Max Planck:“In
physics, only that what can be measured exists”
Max
Planck
A2199:
Moderne Sensorer i Systemer
Introduksjon
Prosessmåling er viktig for optimal regulering og overordnet styring
av prosesser som vi finner i industrier knyttet til olje og gass, petrokjemikalier,
treforedling, pulverteknologi, agrokjemikalier, farmasøytiske produkter,
fargestoffer, biokjemikalier, næringsmiddel og drikkevarer, papir,
nukleære materialer, stål, mineraler, kraftforsyning.
Tradisjonelle eksempler er måling og visning av temperatur, trykk,
pH, ledningsevne, strømningsrate og mengde etc. i industriell sammenheng
og blodtrykk og blodstrømning i pasientovervåkning. Moderne
sensorer er utviklet for integrering av luktesanssensorer i prosessteknisk
sammenheng.
Uansett type av prosesser er valg av sensorer og tilpasset elektronikk
(sensorikk) er viktige deler av prosessmåling. Faget integrerer kunnskaper
rundt sensor, modell, signal, system og presentasjon (som vi kaller SMSSP
vinkling i prosessmåling og sensorikk) av måledata hvor fokus
blir på dagens kunnskapsnivå. Innenfor fagområdet skal
også mikrosensorik få sin plass på grunn av fremragende
utvikling i de siste årene, noe som også har ført til
industrielle anvendelser.
Automatisering, integrering, forstyrrelser, feil- deteksjon og -registrering
samt fjernmålesystemer og datainnhenting er en del av stikkordene tilknyttet
prosessmåling. Den kraftkrevende prosessindustrien har
alltid behov for å optimalisere prosessen med hensyn til energiforbruket.
Til dette er det behov for dedikerte målinger som kan forbedre prosesstyringen.
For å ha den nødvendige bredde, betrakter vi medisinske
målinger som en del av overvåkning av fysiologiske prosesser
og er åpne for bidrag av kunnskap fra denne teknologi innenfor fagets
omfang.
Total sett bør en ikke glemme helse, miljø og sikkerhet
(HMS). Her sikter vi på å identifisere relevante målevariable,
og måle og analysere disse for å få best mulig HMS. Alle
disse momenter krever valg eller utviking av tilpassede sensorer med nødvendige
signalprosesseringsalgoritmer, bruk av dagens dataverktøy og elektromagnetisk
kompabilitet.
Følgende er bare et utdrag fra litteratur som brukes i forelesningene,
men kan utvides med aktuelle tidsskriftsartikler.
Omfang:
2. Vekttall, 1. semester.
Forkunnskaper
Instrumenteringsteknikk fra ingeniørhøgskolen. Elektronikk.
Undervisning Forelesninger, regneøvinger og laboratorieøvinger.
Gjesteforelesninger og bedriftsbesøk. Prosjektbasert undervisning
i form av semesteroppgaver.
Målsetting
Faget skal gi studentene grunnlag for å kunne vurdere ulike måle-
og instrumenteringstekniske løsninger anvendt innen prosess- og
miljørelaterte problemstillinger. Se Figur
1.
Innhold
Systematisk gjennomgang av metoder for valg av måleprinsipper. Utarbeiding
av kravspesifikasjon, vurdering av driftsbetingelser, gjennomgang av måletekniske
begreper, tekniske spesifikasjoner og installasjonskrav. Kalibrering av
målere. Støy og støykilder. Koblingsveier for støy.
Skjerming og jording. Sampling og filtrering av målesignaler. Datalogging.
Instrumentering av prosesser. Instrumenteringssystemer. Dokumentasjon.
Kontrollrom. Signalbehandling, datalogging, Electromagnetic Compatibility
(EMC), nøyaktighetsvurdering og kontrollrom.
Laboratorieoppgaver: Nivåmåling, Strømningsmåling
, ventiler, feilforplantning. Ekskursjoner.
Semesteroppgave som veies 30%.
Fagets innhold deles opp i følgende blokker:
Sensor, Signal, Modell, System, Datalogging, Programmering og
Presentasjon (S2MSDP2):
Se - Sensor, Si - Signal, M - Modell, , Sy - System, D: Datalogging,
Pr: Programmering, P - Presentation.
Presentasjon (P) inneholder også interfacing mot Pcer og
brukerspesifikk presentasjon av måledata.
Evaluering
Semesteroppgaver må leveres inn for vurdering og presenteres av gruppene.
Muntlig eksamen basert på oppgaver som deles ut to dager før
eksamensdag.
