Trafny wybór przyrządu pomiarowego

Jak spośród dużej ilości danych techniczno-użytkowych przyrządów wybrać te, które dla określonego procesu technologicznego są naprawdę istotne? Autor artykułu podaje szereg praktycznych wskazówek uzasadniając je szczegółowo. 
Wybieranie przyrządów automatyki dla nowego lub modernizowanego procesu technologicznego może być zniechęcające, szczególnie wtedy gdy ten proces zawiera w sobie nieznane nam obszary. Osoba mająca doświadczenie w pomiarach ciśnienia lub natężenia przepływu może stanąć wobec poważnego wyzwania, jeśli ma dobrać czujniki temperatury. Od czego zatem należy zaczynać postępowanie, gdy staniemy twarzą w twarz z nową sytuacją?
Poprawny wybór przyrządów automatyki wymaga rozpoczęcia postępowania od starannej analizy procesu, jego wymagań oraz celu działań regulacyjnych. Nawet w obszernym schemacie automatyzacji każdy punkt pomiarowy ma swój wyraźny cel. Jeżeli ten cel jest sformułowany w sposób niejasny, łatwo można dokonać błędnego doboru przyrządu. Przy tym należy też pamiętać, że zbyt wyrafinowane urządzenie, a zarazem kosztowne, będzie po prostu powodowało stratę finansową, zaś zbyt uproszczone może dostarczać nieodpowiednich lub nawet fałszywych informacji. Aby uniknąć poważnych dylematów, należy analizować schemat automatyzacji punkt po punkcie, szukając za każdym razem odpowiedzi na poniżej zestawione pytania. 

  • Co jest przedmiotem pomiaru: jaka zmienna, jakim przyrządem ją mierzyć?
  • Jaki jest zakres zmian tej zmiennej w czasie prawidłowego przebiegu procesu? Jeśli jest to nowy proces lub dopiero w fazie projektowania, znalezienie odpowiedzi może być trudniejsze.
  • Jaki obszar wartości mierzonej zmiennej powinien być wizualizowany dla umożliwienia stwierdzenia zbliżającego się stanu awaryjnego w regulowanym procesie? Jak musi być rozszerzony zakres pomiarowy, aby nie doszło do uszkodzenia przyrządu? Istnieje zawsze potrzeba zapewnienia wysokiego poziomu zabezpieczenia przed gwałtownymi skokami mierzonego parametru, które obniżają dokładność pomiaru.
  • Jaką dokładność pomiaru powinien mieć przyrząd? To należy szczególnie rozpatrzyć, bowiem dokładność przyrządu jest silnie związana z jego ceną.
  • Jakie dodatkowe funkcje powinien spełniać przyrząd pomiarowy poza samym mierzeniem i umożliwieniem odczytywania wyniku pomiaru?

