρων πρακτικών εφαρμογών που έχουν ήδη αναφερθεί, καθώς και η μετάδοση αυτής από το σημείο της καθ αυτής μέτρησης (ως φυσικό μέγεθος) σε σημείο στο οποίο επεξεργάζεται αυτό το μέγεθος, είναι μια πρακτική η οποία εφαρμόζεται ευρέως σε εκτεταμένα βιομηχανικά συστήματα και σε διάφορα άλλα δίκτυα όπως το Εθνικό Σύστημα Μεταφοράς Φυσικού Αερίου. Μια σημαντική παράμετρος σ αυτή την πρακτική εφαρμογή είναι η ακρίβεια και η αξιοπιστία της μεταδιδόμενης πληροφορίας, δεδομένου του ότι η περαιτέρω διεργασία και το αποτέλεσμα αυτής είναι συνάρτηση αυτής της παραμέτρου. Για παράδειγμα, η μετάδοση της στατικής πίεσης του φυσικού αερίου στους σταθμούς Μέτρησης και Ρύθμισης αποτελεί σημαντική παράμετρο στην μέτρηση του διερχόμενου όγκου αερίου και κατά συνέπεια στην γενικότερη κοστολόγηση στον τελικό καταναλωτή. Αντιλαμβάνεται λοιπόν κανείς την σπουδαιότητα που έχει μια τέτοιου είδους εφαρμογή, και την αναγκαιότητα του υψηλού βαθμού ακρίβειας και αξιοπιστίας που καλείται να έχει ένας μεταδότης πίεσης. Η βασική αρχή λειτουργίας ενός μεταδότη πιέσεως (όπως και του μεταδότη θερμοκρασίας) είναι να μετατρέπει την μετρήσιμη τιμή της πίεσης σε ένα ηλεκτρικό σήμα χαμηλού ρεύματος, της τάξεως από 4 ma έως 20 ma, και αυτό να το μεταδίδει στον τελικό αποδέκτη ο οποίος λαμβάνει αυτό το χαμηλό ηλεκτρικό σήμα και το μετατρέπει σε ένδειξη πίεσης. Η βαθμονόμηση του μεταδότη γίνεται με βάσει αυτή την κλίμακα του ηλεκτρικού σήματος 4 20 ma. Το σήμα των 4 mα αντιπροσωπεύει το κάτω άκρο της κλίμακας που καλύπτει το όργανο (π.χ. 0 bar), και το σήμα των 20 ma αντιπροσωπεύει το άνω άκρο αυτής (π.χ. 19 bar). Στην συντριπτική πλειοψηφία αυτή η σχέση είναι γραμμική, με «άνοιγμα» π.χ. 0,5%, σε σχέση με την διαφορά πίεσης χαμηλού και υψηλού σημείου του εύρους των 4 20 ma. Τα όργανα αυτά έχουν την δυνατότητα επαναβαθμονόμησης με ειδικές συσκευές (HART Communicator), για μεγαλύτερη ακρίβεια των μετρήσεων και της μετάδοσης. Κούκης Δημήτριος 101 Έτος 2013

102 Εικόνα 4.11: Μεταδότες ένδειξης πίεσης με LCD και έξοδο 4-20mA Ένας τυπικής διάταξης μεταδότης ένδειξης πίεσης, ο οποίος ταυτόχρονα παρέχει την ένδειξη της μεταβλητής σε μεγάλη οθόνη υγρού κρυστάλλου (LCD) για ευδιάκριτη ανάγνωση, ενώ παράλληλα μετατρέπει αυτή την μεταβλητή σε σηματοδοσία «δύο καλωδίων» 4 20 ma. Ανάλογα τον συγκεκριμένο τύπο του οργάνου το εύρος της πίεσης διαφέρει από 0-1 bar και από 0-35 bar. Μια θετική πίεση αερίου μπορεί να μετρηθεί χρησιμοποιώντας τον μεταδότη με ακρίβεια +/-0,5%, ως προς το πλήρες εύρος του οργάνου. Το ηλεκτρικό σήμα και η τροποποίησή του παράγεται από μια πιεζοωμική (piezoresistive) μονάδα πίεσης, για μετρήσεις μεγάλης ακρίβειας συμβατικών αερίων ή υγρών. Κούκης Δημήτριος 102 Έτος 2013

