TECHNICKÉ PROSTŘEDKY INTEGROVANÉ AUTOMATIZACE

Transkript

1 Zlín 07 TECHNICKÉ PROSTŘEDKY INTEGROVANÉ AUTOMATIZACE František Hruška

2 TECHNICKÉ PROSTŘEDKY INTEGROVANÉ AUTOMATIZACE FRANTIŠEK HRUŠKA ZLÍN 07

3 Recenzoval: Ing. Josef Kovář doc.ing. František Hruška, Ph.D., 07 ISBN

4 Obsah TECHNICKÉ PROSTŘEDKY PRO ŘÍDICÍ A INFORMAČNÍ SYSTÉMY... 3 MĚŘENÍ A ZÍSKÁVÁNÍ ÚDAJŮ MĚŘENÍ TEPLOTY MĚŘENÍ TLAKOVÝCH VELIČIN MĚŘENÍ PRŮTOKU A MNOŽSTVÍ MĚŘENÍ VÝŠKY HLADINY MĚŘENÍ SLOŽENÍ A VLASTNOSTÍ KAPALIN MĚŘENÍ SLOŽENÍ A VLASTNOSTÍ PLYNŮ SNÍMAČE A PŘEVODNÍKY HMOTNOSTI A SÍLY MĚŘENÍ RYCHLOSTI A ODVOZENÝCH VELIČIN SNÍMAČE A PŘEVODNÍKY POLOHY MĚŘENÍ TEPELNÉ ENERGIE SNÍMAČE A PŘEVODNÍKY ELEKTRICKÝCH VELIČIN SNÍMÁNÍ NOSIČŮ ÚVOD CENTRÁLNÍ JEDNOTKY PROSTŘEDKY VELKÝCH POČÍTAČŮ PROSTŘEDKY PERSONÁLNÍCH POČÍTAČŮ PROSTŘEDKY PRŮMYSLOVÝCH PERSONÁLNÍCH POČÍTAČŮ PROGRAMOVATELNÉ VÝPOČETNÍ AUTOMATY PROSTŘEDKY PROGRAMOVATELNÝCH LOGICKÝCH AUTOMATŮ... 3 PROSTŘEDKY EMBEDDED JEDNOTEK... 6 PROSTŘEDKY KOMPAKTNÍCH REGULÁTORŮ... 3 PROSTŘEDKY PERIFERNÍCH JEDNOTEK PROSTŘEDKY OVLÁDÁNÍ PROSTŘEDKY PRO OVLÁDÁNÍ ELEKTRICKÉ ENERGIE PROSTŘEDKY PRO OVLÁDÁNÍ TOKU TEKUTIN PROSTŘEDKY OVLÁDÁNÍ POHYBU PEVNÝCH PŘEDMĚTŮ PROSTŘEDKY PRO PROPOJOVÁNÍ A PŘENOS INFORMACÍ PROPOJOVACÍ PROSTŘEDKY SIGNÁLNÍ ÚROVNĚ PROPOJOVACÍ PROSTŘEDKY DATOVÉ ÚROVNĚ PODSYSTÉMŮ PROPOJENÍ DATOVÉ ÚROVNĚ LAN PROPOJENÍ DATOVÉ ÚROVNĚ WAN

5 Technické prostředky pro řídicí a informační systémy Anotace: Řídicí a informační systémy jsou významnou složkou technologie průmyslové i nevýrobní oblasti. Zajištují moderní užívání technologie, bezpečnostní funkce i zabezpečení zdraví a majetku. Mají také významný podíl na ekonomické efektivitě procesů. Všechny tyto přínosy jsou určeny správným projektovým návrhem a volbou technických prostředků. Proto kniha obsahuje části týkající se projektování RISD, části věnované popisu a teorii technických prostředků i ve vazbě na používané senzory. Projektování je popisováno z pohledu hlavních etap budování systémů RIS a souvisejících aspektů technických, organizačních, ergonomických a ekonomických. Problematika technických prostředků se týká všech hlavních subsystémů, tj. subsystému měření a snímání dat, subsystému centrálních jednotek, prostředků podsystémů propojení a přenosu dat a podsystémů ovládání. Aplikační oblasti systému RIS jsou: průmyslové technologie, nevýrobní činnosti ( např. zdravotnictví, administrativa, vzdělávání apod.), specifické oblasti např. dopravní prostředky, bezpečnostní a přístupové systémy, inteligentní budovy.. Předmluva Růst hrubého národního produktu a ekonomiky každého státu závisí ve stále větší míře na zvládnutí a využívání výsledků rozvoje vědy a techniky. V současné době jsou základními rozvojovými obory informatika a automatizace, materiálové a genové inženýrství. Rychlé a intenzivní uplatnění těchto oborů umožní intenzifikovat podnikové procesy, zvyšovat efektivnost výroby a snižovat zatížení životního prostředí. Jedním z prostředků, které mohou pozitivně ovlivnit tyto procesy, jsou moderní řídicí a informační systémy všech výrobních a nevýrobních procesů. Vývoj současných řídicích a informačních systémů v r. 05 ústí do jednoho společného systému u konkrétního subjektu. Vývojovými slogany jsou nyní: Průmysl 4.0, čtvrtá průmyslová revoluce, internet věcí atd. Průmysl 4.0, tzv. čtvrtá průmyslová revoluce, přináší úplné digitální propojení všech úrovní tvorby přidané hodnoty - od vývoje výrobku až po logistiku nebo provedení služby, činnosti, práce apod. Inovace, flexibilita, produktivita a time to market to vše bude nově definováno. Cílem je udržení a zvýšení konkurenceschopnosti. Inteligentní továrny, které díky nové generaci navzájem komunikujících automatizovaných řídicích a informačních systémů samy kontrolují všechny součásti výrobních i nevýrobních procesů. První průmyslová revoluce začala v 8. století, když byla zkrocena energie páry a výroba byla poprvé zmechanizována. Druhá revoluce nastala s nasazením technologií masové výroby na začátku 0. století. Třetí (v období po níž nyní žijeme) přišla před několika desetiletími s elektronickými systémy a počítačovými technologiemi, které pomohly automatizovat a informatizovat pracovní postupy. Průmysl 4.0 budou tvořit kybernetické fyzikální systémy složené ze techniky počítačů, senzorů, ovládacích jednotek a odpovídajícího softwaru. Bude sloučena výpočetní technika a fyzická interakce se skutečným světem. Inteligence dnešních kybernetických zařízení výrazně vzroste. Existující materiálů, komponenty a zařízení a nové prvky budou navzájem v reálném čase komunikovat a vyměňovat si data a instrukce. Rozhraní na plánující řídící a operativní výrobní úrovní vytváří systémy Manufacturing Execution Systems (MES). Půjde o internet věcí v průmyslovém, nevýrobním i spotřebitelském sektoru a o inteligentní svět zařízení, která budou navzájem komunikovat sofistikovaným způsobem. Významnou pozici mají všechny sofistikované hardwarové prvky (senzory, embedded elektronika, měřicí a snímací jednotky, výpočetní technika kancelářská i průmyslová, ovládací mechanizmy, transpondéry RFID, komunikační a propojovací systémy. Neustálá výměna informací mezi různými úrovněmi činností vytváří obrovské množství dat, které musí být zpracováno. Při vyhodnocení ukazatelů je proto potřebná funkcionalita Drill-Down s velkou rozlišovací schopností, aby umožnila konkrétní přístup k informaci. K tomuto účelu nabízí se hybridní technologie zpracování dat, která vychází jak z in-memory technologie pro rychlý výpočet v hlavní paměti serveru, tak také z klasického datového skladu. Použití mobilních koncových zařízení, smartphonů a tabletů kancelářských i průmyslových pak slibuje rozšíření o další aspekt přes mobilní aplikace. Spolu se vzestupem kyber-fyzikálních systémů dojde k nástupu nové pracovní třídy, která se nachází někde na pomezí mezi dnešními manuálními a inženýrskými pozicemi. Náplní nové pracovní pozice bude elementární fyzická práce, tak bude vyžadovat hlubší znalosti a více dovedností, jak ovládat a spravovat stále více propojených systémů v rámci procesu výroby. Příklady: Význam řídicích a informačních systémů (dále jen RIS) z dnešního pohledu je podtržen bohatou historií rozvoje automatizace a informatiky. Grafický přehled je uveden tab.? 3

6 Řízení, automatizace Měření dodávky vody na zavlažování v kanálech. (r. 00 před n..l.) Informatika První počítadlo ABAKUS (r. 500 před n..l.) Regulátor hladiny vody v nádrži. (r.765) Mechanické počítadlo, Pascal. (r. 63) Děrné štítky u tkalcovského stroje. (r.805) Telefon, A.G.Bell. (r.876) Teorie podle J.A.Višněgradského. (r.876) Stolní počítačka s tiskárnou. (r. 885) Teorie stability podle Hurwitze. (r.876) První veřejné TV vysílání. (r. 935) Teorie podle Nuquista. (r. 93) První elektronkový počítač MARK I. (r. 944) Vynález tranzistoru. (r. 947) První pružný disk, Japonsko. (r. 950) Definice kybernetiky podle Norberta Wienera. (r. 948) Programovací jazyk FORTRAN. (r. 957) Vynález integrovaného obvodu. (r.958) Operační systém CP/M. (r. 974) Řídicí počítače v automatizaci. (r.968) Založení Microsoftu Počátek Ethernetu. (r. 975) Vynález mikroprocesoru. (r. 97) Operační systém MS DOS. (r. 980) Aplikace PLC, PCC. (r. 980) Personální počítač PC/XT.. (r. 98) Aplikace IPC v průmyslu (r. 990) Personální počítač PC/AT. (r. 983) Smart měřicí snímače (r. 994) Personální počítač PC/386. (r. 985) Systémy SCADA a HMI (r. 996) Personální počítač PC/486. (r. 987) Senzory MEMS (r.?) Provozování www sítí (r.988) Embedded systémy (r.?) Personální počítač PC/Pentium. (r. 988) Obrazové senzory CCD a CMOS Senzory pro analýzy směsi plynů. Ethernet TCP/IP a internet (r.993) Vícejádrové procesory (r.?) Propojení pomocí optických vláken. Internet věcí (r. 05) Propojení LONWORKS (r.?) Smart telefony (r.?) Pro další rozvoj je základ daný fenoménem INTERNET. Předpokládá se, že bude základní určující prostředek pro další hospodářský i sociální rozvoj vyspělé společnosti. Perspektivní oblastí je i propojení a komunikace na internetu přes GSM telefony. Internet na síti GSM bude využívat technologie WAP- Wireless Application Protocol obdobně jako protokol http. Data se budou řídit programy psanými v jazyce WML (obdoba html). Novým fenoménem je i přenos data internet přes satelity. Základní vývojový směr ukazují obrázky (koncepce CIM/CAM, Obrázek -) a obrázek (koncepce IoT, Obrázek -). 4

7 CIM CAO PPS CAE CAQ CAM Podsystém měření a ovládání procesů Obrázek - Schéma systémové struktury CIM/CAM (CIM-Computer integrated Manufacturing - Počítačem integrovaná výroba: -hlavní počítač systému), CAO-Computer Aided Organisation-Počítačem podporovaná organizační struktura: -subsystém ekonomiky a prodeje, 3-subsystém personalistiky, 4-subsystém marketinku a public relations, 5-subsystém bezpečnosti, PPC-Produktion Planing Control-Počítačem řízené plánování: 6-subsystém přípravy výroby, 7-subsystém zakázek, 8-subsystém koordinace technoogie, CAE- Computer Aided Engineering-Počítačem podporované inženýrské činnosti: 9-subsystém CAD strojní -Computer Aided Design, 0-subsystém CAD elektro, -subsystém CAD technologie, -subsystém výpočtů, 3-subsystém projektování CAP-Computer Aided Project, 4-subsystém normalizace a průmyslového vlastniství, CAQ- Computer Aided Quality-Počítačem podporované řízení kvality: 5-subsystém ISO 9000, 6-subsystém CAT- Computer Aided Testing-Počítačem podporované testování, 7-subsystém řízení jakosti, CAM-Computer Aided Manufacturing-Počítačem podporovaná výroba: 8,9,0,-subsystém skladového hospodářství, -subsystém přípravků, 3-subsystémy CNC strojů, 4-subsystém řízení technologie obrábění, 5-subsystém plastikářských strojů, 6-subsystém robotiky, 7, 9-subsystém řízení a sledování výroby celků, 8, 30-subsystém řízení výrobních dílen, 3-subsystém řízení energetiky, 3, 33- subsystém řízení distribuce elektroenergetiky, 34, 35- subsystém řízení výroby a distribuce tepelné a ostatní energie) Norbert Wiener, americký matematik, definoval kybernetiku jako vědu, která se zabývá obecnými principy řízení a přenosu informací ve strojích a živých organismech v knize Cybernetics or, Control and Communication in the Animal and the Machine (Kybernetika aneb Řízení a sdělování u organismů a strojů) v roce 948. Zde byly vedle sebe postaveny systémy technické, živých organizmů i společnosti. V dnešní době se opět posuzují shodně oblasti technické (Smart Factory), společnosti (Smart Goverment), sociální (Smart Society) a životního prostředí (Smart Cities). Vše se týká života lidí (Smart Life). V informační oblasti má zásadní budoucnost směr E-myslet a E-konat. Vedle zavedení IS je nutno přijmout myšlenku, že je nutno přehodnotit všechny podnikové procesy a podřídit je možnostem E-podnikání. Vytvoření plně integrovaného elektronického podnikání vyžaduje zapojit do on-line procesů partnery-dodavatele a zákazníky. Vyžaduje to používat: Internet, globální informační infrastrukturu, E-obchod, E-podnikání, E- továrna. Je to cesta k uchopení konkurenční výhody. Aplikačními subjekty SIA budou jednak průmyslové podniky, jednak nevýrobní organizace (úřady, školy, nemocnice, obchody,..) 5

8 Internet Průmysl Služby Školy Kultura Zdravotnictví Bydlení Obrázek - Schéma trendu Internet věcí (IoT) Doprava Koncepce Internet věcí je součástí Průmyslu 4.0 a umožňuje rozšivání Internetu z oblasti používání pro lidi do oblasti strojů, zařízení, věcí. Schéma přináší Obrázek -. Jaké významné inovace se čekají do budoucna? Materiály/náplně do 3D tiskáren. Robotika. Solární energie všude, na každém domě. Automatická auta. Umělá inteligence. Využití kvantové fyziky při výrobě čipů. Kmenové buňky, Diagnostika v medicíně, lékařské přístroje (sluchadla s filtrací okolního šumu a hluku=. Biodegradační obaly. Malé atomové elektrárny pro domy. Internet věcí. Masivní rozmach dronů. Využití biologie-fotosyntéza pro nové kvalitní materiály. Informatika: cloud systémy, Chytré oblečení. Chytrá města: čipy v omítkách, chodnících, lavičkách,.. 6

9 Měření teploty Měření a získávání údajů. Úvod Každý systém automatického řízení, každá systém informatiky (obecně systém integrované automatizace, dále jen SIA) vyžaduje mít k dispozici údaje o parametrech a o stavu řízených nebo sledovaných procesů. Tyto funkce zajišťují technické prostředky měřicích obvodů případně zařízení pro snímání a získávání údajů. Vytváří vazbu mezi technickým nebo technologickým zařízením a systémem SIA. Základní druhy technologických veličin, které budou v následující části probírány, jsou: teplota, průtok a množství, tlakové veličiny, výška hladiny, složení a vlastnosti látek, dráha a prodloužení, čas, rychlost, otáčení, hmotnost, síla, výkon a práce, počet kusů, spotřeba tepelné a elektrické energie a její parametry a další. Vedle měřených dat jsou v praxi používány údaje získávané snímáním, jako příklad lze uvést prvky RFID, systém čárových kódů, zařízení autentizace, snímání obrazu, technické kamerové systémy, snímače bezpečnostních systémů atd. Každá měřená veličina má přidělenou jednotku danou mezinárodním měřícím a jednotkovým systémem nebo u specifických veličin a údajů parametry odpovídající způsobu snímání. V evropských podmínkách se používá mezinárodní systém měřicích jednotek - soustava SI ( Systéme International d'unités ) přijatá zákonem č.5/6 Sb a dalšími zákony. Tato soustava obsahuje: základní jednotky ( délky, hmotnosti, času, elektrického proudu, termodynamické teploty, svítivosti, látkového množství), doplňkové jednotky (rovinného úhlu, prostorového úhlu) odvozené jednotky ( plošného obsahu, objemu, kmitočtu, rychlosti, úhlové rychlosti, zrychlení, úhlového zrychlení, hustoty, síly, tlaku, mechanického napětí, dynamické viskozity, kinematické viskozity, energie, výkonu, momentu, povrchového napětí, elektrického náboje, elektrického napětí, intenzity elektrického pole, elektrického odporu, elektrické vodivosti, elektrické kapacity, elektrické indukce, indukčnosti, magnetického indukčního toku, magnetické indukce, intenzity magnetického pole, magnetomotorického napětí, měrného tepla, tepelné kapacity, molárního tepla, hustoty tepelného toku, měrné tepelné vodivosti, zářivosti, světelného toku, osvětlení, jasu, aktivity, ozáření, dávky). Rozpracování převodních vztahů různých jednotek je v (Kučera, 98) a seznam měřících jednotek i pro britsko- americkou soustavu je v (Kučera, 983). Měřicí okruh nebo zařízení snímání údajů v systému SIA se skládá z jednoho nebo více technických prvků. Jsou to: - měřící snímač nebo snímací, např. snímač tlaku; je umístěn na technologickém zařízení v přímém nebo nepřímém styku s měřeným médiem a sleduje průběh měřené veličiny; jeho základním elementem je senzor, který mění podle měřené nebo snímané veličiny své parametry a převádí ji na signál, zpravidla elektrický pro další zpracování anebo pro další přenos; - převodník, elektronický obvod, (např. převodník teploty, převodník tlaku nebo podtlaku, a další), který zpracovává elektrický signál (případně tekutinový signál) z měřícího senzoru a převádí ho na unifikovaný signál pro dálkový přenos a pro další zpracován (např. ze senzoru Pt 00 na unifikovaný analogový signál 4..0 ma); - vyhodnocovací jednotka, zpravidla dnes digitální zařízení (např. vyhodnocovací jednotka měření spotřeby tepla), tj. matematická, výpočetní nebo logická jednotka, která má na vstupu jeden nebo více signálů ze snímačů a vyhodnocuje je na vyšší informační úroveň, výstupem je jeden nebo více signálů nebo soubor údajů ve formě zprávy pro komunikaci; - soustava propojení nebo komunikace pro propojení anebo přenos naměřených signálů nebo datových údajů, která spojuje snímač s převodníkem, převodník nebo vyhodnocovací jednotku s dalšími přístroji ukazatelem, zapisovačem, vstupní stranou počítače, napáječem apod.; - napáječ, který dodává do snímače, převodníku nebo vyhodnocovací jednotky požadované napájecí nebo pomocnou energii - elektrické napětí nebo tlakový vzduch. Příklad struktury systému AŘI z pohledu technických prostředků podává Obrázek -. Ukazuje typické sestavy měření, snímání údajů, převodníků, vyhodnocovacích jednotek, centrálních jednotek a ovládacích zařízení i podle velikosti integrace. 7

10 Měření teploty A W A W W A4 A a) W3,W4 A A3 A- W3 A3 A W3,W4 A3 b) Aa W A5 W3 A3 W Ab W3,W4 Ac Aa Ab Ac A5 A3 c) A--3 W3,W4 d) A--3 Obrázek - Sestavy technických prostředků systémů SIA Sestava ukazuje 4 varianty současných řešení. Varianta a) představuje konzervativní řešení, obsahuje snímač (A) propojený neunifikovaným signálem spojem (W) s převodníkem (A). Unifikovaný signál propojením (W) je spojen se analogovým vstupem centrální jednotky (A3). Tato jednotka jednak vydává analogový unifikovaný signál (W) na akční ovládací jednotku (A4), jednak posílá informaci datovým propojením typu (W3)- sériovým nebo (W4) lokální datovou sítí. Varianta b) představuje integraci snímače a převodníku v jedno zařízení (A-) a propojení signální nebo datové (W3) s centrální jednotkou (A3). Zapojení c) se týká vyhodnocování více měřených dat (snímače Aa, Ab, Ac) ve vyhodnocovací jednotce (A5) zapojenou dále na centrální jednotku (A3) propojením (W3). Varianta d) obsahuje integraci snímače, převodníku a vyhodnocovací jednotky do zařízení (A--3), zpravidla s výstupem typu datového propojení (W3, W4). Signály nebo data z měřících okruhů v systémech SIA jsou využívány v technických prostředcích pro zpracování informace nebo pro řízení. Může to být např. zobrazovač, zapisovač, regulátor, průmyslová anebo personální výpočetní technika, zařízení pro signalizaci. Tyto jednotky jsou umístěny ve vzdálenějších místech a některé mohou být integrovány přímo do měřicího zařízení. Přenos signálů měřicích okruhů má charakter: - stejnosměrného elektrického proudu jako analogový spojitý signál v rozsahu: 4..0 ma, případně 0..5 ma, 0..0 ma, ma, ma, - stejnosměrného elektrické napětí jako analogový spojitý signál v rozsahu: 0..0 V, 0.. V, V, - stejnosměrného elektrické napětí jako stavový nebo impulzní binární signál úrovně TTL v rozsahu logické hodnoty označované zkráceně log 0=0..0,7 V a log =,..5 V, úrovně DTL v rozsahu log 0=0..,7 V a log =8,..5 V, nebo úrovně log 0=0..7 V a log =..4 V, - střídavé elektrické napětí jako frekvenční analogový amplitudový nebo frekvenční signál v rozsahu frekvence Hz, 0.. khz, khz, - střídavého elektrické napětí jako digitální signál frekvenční v rozsahu log 0=0.3 khz a log =3.4 khz nebo amplitudový v rozsahu úrovně log 0=0..7V a log =..4V, - tlaku ladícího vzduchu jako pneumatický analogový signál v rozsahu kpa, - tlaku ladícího vzduchu jako pneumatický digitální signál úrovně log 0=0..0 kpa a log = kpa 8

11 Měření teploty - digitálního datového protokolu s informací ve formě zprávy různé elektrické úrovně a různého druhu přenosu informace podle standardů. Měření technologických veličin Snímání dat teplota průtok a množství tlakové veličiny výška hladiny složení a vlastnosti látek hmotnost, síla délka, úhel, natočení čárové kódy, QR kódy magnetické karty RFID - čipové karty RFID - tagy skenování dokumentů obraz (kamera, video) biometrie geometrické rozměry rychlost posuvu,otáčení stavové veličiny A tepelná energie elektrická energie Obrázek - Druhy hlavních měřených veličin průmyslových procesů a snímání dat V podsystému měření SIA pro průmyslové technologie se vyskytují obecně tyto základní druhy technologických parametrů: teplota, průtok a množství, tlakové veličiny výška hladiny, složení látek, vlastnosti látek, hmotnost, délka a úhel natočení, geometrické rozměry, rychlost, otáčení, stavové veličiny, elektrický výkon a energie a další elektrické parametry, kvalita povrchu a další. Přehled dává Obrázek -. Snímání dat se vyskytuje o informačních a u bezpečnostních systémů. Na obrázku jsou uvedeny základní nosiče dat, které jsou snímány. Příkladem jsou čtecí zařízení osobních karet v systémech ochrany budov nebo kreditních karet v bankovnictví, obchodu, snímací zařízení dokumentů ap. Velmi rozšířeným zařízením jsou snímače čárových kódů, systémy pokladen, systémy vážení v prodejních sítích s komplexním zpracováním ap. Pro většinu základních druhů veličin se používají sériové technické prostředky. Pro malou skupinu veličin se vyskytují ovšem požadavky, pro které nelze použít sériové technické prostředky měření a snímání nebo se vůbec nevyrábí. Pro tyto okruhy se používají specifické technické prostředky a řešení tj. provádí se jejich vývoj, následná výroba prototypů nebo úprava sériových snímačů, ověřování a uvedení do provozu.. Vlastnosti technických prostředků měření a snímání dat Vlastnosti technických prostředků jsou charakterizovány statickými a dynamickými parametry a parametry spolehlivosti. Statické parametry popisují provozně technické vlastnosti přístrojů a jejich jednotlivých prvků v ustáleném stavu. Mezi základní statické charakteristiky patří: - měřící rozsah jako rozsah hodnot měřené veličiny, kdy platí pro výstupní signál uvedená přesnost měření nebo rozsah hodnot snímaných dat, - statická charakteristika popisující závislost hodnot výstupního signálu na hodnotě vstupní veličiny, (např. pro měření teploty senzorem Pt00 je to polynom druhého stupně R=R 0 +a.t+a.t ) - citlivost jako strmost charakteristiky, (např. pro měření teploty senzorem Pt00 je to první derivace polynomu druhého stupně podle závisle proměnné, R/t=a +.a.t) - statická chyba jako souhrn všech chyb uplatňujících se při funkci přístroje v ustáleném stavu - absolutní chyba jako diference mezi indikovanou hodnotou a konvenčně správnou hodnotou veličiny - relativní chyba jako poměr absolutní chyby ke vztažné hodnotě (např. maximální rozsah), často udávaná 9

12 Měření teploty v procentech - nejistota měření: předpokládané chyby všech vlivů v instalovaném prostředí - třída přesnosti vyznačující číslo ze zvolené řady klasifikující přesnost měřidla jako největší relativní dovolená chyba (řada třídy přesnosti je 0,05-0,-0,-0,5--,5-,5-5) - hystereze znamenající rozdíl u hodnot vzestupné a sestupné charakteristiky - rozlišitelnost jako nejmenší změna charakteristiky, která ještě může být indikována - reprodukovatelnost vyjadřující soulad charakteristiky, získané opakovaně za rozdílných podmínek (různými měřicími přístroji, měřícími metodami při působení rozdílných ovlivňujících veličin, ve velkých časových odstupech), - nelinearita jako nepřímková závislost charakteristiky, - saturace jako limita charakteristiky - mrtvé pásmo jako necitlivost v určitém pásmu charakteristiky - vstupní impedance jako hodnota zdánlivého elektrického odporu vstupu prvku - výstupní impedance jako hodnota zdánlivého elektrického odporu výstupu prvku Dynamické parametry. Při sledování časových průběhů proměnných veličin od počátku změny do ustálení odezvy je daný průběh procesu měření charakterizován dynamickými parametry (Chudý, 999). Příčinou přechodových dějů jsou hmotné, tepelné nebo elektrické kapacity, setrvačnosti, tlumení hmot měřících prvků, impedance, rychlosti změn fyzikálních a chemických parametrů měřených medií ap. Dynamické parametry jsou definovány časovou konstantou nebo také přechodovou funkcí, váhovou funkcí, frekvenční charakteristikou, frekvenční funkcí, dynamickou chybou (Fait, 979), některé rovnice: k T s k s y e, Gs ( s), Gs ( s) Ts Ts Ts (-) Na obrázku je vysvětlení časové konstanty prvků a celých měřicích obvodů. Nejjednodušší je hodnocení dynamiky podle časové konstanty. Dá se odečíst z přechodové charakteristiky výstupu jednotky nebo obvodu na skokovou změnu na vstupu. 00% 95% 00% 63,% 50% a) T 50 T 63 T 95 Přechodové charakteristiky měřicích obvodů Část a) ukazuje přechodovou charakteristiku pro systém.řádu. Zde výrobci techniky uvádí parametry: - Časovou konstantu T (odpovídá časové konstantě z teorie automatického řízení) nebo také T 63. Je to doba, kdy se dosahuje 63,% hodnoty skokové změny. - Hodnotu T 50, tj. dobu, kdy se dosahuje 50% hodnoty skokové změny. - Časovou konstantu T 50, což je doba pro dosažení 95% hodnoty časové skokové změny vstupu. Část b) obrázku zobrazuje přechodovou charakteristiku pro systém.řádu. Podle teorie automatického řízení se uvádí doba zvratu T u a doba náběhu T n. Tyto hodnoty se málo uvádí, protože většina technických prostředků měření je výrobci aproximovaná do průběhů podle soustavy.řádu. b) T u T n Spolehlivost je definována (Götte, 974) jako schopnost zařízení plnit funkci podle daných požadavků po definovaný časový úsek. V praxi to znamená, že např. měřicí přístroj předává měřený signál podle působení vnějších podmětů v odpovídající statické a dynamické přesnosti po definovanou dobu. V případě závady je přístroj po dobu opravy vyřazen z funkce. Podle druhu vyřazení z funkce je ve větším nebo menším rozsahu přerušena funkce celého SIA využívající tento údaj. Pro popis a hodnocení spolehlivosti se používají pojmy a parametry: 0

13 Měření teploty - výpadek funkce (závadou nebo jiným zásahem způsobená nefunkčnost přístroje), - doba provozu Tp (celková doba provozování mimo doby výpadků), - doba životnosti doba mezi uvedením do provozu a termínem modernizace, výměny nebo ukončením provozu zařízení), - doba trvání výpadku Tv (doba mezi okamžikem výpadku a uvedením přístroje po opravě do provozu), - střední doba mezi poruchami je střední doba mezi dvěma následujícími výpadky funkce, značí se MTBF (mean time between failures), je udávána jako poměr celkové doby provozu Tp ku počtu výpadků i, platí: MTBF= Tp / i (-) - provozuschopnost je pravděpodobnost, že zařízení bude po uvedený čas v provozovatelném stavu a je definována jako poměr celkové doby provozu a součtu celkové doby provozu Tp a celkové doby trvání výpadků Tv, platí vztah: A= Tp /( Tp + Tv ) (-3) Aby technické prostředky měření splnily parametry a podmínky provozování, jsou konstruovány tak, aby byly odolné vůči vlivům okolního prostředí a měřeného média v případě, že jsou s ním v přímém styku s měřeným médiem. Nesmí také ovlivňovat další přístroje, které jsou v okolí v dosahu jeho vlivu. Posouzení všech těchto vlivů a volba vhodných prostředků se provádí ve fázi zpracovávání projektové dokumentace (Hruška, 06). Okolním prostředím pro tyto účely se rozumí: - technologické médium, které je ve styku s prostředky automatizace (snímač, regulační orgán) - okolní atmosféra, kde jsou instalovány prostředky automatizace (snímače, převodníky, akční členy, regulátory, prostředky průmyslové výpočetní techniky, kabely, propojení komunikace,..) - okolní přístroje, které jsou ovlivněny elektrickým nebo elektromagnetickým polem elektrické části. Část prostředků, která je ve styku s technologickým médiem, musí během celé doby životnosti snímače odolávat jeho mechanickému působení, jeho fyzikálním a chemickým vlivům. Měřeným médiem může být látka pevná, kapalná, plynná, vodní pára, dále směs nebo disperze látek. Druhy prostředí jsou definovány v ČSN (Hruška, 07). Bezprostřední okolí měřících přístrojů vytváří tzv. mikroklima. Je to malé objem prostředí (např. m kolem stroje) nebo i velký objem prostředí, (např. volných prostranství továren nebo vnitřních prostor objektů), ovlivňované místními podmínkami, umístěním zařízení a jejich vlastní funkci..3 Požadavky na elektrické vlastnosti Provozování systémových prostředků v současné době, kdy jsou používány v převážné míře elektrické přístroje, je dáno také elektrickými podmínkami a elektrickými vlastnostmi zařízení. Jedná se především o: kvalitu pomocné napájecí energie, parametry elektromagnetické kompatibility, parametry vazebních obvodů jednotlivých prvků obvodů, odolnost vůči rušení bezpečnostní podmínky (např. ochrana proti nebezpečí dotyku živých částí, před nebezpečím výbuchu a zásady elektromagnetické kompatibility). Důležitým aspektem při sestavování technických prostředků jsou elektrické parametry vazebních obvodů výstupu prvku a vstupu následujícího prvku. U těchto vazeb musí být dodržena správná napěťová úroveň, druh napětí, správná výstupní a vstupní impedance propojených obvodů a frekvenční charakteristika. V průmyslových podmínkách působí na systémové prostředky elektrické rušivé vlivy, mezi které především patří: harmonické rušení (interferenční indukční, kapacitní), transientní rušení (impulsní krátkodobé a rychlé změny od atmosférických výbojů a elektrostatiky) a fluktuační (zemnící proudy, změny přechodových odporů, drift elektroniky, šum). Základní rušivé vlivy jsou způsobeny interferencí sériového a souhlasného rušení k měronosnému signálu případně vlivy galvanickým propojováním.

14 Měření teploty A Z HI A U m Z LO Z G U G Obrázek -3 Schéma vzniku souhlasného rušivého napětí Souhlasné rušivé napětí působí na svorkách vyhodnocovacího přístroje stejně jako měřené napětí. Může být stejnosměrné i střídavé. Nejčastěji je způsobován rozdíly potenciálů země u vyhodnocovací jednotky a snímače. Požaduje se omezení tohoto vlivu a činitel potlačení je dán vztahem: CMRR U U X CM 0. log (-4) kde je CMRR součinitel potlačení (db), U CM souhlasné rušivé napětí, U X změna měřeného údaje vlivem rušení. Schéma ukazuje Obrázek -3. Sériové rušivé napětí působí v sérii k měřenému napětí. Také může být DC i AC, ale nejčastěji je střídavé interferenční rušení od silových zdrojů s frekvenci 50 Hz nebo násobků harmonických. Činitel potlačení je dán vztahem: SMRR U U X SM 0. log (-5) kde je SMRR součinitel potlačení (db), U SM sériové rušivé napětí, U X změna měřeného údaje vlivem rušení. Schéma ukazuje obrázek -4. I G I AC U AC A B AC E AC Z U SM HI U m LO Obrázek -4 Schéma vzniku sériového rušivého napětí Odstranění rušivých vlivů se zajišťuje technickými opatřeními. Souhlasné rušivé vlivy, které jsou způsobeny zemnícími spoji, se odstraní dokonalým zemněním vyhodnocovací jednotky a rozpojením zemnícího obvodu. Toto ale často koliduje s požadavkem ochrany před nebezpečným dotykem, proto nastupují opatření galvanické oddělení snímače a vyhodnocovací jednotky. Sériové rušení je způsobováno nejčastěji interferenční vazbou silového vodiče a blízkého metalického propojení měřicího obvodu. Schéma ukazuje obr..5.

15 Měření teploty I AC U AC B AC E AC A Z HI A U m Z LO Z G Z=0 Z=0 Obrázek -5 Odstranění vlivu sériového rušení kroucenými vodiči a stíněním Interferenční vazba od elektrického pole se přeruší použitím stínění s uzemněním pouze na jednom konci stínění kabelu. Důvodem je znemožnění elektrického okruhu pro zemnící proud. Magnetické pole je popsáno magnetickou indukcí B AC, vzniká od proudu I AC v silovém vodiči a odstraní se použitím kroucených párů vodičů v měřicím obvodu. Zvláštním rušením, často destruktivním, jsou transientní rušení od atmosférické nebo statické elektřiny. Atmosférické elektrické jevy souvisí s bouřkou. Projevem bouřky je blesk, který je silný přírodní elektrostatický výboj (electrostatic discharge ESD). Bleskový elektrický výboj je provázen emisí světla a expanzi vzduchu (hrom). Atmosférické výboje vznikají v mracích a v prostoru nad bouřkovými mraky. Po dosažení úrovně napětí pro přeskok vzniká blesk mezi mraky (Obrázek -6, ), mezi stromy (), k zemi a mezi elektrickými venkovními rozvody (3) či domy. Přeskoková vzdálenost elektrického výboje je velmi silně závislá na celkové vlhkosti vzduchu, na teplotě a také tlaku vzduchu. Většina těchto měření je prováděna za konstantní vlhkosti, tlaku a teploty vzduchu. Běžná technická hodnota u vedení velmi vysokého napětí počítá s minimální přeskokovou vzdáleností asi 0 kilovolt na centimetr, tedy minimálně metr na jeden milión voltů. Průměrný blesk nese proud 30 ka a má potenciální rozdíl asi 00 MV a přemístí se jím náboj asi 5 C. Největší potíže vznikají z naindukovaného napětí do silových vodičů na stožárech a vedeného přes rozvaděč (4), do kabelových přívodu od televizních antén (5) a přijímačů bezdrátových datových spojů (6). Odstranění se provádí technickými prostředky transientní ochrany, tzv. svodiči napětí. Hlavní ochrana musí být v místech vstupu silového přívodu do budovy, tj. v rozvaděči (4), na kabelu od antény (5) a na kabelu od přijímače WiFi (6). Podružné svodiče jsou pak ve vnitřních rozvodech. L 3 N L+N+PE Obrázek -6 Výboj atmosférické elektřiny a vstup do budovy PE 3

16 Měření teploty Statická elektřina je nashromáždění elektrického náboje na povrchu těles a předmětů a jejich výměnou při vzájemném kontaktu.vzniká mezi materiály, které přicházejí střídavě a vzájemně do styku a opětovně se oddělují nebo jejich třením (tribolelektrické nabíjení). To způsobuje rozdělení nebo převod negativních elektronů z jednoho atomu na druhý. Velikost náboje je závislá na řadě faktorů jako jsou materiál (jeho elektrické a fyzikální vlastnosti), teplota, vlhkost tlak a rychlost oddělení materiálů. Vhodným materiálem je izolant, který si může uchovat svůj statický náboj po velice dlouho dobu a dokonce může mít náboj o různé polaritě na různých místech. Elektrony se nemohou volně pohybovat a proto nelze izolanty snadno zbavit jejich náboje uzemněním. Statický náboj způsobuje v normálním životě i pracovních procesech mnoho problémů. Přeskok náboje při vystupování z automobilu, pokrývání ploch přitahovanými prachovými částicemi, problémy při umisťování folií a nálepek na plochy, poškození citlivých elektronických součástek nebo zařízení, výbuch v nebezpečných prostředích a požáry. Vodiče jsou zbavovány statického náboje uzemněním. Neutralizace statického náboje na izolantech je realizována ionizátory (ionizéry) principem je proud vzduchu, který je rozdělen na kladné i záporné ionty. Tyto jsou na vybíjeném předmětu přitahovány ionty s opačným nábojem a tím dochází k neutralizaci statického náboje. Statický náboj dokáže být i užitečným, například tím, že materiály drží dočasně pohromadě a tím zjednoduší výrobní procesy. Podle všech uvedených podmínek a vlastností jsou vyvíjeny a konstruovány technické prostředky měření. 4

17 Měření teploty 3 Měření teploty 3. Úvod Teplota je termodynamická stavová veličina. Definuje se na základě vratného Carnotova cyklu. Proto lze stanovit teplotní stupnici pomocí termodynamických zákonů nezávisle na vlastnostech teploměrné látky. Lord Kelvin definoval termodynamickou absolutní teplotní stupnicí dvěma body: absolutní nulová teplota 0 K a trojný bod vody (rovnovážného skupenství ledu, vody a páry). Teplota tohoto bodu je 73,6 K. Z historického důvodu se dále používají v technické praxi pro teplotu jednotky: T K = teplota v Kelvinech (kolem r. 900 Skot W. Thomson lord Kelvin) T C = teplota ve stupních Celsia (r. 74 Švéd Anders Celsius) T F = teplota ve stupních Fahrenheita (G. D. Fahrenheit, ) T Ra = teplota ve stupních Rankina (skotský inženýr William John Macquorn Rankine v roce 859) T Re = teplota ve stupních Réaumura (r.730 Francouz René Antoine Ferchault de Réaumur). Přepočtové vztahy: T T 73,5 (3-) C K T ( 9/5). T 3 (3-) F C T (9/5). (3-3) Ra T C T Re 0,8.T (3-4) C V roku 989 byla přijata mezinárodní teplotní stupnice ITS-90 (International Temperature Scale of 990). Jsou uváděny 4 definiční rozsahy teploty: rozsah 0,65 K až 5,0 K se definuje pomocí tlaku par 3 He a 4 He rozsah 3,0 K až 4,556K (trojný bod neónu) se definuje pomocí heliového plynového teploměru rozsah 3,8033 K (trojný bod rovnovážného stavu vodíku) až 96,78 C (bod tuhnutí stříbra) se definuje pomocí platinového odporového teploměru rozsah nad 96,78 C se definuje pomocí Planckova vyzařovacího zákona. Měření teploty se provádí dotykově, tj. snímač je vnořen do měřeného prostředí, teplota senzoru se ohřívá na teplotu měřeného okolního prostředí (prostředí předává teplo do senzoru snímače tak dlouho, až jsou teplota senzoru a teplota okolí vyrovnány) nebo bezdotykově, kdy se zjišťuje povrchová teplota tělesa a využívá se šíření elektromagnetického záření. Při měření teploty hodnoceného předmětu nebo látky se používá několik typu senzorů založených na fyzikálním principu závislosti změn elektrických nebo i mechanických parametrů materiálu senzoru. Tak v technické praxi se uplatňují např. senzory: - dilatační využívající roztažnosti tuhých, kapalných a plynných látek - se změnou elektrických vlastností (odpor, termoelektrické napětí, polovodičový efekt) - se snímáním elektromagnetického záření (infračervená oblast). Snímání teploty s mechanickým principem roztažnosti se používá převážně pro místní měření, kdy není nutné připojení na řídicí nebo informační systém, ale postačí jen místní odečet teploty. Dále se používá tato technika jako zabezpečovací prvek pro zajištění bezpečnosti provozu zařízení, např. hlídání maxima přehřátí vody u výstupu na kotle. Další dva principy, tj. změny elektrických vlastností a parametrů hmoty senzorů nebo bezdotykové měření teploty jsou již plně elektronické způsoby a plně používané u řídicích a informačních systémů. Rozsahy použití základních typů snímačů teploty podle principů zobrazuje Obrázek 3-. V první části jsou to principy se změnou elektrického odporu (rezistence), uprostřed jsou základní typy termočlánků. Na pravé části je uveden sloupec pro snímače s bezdotykovým způsobem snímání IR záření a pro snímače dilatační. Senzory pro dotykové měření teploty jsou zabudovány do snímačů teploty a jako kompaktní zařízení jsou používány pro měření v prostředí, kde jsou namontovány. Bezdotykové měření teploty je zajištěno snímáním elektromagnetické energie z povrchu těles a v infračervených snímačích teploty. 5

18 Měření teploty C C -00 Pt Ni NTC odporové principy PTC Si T Cu-Ko J Fe-Ko E Ch-Ko S K PtRh-Pt Ch-Alu termoelektrické principy R WRe-W Obrázek 3- Rozsahy měření základních dotykových snímačů teploty IR radiace Dilatace 3. Dilatační snímače teploty 3.. Teorie Dilatační snímače teploty využívají princip délkové a objemové roztažnosti plynných, kapalných a pevných látek. Charakteristickým parametrem je objemová roztažnost, u pevných látek délková roztažnost. Platí vztahy: V V 0 ( t) (3-5) v l l ( t ) (3-6) 0 l t l kde je V výsledný objem (m3), V o původní objem (m3), l výsledná délka (m), l původní délka (m), v koeficient objemové roztažnosti, l koeficient délkové roztažnosti, t změna teploty ( C). Hodnota délkového teplotního součinitele prodloužení: hliník,4.0-5 (K - ), měď,7.0-5 (K - ),,9.0-5 (K - ),wolfram 0,4.0-5 (K - ), železo,.0-5 (K - ), mosaz,8.0-5 (K - ), invar 0,. 0-5 (K - ), sklo chemické 0,8.0-5 (K - ), sklo křemenné 0, (K - ), sklo SIMAX 0, (K - ). Hodnota objemového teplotního součinitele pro některé kapaliny je: aceton (K - ), etylalkohol (K - ), voda 0,7.0-5 (K - ), rtuť 8,.0-5 (K - ). Závislost výstupního tlaku na teplotě pro plyny je nelineární a je určen vztahem: B log p A C. T T kde je p tlak sytých par (Pa), T absolutní teplota (K), A, B, C výpočtové konstanty. Tento fyzikální princip je realizován v senzorech založených na roztažnosti objemu plynů, par nebo kapalin a na roztažnosti délkové pevných těles. Změna objemu nebo délky je propojena s mechanickým převodem a ručkovým ukazatelem teploty nebo je namontováno kontaktní mžikové spínání nebo snímač délky v malém rozsahu a vysokou roztažností. 3.. Popis snímačů Kapalinové dilatační teploměry jsou používány pro místní měření teploty. Jsou vytvořeny skleněnou kapilárou s náplní rtuti (rozsah od 30 C až 300 C) nebo organické kapaliny: etylalkohol (rozsah od 0 C až 70 C), toluen (rozsah od 90 C až 00 C), pentan (rozsah od 00 C až 30 C), xylen, benzen a tělesem se stupnicí. Podle vnějšího tvaru jsou teploměry tyčinkové, stonkové, s potlačenou stupnicí, kontaktové, s měřením maxima a minima. Kontaktové dilatační kapalinové teploměry jsou používány v laboratořích pro obvody nespojité regulace teploty. (3-7) 6

19 MPa Měření teploty j Obrázek 3- Tyčový dilatační a bimetalový teploměr Kovové dilatační teploměry používají tyč z kovového materiálu nebo dvojkovového pásku (bimetalového). Plná tyč je vyrobena z mosazi, ocele, zinku, hliníku, niklu (veliká roztažnost) a je v obalu z invaru, skla, porcelánu (malá roztažnost). Rozsah měření je od 30 C až 000 C. Nevýhodou je malá přesnost (nad %) a velká časová konstanta. V regulační technice jsou tyto teploměry používané pro místní měření s mechanismem pro ručkové měřidlo (viz obr. Obrázek 3-) a pro limitní spínání podle žádané teploty. Dvojkovový (bimetalový) teploměr využívá teplotní roztažnost dvou pevně mechanicky spojených kovových pásků s rozdílnou roztažností. Při zvýšení teploty se pásky ohýbají na stranu pásku s menší roztažností. V praxi jsou pro bimetal používány kombinace kovů: invar (36 % Ni, 64 % Fe)+ mosaz (6 % Cu, 38% Zn), invar+nikl, invar+ocel, ocel+ feronikl. Průhyb dvojkovu ve tvaru vetknutého nosníku je dán vztahem: y. l b t kde je relativní součinitel roztažností pásků, l délka pásků, b tloušťka obou pásků, t měřený teplotní rozdíl. Větší prohnutí se dosahuje změnou tvaru pásku. Např. se používá tvar písmene U, plochá nebo válcová spirála. V automatizační technice se používají dvojkovové teploměry s přímým ukazováním teploty pro místní měření nebo pro limitní spínače pro nespojitou regulaci (např. termostat u žehličky). Rozsah měření je od 40 do 500 C. Nevýhodou je velká časová konstanta a malá přesnost. Tlakové snímače teploty pracují tak, že převádí objemovou roztažnost plynných, kapalných a pevných látek na změny tlaku v deformačním členu, který je přes mechanismus spojen se stupnicí. Velikost tlaku je poměrně vysoká. Používají se nejčastěji kapalinové a parní teploměry. (3-8) 3,5 3,5,5 0,5 0 ethaléter ethylalkohol C Obrázek 3-3 Závislost tlaku na teplotě u tlakových parních teploměrů U kapalinových tlakových snímačů teploty se používá jako náplň: rtuť, xylol, metylalkohohol, petrolej, ale jen v rozsahu teploty do bodu varu kapaliny. Hydraulický systém tvoří kovová nádobka umístěná v měřeném místě, kapilára a deformační člen, nejčastěji Bourdonova trubice. Často je používána u této soustavy korekce na vliv teploty okolí a na hydrostatický tlak. Rozsah použití je od 38 C až 600 C ( pro Hg, kdy se uplatňuje zvýšený tlak až na hodnoty MPa). Snímače se používají pro místní měření s menší přesností a pro pomalé změny teploty. Tlakový parní teploměr obsahuje v uzavřeném systému sytou páru metylchloridu, oxidu siřičitého, etyléteru, etylalkoholu, toluenu, hexanu, benzenu, propanu, líhu nebo pro nízké teploty kyslíku, neónu, vodíku, hélia. V měrné nádobce se vyskytuje pára společně s kapalinou. 7

20 Měření teploty 3 t a Obrázek 3-4 Schéma tlakového dilatačního snímače teploty V praxi se používá parotlakový teploměr s náplní He jako primární etalon pro rozsah nízkých teplot. Pro etylalkohol je při změně teploty ze 00 C na 80 C změna tlaku z 0, až na MPa. Závislost tlaku vnitřní náplně na teplotě je uveden na obr. Obrázek 3-3. Schéma tlakového dilatačního snímače teploty uvádí Obrázek 3-4Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. Nádobka () je umístěna v prostoru měření a je vystavena působení měřené teploty t a. Změny tlaku dané působením teploty se přenáší kapilárou (), která spojuje nádobku v měřeném prostoru s nejčastěji kontaktním tlakovým zařízením (3) s membránou. Místo kontaktů může zde být umístěn snímač spojité změny posunutí na spojitý analogový signál Použití dilatačních snímačů teploty Princip dilatace je princip fyzikální mechanický. Velmi často se aplikuje pro místní měření používající jednoduchý ukazatel. Příklad mechanického převodu je ukazuje Obrázek 3-5. Obrázek 3-5 Příklad mechanického převodu dilatačního snímače na ukazatel Dalším příkladem mohou být skleněné teploměry s náplní kapaliny a její poloha vůči mechanické stupnici udává hodnotu měřené teploty. Příklad Obrázek 3-6. Obrázek 3-6 Skleněné teploměry Pro aplikace v systémech řízení a informatiky je nutný převod změn délky nebo objemu na elektrický signál. V praxi se nejčastěji uplatňuje princip mžikového kontaktního spínání, kdy výstupem je dvouhodnotový signál Obrázek 3-7 Použití dilatačních snímačů teploty a různá provedení dilatačních snímačů. Jednotky snímačů označené Aa, b, c dávají výstupní signál dvouhodnotový. Provedení Aa je provedení s bezpotenciálním výstupem s kontakty. Toto provedení používá právě mžikový systém funkce kontaktů. Provedení Ab má polovodičový dvouhodnotový výstup s tranzistorem v zapojení NPN a provedení Ac má tranzistor s otevřeným kolektorem. Projektant má možnost výběru a správného použití senzoru. Provedení snímačů A se týká výstupního spojitého analogového signálů. Prodloužení nebo změna objemu je snímáno senzorem např. potenciometrickým, kapacitním nebo indukčnostním a vyhodnocovací obvody zajistí 8

21 Měření teploty na výstupu signál 0-0V nebo 4-0 ma. Provedení A3 používá obvod mikrokontroleru, analogový signál je číslicově zpracován na datový výstupní signál. Vnitřní elektronika obsahuje embedded mikropočítačovou jednotku vyhodnocování a výstup je datový typ sériového přenosu (typ USB, RS3, RS485 aj.) nebo typ pro LAN s protokolem TCP/IP nebo s protokolem průmyslového ethernetu. Skutečné ukázky provedení teploměrů s dilatačním principem ukazuje Obrázek 3-8. t Aa U N U out =log.0/log. t Ab U N U out =log.0/log. t Ac UN U =log.0/log. out t Aa U N U =0-0V out t Ab U N I =4-0mA out t A3 D/D Obrázek 3-7 Použití dilatačních snímačů teploty Obrázek 3-8 Dilatační a bimetalový limitní spínač (EKOREG, Škoda, Tatramat) 3.3 Dotykové snímače teploty Snímače teploty pro SIA jsou elektronické a poskytují možnost přímého připojení na vstupy centrálních jednotek. Používají se senzory odporové (kovové i polovodičové), senzory termočlánkové a senzory polovodičové. 9

22 Měření teploty 3.4 Odporové snímače teploty 3.4. Teorie odporového měření teploty Dotykové měření teploty využívá změny elektrických vlastností hmoty senzorů podle teploty. Změny se týkají změny elektrického odporu materiálu senzoru nebo změny elektrického napětí u termoelektrických senzorů nebo změny vodivosti u polovodičových struktur. Odporové senzory teploty patří k velké skupině snímačů pro dotykové měření využívající změny závislosti elektrického odporu na teplotě. Materiál u použitých senzorů těchto snímačů určuje rozsah měření, přesnost a konstrukci. Ve snímačích se používají odporové senzory z kovových nebo z polovodičových materiálů. Při zapojení elektrického napětí do elektrického obvodu vzniká usměrněný pohyb nábojů částic. Průřezem prvků pochází tok kladných nábojů v jednom směru a vytváří směr elektrického proudu. Velikost proudu I je posuzována jako množství kladného náboje prošlého za jednotku času: dq I d ( 3-) kde je dq změna elementárního náboje dzměna doby toku. Proud má jednotku A (ampér) = coulomb/sekunda. Elektrický proud ve vodiči je děj prostorový, probíhá na celém průřezu prvku - vodiče. Ve výjimečných případech se vyskytuje také plošný proud (prochází pouze plochou) nebo vláknový proud procházející proudovým vláknem. Pro elektrický proud ve vodičích platí Ohmův zákon. Předpokládá homogenní vodič o průřezu S a délky l. Platí U I S. i S l GU ( 3-) kde je S průřez vodiče, i hustota proudu, konstanta měrná elektrická vodivost hmoty tělesa-vodiče, U přiložené elektrické napětí, l délka vodiče, G elektrická vodivost. Při zavedení pojmu elektrický odpor R, pro který platí: l R G S ( 3-3) kde je měrný elektrický odpor vodiče dostáváme vztah pro Ohmův zákon v integrálním tvaru:. ( 3-4) U RI Ohmův zákon platí pro ustálený stejnosměrný proud ve vodičích nebo pro čistě ohmickou zátěž. Používané jednotky jsou: R elektrický odpor (Ohm) měrný elektrický odpor (.m) G elektrická vodivost (S Siemens) měrná elektrická vodivost (S/m) Snímače teploty s kovovými odporovými senzory Principem kovových odporových senzorů je teplotní závislost odporu kovového materiálu na změnách teploty. Kov má v krystalové mřížce soubor kladných iontů a chaoticky se pohybující elektrony, které ovlivňují změny elektrického odporu. Jako kov jsou používány platina, nikl, molybden, výjimečně další kovy. Závislost odporu senzoru je popsána jako funkce změn měrného odporu a rozměrových parametrů délky a průřezu tělíska senzoru podle rovnice: l R. (3-9) A kde je měrný odpor hmoty senzoru (.m), l délka vodiče, A plocha vodiče. Funkce závislosti na teplotě je u kovů lineární jen v malém rozsahu, u polovodičů je výrazně negativní. 0

23 Měření teploty Jako materiál slouží především čisté kovy. Požadavkem je konstantní teplotní součinitel v čase, nulová hystereze a dostatečně vysoký měrný odpor. Nejčastěji používaným kovovým materiálem je platina, nikl, molybden případně další kovy. Historicky významným parametrem pro teplotní závislosti kovových senzorů pro jejich hodnocení je tzv. teplotní součinitel. Pro teplotní součinitel kovových senzorů teploty je stanoven vztah: 00 0 ( 3-0 ) 00 0 kde je 00 měrný odpor při 00 C, 0 měrný odpor při 0 C. Jednotkou je (/K) nebo (ppm, hodnota.0-6 větší). Hodnoty měrného elektrického odporu 0 a teplotního součinitele (ppm) pro některé čisté kovy jsou v Tabulka 3-. Tabulka 3- Hodnoty měrného elektrického odporu a teplotního součinitele vybraných čistých kovů Kov 0 (m). 0-6 (ppm) Kov 0 (m). 0-6 (ppm) Ag 0, Na 0, Al 0, Ni 0, Au 0, Pt 0, Cu 0, Re 0, Fe 0, Rh 0, Mo 0, W 0, Platina se používá u kovových odporových senzorů historicky pro svoji vysokou chemickou stálost, vysokou teplotu tavení a možnost dosažení vysoké výrobní čistoty. Používá se vysoce čistá platina s obsahem nečistot do 0.07 %. Nečistotami jsou zpravidla železo, iridium ap. Tato čistota zaručuje změny základního odporu kolem (), což odpovídá změnám teploty pro typ Pt 00 asi 0.00 K. Platina vyhovuje pro měření teploty v rozsahu od 00 do 860 C. Její měrný odpor při teplotě 0 C je 0, (m). Změna odporu v závislosti na teplotě je dána funkcí: R R ( At. B. ), (3-) 0 t kde je R 0 odpor při 0 C, t teplota C, A=3, , B=-0, nebo podle standardu IEC má funkce tvar: 3 R R ( At. B. t C. t ( t 00)), ( 3-) 0 kde je A=3, , B=-5, , C=0 pro t>0 C a C=-4, pro t<0 C. Platinové senzory mají při výrobě stanovené toleranční pásmo podle standardu IEC 75: třída A (rozsah C, chyba abs. při 50 C +/- 0,5 C, při 0 C je +/-0,5 C a při 600 C je +/-,35 C, tj. Ro=00,00 +/-0,06 Ohm a Tk=3850 +/-6 ppm/k) třída B (rozsah C, chyba abs. při 50 C +/- 0,6 C, při 0 C je +/-0,3 C a při 600 C je +/-3,3 C, tj. Ro=00,00 +/-0, Ohm a Tk=3850 +/-3 ppm/k) třída C (rozsah C, chyba abs. při 50 C +/-,0 C, při 0 C je +/-0,6 C a při 600 C je +/- 4,8 C, tj. Ro=00,00 +/-0,4 Ohm a Tk=3850 +/-3 ppm/k) třída D (rozsah C, chyba abs. při 50 C +/-,3 C, při 0 C je +/-,5 C a při 600 C je +/-0,5 C, tj. Ro=00,00 +/-0,60 Ohm a Tk=3850 +/-6 ppm/k) Zpětný výpočet teploty je odvozen z rovnice (-) a pro naměřený odpor je dáno jako výsledek řešení kvadratické rovnice: B R. t A. R t ( R R) 0 (3-3) kde je R 0 elektrický odpor snímače při 0 C, R naměřená hodnota elektrického odporu (), t hledaná teplota ( C). Pro výpočet lze použít běžný postup řešení kvadratický postup s diskriminantem.

