När ett fartyg ligger förankrat i hårt väder kan krafterna i vajrar och kättingar bli mycket stora. En förankring kan ha flera kraftsensorer som var och en mäter belastningen i en vajer eller kätting. Ombord behöver besättningen veta hur hårt varje förankring belastas och kunna agera innan gränserna överskrids. Det är en av många situationer där sensorer från norska Scansense används.

– Våra kunder är väldigt måna om kvalitet. Utrustningen ska mäta rätt och fungera under lång tid, kanske upp emot 20 år, och då ställs höga krav på både robusthet och tillförlitlighet, säger Arve Olsen, Customer Success Manager på Scansense.

Upp till 1 200 ton

Företaget utvecklar och tillverkar kraft- och momentgivare sedan 1980-talet och levererar framför allt till offshore-, maritim- och energisektorn. Givarna används bland annat i förankringssystem, vinschar och kranar och har mätområden från omkring 1 ton upp till 1 200 ton.

– Det kan handla om belastningar på hundratals ton, och en felmätning på en eller två procent innebär ganska stora krafter. Då kan det snabbt gå fel, säger Arve Olsen.

Sensorerna bygger främst på så kallade töjningsgivare, där metallelement deformeras när de belastas. Deformationen påverkar den elektriska resistansen som kan mätas och omvandlas till en signal.  Men för att mätvärdet ska vara tillförlitligt behöver givaren kalibreras. Scansense har egna referensgivare som används för att kalibrera de givare som ska levereras till kunderna. Men även de egna referenserna måste i sin tur kontrolleras mot något som är ännu noggrannare. Det är här RISE kommer in.

– Vi har tolv referenser totalt, från ungefär 5 till 300 ton, som kalibreras varje år av RISE, säger Arve Olsen.

På så sätt skapas en obruten spårbarhetskedja: från givarna ute hos Scansense kunder, via företagets egna referensgivare, tillbaka till nationella referenser hos RISE.

Kör givarna från Norge till Borås

När Arve Olsen är på plats hos RISE i Borås följer han kalibreringen vid RISE riksmätplats för kraft och moment. Jan Andersson, TIC-ingenjör på RISE, monterar Scansense referensgivare i en maskin som kan generera väldigt stora krafter tillsammans med RISE egna referensgivare.

– Maskinen kan generera krafter upp till 6 MN, vilket motsvarar ungefär 600 ton. Kraften skapas av en stor hydraulisk kolv som trycksätts underifrån. Men kvaliteten i mätningen sitter i våra referenskraftgivare, som i sin tur är kalibrerade mot en så kallad dödviktsmaskin. Vid kalibreringen jämför vi mätvärdena från vår referensgivare med Scansense utrustning, säger Jan Andersson.

Att Arve Olsen är på plats beror på att Scansense själva kör referensgivarna från Norge till Borås. Det gör det möjligt att begränsa produktionsstoppet till två-tre dagar.

– RISE tar emot oss på ett mycket bra sätt och gör jobbet på väldigt kort tid. Vi kan planera långt i förväg och boka en tid som passar produktionen. Men den viktigaste anledningen till att vi har valt RISE är den höga kvaliteten och låga mätosäkerheten i kalibreringarna. Spårbarhetskedjan blir kortare och osäkerheten i våra egna kalibreringar blir mindre, säger Arve Olsen.

Skapar en tillitskedja

Spårbarheten är viktig, hela vägen från den utrustning som levereras till kunden tillbaka till de nationella referenserna hos RISE. Det är också något som både kunder, standarder och specifikationer ställer krav på. Men för Arve Olsen och hans kollegor handlar tillförlitliga mätningar ytterst om något betydligt mer konkret.

– När våra kunder är ute på Nordsjön, sjön går hög och de lyfter något samtidigt som det finns människor på däck, då måste de kunna lita på att informationen från instrumentet är rätt. Spårbarheten skapar en tillitskedja som är jätteviktig för oss, säger Arve Olsen.

Stora delar av Sveriges vattennät byggdes under 1950-, 60- och 70-talen och börjar nu kräva omfattande underhåll. På Tjörn med ett stort antal utspridda fritidshus är utmaningen särskilt tydlig med ett stort ledningsnät i förhållande till antalet invånare. Fram till 2020-2021 försvann mellan 35 och 40 procent av dricksvattnet i läckage.

– Snittet i landet ligger på runt 17 procent odebiterat vatten, alltså vatten som försvinner ut i marken. Vi hade ett väldigt stort utläckage och det ville vi få ner ordentligt, säger Tobias Hansson, projektledare IT och automation på Tjörns Vatten och Avlopp.

Investeringar minskade de stora läckorna

Mellan 2018 och 2021 genomfördes stora investeringar i ledningsnätet. Det minskade läckaget till omkring 25–30 procent och fick bort många av de stora läckorna. 