103 Εικόνα 4.12: Μεταδότης πίεσης επικίνδυνου κύκλου Ο παραπάνω μεταδότης πίεσης «επικίνδυνου κύκλου» (Hazard Duty Pressure Transmitter) παρέχει ένα σήμα εξόδου 4 20 ma, ευθέως ανάλογο της πίεσης εισόδου, με 0,25% ακρίβεια. Η έξοδος σ αυτόν τον μεταδότη έχει την δυνατότητα να ελαττωθεί με σκοπό να παρέχει ένα αποτελεσματικό εύρος μέτρησης έως και 33,3% της πλήρους κλίμακας του οργάνου. Ο μεταδότης παρέχει επίσης μεταβλητή απόσβεση για την γρήγορη προσαρμογή του χρόνου αντίδρασης εξόδου από 0,1 έως 3 sec, όπως επίσης παρέχει και μεταβλητή μετατόπιση του μηδενός (zero elevation) καθώς και μηδενική καταστολή (zero suppression). Κούκης Δημήτριος 103 Έτος 2013

104 Εικόνα 4.13: Μεταδότης πίεσης Αντιεκρηκτικού τύπου / Rosemount 3051 Ο μεταδότης πίεσης σύγχρονης τεχνολογίας όπως ο Rosemount 3051, χρησιμοποιείται για την μέτρηση και μετάδοση της απολύτου πιέσεως του αερίου, στους σταθμούς Μέτρησης και Ρύθμισης του Εθνικού Συστήματος Μεταφοράς Φυσικού Αερίου. Ο εν λόγω μεταδότης πίεσης χρησιμοποιεί έναν πιεζοωμικό αισθητήρα πυριτίου (piezoresistive silicon sensor), ο οποίος παρέχει αυξημένο επίπεδο ακρίβειας και λειτουργίας σε μετρήσεις της απολύτου πιέσεως. Η ψηφιακή τεχνολογία που χρησιμοποιείται διασφαλίζει το υψηλό επίπεδο ακρίβειας και ικανότητας εύρους της μέτρησης, όπως επίσης και του επιπέδου επικοινωνίας από το σημείο μέτρησης (πεδίο) με τον χώρο του κεντρικού ελέγχου και της διεργασίας των δεδομένων. Ο συγκεκριμένος αισθητήρας, στον οποίο οφείλεται η μεγάλη απόδοση του οργάνου, κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας μια μοναδική μέθοδο διεργασίας η οποία καλείται «απόθεση χημικής ατμοποίησης» (chemical vapor deposition CVD). Αυτή η τεχνική απομονώνει το στοιχείο του αισθητήρα από το υπόστρωμα του πυριτίου, για να επιτύχει υψηλό βαθμό ακρίβειας και επαναληψιμότητας της μέτρησης. Αυτό το στοιχείο του αισθητηρίου έχει κατασκευασθεί από πολυπυριτικό υλικό για να μεγιστοποιήσει το ωμικό Κούκης Δημήτριος 104 Έτος 2013