24 Měření teploty Protože charakteristika senzoru Pt v celém rozsahu je mírně nelineární, je nutné určit citlivost senzorů v libovolném bodě měření. Nejvhodnější způsob určení je provést derivaci analytické rovnice charakteristiky senzoru. Takový výsledný vztah je rovnice citlivosti pro Pt00 (pro charakteristiku rovnice -): dr B. R0. t A. R ( 3-4) 0 dt V praxi se používají senzory s označení Pt00, Pt000, Pt0000, kde označení znamená hodnotu elektrického odporu při 0 C, tj. např. Pt00 má odpor 00 při 0 C. Ve vývoji jsou senzory s hodnotou 00 k. Důvodem je zvýšení citlivosti, rozlišení a snížení nejistot v měření. Standardem platinových senzorů teploty je senzor Pt00. Toto značení znamená, že se jedná o kov platina, která vykazuje při 0 C elektrický odpor 00. Citlivost tohoto senzoru je pro teplotní součinitel 3850 ppm 0,385 / C. Pro zvýšení citlivosti jsou vyvíjeny senzory Pt000 a další. Přehled uvádí Tabulka 3-. Tabulka 3- Odpor pro 0 C a citlivost platinových senzorů teploty Typ pro 0 C Citlivost C Pt ,385 Pt ,85 Pt ,5 Pt Teplotní součinitel u kovových senzorů je dán platnými normami a standardy. V ČR je uplatňován součinitel = 0,00385 (/K) čili 3850 (ppm/k) s poměrem odporů R 00 =R 00 /R 0,385. Pro platinové senzory platí tyto hodnoty podle normy ČSN nebo IEC 75. US Industrial Standard má hodnoty = 0,0039 (/K) čili 390 (ppm/k) a poměr odporů je W 00 =R 00 /R 0 je,39, norma British Standard udává = 0,00390 (/K) čili 3900 (ppm/k) tj. W 00 =,390, norma GOST používá hodnotu = 0, (/K) čili 3905 (ppm/k) tj. W 00 =, a) b) 6 4 c) Obrázek 3-9 Provedení kovových senzorů teploty Senzor je vyroben z platinového drátu o průměru 0,045 mm nebo jako folie z platiny na keramické podložce. Vinutí z drátu je bifilární, jednoduché nebo dvojité. Provedení vinutého senzoru je se nebo 4 vývody, tvar nosné části je plochý, válcovitý z keramiky, skla nebo slídy nebo umělé hmoty. Příkladem provedení je Obrázek 3-9, kde pozice a) zobrazuje plochý senzor s platinovým vinutím () na slídové podložce () opatřené krytem (3), pozice b) zobrazuje válcový senzor s vinutím (), s keramickým tělískem (4) a vývody (5). Pozice c) je typ foliového senzoru, kde na keramické podložce (4) je folie Pt (6). Obrázek 3-0 Provedení snímačů teploty (nástěnné, jímka s kabelem, stonkový, JSP)

25 Měření teploty Senzory jsou montovány do snímačů teploty různého provedení. Je to například nástěnné provedení nebo provedení do jímky s kabelem nebo se svorkovnicí (Obrázek 3-0). Základní podmínkou pro konstrukci snímačů je zajištění možnosti přístupu měřené tekutiny k senzoru vhodnými otvory u nástěnného provedení nebo použitím vhodného materiálu na jímku s malým teplotním odporem pro rychlý prostup tepla z měřeného prostředí na senzor pro jeho ohřátí. Nikl je dalším významným kovem pro odporové teploměry. Použitelný rozsah měření je od 60 do 50, krátkodobě 80 C. Při teplotách nad 300 C nastávají již strukturní nezvratné změny. Nikl je napadán kyselinami a čpavkem. Používá se proto, že je levnější než platina i při omezení rozsahu měření. Měrný odpor Ni při 0 C je 0, (m). Používají se senzory s R 0 = 00 Ohm (teplotní součinitel je 0,68 (/K) čili 680 (ppm/k)), R 0 = 89 Ohm (teplotní součinitel je 0,637 (/K) čili 637 (ppm/k)), R 0 = 000 Ohm (teplotní součinitel je 0,68 nebo 0,5 (/K) čili 680 nebo 5000 (ppm/k)). Poměr odporů R 00 /R 0 pro Ni000 je,68. Někteří výrobci nabízí také Ni senzory s teplotním součinitelem 670 (ppm/k). kde je Změna odporu Ni na teplotě je podle funkce: 3 R R ( At. B. t C. t ( t 0 00)), ( 3-5) R 0 odpor při 0 C, t teplota C, A=5,49.0-3, B=6,8. 0-6, C=9, pro t>0 C a C=0 pro t<0 C. Podle DIN je absolutní chyba Ni senzorů teploty při 0 C +/-0,6 C, při 60 C je +/- C a v záporných teplotách při -60 C je +/-,3 C. Dlouhodobá stabilita závisí na čistotě a má hodnotu 0,08%/000h při 50 C. Provedení senzorů je často drátové ve tvaru válce s nosným materiálem z plastů pro uvedený rozsah teplot. Molybden je moderní kovový materiál pro senzory teploty. Má dobrou linearitu a vhodný rozsah dilatace vůči podložkám z keramiky. Vyrábí se moderní technologií a pokrývá se barevným polymerem. Použitelný rozsah měření je od 00 do 00 ( C). Měrný odpor při 0 C je (m). Používají se senzory s odporem při 0 C R 0 = 000 typ Mo (teplotní součinitel je 0,3 (/K) čili 3000 (ppm/k)) a typ MoP (teplotní součinitel je 0,385 (/K) čili 3850 (ppm/k)). Poměr odporů R 00 /R 0 pro Mo000 je,3 a pro MoP je,385. Změna odporu pro rozsah 50 až 00 C je funkce pro Mo typy: R R ( At. B. ), ( 3-6) 0 t kde je A=, , B=3, a pro MoP typy: R R0 ( At. B. t kde je A=3, , B=6, ), ( 3-7) Podle IEC 75 (DIN 43760) je toleranční pásmo pro senzory: třídu A: TC ( 0,5 0,00ITI) pro rozsah C třídu B: TC ( 0,3 0,005ITI) pro rozsah C třídu C: TC ( 0,4 0,009ITI) pro rozsah C třídu D: TC ( 0,6 0,08ITI) pro rozsah C kde ITI je hodnota C pro hodnocenou teplotu. Jako další méně běžné kovy ve výjimečných provedeních senzorů se používají např. stříbro do nejvyšší teploty 00 C s měrným odporem (m) při 0 C, zlato do 400 C s měrným odporem (m) při 0 C. Slitina zlato-stříbro je náhrada za platinu se stejnou závislostí změn odporu pro rozsah do 0 C. Zajímavé vlastnosti vykazují tzv. pevné elektrolyty, jako je např. bromid a jodid kademnatý. Při změně teploty v určitém rozsahu vzniká skoková změna elektrického odporu. Např. bromid kademnatý při teplotě cca 560 C mění skokově elektrický odpor z hodnoty jednotek ohmů na hodnotu 00 k s hysterezí 5 C. Jodid kademnatý mění skokově elektrický odpor z hodnoty jednotek ohmů na hodnotu 00 k s hysterezí 0 C při teplotě cca 380 C. Použití těchto materiálů je vhodné u limitních snímačů teploty v aktuální oblasti. 3

26 Měření teploty Snímače teploty s polovodičovými senzory U polovodičů je důležitá teplotní závislost koncentrace nosiče náboje. Pro polovodičový jev platí přibližně vztah: kde je kde je E kt n e, ( 3-8) n počet elektronů v jednotkovém objemu, E rozdíl mezi energetickými hladinami mřížky, k Boltzmannova konstanta, T teplota absolutní. Pro měrnou vodivost polovodičů platí obdobně jako u kovů vztah: n. e m, ( 3-9) n počet elektronů v jednotkovém objemu, e elementární náboj, relaxační čas elektronů, m hmotnost nosiče náboje. Pro teplotní součinitel platí: (ln n) E. t kt T. ( 3-0) Odporové polovodičové senzory podle druhu použitého materiálu dělíme na: - polykrystalické (termistory) - monokrystalické (bez přechodu PN s dotací P nebo N). Termistor je odporový senzor s výrazně nelineární závislostí odporu na teplotě. V určité oblasti dosahuje vysokou citlivost, tj. velkou změnu odporu na jednotkovou změnu teploty v porovnání s kovovými senzory. Termistory jsou používány jako senzory teploty pro dotykové měření, ale i jako žhavené senzory nad teplotou okolí procházejícím elektrickým proudem. Termistor má podle druhu materiálu amorfní (beztvarou) a polykrystalickou (mnoho krystalickou) strukturu. Má záporný teplotní součinitel (NTC-negastor) nebo kladný teplotní součinitel (PTC-pozistor). Termistory NTC - negastory se vyrábí práškovou technologií (lisováním a slinováním za vysokých teplot) ze směsi oxidů kovů (např. Fe O 3 +TuO, MnO+CoO, případně TiO, CuO, NiO, BaO). Aplikují se běžně v rozsahu teplot od 80 do 00 C, speciálně pro rozsahy od 4. K až do 000 C. Negastory mají velkou negativní teplotní závislost elektrického odporu na teplotě. Teplotní součinitel je pětkrát až padesátkrát větší než u kovů. Závislost odporu na teplotě je velmi nelineární. Je dána přibližným vztahem: B T R Ae., ( 3-) kde je A konstanta daná geometrickým tvarem a použitým materiálem, B teplotní konstanta (pro některé materiály je funkcí měrného odporu materiálu B=ln(), T absolutní teplota, e základ přirozených logaritmů e=,78. Konstanta B se u reálných senzorů jeví jako závislá na teplotě ve větším rozsahu teplot. Pro dvě teploty lze vztah upravit na tvar vhodný pro výpočet odporu termistoru pro libovolnou teplotu T: B( T 98,5 ) R R r. e ( 3-) kde je R r referenční odpor (např. 5 C), T r absolutní referenční teplota, B teplotní konstanta, T měřená teplota(k). Konstanta B je udávána výrobcem pro konkrétní typ nebo se vyhodnotí z naměřených hodnot pro dvě teploty podle vztahu: T. T B T T R.ln( R ) R,306.log( ) R T T, ( 3-3) kde se podle DIN volí T =9,5K a T =358,5 K a odpor senzoru R a R pro dané teploty se zjistí měřením. Např. může mít hodnotu kolem Přesné vyhodnocení teplotní závislosti termistoru (v rozsahu C +/- 0, K) dává také rovnice: 4

27 Měření teploty R 3 ( AB / T C / T D / T ) R r. e (3-5) kde je R r odpor pro referenční teplotu, konstanty jsou A=-,4E+0, B= 4407,5, C= -565,9, D=-,40E+07. Zpětný výpočet teploty z naměřené hodnoty odporu senzoru NTC je možné provést podle rovnice: T 3 a b.ln( R / Rr ) c.ln( R / Rr ) d.ln( R / Rr ) (3-6) kde je R je naměřený odpor na senzoru, R r odpor pro referenční teplotu, konstanty jsou např. a=- 3,35E- 03, b=,56e-04, c=,5e-06, d=-,05e-07. Citlivost senzoru se získá derivací jeho funkce R=f(T). Je závislý na typu termistoru a na teplotě. Platí pro rovnici s exponenciální funkcí dr dt B( ) T 98,5 B Rr. e.( ) T (3-7) a pro rovnici s polynomickým exponentem: dr dt 3 ( AB / T C / T D / T ) B C D Rr. e.( ) 3 4 T T T ( 3-8) Pro správnou funkci termistoru jako senzoru teploty je nutné při jeho vyhodnocování napájet senzor proudem co nejmenším, aby se neohříval. Pro posouzení tohoto stavu se uplatňuje vztah: T T C p. P (3-9) 0 kde je T teplota termistoru (K), T 0 teplota okolí (K), C P výkonová citlivost (K/W), P elektrický příkon (W, P=U.I). Pro odpor termistoru lze po dosazeni vztahu (4.4) do vztahu (4.0) odvodit závislost odporu na napájecím napětí a získává se vztah: R R. e 0 B( T0 T0 C p. P ( 3-0) kde je T 0 teplota okolí (K), B teplotní konstanta, C P výkonová citlivost (K/W), P elektrický příkon (W, P=U.I). Druhou základní charakteristikou pro termistory je statická voltampérová charakteristika. Vyjadřuje změnu elektrických vlastností při ohřívání od Jouleova tepla při průchodu elektrického proudu při konstantní teplotě okolí. Obrázek 3- Voltampérová charakteristika negastoru Obrázek 3- zobrazuje její tvar současně s charakteristikou závislosti R=f(I). V počáteční fázi je charakteristika lineární. Zde je ohřívání malé a teplo se přenáší do okolí. V dalším průběhu s rostoucím proudem vykazuje křivka maximum napětí, pak nastává pokles a další nárůst. Tato část je ovlivněna poměry vzniku tepla od proudu a přenosem tepla do okolí. Vrchol maxima napětí U max pro teplotu T max a odpor R Umax v tomto bodě lze odvodit: 5

28 Měření teploty T max 0,5B 0, 5B BT0 log( log( ) 0,5 log Umax) p R U max ) log R 0 T max R0 / C log Tmax T0,306T 0 Tmax,306T 0 ( 3-) ( 3-) ( 3-3) kde je R 0 odpor termistoru při teplotě T 0, R Umax odpor při největším úbytku napětí U max. Při změně zátěže, při změně podmínek přenosu tepla, při změnách napájení se statická voltampérová charakteristika změní. Vedle statické voltampérové charakteristiky se uvádí také ohřívací a ochlazovací charakteristiky. Jsou to časové průběhy odporu termistoru při ohřívání elektrickým proudem podle podmínek zapojení nebo při ohřívání nebo ochlazování při změnách okolní teploty (vložením do jiné teploty) nebo podmínek přenosu tepla (ofukování). Je to exponenciální funkce ve tvaru: ( 0 0 T T ) ( T T ) e ( 3-4) kde T je původní zvýšená teplota, T 0 teplota okolí, T je teplota v čase, (=H.C p ) časová konstanta, H tepelná kapacita termistoru (J/K), C p výkonová citlivost (K/W). Výrobci vyrábí termistory různých parametrů a tvarů. Především se jedná o parametr R 5, tj. o hodnotu odporu při 5 C, která bývá od 0 Ohm po MOhm. Dále je to tepelná konstanta B, která dosahuje hodnot od 000 do Podle velikosti a tvarů se jedná o termistory válcové, plošné, perličkové. Pro zajištění časové stálosti termistorů, shodnosti charakteristik a jejich zaměnitelnosti se stále hledají nové materiály. Velmi známý je tenkovrstvý termistor SiC pro rozsahy od 00 do +450 C. Je napařen na substrátu Al O 3 s Pt vývody. Má základní hodnotu R 5 =0000 až Ohm. Charakteristika je pozvolná a B=600 až 3400 K. Příkladem polykrystalického termistoru je miniaturní negastor o rozměrech 460*60*0,5 m. Je vyroben z polykrystalického křemíku dopovaného borem. Rozsah použití je 70 až +450 C. Negativní vlastností negastorů je jejich nestabilita, velká neurčitost (+/- K) a nelinearita. Nepříznivé jsou poměry při stárnutí a změny při po zatížení. Kvalitní termistory podléhají umělému stárnutí (až 000h). Výhodou je malý rozměr a vysoký teplotní součinitel. V následující tabulce jsou uvedeny parametry některých negastorů: Vlastnosti Odpor R 5 () I provozní (ma) Konstanta /Cp (mw/k) Příkon Pmax (W) Konstanta B (K) Tyčinkový NR00 < Destičkový NR-F- 9,5 0, Šroubový NR-G , Perličový NR-7-0 <000 Termistory NTC jsou vyráběny v různých tvarech a velikostech. Ukázky některých provedení má Obrázek 3-. Jsou určeny pro různé typy snímačů. 0, 0, 0, Obrázek 3- druhy a provedení negastorů Po zabudování do snímače teploty jsou používány jako standardní prostředky pro měření, nejčastěji pro aplikace do 00 C. 6

29 Měření teploty Pozistory Pozistor je polykrystalický termistor s kladným teplotním součinitelem odporu. Se stoupající teplotou od záporných teplot dochází nejprve k mírnému poklesu odporu. Při určité teplotě, tzv. Curieově teplotě (podle druhu materiálu od 60 do 80 C a vysvětluje se to chováním spinů) dochází k prudkému růstu odporu s tím, že po dosažení další tepelné hranice se odpor přestává měnit a opět začne klesat. Závislost ukazujeme Obrázek 3-3. Obrázek 3-3 Porovnání charakteristik negastoru a pozistoru Pro oblast nárůstu platí: R R e A. t r., ( 3-5) kde je A= 0,6 (/K), t je teplota nad Curieovou teplotou. Voltampérovou statickou charakteristiku pro pozistor ukazuje Obrázek 3-4. Pozistory jsou používány v praxi u limitních snímačů a u snímačů pro spojité měření v určitém úzkém pásmu teplot. Často jsou používány pozistory jako ohřívací odpory pro malé rozsahy teplot ohřátí (např. pro ohřev skel automobilů). Vyrábí se z polykrystalické feroelektrické keramiky, např. z titaničitanu barnatého (BaTiO 3 ). I(mA) U(V) Obrázek 3-4 Voltampérová charakteristika pozistoru Tabulka 3-3 Parametry pozistoru PR-00-0/R Vlastnosti Odpor R 5 () Odpor R 5 () Počáteční teplota ( C) Konstanta /Cp (mw/k) Izolační napětí (kv) Hodnoty <90 >= ,5 7

30 kohm Měření teploty Více ke studiu: Polovodičové snímače teploty Senzory na bázi polovodičových struktur P-N nebo PNP, a dalších mění elektrickou vodivost prvku. Jsou to kompletní polovodičové součástky, např. polovodičové diody, tranzistory, případně další polovodičové prvky i v provedení jako integrované obvody. Polovodiče jsou nekovy s elektronovou vodivostí. Mají vůči kovům obrácenou závislost elektrického odporu na teplotě, při velmi nízké teplotě dosahují velmi vysoké elektrické vodivosti (supravodivost), elektrony mají až 300 krát menší energii, mají větší termoelektrické napětí, projevují také fotovodivost. Teorie polovodičů je uvedena v kapitole o polovodičových senzorech. Monokrystalické odporové senzory používají pro senzor polovodičový materiál a to buď materiál z čistého monokrystalu polovodičového materiálu (tj. čistý vykrystalizovaný křemík, germanium, indium a další polovodiče a jejich slitiny) nebo z čistého polovodičového materiálu dotovaného atomem dalšího prvku typu P nebo N, ale bez přechodů PN. (Poznámka: vysvětlení pojmů PN přechod, typ P, typ N je v kapitole o polovodičových senzorech). Germaniové senzory jsou vhodné pro měření nízkých teplot, např. od 90 C. Např. materiál z dendritního (stromečkovitě krystalického) germania typu P má lineární charakteristiku v rozsahu teplot 60 až +00 C s velmi dobrou časovou stálostí při měrném odporu Ohm.cm. Jeho teplotní součinitel změn odporu je od až (/K). Senzor vyrobený napařováním india má lineární závislost odporu na teplotě v rozsahu od 96 až do +00 C. Jeho teplotní součinitel odporu je 3,5.0-3 až 4, (/K). Křemíkové polovodiče typu N jsou určeny pro rozsah 50 až +350 C. Měrný odpor při 5 C je podle dotační koncentrace 0.5 až 5, případně 0 až 0 (Ohm.cm). Charakteristiku senzoru zobrazuje Obrázek 3-5. Střední teplotní součinitel je 0,0 (/K) C Obrázek 3-5 Typická voltampérová charakteristika Si senzoru Celkový odpor senzoru je dán dotační koncentrací a geometrií provedení a nezávisí na polaritě kontaktního napětí. Platí: R D, ( 3-6) kde je měrný odpor materiálu polovodiče, faktor geometrie struktury, D průměr kontaktu senzoru s měřenou plochou. Teplotní závislost odporu podle charakteristiky lze aproximovat vztahem: R R r k ( t tr ), ( 3-7) kde je R r základní odpor (typická hodnota pro senzor Si je R r =6 Ohm, t r referenční teplota t r =- 4,5 C, k=,

31 Měření teploty Pro teplotní součinitel platí vztah shodný i pro kovové odporové teplotní senzory, pro Si senzor konkrétně: ( R00 R0 ) 0,0K ( 3-8) 00R 0 Monokrystalický polovodičový materiál není běžně používán jako odporový senzor, ale jsou používány polovodičové součástky, jako např. dioda, tranzistor i v provedení integrovaných obvodů jako teplotní snímače. PN dioda je vyrobena z monokrystalu Si nebo Ge, obsahuje dvě vrstvy, jednu P a druhou N. Její voltampérová charakteristika má při vnějších změnách posunutý průběh. Příkladem je voltampérová charakteristika diody při změnách teploty přechodu PN, viz Obrázek 3-6. Podobné změny jsou i pod vlivem magnetizmu apod. I D (ma) t=60 C DU D t=0 C 0,5 DI 0-0,05 0,05 0,0 U D (V) 0,5 Obrázek 3-6 Voltampérová charakteristika diody při změně teploty okolí Polovodičové teplotní diody jsou založeny na teplotní závislosti změn vodivosti PN přechodu. Polovodičové materiály Si a Ge mají při nízké teplotě velmi malou vodivost. Je to dáno tím, že všechny elektrony jsou vázány jako valenční elektrony v krystalové mřížce. Se zvyšováním teploty se zvyšuje jejich energie a překonávají bariéru valenční oblasti a přechází do vodivé oblasti. PN polovodičová dioda má voltampérovou charakteristiku má při změnách teploty s posunutým průběhem, viz příklad Obrázek 3-6. Schéma teplotní diody má Obrázek 3-7, pozice a), b). U n U n U n R K A U out A K R R C U out R b U out E a) b) c) Obrázek 3-7 Zapojení polovodičových senzorů teploty s přechodem PN Větší teplota hmoty diody zmenšuje napětí U D na přechodu v propustné oblasti a zvětšuje zbytkový proud I 0 v závěrné oblasti. Podle Shockleyovy rovnice je závislost proudu a napětí PN přechodem na rekombinačním koeficientu polovodiče (m=...), na proudu I D a I 0, na teplotním napětí U T a na teplotě T(K). Pro napětí na diodě platí: 9

32 Měření teploty U mu..ln( I ) D D T ( 3-) I 0 Pro závislost difúzního proudu na teplotě platí: U. D U T 0 e I I ( 3-) D Pro teplotní napětí na diodě se uvádí vztah: U T k. T / e, ( 3-3) kde je k Boltzmannova konstanta (, (J/K)), T absolutní teplota, e elementární náboj (, (C)). Teplotní závislost má vztah U ( T D ) I D k I m..ln( e I D S 0 U ) T go 0, ( 3-4) kde je T 0 vztažná teplota (např. T=98 K), U g0 =05 mv napětí zakázaného pásma. Pro T=98 je teplotní závislost,5 mv/k. Závislost teplotních změn zbytkového proudu je dáno vztahem: ( T T0 ), ( 3-5) I 0, T I 0, T 0. e kde je I 0,T0 proud závěrný pro teplotu T 0, teplotní součinitel (pro Ge je 0,09 (/ C), pro Si je 0,4 (/ C)), T, T 0 absolutní teplota nová a stávající. Tranzistorové PN senzory u bipolárních tranzistorů využívají teplotní závislost PN přechodu báze-emitor v propustném směru. Schéma nese Obrázek 3-8, pozice c). Zbytkové proudy I BE0,T a I CE0,T se v závislosti na teplotě zvětšují exponenciálně obdobně jako u diod podle vztahu pro I 0,T0. Změna teploty způsobuje posunutí vstupní charakteristiky k menšímu napětí U BE podle vztahu: U d T T ), ( 3-6) BE t ( 0 kde je d teplotní průnik, + pro PNP, - pro NPN, asi mv/ C pro Ge i Si, T, T 0 absolutní teplota nová a stávající. I B (ma) 00 U CE =-5V t DU D t 0 I (ma) C -0 t t 0 I =-00mA B I = -70mA B 50-5 I = -40mA B I = -0mA B DI B0-0,05 a) -00 U BE (mv) -00 b) -5 U CE (mv) -0 Obrázek 3-8 Voltampérová charakteristika tranzistorových senzorů teploty s přechodem PN Pro změny kolektorového proudu podle teploty platí: I ( 3-7) C. I B I CE 0 kde je proudové zesílení, I B změna proudu báze daná změnou napětí na odporu v bázi (U BE /R B ), 30

33 Měření teploty I CE0 změna proudu kolektor-emitor podle vztahu pro diodu. Změny charakteristik tranzistoru podle změn teploty pro U BE i U CE má Obrázek 3-8. Teplotní závislost charakteristik tranzistorů typu JFET je prakticky nulová, tranzistory se nepoužívají jako senzory teploty. Je to způsobeno dvěma jevy, které působí proti sobě: při zvyšování teploty se zmenšuje vodivost v důsledku pohyblivosti nosičů náboje v kanále při vyšší teplotě ubývá difúzní napětí U D na přechodech PN a současně se zvyšuje kolektorový proud. Integrované PN senzory teploty vytváří několik tranzistorů a další polovodičové prvky zapouzdřené v integrovaném obvodu. Schéma nese Obrázek 3-9. Zpravidla se jedná o dva PN tranzistory T a T citlivé na teplotu, z nichž jeden má více emitorů. T 3 T 4 T T DU BE R I E I E I out Obrázek 3-9 Integrovaný PN senzor teploty Výsledná změna je: kt U BE. ln r. ( 3-8) e kde je k konstanta, T absolutní teplota, r počet emitorů. kde je Změna proudu obvodu je dána vztahem: kt I mi E I E ( m ).ln r./ R, ( 3-9) e m poměr ploch tranzistorů T 3 a T 4, R odpor obvodu. Integrovaný PN senzor teploty je zabudován např. v obvodech AD590 a LM 334. Jejich zapojení s výstupy má Obrázek 3-0. teplota V AD 590 teplota LM 334 >+5V 00 Uv=mV/K 950 (-55 C...50 C) 6 0 k Uv=0mV/K (-75 C...30 C) Obrázek 3-0 Schéma zapojení příkladných integrovaných senzorů teploty v měřicím obvodu Zapojení pro vyhodnocení PN senzorů diod nebo tranzistorů má specifické podmínky. Nelze používat běžných zapojení pro aktivní nebo pasivní senzory. Vyhodnocení se provádí nejčastěji: 3

34 Měření teploty jako aktivní můstek s operačním zesilovačem pro PN diody a tranzistory v jeho zpětné vazbě zesilovačem na výstupu integrovaného senzoru teploty (např. typů podle Obrázek 3-0) Dalším příkladem je integrovaný teplotní kontroler s analogovým i impulsním výstupem (se střídou podle t ). ( 3-0) Provedení odporových snímačů teploty Konstrukce snímače teploty odpovídá požadavkům technické praxe. Příklady provedení snímačů teploty uvádí obrázek b 7 6 a 4 a) b) c) Obrázek 3- Konstrukce základních typů odporových snímačů teploty Konstrukce a) je příklad nástěnného provedení snímače. Senzor () je upevněn na základní desce () a jeho vývody jsou přivedeny na svorkovnici (3). Konstrukce b) se týká snímače s trubkovou ochranou senzoru s kabelem. Senzor () je v dolní části kovové trubky a její vývody jsou tavným spojem (4) svařeny s vodiči kabelu (3). Kabel s trubkou je spojen s vysokou těsností ucpávkou (5). Třetí konstrukce c) se týká snímače s trubkou a svorkovnicí v hlavici. Senzor () je uložen v dolní ochranné trubce (a) a je spojen navařenými vodiči (6) se svorkovnicí (5). Svorkovnice je umístěna v hlavici (8). Dolní část trubky je svařena s horní částí (b), která nese šroubovou přírubu (9). Na svorkovnici je napojen výstupní kabel (3). Materiál ochranných trubek je běžná ocel, mosaz nebo speciální nerezová ocel, např. podle ČSN ocel třídy 0, 5 8, Volba je dána rozsahem měření. Dolní část musí vykazovat dobrou tepelnou vodivost pro bezztrátový přenos tepla z měřeného prostředí na senzor. Horní část trubky musí mít opačnou vlastnost, musí mít malou tepelnou pohodu. Provedení hlavice je podle krytí, např. IP 54, 64, až IP68. Existuje také provedení pro prostředí s nebezpečím výbuchu, např. s pevným závěrem pro skupinu EExdIIT6. Parametry typických odporových snímačů teploty uvádí Tabulka 3-4 (Regmet, ZPA). Tabulka 3-4 Parametry typických odporových snímačů teploty. Parametr Nástěnný typ Kabelový snímač Snímač s hlavicí (ZPA) Senzory Pt00, Ni000, NTC Pt00, Ni000, NTC Pt00, Pt000 Rozsah (jen Pt) -30 až +70 C -60 až +00 C -70 až +600 Přesnost (%) nebo 0,5 Ele. krytí IP30 IP67 IP65 Časová konstanta 5 s > s > 60s 3

35 Měření teploty Specifické provedení a použití mají polovodičové integrované teplotní snímače. Jsou zpravidla zabudovány v zařízení a plní často i funkce chytrých (smart) snímačů Převodníky snímačů teploty Změna elektrického odporu senzorů u snímačů teploty se musí pro další použití převést na elektrický signál nebo na číslo - údaj pro přenos do centrální jednotky. Obecně lze tento převod provést elektrickými obvody na principu úbytku napětí na odporu senzoru při průchodu proudu, na principu můstkového zapojení, v RLC obvodech se závislostí frekvence na změně odporu a v obvodech s převodem změny odporu na změnu časové periody. Velmi časté je použití můstkové metody. V průmyslové praxi jsou používána dvouvodičová, třívodičová a čtyřvodičová zapojení pro propojení odporového snímače a převodníku. Schéma dvouvodičového a třívodičového propojení podává Obrázek 3-. U dvouvodičového zapojení (viz zapojení a)) propojujeme odpor senzoru R vodiči o odporu R v a R v s můstkovým zapojením převodníku. Pro výstupní napětí můstku platí: ( R R Rv ) ( R3 ) U 0 U N. (3-9) ( R R Rv R ) ( R3 R4 ) Větev můstku se senzorem má přidané hodnoty odporu vedení, které negativně ovlivňuje výstup. U zapojení b) se jedná o třívodičové zapojení. Parazitní odpor přívodního vedení je rozdělen do dvou částí první větve můstku. Výstupní napětí z můstku pak není ovlivňováno odporem přívodního vedení. Novým moderním zapojením je zapojení sense. Používá se tzv. přídavná smyčka vodičů spojených u snímače do zkratu. Přídavný parazitní odpor vedení sense zatěžuje horní část větve hodnotou shodnou s odporem přívodního vedení k senzoru v dolní části první větve. Tím se přídavný parazitní odpor v obou částech první větve vyruší a neovlivňuje výstupní napětí. Schéma ukazuje Obrázek 3-. U N I I U N I I R R 4 R R 4 R + R R v U o x R v U o R + R R 3 R 3 R v R v a) b) Obrázek 3- Zapojení odporového snímače a převodníku, a) dvouvodičové, b) třívodičové. Konstrukce a elektrické zapojení převodníku musí respektovat také podmínku, aby proud procházející odporem senzoru nezpůsoboval jeho zahřívání. Pro kovový teploměr je tato hodnota max. ma. Pro termistorový a polovodičový senzor je to proud v desetinách až setinách ma. Přesné je také specifické čtyřvodičové zapojení. Zdroj konstantního proudu Is napájí dvěma vodiči vzdálený odporový senzor R S. Procházející proud Is vyvolává úbytek napětí úměrné změně odporu senzoru. Toto napětí se snímá zesilovačem A samostatnými dvěma vodiči až v místě senzoru. Schéma ukazuje Obrázek

36 Měření teploty x R v U N R I I R 4 I s R S R v R v3 () (3) I konst. R A A R + R R v U o R v4 (4) R v R 3 R v () c) d) Obrázek 3-3 Zapojení snímače teploty typu sense a čtyřvodičové Výstupní napětí můstku je vedeno dále a je vstupem do obvodu přístrojového a operačních zesilovačů. Obrázek 3-4 obsahuje blokové schéma vnitřního zapojení. A A A3 U N U N U uni R s O V Obrázek 3-4 Blokové schéma převodníku pro odporový senzor Blok A je část primárního převodu změn odporu senzoru na napětí, např. můstkovým zapojením popsané výše. Malé napětí z výstupu můstku je zesíleno kvalitním přístrojovým zesilovačem v bloku A. Výstupní unifikované napětí U uni (0-0V) se získává v bloku A3. Obdobným způsobem se generuje výstupní unifikovaný proudový signál 4-0 ma. Polovodičové technologie nabízí řešení pomocí specifických integrovaných obvodů, kde všechny bloky A, A a A3 jsou realizované. Příklad zapojení přináší Obrázek 3-5. U ref U ref,in, A in,+ A in,- A in,+ A in, D 0 D U ref,in,- 8 9 AD7730 GND Obrázek 3-5 Blokové schéma zapojení integrovaného obvodu pro převod odporových senzorů Provedení finálních převodníků ukazuje Obrázek 3-6. Nejčastěji se jedná o provedení do montážní krabice s kabelovým propojením se snímačem. Provedení vpravo je řešení pro přímé umístění do hlavice snímače. 34

37 Měření teploty Obrázek 3-6 Provedení převodníků teploty Moderní převodníky jsou vytvořeny pomocí mikrokontroleru. Toto provedení dává další možnosti a umožňuje další funkce. Především je to možnost datových výstupů úrovně sériové komunikace (typ D) nebo LAN komunikace. Další zajímavé provedení je spojené s možností parametrizování. Obrázek 3-7 Obrazovka parametrizování převodníku Parametrizování převodníku se provádí při propojení s personálním počítačem. Nastavuje se rozsah měření, počátek tohoto rozsahu, druh vstupního senzoru a typ linearizace. Příklad obrazovky formuláře pro nastavovací program ukazuje Obrázek 3-7. Parametry typických převodníků pro odporové snímače teploty uvádí Tabulka 3-5 (Regmet, ZPA). Tabulka 3-5 Parametry typických převodníků pro odporové snímače teploty. Parametr REGMET ZPA Siemens Senzory Pt00, Ni000, NTC Pt00, tří vodič Pt00, Pt000 Rozsah (jen Pt) -30 až +70 C -00 až +850 C -00 až +850 Přesnost (%) nebo 0,5, 0,5 Ele. krytí IP30 Do hlavice IP65 Výstup 4-0mA, 0-0V, frekvence, PWM, RS485, M-bus 4-0mA, 0-0V 4-0mA, 0-0V, Hart, Fieldbus 35

38 Měření teploty 3.5 Termoelektrické měření teploty 3.5. Teorie Termoelektrické snímače teploty jsou dalším typem snímačů pro dotykové měření teploty. Používají se senzory vytvořené spojením vybraných dvou kovů. Slouží převážně pro měření vyšší teploty, nad 600 C jsou zpravidla jedinými použitelnými senzory pro měření. Přehled používaných termočlánků obsahuje Tabulka 3-6. Tabulka 3-6 Přehled používaných termočlánků [ČSN , DIN 4370] IEC značení Druh materiálu termočlánku Rozsah teplot použití ( C) T Cu-Konstantan (55%Cu+45%Ni, CuNi) ,045 J Fe- Konstantan (55%Cu+45%Ni, CuNi) ,0537 E Chromel-Konstantan (0% Cr+87% Ni-chromel) ,063 K Chromel-Alumel (viz výše-chromel, 94,5%Ni-alumel) ,04 N NiCrSi-NiSi cca 0,034 R PtRh3-Pt ,00645 S PtRh0-Pt ,00643 B PtRh30-PtRh cca 0,008 C WRe5-WRe6 (Re-rhenium) cca 0,06 D WRe3-WRe5 (Re-rhenium) cca 0,05 G W-WRe6 (Re-rhenium) cca 0,07 Termoelektrický koeficient průměr (mv/ C) Princip termoelektrického snímání teploty je dán Seebekovým jevem, kdy při zahřátém spojení dvou různých kovů vzniká na jejich koncích, které mají jinou teplotu než konec měřicí, stejnosměrné napětí úměrné rozdíly teploty měřeného spoje a srovnávacího spoje. Princip ukazuje Obrázek Matematický popis termočlánku je dána vztahem: Obrázek 3-8 Princip termoelektrického měření teploty n i U a ( t t ) a ( t t ) a ( t t a i t, (3-30) ) t M i0 kde je a i hodnota vůči referenčnímu materiálu (např. Pt ), a termoelektrický koeficient dvojice kovů, t teplota měřicího konce, t teplota srovnávacího konce. Hodnota koeficientů a i jsou vůči referenčnímu kovu Pt uvádí Tabulka 3-7. Přepočtové vztahy pro jednotlivé typy termočlánků jsou např. na adrese: t C Tabulka 3-7 Termoelektrické napětí některých kovů vůči Pt pro rozsah C Kov mv/00 C Kov mv/00 C Vizmut -7,3 manganin +0,7 Konstantan -3,4 Stříbro +0,7 36

39 Měření teploty Nikl -,5 zlato +0,75 Paladium -0,6 měď +0,76 Platina 0 wolfram +0,8 Uhlík +0,3 molybden +,6 Hliník +0,4 ocel +,8 Cín +0,4 niklchrom +, platinarhodium +0,64 antimon +4,7 rhodium +0,65 křemík +44,08 iridium +0,665 telur +50 Konstanty jsou závislé na teplotě a toto vytváří nelineární závislost napětí z termočlánku na teplotě. Závislost je vyjádřena polynomickou regresní závislostí a je uváděna tabulkově Popis konstrukce Konstrukce termoelektrického snímače teploty je shodná s provedením pro odporové snímače teploty s tím rozdílem, že jsou použity termoelektrické senzory. Příklady konstrukce ukazuje Obrázek 3-9. Termočlánek je vyráběn jako drát s dvojicí kovů (a). Snímač je pak vytvářen s keramickým krytím (b) nebo s ochrannou trubkou případně s hlavicí. Termočlánkový drát je uložen v ochranné trubce a je vyveden jako kabel nebo je napojen na svorkovnicí umístěnou v hlavici. V praxi se vyskytují konstrukce s galvanickým spojením měřicího spoje termočlánku s ochrannou kovovou trubkou nebo bez tohoto propojení. Některé konstrukce mají senzor dvojitý. Další provedení termoelektrických snímačů teploty je provedení nástěnné. Senzor je umístěn v montážní krabici se svorkovnicí. Servisní ruční přístroje jsou často vybaveny sondami vybavenými termoelektrickými snímači pro měření dotykem, vpichem nebo ponorem. U t U t a) b) Obrázek 3-9 Konstrukce termočlánkových snímačů teploty Provedení termočlánků Velkou předností termočlánků je jejich velký rozsah měření až do teplot nad 000 C. Vlastní senzor, termočlánkový drát, ovšem při této teplotě nelze používat, proto konstrukce snímače používá ochranou trubku. Materiál ochranných trubek je běžná ocel, speciální nerezová ocel, např. podle ČSN ocel třídy 0, 5 8, 7 48 nebo mosaz. Pro vysoké teploty nad 00 C je použita keramika. Pro nižší teploty je vývod z ochranné trubky kabelem, často i kabelem ze skelných vláken. Pro vysoké teploty je trubka ukončena hlavicí se svorkovnicí. Provedení hlavice je v krytí např. IP 54 nebo je také v provedení pro prostředí s nebezpečím výbuchu, např. s pevným závěrem standardu EExdIIT6. Provedení termočlánků plášťový, s kovovou a keramickou jímkou ukazuje Obrázek c) 37

40 Měření teploty Převodníky pro termočlánky Obrázek 3-30 Provedení termočlánků (podle MAVIS) Výstup senzoru termočlánku je malé stejnosměrné napětí. Pro aplikace termočlánků v okruzích měření jsou nutné převodníky, které vedle zesílení malého napětí řeší i problém kompenzace srovnávacího konce. Měřicí okruh složený z termoelektrického snímače teploty má standardní strukturu, tj. obsahuje snímač a odpovídající převodník. Pro propojení snímače s převodníkem ale používá tzv. prodlužovací (kompenzační) vedení. Nelze použít běžný měděný kabel. Prodlužovací vedení jsou vodiče z materiálů, které mají podobné termoelektrické vlastnosti, jako použitý termočlánek. Důvodem je eliminace vzniku dalších termočlánků a vzniku parazitního dalšího napětí. Standardní zapojení měřicího obvodu pro měření s termočlánky dává Obrázek 3-3. Termočlánek je napojen ze svorkovnice prodlužovacím vedením na převodník. Mezi materiálem svorky a vodiči, nevznikají termoelektrická napětí, protože se jedná o stejné kovy. 3 output 4 Obrázek 3-3 Zapojení obvodu měření teploty s termočlánkem Na zapojení ale vzniká další nežádoucí termoelektrické napětí na svorkovnici v převodníku, kde se stýkají kovy prodlužovacího vedení s kovy svorkovnice. Toto místo je srovnávacím koncem a musí se řešit kompenzace teploty tohoto konce vůči měřenému konci. Obrázek 3-3má připojený měřicí odporový teploměr Ni000 pro měření srovnávací teploty. Převodník podle této teploty provede kompenzace v elektronických obvodech. Poznámka: Kompenzace srovnávací teploty se v minulosti prováděla ponořením do vody s ledem (teploty 0 C) nebo v termostatu(pro 0 C, 5 C, 50 C) nebo pomocí různých kompenzačních zapojení. Pro konstrukci převodníků jsou dnes nejčastěji používány zapojení s operačními zesilovači nebo integrované obvody se všemi funkcemi převodníků pro termočlánky. Obrázek 3-3 zobrazuje příklad zapojení převodníku konstruovaného pomocí integrovaného obvodu ( ). Kompenzace je prováděna na teplotu okolí převodníku pomocí senzoru teploty vytvořeného polovodičovou diodou D. 38

41 Měření teploty 3 D 4-0mA XTR0 Obrázek 3-3 Zapojení s převodníkem používající integrovaný obvod Ve speciálních aplikacích se používají pro vytvoření termočlánku jiné materiály i nekovové. Příkladem je používaný uhlík, karbid křemíku, karbid bóru, nebo materiály vytvořené polovodičovými technologiemi. Spojením více termočlánků do série (anglicky thermopile ) se zajistí zvýšení výsledného termoelektrického napětí a snížení nejistoty a chyb měření. Často se také používá termočlánků ve formě dvou vodičů pro laboratorní rychlá měření a pro jednorázová použití. 3.6 Snímače bezdotykového měření teploty 3.6. Teorie Snímače bezdotykového měření teploty využívají principu elektromagnetického záření těles. Podle Planckova a Stephan Bolzmannova zákona každé těleso vyzařuje elektromagnetické záření úměrné teplotě povrchu. Teplotě také odpovídá vlnová délka záření. Celou oblast elektromagnetického záření lze rozdělit do několika pásem: ultrafialové záření o vlnové délce pod 0,4 m viditelné světelné záření o vlnové délce 0,4-0,78 m (na př. záření slunce s teplotou povrchu od 6970 do 3440 C) blízké IR o vlnové délce 0,78- m (záření tělesa s teplotou povrchu od 3440 do 60 C) krátkovlnné IR o vlnové délce -3 m (záření tělesa s teplotou povrchu od 60 do 690 C) středovlnné IR o vlnové délce 3-5 m (záření tělesa s teplotou povrchu od 690 do 305 C) dlouhovlnné IR o vlnové délce 5-5 m (záření tělesa s teplotou povrchu od 305 do -60 C, např. tělo člověka o teplotě povrchu 36 C vysílá záření o vlnové délce 9,3 m). Fyzikální princip aplikovaný u bezdotykového měření teploty povrchu černých těles je popsán zákony: - Stefan-Boltzmanovým zákonem, kdy intenzita tepelného záření je úměrná 4 mocnině absolutní teploty absolutně černého tělesa: 4 H (3-3) 0 0.T kde je H o celková intenzita záření (W/m 8 4 ), 0 5, ( W. m. K ) Stefan Boltzmannova konstanta, T absolutní teplota tělesa (K). - Závislost povrchové teploty tělesa a vlnové délky elektromagnetického záření vyjadřuje Wienův posunovací zákon:. T, (3-3) max 0 kde je max vlnová délka (m). - Intenzitu záření určité vlnové délky udává Planckův zákon, který má tvar: H 0 c c 5 T0.( e ), (3-33) kde je C=3, (Wm ) první vyzařovací konstanta, C=, (m.k) druhá vyzařovací 39

42 Měření teploty konstanta. Grafický průběh podává Obrázek Obrázek 3-33 Intenzita elektromagnetického záření podle Planckova zákona - Pro reálná tělesa dále platí Lambertův zákon tj. závislost na úhlu záření: I j d I n. cosj, (3-34) ds.cosj kde je I n zář (W/m/sr) při 0 úhel a sr je steradián, úhel sklonu záření. Výše uvedené zákony platí pro absolutně černá tělesa. Reálná tělesa tj. šedá nebo nečerná tělesa vyzařují nebo přijímají méně energie než černý zářič. Poměr intenzity záření nečerného tělesa ku záření černého tělesa udává parametr spektrální emisivity a platí : H. (3-35) H 0 Hodnota součinitele emisivity závisí na druhu materiálu a na jakosti jeho povrchu. Korekční graf udává hodnotu teploty, která se musí přičíst k naměřenému údaji reálného tělesa podle odhadované emisivity Popis snímače pro bezdotykové měření teploty Bezdotykové měření teploty využívá k měření teploty povrchu tělesa zákonů pro elektromagnetické záření. Každé těleso vyzařuje elektromagnetické záření o vlnové délce a o intenzitě úměrné povrchové teplotě a emisivitě. Vedle toho reálná tělesa přijímají elektromagnetické záření z okolí a částečně ho absorbují, odráží nebo propouští. E E E E P t E P P a P r T T E E E a) E b) Obrázek 3-34 Emisivita, odraz, absorpce a průnik elektromagnetického záření Poměry při elektromagnetickém záření ukazuje Obrázek V části a) se ukazuje, že těleso ve tvaru kvádru září do celého prostoru kolem sebe energií a o vlnové délce úměrné své povrchové teplotě. V části b) je ukázka poměrů přenosu elektromagnetického záření sáláním ze stěny tělesa () -tok E podle teploty povrchu stěny T do okolí a přenos elektromagnetické záření (P) z vnějšího tělesa () na stěnu () energií a vlnovou délkou podle její povrchové teploty T. Dopadají energie (P) se dělí na část odraženou (P r ), část absorbovanou 40

43 Měření teploty (P a ) a na část pronikající stěnou (P t ). Ze zákona o zachování energie vyplývá: P ( r a t). P P P P (3-36) r a t Obdobná situace s přenosem energie je i při bezdotykovém měření teploty povrchu tělesa. Obrázek 3-35 tyto poměry zobrazuje. Z povrchu tělesa () jeho plochy () směřuje energie elektromagnetického záření pod úhlem daným optickým systémem do snímače (3) pro bezdotykové měření teploty. Jedná se o energii (E) danou teplotou povrchu stěny (T ) a o energie P r, energii odraženou z vnějšího prostředí (8). Snímač má na vstupní straně pro záření optický prvek (4), který vytváří geometrické poměry snímání, tj. úhel vnějšího snímání (j) a vnitřní úhel (j) směřující na senzor (5). Dopadající záření na senzor je přeměněno na elektrický signál, který je v elektronice 6 zpracováno na údaj o teplotě povrchu a vystupuje cestou (7) do dalších systémů a zařízení. 8 j P r E T l Obrázek 3-35 Energetické poměry při bezdotykovém měření teploty povrchu tělesa Výkon zářivé energie z tělesa ve směru na senzor v prostorovém úhlu (j) je dán vztahem: Q A t j. P t 4 t.. T t r (3-37) kde je Q t výkon energie záření ze stěny na senzor, P r výkon energie odraženého záření, t emisní faktor plochy, A t plocha tělesa zářící na senzor, j prostorový úhel daný plochou A t a vzdáleností l. A t / l Tato energie prochází optikou snímače (4) a absorbuje se do plochy senzoru (5) podle vztahu: Q Q p. a (3-38) s t. 4 s kde Q s výkon energie dopadající a absorbovaný na senzoru, Q t výkon energie záření ze stěny plochy A t, p 4 součinitel průniku přes optiku, a s součinitel absorpce plochy senzoru. Senzor převádí dopadající energii na elektrické napětí dané jeho konstantou senzoru k s (V/W). Celkové napětí na výstupu senzoru je pak: U Q. k s, out s s (3-39) Obvody elektroniky vyhodnotí následně teplotu povrchu po dosazení všech rovnic ve tvaru: T t 4 U s, out p4ask s P r.... At j t (3-40) Poznámky: ) Pro senzor ve snímači se zanedbává zpětná emise ze senzoru přes optickou část do vnějšího prostředí, protože součinitel emisivity plochy senzoru se blíží nule a optický prvek má na vnitřním povrchu filtr pro zpětnou emisi. ) Zanedbává se také součinitel absorpce záření z tělesa přes prostředí, (9) Obrázek 3-35, mezi tělesem a senzorem Provedení bezdotykových snímačů teploty Od r. 008 probíhá intenzivní rozvoj a aplikace snímačů pro bezdotykové měření teploty. Příčinou je dostupnost nových senzorů typů thermopile, pyroelektrické případně bolometrické bez chlazení. Výrobci 4

44 Měření teploty nabízí provedení snímačů pro bezdotykové měření teploty do ruky nebo pro pevnou montáž s převodníkem externím nebo interním. Současně se rozvijí i dostupnost termovizních zařízení. Příklady ukazuje Obrázek Obrázek 3-36 Provedení snímačů bezdotykového měření teploty a termovizní kamery (podle mikro-epsilon) (více: Mikro-epsilon Messtechnik thermometer. Non-contact IR temperature sensors. Ortenburg, 009, ) Přístroje pro bezdotykové měření teploty (nazývají se také pyrometry) se rozdělují podle rozsahu vlnové délky záření vstupující na senzor přes optický systém do 3 skupin: pyrometry radiační (využívají celkového záření tj. velké šířky vlnových délek spektra), pyrometry spektrální (využívají záření určitého pásma vlnové délky) tzv. jasové a optické, pyrometry barvové (využívají barvy tepelného záření). U radiačních pyrometrů je přijímané záření v širokém vlnovém rozsahu soustředěné optikou na termočlánkové, pyrometrické, odporové nebo fotoelektrické senzory a převedené na elektrický měronosný signál úměrný povrchové teplotě. Podle vzdálenosti pyrometru od zářiče je dána velikost snímané plochy. Rozsah používání měření je od -50 C do 000 C. Spektrální pyrometry měří povrchovou teplotu podle záření určité vlnové dílky. Rozsah měření je od 700 C do 3500 C a přesnost měření je větší než u radiačních pyrometrů. Barvové pyrometry využívají skutečnosti, že barva povrchu se mění podle teploty povrchu od tmavě červené přes žlutou k bílé a dále do modré. 3 4 a) 3 4 d d d 3 b) l l l d d d 3 c) l l l 3 Obrázek 3-37 Parametry optického systému Propustnost elektromagnetického záření na senzor uvnitř snímače je dána nebo určena provedením optického systému na vstupu. Základními parametry jsou úhel snímání a propustnost z pohledu rozsahu vlnové délky (Obrázek 3-37). Materiál pro vyhotovení optického systému pro snímání elektromagnetického záření musí mít co nejlepší propustnost pro daný rozsah vlnových délek. 4

