4. PAPERIKONEEN RAKENTEELLE ASETETTAVAT VAATIMUKSET
6.2 Jännitystason mittaaminen
6.2.1 Voima-anturit
Anturit asennetaan yleensä telan laakeripesien alle vaakasuo
raan asentoon. Muita mahdollisuuksia on ripustaa tela anturin varaan suoraan alaspäin tai kaltevalle pinnalle joko vinosti
tai pystysuoraan. Syynä mittaussuunnan vaihteluun on anturin rakenne ja taaran suhde mittaussignaaliin. Toinen tapa pienen
tää mittaussignaalin suhdetta taaraan on suurentaa paperiradan taittokulmaa telalla. Pienin mitattava kulma voi olla 7° ja suurin mahdollinen 220°. Suuret nopeudet ja painavat telat kuitenkin rajoittavat todellisen käyttöalueen paljon pienem
mäksi /3/.
Julkaistut voima-anturien tekniset määrittelyt eivät ole sellaisinaan luotettavia suoritusarvomittareita teollisuus
prosesseissa käytettäviksi. Testien ja käyttökokemusten mukaan staattinen tarkkuus ja optimiolosuhteissa mitatut suoritusar
vot eivät takaa luotettavuutta vaativissa olosuhteissa suori
tettaviin mittauksiin /10/. Itse anturin lisäksi sen asennus sekä mittauksen suunnittelu ja toteutus voivat huonontaa mittaustulosta merkittävästi.
Anturimateriaalien valintaan vaikuttavat ensisijaisesti ympä
ristön niille asettamat vaatimukset. Eri valmistajat kertovat materiaaleista johtuvat erot hyvin eri tavoin. Todellisuudessa tarkkuudet hiiliteräksestä ja ruostumattomasta teräksestä valmistetuille antureille ovat lähes samanlaiset. Ne seikat, jotka vaikuttavat antureiden tarkkuuteen, ovat suunnittelu, valmistustapa ja käyttöympäristöstä anturille aiheutuneet muutokset. Suunnittelu ja valmistustapa ovat molemmille hyvin samantapaiset, joten suurimmat tulokseen vaikuttavat tekijät ovat ympäristön ja lian aiheuttamat virheet sekä ominaisuuksi
en muuttuminen käytön ja kulumisen seurauksena /23/.
Hiiliteräksestä valmistetut anturit ovat yleensä sähköisellä menetelmällä nikkelipinnoitettuja. Laadukkaastikin päällyste
tyssä nikkelöinnissä voi olla päällystevikoja, esim. pieniä huokosaukkoja, joista kosteus pääsee tunkeutumaan hiiliteräk
seen. Pintavaurion sijaitessa saumakohdassa voi nopean kor
roosioilmiön seurauksena kosteus päästä suljettuun anturin sisätilaan ja aiheuttaa anturin rikkoutumisen. Stanford Tech
nology Corporationin suorittamissa kokeissa rst- ja nikkeli- pinnoitettu anturi altistettiin 200 tunniksi 5 %:selle suola- liuokselle 35 C lämpötilassa. Jo näinkin lyhyessä ajassa pystyttiin havaitsemaan materiaalien välinen ero. Nikkelipin- noitettu teräs oli täysin syöpynyt ja rst:n pinnasta rasitusta
tuskin näki. Rst-anturi takaa näin pidemmän käyttöiän huonois
sakin olosuhteissa /23/.
Voiman muuttamiseen sähköiseksi suureeksi käytetään useita eri menetelmiä. Radan kireyden mittaamisen soveltuvissa voima- antureissa käytettäviä menetelmiä ovat venymäliuskat, LVDT- yksiköt ja kapasitanssin tai permeabiliteetin muutokseen perustuvat mittaukset. Useat voima-anturit on valmistettu punnitustehtävien asettamien vaatimusten kannalta. Puhtaasti kireysvoimien mittaamiseen suunniteltuja antureita on mark
kinoilla hyvin vähän.
Venymäliuska-antureissa signaalin tuottaa tarkkuusvastus.
Hyvin pieni pituuden muutos, yleensä 25 pm - 125 pm, riittää aiheuttamaan vastukseen mitattavan muutoksen. Syöttöjännite vastukselle saadaan tarkkuusjännitelähteestä, jolloin ulostu
losta saadaan mitattua taarasta aiheutuva tasainen kuorma ja telaan kohdistuvat ulkoiset voimat. Yleensä venymäliuska- anturit maksavat vähemmän kuin muilla periaatteilla toimivat.