– Tidigare hade vi runt 30 större läckor per år. Nu handlar det om fem till sex mindre eller mellanstora. Investeringarna gjorde stor skillnad, men efterhand blev det svårare att hitta de kvarvarande läckorna och veta var vi skulle prioritera underhållet, säger Tobias Hansson.

Smart mätning

För att komma vidare startade kommunen 2021 ett projekt tillsammans med bland annat RISE. Målet var att använda smarta vattenmätare och nya mätmetoder för att enklare identifiera läckor och bättre planera underhållet. Ledningsnätet har sedan dess delats in i flera områden med egna uppkopplade områdesmätare, och omkring 3 500 av kommunens 5 200 fastigheter har fått smarta vattenmätare. Olle Penttinen, forskare på RISE, har varit drivande i projektet och i efterföljande satsningar.

– Genom att samla mätdata från vattenverk, vattentorn, områdesmätare och fastighetsmätare kan vi beräkna vattenbalanser i olika delar av nätet. Då ser vi hur mycket vatten som levereras till ett område och hur mycket som faktiskt används. Skillnaden kan till exempel bero på läckor eller spill i produktionen, säger Olle Penttinen.

Öppen plattform

RISE har arbetat både med mätkvalitet och med att utveckla plattformen där datan samlas in, hanteras och presenteras i ett användargränssnitt. En viktig utgångspunkt har varit att lösningen ska vara öppen och inte låsa kommunen till en specifik leverantör.

– Kommunen äger själv all data och kan lägga till funktioner efter behov. Plattformen kan dessutom användas för fler ändamål än vatten och avlopp, säger Olle Penttinen.

Lättare att hitta läckor

När ledningsnätet delas upp i mindre områden blir det lättare att lokalisera problem. Genom att jämföra hur mycket vatten som levereras till ett område med hur mycket som används går det snabbt att identifiera avvikelser och läckor. Informationen visas i en dashboard med kartor som används både för drift och planering.

– Tidigare fick driftteknikerna leta över hela ön. Nu kan vi snabbt ringa in ett specifikt område där läckan finns. Vi lägger mycket mindre tid på att leta och hittar dessutom fler mindre läckor än tidigare, säger Tobias Hansson.

Kommunen kan också arbeta mer strategiskt med underhållet.

– Akuta läckor kostar mycket pengar. Om vi i stället kan lägga resurserna på planerat underhåll kan vi kanske byta ut flera hundra meter ledning i stället för att bara laga en enskild läcka. Det höjer kvaliteten i nätet och är betydligt mer kostnadseffektivt.

Minskad vattenproduktion

I dag ligger läckaget på omkring 20 procent. När läckorna minskat har också behovet av vattenproduktion minskat, vilket gett lägre kemikalieanvändning, ett mindre klimatavtryck och gjort att kommunen kunnat undvika stora investeringar.

– Tidigare körde vi vattenverket på max och hade inget utrymme att öka produktionen. Nu har vi i stället marginaler i systemet och har kunnat undvika investeringar på upp emot 80 miljoner kronor, säger Tobias Hansson.

Arbetet fortsätter för att minska läckorna, även om nivåerna nu ligger relativt bra till.

– 20 procent låter mycket, men är bra jämfört med många andra kommuner, särskilt med tanke på hur långt ledningsnät vi har per kund. Allt är inte heller läckor, en del är vatten som försvinner naturligt som en del av produktionen, säger Tobias Hansson.

Kan hjälpa även fastighetsägare

De smarta mätarna ger också nya möjligheter att upptäcka läckor hos enskilda kunder.

– Vi kan se när ett förbrukningsmönster förändras och identifiera misstänkta läckor i fastigheter. I ett fall såg vi ett ovanligt stort vattenuttag som visade sig bero på en läcka. Vi kontaktade fastighetsägaren som kunde stänga av vattnet innan större skador uppstod, säger Tobias Hansson.

Han betonar att även mindre läckor kan bli kostsamma över tid.

– I dag gör vi detta manuellt, men på sikt kan processen automatiseras, säger Tobias Hansson.

Olle Penttinen på RISE ser också fler möjligheter framöver. I dag kräver reglerna att vattenmätare byts ut vart nionde år, oavsett om de fungerar korrekt eller inte.

– Med hjälp av de algoritmer vi utvecklat kan man potentiellt identifiera mätare som visar fel och byta ut dem vid behov i stället för efter ett fast tidsintervall. Det skulle kunna spara både pengar och arbete, något vi gärna vill undersöka vidare i kommande projekt, säger Olle Penttinen. 

I renrummet MyFab Chalmers är luften extremt ren och fri från partiklar som damm, pollen och andra föroreningar. Det är en förutsättning för de känsliga processer som pågår här. Mikrochippen är så små att en enda dammpartikel kan vara större än komponenterna på chippet. Innan man får kliva in i lokalen krävs en noggrann process i flera steg för att ta på sig heltäckande skyddskläder.

– Det är en del att pilla med om man inte är van, men för oss som jobbar här och går in och ut flera gånger om dagen går det smidigt, säger Hans He, forskare på RISE.

Han är på plats i renrummet tillsammans med forskarkollegan Naveen Shetty för att tillverka så kallade kvanthallelement och kvanthallarrayer i grafen. Chippen tillverkas med hjälp av litografi, en metod där man med en elektronstråle ritar extremt små strukturer på materialet, i det här fallet grafen av högsta kvalitet. 

– Just nu kontrollerar vi grafenproverna innan vi fortsätter med resten av produktionsprocessen. De måste vara felfria för att det ska fungera. Från grafenprov till färdigt chip tar det ungefär en vecka här i renrummet, säger Hans He.

Precisionsmätningar på riksmätplatsen för elektriska storheter

Resistans och spänning är grundpelarna för elektriska mätningar. För att kunna lita på mätresultat krävs kalibrerade mätinstrument, och kvanthallchippen fungerar som referenspunkt högst upp i kalibreringskedjan för resistans. När chippen är klara transporteras de till riksmätplatsen för elektriska storheter hos RISE i Borås. Där väntar precisionsmätningar under flera veckor innan de är färdiga att användas.

– Vi har arbetat med realisering av resistans med hjälp av det kvantmekaniska fenomenet kvanthalleffekten och grafen framgångsrikt under flera år, och bland annat publicerat våra resultat i Nature Communications, säger Hans He.

Den klassiska halleffekten uppstår när en elektrisk ström går genom ett material i ett magnetfält. Då bildas en spänning i sidled. Ju starkare magnetfält, desto större blir spänningen. I vanliga material är förhållandet linjärt. Men i extremt tunna material, tvådimensionella system, vid mycket starka magnetfält och låga temperaturer, händer något oväntat. För vissa magnetfältsvärden antar resistansen i sidled exakt bestämda värden som bara beror på naturkonstanter. Detta kvantmekaniska fenomen kallas kvanthalleffekten.

– Med kvanthalleffekten får vi resistansvärden som är extremt stabila och väldefinierade, vilket passar perfekt för realisering av resistansenheten, säger Hans He.

Grafen ger nya möjligheter

Kvanthalleffekten har använts länge. Det nya är dels att använda grafen som gör det möjligt att skapa kvanthallelement som kan användas vid högre temperaturer, vid högre strömmar, och lägre magnetfält, dels att koppla ihop många kvanthallelement till så kallade arrayer.

– Med ett kvanthallelement i grafen får vi en exakt resistansnivå nära 12,9 kΩ. Men resistansvärden ute i industrin kan vara flera storleksordningar lägre eller högre. För att nå andra resistansnivåer krävs flera steg av sekundära kalibreringar, där varje steg ökar mätosäkerheten. För att komma runt det har vi utvecklat metoder för att koppla ihop många element till arrayer, vilket gör det möjligt att välja godtycklig resistansnivå för realiseringen, säger Hans He.

Utveckling i tre steg

Hans He beskriver utvecklingen som en trappa med tre steg. Första steget är enskilda kvanthallelement tillverkade av grafen, som nu är på väg mot internationell standardisering och som redan idag används i jämförelsemätningar mellan nationella metrologiinstitut. Andra steget är kvanthallarrayer.

– Än så länge är vi nästan ensamma i världen med att nå den stabilitet och kvalitet som krävs för arrayerna, så det är en bit kvar innan det kan bli en internationellt standardiserad metod, säger Hans He.

En begränsning med kvanthallarrayer är att resistansnivån bestäms i samband med tillverkningen (till exempel 100 Ω). Det tredje steget i trappan är därför programmerbara arrayer, där användaren i realtid kan ställa in önskade resistansnivåer med ett och samma chip. 

– Det är ett långsiktigt mål och kräver mycket forskning, men det har potential att bli den ultimata resistansstandarden. Spänningsnormaler baserade på ett annat kvantfenomen, Josephsoneffekten, har redan fullbordat denna resa, och är idag programmerbara, säger Hans He.

Stort internationellt intresse

Tekniken används redan idag internationellt. RISE samarbetar med och levererar de världsledande chippen till nationella metrologiinstitut i bland annat USA, Frankrike, Kanada och Sydkorea, och säljer chip kommersiellt till den kanadensiska mätinstrumenttillverkaren Measurements International Ltd.

– Vi märker att intresset växer hela tiden och vi får många förfrågningar, vi bjuds in till fler och fler forskningssamarbeten och den teknik vi tagit fram används aktivt både i forskning och kommersiell verksamhet, säger Hans He.