45 Měření teploty Obrázek 3-43 přináší grafy závislosti propustnosti záření pro určité materiály a pro rozsah vlnových délek. První graf ukazuje závislost pro 0,03 mm tlustou folii polyetylenu. Nejlepší propustnost mezi 80 až 95 % je od 4 do 6,5 m (tj. pro teploty těles 450 až 70 C) a pak od 8 do 3 m (pro teploty od 90 do -50 C). Na dalším grafu je to materiál polyester, který má výbornou propustnost pro vlnovou délku od do 4 m (odpovídá to teplotám povrchu od 00 do 440 C). 00% 80 polyetylen polyester m % 80 sklo 00% 80 vlhký vzduch m m Obrázek 3-38 Závislost propustnosti IR oblasti záření na vlnové délce (m) pro polyetylen, polyester, sklo, vzduch (d=m, 3 C, 75%r.v.) (podle mikro-epsilon) Třetí graf ukazuje závislost propustnosti pro běžné sklo. Zde je zřejmé, dobrá propustnost je do 3 m (teplota povrchu do 3000 C) a od 5 mm (teplota povrchu od 000 C) již sklo IR záření nepropouští. Poslední graf ukazuje propustnost pro vzduch. Zde je vidět dobrou propustnost pro oblast viditelného záření a pak již střídavou propustnost. Dalším problematickým místem při bezdomovém měření teploty povrchu je ovlivňování výsledků měření emisivitou. Jak je již uvedeno v teorii, reálná tělesa na rozdíl od absolutně černého tělesa nezáří 00%, ale vydávají záření o menší intenzitě. Toto způsobuje chyby měření. Přístroje zpravidla mají možnost nastavit velikost emisního koeficientu a tak kompenzovat vliv druhu povrchu a materiálu. Emisní koeficient se musí změřit pro konkrétní materiál a je uveden v tabulkách. Tabulka 3-8 uvádí hodnoty emisivity pro některé hlavní materiály. Tabulka 3-8 Součinitel emisivity pro některé povrchové materiály pro záření vlnové délky 0,65 mikrometrů Materiál Emisivita Materiál Emisivita litina při 600 C 0,78 střešní lepenka 0,90 ocelový plech válcovaný 0,75 cihly, šamot 0,85 nikl při 600 C 0,48 papír 0,8 mosaz surová 0,45 umělá hmota 0,65 hliník oxidovaný 0,55 porcelán 0,4 hliník neoxidovaný 0,...0,8 vápenec 0,8...0,9 měď oxidovaná 0,6 struska 0,7...0,98 měď 0,0...0,35 dielektrické objekty 0,98... železo lesklé 0,3...0,4 lidská kůže 0,9 matný lak, povrch ohniště 0,99 textil oblečení 0,7...0,95 43

46 Měření teploty voda, guma, asbest 0,95 Emisní koeficient je ale také funkcí vlnové délky záření. Obrázek 3-39 ukazuje tyto závislosti pro některé materiály.,0 0,8 0,6 0,4 smalt omítka beton šamot,0 0,8 0,6 0,4 stříbro tantal chrom 0, 0, zlato molybden ocel Obrázek 3-39 Závislost emisního koeficientu na vlnové délce Pro kontrolu a kalibraci přístrojů pro bezdotykové měření teploty jsou vyráběny tzv. kalibrační černá tělesa. U jednodušších provedení se jedná o vyhřívanou plochu na přesně nastavenou teplotu (rozsah 00 až 400 C) a s emisním faktorem Pro vyšší rozsahy (až 00 C) jsou používány konstrukce černých těles s dutinou. V praxi je významné používání techniky pro bezdotykové měření v případech měření teploty povrchu: - u těles vyrobených z tepelných izolantů jako je keramika, guma, umělé hmoty, - u rotačních dílů např. pásů papíru, folií, plastické kůže, rotující pneumatika, - kde není možný dotyk např. čerstvě lakované díly, agresivní media, - u těles pod elektrickým napětím na transformátorech, polovodičích, pásových vodičích, - u velmi malých a nehmotných dílů Termovize Specifickým zařízením v oblasti snímání povrchové teploty je termovizní kamera. Dnešní konstrukce se blíží kamerám pro snímání obrazů ve viditelném světle s tím rozdílem, že snímají oblast infračerveného světla a mají jiný systém obrazových senzorů. Příkladné provedení IR kamery dává Obrázek Obrázek 3-40 Provedení termovizní kamery (podle mikro-epsilon) Schematické provedení IR kamery ukazuje Obrázek 3-4. Vlastní kamera () má optický systém () z propustného materiálu pro daný rozsah měření, filtr (3), senzor termovizního případně i viditelného obrazu (4), elektronika s mikrokontrolerem (5), displej s ovládáním (6) Obrázek 3-4 Schéma provedení termovizní kamery Elektromagnetické záření ze snímacího úhlu vstupuje na vstupní optický prvek, zde a v následujícím filtru se zajistí další vstup jen určitému rozsahu IR oblasti elektromagnetického záření. Tato přefiltrovaná část záření je přivedena na obrazový termovizní senzor s určitým rozlišením, tj. počtem pixelů (bodů senzoru). Jedná se 44

47 Měření teploty nejčastěji o bolometrický nebo thermopile typ. Snímání plochy se děje opět v určitém úhlu záběru. Optika je uváděna jako poměr snímané plochy ku ploše mm, např :, 75: apod. Příkladný Obrázek 3-4 ukazuje názorně závislosti. 0,5,0m 4,0m 00x00mm,3x,3mm 800x800mm 4,98x4,98mm 00x00mm 9,98x9,98mm Obrázek 3-4 Geometrie snímání termovizní kamery (podle mikro-epsilon). IR kamera má zpravidla rozsáhlou paměť, nasnímané obrazy se přenesou do počítače a připraveným programovým prostředkem se provede úprava a analýza záznamu. Příkladný záznam ukazuje Obrázek Podle nastaveného rozsahu teplot snímání je teplota vyjádřena stupnicí barev, zpravidla červená je nejvyšší a modrá nejnižší teplota snímaného povrchu. Termovizní kamery rozšiřují prostředky pro bezdotykové měření teploty povrchu těles. Významně slouží při hledání míst úniků tepla na domech, při analýze rozložení teploty na povrchu výrobků, hledání míst přehřívání na spojích nebo elektronických obvodech, u brzd na železničních vagonech atd. Obrázek 3-43 Záznam snímání povrchu plochy pomocí termovize po úpravě v PC 45

48 Měření tlakových veličin 46 4 Měření tlakových veličin 4. Úvod Tlakové veličiny patří mezi pět nejdůležitějších měřených veličin v systémech průmyslové automatizace a informatiky. Závisí od nich vlastnosti většiny tekutin, jejich energetický obsah ap. Tlak p je definován jako podíl elementární síly ku elementu plochy podle vztahu: df p (4-) ds kde je df je element síly, ds je element plochy. Tato definice platí pro tekutiny. Pevná tělesa nemají hladkou styčnou plochu a proto se předpokládá průměrná hodnota. Jednotkou tlaku je Pascal (Pa), tj. síla (N) na ploše (m ). Jako vedlejší jednotka je to bar (mm H O sloupce), torr (mm sloupce Hg), atmosféra atm. Jednotky tlaku v anglo americkém měrném soustavě je v prevody-jednotek-si-a-jednotek-anglo-americkych. jsou tam nejčastější jednotky psi= lb/in =6985 Pa, lb/in = Při měření tlaku vztahujeme měření k absolutnímu nulovému tlaku nebo k referenčnímu nejčastěji atmosférickému tlaku. Vztažný absolutní nulový tlak (nebo také absolutní vakuum) je teoretický nulový tlak v uzavřeném prostoru dokonale zbaveného všech hmotných částic. Barometrický tlak je tlak vzduchu ve volném prostoru atmosféry v daném místě za skutečných podmínek. Normální barometrický tlak se udává na nadmořskou výšku 0 m (tj. na hladinu moře) a pro teplotu 0 C a má hodnotu 0 35 Pa. Podle druhu referenčního vztahu udáváme tlak: - absolutní, tj. vztažený k absolutnímu nulovému tlaku, - přetlak nebo podtlak, tj. tlak vztažený k atmosférickému tlaku, - rozdíl tlaků, tj. vztah je určen rozdílem dvou tlaků a ani jeden není tlak absolutní nebo atmosférický. Obecně může působit tlak staticky a dynamicky. Tlak statický působí v tekutině, která je klidu, tlak působí stejně ve všech směrech a je úměrný výšce tlakového sloupce tekutiny podle vztahu: p s. g. h (4-) kde je p s statický tlak, hustota tekutiny, g gravitační zrychlení, h výška sloupce tekutiny. V tekutině, která je proudící, se musí uvažovat s tlakem kinematickým a dynamickým. Kinematický tlak je dán vztahem: p k w. / (4-3) kde je p k kinematický tlak, hustota tekutiny, w rychlost proudění. Ve stlačitelných tekutinách se mění kinematický tlak na dynamický vlivem jejich stlačitelnosti. Přitom platí: p p s (4-4) d k. kde s je stlačitelnost tekutiny důsledkem tlaku. Celkový tlak proudící tekutiny je dán součtem statického a dynamického tlaku. Pro plyny a páry je absolutní tlak stavovou veličinou ve stavové rovnici plynů: p. V n. RT. (4-5) kde je p absolutní tlak, V objem, n látkové množství v molech, R universální plynová konstanta R=8,344+/-0,00 J/mol/K, T termodynamická teplota. 4. Kapalinové tlakoměry První skupinu tlakoměrů tvoří kapalinové, zvonové a pístové tlakoměry určené pro místní měření a používané nejčastěji v laboratořích. Příklady ukazuje Obrázek

49 Měření tlakových veličin 47 p p vakuum h h h p bm p p h h a) b) c) Obrázek 4- Kapalinové tlakoměry (a U trubice pro diferenční tlak, b pro atmosférický tlak, c - mikromanometr) Kapalinové tlakoměry využívají princip silové rovnováhy mezi měřeným tlakem a hydrostatickým tlakem sloupce kapaliny v tlakoměru. Používají se pro měření přetlaku, atmosférického tlaku i podtlaku, případně i diference tlaku. Přesnost měření je dána konstrukcí a použitou kapalinou (voda, rtuť, alkohol, toluen, tetrachlormetan). Nepříznivě působí změny vnější teploty, která se projevuje roztažností materiálu tlakoměru a změnou hustoty kapaliny. Další vliv je dán kapilárními vlastnostmi náplně (kapilární elevace a deprese podle smáčivosti). Běžnou konstrukcí kapalinových tlakoměrů je U trubice. Pro měřený tlak platí vztah: p p p ). g.( h ) (4-6) ( h kde je p tlakový rozdíl na U tlakoměru, p, p tlak trubice a, hustota tekutiny měřené a kapaliny tlakoměru, g gravitační zrychlení, h, h výška hladiny trubice a. Pro úpravy rozsahu měření se vyskytují konstrukce kapalinových tlakoměrů s modifikací. Je to např. tlakoměr s více U trubicemi (sériově zapojenými), tlakoměr nádobkový, mikromanometr (viz c provedení Obrázek 4-). Úpravou trubic U- tlakoměru lze vyrobit barometr, tj. tlakoměr pro měření barometrického tlaku. Jako kapalina se používá rtuť. Mezi základní konstrukce patří tlakoměr Gay-Lusacův, Fortinův, normální a staniční tlakoměr. Na výsledek měření barometrického tlaku kapalinovými tlakoměry má vliv teplota okolního prostředí, nadmořská výška a zeměpisná šířka měřeného místa. Naměřené hodnoty v daném místě se proto musí přepočítat a korigovat. Pro korekci vlivu teploty se používá vztah: v t p p t b 0 b.. v. t kde je p b0 barometrický tlak při teplotě 0 C, p b barometrický tlak při teplotě měřeného místa, v koeficient objemové roztažnosti kapaliny (pro Hg je 8,5-6 [/ C] ), t koeficient délkové roztažnosti stupnice, t teplota kapaliny tlakoměru. Pro korekci vlivu nadmořské výšky platí vztah: p 0. gn. H p e p 0 (4-8) b b0 b0m. (4-7) kde je p b0 barometrický tlak v nadmořské výšce H, p b0m barometrický tlak normální (035 Pa), 0 hustota vzduchu při 0 C a normální tlaku (,9 kg/m3), g n normální gravitační zrychlení na 45 severní šířky 47

50 Měření tlakových veličin 48 (9,80665 m/s), H nadmořská výška v místě měření. Poznámka: v rozsahu nadmořské výšky 0 až 000 m se mění atmosférický tlak o Pa na jeden metr výšky. Poslední korekce odstraňuje vliv gravitačního zrychlení podle severní šířky polohy místa měření podle vztahu: g s p b045 pb0m. (4-9) g n kde je p b045 barometrický tlak na hladině moře a 45 severní šířky, p b0m barometrický tlak měřený,g n normální gravitační zrychlení na 45 severní šířky (9,80665 m/s), g s gravitační zrychlení severní šířky měřeného místa (pro 40 sš 9,804 m/s; pro 50 sš 9,806 m/s; pro 55 sš 9,853 m/s; pro 60 sš 9,8940 m/s; pro 65 sš 9,8303 m/s). Mezi další kapalinové tlakoměry patří tlakoměry prstencové, zvonové a pístové. Měřený tlak vyvolá změnu polohy prstence nebo polohy zvonu nebo pístu. 4.3 Tlakoměry deformační Druhá skupina jsou tlakoměry s deformačními členy. Deformační členy převádějící působení tlaku na posuv nebo na úhel natočení. Pro místní měření jsou to mechanické systémy typu pružná trubice, vlnovec, membrána, kruhová váha. Ručková měřidla mohou být vybavena i odporovým senzorem natočení ručky přístroje. Pro elektronické snímání působení tlaku se používají nejčastěji senzory s deformačními členy pružná Bordounova trubice, vlnovec, membrána. Schéma deformačních členů zobrazuje Obrázek 4-. p pa p p p l x p a x p x p p p a a) b) c) d) Obrázek 4- Mechanické členy elektronických tlakoměrů x p e) p Provedení a) je Bourdonova trubice. Vlivem měřeného tlaku p mění trubice svůj tvar, koncová část se posouvá o l. Vlnovec je zobrazen v pozici b). Jeho pružná konstrukce umožňuje změnu celkové délky o posuv x. Třetí deformační člen je jednoduchá membrána c). Její průhyb je dán vstupním měřeným tlakem p. Všechny tyto jednoduché deformační členy mají změny dané rozdílem měřeného tlaku p vůči okolnímu tlaku, např. atmosférickému p a.. Provedení d) a e) používá deformační člen v komoře. Jednoduchá membrána u provedení d) má průhyb x daný rozdílem tlaků v obou komorách, tj. p -p. Tlak p v druhé komoře může být měřený tlak u rozdílového měření nebo může mít hodnotu nulového tlaku při měření absolutního tlaku p. Provedení e) má v komoře deformační membránu mezi dvěma pevnými membránami a je určeno pro vyhodnocení kapacitním způsobem. Bordonova trubice je speciální provedení trubicových deformačních členů tlakoměrů. Používají se trubice jednoduché, trubice s vnitřní tyčí a trubice nesymetrické. Jejich průřez je oválný, eliptický nebo z různých symetrických a nesymetrických profilů. Trubice je stočena. Na jeden její konec je přiveden měřený tlak a druhý je uzavřený. Působení tlaku se volný konec trubice vychyluje od středu stočení. Teorie Bordonovy trubice je poměrně složitá. Lze odvodit zjednodušený vztah pro typ uvedený pro provedení a): r S l... p k. p (4-0) b kde je l změna polohy konce trubice, r poloměr čáry trubice, S plocha průřezu trubice, úhel natočení po přivedení tlaku, b šířka průřezu trubice, p přivedený tlak, k konstanta trubice pro malé tlaky a posunutí. Vedle trubice stočené o 70 se používají trubice ve tvaru ploché spirály a válcové spirály. Nevýhodou trubice je citlivost na otřesy. Vlnovec je tlakoměrný člen, který při působení měřeného tlaku mění svoji délku v rozsahu +0% a 5%. Při zjednodušení pro změnu délky platí: 48

51 Měření tlakových veličin 49 x p. n.. K E. h (4-) kde je x změna délky, p měřený tlak, n počet zvlnění, E modul pružnosti v tahu, Poissonova konstanta, h tloušťka stěny vlnovce, K souhrnná konstanta tvarové deformace. Membrány jsou používány kovové nebo plasticky pružné, tj. bez vlastní tuhosti. Při měření tlaku se vyrovnávají silové účinky měřeného tlaku a deformačního odporu u kovové membrány nebo síly od pružiny působící proti tlaku. Kovové membrány jsou v provedení jako tenké, tuhé membrány a zvlněné membrány. Nejcitlivější je tenká membrána. Její průhyb je dán vztahem: x R p. 4.. h (4-) kde je x průhyb membrány ve středu, p měřený tlak, R poloměr membrány, tahové napětí v membráně, h tloušťka membrány. Tenká kovová membrána je citlivá na rezonanční frekvenci, která ve vakuu se rovná:.4 f 0. (4-3).. R kde je f 0 rezonanční frekvence, R poloměr membrány, tahové napětí v membráně, hustota materiálu membrány. Tuhá membrána při zatížení vykazuje místo tahového napětí průhybové napětí. Ve vztazích se proto uplatňuje Poissonova konstanta a modul pružnosti v tahu. Změny tvaru deformačního členu se snímá následným elektrickým senzorem s principem změny elektrického odporu, kapacity, indukčnosti nebo u membrány také pomocí tenzometrického a piezoelektrického principu. Výjimečně se pro prostředí s nebezpečím výbuchu může jednat o pneumatický systém tryska-klapka. U deformačních tlakoměrů může být změna délky nebo tvaru elementu převedena také na ručkový ukazatel případně i na odporový senzor. Často jsou používány jako limitní snímače nebo jako součást limitního spínače. Příklad je nabídka EKOREG, viz Obrázek 4-3. Obrázek 4-3 Ukázka deformačních tlakových snímačů EKOREG 4.4 Elektronické tlakoměry S rozvojem elektroniky a automatizace se rozvinuly i elektrické tlakoměry. Všechny tyto přístroje používají senzor, který převádí vnější tlakový podnět na elektrický signál. Některá provedení používají deformační mechanický člen s tím, že se snímá změna jeho délky nebo natočení. Další jsou plně elektronické a senzor používá elektronický deformační člen. Tlakoměry vybavené mechanickým deformačním členem používají senzory: - odporové potenciometrické (snímá se např. natočení hřídele ručičky tlakoměru, natočení konce Bourdonovy trubice) - indukčnostní (snímá se např. poloha pístu nebo zvonu, prodloužení trubice) - tenzometrické (snímá napětí vyvolané tlakem na membráně deformačního členu) - piezoelektrické (snímá napětí vyvolané tlakem na keramické vrstvě) - kapacitní (snímá změnu tvaru membránového členu). Moderní snímače mají senzor a elektronický převodník nebo vyhodnocovací systém konstrukčně 49

52 Měření tlakových veličin 50 uspořádaný do jednoho přístroje elektronického tlakoměru. Obsahují kompaktní tlakový senzor, zpravidla polovodičový nebo piezokeramický. Příklady moderních senzorů ukazuje Obrázek 4-4. Obrázek 4-4 Senzory pro elektronické snímače tlaku (piezoelektrický, tenzometrický polovodičový, kapacitní) Schéma provedení elektronického membránového snímače tlaku a jeho fotografie (od firma BD Sensors) zobrazuje Obrázek Obrázek 4-5 Schéma provedení elektronického membránového snímače tlaku a jeho fotografie Měřicí membrána () je namáhána buď přímo nebo přes oddělovací membránu nebo kapalinu měřeným tlakem v komoře (). Obvody elektroniky (5) jsou propojeny přívody (4) s měřicím členem. Zapojení elektroniky tvoří vyhodnocovací obvody a převodník na unifikovaný signál, který vystupuje kabelem (7). Snímač je umístěn do tělesa (8) a uvnitř je referenční prostředí (6), které určuje měření přetlaku, absolutního tlaku nebo podtlaku. Tlakoměr je umístěn závitovým spojem na měřené místo. Výstupní signál je buď unifikovaný analogový signál nebo datový výstup. Významné místo zaujímají také elektronické kapacitní snímače tlaku. Měřicí část tvoří komora z izolantu se dvěma kovovými elektrodami- vnitřní měřicí a vnější obvodová pro kompenzaci. Kapacitní převodníky se s výhodou používají pro měření rozdílu tlaků. Konstrukční uspořádání převodníku rozdílu tlaku a fotografii skutečného přístroje firmy Siemens dává Obrázek 4-6. Měřicí kondenzátor tvoří okrajové elektrody () a střední elektroda (). Jako dielektrikum je použit silikonový olej. Vnitřní prostor kondenzátoru je rozdělen na dvě části membránou (). Měřené tlaky působí na oddělovací membránu (4 a 5), které působí přes silikonový olej na membránu (). Desky kondenzátoru jsou vyvedeny vodiči (6) přes těleso převodníku (7). Vnitřní prostor je vyplněn hmotou z materiálů odolávající velkým tlakům, protože musí snášet obrovské přetížení. Toto konstrukční řešení zlepšuje parametry měření. Dosahuje se např. přesnosti až %, vliv změny teploty až 0.00 %/K, vliv statického tlaku až 0.05 %/MPa, reprodukovatelnost lepší než 0.0 %, práh měření 0. Pa Obrázek 4-6 Kapacitní snímač tlaku Elektronika snímače tlaku obsahuje korekční obvody pro eliminaci všech parazitních vlivů (např. teploty okolí, teploty média). 50

53 Měření tlakových veličin 5 Elektronické tlakoměry, které obsahují ve vyhodnocovací jednotce mikroelektronické obvody, umožňují uplatnit nové koncepce zpracování výstupních signálů z převodníků. Elektronika s mikroprocesorem je umístěna v těsné blízkosti senzoru a zajišťuje následující funkce: - základní diagnostiku senzoru a převodníku - digitalizaci signálu - řízení měřicího algoritmu - úpravu převodní charakteristiky senzoru a převodníku - automatickou kalibraci - automatickou korekci systematických chyb - komunikaci převodníku s nadřízeným zařízením. Obrázek 4-7 Provedení inteligentních snímačů tlaků firmy SIEMENS Příklady moderních snímačů firmy SIMENS ukazuje Obrázek 4-7. Vyhodnocovací elektronika a dispej s údaji o měření je přímo nad měřicím členem. Typické pro inteligentní snímače je obousměrná komunikace snímače s vyhodnocovacím přístrojem nebo systémem. Tímto způsobem se zlepšují metrologické parametry měronosných signálů, zajišťuje se identifikace snímače adresou, řeší se provozní potřeby, sleduje se diagnostika apod. Propojení využívá komunikaci typu HART nebo některý systém typu RS 485 (např. Profibus, CAN, Foundation Field Bus, M-Bus) případně i komunikace LAN na bázi průmyslového eternetu. 4.5 Závěr V technické praxi zajišťují měřicí okruhy podle referenčního tlaku měření přetlaku, podtlaku, absolutního tlaku, diference tlaku v zásobnících, reakčních nádobách, destilačních kolonách, v potrubích a měření barometrického tlaku v otevřeném prostoru. Rozsah měření tlakových veličin v praxi je ve velkém rozsahu od 0 - do 0 Pa. Jednotlivé typy tlakoměrů pokrývají vždy jen určitou část rozsahu. Podle třídy přesnosti rozlišujeme tlakoměry: kontrolní s dovolenou relativní chybou 0,04 až 0,8% provozní s dovolenou relativní chybou 0,8 až,5% pro hrubé měření s dovolenou relativní chybou nad,5%. 4.6 Dodatek senzory tlakových veličin 4.6. Membrána Membrány jsou u senzorů často aplikované jako deformační prvek. Jsou používány kovové s vlastní tuhostí nebo nekovové (plastové, gumové), tj. bez vlastní tuhosti. Při působení vnějšího podnětu se vyrovnávají silové účinky vnějšího podnětu a účinky deformačního odporu u kovové membrány nebo síly od pružiny působící proti u membrány gumové. 5

54 Měření tlakových veličin 5 p h R x 4-8 Tenká membrána Kovové membrány jsou provedeny jako tenké membrány, tuhé membrány a zvlněné membrány. Nejcitlivější je tenká membrána (obr 4-8). Její průhyb je dán vztahem: R x p. ( 4-4) 4.. h kde je x průhyb membrány ve středu, p měřený tlak, R poloměr membrány, tahové napětí v membráně, h tloušťka membrány. Tenká kovová membrána je citlivá na rezonanční frekvenci, která se ve vakuu rovná: f 0. (4-5). R kde je f 0 rezonanční frekvence, R poloměr membrány, tahové napětí v membráně, hustota materiálu membrány. Membrána při zatížení vykazuje tahové radiální napětí a průhybové tangenciální napětí. Ve vztazích se proto uplatňuje Poissonova konstanta a modul pružnosti v tahu. Pro protažení od obou napětí ve středu membrány platí: 3pR ( ) P R T ( 4-6) 8h E kde R je protažení od radiálního napětí ve středu membrány (m/m), T je protažení od tangenciálního napětí ve středu membrány (m/m), p měřený tlak (Pa), R poloměr membrány (mm), P Poissonova konstanta (), h tloušťka membrány (mm), E modul elasticity materiálu membrány. Na okraji membrány je radiální prodloužení záporné a má hodnotu: 3pR ( ) P R0 (4-7) 4h E a tangenciální prodloužení se rovná nule. Obě prodloužení jsou měřená pomocí speciálního růžicového tenzometru. Pro návrh membrány jsou vypočítány parametry ze zadaných hodnot (p - rozsahu měřeného tlaku na membránu, e 0 - citlivosti měřicího tenzometru, R - poloměru membrány, E - modulu elasticity membrány, hustoty materiálu membrány): - tloušťka membrány (mm) h 0,8 pr ( )0 P (4-8) e 0 E 3 - průhyb uprostřed membrány (mm) 4 3pR ( ) P x (4-9) 3 6h E - vlastní frekvence (Hz) f 0 0,469h) R E ( ) (4-0) P - nebezpečné tahové prodloužení na okraji membrány (m/m) 3pR ( ) P (4-). 4h E R0 5

55 Měření tlakových veličin Tenzometrické odporové senzory Tenzometrické senzory reagují na vnější podněty od mechanického napětí nebo tlaku změnou svého elektrického odporu v důsledku vlastní deformace. Závislost elektrického odporu na deformaci objevil Wheatstone v r. 843 a rozpracoval Kelvin kolem roku 856. K využití tohoto jevu ovšem dochází později až v letech 90 až 945. l l+dl d d+dd Obrázek 4-9 Změny rozměrů vodiče při zatížení prostorovým tlakem a nebo podélným tahem Pro elektrický odpor R válcového vodiče (Obrázek 4-9) platí: l R S ( 4-) kde je měrný odpor vodiče (Ohm.m), l délka vodiče (m), S průřez vodiče (m ) podle průměru d. Po derivaci logaritmu vztahu lze dále odvodit: dr d dl ds R l S. (4-3 ) Působí-li na vodič tvaru válce vnější prostorový mechanický tlak p nebo osová síla F platí pro změnu průměru d vztah: S S d d ( 4-4) Vnější vlivy vyvolávají ve všech hlavních osách mechanické napětí x, y, z,: p x y z ( 4-5) Při změnách délky a průměru nebo příčné plochy vodiče vlivem prostorového mechanického tlaku na vodič se zavádí vztah poměrného prodloužení : l d x ; y z l d S ; x y z S ( 4-6) kde je poměrné prodloužení, p mechanický tlak, E modul pružnosti, (Poissonovo číslo). p E ( p ) Dále zavedeme pro relativní změny měrného odporu:.p p ( 4-7) součinitel příčného stlačení ( 4-8) kde je součinitel úměrnosti měrného odporu, p mechanický tlak, měrný odpor. Pro změny vlivem prostorového tlaku pak platí: R p ( p ) p. p R E (4-9) kde je p součinitel prostorového tlaku. 53

56 Měření tlakových veličin 54 Pro podélné prodloužení tenkého válce podélným silovým namáháním F lze vyjádřit: d l l p ;, (4-30) d l l kde je součinitel úměrnosti měrného odporu na relativní změnu délky. Po dosazení hodnot je změna odporu při uvažování jen podélné prodloužení pak: R l l ( p ) K. R l l ( 4-3) kde je K součinitel deformační citlivosti vodiče. Na součinitel deformační citlivosti K pro kovy mají největší vliv změny rozměrů a měrný odpor se neuplatní. Pro polovodiče se uplatňují i změny součinitele. Silný parazitní vliv má dále i změna teploty. Na tomto principu jsou vyráběny senzory - tenzometry. Jsou v praxi používány jako senzory pro prostorové tlaky, např. až > 000 MPa nebo pro zjišťování podélného prodloužení vlivem mechanického napětí. Využívá se zde princip délkového prodloužení nebo zkrácení. Výše uvedené odvození uvažuje s délkovými i s příčnými změnami. Proto jsou tenzometry vyráběny tak, že mají malou citlivost na příčné změny rozměrů. Obrázek 4-0 znázorňuje tenzometrický senzor na ploše, která je namáhána silami v obou směrech. Síla podélná F l vyvolává délkové prodloužení senzoru l a síla příčná F d způsobuje příčnou změnu rozměrů tenzometru d. F l e l F d e d F d F l Obrázek 4-0 Poměry na tenzometru při délkovém a příčném zatížení Pro každý délkový element tenzometru můžeme psát pro změnu odporu rovnici: R k l l kd d R ( 4-3) kde je k l součinitel délkové citlivosti, e l délkové prodloužení (=l/l), k d součinitel příčné citlivosti, e d příčné prodloužení (=d/d). Po zavedení koeficientu příčné citlivosti K t = e d /e l a e d =- p e l ( p je součinitel příčného stlačení - Poissonovo číslo) platí: R kl ( l Kt p l ) K l ( 4-33) R kde je K součinitel deformační citlivosti tenzometru. Součinitel příčné citlivosti K t je uváděn pro každý typ tenzometru výrobcem. Složité poměry vznikají u tenzometrů, které obsahují více tenzometrů v různých směrech, pod různým úhlem nebo u spirálového upořádání vodičů tenzometru. I pro tyto typy je uveden součinitel příčné citlivosti K t a při vývoji snímače s těmito tenzometry se musí provést dokonalé ověření. Běžné použití nachází tenzometry vyrobené pro namáhání v jednom směru. Jsou to tenzometry kovové drátové nebo foliové nebo tenzometry polovodičové páskové nebo membránové. 54

57 Měření tlakových veličin 55 a) b) Obrázek 4- Základní typy drátových tenzometrů Kovové drátové tenzometry jsou navinuté na podložce pro nalepení. Základní typy drátových tenzometrů zobrazuje Obrázek 4-. Podložka je plochá keramická nebo jako tkanina nebo papír. Drátové vinutí je vytvořeno pro jednoosé zatížení (pozice a) nebo dvouosé zatížení (pozice b). Kovové tenzometry jsou vyráběny také jako foliové. Ukázku provedení podává Obrázek 4- a) b) Obrázek 4- Kovové foliové tenzometry Pro praktické aplikace ve strojírenství nebo v automatizaci jsou vyráběna i jiná provedení, viz Obrázek 4-3. Jedná se o provedení citlivé na mechanické napětí vyvolané v rovině ve dvou kolmých osách (pozice a) nebo šikmo ve tří osách (b) nebo dvou šikmých směrech (c) nebo jako spirála (d). Růžicové provedení tenzometru (pozice e) obsahuje 4 sdružené tenzometry. Je vyráběn pro snímače s membránovým deformačním členem. Na jednotlivé tenzometry je zapojeno prodloužení od radiálního (od středu) a tangenciální (tečného) napětí při jejím zatížení od tlaku. Funkce jednotlivých tenzometrů v růžici a jejich zapojení do Wheatstonova můstku zobrazuje Obrázek 4-4. Tenzometry používají jako materiál kovy a polovodiče. Jako kovový materiál se používá např. platina (K=6), nebo slitiny kovů (chromel K=,5). Základní odpor kovových tenzometrů je 50 až 500 Ohm. Drát je kruhový (průměr 5..5 m) nebo plochý (foliový tenzometr o tloušťce...0 m). Přehled dalších materiálů pro kovové tenzometry má Tabulka 4-. a) b) c) d) e) Obrázek 4-3 Speciální provedení tenzometrů 55

58 Měření tlakových veličin e T 3 e R 6 5 e R e T 3 a) 4 b) Obrázek 4-4 Zapojení růžicového tenzometru a jeho propojení v můstku Tabulka 4- Materiály pro kovové tenzometry Kov Složení (%) Měrný odpor při 0 C (Ohm.m) Měrná hmotnost při 0 C (kg/m 3 ) Nikl 0, , Deformační citlivost K Ocel uhlíkatá 99,5 Fe+0,5 C 0, ,5 až 4,5 Ocel nerez 73,9 Fe+8 Cr+8 Ni+0, C 0, ,5 až 4,5 Platina 0, Konstantan 60 Cu+40 Ni 0, , Chromel B 80 Ni+0 Cr,08 800, Chromel C 65 Ni+3 Fe+ Cr, 850,5 Elinvar 55,5 Fe+8 Cr+36 Ni+0,5 Mo 0, ,6 Manganin 84 Cu+ Mn+3 Ni 0, ,47 U kovových tenzometrů je nepříjemná teplotní závislost. Je vyjadřována teplotním součinitelem odporu: R R0,0 R t ( 4-34) kde je R změna odporu při změně teplot t, R 0,0 hodnota odporu při nulovém zatížení a nulové teplotě. Polovodičové odporové tenzometry se používají monokrystalické difundované do substrátu nebo polykrystalické. Polovodičový tenzometr monokrystalický je vytvořen tenkou vrstvou monokrystalu polovodiče křemíku nebo germania dotovanou přísadami na vodivost typu P nebo N. Základní parametry těchto typů uvádí Tabulka 4-. Tabulka 4- Parametry monokrystalických polovodičových tenzometrů Materiál Délka/tloušťka/šířka (mm) Měrný odpor při 0 C (Ohm.m) Jmenovitý odpor při 0 C (Ohm) Si, typ P 4,4/0,07/0,05 až,7/0,4/0,5 0,07 až 0,0 00 až Deformační citlivost K Si, typ N 5/0,/0,05 až 7/0,4/0,8 0,35 00 až až 30 Ge, typ P 5/0,5/0,7 až 0/0,5/ 50 až Ge, typ P 3,5/0,5/0, až 0/0,4/ 0,5 50 až Závislost změn odporu se vyjadřuje rovnicí: R 3 C C C3... R (4-35) 56

59 Měření tlakových veličin 57 kde je C, C, C3,... konstanty, relativní prodloužení. Např. pro Si, typ P je C =0, C = 4000 nebo pro typ N je C =-0, C = Obrázek 4-5 Polovodičové tenzometry Polovodičový tenzometr má součinitel deformační citlivosti závislý na typu vodivosti P nebo N, na krystalické orientaci a na měrném odporu. Deformační citlivost je nelineární a je ovlivněna také výrazně teplotou. Používané materiály jsou tvrdé a křehké. Deformace je pružná až k mezi pevnosti. Polovodiče mohou vykazovat také křehký lom. Technologie polovodičových tenzometrů využívá technologie pro monokrystalické polovodiče difundované do křemíkové podložky a pro polykrystalické polovodiče naprašované. Konstrukce polovodičových monokrystalických tenzometrů je jednoduchý pásek, viz Obrázek 4-5 nebo jako dvojitý pásek pro dva směry zatížení. Monokrystalické polovodičové tenzometry se získávají řezáním monokrystalu nebo jsou typu epitaxní (velmi tenké) vrstvy nebo dentrity. Polykrystalické materiály (uhlík, bakelitový lak) se používaly v počátku období tenzometrů. S příchodem monokrystalů jejich používání bylo ukončeno. Automobilový průmysl si vyžádal levné senzory, takže se používají polykrystalické tenzometry s naprašováním a spékáním vrstev. Poznámka: Monokrystalické polovodičové tenzometry s přechodem PN jsou popsány v samostatné kapitole. Dynamické vlastnosti tenzometrů vykazují velmi malé časové konstanty. Je to dáno jejich velmi malou hmotností, která ovlivňuje tepelnou a elektrickou kapacitu. Jsou proto velmi vhodné pro dynamická měření. Mechanické napětí na tenzometru jako vnější podnět nemá zpravidla skokovou změnu, ale jedná se o deformační vlnu. Pro měření je proto důležité volit správné délky tenzometrů, aby se předešlo délkovým chybám při měření. Odměrná délka termistoru 5 mm zanáší chybu měření mezi až % při kmitočtech kolem 00 khz, délka 0 mm při 70 khz a délka 30 mm při 0 khz. Tenzometry jsou instalovány ve snímačích deformací, tlaku, tahu, síly, kroucení, zrychlení ap. zpravidla lepením. Lepidla jsou na bázi termoplastů (do 50 C) nebo termosetů (do 50 C) nebo keramické tmely (do 300 C). Parazitní vlivy: Příčná deformace vzniká od příčných sil nebo napětí z příčného směru. Zmenšuje se u senzorů s malou šířkou. Tento vliv je patrný u krátkých senzorů. Teplota způsobuje ohřátí vodiče tenzometru od teploty okolí nebo teploty měřené plochy nebo teploty od proudu měřicího obvodu nebo od termoelektrického napětí na spojích. Pomáháme si kompenzovacím tenzometrem nebo používáme velmi malý napájecí proud nebo používáme střídavé napětí nebo provádíme korekci naměřených výsledků. Rozdíly změn roztažnosti podložky a vlastního tenzometru. Hygroskopické vlastnosti lepidel způsobuje zmenšení izolačního odporu R l l Nelinearita polovodičových tenzometrů : C C ( ) (4-36) R l l Změna odporu s časem tzv. plazivý efekt (creep efect) Velkou výhodou u tenzometrů jsou jejich malé rozměry, malá hmotnost a velká citlivost. Snímače konstruované s těmito senzory zajišťují měření ve třídě přesnosti i < 0,6 a ve speciálních případech až Používají se pro statická i dynamická měření. Nejčastější aplikace je u snímání mechanického napětí u deformačních členů při měření tlaku, hmotnosti, u snímání mechanického napětí u konstrukcí, kostry letadel, karoserie osobních automobilů u crash testů. Pro další studium: - odborný název: tenzometr, Dehnungmessstreifen (německy), strain gauges (anglicky) 57

60 Měření tlakových veličin 58 - doporučené odkazy: Piezoelektrické senzory Piezoelektrický jev (P. aj. Curieové 880) spočívá v polarizaci některých krystalických nebo polykrystalických dielektrik při mechanickém zatížení (přímý piezoelektrický jev) nebo v deformaci krystalů při působení vnějšího elektrického pole (nepřímý piezoelektrický jev). Při silovém zatížení dielektrika vznikají zdánlivé náboje, které na elektrodách představují skutečné elektrické náboje. Jakmile zatížení se zruší, dostává se dielektrikum do původního stavu. z F z a b c F y x z z F x F z x y P E x P E F x x P F x x U N y y y y a) b) c) Obrázek 4-6 Piezoelektrický jev u krystalu křemene Pro měřicí senzory a pro vysvětlení piezoelektrického jevu se používá jako materiál nejčastěji křemen, tj. oxid křemičitý SiO. Krystalizuje v šesterečné soustavě viz Obrázek 4-6. U krystalu znamená osa x elektrickou osu, y mechanickou osu a z osu optickou. Při vyjmutí elementu, který je kolmý k osám x a y, pak lze zjistit při mechanickém zatížení ve směru elektrické osy zelektrizování krystalu (pozice a). Na plochách kolmých na elektrickou osu vzniká náboj (pozice b). Podobná situace i u osy y. Při zatížení ve směru osy optické nevzniká náboj. Opačný piezoelektrický jev vzniká při zapojení napětí na krystal. Elektrické napětí U deformuje krystal, polarizace mění svůj směr (pozice c). Při působení síly ve směru elektrické osy vzniká polarizace P e rovnoběžně s osou x jako podélný piezoelektrický jev. V rozsahu pružné tlakové deformace krystalu pro polarizaci P e platí: F p (4-37) x P e k p. k p. S x x kde je k p piezoelektrický modul (konstanta), F x síla ve směru osy x, S x plochy stěny bc. Na ploše polarizace P e vzniká podle definice elektrické polarizace na každé stěně S x náboj Q e : Q P. S k. F (4-38) e e x p x Při působení síly F y v mechanické ose vzniká náboj na plochách S y a platí: P k F S Q S (4-39) e p y y e x kde je k p piezoelektrický modul (konstanta), F y síla ve směru osy y, S y plochy stěny ac. Tento jev při působení síly ve směru osy y se nazývá příčný. Dalším odvozením získáme vztah pro náboj: Q k. F. S S k. F.( bc/ ac) k. F.( b / a) (4-40) e p y x y p y Výše uvedený vztah znamená, že velikost náboje je závislá na rozměrech b a a. Toto se využívá pro zajištění požadované citlivosti krystalu. Na dvou paralelních plochách o kapacitě C dostáváme z náboje elektrické napětí: Q k k. a F (4-4) e p p U Fx Fx ku. C C ere0s x kde je k u napěťová citlivost senzoru, r, 0 permitivita materiálu. Typické materiály pro piezoelektrické senzory jsou: x p y 58

61 Měření tlakových veličin 59 monokrystaly: SiO, triglycinsulfát TGS, titaničitan lithia Li TiO 3, polykrystalické keramické materiály: titaničitan barnatý BaTiO 3, titaničitan olovnatý PbTiO 3, tuhý roztok olova PbZrO 3, niobát organické polymery: polyvinylidendiflourid-pvdf, soli kyseliny vinné (Seignettova sůl-vinan draselno sodný), fosforečnan amonný (ADP amoniumdihydrofosfát- NH 4 H PO 4 ) feroelektrické materiály, které mají navíc hysterezní závislost polarizace na elektrickém poli. Tab. 4. Základní parametry některých piezoelektrických materiálů Veličina Seignettova sůl ADP Křemen BaTiO 3 Piezoelektrická konstanta k p (pc/a) 300 5, 0 Napěťová konstanta k u (V/A) Max. teplota ( C) Relat.vlhkost max (%) Relat. permitivita Mechanická pevnost (MPa) , Křemen je odolný maximální teplotě až do 573 C, kdy se jeho piezoelektrická konstanta blíží nule. Piezoelektrický jev u křemene je nezávislý na teplotě až do 00 C. V oblasti záporných teplot jsou prakticky konstanty nezávislé na teplotě, např. při 90 C se konstanty k p i k u mění vůči 0 C o,5 %. Teprve při 4, K se mění o,5%. Titaničitan barnatý BaTiO 3 je často používán. Je to polykrystalická keramika. K polarizaci materiálu se používá elektrické pole s intenzitou 0 až 30 kv/cm. Je velmi citlivý na čistotu. Překročením Courieovy teploty (0 C) ztrácí piezo vlastnosti. Titaničitan-zirkoničitan olovnatý Pb(Zr,Ti)O 3 má velmi dobré piezoelektrické vlastnosti. Courieova teplota je kolem 350 C. Typickým představitelem vinanů je Seignettova sůl, tj. vínan draselnosodný - NaKC 4 H 4 O 6.4 H O (označuje se KNT). Obsahuje krystalovou vodu, která negativně ovlivňuje stabilitu. Pro normální teplotu je oblast stability pro vlhkost vzduchu od 35 do 85 %. Při teplotě nad 55 C je voda uvolněna a sůl se rozpustí. Dále negativně působí teplota a celková nízká mechanická pevnost. Je nahrazována ADP. Vedle KNT má piezo vlastnosti i vínan etylendiaminový (EDT), semihydrát vínanu draselného (DKT) a síran litný (LiSH). V současné době jsou praktické materiály, které vykazují piezoelektricitu jsou: přírodní piezoelektrické materiály, křemík (krystalický SiO, d = 0.35 μm/kv), keramické polykrystalické materiály, titanát bária (BaTiO 3 ) polymerní materiály, například PVDF (nebo PVF). U s F U n Q o U o C s R p C c R c OV a) b) Obrázek 4-7 Náhradní schéma piezoelektrického senzoru Piezoelektrický senzor generuje elektrický náboj, který lze převést na elektromotorickou sílu jako aktivní senzor. Jeho náhradní elektrický obvod je na Obrázek 4-7, pozice a). Elektrický náboj je vytvořen na kondenzátoru C s, jehož kapacita je závislá na geometrických rozměrech a permitivitě materiálu krystalu. Odpor R s představuje svodový odpor senzoru. Po zapojení krystalu na vývody, svorky, konektor a stínění, začínají se uplatňovat další kapacity a odpory podle schématu na pozici b). Celková kapacita C c zahrnuje vedle kapacity 59

62 Měření tlakových veličin 60 senzoru ještě kapacitu vývodů a měřidla. Celkový odpor R c obdobně obsahuje odpor senzoru, vývodů a svorek a vstupní odpor voltmetru. Důležitým předpokladem je, že měřicí přístroj napětí U 0, musí mít velmi vysoký vstupní odpor, tj. nesmí odebírat žádný proud, aby se náboj nezrušil. kde je Pro dynamické poměry lze napsat rovnici časového průběhu výstupního napětí: U Q 0 R0C0 R0C0. e U 0. e (4-4) C0 Q 0 náboj počáteční, C 0 kapacita počáteční celková, R 0 odpor senzoru celkový. Součin R 0.C 0 vyjadřuje časovou konstantu přechodového děje na senzoru při skokové změně vnějšího podnětu a při zavedení elektrických parametrů platí: r R C 0. (4-43) kde je 0 0 d 0, r permitivita vakua a materiálu senzoru, d měrná vodivost dielektrika senzoru. Časová konstanta je důležitá pro stanovení spodní hranice kmitočtu rozsahu měření. V Tab. 4. jsou uvedeny časové konstanty některých dielektrik. Nepříjemné vlivy má povrchový odpor krystalu způsobovaný vlhkostí okolí. Používá se proto ochranná vrstva, která vlhkost pohlcuje. Tab. 4. Parametry některých dielektrik Materiál r (S/cm) (s) křemen parafín calit sklo teflon mikanit porcelán 4, ,.0-8 0, , , , , Vyhodnocení výstupního signálu piezoelektrického snímače je měření náboje. Vyhodnocovací obvod má k náboji paralelně zapojen kondenzátor, paralelní svodový odpor, paralelní kapacity kabelu a paralelní svodový odpor a paralelní kapacitu a vnitřní odpor vyhodnocovacího zařízení. Toto zapojení je v podstatě derivační obvod tj. náboj se rovná napětí na kondenzátoru C c a odporu R c, na kterém je měřeno výstupní napětí U o. Proto je vhodné sledovat dynamické změny a to na impedančních konvertorech. Je vhodné použít i piezoelektrické dvojče. Jako zesilovač se používá zapojení s operačním zesilovačem FET nebo MISFET se vstupním odporem 300 MOhm. Některé senzory mají již FET tranzistorový předzesilovač v pouzdře senzoru. Často jsou zapojeny senzory na nábojový OZ zesilovač, který má výhodu, že kopíruje náboj senzoru. Vyskytuje se i rozdílový nábojový zesilovač. Důležité je stínění senzoru a kompenzace parazitních kapacit. Spojení senzoru se zesilovačem je kroucenou dvojlinkou nebo koaxiálním kabelem. U koaxiálního kabelu vzniká navíc triboelektrický jev, tj. rušení nábojem od tření vnitřního vodiče o izolaci. Schéma zapojení vyhodnocování je zobrazeno, pozice b. Všechny vnější kapacity a rezistence jsou nahrazeny kondenzátorem C c a odporem R c. Náboj Q o je zapojen na hradlo tranzistoru a ovládá propustnost proudu z napájecího napětí Un. Výstup z tranzistoru U o je již napětí, které lze zatížit standardním způsobem. Předností piezoelektrických senzorů je jejich konstrukční jednoduchost, malé rozměry, lineární charakteristika, měření dynamických změn. Používají se především do snímačů: proměnné síly s membránou z piezoelektrického materiálu, mechanické frekvence (strunové uspořádání na povrchu piezo substrátu), s povrchovými akustickými vlnami (senzor PAV), zrychlení (tělísko namáhá krystal na tlak, na ohyb nebo na smyk), viskozity s útlumem vlnění od změn viskozity, teploty jako kmitající rezonátor (krystal) je v obvodu oscilátoru. 60

63 Měření tlakových veličin 6 Schéma uspořádání senzorů pro některé veličiny uvádí Obrázek 4-8. Na pozici a) je senzor pro měření tlakové síly. Síla působí v elektrické ose. Senzor je dvojitý uspořádaný tak, aby se výsledný náboj sečítal. F p a m x U o U o a) b) c) d) Uo U o Obrázek 4-8 Aplikace piezoelektrického senzoru Na pozici b) je znázorněno uspořádání pro měření tlakových veličin. Tlak působí na mechanickou membránu a výsledná síla je rovnoměrně rozložena na krystal a také je vytvořeno oddělení měřeného média od krystalu. Vliv teploty média se musí kompenzovat a celý snímač se při vyšších teplotách musí chladit. Jako materiál je používá křemen. Senzor s piezoelektrickým principem je vhodný pro měření zrychlení, vibrací a podobných dynamických veličin především pro široký frekvenční rozsah. Používá se pod rezonanční oblast. Od vnějšího podnětu se odvozuje síla, která působí na krystal kombinací tlaku, tahu nebo ohybu. Provedení senzoru je na pozici c). Senzor obsahuje hmotné tělísko m, které je vystaveno změnám polohy x a rychlosti dx/d. Platí diferenciální rovnice: dx m. c.( x x0 ) 0 d (4-44) kde je m hmotnost vnitřního tělíska, x absolutní výchylka, x 0 absolutní výchylka počáteční, x deformace krystalu, c tuhost krystalu. Vlastní kmitočet soustavy senzoru je dán vztahem: c 0 (4-45) m Při silovém působení na krystal vzniká jeho deformací náboj: k. x Q (4-46) C 0 kde je k konstanta, C 0 kapacita senzoru. Pro kmitočtovou charaketristiku lze odvodit vztah: U a A w k R c C c (4-47) kde je U napětí na senzoru, w o okamžitá úhlová rychlost, C c celková kapacita senzoru, C c celkový odpor senzoru včetně vývodů, svorek, konektorů. 6

64 Měření tlakových veličin 6 A w (db) log w A st ř w 0 Obrázek 4-9 Frekvenční charakteristika piezoelektrického senzoru zrychlení Průběh frekvenční charakteristiky je na Obrázek 4-9. Např. snímač zrychlení firmy Kistler používá senzor pro zrychlení +/ m/s při kapacitě na senzoru 9 pf, s vlastním kmitočtem 40 khz, vnitřní odporem 0 3 Ohm. Dovolený teplotní rozsah je od 50 C do + 40 C. Na pozici d) je zobrazen senzor pro snímání mechanického napětí od torze. Dva krystaly jsou namáhány napětím v ose x. Výstupní napětí je úměrné změnám náboje podle zatížení. Snímání kroutícího momentu kruhového průřezu vytvořeného ze čtyř krystalů je provedeno senzorem, kde osa zkroucení je osa x. Pro měření teploty se používá inverzní piezoelektrický jev. Krystal je vložený do střídavého elektrického pole o rezonanční frekvenci. Dochází k deformaci krystalu s největší amplitudou změn. Takový krystal je základem rezonátorů, tj. krystalů s vysokou kmitočtovou stabilitou. Krystal se chová jako oscilační obvod. Závislost rezonančního kmitočtu na teplotě je dána především materiálem a úhlem vyříznutí materiálu senzoru z krystalu. U piezoelektrického snímače se také hodnotí teplotní součinitel kmitočtu: df f, (4-48) f. dt kde je f frekvence kmitání, t teplota krystalu. Používá se křemenný teploměr se součinitelem f = (/K). Rezonanční kmitočet se volí v rozsahu MHz. Teplotní závislost rezonančního kmitočtu je popsána vztahem : f f 9,75.0 ( t t ) 60,4..0 ( t t ) 9,8.0.0 ( t t (4-49) ) kde je f 0 kmitočet při normální teplotě t 0 ( např. 0 C), f kmitočet při teplotě t. Dalším typem je piezoelektrický teploměr se součinitelem 35 až (/K). Má rezonanční kmitočet MHz. Lze jej použít pro rozsah teplot od 50 do +00 C. Krystal senzoru je uložen v pouzdře v héliové atmosféře. Senzor teploty je součástí elektrického obvodu s oscilátorem. Oscilátor je samostatná elektronická jednotka Integrované senzory tlakových veličin Technologie senzorů umožňuje výrobu integrovaných senzorů tlakových veličin. Jako příklad je uveden senzor tlaku a diference tlaku firmy HONEYWELL (Obrázek 4-0). Jedná se o piezoelektrický princip s číslicovým výstupem při 4 bitovém AD převodu, s možnosti vnitřní paměti, teplotní kompenzace, s možností měření relativního, absolutního i rozdílového tlaku. Obrázek 4-0 Integrované senzory tlaku a rozdílu tlaku 6

65 Měření průtoku a množství 63 5 Měření průtoku a množství 5. Úvod Měření průtoku a průtočného množství a hmotnosti tekutin patří obecně mezi 5 nejdůležitějších měřených veličin v systémech řízení a informatiky. Získané informace o průtoku nebo množství jsou využívány v regulačních okruzích při dávkování komponent v technologických procesech, v informačních systémech při sledování toku tekutin, při vyhodnocování surovinové a energetické náročnosti, při obchodních jednáních o vstupních materiálech do výroby a o finálních výrobcích. Jedná se o měření průtoku a množství pro kapaliny, páry a plyny. Nejčastěji se měří průtok tekutiny v uzavřeném potrubí, výjimečně průtok kapalin v otevřeném kanále. Podle způsobu vyjádření měřené veličiny, používáme hodnoty okamžitého hmotnostního nebo objemového průtoku nebo hodnoty celkového objemového nebo hmotnostního množství. Obecně se v praxi používané průtokoměry pro potrubní systémy třídí podle metody měření na: - objemové čítače (průtokoměr s turbínkou, s lopatkovým kolem, s oválnými koly, s ozubením), - průřezová měřidla ( clona, dýza, Venturiho trubice, rychlostní sonda), - plováčkové průtokoměry, - termoelektrické průtokoměry, - indukční průtokoměry, - ultrazvukové průtokoměry, - vírové průtokoměry, - Coriolisovy hmotnostní průtokoměry. Jejich použití je závislé na druhu tekutiny, její viskozitě, hustotě, teplotě a tlaku, čistotě a dalších parametrech. Přehled průtokoměrů do potrubí obsahuje Tabulka 5-, do otevřených kanálů.. Tabulka 5- Rozdělení průtokoměrů do potrubí podle principu a dalších parametrů Princip F min /F jmen F max /F jmen tekutina kvalita přesnost Poznámka Objemový lopatkový 0,5,4 kapalina čistá, neviskózní >% Objemový oválný 0,5, kapalina čistá, viskózní >0,8% velká P Objemový zubový 0,,4 kapalina čistá, viskózní >0,5 velká P Objem turbinka 0,,4 kapalina, plyn Průřezové (clona) 0,05 0 kapalina, plyn, pára Plováčkový 0,, kapalina, plyn Termoelektrický 0,, kapalina, plyn čistá, neviskózní čistá, neviskózní čistá, neviskózní čistá, neviskózní Indukční 0, 5 kapalina čistá, neviskózní ultrazvukový 0,05 5 kapalina čistá >0,5 vírový 0,08 0 kapalina, plyn, pára >0,8 >% >JS50 >,6 jen laboratoř >,6 pro malé rychlosti > el.vodivá kapalina čistá 0,5 T<350 C Coriolisův 0,,4 kapalina, čistá 0,5 hmotnostní 63

