Kalibrering av nivåtransmitter

Måling av væskenivået i tanken kan gjøres på mange ulike måter. Her skal vi bruke en metode der vi måler trykket ved bunnen av tanken. Jo høyere nivået i tanken er, desto større er trykket ved bunnen. Det er akkurat det samme som skjer når en svømmer dykker. Jo dypere svømmeren kommer, desto større blir trykket. Dette vanntrykket kalles hydrostatisk trykk.

Størrelsen på trykket bestemmes av massetettheten (egenvekten) til væsken (Ρ – rho), høyden på væskenivået (h) og tyngdens akselerasjon (gravitasjonskraften, g).

Vi får da denne formelen: $\mathrm{p}=\mathrm{{\rm P}}·\mathrm{h}·g$

Tyngdens akselerasjon

Tyngdens akselerasjon varierer litt avhengig av hvor på jordkloden vi befinner oss, men vi kan avrunde den til 9,81 ${\mathrm{m/s}}^2$.
Massetettheten for vann er 1000 kg/m3. Så lenge vi ikke endrer væsketype i tanken, vil trykket kun endre seg med væskehøyden.

Atmosfæretrykk

Imidlertid vil også lufttrykket (atmosfæretrykket) påvirke trykket. Dette varierer en del alt etter været – det veksler mellom høytrykk og lavtrykk. Atmosfæretrykket kommer i tillegg «oppå» trykket av væsken. For å få en måling som kun gjelder væsken, må vi «trekke fra» lufttrykket. Det kan vi gjøre med en differensial-trykkmåler. Denne trykkmåleren har to tilkoblinger for trykk. Den ene tilkoblingen, som er merket H (høytrykksside), kobles til væsketrykket ved bunnen av tanken, og den andre, som er merket L (lavtrykksside), kobles til atmosfæretrykket på utsiden av tanken. Resultatet blir da at vi bare måler det trykket som væskehøyden i tanken avgjør.

Differensialtrykkmåler

For å måle væskehøyden i tanken trenger vi altså en differensial-trykkmåler (en dp-celle) som kan måle det trykket som vil oppstå her. En måler som avgir et elektrisk signal, kalles som oftest en transmitter, eller også måleomformer på norsk. Her har vi altså en dp-trykktransmitter.

Denne transmitteren avgir et standard elektrisk utsignal som kan variere fra 4 til 20 mA. 4 mA tilsvarer laveste måleverdi (tom tank). Denne verdien kalles for Lower Range Value (LRV). 20 mA tilsvarer høyeste måleverdi (full tank), og den kalles Upper Range Value (URV). Transmitteren må derfor justeres slik at den måler det aktuelle trykkområdet – det vil si kalibreres.

Kalibreringen gjøres ved at vi tilfører et trykk tilsvarende det som vil være i tanken, og så justerer vi strømsignalet til riktig verdi for dette trykket. Kalibreringen skjer for tom tank og for full tank (topunktskalibrering). Dp-cellens H-inngang kobles til en pumpe og en nøyaktig trykkmåler (manometer). På transmitterens utgang må det være en strømmåler og en strømforsyning, eventuelt en «loop-calibrator».

For tom tank er trykket 0 mbar.
Siden tanken er 2 meter høy, blir trykket for full tank slik:

$\mathrm{p}=\mathrm{P}·\mathrm{h}·\mathrm{g}=1000\mathrm{kg}/{\mathrm{m}}^3·2\mathrm{m}·9,81\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2=19600 \mathrm{pascal}=196 \mathrm{mbar}$

Framgangsmåte for kalibrering:

1. Start med 0 mbar på pumpen (LRV). Juster på skruen merket Z (zero) til strømmen blir 4 mA.
2. Pump opp trykket for full tank (URV), 196 mbar. Juster så skruen R (range) til strømmen blir 20 mA.
3. Justeringene av Z og R påvirker hverandre, så vi må gjøre disse justeringene (1 og 2) flere ganger, helt til begge stemmer.

For å kontrollere om målingene er rette mellom yttergrensene LRV og URV undersøker vi også 25 %, 50 % og 75 %. Dermed må trykket regnes ut også for de verdiene. For full tank ble trykket regnet ut til å bli 196 mbar. Siden vi starter med 0 mbar, blir utregningen enkel prosentregning:

For 25 %: 25 % av 196 mbar = 49 mbar
For 50 %: 50 % av 196 mBar = 98 mbar
For 75 %: 75 % av 196 mbar = 147 mbar

Utfylling av kalibreringskort

Vi fyller ut et kalibreringskort for å dokumentere kalibreringen. Her fører vi inn dataene, de utregnede verdiene og målingene for transmitteren. Kortet skal også inneholde en tegning av koblingen og opplysninger om hvilke instrumenter som er brukt, slik at kalibreringen kan spores tilbake.

Kortet har et standardinnhold. I denne oppgaven utfører vi ingen kontroll før kalibreringen, så resultatet føres under «Kalibrert».

Oppe til høyre er det et felt for korreksjons-/kalibreringskurve. Her settes inngangssignalet horisontalt (0–196 mbar) og strømmen vertikalt (4–20 mA). De avleste målingene merkes av i diagrammet, og kurven trekkes mellom punktene.
Imidlertid skal det relativt store unøyaktigheter til før feilen blir synlig i dette diagrammet. Et alternativ er å regne ut prosentvis feil og tegne feilen inn i stedet for strømmen, f.eks. ±1 % (0 % feil midt på den vertikale aksen).

Artikler på TU.no om trykkmålinger

Transmittere for nivåmåling fra endress.com

Alternativ kalibreringsmåte

Dersom vi kan fylle tanken til eksakte verdier (0, 25, 50, 75 og 100 %), kan vi bruke fyllingsgraden i stedet for å skape et måltrykk ved hjelp av en pumpe under kalibreringen.

Lukket tank

Det er ofte bruk for å måle væskenivået i tanker som står under trykk. Også til dette kan vi bruke dp-celler. Da kobler vi lavtrykkssiden av dp-cellen til toppen av tanken, slik at luft- eller gasstrykket måles der. Forskjellen i trykket mellom bunn og topp måles av dp-cellen, og dermed får vi et signal som varierer avhengig av nivået.

Konvensjonelle eller smarte transmittere

Nivåmåleren som er beskrevet her, er av den konvensjonelle typen. Den må innstilles/kalibreres mot kjente størrelser. Moderne målere er gjerne «smarte». De konfigureres (stilles inn) via menyer enten ved hjelp av et display, en PC eller spesielle kommunikatorer. For å kontrollere om målingene er rette, må vi imidlertid også kontrollere og eventuelt kalibrere disse målerne.

Andre nivåmålere

Her har vi brukt en dp-celle til å måle nivået i tanken. Bruk av boblerør er en annen nivåmålemetode, der vi også måler det hydrostatiske trykket. Andre typer nivåmålere er basert på ultralyd, radar, kapasitans, laserstråler og radioaktivtet. I tillegg kan tankens vekt brukes som grunnlag for nivåmåling.