– Procesy przebiegające w ekstremalnych warunkach zdarzają się rzadziej – taką opinię wygłasza specjalista ds. integracji systemów w firmie AmeriChem Systems, Greg Ferro. – W prawidłowym przebiegu procesu wartości zmiennej procesowej zazwyczaj utrzymują się w wąskim paśmie i do tego pasma dobieramy przyrząd pomiarowy. Oczywiste jest przy tym, że czasami dla projektowanego procesu inżynierowie nie będą mogli przewidzieć rzeczywistegoprzebiegu procesu. Zdarza się to częściej, niż myślimy. Jeśli jednak klient mówi, że jego system pracuje przy natężeniu przepływu 100 l/min, a w rzeczywistości okazuje się, że proces przebiega przy 10 l/min, z dobraniem przyrządu będzie problem.
Wybierając zakres pomiarowy przyrządu musimy brać pod uwagę dokładność pomiaru, ponieważ te dwie wielkości są ściśle związane z sobą. Dokładność jest często wyrażana w procentach od pełnego zakresu pomiarowego. Dokonywanie pomiaru w pobliżu którejkolwiek granicy zakresu pomiarowego może powodować obniżenie dokładności, zatem ważne jest rozumienie sposobu określania dokładności.
Do tego pomocny może być przykład podany na marginesie. Przedstawia on prosty układ automatyzacji z zastosowanymi w nim przyrządami. Opisy na schemacie dotyczą ważniejszych elementów wyposażenia. Każdemu przyrządowi przypisany jest jego cel oraz parametry działania. Następnym krokiem po opracowaniu takiego schematu będzie teraz dobranie konkretnego producenta i typu przyrządu dla każdego ujętego w opisie przypadku.
Sposób prezentowania dokładności przyrządu
Przy każdym pomiarze wykonanym określonym przyrządem pomiarowym mamy do czynienia z pewnym przybliżeniem uzyskanego wyniku pomiaru do rzeczywistej wartości mierzonego parametru. Nie istnieje bowiem przyrząd, który mierzy bez błędu. Występuje zawsze pewna różnica między wartością podaną jako wynik pomiaru, a wartością faktycznie istniejącą w procesie przemysłowym.
Istotą działań inżynierów jest sprowadzenie tej różnicy do wielkości pomijalnej w odniesieniu do jakości produktu, będącego rezultatem regulowanego procesu. Oceną dokładności przyrządu pomiarowego jest odchylenie wskazania przyrządu od jego teoretycznej charakterystyki. Strefą błędu jest obszar zawarty między maksymalną a minimalną graniczną wartością błędu pomiaru. Nazywamy to tolerancją.
Według Stowarzyszenia ISA (Instrumentation, Systems, and Automation Society) istnieje pięć sposobów na wyrażanie dokładności (ściśle biorąc podajemy zawsze liczby określające niedokładność, czyli błąd pomiaru).
1. W odniesieniu do pojedynczej wartości zmiennej, na przykład pomiaru ciśnienia 100 kPa, ±2 kPa.
2. W odniesieniu do zakresu pomiarowego lub wielkości podzielni, na przykład manometru o zakresie 0-500 kPa jako ±1% szerokości tego zakresu, co oznacza, że maksymalny błąd pomiaru utrzymuje się w granicach ±5 kPa w każdym punkcie zakresu pomiarowego.
3. Jako procent od wartości górnej granicy zakresu pomiarowego – jest to podobne do opisanego w p. 2., a nawet identyczne w przypadku, gdy dolną granicą zakresu jest wartość zerowa (nie zawsze tak musi być).
4. Jako procent od szerokości zakresu pomiarowego – stosowany w przypadkach, gdy podziałka nie zaczyna się od wartości „0”, przykładowo przy pomiarze temperatury 100-200°C.
5. Jako procent od aktualnie zmierzonej wartości – oznacza to, że przy zakresie 0-100 jednostek i dokładności określonej jako 1% będziemy mieli dla wyniku pomiaru wynoszącego 20 jednostek błąd o wartości ±0,2 jednostki, a dla wyniku pomiaru równym 90 jednostek – błąd nie większy niż ±0,9 jednostki. Ten sposób podawania dokładności pomiaru zawiera sugestię, jakoby mniejsze wartości pomiaru były dokładniejsze niż większe, co zdarza się rzadko.