66 Měření průtoku a množství 64 plyn, pára Tabulka 5- Rozdělení průtokoměrů pro otevřené kanály podle typů a dalších parametrů Princip F min /F jmen F max /F jmen tekutina kvalita přesnost Poznámka Výtok stěnou 0,3, kapalina čistá >,5% Paršalův žlab 0,, kapalina >,5 Jez 0,5 0 kapalina >,5 přes výšku hladiny Při navrhování průtokoměrů uvažuje s parametry: - průtok jmenovitý F jmen (hodnota pro jmenovité podmínky nebo běžný režim technologie) - průtok dělící nebo přechodový F del (hodnota průtoku na hranici jmenovité přesnosti) - průtok minimální F min (hodnota průtoku, kdy přesnost je ještě únosná, např. 0 x jmenovitá) - průtok startovací F start (hodnota průtoku, kdy začíná průtokoměr ukazovat počáteční hodnotu i když přesnost je velmi špatná) - průtok maximální F max (průtok maximální, v provozu se vyskytuje jen krátkodobě). % b) a) F min F del F jmen F max F start Obrázek 5- Rozsah měření průtoku v závislosti na přesnosti měření Grafické vysvětlení hodnot údajů rozsahu průtokoměrů obsahuje Obrázek 5-. Obsahuje závislost typu a), kdy průtokoměr se přechyluje u malých průtoků do záporných chyb a závislost b), kde je chování opačné. Je to dáno principem a provedením průkoměru. Pojem tekutina je společné označení pro kapaliny, plyny a páry. Pro měření průtoku a množství můžeme používat jednotky objemové nebo hmotnostní. Podle SI soustavy jsou to m 3 /s, kg/s, případně v praxi se udržují m 3 /h, kg/h, t/h. V angloamerické systému jsou běžné: cu inch, cu ft, gal anglický a americký, cu yard, petrol barrel. Pro okamžité objemové průtočné množství a pro ustálený stav platí vztah: V F V S. v (5-) kde je F v objemové průtočné množství (m 3 /s), V objem, t doba měření, S průřez potrubí, v rychlost proudění (m/s). Jestliže průtok není ustálený, platí pro okamžitou hodnotu průtoku : dv F V (5-) d 64

67 Měření průtoku a množství 65 Objem tekutiny, která proteče za konečný interval - měřeným potrubím, je dán vztahem: V FV. d (5-3) Některé průtokoměry měří v hmotnostních jednotkách. Pro průtok objemového množství tekutiny platí: F M V. S. v. (5-4) kde je F M hmotnostní průtočné množství (kg/s), V objem (m 3 ), hustota (kg/ m 3 ), jednotka času (s), S průřez potrubí (m ), v střední rychlost proudění (m/s). kde je Jestliže průtok není ustálený, platí pro okamžitou hodnotu hmotnostního průtoku : dm dv F M. d d (5-5) m hmotnost protékající tekutiny (kg). Hmotnost tekutiny, která proteče za konečný časový interval - měřeným potrubím, je dán vztahem: m FM d (5-6) Z předchozích vztahů vyplývá, že průtok určujeme z objemů nebo rychlosti toku v určitém časovém intervalu. V technické praxi u měření průtoku plynů a par se mění hodnoty teploty a tlaku měřeného média. Toto má za následek, že se mění i objem na základě stavové rovnice plynů podle vztahu: pv n. RT.. z (5-7) kde je p absolutní tlak, V je reálný objem, n je počet molů, R univerzální plynová konstanta (8,34 4 J K ), T absolutní teploty, z stlačitelnost jako funkce tlaku a teploty. Zavede-li se měrná hmotnost jako funkce molární hmotnosti a objemu, vychází: M. n p. M V RT.. z kde je hustota a M molární hmotnost (kg/mol). S cílem vyloučit chyby při měření průtoku při nestálé teplotě a tlaku zavádí se přepočty na normální průtok u plynů a par, tj. přepočet reálné teploty a tlaku na 0 C a na 0,35 kpa. Přepočtové vztahy jsou: pr. V T. z r r p T N. V. z N (5-8) r N N (5-9) kde je index r pro reálný stav, index N pro normální stav. Základní výpočty je vhodné provádět s použítím zákona o zachování hmoty, tj. přepočíta objemový průtok na hmotnostní s použítím tabulkových hodnot hustoty pro reálné a normální podmínky. Pro správnou funkci průtokoměrů je dále důležité dodržovat druh proudění. Při laminárním proudění se pohybují částice po proudnicích, které jsou rovnoběžné a nekříží se. Při turbulentním proudění dochází k vírovému pohybu proudnic, které se vzájemně kříží. Kriteriem určující druh proudění je Reynoldsovo číslo, pro které platí: Re D. v D. v. (5-0) kde je D průměr potrubí (m), v střední rychlost proudění (m/s), kinematická viskozita (m /s), měrná hustota (kg/ m 3 ), dynamická viskozita (Pa.s). Kritické Reynoldsovo číslo, kdy dochází k přechodu laminárního na turbulentní proudění, je pro průtok kruhovým potrubím hodnota 300. Pro hodnoty Re<300 se jedná o laminární proudění. Pro 300<Re<0000 uvažujeme s prouděním přechodovým. Hodnota Re >0000 určuje turbulentní proudění. 65

68 Měření průtoku a množství 66 Průtokoměr vyvolává v hydraulickém okruhu tlakovou ztrátu danou jeho hydraulickým odporem. S tímto jevem se musí počítat při návrhu měřicí tratě. Dalším parametrem průtokoměrů je hodnota časové konstanty udávající dynamické vlastnosti měřeného systému. Spolehlivost systému je dána použitou měřicí metodou a druhem senzoru. Výhodné je používat snímače bez pohyblivých částí. 5. Průtokoměry objemové 5.. Druhy průtokoměrů Objemové měřicí metody řadíme mezi absolutní měřicí metody. Vykazují dostatečnou přesnost měření a udávají celkové množství tekutiny protečené průtokoměrem. Pro určování okamžitého průtoku je nutno použít časoměrné zařízení nebo výpočet. Pro měření průtoku v systémech průmyslové automatizace jsou používány objemové měřidla s nespojitou a spojitou měřicí činností. Nespojitá měřidla jsou určena pro místní měření, jako např. zvonový průtokoměr. Průtokoměry se spojitým měřením objemu protékající látky používané v praxi mají konstrukční uspořádání: bubnové, pístové rotační, lopatkové, s oválnými koly a s ozubenými koly. V 3 V 5 V 3 4 Obrázek 5- Schéma objemového bubnového průtokoměru Objemové měření je odvozeno od principu měření. Měření element vytváří vnitřní uzavřený prostor o známém objemu. Při přesunu těchto dílčích objemů ze vstupu průtokoměru na jeho výstup se počet těchto objemů vyhodnocuje za jednotku času ( s, 6s, minuta podle frekvence impulzů) nebo za časový interval (den, týden, měsíc, rok nebo od počátku instalace) pro stanovení protečeného množství. Při tom platí: im imi i ki a FQ. ki i i F. i (5-) q kde F je průtok objemový (např. m3/s), im i je sumace impulzů, doba sumace impulzů (např. sekundy). Jednotka pro konstantu impuzů k i je (m3/impulz). Bubnové měření používá pro objemové měření tekutiny odměrné komory s možností rotace kolem osy. Schéma konstrukce ukazuje Obrázek 5-. Měřená kapalina se do průtokoměru () přivádí do středu komory (), vtéká do komory (3) o objemu V a začíná ji naplňovat. Po jejím naplnění se poruší rovnováha, buben se otočí o 0 a celý naměřený objem V přeteče do výtokové části (4). Měřicí proces pokračuje naplňováním další komory. Použití je možné i pro plyny, výtoková část je ovšem podle hustoty plynu nahoře, případně dole. Průtokoměry mají rotační část spojenou s mechanickým počítadlem případně mají namontovaný impulzní snímač (5) pro počítání naplněných komor a napojení na systém řízení a informatiky. Omezení měření udává maximální teplota měřené tekutiny (do 30 C) a tlak přívodu. Rozsah měření je daný objemem komory bubnu (až 0000 m3/h). Třída přesnosti bubnovým měřidel je. Průtokoměr objemový nebo také objemový čítač je charakterizován rozdělením toku tekutiny na dílčí objemy vytvářené měrným mechanismem lopatek turbíny, lopatkového kola, ozubení oválných kol nebo ozubených kol ap. Používají se pro měření čistých kapalin a turbínové i pro měření čistých plynů. Nevýhodou je používání mechanických rotačních dílů. Výhodou je jednoduchost, především u lopatkových a možnost měření i bez pomocné energie. S výhodou se používá objemových průtokoměrů pro dávkování kapalin. 66

69 Měření průtoku a množství 67 Provozní poměry u turbínového průtokoměru vychází z Eulerovy rovnice pro turbinu. Proudění měřené tekutiny otáčí turbínovým kolem úměrně rychlosti proudění. V současné praxi se používají konstrukce: Voltmannův průtokoměr pro kapaliny a turbínový průtokoměr pro kapaliny a pro plyny. Jejich použití je jednak ve vodorovné nebo ve svislé poloze Obrázek 5-3 Konstrukce turbínového průtokoměru Konstrukční řešení turbínového průtokoměru demonstruje Obrázek 5-3. V tělese () se na ložiskách otáčí oběžné kolo ve tvaru šroubovice () pod vlivem rychlosti proudění tekutiny (3). Turbínka je mechanicky nebo magneticky spojena s mechanismem počítadla vývodem (4). Pro dálkové měření je použit snímač otáček (5). Průtokoměr se používá pro čistou, neagresivní vodu do teploty 30 C. Dosahuje se třídy přesnosti, v oblasti malých průtoků až 5. Pro plynná media má turbinový průtokoměr na vstupu zúžení pro zrychlení toku a vytvoření náporového momentu. Pro kapaliny má stejnou světlost a používá se do viskozity *0-4 m.s (00cSt). Tlaková ztráta je desítky kpa. Minimální průtok je od 5% rozsahu průtoku. Průtokoměry pro dálkové měření mají induktivní, optický, kontaktní aj. snímač otáčení turbínového kola. Výstupní impulzy jsou zesíleny a převedeny na unifikovaný impulsní anebo analogový signál průtoku a případně sumovány na údaj objemového množství. Průtokoměr s lopatkovým kolem je levnější a jednodušší modifikací turbínového průtokoměru. Používá se výhradně pro čisté, neagresivní, neviskózní kapaliny o teplotě do 30 C. Konstrukce lopatkového průtokoměru zobrazuje schematicky Obrázek 5-4. Otáčivé lopatkové kolo () vlivem proudu měřené kapaliny vymezuje po obvodu tělesa () objemy kapaliny. Počet otáček a rychlost otáčení je mírou průtoku. Tlaková ztráta je vytvářena hydraulickým odporem lopatkového systému a podle druhu kapaliny dosahuje hodnot desítek kpa. Dosahuje se přesnosti %. Minimální průtok je v rozsahu od 0 % jmenovitého rozsahu. Vyrábí se ve světlosti o velikostech 0 až 50 mm. Provedení je pro studenou kapalinu (do 40 C) a pro teplou kapalinu (do 30 C). Obdobně je řešen u průtokoměru elektronický výstup, nejčastěji impulzní (4) Obrázek 5-4 Konstrukce lopatkového průtokoměru Protože rozsahy minimálního průtoku u lopatkového průtokoměru mohou při měření průtočného množství vykazovat velkou absolutní ztrátu, používá se paralelní nebo sériové zapojení dvou průtokoměrů. Toto zapojení se nazývá sdružený průtokoměr a jeho schéma nese Obrázek 5-5. Hlavní průtokoměr () je pro velké jmenovité průtoky, např. 38, 00 až 800 m3/h. Pro malé průtoky se přepíná vedlejší průtokoměr () pro rozsahy 5, 7, až 0 m3/h. Přepínání toků je prováděno klapkou (3). Paralelní zapojení nemá ideální charakteristiku v oblasti přepínání. U sériového zapojení při malých průtocích proudí měřená kapalina přes oba průtokoměry, ale měří 67

70 Měření průtoku a množství 68 přesně jen vedlejší. Při větších průtocích vzrůstá tlak na klapku, která se otevírá a průtok se měří jen hlavním průtokoměrem. 3 3 Obrázek 5-5 Paralelní a sériový sdružený průtokoměr Pro dálkové měření se otáčení lopatkového kola snímá bezdotykově induktivním, optickým nebo magnetickým snímačem (4) a signály se dále upravují na unifikovaný impulsní nebo analogový signál průtoku. Na požádání se vyhodnocení doplňuje o sumátor pro stanovení množství. Rotační část pohání mechanické počítadlo, které je mokroběžné nebo suchoběžné. Podmínky instalace jsou stejné jako pro turbínkový průtokoměr. Modifikací lopatkového průtokoměrů je průtokoměr s lopatkovým rotorem. Schéma ukazuje Obrázek 5-6. Do potrubí () je vsazen lopatkový rotor () a proud tekutiny ho otáčí. Otáčky se snímají snímačem otáček (3) a vyhodnocují na průtok. Tyto průtokoměry mají omezení dané teplotou měřeného média (do 00 C), tlakem v měřicím potrubí, pasivními odpory rotoru, a setrvačnými silami. Třída přesnosti je. Výhodou je snadná montáž. Používá se pro malé průměry do JS 5. 3 Obrázek 5-6 Průtokoměr s lopatkovým rotorem Průtokoměr s oválnými koly (Obrázek 5-7) má v měřící komoře () dvě oválná kola () s evolventním ozubením. Vlivem průtoku media (3) se kola otáčí a unáší kapalinu podél stěn ve vytvořeném prostoru. Během jedné otáčky kol jsou přeneseny 4 objemy. 3 4 Obrázek 5-7 Průtokoměr s oválnými koly Tyto průtokoměry jsou určeny pro čisté a i viskózní kapaliny v rozsahu až.0-3 m s - (0.3 až 000 cst). Tlaková ztráta je závislá na viskozitě. Dosahuje se přesnosti třídy 0.6. Vyrábí se ve velikosti světlosti 0 až 400 mm. Snímání otáčení oválných kol je bezdotykové induktivní nebo fotoelektrické snímačem (4). V návazném vyhodnocovacím přístroji se převádí impulsy na unifikovaný impulsní nebo analogový signál průtoku a podle požadavku se provádí integrace impulsů na údaj množství. 68

71 Měření průtoku a množství 69 Konstrukce těchto průtokoměrů vyžaduje kvalitní uložení rotačních kol, aby odolávaly vysokým provozním tlakům. Průtokoměry mají dále omezení dané teplotou měřeného média (do 50 C), tlakovou ztrátou v měřicím potrubí, pasivními odpory rotoru. Třída přesnosti je u speciálních provedení až 0,6. Oválná kola mohou mít různé modifikace tvarů ozubení. Průběh tlakové ztráty ukazuje Obrázek 5-8. kpa ,0 Obrázek Tlaková ztráta průtokoměrů s oválnými koly % Podobný princip a podobné vlastnosti i problémy mají průtokoměry s ozubovými koly. Ve skříni jsou uložena dvě standardní ozubená kola a proud kapaliny její objem přenáší na protější strany na výstup. Mezi jednotlivými zuby je objem vyplněn kapalinou a počet těchto objemů je celkové dávkování. Ukázky přináší Obrázek 5-9Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Průtokoměr TRASO je s počítadly ze stojanu čerpací stanice. Obrázek 5-9 Průtokoměry s ozubenými koly (Sika, Traso) 5.. Vyhodnocení výstupních signálů objemových měřidel Výstupní signál objemových průtokoměrů je zpravidla impulzní. Snímač stavu a polohy změní binární hodnotu při průchodu lopatky nebo zubu a tím je dán jeden dílčí objem (V i ) daný prostorem mezi lopatkami nebo zuby. U tohoto signálu máme dále informace o periodě mezi dvěma následujícími impulzy (T i ), dále frekvenci impulzů (f i ). Vyhodnocování průtoku F (m 3 /s) se provádí podle rovnice : F V i. f i (5-) kde je V i dílčí objem, f i frekvence impulzů. Vyhodnocování průtočného množství FQ (m 3 ) pro dané časové období provádí podle rovnice: FQ Vi. fi. d ( Vi. fi.). (5-3) kde je V i dílčí objem, f i frekvence impulzů, časový interval pro vyhodnocování množství. 5.3 Průřezová měřidla průtoku Průřezová měřidla průtoku využívají princip vyjádřený Bernoulliho rovnicí. Kinetická energie se v zúženém místě mění na energii potenciální, tj. rychlost proudění na diferenci tlaku. Do toku měřeného media v potrubí je vřazeno zúžení, místně se zvyšuje rychlost proudění, mění se tlakové poměry tak, že vzniká diference tlaku jako míra rychlosti toku proudu, tj. průtoku. Jako měřené medium může být kapalina, plyn i pára. Průtokoměry nepoužívají žádné mechanické rotační díly. Mohou být i přetíženy. Podmínkou je čistá fáze měřeného media, která se nesmí při změně tlaku měnit (vypařovat se nebo kondenzovat). Vodní pára musí být přehřátá nebo na mezi sytosti. Další podmínkou je dodržení rovného průřezu potrubí v dostatečné dané vzdálenosti před a za místem průtokoměru. 69

72 Měření průtoku a množství 70 p p p p p p a) b) c) Obrázek 5-0 Základní druhy senzorů průřezových průtokoměrů Jako průřezový měřicí element se používá (Obrázek 5-0): clona (a), dýza b) nebo Venturiho dýza c). Rozdíly jsou patrné z vyobrazení, jedná se o tvar náběžné a koncové hrany elementu. Měření pro tato průřezová měřidla je normalizováno podle ČSN ISO 567- od světlosti 50 mm. Vedle těchto základních elementů jsou používána ještě měřidla se specifickými škrtícími prvky (rychlostní sonda, Pitotova trubice, segmentová clona, otevřený kanál), pro která není vytvořena norma. D d 3 PD P T Obrázek F 6 output F output FQ V V V 3 V 4 V 5 V 6 V 7 snímač PD Sestava měřicího okruhu s průřezovým měřidlem ventilová souprava Sestavu instalovaného měřicího okruhu s clonou ukazuje Obrázek 5-. Průřezový element () vytváří zúžením průměru potrubí D na malý průměr d a vytváří rozdíl tlaku před a za měřicím prvkem. Odběrové místo těchto tlaků má měřicí ventily (). V případě odběru tlaků u vodní páry jsou zde ještě kondenzační nádobky. Následující propojovací potrubí (3) přivádí tlaky na pěti cestnou armaturu (4). Ventily této armatury umožňují odkalování a další servisní úkony. Zpravidla přímo na ventilové armatuře je namontován převodník diference tlaku (5). Elektrický výstupní unifikovaný signál je dále napojen na vyhodnocovací jednotku průtoku a množství (6). Výstupním signálem z této jednotky je analogový unifikovaný signál okamžitého průtoku a nebo impulsní signál průtočného množství. U moderních jednotek je použito také komunikační propojení s nadřazenou jednotkou, např. typu RS 3, RS 485 případně LAN. Při měření průtoku plynu nebo páry je nutné kompenzovat průtok na vlivy skutečné teploty a tlaku. Proto je na vyhodnocovací jednotku připojen výstup měřicího okruhu teploty T a absolutního tlaku P. Ukázku základní prvků sestavy ukazuje Obrázek 5-. Obrázek 5- Fotografie jednotlivých přístrojů sestavy (SIEMENS) Celkový pohled na měřicí okruh průtoku s průřezovým senzorem ukazuje Obrázek 5-3. Proud tekutiny v přívodním potrubí () je veden po zúžení rovným úsekem potrubí (3) na clonu (). Následuje rozšíření potrubí a měření teploty (4) a absolutního tlaku (5) pro kompenzaci průtoku na normální podmínky. Pro vlhké plyny je nutno korigovat měrnou hmotnost i na obsah vlhkosti. 70

73 Měření průtoku a množství Obrázek 5-3 Měření s průřezovým měřidlem Vyhodnocování průtoku se odvozeno v ČSN do tvaru:... p C.. d F v. S.... m 4 4. p (5-4) kde je souhrnný koeficient závislostí proudění, dynamická viskozita (Pa.s), expanzní koeficient jako funkce (, p,p,), kde je izoentropický koeficient, m poměr ploch S /S =d /D, p naměřený rozdíl tlaků, měrná hustota, C průtokový koeficient jako funkce (Re D,, D), poměr průměrů d/d. Pro hmotnostní průtok platí vztah:.. C.. d F v. S... p.... p 4. m 4 (5-5) Při návrhu průřezového průtokoměru pro D=50 mm, = 0,...0,75 podle ČSN se bere v úvahu: - druh a vlastnosti měřené tekutiny - požadované rozsahy průtoku - teplota tekutiny - tlakové poměry v místě měření - předpokládaný rozdíl tlaku při jmenovitém průtoku - dovolené tlakové ztráty - průměr a materiál potrubí - druh a materiál průřezového měřidla. Měření průtoku průřezovými měřidly vykazuje velkou trvalou tlakovou ztrátu, protože po průchodu zúžením se plně neupraví tlakové poměry na původní stav. Velikost tlakové ztráty se vypočítá podle vztahu: p T ( ). p (5-6) Třída přesnosti měření u průřezových měřidel dosahuje hodnot od a to v rozsahu od F min =0 až 5 % jmenovitého rozsahu průtoku. Do skupiny průřezových měřidel patří také rychlostní sonda, v praxi je ale používána, i když není normalizována. Sondu tvoří dvě trubice namontované kolmo do průřezu potrubí. Na náporové straně se měří na více místech tzv. dynamický tlak a na odvrácené straně průtoku tzv. statický tlak. Rozdíl těchto tlaků je mírou rychlosti průtoku. Tento způsob měření je obdobou průřezového měření, ale má snadnou montáž a menší tlakovou ztrátu. Používá se pro kapaliny, plyny a páry s podmínkami pro clony. Pro provádění výpočtů souvisejících s měřením, cejchováním nebo jinou kontrolou jsou vypracovány výpočtové programy. 5.4 Plováčkové průtokoměry Plováčkový průtokoměr (nazývaný také rotametr) je tvořen kuželovou svislou trubicí rozšiřující se směrem nahoru a kuželovým tělískem. Proud měřené látky ve směru zdola nahoru zvedá kuželové tělísko, které se 7

74 Měření průtoku a množství 7 udržuje ve výšce úměrné rychlosti průtoku. Schéma průtokoměru dává Obrázek 5-4. p d p p D Obrázek 5-4 Schéma plováčkového průtokoměru a skutečné provedení (KROHNE) Poloha plováku je dána rovnováhou působících sil daných vztahem: F g F F s d F t (5-7) kde je F g gravitační síla zmenšená o vztlakovou sílu, F s síla rozdílu statického tlaku proudící tekutiny, F d síla dynamického tlaku proudící tekutiny působící na dolní plochu plováku, F t třecí síla při obtékání. Gravitační síla zmenšená o vztlakovou sílu působící směrem dolů se rovná: F m. g V ( g (5-8) g p p t ). kde je m hmotnost plováku, g gravitační zrychlení, V p hustota tekutiny. kde je objem plováku, p hustota materiálu plováku, t Síla rozdílu statického tlaku proudící tekutiny odpovídá vztahu: F S ( p p) (5-9) s p S p plocha průřezu plováku, p statický tlak pod plovákem, p statický tlak nad plovákem. Síla dynamického tlaku proudící tekutiny působící na dolní plochu plováku je dána vztahem: w F d k p. S p. t k p. S p. pd (5-0) g kde je k p koeficient tlakového odporu plováku podle experimentů, S p plocha průřezu plováku, w střední rychlost proudu tekutiny, g gravitační zrychlení, t hustota tekutiny, p d dynamický tlak. Třecí síla při obtékání okolo plováku se vyjadřuje vztahem: d t t n F k. S. w (5-) kde je k t koeficient tření závislý na viskozitě tekutiny, S t třecí plocha při nejvyšší rychlosti, w střední rychlost proudu tekutiny, n exponent závislý na velikosti střední rychlosti proudu a typu proudění, rovná se až. Po dosazení všech vztahů a po úpravách, kdy se uvažuje Bernoulliho rovnice a rovnice kontinuity, vychází pro průtočné objemové množství: p t p t q k...( S S ) K. a bh ch (5-) v F tr p t t kde je k koeficient pro daný průtokoměr, konstanta závislá na geometrii průtokoměru a od Reynoldsova 7

75 Měření průtoku a množství 73 čísla, w střední rychlost proudu tekutiny, p hustota materiálu plováku, t hustota tekutiny, S tr plocha trubice, S p plocha plováku, K souhrnná konstanta, h výška zvednutí plováku, a, b, c výpočtové konstanty průtokoměru. Rozdíl ploch je možno upravit na vztah: ( Dt d p ) ( Str S p ) ( d p. h. tg h. tg ) (5-3) 4 kde je D t průměr trubice, d t průměr plováku, h výška plováku, úhel rozšiřování trubice. Z výše uvedeného vztahu je zřejmá kvadratická charakteristika průtokoměru. Trubice je vyrobená ze skla nebo z kovu. Kuželovitost trubice je v rozsahu 0 až. Plovák má různý tvar. Stabilní plovák má zářezy pro rotaci při průtoku. Nestabilní jsou vedeny na tyči. Zobrazení základních typů plováků ukazuje Obrázek 5-5. a) b) Obrázek 5-5 Tvary plováků. a) nestabilní, b) stabilní Snímání polohy plováku během měření průtoku se provádí induktivním, kapacitním, fotoelektrickým nebo odporovým senzorem, zpravidla bezdotykově. Následuje převodník, který převádí signál senzoru na unifikovaný signál pro dálkové zpracování. Základní použítí plováčkových průtokoměrů je pro místní měření, např. v laboratořích. V průmyslové praxi jsou také používány jako limitní snímače průtoku. Po dosažení určitého průtoku, tj. určité polohy, se sejme poloha, sepne se kontakt a provádí se signalizace nebo dvoupolohové řízení. Rozsahy měření pro kapaliny jsou od,.0-7 m 3 /h do 45 m 3 /h. Pro plyny jsou používány rozsahy od,5.0-5 m 3 /h do 900 m 3 /h, výjimečně až 7000 m 3 /h. Teplota média může být až 400 C při tlaku do 40 MPa. Chyba měření se uvádí v rozmězí až %. Tlaková ztráta je pro kapaliny kolem 7 kpa, pro plyny kpa. 5.5 Ultrazvukové průtokoměry Pro měření rychlosti proudění kapalin v potrubí se využívá také ultrazvukových senzorů průtoku. Používá se ultrazvuku o frekvencích nad 0 khz až do 00 khz. Průtokoměry měří bezdotykově, nemají žádné pohyblivé části a nezvětšují hydraulický odpor. S výhodou se využívají pro měření objemového průtoku u vodivých i nevodivých kapalin. Kapaliny mohou být silně znečistěné, agresivní, viskózní a mohou být i výbušné. Určitá omezení jsou při měření plynů, vyrábí se omezeně a pro specifická použití. S S S+G v v v G G a) b) Obrázek 5-6 Ultrazvukové průtokoměry c) G+S Senzor pracuje s úzkým nebo širokým pásmem frekvence ultrazvuku a je upevněn pevně na tělese průtokoměru nebo je usazen na povrch potrubí (přenosné provedení). Podstatou funkce měření je měření změny rychlosti šíření ultrazvuku v proudící tekutině nebo snímání času přechodu impulzového signálu nebo Dopplerův jev. Jednoduchý průtokoměr s měřením změny rychlosti nebo doby přechodu má generátor a senzor ultrazvuku umístěn na protilehlých stranách. Schéma dává Obrázek 5-6, pozice a). Generátor G vysílá ultrazvuk do potrubí v protisměru nebo po směru proudění tekutiny. Impulz je snímán v senzoru S. Při tom platí vztah: 73

76 Měření průtoku a množství 74 G S L c v.cos (5-4) kde je G-S doba průchodu signálu, c rychlost ultrazvuku v tekutině, L vzdálenost G-S, v průměrná rychlost tekutiny, úhel sklonu paprsku. Průtok se pak počítá podle vztahu: F GS. c L. d v. S..cos 4 kde je S průřez průtokoměru (světlost), d je průměr průřezu průtokoměru. (5-5) V případě širokopásmového ultrazvuku se využívá opakovaného odrazu v potrubí, zobrazení b). Protože rychlost ultrazvuku je závislá na mnoha faktorech, např. teplota, hustota, viskozita, používá se standardně diferenciální zapojení, zobrazení c). Na každé straně je senzor S a S a generátor G a G a střídavě se vysílají impulzy ultrazvuku. Pro rozdíl časových intervalů platí:. L.cos (5-6) c v.cos kde je i-j doba průchodu signálu z i na j senzor, c rychlost ultrazvuku v tekutině, L vzdálenost generátoru a senzoru, v průměrná rychlost tekutiny, úhel sklonu paprsku. Pro rychlost proudění tekutiny můžeme odvodit vztah: c. L.cos. v (5-7) Pro průtok následně platí: F. d v. 4 (5-8) Průtokoměry s těmito senzory měří rychlost proudění v rozsahu 0.03 do 30 m/s. Jmenovitý průměr průtokoměru se vyrábí od 0mm do 0 m, což umožňuje měřit průtok až do hodnoty m 3 /h. Teplota tekutiny může být podle provedení od 00 až do 50 C. Přesnost měření je od 0.5 do.5%. Princip činnosti průtokoměru podle Dopplerova principu ukazuje Obrázek 5-7. Využívá odraz ultrazvukové vlny na částicích vnitřní nehomogenity tekutiny, např. pevných částicích, vzduchových bublinách. Vysílač G a senzor S jsou umístěné na stejné straně v těsné blízkosti. Rozdíl frekvence vyslaného a odraženého signálu je popsán rovnicí: kde je. f. v f c (5-9) f frekvence ultrazvuku, c rychlost ultrazvuku v tekutině, v průměrná rychlost tekutiny. Průtok se vyhodnocuje podle vztahu: F c. f. d. f 4 (5-30) Senzor může být u specifických konstrukcí umístěn i na protější straně. Činnost Dopplerova ultrazvukového průtokoměru je ovlivněna také rychlostním profilem. Částice u stěny dávají nižší frekvence a naopak. Pro vyhodnocení střední rychlosti proudění se provádí úprava frekvence váhovým koeficientem. Dalším problémem je koncentrace částic. Proto se přesnost měření pohybuje mezi až.5 %. 74

77 Měření průtoku a množství 75 G S v Obrázek 5-7 Ultrazvukový průtokoměr s vyhodnocením podle Dopplerova jevu Příklady průmyslového provedení ultrazvukových průtokoměrů ukazuje Obrázek 5-8. Obrázek 5-8 Příklady průmyslového provedení ultrazvukových průtokoměrů (KROHNE) 5.6 Indukční průtokoměry Indukční průtokoměry využívají platnost Faradayova zákona. Princip zobrazuje Obrázek 5-9. Ve vytvořeném magnetickém poli magnetů () je pohyb metalického vodiče nahrazen tokem elektricky vodivé kapaliny v potrubí () a indukované napětí je snímáno na elektrodách (3). v 3 3 Obrázek 5-9 Princip indukčního průtokoměru Za předpokladu, že měřená kapalina proudí konstantní rychlostí v magnetickém poli, indukuje se na jednotlivých vodivých vláknech kapaliny napětí, pro které platí II. Maxwellův zákon: U U e U v ( v B). D (5-3) kde je U e napětí indukované změnou magnetického toku, U v napětí dané rychlostí proudění kapaliny, v rychlost proudu kapaliny, vektor magnetického pole, B magnetická indukce. Konstrukce průtokoměrů zajišťuje stav, kdy magnetický tok je konstantní tj. =0 a U e =0. Pak základní vztah pro průtokoměr je: 75

78 Měření průtoku a množství 76 U v. B. D q S. B. D 4. B (. D). q k. q (5-3) v v kde je q v objemový průtok, S vnitřní průměr potrubí. Průtok se vyhodnotí: F U v. K kde je U v naměřené napětí, K konstanta průtokoměru. v v (5-33) Magnetické pole průtokoměrů se vytváří elektromagneticky a to stejnosměrným, střídavým a nebo impuzním proudem. Buzení stejnosměrným proudem vyžaduje velké proudy a navíc vzniká na elektrodách polarizace. Vytváření elektromagnetického pole střídavým proudem je ovlivněno problémy fázových posuvů. Výhodné je buzení impulzním stejnosměrným proudem. Indukované napětí se snímá na konci periody taktování a snímá se i v části periody vypnutého buzení. Tímto způsobem se zajišťuje diferenciální vyhodnocení a elimuje se vliv rušení. Průběhy Obrázek 5-0. snímání napětí U v magnet vypnutý magnet buzený Obrázek 5-0 Průběh U v indukčního průtokoměru Podmínkou pro správnou funkci průtokoměru je měrná vodivost měřené kapaliny (musí být větší jak 5*0-6 S m - ) a rychlost proudění (od 0.5 ms - ). Měření neovlivňuje viskozita, hustota, tlak, teplota kapaliny, obsah pevných částí a její složení. Proto se mohou měřit odpadní vody, chemické kapaliny i agresivní při správném obložení vnitřních stěn snímače nebo potravinářské kapaliny. Indukční průtokoměry vykazují malou tlakovou ztrátu (desítky Pa). Lze měřit průtok oběma směry. Dosahují třídy přesnosti měření 0.5 až 0.6. Mají rychlou odezvu až ms. Vyrábí se ve světlostech od.5 do 3000 mm průměru potrubí. Vnitřní plochy průtokoměrů jsou vyrobeny z materiálů odolných protékajícímu médiu (např. plast, guma, sklo, keramika). Zařízení indukčního průtokoměru se skládá z elektronické jednotky pro generování elektromagnetického pole (ss, st, impulsní) a pro vyhodnocování napětí na elektrodách snímačů. Základním výstupem pro dálkové měření je analogový unifikovaný signál. Vyhodnocovací jednotka obsahuje také integrátor pro vyhodnocování množství. Podmínkou pro správnou funkci je dále vyplnění prostoru průtokoměru kapalinou, zajištění rovného úseku před a za průtokoměrem, rychlost proudění pro jmenovitý průtok kolem 0 m/s. Podle hodnoty měrné hmotnosti měřené kapaliny je dána i hodnota minimálního průtoku. Příklady průmyslového provedení indukčních průtokoměrů uvádí Obrázek 5-. šum 76

79 Měření průtoku a množství 77 Obrázek 5- Příklady průmyslového provedení indukčních průtokoměrů (SIEMENS) 5.7 Termoelektrické průtokoměry Pro měření průtoku s velmi malými rychlostmi proudění a pro bodové měření rychlosti proudění v prostoru se používají termoelektrické průtokoměry. Využívají fyzikálního principu, kdy přenos tepla prouděním ze snímače do okolí je funkcí rychlosti proudění. Používají se kalorimetrické a anemometrické principy měření. v T Q-ohřev T Vy hodnoc ov ac í jednotk a Obrázek 5- Schéma kalorimetrické průtokoměru a skutečné provedení (SAGE, BROOKS) Kalorimetrický princip používá těleso pro ohřev proudící tekutiny a dva teploměry. Princip zobrazuje Obrázek 5-. Tepelný výkon Q se plně přenáší do měřené tekutiny a platí: Q m c.( t t ) (5-34) kde je. m hmotnostní tok tekutiny, c měrné teplo tekutiny, t, t teplota před a za ohřívačem. Vyhodnocovací jednotka elektronicky určuje podle údaje topného příkonu a teplot rychlost průtoku nebo rychlost proudění. Kalometrický průtokoměr se používá pro malé průtoky kapalin a plynů v rozsahu teplot 0 až +70 C. Dosahuje se přesnost % a časové konstanty kolem s. 77

80 Měření průtoku a množství 78 v T Vyhodnocovací jednotka Obrázek 5-3 Schéma termoelektrického průtokoměru a skutečný přístroj (EXTECH) Termoelektrický anemometr se skládá ze žhaveného tělíska, měření teploty jeho povrchu, měření teploty okolí a vyhodnocovacího obvodu. Princip udává Obrázek 5-3. kde je tělíska. Pro tepelnou bilanci tepla pro ohřev a tepla přenosu z tělíska do okolí platí: Q St.( t t ) (5-35). S t teplosměnná plocha tělíska, koeficient přestupu tepla prouděním, t, t teplota okolí a povrchu Výše uvedený vztah platí za předpokladu, že teplota povrchu tělesa je konstantní a rovnoměrná a že přestup tepla sáláním lze zanedbat. Teplota tělíska se volí podle rozsahu měření kolem 70 až 00 C. Tvar tělíska je zpravidla kulovitý. V tomto případě lze měřit i rychlost proudění v prostoru. Plochý tvar destičky je používán v situacích, kdy se měří i směr proudění. Termoelektrické anemometry jsou používány v režimu: - konstantního topného příkonu a měření teploty povrchu t - konstantní teploty povrchu t a měření topného příkonu. Citlivost měření je vysoká především při malých rychlostech proudění. Lze měřit již při rychlostech 0.05 m/s proudění vzduchu. Přesnost je %. Velmi důležité je měření teploty proudícího média a kompenzace výstupu měření podle této teploty. Jako tělisko a současně teploměr se používají přímo žhavené termistory. 5.8 Vírové průtokoměry U vírových průtokoměrů se využívá vznik turbulentních vibrací při průtoku tekutiny kolem překážky umístěné svisle v potrubí. Princip měření zobrazuje Obrázek 5-4. Překážkou je trn s trojúhelníkovým nebo lichoběžníkovým průřezem (). Při obtékání se vytváří víry (). Frekvence těchto vírů (0 až 500 Hz) a jejich intenzita je přímo úměrný rychlosti proudění. V tělese průtokoměru (3) je umístěn snímač vibrací (4). Měření průtoku je možné použít pro kapaliny, plyny i vodní páry. Jediným omezením je teplota měřeného média, v současnosti se používají maximálně do 380 C. Nejčastěji se používají průtokoměry s přirozenou oscilací s pevným trnem prizmatického tvaru s čelní plochou vystavenou směru proudění. Za překážkou vznikají tzv. Karmánovy víry. Proto tento jev platí vztah: v f ks. b Q-ohřev T (5-36) kde je f frekvence vírů, k s konstanta tzv. Strohalovo číslo, v rychlost proudění, b rozměrová konstanta překážky. 78

81 Měření průtoku a množství Obrázek 5-4 Schéma vírového průtokoměru a skutečné provedení (SIEMENS) Vztah pro objemový průtok podle frekvence vírů se dostává po dosazení za rychlost proudění a má tvar: F v. D. b f. 4. k (5-37) s Na stabilitu tvorby vírů a na hodnotu Strouhalova čísla má vliv tvar překážky a rychlost proudění. Frekvence vírů není závislá na hustotě a viskozitě tekutiny, na teplotě a tlaku média, na vibracích v potrubí a na chemickém složení tekutiny. V praxi se používají vírové průtokoměry pro rozsahy měření: - s maximální rychlostí proudění u kapalin do 7.6 m/s a u plynů do 76 m/s - s minimální rychlostí proudění u kapalin od 0. m/s a u plynů od m/s - s minimálním Reynoldsových číslem s minimální frekvencí vírů od Hz. Snímání frekvence vírů se provádí ultrazvukovým, piezoelektrickým, optickým, tepelným nebo tlakovým senzorem. Ultrazvukový senzor snímá odrazy impulzů z generátoru na nehomogenitách vytvořených víry. Generátor a senzor jsou umístěny na vnější straně průtokoměru v místě za překážkou, kde je největší intenzita vírů. Senzor piezoelektrický je umístěn přímo v tělese překážky. Umožňuje převádět vibrace od vírů na elektrický signál pro další zpracování ve vyhodnocovací jednotce. Vyhodnocovací jednotka je umístěna přímo na průtokoměru nebo je oddělená. Obsahuje obvody vyhodnocení snímače případně napáječ snímače. Výstupním signálem je zpravidla analogový signál 4..0 ma. Může obsahovat také integrátor pro měření množství, korekční přepočet na vztažné podmínky pro plyny a vodní páru, případně i místní ukazatel. Podmínkou pro správnou funkci je dále vyplnění celého prostoru průtokoměru tekutinou, zajištění rovného úseku před (0 D) a za průtokoměrem (5D). Podle hodnoty měrné hmotnosti měřené kapaliny je dána i hodnota minimálního průtoku. V praxi se vyrábí vírové průtokoměry od průměrů 0 mm do 300 mm. Teplota média může být od 40 až do 400 C. Tekutinou může být i vodní pára. Dosahovaná přesnost měření je pro kapaliny 0.6 % a pro plynu a páry %. 5.9 Průtokoměry s principem Coriolisovy síly Doposud popsané průtokoměry měří průtok nepřímo z objemu nebo rychlosti proudění. Průtokoměr pro přímé měření hmotnostního průtoku přímo ve hmotnostních jednotkách využívá princip časové změny momentu hybnosti od Coriolisovy síly. Platí vztah: F c. m.( v * w) (5-38) kde je Fc Coriolisova síla, m hmotnost elementu toku, v rychlost proudění, w úhlová rychlost. Coriolisova síla pro element tekutiny je dána vektorovým součinem vektoru rychlosti toku v a vektoru úhlové rychlosti w. Její směr je kolmý na rovinu obor vektorů. Konstrukce průtokoměrů je řešena tak, že se uvažuje s kroutícím momentem od Coriolisovy síly na délce ramene. 79

82 Měření průtoku a množství 80 w w F c d M k F c d v F m Obrázek 5-5 Schéma Coriolisova průtokoměru F m Příklad řešení průtokoměru s trubicí tvaru U předkládá Obrázek 5-5. Měřená tekutina proudí trubící o rychlosti v. Trubice kmitá na resonanční frekvenci s úhlovou rychlostí w v ose hlavního potrubí vlivem vnější sily F m. Coriolisova síla vzniká v ramenech trubice a působí na trubici momentem M k a vyvolá natočení trubice. Tento moment působí proti kmitání. Změny kmitání trubice jsou mírou změn kroutícího momentu, tj. mírou průtoku. Pro kroutící moment na trubici platí: M. F 4. d. b. w. F k c m (5-39) kde je Fc Coriolisova síla, d rozteč ramen trubice, b délka ramene trubice, F m hmotnostní průtok, w úhlová rychlost. Skutečný průtokoměr je konstrukčně řešen tak, že kapalina se vede dvěma trubicemi tvaru U se dvěma ohyby. Výchylky na každém ohyby se snímají snímači zrychlení. Průtok se vyhodnocuje jako posuv fáze změn a převádí se na unifikovaný analogový signál. Kompenzace vnějšího chvění se provádí diferenčním zapojením dvou trubic. Průmyslové provedení Coriolisových průtokoměrů ukazuje Obrázek 5-6. Obrázek 5-6 Průmyslové provedení Coriolisových průtokoměrů (SIEMENS) Na výsledky měření nemá vliv teplota a tlak. viskozita, vodivost, rychlostní profil. Umožňují měřit tekutiny, která mají složité reologické vlastnosti, např. kaly, tekutý asfat. Hlavní vliv má pouze rychlost proudění a hustota. Číslicové vyhodnocování umožní dosahovat přesnosti až 0.5 %. Dosavadním omezením je pouze rozsah teploty média, která může být od 50 do +00 C. Pro běžné používání musí ještě konstruktéři dořešit problémy: - údržbou a čistěním kmitajících trubic, - omezení pracovních teplot, - vliv kmitavého namáhání - citlivost na vnější vibrace. 5.0 Průtokoměry v otevřených kanálech V technické praxi se používají také průtokoměry pro kapaliny proudící spádem v otevřených kanálech. Konstrukčně jsou řešeny jako přepady a žlaby. 80

83 Měření průtoku a množství 8 Přepad se vykytuje na výtoku přehrad, jezů na řekách ap. Obrázek 5-7 předkládá schéma měření průtoku na přepadu. Platí vztah: F. ke. l.. g h (5-40) 3 v. kde je Fv objemový průtok, k e koeficient stlačitelnosti, l šířka výřezu, g gravitační zrychlení, h výška přepadu. Výřez obdélník Výřez kosočtverec Přepad trojúhelník y dy h Obrázek 5-7 Měření průtoku na přepadech a skutečné provedení (PARS) Nejčastější tvary přepadů jsou obdélník, kosodelník, trojíhelník, čtverec apod. tvary přepadů. Koeficient k e zohledňuje rozdíly teoretického a skutečného průtoku vznikající stlačitelností kapaliny. Rozměry výřezu a přepadu se volí podle zásad daných zkušenostmi: výška h do 0.03 m, výška přepadu do /3 jeho šířky, rychlost proudění před přepadem max. 0.3 m/s Přesnost měření není veliká, kolem.5 až 6% a je ovlivněna především: tvarem přepadové hrany, přesností rozměrů, přesností měření spádu. Žlab je modifikace průřezových měřidel na měření průtoku v otevřených kanálech. Vzniká zúžením průtočného průřezu a to bočních stěn i dna. Příklad konstrukce a principu Parshallova žlabu ukazuje Obrázek 5-8. Vlivem zúžení se koruna hladiny zvedne do výšky, která je mírou velikosti průtoku. Místo měření výšky hladiny je zpravidla ve zužující části. Pro stanovení průtoku podle výšky hladiny jsou použity experimentální výsledky. Snímání pro dálkové měření se provádí zpravidla ultrazvukovým snímačem nebo snímačem hydrostatického tlaku nebo plovákovým snímačem výšky hladiny. Tato závislost se získává měřením. Specifickým tvarem žlabu je Palmer-Bowlusův žlab. Je tvořen lichoběžníkovým zúžením kruhového průřezu např. kanalizační trubky nebo melioračních potrubí. Dalším typem je žlab parabolický. 8

84 Měření průtoku a množství 8 l D h h h m h d Obrázek 5-8 Měření průtoku Parshallovým žlabem a skutečné provedení (PARS) 5. Převodníky průtokoměrů Elektronické průtokoměry, objemové, rychlostní i hmotnostní musí primární signál vyhodnotit na průtok (m 3 /s nebo kg/s) nebo průtočné množství (m 3 nebo kg). Vyhodnocování se dnes děje v embedded systémech se zabudovanými mikrokontrolery. Výstup je buď analogový signál o okamžitém průtoku nebo datový přenos pro průtočné množství a také i pro průtok. Elektronika převodníku také obsahuje i silové, napájecí a řídicí obvody podle typu průtokoměru a u měření plynů a par je to matematická jednotka pro přepočet na normální podmínky. 8

85 Měření průtoku a množství A D 0 0 MP Obrázek 5-9 Schéma převodníku indukčního průtokoměru Blokové schéma vyhodnocovací jednotky převodníku pro indukční průtokoměr předkládá Obrázek 5-9. Převodník je napojen na indukční průtokoměr () na jeho budící cívky elektromagnetů (a) a na elektrody (b) pro snímání indukovaného napětí. Vlastní převodník průtokoměru obsahuje: (0) centrální jednotku s mikroprocesorem, (0) vstupní zesilovač malé primárního napětí, (03) A/D převodník, (04) galvanický oddělovač, (05) budící zesilovač, (06) klávesnici a displej, (07) obvod pro analogový výstup 4..0 ma, (08) jednotku propojení HART, (09) impulzní výstup, (0) obvod sériové komunikace, () napájení vnější a () napájení vnitřní. Příklady průmyslového provedení převodníků zobrazuje Obrázek Jiné typy průtokoměrů mají obvody převodníku upraveny podle potřeby funkce. Často se vyskytuje případné doplnění vyhodnocování o funkce výpočtů spotřeby tepla, množství pro řízení dávkování ap. Obrázek 5-30 Příklady průmyslového provedení inteligentních převodníků (SIEMENS) 83

86 Měření výšky hladiny 84 6 Měření výšky hladiny 6. Úvod Pro měření výšky hladiny kapalných, sypkých ale i kašovitých látek v zásobnících používáme různé fyzikální metody, abychom zajistili splnění požadavků kladených na měření. Mezi základní metody měření patří princip mechanický plovákový, hydrostatického tlaku, kapacitní, vodivostní, ultrazvukový, radioaktivní případně vážení celých zásobníků. Snímače měří výšku hladinu spojitě v celém rozsahu výšky zásobníku nebo bodově. Výstup u spojitého měření je analogový elektrický případně pneumatický nebo datový. U bodového měření (nazývané také limitní, mezní) je výstup dvouhodnotový, elektrický nebo kontaktní. Měření výšky hladiny používáme pro automatizaci výrobních procesů (regulace a řízení), pro zajištění bezpečnosti provozu (signalizace havarijních stavů) a pro bilanční vyhodnocování (fakturace dodávek, evidence skladových zásob). Pro spolehlivou funkci obvodů měření výšky hladiny mají zásadní význam vlastnosti měřené látky. U sypkých látek je to např. granulace, prašnost, sklon k vytváření nálepů, usazenín, klenby, abrasivita, agresivita, hořlavost, výbušnost, měrná hmotnost, teplota, vodivost. U kapalných látek hrají roli navíc viskozita, vzlínavost, tvorba par, kondenzace, tvorba pěny. Konstrukce snímačů určuje aplikace podle tvaru zásobníku, jeho rozměrů a materiálů stěn zásobníků. 6. Měření výšky hladiny plovákem Vedle jednoduchých mechanických zařízení používaných v praxi jako jsou tyčová měřidla nebo stavoznaky používají zařízení plováky a vztlaková tělesa. Schéma tří běžných variant ukazuje Obrázek 6-. Používají se pro kapaliny. Plovák je těleso s velmi malou hustotou a vznáší se částečně ponořený na hladině. Používají se tvary kulových plováků pro malé změny výšky nebo válcové pro výšky až 40 m. Plovák kulový je umístěn na pákové tyči a často ovládá přímo uzavírací zařízení. Válcové plováky jsou vedeny po tyči a jsou spojeny lankem s vnějším prostředím. Často jsou doplněny spínacím kontaktem nebo snímačem polohy. Válcový plovák je použit i u vztlakového snímače. Výstupním signálem je analogový signál v měřeném rozsahu nebo limitní kontakt vytvářený v převodnících A, A a A3. A A3 A a) b) c) Obrázek 6- Plovákové snímače hladiny: a) kulový plovák, b) válcový plovák, c) vztlakové těleso Obrázek 6- Provedení plovákových snímačů hladiny (AMS, MERECOM) 84

87 Měření výšky hladiny 85 V měřicím zařízení se vztlakovým tělesem působí vztlaková síla podle vztahu: F S H. g.( p ) S. h. g.( ) (6-). kde je p hustota materiálu, hustota měřené kapaliny, hustota prostředí nad kapalinou, S plošný obsah vztlakového tělesa, H délka vztlakového tělesa, h hloubka ponoru, g gravitační zrychlení. Skutečné provedení některých typů představuje Obrázek Měření výšky hladiny kapacitním způsobem Kapacitní způsob měření výšky hladiny v zásobnících je velmi často používaný způsob jak pro kapaliny, tak pro sypké látky. Používá se pro spojité i bodové měření. Snímací část pro spojité měření má tvar válcové nebo ploché elektrody. Materiál je nerezová ocel nebo hliník často s povrchovou úpravou z izolačního materiálu. Elektroda je umístěná přímo do zásobníku. Druhou elektrodu kondenzátoru tvoří nejčastěji materiál stěny zásobníku. V závislosti od změny výšky hladiny se mění poměr ponořené části elektrody a mění se kapacita snímače. Celková kapacita systému je dána součtem dílčích kapacit a svodového odporu v kapalině. Obrázek 6-3 znázornuje schéma měření, náhradní elektrické zapojení a provedení kapacitního snímače. Podle náhradního zapojení snímače a hladiny v zásobníku platí: C e 0,64. a.( L l) 0,64. k.( l) C C C3 C (6-) log( D / d) log( D / d) kde je C kapacita uchycení elektrody, C kapacita plynné fáze nad hladinouc 3 kapacita měřeného prostředí a relativní permitivita plynné fáze nad hladinou, k relativní permitivita fáze pod hladinou, L výška zásobníku, l výška hladiny, D průměr zásobníku, d průměr elektrody. C e C C C e C C C 3 R C 3 R Obrázek 6-3 Schéma měření výšky hladiny kapacitním způsobem a ukázka skutečných snímačů (VEGA) Pro měření vodivé kapaliny se použije izolace elektrody materiálem s vysokým svodovým odporem R. Náhradní schéma takového snímače obsahuje ještě kapacity vytvořené izolací. Bodový snímač obsahuje snímač vytvořený kondenzátorem s malými plochami. Nejistotou měření výšky hladiny kapacitním způsobem je vliv teploty prostředí, vlhkost, zrnitost, obsah nečistot, homogenita chemického složení měřené látky v zásobníku. C e I o - C r + U out U m U e Obrázek 6-4 Schéma převodníku kapacitního měření hladiny Elektronická část obvodu měření výšky hladiny kapacitním způsobem tvoří převodník. Zajišťuje vyhodnocení změn kapacity elektrodové části snímače, kompenzace parazitních vlivů, zesílení signálu na 85

