Lehti 6-1999 (Kenttäinstrumentointi ja mittaustekniikka)

Pääteemana kenttäinstrumentointi ja mittaustekniikka

Mikro elektroniikka ja automaatio 
 
Prosessia ei voi säätää ilman tietoa sen tilasta. On ajateltu että mittamaalla useita eri parametrejä tai käyttämällä tehokkaasti prosessissa jo olevia mittauksia prosessin säätöongelmat voidaan ratkaista. Signaalinkäsittely ei valitettavasti lisää informaatiota, vaikka se kyllä parantaa signaalin ja kohinan välistä suhdetta. Jos jokin oleellinen tieto prosessista puuttuu, se voidaan tuottaa vain antureita lisäämällä. 

Jos prosessiin lisätään uusi mittauspiste tai uusi anturi, on kustannus usein hyötyä suurempi. Tämä ei johdu anturin kalleudesta vaan asennustyöstä. Anturi edellyttää tehonsyötön ja signaali joudutaan välittämään keskusvalvomoon. Usein pelkästään mittaustiedon siirtämiseen liittyvät investointikustannukset ovat anturiin liittyviä kustannuksia suuremmat. Termopari on halpa, mutta johdotus, tiedon muuttaminen digitaaliseen muotoon, ohjelmointi ja tiedon hyödyntäminen prosessiohjauksessa maksaa tuhansia markkoja. 

Jos prosessi on varustettu mittausväylällä, tilanne on huomattavasti parempi. Jos lisäksi mitataan suuretta, jota voidaan lähes sellaisenaan käyttää takaisinkytketyssä säädössä, marginaalikustannukset ovat kohtuulliset. Antureiden määrä teollisuudessa, koneissa, laitteissa ja kodeissa lisääntyy merkittävästi, mutta vain verkottumiskehityksen myötä. Sama tapahtui nisäkkäillä jo miljoonia vuosia sitten: nisäkkäillä on hermosto (tietoverkko) ja lähes jokaisen hermon päässä aistielin (anturi). Ihmisessä on miljoonia antureita, mutta monimutkaisessakin prosessissa vain harvoin päästään tuhanteen. Tässä suhteessa koneet ja laitteet seuraavat nisäkkäiden esimerkkiä. 

Anturitekniikka on äärimäisen fragmentoitunutta; lähes jokainen suure mitataan eri teknologiaan perustuvalla anturilla. Myös eri suurealueilla tai eri mittauskonteissa joudutaan käyttämään useita eri tekniikoita. Myös mittausmenetelmät vaihtelevat suuresti. Resistiivinen lämpömittari voidaan lukea yksinkertaisesti tasavirralla tai käyttämällä vaihtovirtaa ja vaiheherkkää ilmaisua. Mikroelektroniikan kehityksen myötä on nyt näkyvissä mahdollisuus mitata lähes kaikki suureet yhtä tekniikkaa hyödyntäen. Tätä tekniikkaa kutsu-taan mikroelektromekaniikaksi. Puolijohdeteollisuuden prosessia hyödyntäen piistä voidaan rakentaa pieniä mekaani-sia komponentteja. Sähköinen kytkentä mekaaniseen voimaan tai liikkeeseen saadaan pietsosähköistä ilmiötä hyödyntäen (pietsoresistiiviset anturit) tai käyttämällä sähköstaattista kytkentää. 