105 σήμα εξόδου (συντελεστή μέτρου) και για να ελαττώσει σε μεγάλο βαθμό τα σφάλματα ενίσχυσης τα οποία σχετίζονται με άλλους πιεζοωμικούς αισθητήρες. Παρέχοντας ένα ακέραιο σημείο αναφοράς κενού στον αισθητήρα, συνεισφέρει στην υψηλή σταθερότητα του οργάνου και της μέτρησης. Ο αισθητήρας αποτελείται από ένα ηλεκτρικό κύκλωμα «γέφυρας Wheatstone» που έχει κατασκευασθεί από αντιστάσεις πυριτίου που αποθέτονται σε υπόστρωμα πυριτίου. Η πίεση της διεργασίας μεταδίδεται διαμέσου του απομονωμένου και γεμάτου από ρευστό διαφράγματος στο στοιχείο του αισθητήρα, δημιουργώντας μια πολύ μικρή μετατόπιση του πυριτικού υποστρώματος. Η απορρέουσα μικροδύναμη που εφαρμόζεται στο υπόστρωμα μεταβάλλει την ηλεκτρική αντίσταση της γέφυρας Wheatstone ευθέως ανάλογα με την εφαρμοζόμενη πίεση. Έτσι με αυτόν τον τρόπο μεταβάλλεται μια μηχανική τάση σε ηλεκτρική μεταβολή αναλόγου μεγέθους και μεταφέρεται μια σηματοδοσία 4 20 ma για να αποδώσει το μετρήσιμο μέγεθος της μεταβλητής στους τελικούς αποδέκτες της μέτρησης, με αξιοπιστία και μεγάλη ακρίβεια ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ HART COMMUNICATOR Σε ότι αφορά την ρύθμιση και το επίπεδο επικοινωνίας του μεταδότη πίεσης ή θερμοκρασίας, αυτό γίνεται εφικτό χρησιμοποιώντας μια άλλη συσκευή επικοινωνίας η οποία ονομάζεται HART Communicator (Highway Addressable Remote Transducer). Εικόνα 4.14: HART Communicator Κούκης Δημήτριος 105 Έτος 2013

106 Η εν λόγω συσκευή δεν αποτελεί συσκευή μέτρησης και δεν απαιτείται η βαθμονόμησή της. Αντιθέτως, είναι μια συσκευή ηλεκτρονικής επικοινωνίας, διαμέσου της οποίας είναι εφικτή η γνωστοποίηση και η ρύθμιση των στοιχείων λειτουργίας του μεταδότη πίεσης ή θερμοκρασίας. Όλες οι μεταβλητές εξόδου απ αυτή την συσκευή είναι στοιχεία του μεταδότη στον οποίον η συσκευή επικοινωνίας έχει συνδεθεί. Η εν λόγω συσκευή μπορεί να παρεμβληθεί μεταξύ του μεταδότη και του χώρου διεργασίας των μετρήσεων (χώρος ελέγχου σταθμού), μεταξύ των οργάνων βαθμονόμησης και του μεταδότη στο χώρο που είναι εγκατεστημένος ο μεταδότης, ή ακόμη και σε οποιονδήποτε κλειστό βρόγχο καλωδίων χρησιμοποιώντας τα συγκεκριμένα σημεία σύνδεσης της συσκευής. Για την επιθυμητή επίτευξη της επικοινωνίας θα πρέπει η συσκευή να συνδεθεί παράλληλα με το όργανο ή με την αντίσταση φορτίου. Σχήμα 4.5: Συνδεσμολογία πεδίου HART Communicator με μεταδότη 4-20mA Κούκης Δημήτριος 106 Έτος 2013

107 Όταν η συσκευή συνδεθεί με τον μεταδότη, οι πιο σημαντικές λειτουργικές παράμετροι αυτού και γενικά της μέτρησης μπορούν να απεικονισθούν και να διαχειρισθούν, όπως για παράδειγμα: Πραγματικό μέγεθος εισόδου (μεταβλητή διεργασίας πίεση/θερμοκρασία). Πραγματική αναλογική έξοδος (4 20 ma). Χαμηλή Τιμή Εύρους Οργάνου Μέτρησης. Υψηλή Τιμή Εύρους Οργάνου Μέτρησης. Από τον πίνακα διαχείρισης της συσκευής επικοινωνίας HART (Online Menu) είναι εφικτή με αρκετά εύκολο τρόπο για τον χρήστη η προσέγγιση όλων των παραμέτρων ρύθμισης και λειτουργίας της συνδεδεμένης διάταξης μέτρησης (μεταδότης πίεσης ή θερμοκρασίας). Εν κατακλείδι, αυτή η συσκευή είναι αρκετά σημαντική και απαραίτητη για την επικοινωνία και ρύθμιση των μεταδοτών πίεσης και θερμοκρασίας και χρησιμοποιείται ευρέως σε βιομηχανικές εφαρμογές και δη στο σύστημα της μέτρησης του αερίου. Το όργανο μέτρησης που θα συνδεθεί με την συγκεκριμένη συσκευή θα πρέπει να είναι συμβατό με το πρωτόκολλο HART. Κούκης Δημήτριος 107 Έτος 2013