88 Měření výšky hladiny 86 unifikovaný signál a napájení snímače střídavým napětím o dané frekvenci. Příklad zapojení části převodníku uvádí Obrázek 6-4. Zpětná vazby řízená signálem výstupu zesilovače mění napájecí napětí tak, aby rozdílový proud měřené a referenční kapacity byl roven nule. Zesilovač zajišťuje i kompenzaci vlivu kapacit přívodů. Třída přesnosti kapacitních měření je 0,6. Velkou výhodou je jednoduchost snímače bez pohyblivých částí, odolnost proti korozi, vhodnost i pro prostředí výbušné. Rozsah měření je dán technickými možnostmi výroby a její upevnění. Nevýhodou jsou parazitní vlivy teploty. 6.4 Měření výšky hladiny pomocí změn vodivosti prostředí Měření výšky hladiny pomocí změn vodivosti prostředí se používá v případech vodivé látky v zásobníku. U spojitého měření je vložená elektroda o délce měřeného rozsahu ponořená do měřené látky podle výšky hladiny. Výsledná vodivost mění celkový odpor systému senzoru. Negativně působí změna měrné vodivosti látky v zásobníků a musí se korigovat. Obrázek 6-5 ukazuje schéma spojitého měření výšky hladiny (je obdobou kapacitního měření) a nespojitého vícenásobného měření. Vyhodnocování u spojitého měření je provedeno nejčastěji zapojením elektrodového systému do můstku a následné zesílení signálu a jeho převedení na unifikovaný signál. U nespojitého měření je to dvouhodnotový výstup. R e R e a) Obrázek 6-5 Schéma měření výšky hladiny změnou vodivosti, spojité a) a nespojité b) Snímače pro měření výšky hladiny se změnou vodivosti v bodovém provedení mají ve schématu více elektrod a to pro měření ve více bodech nebo pro redundatní měření pro zajištění spolehlivosti. b) 6.5 Měření výšky hladiny pomocí ultrazvuku Měření výšky hladiny pomocí ultrazvuku využívá princip odrazu zvukových vln od měřené hladiny nebo princip změny rychlosti při průchodu prostředím v nádrži. Uvedené principy ukazuje Obrázek 6-6. A A3 a) b) A/A Obrázek 6-6 Ultrazvukový snímač hladiny ( a- odrazový, b- průchozí nebo odrazový) Ultrazvukový snímač hladiny pro měření výšky hladiny odrazem obsahuje vysílač a snímač ultrazvuku v jednom tělese umístěném na horním víku nádrže (A). Vysílač periodicky vysílá ultrazvukové impulzy, které prochází prostředím nad hladinou, odráží se na hladině a vrací se do snímače. Měří se doba, za kterou se odražený impuls vrátí do snímače. Platí vztah: h c.t / (6-3) kde je h vzdálenost nad hladinou a vysílačem, c rychlost šíření ultrazvuku, doba mezi odesláním a příjmem impulzu. 86

89 Měření výšky hladiny 87 Metoda odrazu se dá použít i ze strany dna nádrže. Stejným způsobem pracuje vysilač a snímač odrazu. V případě průchozího způsobu měření je vysílač ultrazvuku umístěn na dně zásobníku, snímač na jeho horním víku. Vysílač opět vysílá periodicky impulzy přes hladinu a přes prostředí nad hladinou do snímače. Doba je dána rychlostí v prostředí hladiny a nad hladinou. Pro rychlost ultrazvuku platí vztah (výraz pod odmocninou platí pro plyny: c. f. RT. / M (6-4) kde je f frekvence ultrazvuku, vlnová délka, adiabatický koeficient plynu, R plynová konstanta, M molekulová hmotnost plynu, T absolutní teplota (K). Vysílač generuje ultrazvuk o frekvenci od 6 khz do 00 khz. Šiření impulzu v prostředí je ovlivněno především změnami teploty okolí, vlhkostí prostředí, hustotou látky v zásobníku, tvarem zásobníku. Měřicí rozsah je od 0,3 m do 60 m výšky hladiny. Vyhodnocování používá digitální metody měření doby průchodu impulzu nebo změny rychlosti. Proto lze dosáhnout třídy přesnosti až 0,. Převodník je tvořen mikroporocesorem a zajišťuje kompenzace parazitních vlivů i řízení impulzů vysílání. Měření výšky hladiny pomocí ultrazvuku se používá i pro agresivní kapaliny, ale i pro sypké látky. Hlavní přednosti ultrazvukového principu je bezkontaktní měření bez pohyblivých částí u metody a) Obrázek 6-6, jednoduché nastavení a údržba. Fotografie průmyslových provedení ultrazvukových snímačů hladiny přináší Obrázek 6-7. Obrázek 6-7 Fotografie průmyslových provedení ultrazvukových snímačů hladiny (KROHNE) 6.6 Měření výšky hladiny pomocí hydrostatického tlaku Měření výšky hladiny pomocí hydrostatického tlaku je nepřímé měření. Výška hladina je dána tlakem sloupce kapaliny. A3 p a p p h A h A a) P=h..g b) P=(p -h..g) p Obrázek 6-8 Princip měření výšky hladiny pomocí hydrostatického tlaku Měřicími snímači jsou proto snímače přetlaku nebo diference tlaku. Schéma principů měření dává Obrázek 6-8. Způsob a) měří výšku hladiny v zásobníku, který má prostor nad hladinou spojen s atmosferickým tlakem. Snímač A je umístěn na dně nádrže a styk měřené kapaliny s měřicím senzorem je buď přímý nebo přes oddělovací část danou membránou nebo oddělovací kapalinou. Výpočet výšky hladiny je dán rovnicí: h p /(. g) (6-5) kde je h výška sloupce kapaliny, p hydrostatický tlak sloupce kapaliny, hustota obsahu nádrže, g gravitační zrychlení. 87

90 Měření výšky hladiny 88 V tlakových nádobách se měří výška hladiny pomocí snímače rozdílu tlaků (způsob b). Jeden vstup tlakoměru je napojen ze dna nádrže, druhý za prostoru nad hladinou (A3). Vyhodnocení dělá převodník P (A). Tímto způsobem se kompenzuje vliv statického provozního tlaku p p. Je-li v prostoru nad hladinou pára, pak na vývodu musí být kondenzační nádoba a potrubí je naplněno kondenzátem. Výpočet výšky hladiny je pro diferenční princip dán rovnicí: h ( p p ) /(. g) (6-6) p h kde je h výška sloupce kapaliny, p p přetlak v nádrži, p h hydrostatický tlak sloupce kapaliny, hustota obsahu nádrže, g gravitační zrychlení. Provedení provozních snímačů (do stěny, ponorný a diferenční ) zobrazuje Obrázek 6-9. Obrázek 6-9 Schéma obvodu měření výšky hladiny (ENDRESS HAUSER, VEGA). 6.7 Měření výšky hladiny vibračním způsobem Vibrační způsob měření výšky hladiny je speciální způsob používaný při bodovém měření pro látky kapalné, ale i sypké. Princip je založen na skutečnosti, že kmitání tělíska ve volném prostředí je jiné než při ponoření do prostředí látky v zásobníku, kdy frekvence je tlumena prostředím s materiálem v nádrži. A A Obrázek 6-0 Měření výšky hladiny vibračním způsobem, schéma a ukázky průmyslových snímačů (ENDRESS HAUSER, VEGA) Vibrační snímač a jeho přístroje ukazuje Obrázek 6-0. Vlastní snímač obsahuje elektromagnetický nebo piezoelektrický budič kmitů spojený s membránu a ocelové vidlice nebo tělísko v kontaktu s médiem. Vibrace z budiče rozkmitají vidlice na rezonanční frekvenci asi 380 Hz. Při kontaktu vidlice s látkou v zásobníku při zvýšení hladiny nad polohu snímače jsou kmity tlumeny. Změna této frekvence je snímána piezoelektricky a vyhodnocena zesilovačem a komparátorem. Snímače v nádrži jsou umístěny např. v místech minimální a maximální výšky hladiny s tím, že snímače zpravidla podle řídicího algoritmu řídí naplňování zásobníku. 88

91 Měření výšky hladiny Měření výšky hladiny pomocí mikrovlnného záření Mikrovlnné záření o frekvenci 0, až 5,8 GHz se používá u tzv. radarových hladinoměrů. Jedná se o spojité měření výšky hladiny kapalin i sypkých materiálů i ve velmi extrémních podmínkách. Použití nachází pro měření ve vakuu, při teplotách nad 000 C, v prostředí s hustým prachem a parami. Odraz vln je dostatečný na materiálech s relativní permitivitou >.5 anebo s elektrickou vodivosti > ms/m. Měřicí rozsah je od malých 0,3 do 35 m. Princip měření je podobný ultrazvukovému měření. Měří se čas potřebný pro průchod elektromagnetické vlny ze zdroje přes prostředí k hladině a po odrazu zpět na snímač. Vysílač tvoří generátor mikrovln a vysílací směrová anténa. Přijímač tvoří přijímací anténa, vlnovod, zesilovače s malým šumem, dekodér, komparátor. Používá se frekvence 0 GHz, Výpočtové vztahy jsou shodné s výrazy pro ultrazvuk. Rychlost šíření vlnění je jako u světla, tj. 3,0 8 m/s. V praxi jsou používány frekvenčně modulované spojité systémy (frekvence modulace je khz) nebo pulzní radary o modulované frekvenci khz s dobou pulsu ns a přestávky 78 ns. A L h Obrázek 6- Přístroje pro měření výšky hladiny mikrovlnným zářením Při této tzv. pulsní metodě je mikrovlnný signál vysílán periodicky v krátkých intervalech. Metoda je velmi náročná na přesnost měření času, protože se jedná o časové intervaly řádově v pikosekundách. Vhodnější je tzv. frekvenční metoda, založená na vysílání spojitého signálu s proměnnou frekvencí. Vysílaný signál mění plynule svoji frekvenci od f min do f max. Ze známé rychlosti přelaďování a změřených hodnot frekvencí vyslaného a přijatého signálu v čase t je možno vypočítat vzdálenost odpovídající výšce hladiny. Ze zjištěné diference frekvence f = f f 0 se stanoví odpovídající t = t t 0 a vypočte se vzdálenost hladiny. Hlavní předností frekvenční metody je, že frekvenční rozdíl lze měřit velmi přesně, a to umožňuje stanovit výšku hladiny s přesností až mm. Elektronické vyhodnocovací zařízení mikrovlnných snímačů spolu s příslušným programovým vybavením umožňuje odlišit parazitní odrazy od stěn, vnitřních částí aparatur či míchadel. Snímače vykazují vysokou přesnost a spolehlivost i ve velmi náročných provozních podmínkách (vysoká teplota, tlak, agresivní prostředí). Jsou vhodné i pro měření vysoce viskózních a lepivých médií, pro pasty a kaly, pro zkapalněné plyny i těkavé a agresivní kapaliny. Nevýhodou je poměrně vysoká cena zařízení a nevhodnost aplikace pro kapaliny s nízkou permitivitou. 6.9 Měření výšky hladiny pomocí radioizotopů Radioaktivní materiály jsou použity pro spojité a bodové měření výšky hladiny. Tato zařízení používají princip absorpce gama záření při průchodu kapalinou nebo sypkým materiálem. Použité gama záření lehce prochází materiály a neaktivují ho. Jako radioaktivní materiál se používá kobalt (Co-60) nebo césium (Cs-37). Absorpce není ovlivněná chemickými vlastnosti látky v zásobníku, ani vnitřní teplotou, tlakem, viskozitou. 89

92 Měření výšky hladiny 90 3 AO RS*** x x a) b) Obrázek 6- Schéma měření výšky hladiny pomocí radioizotopů a ukázka provedení snímačů (VEGA) Spojitý princip měření zobrazuje Obrázek 6- na pozici a). Zářič () je umístěn vně zásobníku a vysílá usměrněně záření přes stěnu zásobníku a přes látku obsahu nádrže směrem na snímač (). Podle výšky hladiny se intenzita záření tlumí. Detektorem záření ve snímači je ionizující senzor gama záření. Vyhodnocení výšky hladiny je v převodníku (3). Kalibrace hladinoměru se provádí u prázdného zásobníku. Podle druhu detektoru se dosahuje třídy přesnosti 0,6. Bodové měření výšky hladiny je zobrazeno na pozici b). Snímač radioaktivního záření () je určen pro menší plochy snímání. Skutečné provedení zářičů a snímačů ukazuje také Obrázek Měření výšky hladiny pomocí vážení Vážením celých zásobníků lze zjistit skutečnou hmotnost nebo objem obsahu nebo výšku hladiny jejich náplně po odečtení hmotnosti prázdných zásobníků. Předností je, že zásobník může být libovolného tvaru, obsahem může být látka kapalná i pevná, hladina v zásobníků nemusí být absolutně vodorovná. Pro vážení musí být zásobník uzpůsoben, aby se s odpovídající přesností, citlivostí a rozsahem provedlo vyhodnocení. Používají se systémy s jedním snímačem hmotnosti na jednom místě ze tří uložení, nebo s více snímači. Příklad měřicího systému ukazuje Obrázek 6-Obrázek Obrázek 6-3 Schéma měření výšky hladiny vážením zásobníku a ukázka snímačů hmotnosti (PHILIPS) Vážený zásobník () je osazen jedním nebo více snímači (). Snímače jsou napojeny na vyhodnocovací systém (3). Při použití snímačů s tenzometry se dosahuje přesnosti třídy 0.. Dalším druhem snímačů jsou magnetoelastické snímače (třída přesnosti ), induktivní snímače (třída přesnosti 0.6) a kapacitní snímače (třída přesnosti ). Výpočty jsou dány vztahy: G h in G G V. g. (6-7) C G C G S. g. N h. S. g. N (6-8) kde je G C celková naměřená hmotnost zásobníku a jeho obsahu, G N hmotnost zásobníku bez obsahu, G in obsahu zásobníku, V vnitřní objem zásobníku, g gravitační zrychlení, hustota obsahu zásobníku, h výška hladiny, S vnitřní plocha zásobníku. 6. Měření výšky hladiny pneumatickým způsobem Z mnoha metod používaných u pneumatických snímačů hladiny uvádíme měření probubláváním. Je vhodné pro viskózní a agresivní kapaliny, pro suspenze a kaly. Schéma ukazuje Obrázek

93 Měření výšky hladiny 9 Obrázek 6-4 Pneumatický snímač výšky hladiny Proud tlakového vzduchu () proudí přes dýzu do trubice pod hladinou. Protitlak p c měřený tlakoměrem () se rovná hydrostatickému tlaku sloupce měřené kapaliny p h poníženému o tlakovou ztrátu p z podle vztahu: p h h g.. p p (6-9) c z kde je hustota měřeného média, h hloubka ponoru, g gravitační zrychlení. Výhodou pneumatických snímačů hladiny je, že neobsahují pohyblivé části. Lze je použít i pro měření výšky hladiny v otevřených kanálech a v místech, kdy se tvoří na povrchu hladiny pěny. Lze je použít také v prostředí s nebezpečím výbuchu. S výhodou se dá k pneumatickému snímači hladiny zapojit elektrický snímač tlaku. 6. Management zásobníkového hospodářství V technické praxi se vykytují technologie, kdy se jedná o mnoho zásobníků s průběžným doplňováním a odběrem při příjmu nebo odběru obsahu nádrží. Řídicí a informační systémy pro tyto účely jsou nazývány jako management zásobníkového hospodářství a pro svá specifika jsou řešeny v rámci prostředků pro měření výšky hladin. Jsou to oblasti ropných polí, překladiště tankových lodí v přístavech, petrochemické závody, zásobníky cementáren, zpracování uhlí apod. Příklady uvádí Obrázek 6-5. Obrázek 6-5 Příklady managementu zásobníkového hospodářství Schéma systému zobrazuje Obrázek 6-6. Jedná se vždy o velmi plošně rozsáhlý systém, vzdálenosti jsou až v km. Každý zásobník má vlastní měření výšky hladiny (L) s vysokou přesností a citlivostí. Signální nebo datový výstup je přiveden do polního rozvaděče (A), kde se pro velké vzdálenosti převádí a sdružuje na optické kabely. U centrálního dispečinku jsou přívodní kabely napojeny v rozvaděči (A) na řídicí a informační systém. Styk s operátorem je přes monitory (A3). Ovládání přívodu nebo výdeje zásobníku se provádí přes ovládací jednotku (A4), která využívá stejný systém propojení. Vedle kabelového propojení lze s výhodou využít i bezdrátové propojení, případně kombinací kabelové a bezdrátové propojení sítě LAN. 9

94 Měření výšky hladiny 9 A4 L A4 L A4 L A A A A A3 A4 L A A4 L A A A4 A L A4 A4 L L A A A Obrázek 6-6 Blokové schéma managementu zásobníkového hospodářství 9

95 Měření složení a vlastností kapalin 93 7 Měření složení a vlastností kapalin Složení a vlastností kapalin je další skupina parametrů, které se vyskytují a používají v řídicích systémech. Jedná se o zjišťování obsahu kapalných nebo pevných látek v roztocích a o měření jejich fyzikálních nebo fyzikálně chemických parametrů a vlastností. Seznam parametrů je velmi široký a pro účely této monografie budou rozpracovány jen vybrané: - elektrické vodivosti - měření ph - měření redox potenciálu nebo přítomnosti iontů - měření obsahu kyslíku - měření obsahu pevných částic - měření pomocí refraktometrie - měření viskozity a hustoty. 7. Měření elektrické vodivosti Měření elektrické vodivosti má v technické praxi, v oborech hygieny a lékařství, v ekologii stále větší a větší význam. Pomocí relativně jednoduchého způsobu se získávají důležité informace. Příklady rozsahu měrné elektrické vodivosti pro některé vodné roztoky ukazuje Obrázek 7-. Jednotkou měrné vodivosti je: S/m=000mS/m=0 000S/cm. ms/m 0, napájecí voda pro vt kotle napájecí voda před úpravou voda odsolená pitná voda odpadní vody povrchové vody mořská voda průmyslové vody roztoky kyselin a zásad. Obrázek 7- Rozsah vodivosti některých vodných roztoků Jako referenční hodnota pro měrnou vodivost se používá 0,0 mol/litr roztok KCl. Získá se rozpuštěním 0,7456 g KCL v celkovém objemu 000 ml v destilované vodě o měrné vodivosti <0, ms/m. Měrná vodivost je silně závislá na teplotě, proto se udává a měří při 5 C. 7.. Teorie Elektrická vodivost je obecně definována jako převrácená hodnota elektrického odporu. Pro elektrický odpor platí vztah: l R. (7-) S kde je měrný elektrický odpor, l délka vodiče, S plocha průřezem vodiče. Pro elektrickou vodivost platí vztah: S G / R. (7-) l kde je G elektrická vodivost, měrná elektrická vodivost, l délka vodiče, S plocha průřezem vodiče. 93

96 Měření složení a vlastností kapalin 94 Elektrická vodivost je měřítkem koncentrace iontů disociovaných ve vhodném roztoku. Kyseliny, soli, zásady anorganických látek rozpuštěné v rozpouštědle (např. vodě) se rozkládají disociují na ionty. Silné polární vazby vyvolávají vodivost elektrického proudu. Hodnoty elektrické vodivosti jsou funkcí koncentrace iontů. Lineární závislost elektrické vodivosti je pouze u malých koncentrací. Měření se provádí elektrodově, pomocí dvou elektrod o známé ploše a vzdálenosti nebo i bezelektrodově pomocí transformátorové indukční vazby. Pro definování koncentrace iontů z měření různými přístroji používá se parametr měrné elektrické vodivosti, definované jako vodivost roztoku mezi elektrodami o ploše cm a vzdálenosti cm. Platí vztah: l G. G.. k (7-3) S kde je k=l/s poměr vzdálenosti a plochy elektrod neboli konstanta elektrod, G elektrická vodivost roztoku. Pro roztoky s malou elektrickou vodivostí jsou použity elektrody s malou vzdáleností a velkou plochou, tj. s konstantou elektrod <. Elektrody s velkou hodnotou konstanty (velká vzdálenost a malá plocha) jsou použity pro středně a silně vodivé roztoky. Pro velmi vysoké vodivosti se používá bezkontaktní měření. Pro měrnou vodivost dále platí: c., (7-4) kde je c látková koncentrace (mol/m 3 ), molární vodivost (Scm /mol). Tato molární vodivost je tvořena pro velmi zředěné roztoky součtem pohyblivosti kationtů a aniontů (viz fyzikální tabulky) a pro koncentrované roztoky platí funční závislost: B B ) c (7-5) ( Nepříjemným parazitním vlivem při měření je velká závislost vodivosti na teplotě. Proto se musí výsledky měření korigovat na referenční teplotu (např. 0 C) podle vztahu: ( t t )) (7-6) r ( r kde je r referenční vodivost, t r referenční teplota. Aby se zabránilo polarizaci na měřících elektrodách používá se pro napájení elektrod střídavé napětí ( Hz). Struktura měřicího obvodu elektrické vodivosti roztoků uvádí Obrázek 7-. Obvod obsahuje elektrody () se senzorem teploty () ponořené v měřeném roztoku (3). Přes hlavici (4) je provedeno napojení na vyhodnocovací jednotku (A). Měřený roztok (3) je v nádobě, nádrži nebo v potrubí. 4 A U U N R x C x 3 I U out R p C p Obrázek 7- Struktura měřicího obvodu vodivosti kapalin (a), náhradní schéma měřicího okruhu (b) a náhradní schéma měřicí elektrody (c) Vyhodnocovací jednotka zajišťuje jednak napájení elektrod, jednak vyhodnocení měrné elektrické vodivosti. Jednotkou je S/m nebo v praxi používaná S/cm a výpočtový vztah je dán: I. k. k (7-7) R U kde je k=l/s poměr vzdálenosti a plochy elektrod neboli konstanta elektrod, R elektrický odpor roztoku, U napájecí napětí elektrod, I proud elektrod.. R a) b) c) 94

97 Měření složení a vlastností kapalin 95 Elektrody mají plošný nebo válcový tvar a jsou vyrobeny z Pt s vrstvou platinové černi, z nerez oceli s vrstvou TiC nebo z grafitu. Stanovení konstanty elektrody se provádí empiricky pomocí zkušebních roztoků. Výpočtový vztah je teoretický, protože nerespektuje okrajové rozšíření elektrického toku. Náhradní schéma elektrod (schéma c) obsahuje vedle měřeného odporu roztoku (R x ) geometrickou kapacitu elektrod (C x ), polarizační odpor (R p ) a kapacitu (C p ). Polarizace se projevuje jako vrstva iontů a nábojů na elektrodě, nejvíce u velmi vodivých roztoků a nízkých kmitočtů. Pro frekvence do 5 khz je C p = F a R p =,0...0 Ohm a geometrická kapacita Cx= F. Elektrody a kmitočet se volí tak, aby R x = Ohm. 7.. Prostředky měření elektrické vodivosti Sestava měřicího okruhu se skládá z elektrod a vyhodnocovací jednotky (Obrázek 7-3). Elektrody jsou skleněné, dnes pro laboratorní pracoviště, nebo uhlíkové či nerezové pro průmyslové aplikace. Používají se snímání vodivosti i bezelektrodovým způsobem. Obrázek 7-3 Provedení průmyslových elektrod a vyhodnocovací jednotky (ENDRESS) Pro roztoky s velmi vysokou vodivostí nebo pro silně znečistěné prostředí se používají bezelektrodové snímače vodivosti. Schéma a praktické provedení elektrod ukazuje Obrázek 7-4. Měřená kapalina () vytváří protékáním jádro přes dvě cívky: primární (), napájenou střídavým napětín U n a sekundární (3) měřicí s výstupním napětím U out. Elektrolyt vytváří jeden závit. Pro výstupní napětí platí: n U M GU. N. k n, (7-8) s kde je G vodivost roztoku, U n napájení napětí, n, n závity cívky primární a sekundární, k s konstanta měření. G U N n n U M 3 Obrázek 7-4 Bezelektrodový snímač vodivosti princip, snímač, vyhodnocovací jednotka (ENDRESS) 7. Měření ph Vodní hospodářství pro pitnou vodu, pro povrchové a odpadní vody, analýzy v medicíně, kosmetice, ekologii, zemědělství a v různých průmyslových technologiích (např. při výrobě kyanidu železa, fosforečnanu vápenatého, papíru, léčiv, potravin) potřebují zjišťovat hodnotu ph. 7.. Teorie Hodnota ph je dána koncentrací hydroxoniových (vodíkových) iontů. Čistá voda je disociovaná na hydoxoniové (H 3 O + ) a na hydroxylové (OH - ) ionty podle rovnice: H O=(H 3 O + ) + (OH - ) (7-9) V neutrálním prostředí je stejný počet iontů hydroxoniových a hydroxylových. V roztoku o objemu litr při teplotě 5 C je podle měření počet gramiontů, Dále platí, že součin koncentrací obou iontů se rovná konstantě: 95

98 Měření složení a vlastností kapalin 96 C H+. C OH- = K v (7-0) kde je K v =, iontový součinitel vody. Pro udávání stupně kyselosti nebo zásadovosti bylo zavedeno používání tzv. vodíkového exponentu ph podle vztahu: ph=-log C H+ (7-) Pro neutrální prostředí je proto: ph(neutral)=-log (C H+ )=-log(k v /)=-log(, )=7 (7-) Výše uvedené vztahy znamenají, že při zvýšení vodíkových iontů se zmenší koncentrace hydroxylových iontů. Na základě dohody se rozděluje prostředí na neurální ( ph=7), na kyselé (ph <7 až -) a na zásadité (ph>7 až 5). Pro měření hodnoty ph se používá potenciometrického (elektrometrického) principu. Jako snímače se používají elektrodové články, které obsahují měrnou a referenční elektrodu. Měrná elektroda dává elektrický potenciál závislý na koncentraci vodíkových iontů. Druhá referenční elektroda má potenciál nezávislý na hodnotě ph roztoku. A U n out U E T R E U sklo U R R S U SO R D U D Obrázek 7-5 Schéma obvodu pro měření ph Schéma měření ph ukazuje Obrázek 7-5. Elektrody při ponoření do elektrolytu vytváří elektrický článek s potenciálem na obou elektrodách. Měřicí elektroda má mezi vnitřní elektrodou a měřeným roztokem elektrický potenciál závislý na ph. Jeho velikost je dána součtem napětí vnitřní elektrody (U E ), napětí vnitřní plochy membrány (U SI ), napětí vnější plochy membrány (U SO ). Srovnávací elektroda není citlivá na ph a obsahuje roztok (buffer) o určité hodnotě ph. Elektrický potenciál referenční elektrody je dán součtem potenciálu vnitřní elektrody (U R ) a difúzního potenciálu (U D ). Celkové napětí na elektrodách dosahuje hodnot desítek mv a měří se při proudovém zatížení pod 0 - A, tj. vnitřní odpor zesilovače musí velmi vysoký (R>>0 Ohm). Výstup převodníku, který je realizován přístrojovým operačním zesilovačem s vysokým vstupním odporem, je např. unifikovaný proudový signál 4..0 ma. Rozsah měření se dá volit pro konkrétní rozsah, tj. ph=0..4 nebo 0..7 nebo 4..0 nebo 7..4 ph. Vztah pro potenciál E mezi měřenou a referenční elektrodou je: E K (,303. RT. /( n. F).log( A) () E R R kde je K E konstanta charakterizující potenciál referenčního páru,,303 převodní faktor mezi přirozeným a dekadickým logaritmem, R plynová konstanta 8,34 J/ /mol), T absolutní teplota, n= náboj iontu, F Faradayova konstanta (96,500 kc), A aktivita iontů. 7.. Technické prostředky měření ph Standardní měření používá elektrodový systém a vyhodnocovací jednotku. Schéma zobrazuje Obrázek

99 Měření složení a vlastností kapalin 97 A U n out U E T RE U sklo U R R S U SO R D U D R R Obrázek 7-6 Okruh měření ph (-měřicí elektroda, -referenční elektroda, Avyhodnocovací jednotka, T- teploměr) Jako měřicí elektrody se používají: skleněné s ústojným roztokem (v laboratořích), gelové nebo kovové antimonové nebo vizmutové (v průmyslovém prostředí). Elektrody referenční jsou: kalomelová s KCl nebo chlorido stříbrné s roztokem KCl. Specifický přístup používá polovodičové ISFET elektrody. Měření hodnoty ph je doplněno měřením teploty sledovaného roztoku. Je to nutné pro vysokou závislost hodnoty potenciálu elektrod na teplotě roztoku. V průmyslové praxi jsou používány kombinované elektrodové články, které integrují měřicí a referenční elektrodu do jedné elektrody se snímačem teploty pro kompenzaci. Tyto články jsou umístěny ve snímačích umístěných v armaturách pro ponorné (do nádrží, zásobníků, volných ploch) nebo průtočné (do potrubí) aplikace. Proti usazování nečistot na elektrodách se doplňuje článek automatickým čistícím systémem, např. ostřikováním, pneumatickým nebo elektrickým stíračem anebo ultrazvukovým čisticím systémem. Obrázek 7-7 Fotografie elektrod (skleněné, do potrubí) a vyhodnocovací jednotky (ENDRESS,) V poslední době se začíná používat elektroda na bázi ISFET tranzistoru. Základním prvkem je ISFET tranzistor. Obrázek 7-8 v úvodní části má schéma měření ph pomocí principu ISFET. Tranzistor () obsahuje standardní elektrody D, S, G, jeho hradlo G je tvořeno materiálem SiO, Si 3 N 4, Al O 3 a nebo Ta O 5, který je citlivý na ionty H +. Změna ph se projevuje jako změna potenciálu mezi elektrodou S a referenční elektrodou () a ten ovlivňuje vodivosti D-S tranzistoru. Referenční elektroda je vnější. Druhá část obrázku dává pohled na provedení elektrody. Pohled na reálné ISFET elektrody jsou v další části obrázku. Provedení elektrod s umístěním IFSET tranzistoru ukazuje Obrázek 7-9. I D U DS U GS=k.pH Si S D 4 G 3 Obrázek 7-8 Schéma měření ISFET a skutečné provedení elektrod ISFET (JUMO, ENDRESS) 97

100 Měření složení a vlastností kapalin 98 Obrázek 7-9 Ukázky umístění tranzistoru ISFET na ph elektrodě (TOPAC) Předností ISFET elektrody je, že není skleněná, je vyrobená z plastů a mechanicky je velmi odolná, je provozně spolehlivá, může pracovat i v silně znečistěném prostředí, má malou časovou konstantu, má časově trvalou přesnost, je sterilizovatelná, může být uschována bez vody, neprojevují se chyby kyselin a zásad. Další předností ISFET řešení je, že hradlo G může být z materiálů citlivých na jiné ionty. Tak vznikají nové iontově selektivní elektrody. Např. speciální materiál s Si na hradle G dává citlivost na Na+, Ag+, obsah chalkogenitů určuje citlivost na Pb +, Cb Iontově selektivní měření Velmi podobný princip měření je použit pro iontově selektivní měření. Rozdíl u membránových elektrod vůči ph měření je pouze v typu membrány u měřicí elektrody a u referenční elektrody. Jde o moderní analytické měření pro potenciometrická stanovení velmi široké škály iontových analytů a parciálních tlaků plynů rozpuštěných v kapalině za použití různých metod vyhodnocování, používaná v analytických laboratořích v zemědělství, potravinářském průmyslu, biochemii, farmacii, medicíně, pro ekologická měření povrchových, spodních, pitných a odpadních vod a jiných vzorků, pro aplikace ve výzkumných laboratořích a další použití. Měřicí systém je obdobný měření ph. Používají se elektrody: Referenční (srovnávací) elektroda, je konstruována tak, aby její potenciál nebyl závislý na změnách složení analyzovaného roztoku. Jsou to kovové elektrody pokryté vrstvou málo rozpustné soli daného kovu, ponořené do roztoku, který má společný aniont s málo rozpustnou solí, například chloridostříbrná elektroda. Referenční elektrody vytvářejí konstantní potenciál nezávislý na koncentraci měřené látky. Indikační (měrná) elektroda, její potenciál závisí na koncentraci iontů v měřeném roztoku. Nejpoužívanější je skleněná elektroda pro měření ph. Má skleněnou membránu a je součástí řady ISE analyzátorů. K měření ph se užívá tenkostěnná banička ze speciálního skla, naplněná roztokem HCl nebo pufrem, do kterého zasahuje stříbrný drátek. Potenciál vzniká na skleněné membráně, která tvoří rozhraní mezi dvěma roztoky o různém ph (roztokem uvnitř elektrody a měřeným roztokem). Zde dochází k výměně H+ iontů z roztoku, do kterého je elektroda ponořená, za sodné ionty z povrchu skla. Ten se v tomto případě chová jako iontoměnič. Na povrchu se tvoří vrstvička křemičitého hydrogelu, která je polopropustná pro H + ionty. Severinghansova elektroda je také skleněná elektroda, která je od měrného roztoku oddělená teflonovou membránou, která propouští CO. Iontově selektivní elektrody jsou určené k potenciometrickému měření aktivit různých iontů. Některé určíme přímo (např. H + ), jinak se pod pojmem iontově selektivní elektroda rozumí elektroda opatřená speciálními skly nebo zvláštní membránou (pevnou nebo kapalnou), která propustí jen daný iont. Typické materiály polopropustných membrán jsou např. Materiál membrány Stanovovaný iont sklo H +, Na +, K + Monokrystal LaF 3 s příměsí Eu + F - Polykrystalický materiál: AgI Ag S I -, CN - Ag +, S - 98

101 Měření složení a vlastností kapalin 99 CuS (+Ag S) PbS (+Ag S) CdSe (+Ag S) PVC membrána +aktivní komponenty, extrakční systémy Cu + Pb + Pb + NH 4 + K + Ca + NO 3 - Cl - tvrdost vody Konstrukce měřicí elektrody používá typy: - Krystalická fluoridová z lanthanum fluoridu s europium fluoridu pro zmenšení rezistivity - Impregnovaná PVC membrána, impregnace je z macrocyclic antibiotic valinomycinem. - ISFET elektroda b c c a) b) Obrázek 7-0 Konstrukce iontově selektivních elektrod Standardní řešení je na pozici a), Obrázek 7-0, s PVC membránou () a s kapalným referenčním systémem () a snímacím vodičem (3). Provedení b) je řešení dokonalejší řešení s krystalickou membránou (b) a s kovovým sběračem (4). Elektroda typu c) má pevnou PVC membránu (c) jako iontový vodič, vrstvu iontového a elektronového vodiče (c) a kovový sběrač (4). Konstrukce referenční elektrody je typu: - Jednoduchá stříbrná nebo stříbro chloridová - Dvojitá referenční elektroda (jednoduchá stříbrná je vsazena do kontejneru s jiným elektrolytem pro stabilizaci vlivu různých iontů). Podobně i ISFET řešení se aplikuje pro iontově selektivní měření. Hradlo G může být z různých materiálů citlivých na různé ionty. Tak vznikají nové iontově selektivní ISFET elektrody. Např. speciální materiál z Si na hradle G dává citlivost na Na+, Ag+, obsah chalkogenitů určuje citlivost na Pb +, Cb +, apod. Iontově selektivní měření má stále se rozšiřující použití. Např. při sledování znečistění ovzduší F, S, Cl, NO 3 ve vodném roztoku, v zemědělství přítomnost Cl, NH 4, NO 3, K, Ca, I, CN v půdě, obsah NO a NO 3 u masa, obsah solí v mase, ovocných džusech, v pivu, F v pitné vodě, K v nápojích a víně, Ca, K, Cl v medicíně při analýze látek v krvi, plasmě, séru, cukru atd. Při stanovení cukrů, aminokyselin, bílkovin a jiných biologicky významných sloučenin se uplatňují také měření vzniklá spojením biologického katalyzátoru a iontově selektivní elektrody. Biokatalyzátor v imobilizované nebo insolubilizované podobě je umístěn na elektrodě, kterou se měří úbytek reaktantu nebo přírůstek produktu biochemické reakce. Změny v koncentracích produktů bývají často indikovány také amperometricky, jak tomu je např. u enzymové elektrody pro stanovení glukosy nebo alkoholu, nebo u tkáňové elektrody pro stanovení kyseliny L-askorbové. V potenciometrických biosenzorech se nejvíce uplatňují ISE se skleněnou (pro H +, NH + 4, Na + a jiné univalentní kationty), pevnou (pro I -, CN - ) nebo plastickou ( pro NH + 4 ) membránou. V posledních letech se dává přednost plynovým elektrodám (pro NH 3, CO ), u nichž se méně uplatňují rušivé vlivy dalších iontů přítomných ve vzorcích. Jako biokatalyzátory se uplatňují enzymy, subcelulární frakce, neporušené bakteriální buňky nebo i řezy živočišných a rostlinných tkání. (více c) 99

102 Měření složení a vlastností kapalin Měření redox potenciálu Hodnota redox potenciálu určuje redukční nebo oxidační působení látek v roztoku. Kladná hodnota redox potenciálu (ORP) charakterizuje oxidační kapalinu, záporná redukční kapalinu. Je to vyjádřeno počtem elektronů v atomu při oxidaci, kdy ztrácí atom, naopak redukcí získává atom. Jako měrných elektrod se používá Pt a Au elektrod, které jsou zdrojem nebo příjemcem elektronů podle reakce na elektrodovém povrchu. Referenční elektroda je kalomelová nebo argentochloridová. Měřicí okruh má shodnou strukturu jako okruh měření ph. Redox potenciál se měří jako elektrické napětí inertní elektrody ponořené do roztoku systému proti srovnávací elektrodě se známým potenciálem. kde je Pro redox potenciál platí: 0,058 aoxid U U0 log, (7-3) n a red Uo nulový potenciál vodíkové elektrody, n počet zúčastněných elektronů, a oxid,a red aktivita iontů. Hodnota Redox potenciálu je nespecifický součtový parametr, který neumožňuje provést selektivní stanovení zvoleného oxidantu nebo redukční látky při současném výskytu více oxidačně redukčních látek v kapalině. Kromě toho je měřená hodnota silně závislá na ph hodnotě a se vzrůstající koncentrací kapaliny vykazuje saturační tendence. Přesto lze po zvážení výše zmíněných nevýhod měření ORP použít jako nenákladnou alternativu za selektivní měření a přímé stanovení koncentrace oxidačních nebo redukčních látek v kapalině (např. amperometrickou metodou) nebo i jako záložní měření vedle přímého selektivního měření. Údaj o redox potenciálu má velký význam při sledování stavu biologických a průmyslových procesů. Např. udává oxidační schopnost vody, dále se používá pro stanovení obsahu chloru, peroxidu, chromátů, kyanidů ve vodě. Velmi rozdílná je hodnota ORP u potravin. Aby tělo nebylo vystaveno vnitřní oxidaci, je důležité stravovat potraviny s co nejvyšším záporným ORP. Např. čerstvě vymačkaná šťáva pomeranče má ORP =-00mV, balený pomerančový džus > +00mV, voda z kohoutku +00 až +500 mv, vhodná voda upravená -00 mv. 7.5 Měření rozpuštěného kyslíku ve vodných roztocích Spolehlivé a kontinuální měření rozpuštěného kyslíku hraje významnou roli především ve vodním hospodářství. Aktuální naměřené hodnoty jsou nezbytné pro bezpečné sledování a dynamické řízení procesů. Při styku vzdušného kyslíku s vodní hladinou nastává absorpce kyslíku do vody. Z pohledu fyziky je tato závislost dána parciálním tlakem kyslíku, atmosférickým tlakem a tlakem vodních par podle vztahu: p p p p ), (7-4) (.( ( vz) ( ) O ) ( O ), s Ovp kde je p (0) parciální tlak kyslíku, p (0),s parciální tlak kyslíku v suchém atmosférickém vzduchu (=0,95 %), p (vz) tlak atmosférický, p (vp) tlak vodní páry. Koncentrace kyslíku ve vodě je funkcí parciálního tlaku: c k. M a O ( O p ) ( O. ), (7-5) Vm kde je C (0) koncentrace kyslíku (mg/l), p (0) parciální tlak kyslíku (bar), k a absorpční koeficient (/bar), M O molekulová hmotnost kyslíku (3 g), Vm molární objem kyslíku (,4 l). Pro přehlednost uvádí Tabulka 7- obsah kyslíku ve vodě při pa=0 kpa při 00% nasycení. Tabulka 7- Obsah rozpuštěného kyslíku ve vodě při pa=0 kpa ři 00% nasycení ta C mg/l 4,6,57 0,9 9,76 8,84 8, Koncentrace kyslíku velmi silně ovlivňuje vedle tlaku vzduchu i teplota roztoku. Proto při vyhodnocování je nutná kompenzace podle této teploty. 00

103 Měření složení a vlastností kapalin 0 Snímače pro rozpuštěný kyslík používají elektrodové a optické snímače. Elektrodové obsahují dvouelektrodový senzor (amperometrický nebo galvanický) nebo tříelektrodový senzor. Dvouelektrodový senzor obsahuje zlatou katodu jako měřicí elektrodu, stříbrnou anodu jako proti elektrodu, která zastává funkci i referenční elektrody. Amperometrický tříelektrodový systém (viz Obrázek 7- první část) zvyšuje přesnost, stabilitu a kontrolu měření. Elektrodový systém je překryt membránou. A U n out 5 O 6 O O O 4 3 Obrázek 7- Schéma obvodu měření koncentrace rozpuštěného kyslíku (elektrodově, opticky s luminiscencí) Optický snímač využívá principu luminiscence. Schéma uvádí Obrázek 7-, druhá část. Přes membránu () vnikají molekuly kyslíku na prostoru, kde paprsky LED diody () s modrou barvou (3) při kontaktu s molekulou O zvyšují vlnovou délku záření na červenou. Červené paprsky (4) jsou snímání fotoelektrickým senzorem (5) a následuje vyhodnocování koncentrace kyslíku. Pro kalibraci slouží referenční elektroda (6). Měřicí převodník u obou snímačů zajišťuje jednak napájení snímače, jednak vyhodnocování snímaného signálu na hodnotu rozpuštěného kyslíku s kompenzací na teplotu případně na tlak vzduchu. O O O O 3 O Obrázek 7- Přístroje pro měření obsahu kyslíku ve vodě (HANNA, HACH LANGE) Ukázku skutečného provedení zařízení pro měření ukazuje Obrázek 7-. První a druhá část ukazuje ruční přenosný přístroj, třetí v pořadí přístroj je procesní pro napojení další i různých snímačů. 7.6 Měření obsahu pevných částic Obsah tuhých částic v prostředí, označován jako zákal nebo opak čirost využívá metod turbidity (turbidedzakalený) nebo jako nefelometrie (nefele mrak). Tato veličina je významným parametrem v průmyslu, v potravinářství, farmacii a také v oblasti ekologie. Základní měřicí metodou je absorpce a nebo rozptyl elektromagnetického záření v oblasti UV, VIS a blízké IR. 3 3 A U n A U n A U n output output a) b) Obrázek 7-3 Měření obsahu pevných částic metodou a) turbidity a b) nefelometricky c) output Metoda turbidity používá princip absorpce záření šikmo nebo kolmo na směr toku měřené tekutiny. Vylučuje se tak chyba změnou citlivosti senzorů, změnou zdrojů světla, vlivy barvy a tvar částic. Schéma okruhu s měřením podle metody turbidity uvádí Obrázek 7-3 v části a). Prvek (), vysílač i přijímač záření vysílá směrem na protější prvek () svazek elektromagnetického záření. Intenzita záření toho 0

104 Měření složení a vlastností kapalin 0 svazku se změní díky absorpci podle obsahu pevných částic. Stejný proces probíhá i opačným směrem. Vyhodnocovací jednotka (A) jednak řídí vysílání a příjem záření, jednak signál ze senzoru intenzity záření vyhodnotí na hodnoty turbidity. Pro turbidanci T b platí vztah: T ( e k ). c l b t. (7-6) kde je e absorpční součinitel, k t turbiditní koeficient, c koncentrace, l délka paprsku přes prostředí. Turbidance je také závislá se čtvrtou mocninou na vlnové délce záření a na teplotě. ( ) se také uvádí vztah pro intenzitu záření I t : I t I0. e t. l k V literatuře (7-7) kde je I 0 intenzita zdroje záření, t k koeficient turbidity, l délka paprsku přes prostředí. V části b) viz Obrázek 7-3 je zobrazena metoda nefelometrie. Její princip spočívá v tom, že svazek záření z vysílače () při kontaktu s obsahem pevných částic je rozptýlen. Rozptýlený svazek je snímám senzorem (), který je umístěn pod daným úhlem vůči vysílači. Signál senzoru je vyhodnocen na hodnotu nefelometrie. Pro intenzitu rozptýleného záření I r platí Rayleighův vztah: I r 4 I. 0 kr. N. v / kde je I 0 intenzita zdroje záření, k r koeficient rozptylu, N počet částic, v objem částic, l vlnová délka záření. (7-8) Při praktickém řešení snímačů se často provádí kombinace principů absorpce a rozptylu, viz pozice c). Volí se také různé kombinace vlnové délky záření a úhel snímaní rozptýleného svazku. Tím se dosahuje, že lze vyhodnotit informace i o velikosti částic případně počtu částic. Problémem je znečisťování oddělovacích ploch vysílačů a snímačů. Proto se používají různé způsoby čistění, mechanické pomocí stěračů nebo ultrazvukové čistění. Obrázek 7-4 přináší schéma nefelometrického principu měření zákalu pro skutečné provedení. Snímač () obsahu pod sklem zdroj záření () a dva snímače (3,4) rozptýleného záření pod různým úhlem. Pro průběžné čistění plochy skla slouží stěrač (5). V další části obrázku je pohled na provedení skutečných nefelometrických snímačů a vyhodnocovací jednotky. Jednotkou pro vyjadření obsahu pevných částic je FTU-Formazin Turbidity Unit. Je odvozována od látky formazín (suspenze z polymerace hexamethelentetraninu a sulfátuhydrazinu). Tato látka je vhodnou látkou pro kalibraci měřicích zařízení. Jednotek je používáno více:. jednotka FTU (Formazine Turbidity Unit), FTU = FNU = NTU = 0,45 EBC. jednotka NTU (Nephelometric Turbidity Unit) 3. jednotka FNU (formalin nephelometric unit), v Německu jednotka TE/F Trübungseinheit/ Formazin) 4. EBC (European Brewery Convection unit), jednotka používaná v pivovarnictví EBC = 4 FTU = 4 FNU = 4 NTU=4FAU 5. Nephelos Ne=/6,7 NTU 6. FAU (Formazine Attenuation Unit) 7. mg/l SiO. Jednotky podle ČSN EN ISO 707 jsou : - ZF n zákal formazinem nefelometricky (metoda měření rozptýleného záření) = FNU - ZF T zákal formazinem turbidimetricky, transmisní zákal (metoda měření útlumu záření) = FAU. Kalibrace se nyní provádí také specifickým kalibračním sklem. Pro přenositelnost a reprodukovatelnost výsledků a metody platí norma ISO 707 a používá se pro kontrolu čistoty nebo zakalení pitné vody

105 Měření složení a vlastností kapalin 03 Obrázek 7-4 Schéma nefelometrického snímače zákalu, fotografie provedení snímačů a vyhodnocovací jednotky (HACH LANGE) 7.7 Refraktometrie Základem refraktometrické metody je měření změny indexu lomu podle koncentrace nebo hustoty kapalných roztoků. Při šikmém dopadu světelného paprsku na rozhraní řidšího a hustšího prostředí vzniká v závislosti na koncentraci roztoku rozdíl úhlu odraženého paprsku R a úhlu paprsku prostupujícího. Pro prostupující paprsek platí Snellův zákon: n. sin n. sin (7-9) kde je n, n indexy lomu v prostředí (řidší) a (hustší),, úhly směru paprsku v prostředí (odklon od kolmice). n n input j i j T j R R A U n output T a) b) c) Obrázek 7-5 Schéma refraktometrické metody Prinicp měření na schématu uvádí Obrázek 7-5. Absolutní index lomu n i je poměr rychlosti světla ve vákuu v v (, m/s) ku rychlosti světla v látce v i tj. v v ni. (7-0) vi Např. voda má index lomu.34, benzen.53, olej lněný.486, vzduch (pro červenou barvu). Pro měření se používá refraktometrický index podle vztahu: n sin n (7-) n sin Snímač je konstruován jako zdroj vysílající světlo pod daným úhlem do měřeného prostředí a jako plošný fotosenzor snímající odraženou část světla. Podle indexu lomu se ozáří určitá plocha senzoru, která je mírou indexu lomu. Schéma měřicího okruhu s refraktometrem je na obr Okruh obsahuje vlastní snímač (), převodník () s výstupním signálem např ma. Mezi hustotou a indexem lomu n platí vztah, který odvodili Lorentz a Lorenz n r ( ) (7-) n kde r je specifická refrakce. Specifická refrakce je charakteristickou veličinou pro danou látku a této skutečnosti je možno využít pro kontinuální měření koncentrace látek v řadě chemických a potravinářských výrob (petrochemie, výroba lihu, cukru apod.). Obrázek 7-6 Provedení refraktometrů (METTLER TOLEDO, SCHMIDT HAENSCH x, K-PATENTS) 03

106 Měření složení a vlastností kapalin 04 Skutečné provedení refraktomerů od některých dodavatelů zobrazuje Obrázek 7-6Obrázek 7-6. Postupně je zobrazen ruční refraktometr a tři provedení procesních refraktometrů průtočných a ponorných. Hodnoty indexů lomu pro některé látky n 0 (pro 0 C) uvádí Tabulka 7-. Tabulka 7- Hodnoty indexů lomu pro některé látky Látka Chemický vzorec Index lomu n 0 voda H O,3399 benzen C 6 H 6,50 toluen C 7 H 8,49693 etanol C H 6 O,3643 glycerol C 3 H 8 O 3,47460 aceton C 3 H 6 O,35868 Kyselina octová C H 4 O,3790 Nejčastěji se měří refraktometricky cukernatost v potravinářství. Obsah cukru ve vodném roztoku může být ve stupnici % cukru v roztok nebo % vody v cukerné směsi (např. medu), ale také ve stupnici Oechsle nebo Brix. Stupnice Oechsle je určena pro stanovení cukernatosti vinného moštu, je používána v Německu, Rakousku, Švýcarsku a Lucembursku a Oechsle je hustota moštu,00 kg/dm3. Stupnice Brix se používá v potravinářství, má jednotku stupeň a znamená: Brix=g cukru ve 00 g roztoku. Další stupnice je PLATO používaná v pivovarnictví nebo Baumé pro hustotu kapalin, výpočet je. V Rakousku mají také KMW (Klosterneuburger Most Waage) - rakouská jednotka, 0 g nebo % cukru na kg, podobné ale nižší hodnoty jako ČNM, protože bez korekce na bezcukerný extrakt ČNM (Československý normovaný moštoměr) - v kg na 00 L moštu. 7.8 Měření viskozity Viskozita je základním reologickým parametrem. Podle Newtona je tečné napětí funkcí dynamické viskozity (koeficientu viskozity) a poměru změny rychlosti proudění na dráze podle vztahu: dv (7-3) dy kde je tečné napětí, dynamická viskozita (Pa/s nebo dříve odvozená jednotka poise=0,0 Pa.s), v rychlost proudění, y dráha proudění. Převrácená hodnota viskozity je tekutost fluidita. Kinematická viskozita je dána poměrem dynamické viskozity ku hustotě. Jednotkou je m /s nebo Stokes ( Stokes=0-4 m /s). Platí vztah. (7-4) Měřicích principů pro měření viskozity je několik. Laboratorní přístroje používají několik způsobů, např. kapilární viskozimetr, s padající kuličkou, rotační. Průmyslová zařízení pro měření vizkozity používají převážně rotační senzory viskozity. Nádobka s měřenou kapalinou nebo tělísko rotuje, vznikají reakční síly a snímá se moment a úhlová rychlost. Platí: K. j. 4 hw ( r r, (7-5) ) kde je K konstanta viskozimetru, h hloubka ponoru zvonu, r poloměr zvonu, r poloměr nádoby,j natočení zvonu na torzním uchycení, w úhlová rychlost. Rotační senzor pro průmyslové aplikace má různé tvary podle rozsahů viskozity. Pro velmi viskozní látky se používá místo válců kužely. Příklady snímací části prostředků pro měření viskozity přináší Obrázek 7-7. Ukázky praktického provedení má Obrázek

107 Měření složení a vlastností kapalin 05 M k M 3 M k M 3 a) b) c) d) e) Obrázek 7-7 Rotační snímače viskozity (a-válcový, b-zvonový s dvojitou stěrbinou, c- zvonový, d- deskový() v komoře () a pohonem (3)) Obrázek 7-8 Ukázka provedení rotačních viskozimetrů (BROOKFIELD 4x, PRORHEO) Další typ snímače viskozity používá vibrační senzor viskozity, který je založen na principu měření útlumu amplitudy kmitů objektu (jazýčků, struny) umístěné v měřeném prostředí. Kmity jsou vyvolány elektromagneticky. Parazitní působení je od změn hustoty, která musí být známá a od teploty. Příkladem je aplikace (viz Obrázek 7-9). Používá vibrační metodu s měřením viskozity zjišťováním hodnoty budicího elektrického proudu potřebného pro rezonanci dvou snímacích částí při konstantní frekvenci 30 Hz a amplitudě nižší než mm. Dovoluje i měření nenewtonských kapalin, pěnových a pěnivých vzorků, měření tekoucích vzorků včetně tekutin v turbulentním proudění. 4 3 Obrázek 7-9 Schéma principu a skutečné provedení vibračního měření viskozity (A&D COMPANY) Ultrazvukové snímače vizkozity jsou předmětem výzkumu a vývoje a jsou určitou modifikací vibračního principu. Schéma má Obrázek 7-0. Snímač () s torzním kmitáním tyče od ultrazvukového generátoru je napájen z jednotky (). Výstup (3) je analogový inifikovaný signál nebo datový přenosový kanál RS3/ Obrázek 7-0 Ultrazvukový měřicí obvod viskozity Plováčkový senzor viskozity je obdobný rotametrům. Tvar plováku je volen tak, aby jeho poloha byla ovlivňována nejvíce viskozitou. Požadavkem je udržování stálé rychlosti. 05