Suurin osa mitattavista suureista voidaan muuttaa voimak-si tai paikan siirtymäksi: kiihtyvyys, kulmanopeus, paine, äänenpaine, gravitaatio, sähkökenttä, magneettikenttä jne. Teho voidaan muuttaa lämmöksi ja lämpö kaasun paineeksi. magneettikenttä magneettikentän gradientiksi ja se edelleen voimaksi jne. On tuskin yhtään mitattavaa suuretta jota ei voisi muuttaa voimaksi tai liikkeeksi. Kapasitiivisessa lukuelektroniikassa mikromekaniikkaan liittyvä liike synnyttää kapasitanssin muutoksen, joka mitataan. voima on verrannollinen energian muutokseen paikan funktiona ja täten jännite kahden elektrodin välillä synnyttää voiman, joka muuttuu liikkeeksi. Mikromekaniikalla voidaan valmistaa sekä antureita että aktuaattoreita. Utraäänitutka lähettimineen ja vastaanottimineen yhdellä piisirulla. Kapasitiivisessa lukutekniikassa sähköisen ja mekaanisen energian välillä on voimakas kytkentä. Anturin resoluutio voidaan optimoida. Mikromekaaninen anturi sietää korkeita lämpötiloja, säteilyjä ja sen tehonkulutus on pieni. Kapasitiivinen lukutekniikka mahdollistaa hyvän resoluution ja yksikiteinen pii pitkäaikaisen stabiilisuuden. Mikromekaaniset anturit ovat myös edullisia, mutta valitettavasti vain suurissa määrin tuotettuna. 

Mikroelektroniikan kehitys on myös korvaamassa viivakoodin passiivisella rf-merkillä. Raaka-aineita, tuotteita ja tavaroita voidaan seurata ja tunnistaa automaattisesti koko niiden elinkaaren ajan. Logistiikka ja raaka-aineiden kierrätys saa aivan uuden ulottuvuuden. Mikroelektroniikan kehitys yleensä ja mikromekaniikan erityisesti tulee merkittävästi muuttamaan automaatiota. Kehitys on alussa voimakkainta kulutuselektroniikassa, liikennevälineissä, lääketieteessä jne. Seuraavassa vaiheessa anturit lisääntyvät työkoneissa sekä teollisuuden laitteissa ja prosesseissa Kehitys on kuitenkin täysin riippuvainen verkottumisen laajentumisesta; siirtymisestä ihmisten välisestä kommunikaatiosta tavaroiden ja tietokoneiden väliseksi kommunikaatioksi. 
 
Heikki Seppä 
Tutkimusjohtaja 
VTT Automaatio 
Mittoustekniikka
  
Aimo Pusa, Raute Precision Oy, Massa-ja vaimalabaratoria 
Automaatio ja metrologia
Vaikka automaatio käsitteenä on hyvinkin tuttu niin metrologian käsite sen sijaan ei ole niinkään tunnettu tarpeellisuudestaan huolimatta. Käytännössä onkin tarkoituksenmukaisempaa puhua mittausjärjestelmästä. Metrologiahan on käsitteenä tiede mittaamisesta. Automaatio käyttää mittaamista silloin, kun ohjaustoimenpide tarvitsee tietoa vallitsevasta tilanteesta muutoin kun "on-off"-tietona, esimerkiksi paineena tai lämpötilana. 
 
Jouko Halttunen, Tampereen teknillinen korkeakoulu, Mittaus- ja informaatiotekniikka 
Virtausmittaus-kuulumisia maailmalta
Viime kesänä osallistuin kahteen kansainväliseen tapahtumaan, joissa käsiteltiin virtausmittaus-tutkimuksen viimeaikaisia trendejä. Kesäkuun alussa pidettiin IMEKOn XV maailmankongressi Osakassa, Japanissa ja kesä-heinäkuun vaihteessa neljäs kansainvälinen virtausmittaussymposiumi Coloradon Denverissä USA:ssa. 
  
Kim Lindberg, Siemens Metering Oy 
Pyörrevanamittari massasovelluksiin
Uudet pyörrevanavirtausmittarit mittaavat suoraan kolme parametriä. Lähtöviesteinä on saatavana viisi mitattavien nesteiden, kaasujen ja höyryjen suuretta: massavirta, tilavuusvirta, lämpötila, paine ja tiheys. 
  
Penni Kortesalo, Sorlin Automaatio 
Vinkkejä lämpötila-lähettimen valintaan
Lämpötilalähetin on muunnin jossa si-säänmenoon on kytketty lämpötila-anturi ja ulostulosta saadaan signaali joka on vahvistettu ja viritetty halutulla ta-valta. Normaalisti ulostulosignaali on suoraan riippuvainen mitatusta lämpötilasta. Erilaisia lisäominaisuuksia voidaan lisätä toimintaan, riippuen lähettimen tyypistä.