108 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΤΑΘΜΗ, ΜΕΤΡΗΣΗ ΚΑΙ ΟΡΓΑΝΑ 5.1 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Μία από τις διάφορες σημαντικές μεταβλητές όπως η πίεση και η θερμοκρασία, είναι και η μέτρηση της στάθμης, η οποία μπορεί να βρίσκεται ανάλογα πάντα με την συγκεκριμένη βιομηχανική εφαρμογή, στην κορυφή των μετρητικών αναγκών. Παράλληλα είναι ένα μετρήσιμο μέγεθος που το συναντάμε καθημερινά στην λειτουργία μας ως κοινωνία και θα ήταν χρήσιμο απ όλες τις απόψεις να γίνει μια συγκεκριμένη αναφορά σ αυτό το μέγεθος, στους διαφόρους τρόπους μέτρησής του, καθώς και στα διάφορα όργανα που υπάρχουν και είναι διαθέσιμα στην σημερινή τεχνολογία και σχετίζονται με την μέτρηση αυτής της μεταβλητής. Θα μπορούσε να ισχυρισθεί κάποιος ότι, απ όλα τα άλλα μεγέθη που μέχρι στιγμής έχουν αναφερθεί και σχετίζονται με τον έλεγχο μιας διεργασίας, η στάθμη είναι ένα μέγεθος που μπορεί να μετρηθεί πιο εύκολα. Ο ισχυρισμός τους εναπόκειται στο γεγονός ότι, το μέγεθος αυτό χαρακτηρίζεται ως απλό ως προς την διάστασή του, δεδομένου ότι πρόκειται περί μέτρησης του ύψους. Δια μέσου του χρόνου, η βιομηχανική εξέλιξη και οι διάφορες εφαρμογές που έχουν προκύψει, καθώς και η σύνθεση και πολυπλοκότητα των συστημάτων ελέγχου που απαιτούνται για την υποστήριξη αυτών των εφαρμογών, οδήγησε μέσω της έρευνας και της ανάπτυξης στην επέκταση και στην βελτιστοποίηση των μεθόδων και των τεχνικών μέτρησης της στάθμης. 5.2 ΒΑΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ Θα μπορούσαμε να δώσουμε ένα βασικό ορισμό της στάθμης ως εξής: Στάθμη είναι η απόσταση της επιφάνειας ενός μετρήσιμου μέσου ή υλικού από ένα σημείο αναφοράς. Μπορούμε να ορίσουμε το ελάχιστο και το μέγιστο σημείο της στάθμης ως εξής: Ελάχιστο = η χαμηλότερη αποδεκτή στάθμη Κούκης Δημήτριος 108 Έτος 2013