For å få adgang til eksamen må laboratoriearbeid og
regneøvelser samt semesteroppgaver være godkjent.
Figure
1 Various Aspects of Instrumentation and Measurements
(based on a discussion with Professor Bentley)
Fagbøker:
(0) Anthony J. Wheeler and Ahmad R. Ganji: " Introduction to Engineering
Experimentation", 2nd Edition, Prentice Hall, 2003.
(1) John P Bentley, “Principles of Measuremet Systems”, 3rd Edition
(2) Klaas B. Klaassen: "Electronic Measurement and Instrumentation",
Cambridge University Press, ISBN 0 - 521 - 47729 -8, 1996.
(3) Kim R. Fowler: "Electronic Instrument Design - Architecting for
the Life Cycle", Oxford University Press, ISBN 0 - 19 - 508371 - 7, 1996
1.
(4) Curtis D. Johnson: "Process Control Instrumentation Technology",
6th Edition, Prentice Hall, 1999.
(5) Devdas Shetty and Richard A. Kolk: "Mechatronics System Design",
PWS Publishing Company - An International Thomson Publishing Company, 1997,
ISBN 0 -534-95285-2.
Tilleggslitteratur:
1. Ashok Ambardar:Analog and digital signal Processing, PWS publishing
2. E. R. Davies, Electronics, noise and signal recovery, Academic Press,
1993
3. R. Pallas - Areny, and J G Webster , Sensors and Signal Conditioning,
John Wiley Publications, 1991.
4. W J Tompkins and J G Webster, Interfacing Sensors to the IBM PC,
Prentice Hall 1988
5. R Luxton and P. Pope, Instrumentation - A Reader, Open University
press, 1987.
6. H. Rosemary Taylor, Data Acquisition for Sensor Systems, Chapman
and Hall, 1997.
Chapter 2 i Bentley:
Static Characteristics of Measurement Systems
Formål:
Beherske de statiske og dynamiske egenskapene til sensorer og systemer
Utbytte:
Ferdighet til å håndtere praktiske målesituasjoner
2.1 Systematic Characteristics
2.2 Generalised model of System Element
2.3 Statistical Characteristics 2.4 Identification of statistical Characteristics
- Calibration
Chapter 2 i Klaassen: Measurement of Physical Quantities
Formål:
Overordnet forståelse av måling og feilforplantning
Utbytte:
Oppnå ferdighet i håndtering av feilberegning og tolking av
datablader fra produsenter og leverandører.
2.1 Units, Systems of Units, Standards
2.2 Measurement Methods
2.3 Error Theory
2.4 Structure of Measurement Systems
Chapter 3 i Klaassen: Measurement Devices in Electrical Engineering
Formål:
Sensor, Signal, Model, System, Datalogging, Programmering og Presentasjon
(S2MSDP2) tenkning (se fagets innhold)
Utbytte:
Å ha innsikt over forskjellige måter å håndtere
SMSSP og kunne anvende disse teknikkene i nye måle situasjner.
3.1 Introduction
3.2 Input transducers
3.3 Signal Conditioning
3.4 Measurement Displays
3.5 Recording
Chapter 12 i Bentley: Flow Measurement
Formål:
Strømningsmåling er en de mest brukte målingene innenfor
prosessindustri og derfor er det viktig å beherske tradisjonelle
og nye teknikker innefor dette området. Innspil fra industri og myndigheter
er også planlagt.
Utbytte:
Valg og anvendelse av strømningsmålere
12.1 Essential Principles of Fluid Mechanics
12.2 Measurement of Velocity at a Point in a fluid : Pitot Static Tube
12.3 Measurement of Volume Flow Rate - Differential Pressure, mechanical,
and Vortex flowmeters
12.4 Measurement of mass flow rate: inferential and direct methods
12.5 Measurement of flow rate in difficult situations : electromagnetic
and cross-correlation flowmeters
Chapter 13 i Bentley: Intrinsically Safe Systems
Formål:
Under HMS paradigmet, er sikkerhet antakelig det viktigste. Innenfor prosessindustrien
er eksplosjoner har starke konsekvenser. Her fokuserer vi på eksplosjonssikkerhet,
sone klassifisering, temperatur og gassgruppering. Oljedirektoratets (OD)
forskrifter blir også tatt opp.
Utbytte:
Å forstå forskjellige type klassifiseringer og forskrifter
og anvende disse i praktiske siuasjoner.