Dla większości przyrządów pomiarowych stosowane są sposoby wyrażania dokładności opisane w powyższych punktach 2., 3. i 4., zatem w relacji do szerokości zakresu pomiarowego lub do jego górnej wartości. Oznacza to zawsze związek dokładności z zakresem.
Jedna wielkość nie informuje o wszystkim
W związku z tym, że zakres pomiarowy i dokładność pomiaru są z sobą silnie związane, dobranie zakresu działania przyrządu pomiarowego jak i jego dokładności jest równie ważne. Inżynierowie ruchu stosują – oparte na doświadczeniu – ustalone reguły, podpowiadające im poprawne określenie zakresu pomiarowego przyrządów lub wskaźników.
Wynika z niego, że normalne funkcjonowanie powinno być usytuowane na około 2/3 podzielni wskaźnika. Jest to dobre kryterium także przy obecnie stosowanych mechanicznych, analogowych przyrządach pomiarowych.
Rzadko kiedy przyrządy pomiarowe mają czysto liniową charakterystykę pomiarową. Liniowością określamy stopień zbliżenia się rzeczywistej charakterystyki mierniczej przyrządu do linii prostej. W całej szerokości zakresu pomiarowego wielu czujników i innych przyrządów pomiarowych bardzo często istnieje obszar „korzystniejszy” od pozostałych. Na ogół w obszarze bliskim dolnej granicy szerokości zakresu pomiarowego mamy do czynienia z dokładnością zmniejszającą się wraz z przybliżaniem się do tej granicy. Konsekwencją tego jest fakt, że niektórzy producenci określają dokładność w odniesieniu do maksymalnej wartości zakresu pomiarowego z zastrzeżeniem, że dotyczy obszaru o określonym stosunku wartości maksymalnej do minimalnej, na przykład 4:1. Oznacza to, że dla miernika (wskaźnika), który ma zakres 50-150, podana przez producenta dokładność dotyczy tylko obszaru w zakresie 75-150, a to oznacza mniejszą dokładność w obszarze 50-75, czyli na 1/2 zakresu pomiarowego.
Istnieją także typy przyrządów, mające swoiste charakterystyki nienależące do tutaj opisanych, lecz obliczających wskazanie, które opiera się na szeregach zmiennych, powiązanych specjalną kombinacją sygnałów z czujników lub przetworników pomiarowych.
W tych przyrządach są uwzględnione zarówno wpływy czynników procesu, jak też i środowiska. Są one precyzyjne i przeznaczone do specjalnych zastosowań, zaś przy ich dobieraniu należy posłużyć się starannymi analizami i skonsultować się.
W związku z tym, że dostawcy przyrządów usiłują z reguły przedstawić swoje wyroby w jak najlepszym świetle, wykazują oni skłonność do przedstawiania charakterystyki techniczno-użytkowej w sposób wyróżniający określony model lub rodzinę przyrządów. Może to być przyczyną zakłopotania w sytuacji, gdy każdy z dostawców będzie stosował inną terminologię, nadając inne znaczenie tym samym określeniom lub podając oddzielnie czynniki mocno ze sobą powiązane.
Większość takich niekonsekwencji można zaobserwować przy przedstawianiu danych techniczno-użytkowych. Mówi o tym David W. Spitzer, autor podręcznika „Pomiary natężenia przepływu w przemyśle” (ISA, wydanie 3.). Oto jego spostrzeżenia:
„Przeglądając specyfikację danych dla około 60 dostawców sprzętu pomiarowego przeznaczonego do bezkontaktowych pomiarów poziomu, doliczyłem się 30 sposobów opisu dokładności działania przyrządów pomiarowych. Często mamy do czynienia z błędami zaniedbania lub zaniechania, ponieważ dostawca albo nie chce powiedzieć nam wszystkiego, albo też nie chce nam od razu powiedzieć całej prawdy. Weźmy następujący przykład: Przepływomierz ma błąd pomiaru na poziomie 0,5%, przy tym błąd ten może być dodatni lub ujemny. Przyrząd może mieć określoną dokładność przy rozpiętości zakresu o stosunku 100:1. Dostawca może nie chcieć nam powiedzieć, że obie podane wcześniej liczby nie występują jednocześnie. Z przeprowadzonych badań wynika bowiem, że taka dokładność (0,5%) ma miejsce tylko przy szerokości zakresu na przykład 25:1, zaś na pozostałej części całego zakresu pomiarowego występuje błąd na poziomie nawet do 4%”.