109 Μέγιστο = η υψηλότερη αποδεκτή στάθμη Σε ότι αφορά την κατηγοριοποίηση της μέτρησης στάθμης, σήμερα επικρατούν δύο κατηγορίες, ήτοι: Σημειακή Μέτρηση: Η ανίχνευση συγκεκριμένης στάθμης Συνεχής Μέτρηση: Μέτρηση της ακριβούς τιμής εντός μιας συγκεκριμένης περιοχής μέτρησης, όπως για παράδειγμα: η στάθμη του καυσίμου στα αυτοκίνητα. Ως προς την ελεγκτική λειτουργίας μιας εφαρμογής, συχνά εγκαθίστανται μαζί με τα όργανα μέτρησης της στάθμης ή συνδέονται μ αυτά και όργανα διαφόρων ειδών σηματοδοσίας (ηχητική, ενδεικτική, διακοπής λειτουργίας μηχανισμών,...κ.λ.π.). Μια τέτοιου είδους εφαρμογή είναι το όργανο στάθμης στον συλλέκτη των συμπυκνωμάτων στην είσοδο των σταθμών Μέτρησης και Ρύθμισης Αερίου του ΕΣΜΦΑ, το οποίο είναι συνδεδεμένο με την εν γένει διεργασία μέσου του διακόπτη, όπου όταν ενεργοποιηθεί μπορεί να προκαλέσει διαμέσου του συστήματος κεντρικού ελέγχου του σταθμού την διακοπή τροφοδοσίας του σταθμού με το αέριο. 5.3 ΣΗΜΕΙΑΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ Σ αυτή την κατηγορία της μέτρησης, ανιχνεύεται εάν έχει ξεπερασθεί ένα προκαθορισμένο όριο στάθμης (μπορεί να είναι το μέγιστο όριο) ή εάν η στάθμη έχει διέλθει από ένα κρίσιμο σημείο (μπορεί να είναι το ελάχιστο όριο). Χρησιμοποιείται συνήθως για την αποφυγή υπερχειλίσεων δεξαμενών είτε υγρών είτε στερεών υλικών ή και για την τήρηση κανονισμών μεγίστου / ελαχίστου ορίου στάθμης. Οι βασικότερες μέθοδοι σ αυτή την κατηγορία μέτρησης και οι πλέον διαδεδομένες είναι: ο δονητικός διακόπτης, ο χωρητικός διακόπτης, τα ηλεκτρόδια αγωγιμότητας, ο μαγνητικός αισθητήρας και οι πλωτήρες. Στη συνέχεια θα γίνει αναφορά στις βασικές αυτές μεθόδους και στην αρχή λειτουργίας τους. 5.4 ΔΟΝΗΤΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ (Vibration Switch) Η βασική λειτουργία αυτού του είδους του διακόπτη βασίζεται στην «Ολίσθηση Συχνότητας». Στην ουσία το μέρος ανίχνευσης του διακόπτη, ένα δίχαλο ή μια βέργα, δονείται ηλεκτρονικά με μια συγκεκριμένη συχνότητα από έναν πιεζοκεραμικό κρύσταλλο ή Κούκης Δημήτριος 109 Έτος 2013

110 κάτι άλλο αντίστοιχο. Έτσι κάτω από αυτή την συνθήκη, όταν το μέρος ανίχνευσης έλθει σε επαφή με το μετρούμενο μέσο, αυτή η συχνότητα αλλάζει (στην ουσία μειώνεται). Αυτή η αλλαγή συχνότητας μεταφέρεται μέσω του ηλεκτρικού κυκλώματος, το οποίο την αναγνωρίζει, ως ένα ανάλογο σήμα εξόδου. Εικόνα 5.1: Δονητικός διακόπτης για μέτρηση στάθμης υγρών μέσων Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου μέτρησης είναι: η ευκολία και η απλότητα της χρήσης, η μη αναγκαιότητα σύνθετων ρυθμίσεων (συνήθως δεν απαιτούνται), δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη με ότι σημαίνει αυτό, δεν υπάρχει ουσιαστικός περιορισμός στην εγκατάσταση ή τοποθέτηση του διακόπτη, δεν επηρεάζεται από τα φυσικά χαρακτηριστικά του μετρούμενου μέσου και υπάρχει η δυνατότητα ελέγχου της ορθής λειτουργίας της διάταξης. Ως προς τα μειονεκτήματα της μεθόδου, θα μπορούσαμε να αναφέρουμε ότι, σε παχύρρευστα ή κολλώδη υγρά μπορεί να υπάρξει πρόβλημα, σε σχέση με την φραγή του δίχαλου. Αυτά τα προβλήματα μπορούν να ξεπερασθούν ανάλογα, με την χρήση δονητικού διακόπτη τύπου βέργας. Κούκης Δημήτριος 110 Έτος 2013