Ne kestävät ylikuormaa 150-200 % ilman pysyviä muutoksia ja niiden vasteaika on millisekuntiluokkaa. Venymäliuska-anturei- den toistettavuus on tyypillisesti ±0.2 - ±0.4 % maksimi ulostulosta /3/.
Kuormitetun anturin rakenteeseen kohdistuvan vääntömomentin ja leikkausvoiman jakautuminen mittauselementtiin on esitetty kuvassa 16. Kuten huomataan, leikkausvoima on tasainen koko matkalta, mutta momentti riippuu tarkastelupisteestä. Lähinnä tästä syystä useimmat anturivalmistaj at ovat päätyneet momen
tin sijasta leikkausvoiman mittaamiseen /10/.
Leikkausvoimaa tai -jännitystä ei voida mitata suoraan, mutta nk. pääjännitykset voidaan. Nämä ovat kohtisuorassa toisiaan vastaan ja 45° kulmassa leikkausvoimaan nähden. Pääjännitykset ovat yhtä suuret, mutta vastakkaismerkkiset, jolloin neljän venymäliuskan avulla saadaan muodostetuksi mittaussilta.
Liuskojen symmetrinen sijoitus kompensoi mitattavan voiman ja mahdollisten sivuttaisvoimien aiheuttamien taivutusjännitys
ten, pitkittäisten voimien ja väännön vaikutuksen /1/.
Kuva 16. Momentin ja leikkausvoiman jakautuminen venymä
liuska-anturiin /10/.
Boforsin leikkausvoima-anturin toiminta perustuu toisesta päästä kiinnitetyn palkin taipumiseen (kuva 17). Mittaaminen perustuu leikkausvoiman mittaamiseen ja anturi on rakennettu siten, ettei tulos riipu kuormituspisteen etäisyydestä /12/.
Kuva 17. Boforsin leikkausvoima-anturin toimintaperiaate /Ю/.
Tavallisen sauva-anturin lineaarisuuspoikkeama on yleensä 0.1
%, mutta leikkausvoima-anturin vastaava arvo on 0.02 %. Mitat
tavan voiman siirtäminen suositellusta pisteestä aiheuttaa alle 0.005 % virheen 1 mm:n siirtoa kohti /1/.
Hauteen valmistama punnitusanturi toimii samalla periaatteella kuin Bofors. Mekaaninen ratkaisu siinä on kuitenkin kuvan 16
mukainen. Suoritusarvot kyseiselle anturille ovat samat kuin muille vastaaville.
Saksalainen HBM valmistaa sekä Boforsin, että Kauteen tyyppi
siä venymäliuskoilla mittaavia antureita. Toleranssit ja suoritusarvot ovat lähes samat kuin kilpailijan vastaavilla tyypeillä /7/.
LVDT -anturin lyhenne tulee sanoista Linear Variable Differen
tial Transformer. Mittalaitteen tuottama signaali on suorassa suhteessa anturiin kohdistuneeseen voimaan. Anturiin kohdistu
va voima liikuttaa mittauskäämin sisällä olevaa sydäntä, jonka seurauksena toisiokäämeihin indusoituvien virtojen suhde muuttuu (kuva 18). Anturille syötetään 24 voltin tasajännitet
tä/ jonka LVDT-oskillaattori muuttaa 24 V:n 13 kHz : n vaihto
jännitteeksi. LVDT: n sydämen sijainti määrää toisiokäämeihin indusoituvien jännitteiden suuruudet. Syntyneitä jännitteitä verrataan toisiinsa ja tulos muutetaan 0-5.5 V: n suuruiseksi tasaj änniteulostuloksi. Ensimmäisten 5 %:n jälkeen ulostu
losignaali on lineaarinen 0.2 %:n tarkkuudella ja sen toistet
tavuus on 0.1 % maksimiarvosta /4/.
Osk1 I Iaattor DC sisääntulo
piiri DC uiostuI o
s ummainpliri
Kuva 18. LVDT-elimen toiminta /4/.
LVDT-muunninta voiman mittaamiseen käyttäviä antureita valmis
taa nykyisin vain amerikkalainen Comptrol. LVDT-anturin ulos
tulo on lineaarinen 0-120 % määritellystä alueesta. Vasteaika on aseteltavissa sisäisen vaimentimen avulla 600 ps ja 250 ms:n välille. Taaran kompensointi tapahtuu ruuvista säätämäl
lä, jolloin ulostulosignaali sisältää vain paperiradan aiheut
taman voiman /4/.
Anturin mittaus perustuu rungon taipumiseen, jolloin syntyvä liike aiheuttaa LVDT: n sydämen siirtymisen toiseen suuntaan.
Mittausanturin rakenteen perusta on C-nivel, jonka jousto- ominaisuudet tunnetaan (kuva 19). Maksimi liike on kuitenkin vain 25 - 250 pm, joten se ei haittaa mittaustulosta eikä kiinnityksen jäykkyyttä. Anturi on suojattu ylikuormia vastaan mekaanisella pysäyttimellä, jolloin se voi kestää jopa 10 kertaisen ylikuorman ilman haitallisia muutoksia. Sisäisen iskunvaimennuksen säädön ansiosta anturi toimii suodattimena ja saatava mittaussignaali on tasaisempaa kuin monella muulla /4/. Juuri värähtelyjen vaimentamisesta anturi on saanut käytössä eniten kiitosta /3/.
Nollapisteen säätö Mekaaninen rajoitin
Kuorm ituspinta
C-j oustin
Asennuspinta I skunvai ment imen saato
Kuva 19. Comptrolin LVDT-anturin rakenne /4/.
Asean ja Philipsin antureiden mittaussuunta on asennuspinnan suuntainen ja ne toimivat molemmat samalla periaatteella.
Voiman mittaus perustuu ferromagneettisen materiaalin per- meabiliteetin muuttumiseen mekaanisen kuormituksen alaisena.
Permeabiliteetti pienenee puristavan voiman vaikutussuunnassa, kun taas voimaa vastaan kohtisuorassa suunnassa se lisääntyy.
Venytyksessä vaikutus on molemmissa suunnissa vastakkainen.
Nämä permeabiliteetin muutokset muuttavat kytkentää vaihtovir
ralla syötettävien ensiö- ja toisiokäämien välillä, joissa varsinainen mittaussignaali generoidaan (kuva 20). Kuvassa A anturi on kuormittamattomassa tilassa. Kuvissa В ja C anturia kuormitetaan vastakkaisiin suuntiin ja tuloksena on vastak
kaissuuntaiset vaihesiirrot ulostulossa. Kuvasta D selviää käämien sitominen mittauselimen ympärille /20/.
F F
F
Kuva A Kuva В Kuva C Kuva D
Kuva 20. Asean voima-anturin mittausperiaate /20/.
Asean Pressduktor mittaa asennuspinnan suuntaista vaakasuoraa voimaa, joten sen sijoittaminen telan alle vaatii huomattavas
ti toisistaan poikkeavan tulo- ja lähtökulman. Mitä suuremmak
si niiden välinen ero saadaan, sitä suurempi on mitattava voima (kuva 15, sivu 51). Kallistettaessa anturia mittaukseen iulee mukaan entistä selvemmin myös taara, jolloin mitattavan voiman suuruus suhteessa kokonaisvoimaan korostuu entisestään.
Kapas¡tïïvïset m¡ttauseIimet Anturin runko
Puristava voima
Kuva 21. Eilersen -voima-antureiden mittausperiaate /5/.
Myös Eilersenin valmistamat voima-anturit käyttävät muista poikkeavaa mittausperiaatetta. Niissä voiman mittaaminen perustuu kapasitanssin muutosten havaitsemiseen (kuva 21).
Laitteelle luvataan hyvä ylikuormansietokyky ja sen pitäisi olla tunteeton tärinälle. Anturin ulkokuori ja mittaussuunta voidaan valmistaa asiakkaan toivomusten mukaiseksi /5/.
Kaapelivedot eri antureilla ovat hyvin samantyyppiset. Käytet
tävät tyypit määräytyvät ennenkaikkea ympäristöolosuhteiden mukaan. Kaapelit maadoitetaan vain toisesta päästä ja kytken- täkotelot aina erikseen.
6.2.2 Hydraulipaineen mittaus
Paperikoneella voidaan viiran ja huopien kireys mitata niiden kiristykseen tarkoitettujen telojen hydraulisylintereihin syötettävän öljyn paineesta. Menetelmää voidaan kuitenkin käyttää vain päättymättömään rainaan, joten se ei sovellu paperiradan mittaukseen /14/. Lisäksi hydrauliöljyn käytöstä aiheutuvat vuodot ja likaantuminen vaikuttavat teloille ja rainalle joutuessaan paperin laatua heikentävästi.