Server » Verwarming » Algemene informatiepagina » Meten is weten
Computergestuurde verwarming
Meten is weten
Hoe meten?
Ik lees graag technische fora en ben op de hoogte van veel dingen. Een bezoeker had een vraag over de temperatuurmeting van een industrieel proces. Hij heeft mij een mail gestuurd (via mijn website over hoogovens waar het scheikundig procédé grondig besproken wordt). De gemeten temperatuur van een chemisch proces was niet constant. Het was de uitlaattemperatuur na een behandeling: die mocht niet te hoog zijn (energieverlies) maar ook niet te laag (reaktie niet volledig). Maar ondanks dat de temperatuur wild heen en weer schommelde, bleek de reactie redelijk correct te verlopen. Wat was er eigenlijk mis?

Wat meten?

We gaan eens wisselspanning meten...

Eerst wordt de wisselspanning met een diode gelijkgericht, waardoor men een gepulseerde spanning bekomt (een weekijzermeter kan zowel gelijk- als wisselspanning meten en heeft geen diode nodig).

Een analoge volmeter (weekijzermeter of draaispoelmeter) meet een uitgemiddelde waarde door de mechanische traagheid van de spoel en de wijzer.

Een digitale voltmeter voert een "sample-and-hold" meting uit: de waarde wordt "bevroren" terwijl dat die omgezet wordt naar een numerieke waarde. De digitale meter voert een steekproef uit, wat een eerste bron van fouten is. Men kan heel rare resultaten bekomen als de periodetijd van een meting samenloopt met de periode (frekwentie) van de spanning: de meter zal bijvoorbeeld iedere keer samplen als de spanning laag (of hoog) is. Als beide periodes voldoende verschillend zijn, dan zal de meting uitgevlakt worden, zoals bij een analoge meter. De meter voert bijvoorbeeld 6.9 metingen uit per seconde (dus één meting om de 7.246... periodes, waarbij bijvoorbeeld de laatste 5 metingen gebruikt worden om een gemiddelde te tonen.

Maar een digitale meter meet echter een gemiddelde spanning (rekenkundig steekproefgemiddelde), terwijl de analoge voltmeter een effektieve spanning (kwadratisch populatiegemiddelde) meet... De digitale meter wordt echter geijkt zodat de effektieve spanning getoont wordt, maar deze gelijkheid is enkel waar voor sinusoïdale spanningen.

En nu dat we toch bezig zijn met metingen en gemiddelden... Er bestaan taltijke "gemiddelden" (waarbij men ook nog de keuze heeft een steekproef te nemen of de volledige populatie te meten):

  • Rekenkundig gemiddelde: de gemiddelde voor normale mensen
  • Kwadratisch gemiddelde: wordt vaak in de electriciteit toegepast
  • Meetkundig gemiddelde: bijvoorbeeld om de gemiddelde interesten te berekenen
  • Harmonisch gemiddelde: gebruikt in de verkeerskunde (tijdsinterval tussen twee voertuigen)
  • Getrimd en Winsorgemiddelde: waarbij men de extreme waarden min of meer buiten beschouwing laat
  • Mediaan: heeft een lage efficiëtie maar een onverwachte robuustheid
Van de gebruiker had ik enkel de informatie dat de temperatuur boven een minimumtemperatuur gelegen moest zijn zodat al het vloeistof kon verdampen en meegenomen worden door de luchtstroom, maar dat de temperatuur niet onnodig hoog moest zijn, want dat kostte veel energie.

Als je zo'n probleem krijgt, met zo weinig concrete informatie, dan kan je enkel algemene antwoorden geven. Als men een grondige procedure volgt om het probleem te analyseren vindt men uiteindelijk wel de oorzaak van de fout.

Is de temperatuurschommeling wel degelijk aanwezig?
Ik leg uit: moderne opnemers hebben een ingebouwde omzetter die het analoog signaal converteert in een digitaal signaal dat op afstand bewerkt kan worden. Nu is het zo dat een opnemer een zekere thermische massa heeft. Dit is zeker het geval in de industrie, waar de opnemer beschermd moet worden tegen de bijtende stoffen. De gemeten temperatuur volgt dus langzaam de effektieve temperatuur. De opnemers met ingebouwde processor voeren automatisch een temperatuurscorrectie: als de opnemer een temperatuursverandering waarneemt, dan zal de processor deze verandering versterken, om zo de traagheid van de sensor een beetje te corrigeren.