111 Οι εφαρμογές αυτής της μεθόδου είναι: η μέτρηση και ο έλεγχος της στάθμης υγρών και στερεών μέσων, ο έλεγχος μεγίστου ελαχίστου στάθμης, καθώς και η προστασία εγκαταστάσεων από υπερχείλιση. 5.5 ΧΩΡΗΤΙΚΟΣ ΔΙΑΚΟΠΤΗΣ (Capacitance Level Switch) Η αρχή λειτουργίας αυτής της μεθόδου είναι: Η Μεταβολή της Χωρητικότητας. Το σημείο ανίχνευσης της διάταξης ή ο αισθητήρας δημιουργείτο με το μεταλλικό τοίχωμα της δεξαμενής που περιέχει το μέσον έναν ενεργό πυκνωτή, του οποίου η τιμή μεταβάλλεται καθώς προσθαφαιρείται υλικό εντός της δεξαμενής. Εικόνα 5.2: Χωρητικός διακόπτης RF, για υγρά ή στερεά Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου αυτής είναι ότι: δεν υπάρχουν κινούμενα μέρη στην διάταξη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για γενική χρήση, παρέχει ικανοποιητικό επίπεδο ακρίβειας στην μέτρηση, και είναι κατάλληλη για υγρά και στερεά. Κούκης Δημήτριος 111 Έτος 2013

112 Σε ότι αφορά τα μειονεκτήματα της μεθόδου, η εγκατάσταση της διάταξης μπορεί να είναι δύσκολη λόγω εξωτερικών παραμέτρων όπως το υλικό της δεξαμενής, το καλώδιο διασύνδεσης μπορεί να επηρεάζει την μέτρηση λόγω της χωρητικότητάς του, υπάρχει περιορισμός ως προς την διηλεκτρική σταθερά (Εν) του μετρήσιμου μέσου η οποία θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 1,4 (Εν>1.4), και τέλος η μέτρηση στάθμης των κολλώδη υγρών μπορεί να εμπεριέχει προβλήματα. Σε ότι αφορά την διηλεκτρική σταθερά μερικών μέσων προς μέτρηση, ενδεικτικά μπορούμε να αναφέρουμε κάποιες τιμές, όπως: Τσιμέντο/1,5<Εν>4, Αλεύρι/Εν=4,5, Βενζίνη/1,3<Εν>3, Νερό/Εν=80, Λάδι/Εν=2,1, Οινόπνευμα/Εν=3. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπως: η μέτρηση στάθμης υγρών ή στερεών μέσων, αγώγιμα ή μη-αγώγιμα. Ο χωρητικός διακόπτης μπορεί να έχει ευαισθησία μικρότερη του 1 pf (χωρητικότητα). Μπορεί δε να χρησιμοποιηθεί για την μέτρηση στάθμης υγρών και στερεών μέσα σε μεταλλικές ή μη-μεταλλικές δεξαμενές ή δοχεία. Το ηλεκτρονικό του κύκλωμα παρέχει μέτρηση υψηλής ευαισθησίας. Αυτή η υψηλή τεχνολογία δεν επηρεάζεται από το υλικό που μπορεί να έχει συσσωρευτεί στα τοιχώματα της δεξαμενής ή επάνω στο στοιχείο ανίχνευσης της διάταξης. Επίσης, μια αρχική βαθμονόμηση της διάταξης επαρκεί και είναι σχετικά απλή για τον χρήστη. 5.6 ΗΛΕΚΤΡΟΔΙΑ ΑΓΩΓΙΜΟΤΗΤΑΣ (Conductive Electrodes, Dual Point Level Switch) Σε αυτή την μέθοδο, ένα ή περισσότερα ηλεκτρόδια διαμορφώνουν ένα στέλεχος μέτρησης (δηλ. σημείο ανίχνευσης ή αισθητήρας) με διαφορετικά μήκη. Εγκαθίστανται σε δεξαμενές ή δοχεία με αγώγιμο μέσον. Όταν η στάθμη αυτού του αγώγιμου μέσου ανέλθει έως το επίπεδο των ηλεκτροδίων, ενεργοποιείται το ηλεκτρικό κύκλωμα που αποτελείται από τα ηλεκτρόδια, και ως απόρροια αυτής της λειτουργικής μεταβολής παράγεται το ανάλογο σήμα εξόδου. Κούκης Δημήτριος 112 Έτος 2013