108 Měření složení a vlastností kapalin 06 Více: (pro instalace do potrubí a zásobníků), (kuličový systém), (rotační principy), (pro průmyslové použití, dříve Contraves). Reologie je věda zabývající se reologickými vlastnostmi tekutin. Jedná se především o studium závislostí na teplotě, na složení a struktuře látek. Pro popis závislosti dynamické viskozity plynů na teplotě lze použít tzv. Sutherlandův vzorec A T / C / T (7-6) kde T je absolutní teplota a A,C jsou látkové konstanty. U plynů lze viskozitu považovat za nezávislou na tlaku plynu (s výjimkou velmi nízkých a velmi vysokých tlaků). Viskozita plynů stoupá s rostoucí teplotou, čímž se odlišuje od viskozity kapalin, u nichž viskozita s rostoucí teplotou klesá. Dynamická a kinematická viskozita některých kapalin Látka Dynam.viskozita Ns/m Kinemat.viskozita m /s Voda 0,00, Benzín 0, , Etanol/líh 0,00 Glycerín,48, Olej 0,0049 5, Měření hustoty Hustota je definována jako poměr hmoty a objemu m 3 [ kg. m ] V. (7-7) U plynů je silně závislá na teplotě a tlaku v důsledku změn objemové roztažnosti V V ( t )) kde je koeficient roztažnosti. (7-8), 0 ( t0 Přístroje pro měření hustoty používají principy převodu hustoty na silové účinky (hmotnost, tlak, vztlak), na vlastnosti materiálu (index lomu, permitivita), na vibrace a vlnění (rezonance, rychlost vlnění) nebo na útlum záření (radioaktivní, elektromagnetické). Nepřímé určení je založeno na výpočtech z hodnot tlaku a teploty a akustické impedance. Obrázek 7- Ukázka přístrojů pro měření hustoty (METLLER TOLEDO přenosný, ANTON PAAR 3x) Nejpřesnější používaná metoda pro měření hustoty je převod na změny frekvence. Měřená látka je umístěna v trubici, která kmitá na rezonanční frekvenci. Tato hodnota je mírou hustoty. Ukázka měřicí trubice je uprostřed mezi přístroji, které ukazuje Obrázek 7-. Trubice ve tvaru U je naplněná nebo protékaná měřeným médiem. Trubice je elektromagneticky nebo piezoelektricky rozkmitávána a kmitá na rezonanční frekvenci, a ta je funkcí hustoty. Jiné typy snímačů využívají vibrující membránu nebo kmitající tenkostěnný válec ponořený do měřené tekutiny. Výhodou je, že provozní tlak, průtok a viskozita tekutiny nemají na výsledek měření hustoty téměř žádný vliv, pouze se musí provádět teplotní kompenzace. Rozsahy měření jsou 0 až 5000 kg/m3 s přesností až +/- 0, kg/m3. 06

109 Měření složení a vlastností kapalin Obrázek 7- Schéma měření hustoty na principu vztlaku plováku Snímače hladiny na principu vztlaku plováku v kapalině, Archimedova zákona, jsou používána v laboratoři, v průmyslových podmínkách se používají méně často. Schéma uvádí Obrázek 7-. V průtočné nádobce () s přítokem (3) a odtokem (4) je umístěn plovák (). Jeho vedení je spojeno s jádrem (5) uchyceným přes pružinu (6). Cívky tvoří transformátor s primární a sekundární civkou. Posun jádra mění indukčnost primární části, mění se přenos napětí na sekundární část úměrně posuvu jádra a úměrně měřené hustotě. Snímače hustoty s radioaktivními zářiči (radiační hustoměry) jsou založeny na radiometrickém principu a zjišťují absorpci radioaktivního záření při průchodu měřeným médiem uvnitř potrubí nebo v nádobě (viz Obrázek 7-3). Měřicí zařízení se skládá ze dvou samostatných částí z radioaktivního zářiče () a z detektoru procházejícího záření (). Jako zdroj záření se používají obvykle izotopy produkující záření gama, např. radioaktivní izotopy Co 69 nebo Cs 37. Pro detekci procházejícího záření slouží nejčastěji Geigerova trubice nebo ionizační komora. Měření ovlivňuje vzdálenost mezi zářičem a detektorem, tloušťka stěny, přirozený pokles intenzity záření gama s časem. Snímače hustoty s radioaktivními zářiči jsou vhodné i pro měření za velmi náročných a těžkých provozních podmínek. 3 Obrázek 7-3 Schéma měření hustoty absorpcí radioaktivního záření a instalace zařízení (ENDRESS) 7.0 Doplňující prostředky Doplňkovými prostředky k zařízením pro analýzu kapalin patří odběrová zařízení vzorků a programové prostředky pro vyhodnocování a zpracování informací z měřených dat. U snímačů, které nejsou vnořeny do měřeného objemu látky, vyžadují vzorek této látky dopravit do měřicí kyvety snímače. Okruh pro odběr vzorků zobrazuje Obrázek 7-4. Měřená látka je z potrubí nebo nádrže čerpána čerpadlem nebo odsávána vývěvou (7). Prochází z odběrného zařízení () filtrem (), odvlhčuje se (3), ohřívá se nebo zchlazuje se na předepsanou teplotu analýzy v jednotce (4). Vlastní analýza je v jednotce (5) podle konkrétního typu snímače. Zpravidla se požaduje konstantní průtok, proto v obvodu je průtokoměr (6) Obrázek 7-4 Typické provozní uspořádání odběru měřeného vzorku průmyslového analyzátoru 07

110 Měření složení a vlastností kapalin 08 Software je významným doplňkem technických prostředků a je vlastně nedílnou součástí. Zajišťuje měření a sběr dat, vyhodnocování naměřených dat na údaje a informace, provádí vizualizaci výsledků pro obsluhu, zpracování alarmů a havarijních stavů, zajišťuje ostatní funkce informačních systémů, tj. třídění, archivace, přenos, práci s datovým skladem. 7. Smart přístroje Jedná se o moderní zařízení a přístrojové doplňky, které pomáhají při procesu měření. Přínosy jsou významné při dálkovém měření: např. sledování automatických přístrojů v místě měření pomocí IoT, zjednodušení měření použitím snímačů s výstupem bluetooth a sledováním na mobilním telefonu. Obrázek 7-5 Bezdrátová elektroda s Bluetooth Smart technologií. 08

111 Měření složení a vlastností plynů 09 8 Měření složení a vlastností plynů Měření složení a vlastností plynů dává informace o obsahu plynných, kapalných nebo pevných látek ve směsích plynů nebo o jejich fyzikálních parametrech. Použití: - Ekologie: emise a imise v ovzduší, emise ve spalinách komínů při spalování. - Bydlení: kvalita vzduchu, bezpečnost proti výbuchu ZP. - Automobily a kotle: řízení podle přebytku kyslíku, kvalita spalování. - Průmysl: chemie, plastikářské výroby, farmacie. - Laboratorní výzkum, hygienická služba. Kontinuální měření emisí zabezpečuje stanovení celkového hmotnostního toku znečišťující látky vypouštěné do ovzduší komíny a výduchy zdroje znečištění v průmyslu, motorových vozidel, zemědělství apod. Zdroje jsou proto stacionární a pohyblivé. I malé zdroje znečistění o tepelném výkonu od /5 tuhá paliva do 00kW (tj. i rodinné domy) musí podle zákona 86/00 Sb měřit emise x roky. Středním zdrojem je kotelna 00 kw do 5MW a měření je x 5 roků (do MW) a x3 roky (-5MW). Měří se zpravidla oxid uhelnatý a uhličitý, oxid siřičitý, oxidy dusíku, suma uhlovodíků, těkavé organické látky, prachové úlety, celkový kyslík, rychlost průtoku, teplota, vlhkost odcházejících plynů, atd. Systémy pro měření emisí lze rovněž použít jako technologická měření pro optimalizaci provozu zařízení. Mohou se měřit různé složky plynů případně prachové úlety, rychlost průtoku, teplota, vlhkost odcházejících plynů, atd. Sledování a měření imisí se provádí také ve stanicích v městských aglomeracích, na hranici pásma hygienické ochrany průmyslového komplexu nebo v otevřené krajině. Cílem je zjistit a zaznamenávat složky znečištění ovzduší způsobené dopravou, tepelnými a energetickými zdroji, chemickými provozy a sekundárními vlivy probíhajícími v atmosféře (působením slunečního záření na primární složky znečištění). Měří se malé koncentrace zejména oxidu siřičitého, oxidy dusíku, oxidu uhelnatého, polétavého prachu, ozónu, uhlovodíků, těkavých organických látek, polyaromatických uhlovodíků, atd. Dopady oteplování země se připisují koncentracím CO ve vzduchu, ale jako skleníkové plyny je také vodní pára, oxid dusný, metan CH4 a jiné fluorované plyny. Obsah CO ve vzduchu v uzavřených prostorách s pobytem lidí je významným hygienickým parametrem. Koncentrace nad 700 ppm již zvyšuje únavu, děti a studenti v učebnách mohou mít problémy se soustředěním. U rodinných domů nebo na pracovištích mohou také způsobovat únavu i další příměsi ve vzduchu, obecně nazývané jako koncentrace VOC. Měření koncentrace CO při chybném spalování u kotlů na topení nebo úniky zemního plynu může zapříčinit i nebezpečnou situaci související se zdravím a až s výbuchem v budově. V dnešní praxi jsou používány pro měření složení a vlastností plynů zařízení využívající metody: - tepelné vodivosti - paramagnetické - spektrální analýzy - katalytického spalování - průmyslových plynových chromatografů - měření vlhkosti vzduchu. 8. Obecné parametry měření Plyny se vyznačují především velkou stlačitelností, závislostí parametrů tlaku, teploty a objemu podle stavové rovnice plynů, změnou objemu podle teploty, závislostí parciálních tlaku u směsí, absorpcí do kapalin. Obsah určitého plynu v daném objemu se vyjadřuje jako: - látková koncentrace (mol/m3): c ni V i, (8-) kde je n i látkové množství látky (g/mol), mol základní jednotka látkového množství, kde počet elementárních částic je roven počtu atomů v 0,0 kg izotopu C, počet částic je roven Avogadrovu číslo (6,0.0 3 ), V je objem směsi)

112 Měření složení a vlastností plynů 0 - hmotnostní koncentrace (kg/m 3 ): c mi V m, i, (8-) kde je m i hmotnostní množství látky (kg), V objem směsi (m 3 ) - objemová koncentrace (m 3 /m 3 ): c V i Vi V,, (8-3) kde je V i objemové množství látky (m 3 ), V objem směsi (m 3 ) - procentuální vyjádření koncentrace je: c=ci.00 (%), (8-4) - vyjádření koncentrace ppm: ppm=/0 6 objemů =/0-4 % objemového množství. (8-5) Jednotka vlnočet: počet vlnových délek v cm nebo v m: vlnočet=/m, např. pro = m je vlnočet 0000(/cm). Při měření složení a vlastností plynů jsou použity chemické nebo fyzikální principy. Při chemických principech se jedná o vzájemné působení částic měřené látky a senzoru s jejich chemickou přeměnou (reakcí), dochází ke změnám látky, při čemž se měří významná změna fyzikální veličiny. U fyzikálních principů nedochází ke změnám druhu látky a využívá se pouze změna některé fyzikální veličiny měřené látky. 8. Konstrukce snímačů Snímače složení a vlastností směsí plynů využívají při konstrukci snímačů různé metody senzorů a provedení. Více Měření na základě tepelné vodivosti plynů Tepelná vodivost látky je definována vztahem: Q. d, (8-6) S. t kde je Q tepelný tok, S teplosměnná plocha, t=t -t rozdíl teplot, d tloušťka teplosměnné vrstvy. Schéma tepelného toku stěnou ukazuje Obrázek 8-Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Podle kinetické teorie plynů je tepelná vodivost funkcí odmocniny absolutní teploty, nepřímou funkcí odmocniny molární hmotnosti. Je nezávislá na tlaku až do oblasti technického vakua. Tepelná vodivost při 0 C a relativní tepelná vodivost vůči vodivosti vzduchu pro vybrané plyny je uvedena v tab. -. t Q, S,t d Obrázek 8- Schéma tepelného toku stěnou Tabulka 8- Závislost tepelné vodivosti pro některé plyny (W/(mK) Poměr k vzduchu xenon 0,0059 0,5

113 Měření složení a vlastností plynů krypton 0, ,36 HS 0,09 0,536 hélium 0,0430 0,593 CO 0,0430 0,593 argon 0,0634 0,678 vodík 0,070 0,74 CO 0,0333 0,968 dusík 0,0400 0,996 vzduch 0,040,000 kyslík 0,0450,07 acetylen 0,099,4 methan 0,0300,53 neon 0,04583,90 SO 0,0833 3, output 4 Obrázek 8- Schéma měření složení směsi plynu metodou tepelné vodivosti, provedení snímačů (NEMOTO) Tepelná vodivost je závislá také na teplotě. Závislost může být lineární vzrůstající (např. metan) nebo nelineární a klesající (např. acetylén). U směsi plynů platí, že celková výsledná tepelná vodivost směsi je rovna součtu součinů molární koncentrace m i a vodivosti jednotlivých složek i : i. m i (8-7) i Schéma měření složení směsi plynu metodou tepelné vodivosti zobrazuje Obrázek 8-. Snímač obsahuje měrné komory, zdroj tepla, senzor teploty a elektroniku. Snímač () obsahuje měrné komory () pro měřený plyn a referenční komory (4) pro srovnávací plyn o známém složení. Měrné komory obsahují topný drát, např. platinový, ale který současně slouží i jako odporový senzor teploty. Všechny komory jsou umístěny v bloku z materiálu o konstantním součiniteli tepelné vodivosti (3). Ohřev je na konstantní teplotu elektrickým výkonem P q, který podle rozměrů a parametrů snímače musí mít hodnotu : l ( t )( ) p td t p Pq R0 ( td ) I, (8-8) ln( r r ) p k kde je teplotní součinitel odporu drátku, I napájecí proud, t d teplota drátku (volí se C), R elektrický odpor drátku, součinitel tepelné vodivosti stěn komory, součinitel tepelné vodivosti plynu, t p teplota plynu, r d poloměr drátku, r k poloměr komůrky. Snímač je napojen na vyhodnocovací jednotku (5) s napaječem (6) a zesilovačem (7).

114 Měření složení a vlastností plynů Teplotně vodivostní snímače se dnes vyrábí také v mikroelektronickém provedení polovodičovou technologií. Zpravidla se používá jen / můstek se Ni odporovým senzorem i zdrojem tepla. Příkon 5mW, časová konstanta do 5ms, časová konstanta výměny plynu 00 ms. Sensory s principem tepelné vodivosti plynů (angl.zkratka TCD thermal conductivity detector) měří v rozsahu 0 až 00 %. Pro malé rozsahy se kombinuje s elektrokatalytickými senzory pro měření do LEL (Lower Explosive Limit) Měření založené na paramagnetickém principu Paramagnetické látky jsou látky, které mají permeabilitu > a jsou slabě magnetické. Do této skupiny patří z plynů kyslík, oxidy dusíku, oxidy chlóru a páry síry. Přehled magnetických vlastností (hodnot magnetické susceptibility některých plynů udává Tabulka 8-. V technické praxi se uplatnila metoda přímého měření silového účinku a metoda termomagnetická. Mechanický účinek vzniká při působení magnetického pole na měřený plyn a na tělísko s jinou magnetickou susceptibilitou. Výsledná síla je dána vztahem: F V 0 0 dh ( ). H.. dv dx (8-9) kde je 0 permeabilita vákua (H/m), magnetická susceptibilita tělíska a plynu, H intenzita magnetického pole (A/m), dh/dx gradient intenzity magnetického pole (A/m - ), V objem tělíska (m 3 ). Vztah permeability a susceptibility je: r m / 0 (8-0) Tabulka 8- Magnetické vlastnosti plynů Plyn Acetylén C H Argon A Čpavek NH 3 Dusík N Chlor Cl Kyslík O Oxid dusný N O Oxid dusnatý NO Oxid uhličitý CO Vodík H Objemová magnetická susceptibilita při 0 C, 760 torr -6, , , , , , , ,7.0-9 Měrná magnetická susceptibilita při 0 C [m 3 kg - ] -6, , , , , , , ,7.0-9 Princip silový pracuje tak, že magnetické pole ve snímači se vytváří trvalým nebo elektro magnetem a když měřený plyn vstupuje do prostředí mezi magnety a obsahuje paramagnetické plyny vzniká působením síly na tělísko moment, který se snímá a vyhodnocuje. Tělísko je malá kulička. Třída přesnosti měření je. Vliv teploty je kompenzován a vyžaduje se čistota měřeného plynu (vlhkost, mechanické nečistoty). Termomagnetická metoda využívá tzv. přídavné proudění. Schéma uvádí Obrázek 8-3. Senzor obsahuje dvojitou kruhovou komoru () s příčným propojením obsahující magnet () a termoelektrický průtokoměr (4). V případě, že plyn neobsahuje paramagnetické složky, proudí pouze oběma polovinami komory a vystupuje ze snímače. V případě přítomnosti paramagnetického plynu je tento plyn vtahován do příčného propojení (3), vzniká přídavné proudění, tzv. magnetický vítr. Toto proudění se měří termoelektrickým průtokoměrem malých průtoků. Velikost průtoku příčného proudění je mírou množství paramagnetického plynu. Napájení elektromagnetu a měření průtoku je napojeno na převodník (A).

115 Měření složení a vlastností plynů A Obrázek 8-3 Snímač s paramagnetickým principem měření koncentrace kyslíku Údaj termomagnetického analyzátoru je závislý na barometrickém tlaku, na poloze a na teplotě okolí. Třída přesnosti měření je nad hodnotou dvě. Celkový průtok plynu je v rozsahu 30 až 60 l/h. Časová konstanta měření je kolem 0 s. Fotografii průmyslového zařízení má Obrázek Obrázek 8-4 Oxymat firmy Siemens 8..3 Photoionizační analýza Moderním a nově se rozvijícím principem je foto ionizace v oblasti UV. Schéma zobrazuje Obrázek 8-5. Snímače PID jsou vhodné pro snímání koncentrace uhlovodíku od C6 až C9, pro výpary z ropných látek, O, VOC, H, H S a další toxických plynů. 4 5 A output A0 3 Obrázek 8-5 Schéma PID snímače (-UV lampa, - žaluzie, 3 vstup měřeného plynu, 4 senzor UV záření, 5 fotonásobič, A0 snímač, A vyhodnocovací jednotka)(enviroment S.A) Tato metoda je velmi vhodná a velmi citlivá pro měření toxických limitů v interiérech. Využívá vysokou energii UV záření ze zdroje () usměrňované mříží (). Metoda přemísťuje elektron z neutrálně nabité molekuly plynu a potřebná energie je elektroluminiscenční energie. Větší nebo reaktivnější molekuly mají nižší ionizační energii než menší bez reaktivní molekuly. Větší molekuly jsou snadněji měřitelné. Tento princip má opačnou charakteristiku vůči katalytické metodě. Jsou proto komplementární metody. Intenzita UV záření je měřená senzorem (4). Procházející plyn (3) komorou vytváří elektroluminiscenci, která je snímaná fotonásobičem (5). Vyhodnocovací jednotka vyhodnocuje pak koncentraci plynů ve směsi a současně řídí procesy měření.

116 Měření složení a vlastností plynů Chemiluminiscenční snímače Chemiluminiscenční snímače používají princip ionizace pomocí chemické reakce se vznikem látek, které jsou luminiscenční. Schéma zobrazuje Obrázek 8-6. Snímače jsou vhodné pro snímání koncentrace NO x. A0 3 4 A output Obrázek 8-6 Schéma chemi ionizačního snímače (- komora, konvertor NO -NO, 3 zdroj ozónu, 4 fotonásobič, A-vyhodnocovací jednotka)(enviroment S.A) 8..5 Měření na principu spektrální analýzy Absorpce elektromagnetického záření nebo ionizačního záření při průchodu směsí plynů je funkcí složení směsi, její hustoty a vzdálenosti procházejícího záření. Pro velikost absorpce, neboli zeslabení intenzity záření, platí vztah: E E. e z (8-) kde je E intenzita zdroje, hmotový součinitel zeslabení (m /kg), hustota, z vzdálenost průchodu záření. Hmotový součinitel zeslabení je např. pro UV =47 nm (nanometru),7.0 4 m /kg. Pro dvou molekulové plyny ovšem vznikají tzv. absorpční maxima pro určité vlnové délky. Např. CO (λ=4,6 µm) a H O (λ=,59 µm). Spektrální analýza umožňuje měření složení a vlastnosti plynů na základě změn emise a absorpce elektromagnetického záření. Absorpce záření v neionizovaném plynu je v pásmu vlnové délky, kterou je plyn schopen vydávat v ionizovaném stavu. Absorpční pásma většiny plynů se skládají z úzkých pásů převážně v ultrafialové (UV) a infračervené (IR) případně ve viditelné (VIS) oblasti. V pásmu VIS Jen malý počet plynů absorbuje viditelnou oblast spektra. CO CO CH 4 6 ref 3 A 5 4 output Obrázek 8-7 Snímač pracující na základě absorpce elektromagnetického záření Používají se obecné oblasti: - UV záření s vlnovou délkou od.0-8 m až 3, m - viditelné záření s vlnovou délkou od 3, m až 7,6.0-7 m - IR záření s vlnovou délkou od 7,6.0-7 m až m. Absorpce monochromatického záření v plynu se řídí Lambertovým vztahem: k l c e.. I I out (8-) kde je k absorpční součinitel závislý na vlnové délce, druhu plynu, koncentraci, l délka dráhy paprsku v plynu, c koncentrace plynu, I intenzita paprsku na vstupu (W/m - ), I out intenzita paprsku na výstupu (W/m - ). Schéma analyzátoru používající princip absorpce elektromagnetického záření uvádí Obrázek 8-7. Zdrojem záření () jsou podle typu záření LED diody nebo speciální výbojky s malým rozsahem vlnových délek a odpovídající vstupní intenzitou záření. Paprsky jsou vedeny do komory () a zpravidla se vícenásobně odráží na stěnách. Jejich intenzita se zmenšuje podle a prostupují přes filtr (5) do senzoru záření (4). Signály ze senzoru jsou vyhodnoceny ve vyhodnocovací jednotce (A).

117 Měření složení a vlastností plynů 5 Většina snímačů u průmyslových zařízení používá spektrum nedisperzního IR záření (NDIR). Schéma nese Obrázek 8-8. Metoda NDIR (a) posílá celé spektrum záření zdroje () do měřicí komory () a dále přes filtr (3) na senzor (4). U metody DIR (b) prochází záření ze zdroje () přes hranol (5), kde se rozptyluje podle dílčích vlnových délek. Přes měřicí komoru prochází pak jen určitý rozsah vlnových délek a) b) Obrázek 8-8 Schéma absorpce NDIR (nedisperzní) a DIR (disperzní) Metoda absorpce NDIR využívá skutečnosti, že určité molekuly plynů absorbují záření jen při určité vlnové délce (na tzv. spektrální čáře), které jím prochází. Při správné volbě zdroje záření nebo filtrů ve snímači tato metoda umožňuje s vysokou selektivitou určovat a měřit složení pro určitý plyn ve směsi plynů (tzv. kvalitativní metoda). Absorpční pásma pro každý plyn leží ve spektru UV, IR i VIS vlnových délek, tzn. od 00 do 5000 nm, případně i více. Tuto skutečnost zobrazuje Obrázek 8-9. Pomocí absorpce UV záření lze analyzovat např. sirovodík, chlór, oxid dusičitý, oxid siřičitý, ozón, butadien, benzen, toluen, aceton. UV záření neabsorbují např. dusík, kyslík, vodní pára, etan, butan, metan, chlorovodík, čpavek. Záření IR je absorbováno plyny, které mají nesouměrnou molekulu nebo mají alespoň dva různé atomy. Je to např. CO, CO, plynné uhlovodíky. Některé přístroje mají zdroj v širokém pásmu vlnových délek a do měřicí kyvety pouštějí záření požadované vlnové délky. Řešení je provedeno otočným souborem filtrů na vstupní straně (viz Obrázek 8-6, pozice 6) nebo zdrojem záření se zářením vystupujícím přes více filtrů, nebo rotujícím filtrem před senzorem a i rotujícím senzorem s více otvory pro snímání. Nejvíce limitujícím faktorem pro NDIR je, že nemůže být použit pro měření koncentrace H. Musí se proto při měření směsi, která obsahuje vodík, se senzorem s elektrokatalytickým nebo elektrochemickým principem. Selektivitu měření zajišťuje speciální optika, která zajistí prostup záření bez pohlcování v materiálu optiky, filtry pro filtraci složek záření na požadovanou vlnovou délku a parametry senzorů záření. A A O CO CO CH 4 NO CH 6 CH 4 CH6 CH 6 SO NO NO CO HO nm m Obrázek 8-9 Grafy závislosti absorpce elektromagnetického záření pro oblast UV a IR pro některé plyny Obrázek 8-0 IR spektrometr (ruční firmy Ahura Scientific, modul IR od Ocean Optics) Třída přesnosti měření je od,5 podle rozsahu měření. Negativní vlivy vytváří změny tlaku a průtoku plynu v kyvetě, teplota okolí, napájení zdroje záření. Ukázky provedení přístrojů ukazuje Obrázek 8-0.

118 Měření složení a vlastností plynů 6 Více: nebo Měření katalytickým spalováním Jednoduchou metodou je katalytické spalování směsí hořlavých plynů na žhaveném vodiči. Principiální schéma zobrazuje Obrázek 8-Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Technické řešení snímače je dvojího druhu. Provedení a) je provedení s měřicími komorami a vyhodnocovací elektronikou, provedeni b) je kompaktní senzor nazývaný pellistor. A 3 4 A...3 Un+ R P Uout R O V a) b) Obrázek 8- Snímač s katalytickým spalováním Provedení a) obsahuje měřicí komoru () s měřicím vláknem () pro měřený plyn. Druhá komora (3) je naplněna referenčním plynem a také obsahuje měřicí vlákno (4). Měřicí vlákno je žhaveno na provozní teplotu podle druhu měřeného plynu a je z čisté platiny nebo její slitiny, která působí jako katalyzátor při oxidaci např. H, CO, CH 4, a dalších okysličovatelných plynů. Teplota povrchu musí dosahovat určité hodnoty podle druhu plynu, např. H - 00 C, CO C, etan, butan, propan 500 až 550 C, metan 800 C. Dalším požadavkem je dostatečný přívod kyslíku. Při dodatečně oxidaci vzniká teplo. Žhavená vlákna mění současně podle velikosti ohřevu, tj. podle koncentrace oxidovaného plynu elektrický odpor. Vyhodnocování měření je provedeno v převodníku (A). Můstek je vytvořen měřicími vlákny (, 4) a odpory R a R a potenciometrem P. Rozdíl na diagonále je zesílen na výstupní signál U out. Senzor podle provedení (b) je kontaktní verze pro katalytický princip. V komůrce se nachází perlička () na kterou vstupuje měřený plyn přes síťku (). Perlička se skládá z hmoty katalyzátoru (., oddělovací keramiky (.) a žhaveného vlákna.3). Měřený plyn se okysličuje, vzniká obdobně teplo, které mění hodnotu elektrického odporu žhaveného vlákna. Tyto změny jsou mírou koncentrace spalitelného plynu. V současné době se začínají uplatňovat technologie MEMS a vytváří se snímače v pouzdru integrovaného obvodu. Na křemíkovém substrátu jsou vytvořeny plochy s katalyzátorem, vyhřívací části, snímání teploty, přívody plynu. Tyto technologie řeší u katalytických senzorů relativně velkou spotřebu energie a dosahuje se příkonu pouze 60 mw. Vytváří se také pole pellistorů s vyhodnocováním více plynu podle metod neuronových sítí. Snímačem s katalytickým principem není možné selektivně rozlišit jednotlivé hořlavé plyny přítomné v několika složkových směsích. To však není na závadu, jestliže se analyzátor využívá k zabezpečovacím účelům naopak lze hovořit o selektivitě senzoru vzhledem k obsahu hořlavých plynů a par ve vzduchu. Při požadavku přesného měření je zapotřebí vždy snímač kalibrovat pro danou konkrétní látku. Zpravidla se kalibrují na hodnoty DMV (dolní mez výbušnosti= LEL v angličtině). Kalibrace lze provést na určitý plyn (metan nebo pentan) a pak se používají korekční koeficienty pro měřený jiný plyn. Parazitní vlivy mohou způsobit stárnutí katalyzátoru, působení škodlivým plynů inhibitorů a katalytických jedů. Mezi inhibitory patří halogeny, organické halogenderiváty a SO. Katalytický jed je však, na rozdíl od inhibitoru, nevratně adsorbován. Velikost pokrytí aktivního povrchu roste v závislosti na koncentraci katalytického jedu až do zakrytí celého povrchu. Jedná se o kumulativní a trvalý efekt. Koncentrace jedu má vliv jen to, za jak dlouho bude katalyzátor zcela deaktivován. Rychlost deaktivace závisí na vlastnostech katalyzátoru, vlastnostech jedu a podmínkách reakce. Jako katalytické jedy působí organické sloučeniny křemíku (silikony), alkyl-olovnaté sloučeniny a fosfáty. Je nutné se také vyvarovávat výparům čisticích kapalin, sprejů, vazelín a krémů na pokožku.

119 Měření složení a vlastností plynů 7 Další škodlivý jev je ukládání uhlíku na katalyzátoru hlavně při extrémně vysokým koncentracím uhlovodíků v molekule. Je nutný proto dostatek okysličovadla pro oxidaci a nové snímače mají přidání thoria s paladiem do katalyzátoru Měření snímači FID Plamenový ionizační detektor (FID) je snímač, který patří do základní výbavy plynových chromatografů. Jedná se o fyzikálně chemický snímač. Měřený plyn je spalován společně s přiváděným vodíkem a okysličovadlem (vzduchem nebo kyslíkem). Při tomto spalování vznikají změny ionizačního proudu vodíkového plamínku v důsledku přítomnosti eluované složky měřeného plynu. Vzniklé ionizované částice zaplňují prostor mezi elektrodami a mění jeho odpor. FID dává dostatečně velké změny proudu pro téměř všechny organické látky, CO, CO a další plyny, které mají v molekule uhlík. Při spalování uhlovodíku vzniká kation CHO + a jeden elektron e -. Běžně užívané nosné plyny dávají nízkou, téměř neregistrovatelnou odezvu. FID má největší lineární rozsah z běžně užívaných detektorů. 4 output i 3 H Obrázek 8- Blokové schéma FID snímače Schéma FID snímače ukazuje Obrázek 8-. V tělese snímače () se spaluje vodík s kyslíkem a s měřeným plynem (). Uhlovodíková molekula při spálení (3) se mění a vznikají volné elektrony. Tyto způsobují změny ionizačního proudu. O 8..8 Snímač s pevným elektrolytem Snímač využívá pohybu iontů v pevných elektrolytech, kde na rozdíl od kapalných, je možný přenos vždy jen jednoho druhu, tedy kationty nebo anionty. Výsledkem místění elektrolytu mezi dvě platinové elektrody je vznik elektrochemické reakce při přítomnosti kyslíku O a na elektrodách vzniká napětí o velikosti definováné Nerstovou rovnicí ve tvaru: R. T a red E E 0. ln (8-3) n. F aox kde je E elektrický potenciál elektrody, E0 standardní elektrodový potenciál, R molární plynová konstanta (8,34 J/K.mol), T absolutní teplota plynu, n počet vyměněných elektronů, F Faradayova konstanta (96485 C/mol), a red aktivita redukované formy, a ox aktivita oxidované formy. Například pro analýzu kyslíku se vyžívá elektrolytu ZrO dotovaného YO3 a ohřátého na teplotu 650 až 950 C. Snímač se používá pro zjišťování přebytku kyslíku ve spalinách z kotlů nebo ve výfukových plynech motorů automobilů, kde je tato měřená veličina součástí řízení spalovacích procesů. Stejný princip se využívá i ve známé Lambda sondě pro detekci a řízení spalování.

120 Měření složení a vlastností plynů i a) b) Obrázek 8-3 Schéma snímače s pevným elektrolytem (a - lambda sonda, b - snímač s gelovým elektrolytem, c provedení sondy) Schéma snímače uvádí Obrázek 8-3. Pevný elektrolyt () je umístěn mezi dvě platinové elektrody (, 3) mezi měřicí komorou (4) a referenční komorou (5). Celý snímač je vyhříván topnou vrstvou (6) na teplotu několik stovek stupňů Celsia. Měřicí okruh obsahuje zdroj napětí a změny proudu je mírou koncentrace měřeného plynu. Napájecí napětí musí vytvářet limitní proud podle koncentrace měřené složky. Obrázek 8-4 přináší provedení snímačů s pevným elektrolytem pro přebytek vzduchu. Pozice c) je ukázka lambda sondy pro osobní automobil, pozice b) je snímač s vyhodnocováním pro spaliny do komína nebo výduchů z výkonných kotlů. c) d) Obrázek 8-4 Provedení snímačů s pevným elektrolytem pro přebytek vzduchu (TOYOTA, SICK) 8..9 Snímač elektrochemický Tento princip se využívá pro detekci plynů, které lze elektrolyticky přeměnit nebo oxidují na kovovém katalyzátoru, jako jsou platina nebo zlato. Princip je obdobou elektrochemických článků. Mezi anodou a katodou v elektrolytu vzniká elektrické napětí. Typické plyny, které lze tímto způsobem měřit jsou oxidy - O, NO, NO, CO, CO a HS nebo organické páry alkoholů, aldehydů nebo ketonů. Citlivost senzorů je vysoká a pohybuje se v rozsahu 3-30 ppm. Nejvíce se ho využívá pro zjišťování obsahu kyslíku. Kyslík se na rozhraní vrstvy katoda/elektrolyt elektrochemickou cestou přeměňuje na el. proud, jehož velikost je úměrná koncentraci kyslíku v měřené směsi plynů. Měřící buňka obsahuje olověnou/stříbrnou/platinovou anodu a zlatou katodu ponořené do elektrolytu na bázi kyseliny octové. K zlaté katodě elektrolytu od analyzované směsi se využívá difúzní membrána z PTFE. Proudová smyčka je uzavřena zatěžovacím odporem, který převádí úroveň proudu na úbytek napětí. Termistor zapojený v sérii s rezistorem může provádět kompenzaci vlivu teploty.

121 Měření složení a vlastností plynů 9 4 i U a) b) c) Obrázek 8-5 Snímač elektrochemický a) princip, b) schéma snímače, c- skutečné provedení NEMOTO (-elektrolyt, - snímací elektroda/anoda, 3 katoda, 4 měřený plyn, 5 referenční elektroda, 6 membrána) 8..0 Snímače chemorezistory Snímače s principem chemorezistorů ( TGS Tagichi Gas Sensor, FIGARO) využívají princip změn vodivosti ve materiálu SnO. Schéma uvádí Obrázek V N V out R b R p 3 4 Obrázek 8-6 Princip, schéma a provedení chemorezistorů TGS (FIGARO) Odporový materiál () mění svoji vodivost podle přítomnosti plynu v okolí. Citlivost je zajištěna žhavením (3). Měřicí obvod je napojen na elektrody (). Citlivost materiálu je především od hořlavých a toxických plynů, jako např. H, CH 4, C 3 H 6, CO, NO x, H S, AsH 3, SO, NH 3. Více: Snímač polovodičový oxidační Polovodičové snímače oxidační jsou určeny pro detekci oxidačních nebo redukčních plynů. Jejich senzory mají citlivou plochu na povrchu nebo je aktivní celý objem. Běžnější senzory s povrchovou detekcí jsou typicky složené z plošky slabého oxidu kovu (ZrO, SnO, TiO apod.) okolo jemných cívek - topných meandrů (platinové nebo různé oxidy kovů). Plošky absorbují molekuly kyslíku a když je ploška zahřívána, dochází k reakci aktivovaného kyslíku s molekulami oxidačních nebo redukčních plynů na povrch plošky a změně elektrické vodivosti oxidové vrstvy. Tak lze detekovat téměř každý oxidační plyn a citlivost je v rozsahu 0-00 ppm. Je-li plyn redukční (H, CH 4, CO, H S, etanol, izobutan), chová se plyn jako donátor elektronů do polovodiče a zvyšuje vodivost povrchové citlivé vrstvy polovodiče. Naopak, je-li plyn oxidační (O, Cl, NO ), jedná se o akceptor elektronů a vodivost se zmenšuje. I Obrázek 8-7 Struktura senzoru polovodičového oxidačního Schéma polovodičového senzoru uvádí Obrázek 8-7. Citlivá vrstva () je z SnO nebo ZnO s vodivostí typu N a je v kontaktu s měřeným plynem. Další vrstvy jsou: vrstva () z SiO, vrstva (3) z feritu, vrstva (4) z RuO a vrstva (5) je substrát a izolace. Senzor je vyhříván na teplotu 00 až 450 C. Kontaktní vrstva (6) je ze

122 Měření složení a vlastností plynů 0 zlata, stejně jako přívody. Při napájení senzoru konstantním stejnosměrným napětím se mění proud I podle adsorpce měřeného plynu. Senzor s objemovou detekcí (absorpcí pohlcování látky) mění stechiometrickou strukturu krystalové mřížky podle parciálního tlaku, tj. složení plynu a tím počet chyb ve struktuře. Používají se jako citlivá vrstva materiály z TiO, BaTiO 3, SrTiO 3. Podmínkou je provozní teplota kolem 900 C. Vlivem deficitu kyslíku se mění vodivost senzoru. 8.. Senzor CHEMFET U tranzistorů CHEMFET vzniká mezi hradlem a substrátem potenciál v důsledku adsorpce některých plynů na řídicí elektrodě. Strukturu CHEMFET zobrazuje Obrázek 8-8. Na pozici a), schéma měřicího zapojení na pozici b) a charakteristiky na c). Obrázek 8-8 Struktura, měřicí zapojení a charakteristika senzoru CHEMFET Substrát () je základ senzoru je tvořen Si polovodičovým materiálem s vodivostí P. Hradlo je kovová řídicí elektroda vyrobená z Pd. Je citlivá na vodík a na plyny, u nichž je možné vodík odštěpit, jako je např. NH 3, H S. Hradlo je od substrátu a od kolektoru a emitoru izolováno vrstvou (3) z SiO nebo TiO nebo ZnO. Kolektor (4) a emitor (5) jsou tvořeny polovodičem s vodivostí typu N. Měřený plyn (6) má přístup na hradlo. Obsahuje-li plyn molekulu H, rozkládá se na povrchu Pd a vznikající disociované atomy se adsorbují a dále difundují až na rozhraní hradlo - izolant. Tam vytvoří dipólovou vrstvu, která mění původní potenciál přechodu a vodivost FET struktury. Hradlo z kovu Pd může působit i jako katalyzátor a proto vodivost je ovlivňována i oxidačními plyny, jako je O, Cl nebo při vyšší teplotě i redukčním CO ve směsích H. Charakteristika senzoru CHEMFET při U CE =konst. je na pozici c). 8.3 Chromatografické analyzátory Velký rozmach aplikací dosáhly v poslední době chromatografické analyzátory nejen v laboratorních podmínkách, ale i průmyslové chromatografy. Obecně předností chromatografie je, že stanovují kvalitativní i kvantitativní složení jediným přístrojem. Měřený vzorek látky musí být nejdříve upraven, pak prochází chromatografickou kolonou, která ho rozdělí na jednotlivé složky a ty jsou analyzovány následně vhodnými snímači. Dělení plynné složky v koloně používá nejčastěji proces - adsorpční (aktivní látka adsorbent je dávkován do vzorku měřeného plynu a podle druhu složky je dána adsorpce a rychlost průchodu kolonou) - vytěsňovací ( měřený plyn se promývá s vytěsňovací tekutinou a adsorpce je dána druhem složky) - termický (pomocí ohřevu plynu a aktivní látky se uskutečňuje adsorpce - plyn-kapalina (inertní nosič smáčený tenkou vrstvou netěkavé zakotvené fáze (parafin, silikonový olej). Kolony pro chromatografii jsou náplňové nebo kapilární. Soubor snímačů má konstrukci modulární. Podle velikosti je připraveno umístění jednoho snímače s možností výměny nebo je možno umístit snímačů více současně. Pro plynovou chromatografii jsou připraveny snímače: - teplotně vodivostní snímač (TCD), - planemový ionizační snímač (FID), - termoionizační selektivní snímač (TSD),

123 Měření složení a vlastností plynů - fotoionizační snímač (PID), - heliový detektor (HeD), - snímač elektronového záchytu (ECD), - snímač hmotnostní detekce (GC-MS). Termoionizační selektivní snímač (TSD) je modifikací FID snímače. Používá se ve dvojím provedení. První provedení je detektor s alkalickým kovem (označovaný AFID). V prostoru hořáčku je umístěná část se solí alkalického kovu (síran sodný, chlorid draselný, bromid cesný, chlorid rubidný) a vlivem spalin organické látky vznikají změny ionizace. Je také nazýván jako detektor dusík/fosfor (NPD), protože dochází k selektivní ionizaci organickými sloučeninami obsahujícími atomy dusíku nebo fosforu. Heliový detektor (HeD) využívá ionizaci atomů helia, které vstupují z kolony se vzorkem látky jako nosný plyn. Atomy helia jsou ionizovány do metastabilního stavu o vysokém ionizačním potenciálu. Snímač se používá při analýzách permanentních plynů (helium, dusík, argon, vodík). Snímač elektronového záchytu (ECD Electron Capture Detector) používá ionizaci měkkým beta-zářením (tricium nebo 63 Ni) nosného plynu, kterým musí být dusík nebo argon. Oba plyny při ionizovaném stavu mají přítomny pouze elektrony zachytitelné nízkým elektrodovým potenciálem. Při jejich rekombinaci s kladně nabitými částicemi dochází ke změnám hodnot ionizačního proudu. Schéma snímače ukazuje. Měřený plyn prochází kolem emitoru () vytvořeného zdrojem beta záření a v jeho blízkosti dochází ke změnám ionizace. Tyto změny jsou snímány kolektory () a vyvedeny do vyhodnocovacího přístroje kolektory (3). 3 Obrázek 8-9 Schéma snímače elektronového záchytu Snímač hmotnostní detekce (GC-MS) je velmi specifický snímač používaný ve speciálních případech v laboratorních podmínkách. Pro správnou funkci chromatografů využívá zařízení další prvky. Je to především soustava řízení teplot od úprav vzorku až u snímačů, regulace tlaku a průtoku. Signály ze snímačů jsou vedeny do vyhodnocovacího počítačového systému, který nahrazuje dřívější integrátory. Softwarové vybavení před vyhodnocováním naměřených dat zajišťuje řízení a zaznamenání všech pracovních podmínek (teplotní režim, regulace tlaku a průtoku), eviduje pořadí analýz, počet opakování, měří eluční časy a plochy píků jednotlivých složek vzorku, koriguje nulovou linii, řeší případy neoddělených látek vytvářejících složený pík apod. Další části chromatografů je příprava vzorku. Vzorek musí mít správné parametry teploty, vlhkosti, musí proudit konstantním průtokem, musí být dopravován přes všechna místa o definovaném tlaku. Tím je zajištěna správná funkce analýzy, zajištěna požadovaná přesnost, citlivost, detekovatelnou a tím odstraněny všechny nejistoty. Schéma chromatografického zařízení zobrazuje Obrázek 8-0.

124 Měření složení a vlastností plynů Obrázek 8-0 Schéma průmyslového chromatografu Vlastní analyzátor () obsahuje dělicí kolonu () a sadu snímačů (3), např. snímač s principem tepelné vodivosti, absorpce elektromagnetického záření, plamenné ionizace ap. Nosný plyn vstupu do jednotky regulace jeho průtoku (4). Měřený plyn je dávkován v jednotce (5). Udržování konstantní teploty v analyzátoru zajišťuje termostat (6). Vyhodnocování signálů ze senzorů provádí jednotka (7). Řízení všech procesů v chromatografu zajišťuje řídicí počítač (8). Příklad výstupu diagramu chromatografické analýzy ukazuje Obrázek 8-. CO směs N CH 4 CO O Obrázek 8- Chromatografický záznam analýzy Průmyslové chromatografy na rozdíl od laboratorních zařízení jsou robustní přístroje s automatickým provozem. Ukázku provedení laboratorního a průmyslového chromatografu má Obrázek 8-. Obrázek 8- Provedení konstrukce laboratorního (CHROMSERVIS), školního (VERNIER) a průmyslového chromatografu (SIEMENS). Řešení průmyslových chromatografů má výhody v tom, že jejich provoz je zcela automatický a bez obsluhy. Např. zobrazený průmyslový chromatogram Siemens typ SITRANS CV je s výbavou pro automatické stanovení výhřevnosti zemního plynu pro plynárenské společnosti. Provádí automatické stanovení chemické složení, spalné teplo, Wobbeho číslo, hustotu podle ISO Z. Více:

125 Měření složení a vlastností plynů Měření vlhkosti vzduchu K vyhodnocení obsahu vody ve vzduchu případně i v jiných plynech nebo v sypkých látkách se používá v dnešní praxi několik metod a zařízení. Používají se podle rozsahu měření vlhkosti (např. 0 až 00 % rel.vlhkosti) a především podle velikosti teploty měřeného vzduchu (např. 0 až 50 C pro venkovní prostředí nebo 0 až 00 C pro vnitřní prostory nebo zařízení např. sušárny). Mezi běžné metody průmyslového měření patří: - hygrometrická - rosného bodu - psychrometrická - kapacitní. Hygrometrická metoda je založena na schopnosti některých látek udržovat svoji vlhkost v rovnováze s vlhkostí okolního vzduchu. Nejjednodušší zařízení je deformační hygrometr. Např. odmaštěný lidský vlas se prodlužuje podle vnější vlhkosti podle vztahu: k.t. logj (8-4) kde je k deformační konstanta, T absolutní teplota vzduchu (K), relativní vlhkost (%). Místo lidského vlasu se používají v dnešní době různé další přírodní materiály nebo materiály z plastických hmot. V praxi se tato zařízení používají pro jednoduché měření pro lokální užití. Dalším druhem hygrometrů jsou elektrolytické hygrometry. Využívají fyzikální vlastnosti pro parciální tlak nad solným roztokem, který je menší než parciální tlak nad vodu. Při zahřívání roztoku se dosáhne, že parciální tlak nad roztokem se rovná parciálnímu tlaku nad vodou. Tato rovnovážná teplota je rovna teplotě rosného bodu, tj. je úměrná absolutní vlhkosti U n R R U out R O V U n,st a) Obrázek 8-3 Měření elektrolytickým hygrometrem b) Příklad konstrukce snímače a převodníku Obrázek 8-3. U pozice a) je na nosné části () vrstva skleněné tkaniny napuštěná elektrolytem LiCl (). Tato vrstva je vyhřívána vláknem (3). Uvnitř snímače je odporový teploměr (4). Převodník (5) jednak napájí žhavené vlákno střídavým proudem, jednak vyhodnocuje teplotu ze snímače teploty. Při rovnovážném stavu je parciální tlak nad elektrolytem LiCl roven parciálnímu tlaku vodní páry v okolním vzduchu a teplota ve snímači je konstantní a je rovna teplotě rosného bodu. Třída přesnosti měření je,6. Na nasycený roztok LiCl nepříznivě působí oxidy dusíku, kyselina sírová, ammoniak, oxid uhličitý, sírovodík, kondenzát těžkých uhlovodíků, chlor. Nasycená skleněná tlanina se musí regenerovat. Nevýhodou těchto hygrometrů je nepřesné měření v malých rozsazích vlhkosti. Pro malé rozsahy se proto snímač doplňuje druhou vnější skleněnou tkaninou s elektrolytem CaCl. Měřený vzduch proudí kolem obou nasycených tkanin. V průmyslové praxi se používá také snímač vlhkosti s nepřímým vyhříváním. Jeho strukturu ukazuje Obrázek 8-3, zobrazení b). Vrstva nese zlaté elektrody smáčené roztokem LiCl (6). Tato vrstva je přihřívána vrstvou topení (7). Snímání rovnovážné teploty je provedeno snímačem (8). Snímače využívající metodu rosného bodu prošly v posledním období významným rozvojem. Přestávají se používat mechanické zrcadla a využívá se rosných vlhkoměrů vyrobených polovodičovými technologiemi MEMS. Příklad takového snímače vlhkosti vzduchu zobrazuje Obrázek 8-4. Hliníková podložka () je ze spodní strany buď vyhřívána topnou vrstvou () nebo chlazena Peltierovým článkem (3). Proudicí vzduch podle teploty snímače se začně rosit při teplotě rosného bodu měřeného snímače teploty (4). Okamžik orosení, tj. dosažení rosného bodu je snímán kapacitním snímačem (5). Jsou vyráběna také provedení se snímačem orosení fotoelektrickým nebo vodivostním způsobem. Snímač rosného bodu je napojen na elektronický obvod pro řízení chlazení a ohřívání a pro vyhodnocení teploty rosného bodu a absolutní vlhkosti.

126 Měření složení a vlastností plynů Obrázek 8-4 Polovodičový snímač rosného bodu v provedení MEMS Další metodou měření vlhkosti a typem snímače je psychrometr. Tvoří jej suchý a vlhký teploměr. Teploměr suchý měří teplotu okolního vzduchu a teploměr mokrý, který obsahuje uměle vlhčené okolí, měří teplotu danou rovnováhou odpařování a vlhkostí vzduchu. Shéma psychrometrického měření ukazuje Obrázek 8-5. V části a) je zobrazen princip měření pomocí dvou teploměrů, () tzv suchý, měří teplotu vzduchu, druhý () - tzv. mokrý obalený vlhkým prostředím z navlhčené vaty. Teploměr mokrý ukazuje nižší teplotu a rozdíl teplot obou teploměrů je mírou vlhkosti vzduchu. Provedení b) se týká strojního psychrometru. Měřený vzduch je nasáván trubkou (3) nuceně ventilátorem (4). Suchý teploměr () měří teplotu vzduchu. Mokrý teploměr () je obalen savou tkaninou nebo pórovitou hmotou a je vlhčen z nádobky (5) destilovanou vodou a) Obrázek 8-5 Psychrometrické měření vlhkosti vzduchu b) Rozdíl teplot daný suchým a vlhkým teploměrem je mírou relativní vlhkosti vzduchu. Platí vztah: c.( t t ) s m (8-5) a ts b. ts kde je a,b,c konstanty konstrukce psychrometru, t s teplota suchého teploměru, t m teplota mokrého teploměru ( C), relativní vlhkost (%). Rozsah měření psychrometrem je 0 až 00 % rel.vlhkosti při třídě přesnosti.6. Podmínkou je určitá rychlost vzduchu a podmínky pro odpařování u vlhkého teploměru. Pro teploty O C a nižší se používá pro vlhčení mokrého teploměru vodný roztok soli. Moderní elektronické vlhkoměry jsou vlhkoměry kapacitní. Senzor je kondenzátor s dielektrikem s velkou reverzní sorbcí vlhkosti vzduchu. Tímto dielektrikem je speciální polymer. Strukturu kapacitního snímače vlhkosti ukazuje v první části Obrázek 8-6. Kondenzátor se skládá z pevné společné elektrody (), plošného dielektrika () z polymeru a dvojité elektrody (3). Rozměry jsou velmi malé ( např. 4x4 mm). Celý systém je upevněn na základní desce z izolantu. Vlhkost měřeného vzduchu se absorbuje nebo desorbuje do dielektrika senzoru. Materiál polymerní vrstvy je speciální hmota na bázi acetátu celulózy nebo jiných polymerních materiálů. Východou těchto senzorů je, že existují dielektrika i pro teploty kolem 50 C a výše. Výzkum dosahuje dobrých výsledků i pokud se jedná o časovou konstantu absorpce nebo desorpce nebo životnosti a odolnosti vůči agresivnímu nebo prašnému okolí. Změna kapacity je funkcí relativní vlhkosti vzduchu. Vyhodnocování používá běžná zapojení pro měření změny kapacity. Skutečné provedení snímačů nebo měřicích zařízení pro měření vlhkosti má v další části Obrázek 8-6. Zobrazuje postupně kapacitní senzor vlhkosti, průmyslové provedení snímačů a vyhodnocovací

127 Měření složení a vlastností plynů 5 jednotky a měření vlhkosti dřeva. Zde jsou použity hroty pro zapíchnutí pro lepší kontakt a vytvoření odpovídající plochy měření. 3 Obrázek 8-6 Struktura kapacitního senzoru a provedení snímačů vlhkosti (NEMOTO, APOELMOS) 8.4. Teorie vlhkosti vzduchu Vlhkost je základní vlastností vzduchu. Vlhkost vzduchu udává, jaké množství vody v plynném stavu (vodní páry) obsahuje dané množství vzduchu. Množství vodní páry je časově i místně velice proměnlivé. Množství vodních par ve vzduchu silně ovlivňuje a je součástí počasí. U mnoha technologií má vlhkost vzduchu pozitivní nebo negativní vliv. Hodnocení obsahu vodních par ve vzduchu je podle hodnoty absolutní vlhkosti vzduchu, relativní vlhkosti vzduchu, rosného bodu, měrné vlhkosti vzduchu a parciálního tlaku vodní páry. Absolutní vlhkost vzduchu vyjadřuje hmotnost vodní páry obsažené v jednotce objemu vzduchu. Podle SI soustavy je jednotka kg/m 3, v běžné praxi se používá g/m 3. Matematický vztah je: v m V (8-6) kde je m hmotnost vodní páry, V objem vzduchu. Absolutní vlhkost vzduchu pro nasycený stav lze vypočítat: t a. b 00 " v R. t 73,05 v n (8-7) kde pro t<=0 je a=4,689, b=,486, n=,3; pro t>30 je a=88,68, b=,098, n=8,0; R v je 46,5 (J/(kg.K) plynová konstanta plynů Relativní vlhkost vzduchu udává poměr množství vodních par ve vzduchu a množství par, které by měl vzduch o stejném tlaku a teplotě při nasyceném stavu. Udává se v procentech (%). m v R " (8-8) M v kde je m hmotnost vodní páry, M hmotnost vodní páry pro nasycený stav, absolutní vlhkost a absolutní vlhkost pro nasycený stav. Pro relativní vlhkost platí také pro venkovní teplotu t e v rozsahu - až +5 C: 93. t e 353,5 (8-9) te 39,7 Nasycený stav je dán především teplotou vzduchu, mění se relativní vlhkost vzduchu s jeho teplotou i přesto, že absolutní množství vodních par zůstává stejné. Měrná vlhkost vzduchu je hmotnost vodní páry v kilogramu. Parciální tlak vodní páry vychází z Daltonova zákona: celkový tlak směsi plynů je dán součtem parciálních tlaků jednotlivých složek, vzduchu a vodní páry: p p A p. Pro teplotu t i je parciální tlak pro 00% vlhkost: pro ti<0 8,96648 /( 73,5ti ) (8-0) p v " e V

128 Měření složení a vlastností plynů 6 pro ti>=0 p v " e 3,584044,/( 35,6ti ) (8-) Parciální tlak pro danou relativní vlhkost v %: i p v, pv". i 00 (8-) Rosný bod je teplota, při které je vzduch maximálně nasycen vodními parami, tj. relativní vlhkost vzduchu dosahuje 00 %. Pro výpočet platí vztahy: p v" pv" pro Pd >=60,5 Pa je: trb 37,3.ln. 7,69 ln 60,5 60,5 (8-3) pro Pd <60,5 Pa je t rb p v" pv" 65,5.ln.,875 ln 60,5 60,5 (8-4) t 35/ 4030 ( t 35).ln( ) 35 případně: t rb (8-5) Vztahy mezi relativní vlhkostí, absolutní vlhkostí, parciálním tlakem jsou: v pv " pv" v (8-6) 8.5 Hlavní aplikace 8.5. Měření emisí Měření emisí znamená měřit složení plynných exhalací vhodnými senzory. Jedná se u velkých potrubních výstupů o měření s odběrem vzorku plynu odsáváním z proudu (tzv. extraktivní měření) nebo o měření přímo v proudu (označované jako in-line nebo in-situ. Typické provedení uvádí Obrázek 8-7. Obrázek 8-7 Přístroje pro měření emisí (MRU, SICK 3x) Hlavní složky emisí a základní typy senzorů jsou (také viz Tabulka 8-3): - NO x (NO, N O a NO ), rozsah 0 až 3000 ppm, použitelný senzor vícevrstvá keramika zirkonu, ( ors/download/flc_sv_nox_sensor_datasheet_en.pdf), potenciometrie - ( - FID - CO, senzory elektrokatalytický, IR absorbce - SO, senzory IR absorbce - CO, senzory IR absorbce - C x H y, senzory elektrokatalytický, - HS, senzory PID - O, senzor polovodičovým zirkony - VOC, senzory FID - Ozon, senzory FID

129 Měření složení a vlastností plynů 7 - Prach, pro emise nefelometrický senzor, pro imise radioaktivní absorpce Tabulka 8-3 Základní přehled metod a přístrojů Metoda měření Měřené složky Poznámky, typy přístrojů IR (infrared) absorpce NO, NO, N O, CO, CO, CH 4, SO, HCl, HC, HF, O FID (flame ionosation detection VOC, MIR IS, MIR 9000, GRAFITE 5M nefelometrie prach GRIMM, AP-3 elektrokatalytická CO, CH4, Měřicí systém emisí je zpravidla lokální systém, jehož výstupy jsou propojeny s řídicím nebo informačním systémem subjektu, kde se snímají emisní koncentrace. Měření složení směsi plynů ručním způsobem je od r. 06 běžné. Slouží pro to měřicí přenosné přístroje. Např. významným uživatelem je Policie ČR pro kontroly alkoholu ve výdechu u řidičů. Příklady: Provedení ručních přístrojů pro měření obsahu plynných složek 8.5. Měření imisí Měření imisí se používá pro sledování venkovního prostředí měst i volné přírody ale také pro sledování obytných nebo průmyslových vnitřních prostor. Měří se velmi malé koncentrace s cílem sledovat kvalitu prostředí, eventuálně velikost jejího zatížení. Protože se jedná zpravidla o dlouhodobé sledování, jsou zařízení pro měření imisí stacionární případně ruční mobilní sledování. Metoda měření Měřené složky Poznámky, typy přístrojů chemiluminiscence NO, NO, N O, CO, CO, O 3 NO, NO, N O, -NH 3, pro 0,4 ppb až 0ppm HOT SPOT 0E AC3M(ESA) UV fluorescence SO, H S, pro ppb až 0ppm AFM (ESA) UV absorpce Ozón od 0,4ppb do 0 ppm O34M(ESA) FID BTEX GC4000(AMA) PID VOC GC5000 (AMA) Laser scattering light TSP celkem, PM 0, PM,5, PM GRIM 365, Check point Clean Air Monitorovací stanice naměřená data kompletně zpracovává, informace archivuje a data posílá do místa určení, tj. do centrální státního systému pro sledování životního prostředí nebo do podnikové sítě. Používají se standardní kabelové nebo i bezdrátové propojení.