13.1 Pneumatic measurement systems: Flapper/nozzle, relay, torque balance
transmitters, transmission and data presentation
13.2 Intrinsically safe electronic systems: the Zener Barrier, energy
storage calculations NB: En del lab-demonstrasjoner i forbindelse med undervisning
er også planlagt.
Bøker er:
(1) John P Bentley, Principles of Measuremet Systems,, 3rd Edition
(2) Klaas B. Klaassen: "Electronic Measurement and Instrumentation",
Cambridge University Press, ISBN 0 - 521 - 47729 -8, 1996.
(3) Kim R. Fowler: "Electronic Instrument Design - Architecting for
the Life Cycle", Oxford University Press, ISBN 0 - 19 - 508371 - 7, 1996
(1). er hovedboken. Semesteroppgaver, innleveringer, labøvelser
og studentpresentasjoner er obligatoriske.
Blokker:
Sensor, Signal, Model, System, Datalogging, Programmering og Presentasjon
(S2MSDP2) tenkning.
I pensum står:
Se - Sensor, Si - Signal, M - Model, , Sy - System, D-datalogging,
Pr - programmering, P - Presentation.
II. Selfstudy
Formål:
Skape og aksellere læringsprosessen
Utbytte:
Fordypning av nødvendige kunnskaper og utvikling av selvstendighet
og dermed ferdigheter
1. Chapter 1: Measurement System (Self Study) i Bentley
2. Chapter 8: Sensing Elements i Bentley 3.
3. Chapter 1: Systems Engineering i Fowler
4. Chapter 3: Documentation i Fowler
5. LabVIEW og MATLAB (Grunnlag) - Bruk gjerne «tutorials»
og «demo» i disse programmene
6. Chapter 4 i Klaassen : Electronic Measurement Systems
III. Studentpresentasjoner
Formål:
Å få ferdighet i oppsummering og presentasjon av måletekniske
emner
Utbytte:
Presentasjon av resultater og diskusjon
Hver gang utvalgte emner fra aktuelle kapitler. Studentene bør
undersøke og finne informasjon om følgende emner med fokus
på Sensor, Signal, Model, System, Datalogging, Programmering
og Presentasjon (S2MSDP2) tenkning.
1. Prosessmåling i næringsmiddelindustri - Eks. Slambehandling
knyttet til avløpsvann
2. Fakkelgassmåling i raffinerier
3. Multi Sensor Data Fusjon i prosessindustri: Prosessmåleteknikk
og styring
4. Sensor Voting i Prosessikkerhetssammenheng
5. Bruk av akustisk emisjon i kullkraftverkene
IV. Semesteroppgaver:
Formål:
Spesialkunnskap i utvalgte områder og gi mulighet til å jobbe
med et emner kontinuerlig og få utbytte sett fra eksamenssynspunt.
Utbytte:
Problembasert undervisning. Kontinuerlig forbedring av sluttresultat. Design
av komplette instrumenteringssystemer for forskjellige prosesser. Studentene
deles i grupper av passelig størrelser. Det er ønsket å
dekke det som tilsvarer flytskjemaet vist på Figur 1.
V. Regneøvelser
Formål:
Håndtere praktiske problemstillinger basert på teorikunnskap.
Ikke så mye fokus på fasitløsningene, mer på kreative
og "workable" løsninger.
Utbytte:
Ferdighet i S2MSDP2 tenkning og anvendelser
1. Design av reguleringsventiler vha MATLAB
2. Design av målerblender
3. Utvalgte måletekniske problemer
VI. Laboppgaver Under Planlegging
A:4399
Case Studier i Sensorer og Systemer
Prosessmåling er viktig for optimal regulering og overordnet styring
av prosesser som vi finner i industrier knyttet til olje og gass, petrokjemikalier,
treforedling, pulverteknologi, agrokjemikalier, farmasøytiske produkter,
fargestoffer, biokjemikalier, næringsmiddel og drikkevarer, papir,
nukleære materialer, stål, mineraler, kraftforsyning. Tradisjonelle
eksempler er måling og visning av temperatur, trykk, pH, ledningsevne,
strømningsrate og mengde etc. i industriell sammenheng og blodtrykk
og blodstrømning i pasientovervåkning. Moderne sensorer er
utviklet for integrering av luktesanssensorer i prosesstekninsk sammenheng.
Uansett type av prosesser er valg av sensorer og tilpasset elektronikk
(sensorikk) er viktige deler av prosessmåling. Faget inneholder integrering
av kunnskaper rundt sensor, signal, model, system, datalogging, programmering
og presentasjon (som vi kaller S2MSDP2vinkling
i prosessmåling og sensorikk) av måledata hvor fokus blir på
dagens kunnskapsnivå. Innenfor fagområdet skal også mikrosensorik
få sin plass på grunn av fremragende utvikling i de siste årene
som også har ført til industrielle anvendelser.Automatisering,
integrering, forstyrrelser, feil-deteksjon og -registrering samt fjernmålesystemer
og datainnhenting er en del av stikkordene tilkyttet prosessmåling.
Den kraftkrevende prosessindustrien har alltid behov for å optimalisere
prosessen med hensy til energiforbruket. Til dette er det behov for dedikerte
målinger som kan forbedre prosesstyringen. For å ha den nødvendige
bredde, betrakter vi medisinske målinger som en del av overvåkning
av fysiologiske prosesser og er åpne for bidrag av kunnskap fra denne
teknologi innenfor fagets omfang. Total sett bør en ikke glemme
helse, miljø og sikkerhet (HMS). Her sikter vi på å
identifisere relevante målevariable, og måle og analysere disse
for å få best mulig HMS. Alle disse momenter krever valg eller
utviking av tilpassede sensorer med nødvendige signalprosesseringsalgoritmer,
bruk av dagens dataverktøy og elektro-magnetisk kompabilitet. Følgende
er bare et utdrag fra litteratur som brukes i forelesningene, men kan utvides
med aktuelle tidsskriftsartikler.
I. BØKER
1. Principles of Measurement Systems, Forfatter: John P Bentley Longman
Scientific, 1995
2. Analog and digital signal Processing, Forfatter: Ashok Ambardar PWS
publishing
3. Electronics, noise and signal recovery, Forfatter: E. R. Davies Academic
Press, 1993
4. Sensors and signal Conditioning, Forfatter: R. Pallas - Areny, and
J G Webster John Wiley Publications, 1991.
5. Introduction to the design & analysis of Experiments Forfatter:
G. M. Clarke & R. E. Kempson John Wiley & Sons, 1997
6. Process control and management, Forfatter: P I Lee, R B Newell and
I T Cameron, Blackie Academic and Professional, 1998
7. Ultrasonic measurement for Process Control, Forfatter: L. Lynnworth
Academic Press, 1989 8. Interfacing Sensors to he IBM PC Forfatter: W.
J. Tompkins, J. G. Webster Prentice hall, 1988
8. Curtis D. Johnson: "Process Control Instrumentation Technology",
6th Edition, Prentice Hall, 1999.
9. Devdas Shetty and Richard A. Kolk: "Mechatronics System Design",
PWS Publishing Company - An International
Thomson Publishing Company, 1997, ISBN 0 -534-95285-2.
II. ARTIKLER
1. Trond Folkestad, K.S. Mylvaganam, "Chirp Excitation of Ultrasonic Probes
and Algorithm for Filtering Transit Times in High-Rangeability Gas Flowmetering".
IEEE in UFFC-Transactions, May 1993
2. Trond Folkestad og K.S. Mylvaganam,"Acoustic Emission Helps Detect
Sand in Production Lines on Oil Rigs in the North Sea". Oil & Gas Journal,
Week of 27th August 1990.
III. RAPPORTER
1. Permanent Multilayer Well Monitoring. A Study for a down-hole Instrumentation
System for Oil and Gas Production Wells, Forfatter: J.Jacobsen, R.E. Palmstrøm
et al. CMI report nr:89/15300-1 RF report nr: 64/89 ISBN: 82-7220-204-2
IV Selvvalgte artikler innenfor multi sensor data fusjon (MSDF).
V. FoU rettete forsøkene
HiT TF/PA har mange prosessrelaterte forsøkanlegg. Strømningsrigg,
to fase strømning, pulvertransport, instrumentering innen miljøteknologi,
eksplosjonsforsøkene o.l. er noe av mange mulighetene som vi har
for å teste forskjellige nye og gamle prosessmåletekniske løsningene.
Vi velger ut fra eksisterende muligheter i huset eller i samarbeid med
industri strategi for forsøkene, som vil, på grunn av problemstillingens
natur, variere fra år til år.
When you measure what you are speaking about
and express it in numbers, you know something about it, but when you cannot
express it in numbers your knowledge about it
is of a meagre and unsatisfactory kind.
Lord
Kelvin (William Thomson)
TOP
:
saba.mylvaganam@hit.no