113 Εικόνα 5.3: Διακόπτης στάθμης διπλού σημείου Τα πλεονεκτήματα της μεθόδου μπορούν να λάβουν υπόψη τα μη μεταβλητά μέρη της διάταξης, της ακρίβειας της μέτρησης, την απλή και εύκολη χρήση, το μικρό κόστος για την εφαρμογή της μεθόδου. Μειονεκτήματα αξιόλογης αναφοράς δεν υπάρχουν. Οι εφαρμογές της μεθόδου αυτής περιλαμβάνουν τον έλεγχο της στάθμης αγώγιμων μέσων (υγρά,...), και τον έλεγχο μεγίστου και ελαχίστου στάθμης. 5.7 ΜΑΓΝΗΤΙΚΟΣ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ Ως προς την αρχή λειτουργίας αυτής της μεθόδου, ένας οδηγούμενος πλωτήρας κινείται βάση της στάθμης του μετρήσιμου μέσου επάνω σε ένα στέλεχος, δημιουργώντας την ενεργοποίηση επαφών από τον μόνιμο μαγνήτη που είναι εγκατεστημένος εντός του πλωτήρα. Αντίστοιχα, με αυτές τις ενεργοποιήσεις επαφών, παράγονται και τα σήμερα εξόδου της διάταξης. Η απλότητα της μεθόδου, η ευκολία της εγκατάστασης, και η μη αναγκαιότητα τακτικής συντήρησης, αποτελούν τα πλεονεκτήματα της συγκεκριμένης μεθόδου. Ως μειονεκτήματα της μεθόδου θα μπορούσαν να αναφερθούν ότι: υπάρχει εξάρτηση της πλευστότητας από το μέγεθος του πλωτήρα, τα μήκη δεν ξεπερνούν τα 3 έως 5 μέτρα, και η πυκνότητα του μετρήσιμου υλικού θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από 0,7 g/cm 3. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μια ευρεία γκάμα εφαρμογών σημειακής μέτρησης στάθμης. Κούκης Δημήτριος 113 Έτος 2013

114 Εικόνα 5.4: Μαγνητικός αισθητήρας (Magnetic Immersion Probe) 5.8 ΠΛΩΤΗΡΕΣ (Float Switches) Η αρχή μέτρησης αυτής της μεθόδου είναι σχετικά απλή και ευκολονόητη. Αφορά την κίνηση και αλλαγή θέσης του πλωτήρα καθόσον βυθίζεται και ανυψώνεται συναρτήσει στης στάθμης του υγρού προς μέτρηση. Αυτή η αλλαγή της θέσης του πλωτήρα ανιχνεύεται από ενσωματωμένο διακόπτη που παράγει ένα σήμα εξόδου. Εικόνα 5.5: Πλωτήρας Κούκης Δημήτριος 114 Έτος 2013