130 Měření složení a vlastností plynů 8 Obrázek 8-8 Systémy měření imisí (Clean air, MMS, Hot Spot 0E, měřicí kontejner) Více Meteorologické stanice Meteorologická stanice je měřicí informační systém pracující ve venkovním prostředí s propojením přenosu dat na velké vzdálenosti. Jako základní meteorologické parametry patří: teplota vzduchu, vlhkost a tlak vzduchu, rychlost proudění vzduchu, měření srážek kapalných i pevných, měření slunečního záření. Provedení viz Obrázek 8-9 a Obrázek Obrázek 8-9 Meteorologické stanice (WAISALA snímače a vyhodnocovací jednotka) Více Obrázek 8-30 Snímače rychlosti větru (rotační, ultrazvukový) srážkoměr (s nádobou, laserový),globálního záření slunce Měření emisí u automobilů Každý automobil vypouští při spalování benzinu nebo nafty emise. Řízení spalovacího procesu při vstřikování paliva a systém katalyzátorů snižuje emise, přesto je emitance vysoká. Motory vypouští CO ze spalování uhlíku emise CO (limit g/km pro BE a 0,5 g/km MN), HC (limit 0,075 g/km pro BE a 0,05 g/km MN), NO x (limit g/km pro BE a 0,5 g/km MN), částice (limit g/km pro BE a 0,5 g/km MN).

131 Měření složení a vlastností plynů 9 Obrázek 8-3 Měřicí systém emisí (BrainBee, BOSCH ) Měřicí zařízení se skládá z měřicích snímačů pro jednotlivé měřené parametry (teplota motoru, otáčky motoru, analyzátor emisí (např. AGS00, opacimetr OPA 00), stojany s vozíkem, výpočetní systém s tiskárnou. Moderní analýza využívá princip IR absorpce pro CO, CO a HC. Měření a vyhodnocování se provádí podle zákona 465/005 Sb. Poznámka: opacita, převrácená hodnota propustnosti světla/schopnost pohlcovat světlo, u emisí je to kouřivost, 00% opacita je totální pohlcování. Opacimetr viz obrázek, význam má pro naftové motory. Automobily mají stanovený limit emisí CO /km, např. 30 g CO /km. Předpokládá se, že účinnost spalování je 99%, že atomová hmotnost uhlíku je g/mol, že molekulová hmotnost CO je 44 g/mol. Výpočet se provede podle vztahu: - Emise z jednoho litru benzinu na km: g V.. gmol / gmol /00 (8-7) 00. BE CO C - Emise z jednoho litru motorové nafty na km: g V.. gmol / gmol /00 (8-8) 00. BE CO C Měření kvality vzduchu v interiéru V současné době je velmi aktuálním tématem kvalita vnitřního prostředí budov. Kvalita vnitřního vzduchu je závislá na mnoha faktorech, zejména na: kvalitě venkovního ovzduší, množství vzdušných škodlivin, objemu větracího vzduchu a větracím systému. Ve většině případů je kvalita vzduchu v budovách horší než kvalita vzduchu ve venkovním prostředí. V současnosti je snaha, aby energeticky úsporná budova byla současně i budovou se zdravým vnitřním prostředím. Kvalita vnitřního vzduchu je tvořena tepelně-vlhkostním, odérovým, aerosolovým, toxickým a mikrobiálním mikroklimatem. Standardní měření je pro teplotu a vlhkost vzduchu, složitější situace je u stanovení kvality vzduchu. Odéry jsou plynné složky ovzduší vnímané jako vůně nebo zápachy, produkované člověkem nebo jeho činností, příp. uvolňované ze stavebních konstrukcí. Toxické mikroklima vytváří oxidy síry (SO x ), oxidy dusíku (NO x ), oxid uhelnatý (CO), ozon (O 3 ), smog, formaldehyd atd. Aerosoly rozumíme pevné částice (prachy) nebo kapalné částice (mlhy) rozptýlené v ovzduší. Mikrobiální mikroklima je tvořeno mikroby neboli mikroorganismy nacházejícími se v ovzduší - pyly, bakterie, viry, plísně a jejich spory. Chemické sloučeniny schopné za přítomnosti slunečního záření tvořit fotochemické oxidanty reakcí s oxidy dusíku jsou tzv. těkavé organické látky (VOC - volatile organic compound). Soubor těchto látek (bez formaldehydu) produkovaných v interiéru člověkem, stavebními materiály a dalšími zařízeními je označován TVOC (the Total of all Volatile Organic Compounds).

132 Měření složení a vlastností plynů 30 C (%) VOC zavřeno okno CO otevřeno okno 3 4 Obrázek 8-3 Problematika měření VOC, snímače VOC (Applied Sensor) Koncentrace VOC je závislá nejen na koncentraci CO, ale i na přítomnosti jiných látek, proto hodnota VOC je odlišná (viz Obrázek 8-3, první část). Provedení snímače je na další části obrázku. Princip měření používá elektrochemické senzory nebo polovodičové CHEMFET senzory.

133 Měření hmotnosti a síly 3 9 Snímače a převodníky hmotnosti a síly Měření hmotnosti a síly je popisováno v jedné kapitole. Měření hmotnosti slouží při vážení předmětů a při dávkování pevných, sypkých případně i kapalných látek pro technologické procesy. Zjišťování síly působící na předmět nebo působící v materiálu je aplikováno v mnoha technologických procesech případně i v netechnických případech (nemocnice, školy). Požadavky na technické prostředky především při vážení v obchodním styku jsou specifické, protože se jedná o stanovená měření a protože se požaduje vysoká třída přesnosti (běžná je i 0.06) při velkém rozsahu vážení (od zlomků gramů do milionů kg). V současné době jsou používané již výhradně elektronické systémy. Vedle vážení lze využít mnoho dalších funkcí, jako např. současné zobrazování ceny nebo počtu kusů pro danou hmotnost, napojení na informační anebo řídicí systém, propojení se čtecím zařízením s identifikací čárovým kódem nebo RFID apod. Pro splnění výše uvedených požadavků jsou snímače hmotnosti a síly vybaveny tenzometrickými, piezoelektrickými, indukčnostními nebo magnetoelastickými senzory. Elektronika převodníků používá přesné operační zesilovače a číslicovou mikroelektroniku. 9. Tenzometrické snímače a převodníky Tenzometrické snímače hmotnosti nebo síly jsou zařízení, které svojí konstrukcí umožňují snímat tahové nebo tlakové silové nebo hmotnostní zatížení. Senzory jsou použity zpravidla tenzometrické umístěné na měřicím deformačním členu v můstkovém zapojení. Podle druhu působící hmotnosti nebo síly, rozsahu měření, druhu použití nabízí výrobci různé provedení snímačů. Některé základní druhy ukazuje Obrázek 9-. Provedení a) má umístěné tenzometry ve výřezech deformačního členu a síla působí na rameno, které lze zatěžovat tahovou nebo tlakovou sílou. Tento deformační člen vykazuje vysokou přesnost a používá se u aplikací v laboratořích nebo v obchodech. Provedení b) má deformační člen tvořen válcem s příčným vnitřním otvorem, kde jsou umístěny zpravidla tenzometry opět v můstkovém zapojení. Zatížení je možné tahové i tlakové. a) b) c) d) e) Obrázek 9- Provedení základních tenzometrických snímačů hmotnosti a síly Válcové provedení deformačního členu s tenzometrickým můstkem na plášti válcové deformační části pro tlakovou sílu ukazuje provedení c). Membránový deformační člen s tenzometrickými nebo piezoelektrickými senzory vytvořený na vnějším krytu snímače podle provedení d) se používá jen pro tlakovou sílu. Jedná se o modifikovanou membránu. Provedení e) má deformační člen uzpůsobený pro tlakové zatížení působící na ohyb. Senzory jsou tenzometry nebo piezoelektrický materiál. Ukázky skutečného provedení snímačů přináší Obrázek 9-. Obrázek 9- Ukázky skutečných snímačů hmotnosti a síly (HBM) Tenzometrický snímač hmotnosti obsahuje zpravidla čtyři, 6 nebo i více senzorů zapojených do můstku. Rozsah a provedení můstku je dáno požadavky na kompenzace teploty, vyvolaného momentu sil případně požadavky na citlivost měření.

134 Měření hmotnosti a síly 3 a) b) c) d) e) Obrázek 9-3 Schéma aplikací vážných systémů Obrázek 9-4 obsahuje zapojení snímače s tenzometry (A) a jeho spojení s převodníkem (A). Umístění jednotlivým tenzometrů v deformačním členu musí být takové aby se co nejvíce využilo citlivosti a zesílení můstku, tj. tenzometr v jedné polovině můstku (např. R) je zatěžován tahem, tenzometr v druhé polovině můstku (R4) je namáhán tlakem. Výsledný rozdíl napětí v diagonále můstku je proto maximální. Další tenzometry (R a R4) nejsou zatěžovány mechanickým napětím, jsou zatěžovány jen teplotou. Tenzometry (R5, R6) jsou pro kompenzaci krouticího momentu. Převodník (A) má několik části. Je to napáječ snímače (A3), přístrojový zesilovač (A4) a vyhodnocovací obvod s mikrokontrolerem (A5). Pro eliminaci rušivých vlivů průmyslového prostředí a různých harmonických parazitních vibrací může být můstek napájen střídavým napětím o konstantní frekvenci, která je vzdálena od rušivých frekvencí. Vyhodnocovací obvod obsahuje přesný filtr typu pásmové propusti pro pracovní frekvenci a tím se eliminuje vliv rušení. A R R 4 A4 A5 R 5 R 6 A A3 U AC S U D D R R 3 Obrázek 9-4 Schéma zapojení tenzometrického snímače a skutečné provedení vyhodnocovací jednotky Tenzometrické měření hmotnosti je konstruováno podle typu aplikace. Např. osobní váhy nebo váhy obchodní mají jen jeden snímač s jednoduchým deformačním členem. Vážící plocha pro vážení větších předmětů nebo na vozidlech používá tři nebo čtyři tenzometrické snímače umístěné v rohu plochy na základnu. Vážení zásobníků používá tři snímače, aby se zajistilo definování stupňů volnosti. 9. Indukčnostní snímače a převodníky hmotnosti a síly Vážící systémy nebo měřiče síly, které používají pákový mechanický systém a hmotnost nebo síla generuje velký posuv úměrný vstupní veličině, používají pro snímání dráhy posuvu indukčnostní senzor s potlačeným magnetickým obvodem. Jádro indukčnostního snímače je spojeno s jednou stranou pákového systému váhy a posouvá se podle jeho změn. Senzor používá zpravidla dvě cívky v diferenčním zapojení pro zlepšení linearity. Schéma zapojení senzoru a převodníku uvádí Obrázek 9-5. A A L p U AC U DC U out L s L Obrázek 9-5 Indukčnostní snímač a převodník Senzor (A) obsahuje na okrajových částech dvě sériově zapojené primární cívky L p napájené z převodníku (A) napětím U AC Uprostřed je cívka sekundární (L p ) která mění svoji indukčnost podle polohy jádra. Vyhodnocování změn indukčnosti se provádí ve vyhodnocovacím obvodu se zesilovači a další elektronikou na výstupní napětí U out. Příklady aplikací indukčnostních snímačů hmotnosti ukazuje Obrázek 9-6. Pozice a) patří pásovým vahám. Na příklad v uhelných lomech, pískovnách ap. je dopravován natěžený materiál, který je nutno průběžně vážit. V určité části pásového dopravníku je v řazen vážicí dopravník (), který obsahuje indukčnostní snímač () v místě největšího průhybu. Pro plné vyhodnocení je měřena i rychlost posuvu pásu podle otáček motoru (3).

135 Měření hmotnosti a síly 33 3 M 3 a) Obrázek 9-6 Aplikace indukčnostních snímačů hmotnosti b) Aplikace podle pozice b) ukazuje pytlovací váhy pro procesy, kde se finální produkt balí do pytlů. Pytel () je zavěšen na pákovém mechanismu se senzorem (). Podle plnění pytle se mění jeho hmotnost, která úměrně zatěžuje snímač. Po dosažení požadované hmotnosti se zpravidla automaticky uzavírá násypka (3) a pytel se uvolní. Následuje upevnění nového pytle a operace se opakuje. 9.3 Magnetoanizotropní snímače a převodníky Magnetoanizotropní snímače používají senzor, který mění vlastnosti feromagnetika při jeho deformaci vnější silou F. Schéma podává Obrázek 9-7. Feromagnetický materiál vytváří měřicí prvek, který má v jádru vytvořené 4 otvory, kde jsou navinuty primární a sekundární cívka. Není-li prvek zatížen, je dokonalá geometrická a magnetická symetrie a do sekundárního vinutí se indukuje minimální napětí. Jestliže prvek je zatížen silou, naruší se symetrie a zvětší se vazba mezi civkami. A L p A U ACUD C L s L U out Obrázek 9-7 Propojení magnetoanizotropního snímače s převodníkem Snímač (A) je propojen s převodníkem (A) 7. Snímač obsahuje cívku primární L p a sekundární L s. V převodníku se nachází napaječ primární cívky a zesilovač změn indukčnosti na unifikovaný signál. Na výstupu dostáváme napětí : U kk fbsn sin, (9-) kde je k součinitel konstrukce magnetického obvodu, k součinitel materiálu magnetického obvodu, f kmitočet, B magnetická indukce, S průřez magnetického obvodu, N počet sekundárních závitů, úhel mezi vektorem intenzity magnetického pole a osou budící cívky. Tyto snímače se používají pro měření sil a hmotností ve velkém rozsahu, např kn při třídě přesnosti a přetížitelnosti 00 %. Uplatňují se především v těžkém průmyslu a ocelárnách. F F F R=F *cos +F *cos F F Obrázek 9-8 Měření tahových sil v pásovém materiálu (TRIMA) Příkladem aplikace magnetoanizotropního snímače síly je schéma, viz Obrázek 9-8. Jedná se o měření tahové síly v pásovém materiálu. Pás materiálu (), např. z plechu, plastické podlahoviny nebo fólie je veden

136 Měření hmotnosti a síly 34 přes měřicí válec () vybaven snímači na jedné nebo obou stranách v uchycení ložisek. Síly F a F v materiálu vytváří reakci F R v místech uchycení snímačů na rámu stroje podle úhlů opásání a. Vztah pro reakci je uveden na obrázku. Tato reakční síla je měřena, výstupní signály jsou napojeny na vyhodnocování a matematicky jsou zpracovány na hodnoty tahové síly. Výsledný signál je použit pro sledování procesů nebo pro řízení motorů pohonných jednotek. 9.4 Vyhodnocování hmotnosti nebo síly Měření hmotnosti nebo síly zpravidla vyžaduje následné vyšší vyhodnocení údajů získaných ze snímačů. Předně jsou používány snímače na více místech a celková hmotnost se musí vyhodnotit podle matematického vztahu. Při měření tahové síly je nutno podle úhlů opásání vypočítat skutečnou tahovou sílu v pásovém materiálu. Při zjišťování hmotnosti u dopravních prostředků se jedná zpravidla o stanovení užitné hmotnosti přepravovaného materiálu, tj. musí se provést rozdíl celkové hmotnosti od hmotnosti prázdného vozidla. V některých procesech se podle hmotnosti určuje počet kusů což znamená, že celková hmotnost se musí dělit jednotkovou hmotností. Vyhodnocený údaj je zpravidla nutné elektronicky přenést do vyšších systémů. Další funkce vyhodnocovacích jednotek je možnost sériové nebo lokální komunikace. Obrázek 9-9 Vyhodnocovací systémy pro vážení a dávkování (SIEMENS, TAMTRON) 9.5 Měření krouticího momentu Fyzikálně moment síly, v technických oborech u rotačních pohonných systémů pod názvem krouticí moment se udává v jednotkách Nm (newtonmetr). Vyjadřuje působení síly na bod vzdálený od osy otáčení (hřídele). Vztah točivého momentu, otáčení a výkonu: M.. f P M. (9-) 60 kde je P výkon (W), ω úhlová rychlost (rad/s), M točivý moment (Nm), f frekvence (otáčení/min). Jako příklad grafických průběhů je Obrázek 9-0.

137 Měření hmotnosti a síly 35 W P 40 M ot/min Obrázek 9-0 Graf průběhu krouticího momentu a výkonu Konstrukce snímačů momentu síly používají tenzometrické senzory nalepené na měřicím hřídeli snímače. Ukázku dává Obrázek 9-. Ukázku sériově vyráběných snímačů uvádí Obrázek 9-. Vyhodnocení je řešeno vyhodnocováním můstkového zapojení nejméně čtyř tenzometrů Obrázek 9- Řez snímačem momentu síly (-hřídel, -kryt, 3-sběrací kroužek, 4-sběrač, 5-svorkovnice) Obrázek 9- Ukázky snímačů momentu síly (Natis, ESA, HMP) 9.6 Měření plošné hmotnosti Plošná hmotnost je druh veličiny odvozené od základních veličin systému SI délka a hmotnost. Jednotkou je kilogram na čtverečný metr a příslušné násobky. Používá se u papírenských výrobků, u textilu, v technologii výroby plastů, podlahovin, v kožedělném průmyslu apod. Je také měřenou veličinou v systémech řízení výroby pásových materiálů papíru, netkaného textilu, podlahovin a folií z plastů, povrstvená kompozita. Pro měření plošné hmotnosti se používá metoda absorpce ionizujícího záření. Schéma zobrazuje Obrázek 9-. Provedení a) je měření metodou absorpce RI záření. Zdroj záření () vysílá záření přes materiál (3) na snímač (). Metoda reflexe je zobrazena provedením b). Pro široké plošné materiály se používá řešení s příčným posuvem, provedení c) a) b) c)

138 Měření hmotnosti a síly 36 Obrázek 9-3 Schéma měření plošné hmotnosti Velmi dobré výsledky poskytují radioaktivní nuklidy (beta-zářiče), které poskytují zdroj záření. Jako přijímače záření jsou použity ionizační komory. Snímaná intenzita RI záření je úměrná absorpci plošného materiálu. Vyhodnocovací systém kompenzuje ve více úrovních i teplotu vzduchu v měřícím prostoru. Souhrn parametrů zařízení pro RI měření plošné hmotnosti obsahuje Tabulka 9-. Tabulka 9- Parametry zdroje a snímače RI záření Zářič/parametry Krypton 85 Stroncium 90 Prometum 47 Intenzita (mci) Měřicí rozsah (g/m ) Přesnost (g/m ) +/- 0,5 +/-,4 0,0 Stopa (mm x mm) 7,6 x 38,7 x 45,7 5x5 Časová konstanta (s) 0,0 0,05 0, Mezera zdroj/snímač (mm) Ukázka skutečných zařízení pro měření plošné hmotnosti radioaktivní metodou přináší Obrázek 9-4. Právní předpisy jsou dány vyhl. 307/00 Sb. Seznam radionuklidů používaných v měřicí technice uvádí Tabulka 9-. Tabulka 9- Seznam radionuklidů používaných v měřicí technice Prvek (atomové číslo) Radionuklid Úroveň aktivity vymezující vysokoaktivní zářič [Bq] Železo (6) Fe-55 4 x 0 Kobalt (7) Co-60 4 x 0 9 Selen (34) Se-75 3 x 0 0 Krypton (36) Kr-85 x 0 Stroncium (38) Sr-90 a ) 3 x 0 9 Paladium (46) Pd-03 a ) 4 x 0 Jod (53) I-5 x 0 Cesium (55) Cs-37 a ) x 0 0 Prometheum (6) Pm-47 4 x 0 Gadolinium (64) Gd-53 x 0 Thulium (69) Tm-70 3 x 0 0 Iridium (77) Ir-9 x 0 0 Thalium (8) Tl-04 x 0 Radium (88) Ra-6 b ) x 0 9 Plutonium (94) Pu-38 a ) x 0 Amcricium (95) Am-4 b) x 0 Kalifornium (98) Cf-5 5 x 0 8 a) Úroveň aktivity zahrnuje příspěvky dceřiných radionuklidů s poločasem rozpadu kratším než 0 dnů.

139 Měření hmotnosti a síly 37 Obrázek 9-4 Zařízení pro měření plošné hmotnosti (THERMO FISHER, PROTAGON, snímač RI OHMART)

140 Měření rychlostních a délkových parametrů 38 0 Měření rychlosti a odvozených veličin V technické praxi patří významné místo měření rychlosti a dalších odvozených veličin. Veličina rychlost bude v následující kapitole popsána jako rychlost otáčení, rychlost posuvu, frekvence otáčení čili počet otáčení za jednotku času. Jako odvozené veličiny budeme uvažovat měření dráhy při posuvné rychlosti a její diference. Všechny tyto veličiny se měří v mnoha průmyslových aplikacích, kde se vyskytují točivé stroje nebo výroba plošných materiálů. Rychlost otáčení nebo posuvu má vliv především na produktivitu práce a také na kvalitu výroby. 0. Teorie Pro úhlovou rychlost je uváděn vztah: dj.. n dt (0-) kde je otáčení. úhlová rychlost (rad/s), d úhel pootočení (rad), dt časový interval, n frekvence Měření posuvné rychlosti je parametrem sledovaným při posuvech pásů nebo při výrobě pásových materiálů. Pro posuvnou rychlost je uváděn vztah: dl v (0-) dt kde je v posuvná rychlost (m/s), dl délka posuvu za časový interval, dt časový interval (s). V technické praxi u technologických linek jsou vžité jednotky rychlosti jako délka za minutu. Počet nebo frekvence otáčen je počet otáček, vykonaný rotujícím tělesem za určitý časový interval. U otáčivých strojů jsou vžité jednotky otáčky za minutu. Stanovení odvozených veličin tj. dráhy při posuvné rychlosti a její diference je prováděno vyhodnocením veličiny rychlosti posuvu nebo otáčení. Měřicí zařízení pro rychlostní veličiny v moderní automatizaci dělíme podle fyzikálního principu na: - elektrické indukční zařízení - elektrické indukčnostní systémy - fotoelektrické systémy. Funkce měření může být dotyková, tj. kontaktní s měřeným místem nebo bezdotyková. Dotykové spojení zatěžuje technologické zařízení přídavným momentem potřebným pro překonání pasivních odporů. 0. Měření rychlosti otáčení indukčními zařízeními Indukční zařízení pro měření rychlosti otáčení jsou speciální elektrické generátory. Indukované elektrické napětí nebo její frekvence jsou úměrné rychlosti otáčení. Stejnosměrný elektrický generátor, tzv. tachodynamo, které Obrázek 0- schematicky zobrazuje. Stator () nese trvalý magnet nebo elektromagnet s cizím nebo vlastním buzením. Rotor () má navinuté cívky a při otáčení v magnetickém poli se v nich indukuje elektromotorická síla. Rotor obsahuje také komutátor (3), který umožní přenést napětí z rotoru přes uhlíkové kartáčky na výstupní svorkovnici a usměrňovat ho. Výstupní napětí U o je stejnosměrné a jeho velikost je úměrná rychlosti otáčení rotoru. 4 3 U o Obrázek 0- Schéma tachodynama

141 Měření rychlostních a délkových parametrů 39 Výstupní napětí U o u tachodynama je dáno vztahem: p.. N. n U o a (0-3) kde je p počet pólových dvojic, magnetický tok (A/m), N počet závitů kotvy, n počet otáček, a počet párů paralelních vinutí. Rozsah měření frekvence otáčení tachodynamem je do 0000 ot/min. Nad tuto mez přestanou příléhat kartáčky a vznikají nejistoty měření. Nelinearita měření je lepší jak %. Elektrický výkon je malý, dosahuje max 0 W. Tachogenerátor neboli střídavý elektrický generátor nebo také alternátor je také používán v technické praxi. Konstrukce alternátoru je nejčastěji provedena s kotvou na krátko nebo s převislým rotorem. Schéma jeho funkce uvádí Obrázek 0-. Stator obsahuje budící vinutí napájené budícím napětím U B. Budící magnetické pole vytváří elektromotorickou sílu v rotující kotvě. Kotva dále indukuje pomocí napětí U out ve snímacím vinutí. Toto napětí je uměrné magnetickému toku a frekvenci otáčení. Měřicí výstupní veličinou je AC napětí U out a frekvence tohoto napětí. U B U out Obrázek 0- Funkce tachogenerátoru Rozsah měření alternátorem je do 0000 ot/min. Velikost výstupního napětí je od 0 do 00V DC. Lineární průběh je jen při velmi malém proudovém zatížení. Výkon tachgenerátora je do 0 W. Frekvence výstupního napětí je dána počtem otáčení a počtem párů vinutí v rotoru. Průmyslové provedení tachodynama a tachogenerátoru zobrazuje Obrázek 0-3. Obrázek 0-3 Provedení tachodynama a tachgenerátoru (ATAS) Vyhodnocovací obvod v převodníku pro tachogenerátor je jen zesilovač s převodem na unifikovaný signál. Převodník pro tachogenerátor zajišťuje po zesílení v (A) převod napětí U out,ac v obvodu (A) na frekvenční výstup f out s unifikovanými hodnotami log a log.0 a také převod v (A3) na napětí U out,dc po transformaci hodnoty efektivního napětí U RMS. Blokové schéma převodníku uvádí Obrázek 0-4.

142 Měření rychlostních a délkových parametrů 40 U out,ac A A f out A3 U out, DC U RMS Obrázek 0-4 Blokové schéma převodníku tachogenerátoru Zařízení tachodynama nebo tachogenerátoru je spojena s měřeným místem, které je měřicí válec, hřídel elektromotoru apod. pomocí spojky při trvalém propojení nebo jen přes přítlačný kužel (Obrázek 0-, pozice 4). Často bývají součástí motorů v zařízeních pro servomechanizmy. 0.3 Optické, indukčnostní a magnetické snímače rychlosti otáčení Optické, indukčnostní nebo magnetické měřicí zařízení rychlosti otáčení používá při své činnosti optickou, magnetickou nebo jen kovovou značku vytvořenou na otáčivé části měřeného zařízení. Tato značka se snímá opticky, indukčnostně, magnetorezistivně nebo Hallovým snímačem. 3 4 A0 A O o (m) A A3 f out (Hz) rph (ot/min) U out (V DC) (km/h) a) A4 Start/stop b) c) Obrázek 0-5 Měření rychlosti otáčení impulzním způsobem Data (km) Principiální schéma těchto obvodu ukazuje Obrázek 0-5. Pozice a) znázorňuje způsob, kdy značka je vytvořena odrazovou ploškou na povrchu hřídele rotující části (). Snímač ()obsahuje zpravidla zdroj světla (např. LED) a snímač odraženého paprsku. Výstupem jsou elektrické impulzy, které mohou být až do vysokých frekvencí (00 khz). Pozice b) na rotující části (3) zabudovaný feritový trvalý magnet malého průměru a délky. Jako snímač () se používá indukčnostní senzor s potlačeným magnetickým obvodem nebo Hallův senzor nebo megnetoresistivní senzor. Výstupem jsou opět elektrické impulzy s frekvencí poněkud menší než u optického řešení a). Pozice c) měří rychlost otáčení ozubeného kola. Snímač () pro toto řešení se použije indukčnostní senzor s potlačeným magnetickým obvodem. Výstupem jsou opět impulzy. Vyhodnocovací zařízení pro tato řešení (viz Obrázek 0-5 na jeho pravé části) má na vstupu elektrické impulzy od snímačů (), které se napěťově upravují v obvodu A. Upravené impulzy mohou být elektronicky vyhodnocovány v obvodu A na unifikovaný frekvenční výstup s informací o počtu otáčení za minutu, v obvodu A3 na unifikovaný napěťový signál U out s informací např. o rychlosti jízdy (km/h) a v obvodu A4 na datový údaj např. o ujeté dráze. Výstupem není údaj analogový, protože by hodnotu neobsáhl. Obvod A má ještě vstup hodnoty obvodu rotující části (konstanta O o v délkových jednotkách) nutnou pro výpočet rychlosti délkové. Obvod A4 má také vstup konstanty O o a navíc má vstup Start/stop pro stanovení počátku počítání délky a jeho ukončení.

143 Měření rychlostních a délkových parametrů 4 Obrázek 0-6 Provedení prostředků pro měření impulzním způsobem (SOMET, SENDEC, ŠKODA, SIGMA) Obrázek 0-6 přináší ukázky provedení prostředků pro měření rychlosti otáčení a dalších odvozených veličin. Podle pořadí první přístroj je ruční pro optické snímání pomocí odrazové plošky. Druhá a třetí část obrázku ukazuje indukčnostní snímač a vyhodnocovací přístroj. U automobilů je zdrojem impulzů pro otáčkoměr (čtvrtá část) a tachometr ozubené kolečko v převodovce. U jízdních kol je zdrojem impulzů zpravidla malý feritový magnet na špicích na kole, snímání je pak Hallovým senzorem a impulzy jsou vyhodnocovány např. v provedení podle poslední části obrázku Hallův prvek Hallův jev je proces generace Hallova elektrického pole v polovodiči (existuje i v kovech, ale vzhledem k vysoké koncentraci vodivostních elektronů se téměř neuplatňuje) za současného působení vnějšího elektrického i magnetického pole. Důsledkem toho se hromadí na jedné straně látky záporný náboj a na straně druhé náboj kladný. Díky tomu, že póly mají různý potenciál, vzniká Hallovo napětí. Jev byl objeven Edwinem Hallem v roce 879. B + F m V out A Obrázek 0-7 Schéma Hallova principu Schéma principu uvádí Obrázek 0-7. Přes destičku o tloušce d protéká napájecí proud A Příčinou vzniku Hallova napětí V out je magnetická síla Fm v rovnováze k síle elektrické F e. Vložíme-li vodivou destičku tloušťky d, kterou protéká řídící elektrický proud A, do magnetického pole s magnetickou indukcí B kolmou na směr proudu, pak ve třetím směru, kolmém na směr proudu a zároveň na směr magnetického pole změříme potenciálový rozdíl V out. Následkem Hallova jevu vzniká Hallovo napětí: U H I. B RH. (0-4) d Součinitel R H nazývaný Hallova konstanta má rozměr m 3.A -.s -. Umožňuje stanovit typ vodivosti polovodiče (za předpokladu, že známe orientaci elektrického pole a magnetického pole v předmětu). Dá se vyjádřit jako: R H AH. ( 0-5) q. n Pro polovodič typu N je znaménko záporné, kdežto pro polovodič typu P je kladné. A H je tzv. rozptylový faktor. Jeho hodnota se pohybuje mezi (hodnota kovů) a (pro slabě dotované polovodiče je asi,7). Hodnota q znamená jednotkový náboj pro koncentraci nosičů n. Hallův jev se používá k měření magnetických polí nebo proudu. Výroba nabízí různá provedení. Lze vybrat řadu SS490 (Honeywell) s měřícím rozsahem +/- 670 G (senzory SS495) a +/- 870 G (senzory SS496) a s F e

144 Měření rychlostních a délkových parametrů 4 lineárním analogovým radiometrickým výstupem tvořeným dvěma tranzistory (PNP a PNP), citlivost 3.5 a..5 mv / G. Integrovaný CMOS obvod MLX905 je programovatelný radiometrický lineární Hallův senzor s lineárním výstupem; Programování se provádí dle speciálního Melexis tri-level PTC protokolu prostřednictvím jednovodičové sériové sběrnice připojené na vývod OUT a s přivedením DC napětí 9 V na napájecí svorky místo jmenovitých 5 V. Integrovaný senzor MLX9077 pak prakticky představuje umístění dvou struktur MLX905 do jednoho 8vývodového pouzdra SOIC, kde 4 a 4 vývody odpovídají původním 4 vývodům pouzdra SIP. Měřící rozsah: 6 až 800 mt, Citlivost:.6 mv/mt až 0 mv/mt. Hallův senzor TLE4990 společnosti Infineon byl primárně navržen pro požadavky přesného měření a detekce otáčení a pohybu, citlivost 50 až 80 mv / mt. Obvod označený jako AD5 je lineární křemíkový Hallův senzor s analogovým výstupem, citlivost 0.4 mv/gauss (externě laditelná až na 6 mv/g dle připojeného poměru R3/R). A V out B Obrázek 0-8 Provedení snímačů proudu s Hallovým senzorem (Infineon, Hopneywell) Senzor SA-0 firmy Sentron je zajímavým integrovaným Hallovým senzorem s diferenciálním analogovým výstupem měřící indukci magnetického pole ve dvou směrech (D), tedy v ose X (Bx) a Y (By). -45 mt až +45 mt (lineární výstup v rozsahu -40 mt až +40 mt), Citlivost: typ. 50 mv / mt. Souhrn citlivostí pro různé výrobce (G=0, mt, mt=0g): SS490 MLX 905 TLE AD5 SA-0 3,5 mv/g mv/g 8 mv/g 6 m V/G 5 mv/g 0.4 Měření pomocí enkodérů Fotoelektrické systémy používané pro velmi přesné měření rychlosti otáčení a rychlosti posuvů a délky používají snímače tzv. enkodéry. Zařízení enkodér používá fotoelektrický a optický systém pro snímání otočného a přímého posuvu s výstupem posloupnosti impulzů (inkrementální snímače) nebo číslicového údaje (absolutní snímače). Celý systém se vyznačuje vysokou přesností a citlivostí. Slouží jako zdroj signálu pro rotační a lineární pohyby, pro měření úhlových rychlostí a pro další odvozené veličiny. Příklad rotačního enkodéru s impulzním výstupem ukazuje Obrázek 0-9. Zdroj světla () osvětluje přes optickou soustavu () rastrovou desku (3). Deska má dvě dvojice ve dvou řadách průsvitných výřezů se svislými ryskami a jeden spodní výřez. Otočný kotouč (4) uložený na hřídeli snímače obsahuje dvě stopy rysek po celém obvodu a stopu referenční značky. Světelné paprsky podle polohy kotouče (4) prochází na fotosenzory (5) a po vyhodnocení v elektronice (6) vystupují jako impulzní signály řady A, B a referenční signál řady C.

145 Měření rychlostních a délkových parametrů A B C Obrázek 0-9 Schéma rotačního inkrementálního snímače Signály řady B jsou fázově posunuty o 90 vůči impulzům řady A. Toto posunutí umožňuje jednak číslicové násobení signálů krát a 4 krát a jednak určení směru pohybu. Grafické vysvětlení násobení impulzů a určování směru uvádí Obrázek 0-0. A B A.B+A.B A.B+A.B směr A.B směr A.B směr A.B směr A.B a) b) Obrázek 0-0 Číslicové násobení impulzů a určení směru Počet impulzů řady A a B pro měření úhlového natočení dosahuje počtu až a pro měření rychlosti otáčení od 00 do 5000 impulzů na obvod. Referenční signál je jeden impulz na jedno otočení. Rotační snímače používané pro měření úhlového natočení dosahují přesnosti +/- inch a mají doporučovaný krok měření 0,000. Rychlost kotouče může dosahovat až 4000 otáček/min. Výstupní signál je obdélníkový úrovně TTL, DTL nebo sinusový úrovně Vss. Pro měření rychlosti posuvu se dosahuje přesnost +/- 0, mm. Měřeným místem rotujícího zařízení je nejčastěji hřídel a u linek posunující materiál na měřicím válci. Napojení snímače na hřídel je pomocí spojek, které umožňují spojení i při částečném vyosení. Spojení rotačního snímače s posunujícím se materiálem je přes odvalovací kolečko přesného a známého obvodu. Inkrementální snímače se používají také pro měření rychlosti posuvu u přímočarého směru (Obrázek 0-). Místo rotačního kola je použito rovné pravítko s ryskami po celé délce s dělením podle druhu použití () a s referenční značkou (). Moderní technologie nabízí řešení s přesností až +/- m s doporučovaným krokem měření až 0, m. Délka pravítka může být až 30 m. Výstupy jsou opět dvě řady impulzů standardních úrovní a referenční značka. A B Obrázek 0- Posuvné měřicí pravítko pro inkrementální lineární snímač Skutečné provedení rotačních inkrementálních encodérů uvádí Obrázek 0-. Aplikují se na hřídele elektromotorů, na hřídele servomechanizmů, jsou na odměřovacích systémech CNC strojů, robotů, manipulátorů. Jedná se o velmi přesná zařízení a aplikace. Obrázek 0- Skutečné provedení rotačních inkrementálních encodérů (HEIDEMHAIN) Skutečné provedené lineárních snímačů ukazuje Obrázek 0-3.

146 Měření rychlostních a délkových parametrů 44 Obrázek 0-3 Provedení lineárních inkrementálních encodérů (HEIDEMHAIN) Výstupní impulzy z inkrementálních enkodérů jsou vyhodnocovány ve speciálních vyhodnocovacích jednotkách na veličiny: obvodová rychlost, úhel natočení, rychlost posuvu, délka posuvu. Jsou to buď přístrojová provedení v kompaktní skříni, nebo provedení zásuvné karty do konektorů základní desky personálního počítače. Výstupem těchto jednotek jsou data úhlové rychlosti nebo posuvné rychlosti, úhlového natočení nebo délky posuvu. Při napojení více rotačních snímačů se vyhodnocuje i rozdíl rychlostí nebo délek. Obrázek 0-4 uvádí blokové schéma vyhodnocování a Obrázek 0-5 skutečné provedení vyhodnocovacích jednotek včetně integrovaného provedení. Vyhodnocování je možné obdobnými technickými prostředky také pro lineární inkrementální snímače. B A B C A0 A B C A A f out (Hz) rpm (ot/min) a) O o (m) A3 U out (V DC) (m/s) A4 Start/stop Data (m) B A0 f out (Hz) rpm (ot/min) U out (V DC) (m/s) Data (m) b) Obrázek 0-4 Blokové schéma vyhodnocování u enkodérů (a - zapojené oddělené, b- integrované) Obrázek 0-5 Provedení vyhodnocovacích jednotek (MAXON, HENGSTLER, HEIDENHAIN Fotoelektrická měřicí metoda použitá pro inkrementální měření je modifikována také pro absolutní měření. Příklad řešení ukazuje Obrázek 0-6. Výstup snímače je hodnota ve tvaru binárního slova - bytu, tj. více bitového binárního čísla podle druhu použitého kódu.

147 Měření rychlostních a délkových parametrů 45 LSB (Least Significant Bit) log. (LSB) log.0 log. další bity...až MSB (Most Significant Bit) Obrázek 0-6 Absolutní rotační fotoelektrický snímač Základní rozdíl u absolutních měření je v konstrukci značek na rotačním kole nebo na lineárním pravítku. Na rotačním kole je vytvořena struktura značek ve tvaru mezikruží podle počtu bitů rozlišení. Na vnější dráze jsou zpravidla značky bitu s nejnižší váhou, tj. bitu LSB. Světelný signál opět prochází podle polohy natočení na fotoelektrické senzory a na následující elektronické obvody. Jejich výstupem je vícebitové signál. Např. u absolutního rotačního snímače pro úhlové natočení se může jednat na výstupu až o 3 bitové číslo (počet rozlišení ) s doporučovaným krokem měření 0, U lineárních absolutních snímačů se dosahuje přesnost +/- 3 m s doporučovaným krokem měření až 0, m a délkou pravítka 3,04 m. Více: Snímače vzdálenosti a polohy V poslední době se využívá k měření středních vzdáleností (do desítek metrů) laserový paprsek. Princip je jednoduchý, po vyslání pulzu z měřicího přístroje, který se odrazí od měřené vzdálené plochy, změří se čas a vypočítá se vzdálenost s podle vztahu v.t s (0-6) kde je v rychlost laseru ( m/s), t změřená doba (zlomky sekundy). Přesnost je dán přesností změření doby, tam např. pro m vzdálenosti je to / = 6, s. Přístroje standardní mají uvedenou absolutní přesnost +/- mm. Rozsahy mají 0, až 70 m. Má také další funkce: sčítání a odečítání délek, měření plochy, měření objemů, měření úhlů. Obrázek 0-7 Laserové přístroje pro měření vzdáleností Jinou měřicí metodou pro měření vzdáleností je triangulační měření. Triangulační princip měření moderních laserových snímačů používá laserový paprsek, který se odráží od detekovaného předmětu pod konstantním úhlem a vzdálenost dopadu odraženého paprsku na čelo senzoru je úměrná vzdálenosti detekovaného předmětu od čela senzoru. Vyhodnocuje se, kam odražený paprsek zpět dopadl. Díky tomu je detekce výrazně spolehlivější a odolnější proti rušení, protože podmínka detekovatelnosti je dána pouze schopnosti optického přijímače senzoru zaznamenat dopad odraženého paprsku, není citlivý na intenzitu paprsku.

148 Měření rychlostních a délkových parametrů 46 Obrázek 0-8 Triangulační princip u měřidel (Micro-Epsilon, Sick). Ve stavebnictví jsou používány přístroje pro měření vzdáleností, výšek staveb a rovinatosti. V současné době se využívá geodetické měření v GNSS. Geodetické GPS dokáží určit polohu bodu (souřadnice) s centimetrovou přesností kdekoliv v blízkosti zemského povrchu za několik vteřin. V současné době (r.07) jsou to robotické totální stanice, viz obr. Vlastní měření a vytyčování provádí jediný člověk. Obrázek 0-9 Robotická (one-man) totální stanice, nivelační přístroj Leica Speciální využití laserů ve stavebnictví popisuje GPS systémy Stanovení rychlosti pohybu na povrchu země, dráhy pohybu a dalších veličin absolutně nebo na mapových podkladech se v současné době provádí moderním způsobem s GPS systémy. Zkratka GPS (Global Positioning Systém- Globální polohovací systém) funguje kdekoliv na naší planetě. Vývoj GPS začal již v roce 973 a navazoval na předchozí systém Transit. Zpočátku byl určen čistě pro vojenské účely, v roce 000 byl zpřístupněn veřejnosti, ale v 90. letech byla přesnost pro veřejnost ještě omezena. V současné době obíhá okolo naší planety 3 satelitů (30 v aktivním režimu a jeden ve stavu údržby, pro plný provoz postačí 4). Družice jsou umístěny na 6 kruhových drahách se sklonem 55, jejich vzdálenost od země činí 090 km, jejich rychlostí 300 km/h a za jeden den oběhnou planetu dvakrát (a ještě 4 minuty zbývají). Z každého místa na zemi jsou viditelné alespoň 4 satelity, v České republice je běžně k dispozici 7-8 družic v daném okamžiku, přesnost GPS v ČR se pohybuje mezi 5-0 metry. Vedle družic uživatelská část má přijímač, který přijímá vysílání z nejméně tří družic, kdy se teoreticky vyhodnotí sledovaný bod. Přijímané signály obsahují data pro výpočet vzdálenosti družice a údaje o její poloze. Další čtvrtý satelit slouží pro korekci chyb radiového přenosu, reálných podmínek a pro další výpočty (nadmořské výšky). Obrázek 0-0 Určení polohy podle snímání signálů ze tří a ze čtyř a více družic.

149 Měření rychlostních a délkových parametrů 47 V současnosti je velký zájem o globální družicové polohovací systémy GNSS zajišťující určitou kompatibilitu mezi GPS (USA), GLONASS (Rusko) a GALILEO (Evropa). V budoucnu by měl být přibrán čínský BEIDO, indický IRNSS a japonský QZSS. GPS systém má dvě kategorie uživatelů, autorizovaní (vyšší přesnost) a ostatní. Radiové signály se šíří na frekvencích - GHz na celkem pěti kanálech. Modulace je použita fázová BPSK, případně kvadraturní fázové modulace QPSK Přijímače GPS Přijímač GPS zajistí příjem tzv. navigační zprávy. Algoritmy použitých výpočtů využívající zprávu jsou podrobně popsány v odkazu Navigační zpráva (platná je po dobu 4 hodin) obsahuje čas družice vysílání počátku zprávy, přesné kepleriánské efemeridy družice, údaje pro korekci času, almanach (údaje s parametry oběžných drah všech družic a o jejím stavu), koeficienty ionosférického modelu, stav družice. Pro určení polohy ze zpracovávaných signálů družic lze použít následující metody: - úhloměrná, - dopplerovská, - interferometrická, - dálkoměrná. Úhloměrná metoda je nejstarší, nejméně přesná. Je nutné znát elevační úhel polohy družice. Pro jeho přesné určení se používá směrová anténa s úzkým svazkem ve směru maxima vyzařovací charakteristiky. Doplerovská metoda vyhodnocuje frekvenci přijatého signálu z družice a signálu vysílaného a také rozdíl frekvence oscilátoru přijímače a přijatého signálu (F=f 0 -f prij ). Přijímač ve svém čítači si vyhodnocuje periody výstupního signálu podle časových značek vysílaných z družice v časových okamžicích t i, t i+, t i+ s konstantním časovým intervalem T= t i+- t i. Časová značka přichází do přijímače se zpožděním i =d i /c, kde d i je vzdálenost i-té družice a c je rychlost světla šíření radiového signálu. Z rozdílu fází dvou signálů se vyhodnotí rozdílový kmitočet a počet period N i. Pro určení polohy potom stačí provést měření nejméně ve třech periodách mezi čtyřmi časovými značkami a vyřešit následující soustavu rovnic pro i=,, 3: f0 Ni xi x yi y zi z xi x yi y zi z T. F (0-7) c kde je: N i načítané periody rozdílových signálů za směšovačem, f 0 frekvence oscilátoru přijímače, c rychlost světla, x i+, y i+, z i+ poloha družice v okamžiku t i+, x i, y i, z i, poloha družice v okamžiku t i, x, y, z hledaná poloha přijímače. Dálkoměrná metoda je nejčastěji používaná a základem je určení vzdálenosti mezi přijímačem a družicemi. Družice vysílají tzv. dálkoměrné kódy, přesné časové značky, které umožní přijímači určit čas vysílání signálu družicí. Platí pak pro vzdálenost přijímač a družicí d i = i.c, kde i je časové zpoždění signálu z družice, c rychlost světla. Pro vzdálenost přijímače také platí: d x x y y z z i i i i (0-8) kde je x i, y i, z i, poloha družice z navigační zprávy, x, y, z hledaná poloha přijímače. Protože nelze zajistit synchronizaci přijímače na zemi a vysílače na družici, vzniká neznámá t časový posuv a proto pro výpočet korigované polohy přijímače D i se používá řešení soustavy rovnic (i=,, 3, 4): D i x x y y z z c t i i i. (0-9) Technické provedení přijímače musí pro zajištění jeho funkcí obsahovat: Přijímač, mikrokontroler, výstupní část. Pro specifika aplikací je realizace finálních zařízení realizována integrací do tzv. čipsetů.

150 Měření rychlostních a délkových parametrů 48 Obrázek 0- Aplikace GPS čipsetu a typ ZOE-M88 SiP(4,5x4,5x,0mm) Popis Provedení GPS jednotek je podle druhu užití, mapové podklady (navigace), bezmapové aplikace (sportovní, bezpečnostní). Obrázek 0- Přijímače GPS (navigace TOMTOM, navigace outdoor GARMIN, smart hodinky, mobilní telefon Samsung, USB GPS)

151 Snímání polohy, stavu 49 Snímače a převodníky polohy Další významné místo mezi technickými prostředky z pohledu počtu aplikací zaujímají snímače a převodníky polohy, stavu, přítomnosti atd. Není pro tuto skupinu jednotný název, protože jsou používány pro bodové určení polohy předmětu, jeho stavu nebo v přeneseném významu jako určení přítomnosti předmětu v konkrétním místě. V současné době je funkce rozšiřována i pro určování vzdálenosti mezi snímačem a předmětem. Snímače polohy používají principy indukčnostní, optoelektronické, kapacitní, ultrazvukové, magnetické a pneumatické. Snímač obsahuje integrovaný elektronický převodník a jeho výstup je binární nebo i analogový signál.. Indukčnostní snímače polohy Nejstarším snímačem polohy je indukčnostní snímač polohy. Určuje přítomnost kovového předmětu v blízkosti snímače, využívá principu změny indukčnosti snímací cívky na základě principu potlačeného magnetického pole. Schéma zobrazuje Obrázek -. Těleso snímače () obsahuje na čelní straně cívku s jádrem (). Cívka je zapojena na rezonanční obvod (3). Přítomností kovového předmětu (7) v blízkosti cívky se mění indukčnost cívky a tím frekvence nebo amplituda kmitů, které jsou dále elektronicky zpracovány v klopném obvodu (4) a zesilovači (5) na dvouhodnotový signál. Snímač je spojen s okolím kabelem (6) r d s Obrázek - Schéma indukčnostního snímače polohy a provedení indukčnostech snímačů polohy(turck) Rezonanční obvod je citlivý na změny magnetického pole vyvolané přítomnosti kovových předmětů. Tento vnější kovový předmět musí mít určitou tloušťky (d) a velikost (r) a musí být v určité vzdálenosti (s) od jádra cívky. Jsou-li tyto hodnoty menší, nejsou zaručeny funkční parametry. Kovový předmět může být ferromagnetický nebo paramagnetický. Podle druhu kovu se uvedená vzdálenost (s) pro správnou funkci snímače musí korigovat. Např. pro železo je s=00 %, pro olovo je s= 60 %, pro hliníkové slitiny je s= 40 % a pro měď musí být vzdálenost jen s=30%. + U n a) h + m - R z b) O V +8, V DC R z Obrázek - Vnitřní zapojení snímače npn a zapojení snímače NAMUR U out O V Vnitřní zapojení těchto snímačů a zapojení výstupů je používáno ve variantách NPN, PNP, s otevřeným kolektorem, bezpotenciální nebo NAMUR. Obrázek - na pozici a) ukazuje blokové schéma snímače a s výstupem NPN. Výstupní signál u tohoto obvodu se uzavírá zatěžovacím odporem připojené jednotky vůči potenciálu OV. V Evropě je často používaným zapojením výstupního signálu u snímačů polohy zapojení typu NAMUR (pozice b). Tyto snímače mají dvoudrátové zapojení výstupů s vyznačenou polaritou napájení. Jmenovitá spínací vzdálenost a hystereze snímačů NAMUR je definována podmínkami:

152 Snímání polohy, stavu 50 - I zap =,55 ma tj. na odporu 000 Ohm je U out =.55 V - I vyp =,75 ma tj. na odporu 000 Ohm je U out =.75 V. Snímače jsou koncipovány pro připojení na vnější spínací zesilovač, který převede změny proudu na výstupní binární signál. Vývoj směřuje k řešení pro spojité měření polohy a vzdálenosti. V současné době je stav takový, že možným měřicím rozsahem spojitého měření u indukčnostních snímačů je rozsah kolem 5 až 5 mm.. Optoelektronické snímače polohy Optoelektronický princip snímání polohy využívá metody přerušování, odrazu, zaostření paprsku elektromagnetického světleného záření nebo využívá techniky optických vláken. Jako záření se používá zpravidla infračervená případně viditelná oblast. Schéma jednotlivých metod má Obrázek -3. Při metodě přerušování paprsku provádí přerušování paprsku snímaný předmět. U provedení a) jednocestné závory je použit samostatný vysílač () a přijímač () záření a paprsek je přerušován do plného zaclonění a zastavení toku záření postavením předmětu (3) mezi vysílač a přijímač. Snímaný předmět nesmí propouštět záření pro použitou vlnovou délku. Vzdálenost vysílače a přijímače může být více jak 60 m. Další metoda přerušení používá kombinovaný zdroj a snímač záření (4), viz b). Je to provedení reflexní závora. Vysílané záření je odraženo na vzdálené protilehlé odrazce (5). Snímaný předmět (3) přerušuje svoji polohou tok paprsků mezi odrazkou a zdrojem a přijímačem. Vzdálenost odrazky od vysílače a přijímače může být 8m, případně až 60 m. Reflexní snímač podle c) používá kombinovaný zdroj a snímač záření (4) s tím, že je předmět identifikován v případě, je-li světelný paprsek odražen předmětem (3) a doveden zpět na snímač (4). Snímání polohy předmětu se provádí do vzdálenosti 0,5 m a) b) c) d) 3a f) e) Obrázek -3 Optoelektronické snímače polohy (a jednocestná závora, b reflexní závora, c reflexní snímač, d snímač se zaostřením, e, f snímače s optickými vlákny) Na pozici d) je zobrazen princip snímače se zaostřením. Pomocí optické soustavy je paprsek zaměřen a zaostřen na vzdálený bod tak, že po odrazu v tomto bodě předmětu (3) je paprsek vrácen zpět na kombinovaný optický snímač (6). Je-li předmět (3a) mimo polohu zaostření, není paprsek vrácen a předmět není identifikován. Vzdálenost bodu zaostření je pevně daná konstrukcí, při instalaci se nedá měnit a v praxi se pohybuje do několika metrů. Předností tohoto provedení je snímání i velmi malých ploch a snímání i z předmětů s velmi malou odrazivostí. Nejnovější řešení umožňuje zaostřovat dynamicky i na větší vzdálenosti. Tohoto způsobu se používá pro optické měření vzdálenosti. Rozsah je do 0 metrů.