Maar de temperatuurscorrectie werkt slechts voor een bepaald medium. Lucht heeft een lage thermische massa en zal de sensor traag opwarmen of afkoelen. Water daartegenover heeft een grote thermische massa en kan de sensor snel opwarmen of afkoelen. Als de opnemer verkeerd ingesteld is (bijvoorbeeld medium = lucht) terwijl die vloeistoffen meet, dan zal die te sterk reageren op de temperatuurwisselingen.

Het kan ook zijn dat de sensor defekt is, en regelmatig "ruis" doorstuurt. Dit kan men controleren door de sensor te vervangen of de meting uit te voeren als de installatie stil ligt (opgelet, een sensor kan een slecht contact vertonen en enkel foute metingen doorsturen als er trillingen zijn).

De sensor werd in het labo onderzocht en gaf altijd een correcte meting. De fout is pas recent opgetreden. Ik ga er dus van uit dat de gemeten temperatuurschommeling wel degelijk aanwezig is.

Is de temperatuurschommeling misschien normaal?
Het kan bijvoorbeeld zijn dat twee verschillende produkten gemengd worden, en dat op de plaats van de meting de temperatuur nog niet homogeen is. Een keer meet de sensor de temperatuur van de koude stroom, één keer de temperatuur van de warme stroom. De enige oplossing is een tweede meetbuis plaatsen om vanaf die plaats controle-metingen uit te voeren.

Misschien wordt er juist gemeten op het reaktiefront. De meeste reakties zijn endo- of exoterm, dat wil zeggen dat ze het medium opwarmen of afkoelen. Naargelang de verplaatsing van het reaktiefront meet de sensor de temperatuur aan het begin of aan het einde van de reaktie. Hier ook is de enige oplossing een tweede meetpunt te plaatsen.

We gaan er verder van uit dat het mengsel volkomen homogeen is, en dat de temperatuurschommeling van toepassing is op de aktieve massa in zijn geheel. Vroeger was de meting wel correct!

Probleem met de servo-regeling?
Om de temperatuur binnen de grenzen te houden, moet er een regellus voorzien worden. Er wordt bijvoorbeeld een brander aangezet om de reaktorvat op te warmen als de temperatuur te laag is, er wordt brandstof en zuurstof ingespoten, enz.

Een servo-regeling moet ingesteld worden om snel te reageren op verschillen, maar mag niet pendelen. De servo-regeling vertoont een pendelgedrag (overshoot) als het te sterk reageert op een verandering van de ingangssituatie. Er wordt bijvoorbeeld teveel of te lang brandstof ingespoten, waardoor de temperatuur te hoog wordt. Als de servo-regeling te zwak reageert, dan is de correctie onvoldoende of te traag. De temperatuur in het reactievat wordt teveel beïnvloed door externe factoren zoals de temperatuur van de ingebrachtte stoffen.

Een servo-regeling die zeer scherp ingesteld wordt (op het nippertje van het oscilleren) kan een pendelgedrag veroorzaken als de situatie minimaal verandert: bijvoorbeeld bij een kleine wijziging van de thermische massa (soortelijke warmte) van de produkten.

Een servo-regeling kan ook totaal de mist ingaan als er teveel tijd verloopt tussen een handeling en de meting (dode tijd). De ketel wordt bijvoorbeeld onderaan opgewarmd, terwijl de meting bovenaan gebeurt. Als de warmte de sensor eindelijk bereikt, dan is de onderkant van de ketel al veel te warm en zal de gemeten temperatuur blijven stijgen, zelfs al is de brander uitgeschakeld.

In industrieele processen wordt er vaak een voorwaartse regeling toegepast: men kent de temperatuur, het debiet en de thermische massa van de produkten die in het reactorvat lopen. En men weet ook hoeveel warmte de brander produceert. Aan de hand van deze cijfers zal men de brander aansturen. De eindtemperatuur zal men natuurlijk ook meten, al was het maar uit veiligheidsoverwegingen (pomp vastgelopen, waardoor er geen produkten meer circuleren). Maar vaak zal men ook de eindtemperatuur meten voor Quality Control: men is bijvoorbeeld overgestapt van fabricant en de grondstoffen die men verkregen heeft zijn lichtjes verschillend.

Na lang zoeken werd de fout gevonden (maanden later out-of-the-blue een mailtje ontvangen): toch een defekte sensor. De electrische isolatie was lek, waardoor er een kleine rimpelspanning op de meting gesuperponeerd werd. De installatie van de gebruiker was in feite een illegale whisky-stokerij met metalen buizen en vaten. In het "labo" werd de sensor geïsoleerd opgesteld (in een glazen koffiekan), waardoor de meting wel correct was.

Links to relevant pages - Liens vers d'autres pages au contenu similaire - Links naar gelijkaardige pagina's