115 Τα πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου είναι, η απλότητα της εφαρμογής, η ευκολία εγκατάστασης, η αξιοπιστία της λειτουργίας της και το σχετικό μικρό κόστος για την εφαρμογή της μεθόδου. Μειονεκτήματα άξια λόγου δεν θα μπορούσαν να αποδοθούν στην συγκεκριμένη μέθοδο μέτρησης στάθμης. Ως προς τις διάφορες εφαρμογές, η μέτρηση της στάθμης με πλωτήρα συνιστάται για: τον συνεχή έλεγχο της λειτουργίας αντλιών, τον έλεγχο μεγίστου / ελαχίστου στάθμης, τον έλεγχο υπερχείλισης δεξαμενών και δοχείων, για τον έλεγχο βιολογικών δεξαμενών, και άλλες οικονομικές λύσεις ως προς την σημειακή μέτρηση της στάθμης. Τέλος, ως προς την σημειακή μέτρηση της στάθμης, έχουν αναπτυχθεί και άλλες ειδικότερες μέθοδοι για συγκεκριμένες εφαρμογές. Τέτοιου είδους μέθοδοι υλοποιούν διακόπτες και μεταδότες υπερήχων, ραδιομετρικούς διακόπτες στάθμης, φωτοαισθητήρια στάθμης, διακόπτες πτερωτής, και άλλες διατάξεις ανάλογα την εφαρμογή. 5.9 ΣΥΝΕΧΗΣ ΜΕΤΡΗΣΗ ΣΤΑΘΜΗΣ Αυτός ο τρόπος μέτρησης αφορά την συνεχή μέτρηση της στάθμης υγρών ή στερεών μέσων, καθώς η στάθμη αυξομειώνεται. Απαιτείται αυτός ο τρόπος μέτρησης, όπου οι διάφορες βιομηχανικές ή μη διεργασίες προβλέπουν τον συνεχή έλεγχο της στάθμης, την συλλογή στατιστικών δεδομένων για λόγους βελτίωσης της παραγωγικής διαδικασίας, τον έλεγχο για τυχόν απώλειες προϊόντων,...κ.λ.π. Θα αναφερθούν ακολούθως μερικές από τις πιο βασικές μεθόδους για την συνεχή μέτρηση της στάθμης, που χρησιμοποιούνται σε διάφορες βιομηχανικές εφαρμογές σήμερα ΑΙΣΘΗΤΗΡΑΣ ΥΠΕΡΗΧΩΝ (Ultrasonic Level Probe) Η αρχή λειτουργίας του αισθητήρα υπερήχων είναι η μέτρηση του χρόνου που απαιτείται το κύμα υπερήχων να διανύσει από τον αισθητήρα έως την επιφάνεια του μετρήσιμου υλικού και να επιστρέψει στον αισθητήρα. Ο εν λόγω χρόνος είναι συνάρτηση της απόστασης και ως συνέπεια της στάθμης του υλικού. Το εσωτερικό ηλεκτρονικό κύκλωμα της διάταξης μετατρέπει αυτή την τιμή σε ανάλογο σήμα εξόδου. Κούκης Δημήτριος 115 Έτος 2013

116 Σχήμα 5.1: Σχηματικό διάγραμμα μέτρησης στάθμης με αισθητήρα υπερήχων Η μη επαφή του αισθητήρα με το μετρήσιμο μέσο, η μη εξάρτηση της μέτρησης από την πυκνότητα του υλικού προς μέτρηση, τα μη κινητά μέρη της διάταξης και η στιβαρότητά της αποτελούν μερικά από τα σημαντικά πλεονεκτήματα αυτής της μεθόδου. Λόγω των φυσικών ιδιοτήτων, μειονέκτημα αποτελεί για την μέθοδο το γεγονός ότι, η ταχύτητα του ήχου εξαρτάται από την θερμοκρασία και την πίεση. Επίσης, ο σχηματισμός αερίων επάνω από την επιφάνεια του προς μέτρηση υλικού μπορεί να επηρεάσει την ταχύτητα του ήχου και κατά συνέπεια την ακρίβεια της μέτρησης. Επιπροσθέτως, μειονέκτημα μπορεί να αποτελέσει η ύπαρξη άλλων μηχανικών μερών εντός της δεξαμενής που έχουν την δυναμική να παρεμποδίσουν το σήμα του υπέρηχου. Κούκης Δημήτριος 116 Έτος 2013