153 Snímání polohy, stavu 5 Specifickým provedením optoelektronických snímačů jsou snímače s optickými vlákny, viz pozice e) a f) na obrázku. Předmět (3) je zpravidla ve vzdáleném a nepřístupném místě. Paprsek je z kombinovaného snímače (7) veden jedním optickým vláknem k předmětu (3) a po odrazu (provedení e) nebo pro zaclonění (provedení f) je paprsek vrácen na snímač druhým optickým vláknem. Délky optických vláken skleněných nebo i plastových jsou do 8 m. Optoelektronické snímače polohy pracují spolehlivě v případech dostatečného kontrastu, tj. rozdílu intenzity přijatého záření ve stavu log., např. světlo a log 0, např. tma. Tento rozdíl je dán průsvitností tělesa nebo jeho odrazivostí anebo odrazivostí odrazky. Nepříznivě působí i okolní podmínky, především rušení od dalších zdrojů světla nebo záření, špinavé prostředí ap. Pro aplikace je důležitý dosah a snímací vzdálenost. Je nutno uvažovat vždy s určitou rezervou a bezpečností. Platí zde pravidlo, že intenzita světleného záření klesá kvadraticky se vzdáleností. Proto při projektování se uvažuje s faktorem podle druhu povrchu a materiálu předmětu a korekcí na podmínky čistoty prostředí. Měřicí funkce optoelektronických snímačů je nespojitá, tj. dává signál o přítomnosti nebo nepřítomnosti předmětu. Snímač obsahuje kompletní elektroniku ve svém tělese. Zapojení těchto snímačů je ve variantách npn nebo namur nebo pnp. Zapojení je obdobné jako u indukčnostního snímače. Speciální optoelektronické snímače používají pro bezdotykové spojité měření vzdálenosti princip optické triangulace a laserový paprsek. Jsou novou generací optoelektronických snímačů a prodělávají svůj počáteční rozvoj. Obrázek -4 Provedení optických snímačů s odrazem a zaostřováním (poslední zařízení) (TURCK) Specifickým zařízením je měření polohy triangulačním způsobem. Nevyhodnocuje se intenzita dopadajícího paprsku či doba jeho letu, ale místo, kam zpět odražený paprsek dopadl. Detekce je výrazně spolehlivější a odolnější proti rušení, umožňuje měřit vzdálenost spojitě. U některých snímačů je možné provádět i měření tloušťky průsvitných / průhledných vrstev objektů vyhodnocováním více odrazů. Jako zdroj světla se obvykle využívá polovodičová laserová dioda s výkonem mw pracující na vlnové délce červeného světla cca nm. Přijímač obvykle je CCD snímač, jehož elektrický signál zpracovává rychlý signálový procesor (DSP). Obrázek -5 Měření vzdálenosti optickým způsobem s triangulací.3 Kapacitní snímače polohy Kapacitní snímače polohy slouží pro bezdotykovou indikaci předmětů z elektricky nevodivých i vodivých materiálů, např. ze dřeva, skla, papíru, plastů, kůže, keramiky, kovů. Použity mohou být jednak při hlídání stavu naplnění zásobníku kapalin, hlídání přetržení pásů nebo otvorů v plošném materiálu, sledování průhybu pásových materiálů, indikace přetržení drátů, počítání výrobků, sledování obsahu v krabicích ap.

154 Snímání polohy, stavu 5 A e e e3 Vf oscilátor Zesilovač Spínač Rz Obrázek -6 Zapojení kapacitního snímače polohy, provedení snímačů (TURCK) Základní funkci zajišťuje kapacitní senzor (Obrázek -6, pozice A). Snímací elektrody jsou v provedení rovnoběžných nebo kruhových dvou nebo více elektrod. Senzor je zapojen v obvodu vysokofrekvenčního oscilátoru. Změny frekvence nebo amplitudy kmitů jsou dále vyhodnoceny a převedeny na dvouhodnotový signál. Schéma zapojení uvádí Obrázek -6. Kapacitní snímač polohy reaguje jak na předmět z elektricky vodivého nebo nevodivého materiálu () s tím, že elektricky vodivý materiál vytváří další elektrodu. Uplatňuje se hodnota permitivity hmoty indikovaného předmětu nebo hmoty mezi kovovým předmětem a snímačem. Významně působí především vliv obsahu vody nebo vlhkosti, protože relativní permitivita vody je nejvyšší a dosahuje hodnoty nad 80. Na spolehlivost a přesnost indikace má vliv okolí. Jedná se především o teplotu okolí, o vliv vody tj. orosení, námrazy, vlhkosti, vliv parazitních kapacit uzemněním, vliv elektrického pole, vliv velikosti indikovaného předmětu. Kapacitní snímače polohy mají proto nastavovací potenciometr. Nastavení je definováno hodnotou l=k*s n vůči ploše kovového předmětu o tloušťce > mm. Hodnota l je hodnota nastavované vzdálenosti předmětu velikosti strany A=3* s n. Koeficient k se volí v rozsahu 0, až, podle druhu materiálu a způsobu instalace. Vzdálenost s n pro kapacitní snímače polohy je podle provedení od 5 do 0 mm..4 Ultrazvukové snímače polohy Ultrazvukové snímače polohy jsou vyráběny pro nespojité i spojité snímání polohy, tj. pro indikaci předmětů, ale i pro spojité měření vzdálenosti předmětu od snímače. Umožňuje to použitý princip snímání odrazu ultrazvuku od předmětů. Ultrazvukový impulz je vyslán vysílačem do měřeného prostoru směrem na předpokládanou polohu identifikovaného předmětu. Od předmětu odražené zvukové vlny, tzv. echo, se vrací zpět ke snímači za dobu, která je úměrná vzdálenosti mezi vysílačem tělesem snímačem. Vyhodnocením toto času se získává vzdálenost předmětu. Provedení zařízení pro ultrazvukové snímání polohy je buď oddělené se samostatným měničem pro vysílač a přijímač anebo kombinované, tj. vysílač i snímač používají jeden elektroakustický měnič se střídavou funkcí jako vysílač a přijímač. Tato provedení znázorňuje Obrázek -77. a 3 b 3 4 5a 4 5b 5a a) b) Obrázek -7 Ultrazvukové snímače polohy Provedení oddělené tvoří snímač (a) se samostatným vysílačem a snímačem ultrazvuku. Vysílač vysílá ultrazvukové impulzy v širším zvukovém kuželu () v úhlu asi 60 směrem na předmět (3). V blízkosti měniče vzniká mrtvá zóna (4). Provedení kombinované používá měnič (b) se střídáním funkce vysílání a příjmu. Impulzy jsou směrovány do úzkého zvukového kuželu s úhlem kolem 6.

155 Snímání polohy, stavu 53 Indikace předmětu je možná v tzv. oblasti snímání, tj. ve vzdálenosti mezi hranicí mrtvé zóny a objektem. Hloubka spínacího okna, tj. vyhodnocení indikace předmětu jako dvouhodnotového signálu, se dá nastavit dvěma potenciometry. Počátek spínacího okna (5a) se nastaví potenciometrem S a jeho hloubka potenciometrem S. Oblast (5b) vytváří u speciálního provedení se dvěma binárními výstupy druhou oblast spínání. Jako katalogový údaj jsou udávány spínací oblasti pro jmenovité podmínky, tj. pro teplotu 0 C a pro předmět z kovu tloušťky mm a s kolmou polohou vůči impulzům. Pro procesy měření nepříjemně působí vlivy teploty a vlhkosti okolí, vysoké mechanické frekvence do 00 khz, rychlost proudění vzduchu, drsnost povrchu, snížená odrazivost některých materiálů (tkanina, pěna). Elektronické zapojení (viz Obrázek -88) umožňuje vyhodnotit vzdálenost analogově a definovat vzdálenost předmětu a snímače spojitě v rozsahu snímací oblasti. Výstupní signál je buď napěťový v rozsahu U=0..0 V pro odpor zátěže R z >4700 hm nebo proudový v rozsahu I=0..0 ma pro odpor R z < 500 Ohm. Příkladem velkého rozvoje aplikací spojitých snímačů polohy jsou aplikace u automobilů, kdy se měří vzdálenost předmětů od nárazníků auta. Měnič Zesilovač Převodník 3 4 U + - Rz Obrázek -8 Zapojení analogového ultrazvukového snímače polohy.5 Magnetické snímače polohy Reaguje na předměty zmagnetované nebo trvalé magnety, nereagují na kovy a jiné materiály bez magnetické indukce kolem předmětu. Reagují také např. na blízkost kabelu s procházejícím proudem a vytvářející magnetické pole kolem. Příklady provedení uvádí Obrázek -9. Výstupy jsou dvouhodnotové. Obrázek -9 Magnetické snímače (TURCK) Zajímavý způsob snímání řeší magnetický snímač úhlového natočení. Pole Hallových snímacích prvků detekuje s vysokou citlivostí úhlovou pozici polarizovaného magnetu otáčejícího se nad povrchem čipu. Sin/cos analogový signál je převeden na výstupní inkrementální nebo absolutní polohový signál konfigurovatelným interpolátorem (až do rozlišení 89 poloh na otáčku). Příklad uvádí Obrázek -0.

156 Snímání polohy, stavu 54 Obrázek -0 Příklad analogového snímání úhlového natočení (Austriamicrosystem).6 Mechanické koncové spínače Zvláštní skupinou snímačů polohy jsou mechanické koncové spínače. Mechanické proto, že vyžadují mechanický kontakt s místem polohy a nejčastěji jsou používány pro snímání v koncové poloze. Nevyžaduji žádné napájení, výstup je kontakt sepnuto/rozepnuto a vyrábějí s velkou přesností, citlivosti malou hysterezí a pro spínání i velkých napětí a proudů. Provedení spínačů s válcovým pouzdrem nebo polohových spínačů podle EN 5004 ukazuje Obrázek -. Obrázek - Mechanické koncové spínače (Eucher).7 Použití snímačů polohy Snímače polohy uvedené v této kapitole jsou používány pro bezdotykovou indikaci předmětů, pro snímání výše hladiny tekutin i sypkých látek, pro impulzní měření rychlosti a frekvence otáčení, pro hlídání polohy pásu apod. Obrázek - uvádí příklady aplikací snímačů. Aplikace a) indikuje polohu klapky, b) měří rychlost otáčení ozubeného kola, c) počítá počty předmětů na pásu, d) snímá okraj pásu, e) indikuje polohu smyčky pásu, f) snímá přítomnost předmětu v otvoru. a) b) c) d) e) f) Obrázek - Příklady aplikací bezdotykových snímačů polohy Pro splnění požadavků jsou snímače polohy vyráběny v různých konstrukčních provedeních. Jedná se o plošné snímače, snímače se zářezem, snímače kruhové, s mezikružím, snímače s otvorem atd. Snahou je umožnit jednoduchou instalaci snímačů při minimálním ovlivnění jejich funkce snímání. Obrázek -3 zobrazuje konstrukční řešení pro některé příklady provedení snímačů.

157 Snímání polohy, stavu 55 a) b) c) d) e) Obrázek -3 Konstrukční provedení snímačů polohy(a válcový, b mezikruží, c- plochý, d s výřezem, e optoelektronický reflexní) Více:

158 Měření tepelné energie 56 Měření tepelné energie Měření tepelné je speciální nepřímý způsob vyhodnocování několika měřených veličin v současné době digitálně v elektronické jednotce. V praxi se teplo měří při jeho výrobě, rozvodu a spotřebě. Jedná se často o fakturační měření, proto všechna měřicí zařízení použitá v obvodu podléhají metrologickým nařízením a zákonům platných pro stanovená měřidla. Měření a vyhodnocování je rozdílné při měření tepla používající jako teplonosnou látku vodu nebo vodní páru. Novinkou je měření spotřeby energie v dodávaném zemním plynu.. Měření tepelné energie ve vodě Teplo dodávané ve formě teplé (teplota vody <0 C) nebo horké vody (teplota vody >=0 C) se měří podle schématu uvádějící Obrázek U n RS 4 Obrázek - Schéma měření tepla u topné vody Na přívodním potrubí do výměníku voda-voda () je umístěn teploměr () pro měření teploty přívodní vody a průtokoměr (3). Teplota vratné vody z výměníku po jejím ochlazení při předání tepla se měří teploměrem (4). Tyto tři měřené veličiny jsou přivedeny do vyhodnocovací jednotky (5). Podle matematického vztahu se vyhodnocuje spotřebovávaný tepelný výkon [W], okamžitá spotřeba tepla v jednotkách [J/s] nebo jejich násobcích a součet celkové spotřeby tepla za sledované období (J nebo kwh). Použitý matematický vztah vyhodnocování má tvar: Q F c.( t t ) a Q. (-) o. p c Q o,i kde je Q o okamžitý tepelný výkon spotřeby, F okamžitý hmotnostní průtok, c p měrné teplo vody při p=konst [J/kg/K], t teplota vstupní vody, t teplota vratné vody, Q c celkový součet tepla [Ws, J], časový interval vzorkování [s]. Základem konstrukce vyhodnocovací jednotky je embedded systém postavený na bázi monolitického mikropočítače. Matematické výpočtové vztahy jsou pevně naprogramovány. Konstanty a rozsahy měření a diagnostika lze parametrizovat. Výstupy vyhodnocovací jednotky mohou být u parametru okamžitý výkon spotřeby v jednotkách W analogový, u okamžité spotřeby energie v jednotkách kwh/5min analogový a u celkové spotřeby energie (jednotky kwh nebo kj až GJ) datový. Všechny tyto výstupy mohou být datové. Analogová nebo datová forma může být u všech měřených parametrů (teplota, průtok). Obrázek - Měřidla tepla na horké vodě (LANDIS GYR, SIEMENS)

159 Měření tepelné energie 57. Měření tepelné energie ve vodní páře Vodní pára je další používané teplonosné médium. Výroba, distribuce a spotřeba tepelné energie je nutné přesně měřit především v obchodním styku. Schéma systému měření spotřeby tepelné energie ve vodní páře předkládá Obrázek -3. Do místa spotřeby, tj. např. do trubkového výměníku () je teplo dodávané jako sytá nebo přehřátá pára. Energetický stav dodávané tepelné energie je dán teplotou a tlakem proudící vodní páry. Teplota je měřená teploměrem (), tlak je měřen tlakoměrem (3), průtok vodní páry je měřen průtokoměrem (4). Tepelná energie je předávána ve výměníku tak, že se mění její stav, vodní pára na kondenzát v kapalné fázi. Na výstupu z výměníku jsou zbytky vodní páry kondenzovány, tj. mění se na kondenzát v kondenzační jednotce. Jeho teplota na výstupu je měřená teploměrem (5) a určuje teplo odváděné a nevyužité v kondenzátu. Toto schéma předpokládá, že veškeré hmotnostní množství vodní páry se vrací, tj. že nejsou žádné ztráty U n out 5 Obrázek -3 Schéma měření tepla u vodní páry Vyhodnocovací jednotka (6) má na vstupu připojeny stavové veličiny vstupní vodní páry (teplotu, tlak), hodnotu okamžitého průtoku a v případě přesného měření tepelné energie ve vodní páře ještě i teplotu vratného kondenzátu. Tepelný tok a energie ve vodní páře je vyhodnocována číslicově podle vztahu: Q F. e F. c. t a Q. (-) o p k c Q o,i kde je Q o okamžitý tepelný výkon [W], F okamžitý průtok [kg/s], e p entalpie při měřené teplotě a tlaku vodní páry [J/kg], c p měrné teplo vody při p=konst [J/kg/K], t k teplota kondenzátu, t teplota vratné vody, Q c celkový součet tepla [Ws, J], časový interval vzorkování. Vyhodnocovací jednotka je obdobně konstruována s monolitickým mikropočítačem. Matematické výpočtové vztahy jsou naprogramovány, konstanty a rozsahy měření a diagnostika lze parametrizovat. Velmi složité je určení entalpie vodní páry. Obecně je energetický obsah vodní páry dán v tabulkách vodní páry nebo matematickými vztahy jako funkce teploty a absolutního tlaku vodní páry. U měření pro vodní páru je dále signalizován např. pokles parametrů teploty a tlaku po hranici sytosti. Při tomto stavu u stanoveného měření se vypíná měření tepelné energie. A T P F Tk T P F Tk P Da P Db Obrázek -4 Schéma a provedení vyhodnocovací jednotky měření tepla u vodní páry Obrázek -4 přináší schéma a provedení přístroje pro vyhodnocování tepla u vodní páry (ZPA). Jednotka má dva oddělené a nezávislé kanály se vstupy T/ (teplota vodní páry např. snímač Pt00), P/ (snímač absolutního tlaku vodní páry), F/ (průtokoměr např. průřezový, vírový) a Tk/Tk (teplota vratu kondenzátu např. snímač Pt00). Výstupem je P/P okamžitý dodávaný tepelný výkon (kw) jako analogový signál a Da/Db datový výstup s přenosem údajů výkonu, energie, všech vstupních hodnot a servisních údajů..3 Měření tepelné energie v dodávaném zemním plynu Podle technických pravidel TPG G 90 0 pro přepočty dodávek plynu na energetické jednotky je od.4.00 fakturována dodávka zemního plynu v jednotkách [kwh] nikoliv v [m 3 ]. Hlavním důvodem je

160 Měření tepelné energie 58 objektivní hodnocení spotřeby s přihlédnutím k dalším vlivům (např. kolísání objemového spalného tepla, změny atmosférického tlaku podle nadmořské výšky odběru, provozního přetlaku) a sjednocení předpisů s legislativou EU. Pro dodávaný tepelný výkon v zemním plynu [kw] platí vztah: Q V. k. H (-3) c p o kde je V p provozní objem odebraného plynu [m 3 /h], k přepočtový koeficient, H o objemové spalné teplo [kwh/ m 3 ]. Přepočtový koeficient k vyjadřuje korekce provozního objemu na objem vztažný při teplotě t v =5 C a tlaku p v =0,35 kpa. Přitom platí: T p p p v b k.. (-4) T p K p v kde je T v, T p absolutní teplota vztažná a měřená provozní [T v =88,5 K, K], p b, p p tlak atmosférický v místě odběru a měřený provozní přetlak [kpa], p v tlak vztažný [0,35 kpa], K stupeň kompresivity [-]. Pro atmosférický tlak lze použít zjednodušený vzorec: p b 0,7 0,05.h (-5) kde je h nadmořská výška. Schéma měřicího obvodu uvádí Obrázek -5. Přívodní potrubí () pro zemní plyn je vybaveno měřením provozní teploty (), provozního tlaku (3), provozního objemového průtoku (4) a atmosférického tlaku (5), neníli použit zjednodušený vzorec pro nadmořskou výšku. Vyhodnocovací jednotka zajistí přepočet podle vztahu z technických pravidel. Vyhodnocovací jednotka (6) provádí výpočty. Pro výpočty dostává údaj o objemovém spalném teple dodávaného plynu H o pomocí analyzátoru (7). Pak se z naměřených dat vypočte přepočtový koeficient k s korekcí na nadmořskou výšku a vypočítává se dodávaný tepelný tok a provádí se výpočet sumy spotřeby energie od zadaného časového okamžiku U n RS 7 Obrázek -5 Vyhodnocovaní odběru zemního plynu Obrázek -6 Odběrové místi zemního plynu a chromatogram (DANIEL) Zemní plyn je směs plynných uhlovodíků a nehořlavých složek, především dusíku a oxidu uhličitého. Běžně používaný zemní plyn typu H má více než 90 % metanu (ruský plyn má v průměru 98,4 % metanu, 0,8 % ostatních uhlovodíků a 0,8 % nehořlavých látek; u norského plynu je poměr 93 %, 4,9 % a, %). Kromě složení plynu je třeba určit také fyzikální vlastnosti: hustotu a hutnotu.

161 Měření tepelné energie 59 Určení složení plynu se provádí v plynovém chromatografu. Vzorek plynu z potrubí o stanoveném objemu je přiveden do kolony chromatografu. Po rozdělení na jednotlivé složky jsou přivedeny na snímače nejčastěji tepelněvodivostní). Výstup tvoří časově závislá křivka, kde poloha vrcholu určuje druh analyzované látky a integrál plochy pod křivkou má hodnotu množství této látky ve vzorku. Důležitým parametrem zemního plynu je také jeho vlhkost, obvykle udávaná jako teplota rosného bodu. Snímač vlhkoměru má elektrodu potaženou vrstvou oxidu hlinitého. Vodní pára, která se v této vrstvě absorbuje, způsobuje změnu elektrického odporu, jež se ve snímači dále vyhodnocuje a zpracovává na výstupní signál. Ukázka odběru plynu a chromatografu ukazuje Obrázek -. Vyhodnocování dává více hodnot, seznam ukazuje Tabulka -. Tabulka - Seznam výstupních parametrů C metan % C etan % 3 C3 propan % 4 ic4 iso-butan % 5 nc4 n-butan % 6 ic5 iso-pentan % 7 nc5 n-pentan % 8 C6+ součet vyšších uhlovodíků % 9 N dusík % 0 CO oxid uhličitý % Hs spalné teplo kw h/m 3 d hutnota 3 **rn hustota (za norm. podmínek) kg/m 3 4 W Wobbeho index kw h/m3 5 r. b. rosný bod C.4 Poměrové měření spotřeby tepla Systém poměrového měření spotřeby tepla je určen pro indikaci a vyhodnocování nebo rozúčtování nákladů za vytápění u starší bytové výstavby. Je navrhován v souladu s technickými a legislativními podmínkami zákonů ČR. U starší výstavby nelze použít měření spotřeby tepla pro jednotlivý byt, protože přívod tepla je realizován několika přívodními potrubími. Použití většího počtu měření tepla je ekonomicky neúčelné. Řešení je provedeno tak, že se měří (s velkou hodnotou nejistot) poměr spotřeby na jednotlivých topných tělesech v bytě a ve všech bytech v domě stejným systémem a údaje jsou použity pro rozúčtování fakturace uživatelům. Je používáno několik přístupů: - Odpařovací indikátory. - Elektronické měření střední teploty na ploše topného tělesa a teploty v místnosti. - Elektronické měření teploty zpětné vody z topného tělesa a teploty v místnosti. Odpařovací indikátory (foto Obrázek -7) jsou umístěny na topném tělese, množství tepla, které vychází z tělesa do okolí, způsobuje odpařování speciální kapaliny. Změny množství odpaření za topnou sezónu je mírou množství tepla, které bylo spotřebováno z topného tělesa.

162 Měření tepelné energie 60 Obrázek -7 Odpařovací indikátor Elektronické řešení měření je realizováno dvěma způsoby (viz Obrázek -8). První metoda (viz část a) používá předpoklad, že tepelný tok z tělesa je funkcí střední teploty topného tělesa t t, jeho plochy S t a teploty vzduchu v místnosti t a. Pro tepelný tok platí vztah: Q h S.( h h ) (-6) t t. t t a t a t a t t,s t t a) Obrázek -8 Nepřímé měření spotřeby tepla na topném tělese Druhá metoda vychází z předpokladu, že tepelný tok je funkcí teploty vratné vody z tělesa t a teploty vzduchu v místnosti t a. Obrázek přináší i provedení skutečných poměrových elektronických měřidel. Pro princip a) je to měřidlo SIEMENS (ze systému SIEMACA) a pro princip b) měřidlo firmy VIPA. Anglický název poměrového měřidla je electronic heat cost allocator. b) Více:

163 Měření elektrické energie 6 3 Snímače a převodníky elektrických veličin Měření elektrických veličin v průmyslové automatizaci se týká parametrů elektrické energie. Jsou to veličiny: - elektrický výkon a energie - elektrický účiník - frekvence elektrické energie. - elektrické napětí - elektrický proud. Silová elektrická energie používána v technologických procesech ve velkém rozsahu. Pro sledování její spotřeby nebo výroby se měří hodnota její energie a výkon. Současně se sledují i další elektrické parametry: napětí nebo proud nebo kmitočet nebo posun fází jako účiník. Parametry pro stejnosměrný proud jsou měřeny stejně mimo účiníku a frekvence, ale v podstatně menším rozsahu. Obrázek 3- Mapa přenosové soustavy velmi vysokého napětí v ČR Měření parametrů u AC rozvodů se týká několika úrovní. Schéma přináší Obrázek 3-. Vrcholem rozvodů AC je přenosová soustav státu. Jedná se o SVN (super vysoké napětí, 0kV, 400kV, mimo ČR i 700 kv). Nižší stupeň tvoří rozvody 0 kv. Pokrývá malé území v krajích (např. Zlínský kraj má 3 rozvodny). Další úroveň je síť VN o napětí kv. Tyto rozvody jsou pro část města, rozvod pro vesnice, rozvod pro menší výrobní podniky. Nejnižší úrovní je síť 0,4 kv/0,3kv. Výroba elektrické energie je ve velkých elektrárnách. Elektřina se vyrábí v generátorech o napětí 6,3 kv, proto je výstup veden na transformátory (4) připojené zpravidla na síť VVN. Další výroba se provádí ve větrných elektrárnách, zpravidla seskupení několik jednotek. Výstup z jejich generátorů je transformován na úroveň VN sítě. Solární elektrárna vyrábí DC elektřinu, výstup z panelů je převáděn na AC elektřinu a ta je připojena zpravidla na blízkou síť NN. Dále se vyskytují výroby v kogeneračních jednotkách, jejich výkony jsou malé, jsou zpravidla připojeny na vnitřní síť majitele. Odběratelé se dělí podle druhu připojení na úroveň rozvodné sítě. V podmínkách ČR je to skupina velkých odběratelů třídy A. Jsou napojeny na rozvodnou síť VVN (0 kv), mají ve své režií a zodpovědnosti vlastní transformátory 0kV/kV a kv/0,4kv.

164 Měření elektrické energie 6 SVN U AC (>00kV) 3 VVN U AC (0kV) VN U AC (kv) NN U AC (0,40kV) 4 Odběr A 6 U DC Elektrárny Odběr B 5 Solární pole Odběr C Větrné elektrárny Odběr D Obrázek 3- Úrovně silových AC rozvodů Nižší třída odběratelů jsou odběratelé B. Jsou napojeny na síť VN (kv), mají vlastní transformační soustavy kv/0,4kv. Na síť NN (0,4kV) jsou napojeni odběratelé třídy C (odběratelé s přípojeným jističem >00A) a odběratelé třídy D (domácnosti s přípojnými jističi v hodnotách 5A, 0A, 6A, 5A, 3A a 63A). Měření výkonů a přenosů, výroby a odběrů elektrické energie se provádí ve všech místech soustavy, např. u trafostanic (,, 3, 4, 5), u převodů napětí (6), u všech odběratelů tříd A, B, C, D. Na těchto místech pro AC se dále sledují parametry: napětí AC (Vef, Vp-p), proud AC ef, frekvence, účiník. Podobné požadavky má i měření DC (Direct current) stejnosměrného zapojení. Je to výkon, energie, napětí, proud. 3. Teorie elektrického napětí a proudu Elektrické obvody jsou používány v režimu stejnosměrném a střídavém. Převážná část stejnosměrných obvodů jsou u slaboproudých zařízení, snad s výjimkou silových přenosů na velké vzdálenosti o napětí nad 000 kv (např. při propojení národních přenosových soustav mezi státy). Naopak silové obvody jsou používány pro pohony v průmyslu, pro rozvody v budovách, pro výrobní i nevýrobní technologie. Problematiky měření parametrů je zčásti shodná, z části různá. 3.. Stejnosměrné napětí a proud Stejnosměrné napětí a proud má hodnotu vůči OV během dané měřicí periody stejné polarity. Pro účely měření základních parametrů se nebude uvažovat impulzní a periodické průběhy. Základní zákony: Ohmův zákon: U I. R (3-) kde je U DC napětí, I DC proud, R rezistance nezávislá na dynamických změnách. Ohmický odpor (rezistance): R. l / S (3-) kde je R ohmický odpor, měrný odpor, l délka vodiče, S průřez vodiče. Elektrický výkon: P U. I U / R I. R (3-3) kde je U DC napětí, I DC proud, R rezistance nezávislá na dynamických změnách. Elektrická energie: E (3-4) P i kde je P DC výkon v čase i.

165 Měření elektrické energie Střídavé napětí, proud a další veličiny Střídavé napětí a proud se mění v rámci jedné periody vůči OV ve dvou polaritách. Pro účely měření základních parametrů se bude uvažovat jen periodický průběh. V obvodech elektrického proudu ovlivňují dynamické chování obvodu prvky obvodů, tj. rezistence, kapacita, indukčnost a projevují se jako rezistance (R), kapacitance (X C ) a induktance (X L ). Ve vektorovém vyjádření je to impedance podle vztahu: Z R X C X L (3-5) Obrázek 3-3 přináší průběh napětí a proudu během jedné periody v obecném obvodu, tj. s prvky impedance. Vlivem impedance není proud I=fce() ve fázi s napětím U=fce(). Podle charakteru impedance proud předbíhá (charakter indukčnostní) nebo se zpožďuje (charakter kapacitní) vůči napětí o úsek j. U,I U=fce( ) I=fce( ) j Obrázek 3-3 Průběh U a I jedné periody u střídavého obvodu Charakter impedance vytváří spotřebiče, nejčastějším u silových obvodů je indukčnost cívek elektrických motorů. Schémata uvádí Obrázek 3-4. M U AC,IAC, Z U AC,IAC R Z j R X L X L Obrázek 3-4 Impednace u AC elektrického motoru Pozice a) zobrazuje AC (Alternating current) elektrický motor napájený U AC. Motor obsahuje cívky na magnetickém jádru o impedanci Z a motorem prochází proud I AC. Pozice b) obrázku zobrazuje náhradní schéma motoru. Cívky je nutné si představit jako paralelní zapojení ohmického odporu o rezistanci R (odporu měděných vodičů) a indukčnosti o induktanci X L. Charakter kapacitance cívky pro frekvenci 50 Hz se zanedbává. Výsledná impedance je vektorový součet zobrazený na pozici c). Vektor impedance je svírá s reálnou osou úhel j, který současně znamená posunutí proudu vůči napětí. Pro absolutní hodnotu impedance Z a pro úhel j platí: Z R X (3-6) L a) b) c) j tg X / R (3-7) L Pro vyhodnocení parametrů AC obvodů se dále ještě definuje činný výkon a reaktanční (jalový) výkon. Jednotky jsou různé, pro činný je to Watt, pro reaktanční je to Volt Ampér, VA R. Elektrický výkon činný: P U AC / R I. R (3-8) AC Elektrický výkon reaktanční: P U AC / X L I AC. X (3-9) L Elektrický výkon celkový: AC P U AC / Z I. Z (3-0)

166 30 V AC (V ef) 30 V AC (V ) ef 400 V AC (V ef) 400 V AC (V ef) 400 V AC (V ef) 30 V AC (V ) ef Měření elektrické energie 64 kde je U AC AC napětí, I AC AC proud, R rezistance nezávislá na dynamických změnách, X L je induktance závislá na frekvenci. Další specifika AC obvodů je zapojení jednofázové a třífázové. Standardní silový rozvod 50 Hz má tři fáze, označované L, L. L3 a střední vodič N a u soustavy TS-N ještě PE. Schéma zobrazuje Obrázek 3-5. fází vůči vodiči N je vždy 30 V AC, napětí mezi fázemi je 400 V AC. L L L 3 N PE Obrázek 3-5 Napětí fázových vodičů Vyjadřování hodnot pro AC parametry je definováno jako hodnota efektivní. Definici pro napětí uvádí. Efektivní hodnota je statistická hodnota měřící velikost měnící se veličiny. Efektivní napětí je napětí virtuální a U ef = U AC =U RMS je definováno pro jednu periodu jako napětí, které je rovno hodnotě stejnosměrného napětí, které by dalo stejný průměrný výkon. V praxi se neuvádí název efektivní, ale u střídavých veličin AC se míní tato hodnota. Výpočtový vztah pro obecný průběh efektivního napětí je: U ef T o u. T d (3-) kde je u() okamžitá hodnota napětí v kroku i, je časový okamžik, T perioda. Pro sinusový průběh lze použit vztah: U ef U max U max o sin. d (3-) U,I U ef U max U avr U p-p U=fce( ) Obrázek 3-6 Vyjadřování hodnot napětí pro AC obvody Obrázek 3-6 uvádí vyjadřování veličin pro napětí AC a obdobně vše platí pro další parametry, jako je proud, výkon, energie. Zde je uvedeno napětí U ef (v anglické terminologii je to ef=rms Root Mean Square), napětí maximální vrcholové U max a napětí mezi dvěma protilehlými vrcholy U p-p (pick - to - pick, špička špička). Další veličinou je střední absolutní hodnota U avr :

167 Měření elektrické energie 65 U AVR T. U U max ef. u. d 0,6366. U max T (3-3),07 o Matematicky jde o takové napětí, které má za periodu stejnou plochu pod křivkou jako AC průběh. Střední hodnota je vlastně napětí naměření stejnosměrným voltmetrem, za předpokladu usměrnění např. Grätzovým můstkem. Některé elektromechanické měřicí přístroje proto měří místo U ef hodnotu U stř a pak ji násobí konstantou,07. To může být zdrojem systematických chyb při měření neharmonických průběhů. Ohmův zákon pro AC: U I. Z (3-4) kde je U AC efektivní napětí, I AC efektivní proud, Z impedance závislá na dynamických změnách. Pro napětí sdružené (mezi fázemi) platí funkce fázového napětí: U. 3 (3-5) S U f Pro proud lze vyjádřit proud fázový (fáze vůči nulovému vodiči) nebo proud sdružený (mezi fázemi): I S I f. 3 Pro střídavý příkon činný efektivní se používá vztah: P U I.cosj nebo U I.cosj f f f s s s (3-6) P (3-7) 3. Prostředky pro měření AC výkonu a AC energie Spotřeba nebo výroba elektrické energie se hodnotí podle výkonu a vykonané práce. Měřicí přístroje pro střídavou AC silovou elektřinu jsou hlavní dva principy: - Dynamický s elektromagnetickým systémem. - Statický s embedded mikroelektronickým systémem. 3.. Dynamické elektroměry Měření elektrického výkonu a energie pomocí dynamického principu je klasický původní způsob. Schéma uvádí Obrázek 3-7. N L 5 N L a) Obrázek 3-7 Schéma dynamického jednofázového elektroměru (a přímý, b - nepřímý) Pro střídavý elektrický síťový proud využívají dynamické elektroměry() indukční soustavu s postupným magnetickým polem. Dvojice cívek, proudová () a napěťová (3) vytváří elektromagnetické pole úměrní součinu U.I. Magnetický obvod prochází přes hliníkový kotouč (4), kde se indukují vířivé proudy, které způsobují točivý moment a otáčení kotouče. Točivý okamžitý moment je úměrný okamžitému výkonu podle vztahů: M=(k.U.I.sin(90 -j ))...pro činnou energii (3-8) M r =-(k.u.i.sin(j ))...pro jalovou energii (3-9) b)

168 Měření elektrické energie 66 kde je k konstanta elektroměru, U efektivní elektrické napětí, I elektrický odběrový efektivní proud, j fázový posuv. Otáčivý pohyb kotouče je převádí na počítadlo (5) nebo na impulzní výstupní signál snímače otáčení (6). Hodnota elektrického výkonu je dána frekvencí otáčení kotouče a energie se stanoví podle počtu otáčení za časový okamžik. Elektroměry jsou vyráběny pro jednofázové nebo třífázové zapojení a jsou připojeny přímo nebo přes měřící transformátory napětí (7) a nebo proudu (8). Současný stav výroby elektroměrů má pro přímé elektroměry napěťovou cívku na napětí 30V a proudová cívka je pro proud 5A, 0A, 6A, 5A, 3A, 6A. Takové připojení je určeno především odběratelům kategorie D. Elektroměry pro nepřímé připojení jsou vyráběny s napěťovou cívkou na napětí 00V a proudová cívka je pro proud 5A. Nepřímé připojení je určeno pro odběratele kategorie A nebo B. Polopřímé připojení je s použitím elektroměrů s napěťovou cívkou na napětí 30V a s proudovou cívkou pro proud 5A. Také připojení je zpravidla pro odběratele kategorie C. Elektroměry jsou vybaveny i vyhodnocováním energie pro více tarifů (ŠT špičkový tarif, VT vysoký tarif, NT nízký tarif). Přepínání tarifů je podle signálů HDO (hromadné dálkové ovládání) nebo podle externích hodin. Třída přesnosti dynamických elektroměrů je.6 nebo. Konstrukce cívek a jejich upořádání umožňuje konstruovat elektroměry pro činný výkon a energii nebo pro jalový výkon a energii. Ukázky skutečného provedení dynamických elektroměrů přináší Obrázek 3-8. Druhý ve vyobrazení má dva tarify (dvě počítadla). Obrázek 3-8 Ukázky dynamických elektroměrů (KŘIŽÍK) 3.. Elektroměry statické Elektroměry statické jsou vlastně zapojení elektronických obvodů pro měření napětí, proudu a posuvu jejich fází a pro následný matematický výpočet výkonu a energie. Měřicí algoritmus používá metody pulzní šířkové modulace. Schéma přímého jednofázového statického elektroměru uvádí Obrázek 3-9.

169 Napěť.ochrana Měření elektrické energie 67 U N U L U L U L3 N I L I L Dělič napětí Integrátor Dělič napětí Integrátor Měřicí IO (činná energie) Měřicí IO (jalová energie) displej DO w Optický přenos odečtů DO r I L3 Řízení tarifů Řízení RT Řízení displeje Obrázek 3-9 Blokové schéma statického elektroměru Elektroměr je napojen jednak na fázová napětí (U Lx ) o hodnotě 30VAC nebo 00VAC, jednak na proudové převodníky (I Lx ) o hodnotě 0-5AAC. Vstupní síťové napětí je nejdříve galvanicky odděleno a následně poděleno na úroveň 5VAC. Elektrický vstupní proud je převáděn na napětí v převodnících na bázi Hallova efektu. Elektrický výkon je vypočten podle výše uvedených vztahů s tím, že se vypočítá současně činná i reaktanční hodnota a potřebný fázový posuv se vyhodnocuje současně ve vnitřních obvodech. Elektrická energie činná a reaktanční se podle okamžité hodnoty výkonu vyhodnocuje integrací. Vypočtené hodnoty výkonu a energie se mohou zařazovat do registrů pro vyhodnocování dalších údajů. Především u odběratelů kategorie A a B se vyhodnocuje: - Okamžitý výkon případně energie v jednotkách Ws. - Spotřeba elektrické energie pro období měsíc pro 4 tarify. - Spotřeba elektrické energie pro periodu 5 min, tzv. čtvrthodinový výkon pro období měsíc a pro 4 tarify. - Průměrná hodnota okamžitého výkonu ve zvoleném období (např. měsíc) a další statistické údaje (rozptyl, maximum a minimum). - Případně další volitelné a parametrizovatelné údaje. Data jsou ukládána v registrech a paměti elektroměru. Např. pro kategorie odběratelů A nebo B jsou to údaje: - Průměrné okamžité výkony a statistické doplňují data pro tarify a činnou a reaktanční složku: 3 údajů. - Celková spotřeba elektrické energie za měsíc pro tarify a činnou a reaktanční složku: 8 údajů. - Čtvrthodinové výkony pro 3 dnů, pro 4 tarify, pro činnost a reaktanční složku: 3808 údajů. - Celkem 3848 údajů. Jedná se o velké množství údajů a hlavním problémem je jejich přenos do informačního systému. Zcela výjimečně mají současné statické elektroměry analogové výstupy. Nejčastěji je to impulzní výstup, kde jeden impulz se rovná konstantě spotřeby k e (kwh). Tento impulzní signál mohou požít pro místní paralelní vyhodnocování. Stav registrů, které obsahují spotřeby, mají až 6 nebo 8 platných čísel. Takový údaj se může přenášet jen datovou komunikaci. Protože ale elektroměr je v prostředí silného elektromagnetického pole, nepoužívají se standardní datové průmyslové sítě (RS485). Další o komunikacei a přenosu dat v samostatné kapitole. Předností statických elektroměrů je jednoduchost na výrobu, nepoužívání rotačních a mechanických částí, provozní spolehlivost a vyšší třída přesnosti až 0,5. Další a hlavní předností je, že jsou schopny vyhodnotit požadavky na odběratele kategorie A i B a že umožňují přenos dat moderními komunikačními technologiemi. Pro měření střídavých a stejnosměrných elektrických výkonů a energie se rozšiřuje používání senzoru s Hallovým elementem. Tento prvek plní funkce převodníku proudu DC i AC na napětí. Je hlavním prvkem pro proudové vstupy u statických elektroměrů. Schéma funkce uvádí Obrázek 3-0.

170 Měření elektrické energie 68 B i I N U out Obrázek 3-0 Schéma funkce a provedení převodníku s Hallovým prvkem. Magnetická indukce B i se vytváří úměrně měřenému proudu kolem vodiče v cívce elektromagnetu. Hallův prvek je napájen proudem I i, ten prochází elementem a kolmo na vektor magnetické indukce a vektor proudu se vytváří Hallovo napětí U out. Toto napětí je dáno jako součin magnetické indukce, napájecího proudu a Hallovy konstanty k H. Velkou předností je malá velikost, možnost měřit proudy ve velkém rozsahu, použít i pro měření stejnosměrného výkonu a velká přesnost i pod 0,6 %. Skutečné provedení převodníků pro měření proudu zobrazuje Obrázek 3-0. Obrázek 3- Moderní statické elektroměry jsou různého provedení (ZPA, LANDIS). Ukázku některých statických elektroměrů uvádí Obrázek 3-. V praxi se také používají různé ruční přístroje tzv, wattmetry, kombinované měřiče spotřeby a různé analyzátory spotřeby a sítě. Ukázky uvádí Obrázek 3-. Jsou určeny převážně pro kontrolní a servisní účely. Obrázek 3- Přístroje pro měření příkonu (FLUKE), kombinované měření spotřeby VOLTGRAFT, analyzátor sítě CIRCUTOR) 3.3 Měření kvality sítě Termín kvalita sítě se týká několika různorodých oblastí vazeb vlastní distribuční sítě na zapojené spotřebiče odebírající energii. Do určitého rozsahu je úzce napojena na problematiku elektromagnetické kompatibility, ale vyznačuje se specifickými přístupy pro nízké frekvence sítě (50Hz a harmonické) a pro velké proudy a silné magnetické pole. Mezi základní sledované a hodnocené parametry napájecí silové sítě patří:. Kmitočet sítě. Velikost napětí sítě 3. Odchylky napájecí sítě 4. Rychlé dynamické změny napětí (jejich velikost, časová charakteristika, míra vjemu flikru) 5. Krátkodobé poklesy napětí 6. Nesymetrie napájecího napětí 7. Harmonická a mezi harmonická napětí. 8. Krátkodobé nebo dlouhodobé přerušení napájení 9. Přepětí mezi živými vodiči a zemí.

171 Měření elektrické energie 69 Příkladné zařízení může být přístroj FLUKE 437. Na obr. a) je ukázán vnější vzhled, zapojení přístroje na třífázový systém je na obr.. Různé možnosti měření podle druhů sítí je na b), které lze konfigurovat. Měřicí systém Fluke 437, zapojení pro měření a typy sítí. 3.4 Přenos dat a komunikace Protože moderní elektroměry měří a uchovávají velké množství údajů během měření mezi dvěma odečítáními, např. jeden měsíc, bylo nutno řešit způsoby dálkové odečítání údajů. V evropském měřítku je používány dálkové odečítání údajů z elektroměrů způsoby uvádějící Obrázek 3-3. První způsob je odečítání přes optické nebo rádiové propojení elektroměru se záznamníkem u člověka. Toto se dnes hojně používá ve společných rozvodnách. Vyžaduje to přístup na krátkou vzdálenost k elektroměrům (cca do 5 m). Obrázek 3-3 Moderní odečítání údajů z elektroměrů. Druhý v pořadí obrázek ukazuje odečítání do záznamníku, které je v automobilu jedoucí ulicí kolem venkovních měřících rozvaděčů. Třetí způsob je moderní řešení, ke kterému směřuje vývoj. Je to komunikace využívající jako přenosové médium vodiče silového rozvodu. Některé evropské přenosové společnosti iniciovaly pro tento způsob normu IEC6850. Současný výsledky výzkumu a vývoje v této oblasti jsou ovlivněny trendy inteligentních sítí, decentralizovaných zdrojů elektrické energie apod. A A A3 A4 elektro voda teplo ZP další energie RS485 L N A6 A5 DI PWM DO Obrázek 3-4 Komunikace PLC (SCHNEIDER)

172 Měření elektrické energie Hromadné dálkové ovládání Hromadné Dálkové Ovládání (HDO) - je soubor technických prostředků (vysílače, přijímače, centrální jednotky, přenosové cesty apod.) umožňujících vysílat povely nebo signály pro zapínání nebo vypínání spotřebičů, přepínání tarifů dálkovým způsobem. Využívají přitom přenosových médií vodičů přenosové nebo rozvodné soustavy. Informace ve tvaru impulsního kódu je vysílána s kmitočtem cca 00kHz z vysílače HDO a je superponována na základní kmitočet energetické sítě 50 nebo v některých zemích 60 Hz. Signál HDO je vysílán do každé fáze z rozvoden 0/ kv do distribuční sítě (kv, 0,4 kv). Při vhodně zvoleném pracovním kmitočtu se informace spolehlivě šíří do všech částí distribuční sítě až k místu odběru (spotřeby) elektrické energie. Informaci HDO je tedy možno identifikovat v libovolném místě této energetické sítě. Po vyslání povelu do rozvodné soustavy dojde k zapnutí, resp. vypnutí všech spotřebičů, které jsou přes stykač připojeny k přijímači HDO reagujícího na vyslanou frekvenci. Přijímač HDO je obvykle umístěn v elektroměrovém rozvaděči u odběratele. Provedení obsahuje Obrázek 3-5. L N HDO KA KA KA3 KA4 KA5 Obrázek 3-5 Schéma funkce a přijímač HDO Systém HDO využívá hromadný efekt, to znamená, že na vysílání jedné informace reagují v dané energetické síti přijímače, které jsou pro její příjem příslušně nastaveny. Počet přijímačů v energetické síti přitom není omezen výkonem vysílače, závisí pouze na zájmu nebo možnostech odběratelů (druh odběru, tarifní politika, apod.). Distributoři elektrické energie mají jednotlivé kmitočty rozděleny tak, aby nedocházelo k ovlivňování dálkově řízených spotřebičů u jiných distributorů. Režimy řízení spínání/vypínání je pomocí kanálů, např. pro 5 kanálů pro 5 relé pro větve: Kanál relé Větev Funkce KA TAR přepínání tarifu NT / VT / ŠT KA TUV zap/vyp ohřev teplé užitkové vody KA3 AKU zap/vyp nabíjení akumulačních topidel KA4 PV zap/vyp přímotopné vytápění KA5 TČ použití tepelného čerpadlo 3.6 Řešení Chytré sítě Téma chytré sítě (Smart Grids) je velmi aktuální ve spojení s trendy Průmysl 4.0. Začíná to vyžadovat praxe. Do soustavy se ve vysoké míře zapojují nepredikovatelné zdroje např. typu solárních nebo větrných elektráren. Tyto zdroje pracují podle povětrnostních podmínek a přenosová soustava musí zvládat špičkové odběry a naopak přebytečnou energii někde uskladnit. Energetika se současně vydává cestou decentralizace, daleko větší digitalizace, flexibility a cestou autonomních ostrovů, které budou schopny fungovat po určitou dobu nezávisle na svém okolí. Autonomní provozy budou využívány a rozvíjeny jak firmami, tak sídelními jednotkami. Proto je potřeba nových nástrojů, které by umožnily odpovědným subjektům, například distribučním společnostem i odběratelům soustavu řídit a používat. Cílem koncepce chytré sítě je, aby všechny objekty pomocí automatizovaného energetického řídicího systému vzájemně komunikovaly, regulovaly svoje energetické nároky, uskladňovaly nevyužitou energii a dodávaly vlastní vyprodukovanou energii do rozvodné sítě. Umožňují kvalitní měření, digitalizaci dat, dálkové

173 Měření elektrické energie 7 ovládání a obousměrnou komunikaci mezi koncovým odběrným místem a řídícím datovým centrem na straně správce distribuční soustavy. Tato řešení velkou měrou bude přímo i nepřímo chránit životní prostředí, např. vysoce účinnou integrací obnovitelných zdrojů nebo efektivním řízením spotřeby. Na této cestě se musí udělat ještě mnoho práce. Zařízení elektroměrů nebudou jen měřidla, ale aktivní řídicí jednotky pro odběrné místo. Tam bude nejen spotřeba, ale i výroba elektřiny, tam bude její akumulace, domácí i průmyslové spotřebiče budou inteligentní, budou reagovat na stav sítě. Změní se celé pojetí elektro energetiky: dnešní stav počítá s kontrolovanou výrobou a náhodnou spotřebou, chytrá síť bude se chovat opačně. Velmi důležité bude řešení kyberbezpečnosti. Smart Grid Terminál S650 (Landis Gyr) Příklad měřicího terminálu pro chytré sítě lze najít v nabídce společnosti Landis Gyr, typ S650, SmarT Grid Terminal. ( ). Funkčně zajišťuje jednak měření (UL-N, UL-L, I, In, P, Q, cosφ, PF, THD, nesymetrie napětí a proudu atd.), analýzy a vyhodnocování hodnoty v zátěžových profilech pro analýzy sítě a odběru, optimalizaci ztrát, problémy s rozložením zátěže a harmonickými kmity atd., jednak ovládání spotřeby podle situaci na síti, jednak zajišťuje komunikaci s dodavateli a výrobou energie (typy RS3, RS485) přes datový koncentrátor DC450. Ve spolupráci Landis Gyr a Toshiba je vybudován pro japonské TEPCO (Tokyo Electric Power Company), komunikační systém pro inteligentní měření a související systém pro správu naměřených dat (MDMS) podle trendů Smart Grids. 3.7 Měření elektrického napětí Základním parametrem elektrické energie je elektrické napětí. Elektrické napětí je napětí (pasivní část obvodu) nebo elektromotorická síla, tj. napětí (aktivní část obvodu), které je rozdílem dvou elektrických potenciálů. Jednotkou je Volt jako veličina elektromotorické síly nebo úbytku napětí na odporu při průchodu elektrickým proudem. Pro střídavé harmonické nebo impulzní elektrické napětí se dále definuje mezi vrcholová (V p-p ), maximální (V max ), střední (V avr ), nebo efektivní (V ef =V AC =V RMS ) hodnota napětí. Vztahy jsou uvedeny v kapitole teorie. Pro DC napětí se používá jedna hodnota napětí. Měření parametrů pro AC napětí vyžaduje speciální zapojení a jsou již k dispozici integrované obvody pro realizaci zapojení. Nejběžnějším parametrem je hodnota (V ef ). Příkladem je obvod AD 736 ( Další řešení lze nalézt na nebo obvod LTC 966. Technické prostředky pro měření jsou používány různého provedení. Běžnými jsou přístroje digitální v provedení ruční (multimetry), stolní a jako převodníky do rozvaděčů. Ukázky přístrojů obsahuje Obrázek 3-6. Obrázek 3-6 Provedení prostředků pro měření napětí (GHV, FLUKE)

174 Měření elektrické energie 7 Místní měření střídavého napětí používá elektrodynamické mechanické měřidla. Příkladem konstrukce je schéma Obrázek 3-7. Magnetické jádro () je z permanentního magnetu nebo elektromagnetu vytvořeného proudovou cívkou (3). Měřené napětí je přivedeno do napěťové cívky (). Rozdíl magnetického pole vytvořeného napěťovou cívkou a jádrem vytváří moment sil, který vychyluje ručičkový ukazatel (4) do polohy úměrné měřenému napětí, případně při proměnném proudu proudové cívky do polohy úměrné součinu (U*I), tj. elektrickému výkonu. Hodnota se odečítá ze stupnice (5). Předností těchto přístrojů je měření bez potřeby napájení. Používají se proto na místech místního měření, panelech, rozvaděčích Obrázek 3-7 Schéma elektrodynamické měření napětí a provedení přístrojů (GHV TRADING) 3.8 Měření elektrického proudu Elektrický proud je základní jednotka soustavy SI. Proud A je definován proudem, který při stálém průtoku dvěma rovnoběžnými přímými velmi dlouhými vodiči zanedbatelného kruhového průřezu ve vakuu při vzdálenosti vodičů m od sebe vyvolá mezi vodiči sílu o velikosti.0-7 N (m.kg.s - ) na m délky. V praxi se měří stejnosměrný, střídavý a impulzní proud. Obecně platí, že při měření proudu převádíme elektrický proud na napětí. Nejjednodušší převod proudu na napětí lze provést pomocí měřicího odporu, tzv. bočníku. Bočník je přesný a stabilní odpor vřazený do obvodu a při průchodu měřeného proudu vzniká na něm úbytek napětí podle Ohmova zákona: U i =I i *R i. Hodnota elektrického odporu musí být co nejmenší a musí mít nulovou indukčnost a kapacitu, aby jednak neovlivnil průtok proudu, jednak aby nezpůsoboval zdánlivý odpor celého obvodu. + - U =...35 V ss N i m R R R k Příklad převodu proudu unifikovaného signálu 4 až 0 ma na napětí v obvodech měření ukazuje Obrázek 3-8. Převodník měřené veličiny podle velikosti vstupní veličiny vnucuje výstupu úměrný proudový signál. