7. VIRHELÄHTEET
7.5 Laitekohtaiset virhelähteet
Jokainen mittaussysteemi aiheuttaa ryhmän systemaattisia ja satunnaisia virheitä. Ensin mainitut voidaan yleensä selittää toteutuksen vaillinaisella suunnittelulla. Jälkimmäiset aiheu
tuvat mittaukseen vaikuttavista ulkoisista tekijöistä, kuten kitkasta ja liitosten löystymisestä.
Käytettäessä punnitusantureita teollisissa mittauksissa saat
tavat punnituksessa hyvään tarkkuuteen vaikuttavat tekijät olla voimamittauksessa puolestaan suuria virheen aiheuttajia.
Tarkat asennukset, joustot ja mekaaniset ylikuorman estot
®iv^t yleensä voimia mitattaessa ole mahdollisia. Mittauskohde saattaa väristä, muuttaa muotoaan ja supistua tai laajentua.
Seurauksena on mittaustulosta muuttavia sivuttaisvoimia ja - vääntöä. Jos mitta-anturia ei ole rakennettu tunteettomaksi
näitä voimia vastaan, anturit aistivat mittausvoiman lisäksi ylimääräisiä voimia /10/.
7.5.1 Voima-anturit
Anturivirheet ovat yleensä systemaattisia ja jonkin verran yksilöllisiä. Syntyvää virhettä voidaan pyrkiä korjaamaan mekaanisilla toimenpiteillä, mutta itse virheestä ei silloin
kaan vielä päästä eroon. Asennuksessa on otettava huomioon anturin mahdollinen vaurioituminen ja tällöin sen vaihdetta
vuus on tärkeä hyvyyskriteeri.
Suurilla voima-antureilla merkitsevät taipumat, sivuttaisvoi- mat ja näiden myötä kitkavoimat hyvin paljon virheen muodos
tuksessa. Tämän lisäksi lämpötilan vaihtelut saattavat muuttaa mittaustulosta oleellisesti /21/. Lämpötilan muutoksista aiheutuu erikoistapauksissa nollapisteen ryömintää ja muita hitaita virheitä. Näiden eliminointi tapahtuu yleensä anturis
sa sijaitsevilla kompensointielementeillä.
Tutkimusten mukaan lähes kaikille venymäliuska-antureille luvataan ja saadaan samaa luokkaa olevat punnitukseen liitty
vät arvot, eli epälineaarisuus 0.02 % , hystereesi 0.03 % ja ryömintä 0.03 % 30 minuutin jälkeen. Kaikki luvut ovat pro
sentteja maksimi ulostulosta /10/.
Anturien suoritusarvoissa luvataan yleensä suuriakin sivut- taisvoimien kestoja. Nobelin suorittamissa testeissä havait
tiin anturien keston kyllä olevan hyvä, mutta kriittiseksi tekijäksi muodostui anturin kiinnitys. Pulttikiinnitystä käyttävistä sauva-antureista suurin osa alkoi liukua jo 20 %:n sivuttaisvoimien vaikutuksesta. Boforsin anturilla näitä ongelmia ei esiinny, koska se asennetaan sivuttaisliikkeen estävään reikään. Saadut mittaustulokset sivuttaisvoimien vaikutuksesta on esitetty taulukossa 1 /10/.
Kaikilla antureilla on tietty maksimikuorma, jota suurempaa voimaa ne eivät kestä. Valmistajat lupaavat yleensä suhteelli
sen hyvät arvot ylikuormien kestolle, mutta käytössä vioittu
misen on todettu olevan usein paljon herkempää. Kaikki leik- kausvoimaan perustuvat anturit ovat lisäksi herkkiä väännölle,
Anturityyppi
S ivuttaisvoimaherkkyys 3096 : n sivuttaisvoimal la
C 96 R . O . Э
KISA O Л Л
KIS C O 18
HØM SB-3 0 28
Tl B5-1 12 O Л 9
HBM BLC □ 03
SNSRTRNCS O . 24
Taulukko 1. Sivuttaisvoimien vaikutus /10/.
koska monimutkaiset voimat kohdistuvat mittauspintaan ja herkät anturit tunnistavat pienetkin häiriövoimat /10/.
Anturin kokonaisvirhe muodostuu epälineaarisuudesta, laajene
misesta ja väännöstä. Taulukossa 2 on esitetty tulokset Nobel elektroniikan suorittamista kokeista leikkausvoimaa mittaavis- ta venymäliuska-antureista. Kaikki tulokset on saatu 50 %:lla maksimikuormasta. Tämän mukaan yhdistetty maksimivirhe eri anturivalmistajilia on 0.07-1.0 % mitattavasta voimasta /10/.