Znaczenie innych czynników
Na dokładność przyrządu pomiarowego mogą mieć wpływ warunki otoczenia. Takim typowym przykładem jest to, że przepływomierz jest najbardziej dokładny przy określonej temperaturze. Zmiana temperatury medium lub otoczenia powoduje odchylenie wartości sygnału wyjściowego, nawet przy niezmieniającym się natężeniu przepływu mierzonego medium. W najgorszym przypadku ten błąd od zmiany temperatury może być nawet większy niż błąd podstawowy pomiaru, wtedy dokładność pomiaru wykracza poza granice określone wielkością błędu dla tego przepływomierza. Wyrafinowane przyrządy są często budowane w taki sposób, aby ten wpływ warunków zewnętrznych był obserwowany i uwzględniony przy automatycznej korekcie wyniku pomiaru.
Staranne prześledzenie specyfikacji technicznych podawanych przez dostawców sprzętu pomiarowego może umożliwić utworzenie współczynnika korygującego tego rodzaju wpływy zewnętrzne, albo przynajmniej dostarczyć wiedzy o tym, że podawana przez nich dokładność ma miejsce przy idealnym zestawie pewnych warunków, zaś jeśli to zagadnienie nie jest jasne, najlepiej zapytać dostawcę.
Dobór aparatury
Gdy wymagania procesu technologicznego dotyczące działania, dokładności i zakresów są wyraźnie zdefiniowane, to można przystąpić do sporządzenia specyfikacji aparatury i wyboru dostawców. Jeżeli nie ma zalecenia, aby wybrać określonego dostawcę, to przeważnie na początku wszyscy potencjalni dostawcy traktowani są jednakowo.
Robert Mapleston, szef działu marketingu ABB Instrumentation często obserwuje takie sytuacje. – Pracownicy działu sprzedaży są wciąż bardzo ważni – zauważa on. – Klienci lubią zwykle prowadzić wstępną fazę badania rynku i musimy udzielić im natychmiast wyczerpujących informacji z uwzględnieniem przewidywanych ewentualnych ich dalszych, dodatkowych pytań. Umożliwia to klientom dalszą pracę przy doborze aparatury bez ponownych telefonów i pytań. Potem będą mogli mówić: „Właśnie myślę o użyciu tego manometru w moim układzie”.
W ostatnim czasie jakość aparatury kontrolno-pomiarowej uległa poprawie pod każdym względem. Spowodowało to rozszerzenie procesu doboru aparatury od drobiazgowego rozpatrywania dokładności przyrządu o zagadnienia funkcjonalności i niezawodności. R. Mapleson z ABB zauważa: – Rynek zmienił się wyraźnie w porównaniu do tego sprzed 15 lat. Przedtem ważne były właściwości techniczne i osiągi. Obecnie pod tym względem poziom aparatury dostępnej na rynku jest bardziej wyrównany i ludzie szukają przyrządów odznaczających się innymi zaletami. Większość firm zatrudnia niewielu pracowników w służbie utrzymania ruchu i to ma znaczący wpływ na sposób myślenia przy doborze aparatury. W jaki sposób pracownicy będą mogli wykonać stojące przed nimi zadania? Inżynierowie szukają wyrobów, które są solidne i trwałe w działaniu, łatwe w utrzymaniu, proste w obsłudze i co oczywiste – niedrogie.
Scott Saunders, wiceprezes do spraw sprzedaży i marketingu w firmie Moore Industries ostrzega: – To prawda, że teraz dostępne są bardziej podobne do siebie przyrządy i podobne są metody ich wytwarzania. Ale wybierając, musicie patrzeć na nie z myślą o tym, jakie one będą po pewnym czasie użytkowania. Niektóre niedrogie czujniki i przetworniki zaczynają pełzać i tracą powtarzalność. Takie przyrządy po prostu nie wytrzymują próby czasu.
Oprócz długotrwałego utrzymania właściwości technicznych przyrządów w czasie pracy S. Saunders zauważa efekty zmniejszonego zabezpieczenia tych przyrządów przed zakłóceniami: – Pracownik, który używa telefonu komórkowego w pobliżu przetwornika temperatury z termoparą z kiepskim filtrem może spowodować takie zakłócenia sygnału, które system regulacji może odczytać jako nagły skok temperatury. To z kolei może wyzwolić alarm i zatrzymać proces produkcyjny.
W nadzorowaniu całego procesu produkcyjnego określony stopień wzajemnej zależności i możliwości współdziałania aparatury w sieci jest ważny. – Trzeba koniecznie zrozumieć istotne problemy określonego zastosowania: co staramy się zmierzyć? – pyta Natalie Strehlke z firmy Rosemount Division of Emerson Process Management.
– Obecnie w centrum uwagi naszej firmy znajduje się sprawa określonego zastosowania, a nie sama aparatura. Klient nie chce tylko wiedzieć, jak zachowuje się wielkość regulowana, ale jak regulować cały proces technologiczny. Klienci pytają nas „co ten przyrząd może jeszcze robić?” Oczywiście klienci chcą aparatury o dobrych właściwościach technicznych, ale również odznaczających się niezawodnością i stabilnością. To niezawodność decyduje o tym, jak dużo czasu zajmą prace związane z obsługą przyrządu podczas eksploatacji. Stabilność przyrządu oznacza, że nie będzie potrzebne częste jego ponowne kalibrowanie (np. ustawianie początku i końca zakresu, szerokości zakresu).
Jakie właściwości są brane pod uwagę?
Gdy dokładność aparatury kontrolno-pomiarowej dostępnej na rynku jest większa, niż jest potrzebna w prowadzeniu większości procesów technologicznych, to co może ją szczególnie wyróżniać pośród aparatury konkurencyjnych producentów?
Funkcjonalność:
Co przyrząd może wykonać oprócz „obsługi” wartości regulowanej?
Łatwość programowania:
Czy zatrudnieni obecnie operatorzy potrafią obsługiwać dany sprzęt, czy też będą potrzebowali dodatkowego szkolenia?
Zdolność dołączania do różnych układów sieciowych:
Obecnie dane urządzenie może być odpowiednie do zastosowania, ale czy w przypadku modernizacji magistrali możliwe będzie łatwe jego dopasowanie do nowej sieci?
Programy autodiagnozowania:
Jakie parametry oprócz danej wartości regulowanej może ten przyrząd mierzyć?, jakie komunikaty o wystąpieniu błędu chcemy otrzymywać?
Stabilność:
Jak często urządzenie wymaga ponownej kalibracji? Czy posiadane obecnie wyposażenie bazuje na mechanicznych i analogowych przyrządach? Jeśli tak, to prawdopodobnie musi być kalibrowane zbyt często. Fabrycznie kalibrowane przyrządy (zgodnie z zamówieniem) mogą być natychmiast zamontowane na obiekcie i włączone do pracy. Mogą pracować latami do czasu, kiedy potrzebna będzie ponowna kalibracja. W rezultacie obniża to koszty ich eksploatacji.
Niezawodność:
Jak dużo pracy służby utrzymania ruchu wymaga dane urządzenie według dokumentacji producenta? Czy przyrząd ma łatwy dostęp do punktów kalibracji i możliwe będzie wykonanie prac serwisowych, nawet gdy będzie on zamontowany w miejscu trudno dostępnym i niebezpiecznym? Czy poniesienie niskich kosztów na początku jest warte czasu na naprawy i obsługę przyrządu o niskim wskaźniku niezawodności? Uzyskanie obiektywnych informacji z własnej praktyki będzie trudne do uzyskania.
Skalowalność:
Czy przy modernizacji magistrali lub systemu sieci konieczna będzie wymiana aparatury? Wielu producentów oferuje przyrządy o budowie modułowej, która umożliwia ich przebudowę i dostosowanie do nowych potrzeb.
Własne doświadczenia praktyczne:
Jakie przyrządy aktualnie używane są w naszym zakładzie? Czy jesteśmy z nich zadowoleni? Jeżeli znany jest nam dobrze określony producent, to znamy już jego charakterystyczne cechy, znamy pracowników działu sprzedaży i wiemy, jakie elementy i przyrządy są u niego dostępne wprost „z półki”. Ponadto dalsze ewentualne zakupy u tego producenta będą w pewnym sensie kontynuacją dotychczasowych inwestycji.
Scott Saunders mówi: – Najlepszym komplementem, jakim możemy obdarzyć dostawcę aparatury, jest nasze stwierdzenie jako użytkownika: „Zamontowaliśmy wasze czujniki pomiarowe i nie musimy się o nie troszczyć”.
ce
Artykuł pod redakcją
Józefa Czarnula
i Janusza Pieńkowskiego


Przykład zastosowania aparatury kontrolno-pomiarowej

Na tym prostym procesie mieszania cieczy pokazane są podstawowe zasady doboru aparatury kontrolno-pomiarowej. W celu wyprodukowania roztworu chemicznego o niskim stężeniu w procesie produkcyjnym do danego odczynnika chemicznego dodawana jest woda. Przy zmiennych warunkach procesu wymagane jest utrzymanie stosunku mieszanych składników w bardzo wąskim zakresie. Wszystkie zastosowane przetworniki przepływu i ciśnienia przesyłają sygnały wyjściowe zmierzonych parametrów do sterownika PLC, a ponadto większość z nich ma lokalne wskaźniki, umożliwiające bezpośredni odczyt wartości mierzonej.

Odczynnik chemiczny przepływa przez jedną z pomp oraz zawór zwrotny do elektro-pneumatycznego zaworu regulacyjnego. Ta ciecz przepływa przez przepływomierz indukcyjny o wysokiej dokładności, niepowodujący strat ciśnienia, do miejsca, w którym następuje mieszanie z wodą i gdzie umieszczony jest przetwornik ciśnienia.

Z kolei woda najpierw przepływa przez wkład filtrujący. Przetwornik różnicy ciśnień poprzez pomiar spadku ciśnienia na tym elemencie filtrującym śledzi stopień jego zanieczyszczenia. Jeżeli zmierzona różnica ciśnień przekroczy określoną wartość dopuszczalną, uruchamiany jest alarm informujący służbę utrzymania ruchu o zbyt dużym zanieczyszczeniu filtra (wkład filtrujący należy wymienić lub oczyścić). Następnie po przejściu przez zawory zwrotne i pompę natężenie przepływu strumienia wody jest regulowane przez zawór regulacyjny tak, aby utrzymać wymagany stosunek ilościowy woda / odczynnik. Dalej za zaworem regulacyjnym przetwornik ciśnienia i przepływomierz typu Vortex (wirowy) mierzą parametry produktu końcowego. Przepływomierz Vortex jest stosunkowo prosty i niedrogi, a całkowicie wystarcza do pomiaru w tym mniej istotnym miejscu.

Po połączeniu tych dwóch czynników przetwornik ciśnienia śledzi ten strumień tuż przed mieszalnikiem statycznym. Przed wpuszczeniem rozcieńczonego roztworu do zbiornika magazynowego końcowa jego objętość jest mierzona poprzez pomiar spadku ciśnienia na kryzie przetwornikiem różnicy ciśnień. Pomiar ten jest sprawdzany przez porównanie z sumą przepływów czynników wejściowych – odczynnika chemicznego i wody, w celu zweryfikowania końcowej wartości objętości. Wszystkie te parametry są zbierane i obrabiane przez sterownik PLC – w celu odpowiedniego nastawiania zaworów regulujących przepływy dla uzyskania żądanej objętości produktu na wyjściu i o wymaganym stężeniu. 


Zakres pomiarowy a dokładność – z czym bardziej się liczyć?

Naszym zadaniem jest pomiar ciśnienia cieczy w rurociągu, którego wartość nominalna wynosi 40 barów. Mamy do wyboru dwa manometry o następujących parametrach technicznych:

– manometr 1.: 0-300 barów; klasa dokładności 0,25 (±0,25% zakresu pomiarowego),

– manometr 2.: 0-100 barów; klasa dokładności 0,5 (±0,5% zakresu pomiarowego).

Ten pierwszy manometr jest lepszy, ponieważ jego dokładność jest dwukrotnie wyższa, nieprawdaż? Tak, to prawda, ale jest on niewłaściwy do rozpatrywanego zastosowania. Manometr 1. będzie mógł wskazywać mierzoną wartość ciśnienia z błędem ±0,75 bara w każdym punkcie zakresu pomiarowego (0,25% wartości 300), podczas gdy manometr 2. może wskazywać mierzoną wartość z błędem ±0,5 bara w każdym punkcie swego zakresu pomiarowego (0,5% wartości 100). Na tym przykładzie widać, że ze względu na szerokość zakresu pomiarowego manometr o niższej klasie dokładności staje się bardziej precyzyjny i jego zastosowanie w rozpatrywanym przez nas przykładzie jest korzystniejsze.

Przy doborze takich przyrządów należy zwrócić szczególną uwagę na to, aby zakres pomiarowy przyrządu był jak najbardziej zbliżony do ciśnienia nominalnego z pewnym zapasem bezpieczeństwa na możliwe chwilowe skoki ciśnienia. Manometr o zakresie pomiarowym 0-50 barów z klasą dokładności 0,5 umożliwiłby odczyt wartości zmierzonej z jeszcze większą precyzją, ale aby zastosować ten manometr w naszym przykładzie musielibyśmy mieć pewność, że chwilowe skoki ciśnienia nie przekroczą górnej wartości jego zakresu pomiarowego, tj. 50 barów. Sama dokładność pomiaru jest tylko jedną z rozważanych cech w procesie doboru przyrządu. W opisanym przykładzie równie ważny jest zakres pomiarowy.