AnturItyyppi Maksimi yhdistetty virne 96 käytetystä kuormasta
KIS A O 090
KIS c O 08S
HBM SB-3 o 22
Tl B5112 o 57
HBM BLC Л 03
SNSRTRNCS o 64
Taulukko 2. Maksimi kokonaisvirhe leikkausvoima-antureille /Ю/.
Kuumissa tiloissa sijaitsevat anturit joutuvat alttiiksi nopeille lämpötilavaihteluille. Lämpötilaerot anturin sisällä aiheuttavat epätasaista laajenemista ja muodostavat rakentee
seen sisäisiä jännityksiä. Nobel testasi leikkausvoima-anturit lämmittämällä niitä pistemäisesti toisesta kyljestä simuloiden näin paperikoneessa tapahtuvaa epätasaista lämpenemistä.
Taulukosta 3 näkee Boforsin KIS:n olevan tunnoton epätasaisel
le lämpenemiselle, kun taas muiden valmistajien anturit muut
tuvat 0.04-0.5 % nimelliskuormasta jokaista 10°F kohti /10/.
AnturityyppI
Lampot. I la herkkyys C 96 R. O. per 1Q° F Э
HBM SB-3 0.04 0.04 0.03
Tl B5112 0.13 0.11 0.10
HBM BLC 0.05 0 . ВО О 80
SNSRTRNCS 0.06 О о INJ
О . 00
Taulukko 3. Epätasaisen lämpenemisen aiheuttama nollapisteen muutos /10/.
Leikkausvoima-antureiden lisäksi markkinoilla olevista muita mittausmenetelmiä käyttäviä antureita on ollut käytössä hyvin vähän. Eniten käytetty on ASEA: n Pressduktor, joka materiaa
linsa puolesta ei sovi kosteisiin paikkoihin. Ongelmana sen kanssa on ollut lähinnä lämpötilasta aiheutuva nollapisteen ryömintä ja mittauksen herkkyys ulkopuolisille häiriötekijöil
le.
Boforsin anturin suurin heikkous on ollut huono ylikuormien- sietokyky. Anturi särkyy helposti tärinän ja piikkimäisten ylikuormien vaikutuksesta. Tärinän on todettu joissain tapauk
sissa aiheuttaneen mittaussillan irtoamisen anturin sisällä ja siten kyseisen mittalaitteen. Ylikuorma yleensä vioittaa anturia ylittämällä sen mekaanisen sietokyvyn. Kos
teissa paikoissa jotkin yksilöt ovat päästäneet kosteutta sisään kaapeliliitoksista ja rungon liitoskohdasta. Seuraukse
na on mittaelimen ruostuminen ja anturin toiminnan häiriytymi
nen. Mittaus ryömii usein lämpötilan muuttuessa samalla taval
la kuin ASEA:n mittaus. Virittämisvaiheessa Boforsin anturi joudutaan usein kalibroimaan pienille kuormille ja virittämi
nen suurille kuormille tapahtuu laskennallisesti.
Mitattaessa telaan kohdistuvia voimia joudutaan mittaussignaa
li havaitsemaan useiden häiritsevien voimien keskeltä. Me
kaaniset epätasapainovoimat yhtä kuormituskennoa kohti saadaan käyrästöstä, jossa huomioidaan koneen nopeus ja viiran leveys (kuva 26) /21/. Kuten kuvasta huomaa, nopeilla ja samalla
leveillä koneilla epätasapainovoimat kasvavat suhteellisen nopeasti. Nopeuden nosto 1000:sta 1600 m/min koneella, jonka leveys on 9 metriä, aiheuttaa epätasapainovoimien kaksinker
taistumisen. Ajettaessa konetta 1200 m/min epätasapainovoimat ova^- 8 N/m. Ajokireyden ollessa 300 N/m epätasapainovoima aiheuttaa lähes 3 % : n virheen tulokseen.
7.0 8.0
VI Iran leveys [m3
10.0
D
C 8
A
koneen nopeus koneen nopeus koneen nopeus koneen nopeus
1Б00 m/m I n 1400 m/mln 1200 m/mln 1000 m/mln
Kuva 26. Mekaanisten epätasapainovoimien vaikutus mittaus
tulokseen /16/.
Mekaanisten epätasapainovoimien summaaminen mittaustulokseen taulukoitujen arvojen mukaisesti on hyvin kyseenalaista. Kukin tela ja sen laakerointi muodostavat yksilön, jonka pyörimisen tasaisuutta ja herkkyyttä ei pysty ennustamaan. Resultantti- voiman suuntaaminen ei myöskään ole mahdollista.
Saadun mittaustuloksen siirtämistä varten anturiin on oltava liitetty signaalikaapeli. Sen kytkennöissä on joskus ollut huolimattomuutta ja anturin sisään on päässyt kosteutta tuho
amaan mittauselementit. Joskus jopa anturi itse on vuotanut ja päästänyt kosteutta kyljestä sisään. Huolimattomissa tai suojaamattomissa liitoksissa on joissakin tapauksissa havaittu kosteutta, jolloin seurauksena on ollut mittaustason heilumi
nen ja ulostulosignaalin vääristyminen.
7.5.2 Hydraulipaineen mittaus
Puristinosalla käytettävän hydraulipaineen mittauksen kanssa suurin ongelma on ollut mekaanisen herkkäliikkeisyyden säily
minen huopaa kiristävässä toimielimessä. Hydrauliikkaöljyn käytöstä aiheutuva likaantuminen voi vaikuttaa tuotettavan paperin laatuun, joten sen käyttöä tulisi välttää. Kuten aikaisemmin todettiin on puristinosalla käytettävä mittaus tarkoitettu päättymättömän rainan mittaukseen ja sen sovelta
minen paperiradan kireyden mittaamiseen vaatisi huomattavia rakenteellisia muutoksia.
7.5.3 Ääniaaltoihin perustuva mittaus
ABB: n paperissa etenevien ääniaaltojen nopeuden mittaamiseen perustuvan Tenscanin kireysmittauksen luotettavuus ei tehtyjen kokeiden perusteella ollut yhdellä ajokerralla luotettava.
Vasta useampien ajokertojen perusteella saadaan mittaukseen toistuvuutta ja siten pitemmän aikavälin keskiarvo. Mittauksen herkkyys pienillekin paperiradan etäisyyden vaihteluille on suuri ja yhdellä ajokerralla saatavien epäonnistuneiden mit
tausten määrä riippuu paperiradan lepatuksesta ja aaltoilusta.
Oikean mittausetäisyys on erittäin tärkeää, jotta saataisiin mahdollisimman paljon käyttökelpoisia mittausarvoja.
Mittapää kulkee koneen laidasta toiseen palkkia pitkin no
peudella 9 m/min. 9 metriä leveän paperikoneen reunoilla kireyden mittausväli on siis 2 minuuttia. Jos koneen nopeus on 1200 m/min ehtii paperirata edetä sinä aikana 2.4 km. Näiden mittauspisteiden väliltä ei ole käytettävissä minkäänlaista tietoa. Skannaavassa mittauksessa profiilin muutokset antavat pisteittäin mitattaessa kuvan vaihtelevasta kireydestä, vaikka jännitystaso koneen leveydeltä olisikin tasainen. Jos laite pysäytetään ja halutaan saada jatkuva mittaus yhdestä paikas
ta, saadaan näytteenottotaajuudesta riippuva diskreetti mit- taustrendi. Radan lepatuksesta ja aaltoilusta johtuen mittaus voi kuitenkin vaihdella hyvinkin paljon. Myös paikalliset kosteusvaihtelut voivat antaa koko radan kireydestä virheelli
sen kuvan.
Mikäli paperiradan todellinen kireys halutaan saada selville, ei Tenscan anna luotettavaa mittaustulosta. Ajossa havaittiin joillakin kuuden otoksen näytesarjoilla jopa ± 50 % keskiar
vosta poikkeavia tuloksia. Osa näytteistä saattoi myös olla hylättyjä, eli nollia, kun mittalaite ei havainnut korrelaa
tiota kahden mittauksen välillä. Reuna—alueilla mittaus hävisi usein kokonaan tai ainakin muodosti suurta hajontaa lepatuksen aiheuttamien etäisyysvaihteluiden takia. Selvän rajan vetämi
nen vääristyneen ja oikean mittaustuloksen välille on siten vaikeaa.
Nopeuden merkitys mittauksessa on suuri laskennan oikeellisuu
den kannalta. Ratakatkon ja nopeudenmuutoksen yhteydessä mittauksen tarkkuus kärsii, koska todellinen ja mittalaittee
seen asetettu nopeus poikkeavat toisistaan.
Pituusleikkurilla suoritetuissa koeajoissa havaittiin epä
tasaisten virtausten aiheuttavan vääristymää mittaussignaa
liin. Liian lähellä paperirataa sijaitsevat esineet aiheutta
vat virtauksiin pyörteitä ja vaikuttavat mittaustuloksiin muuttamalla paperiradan kulkua.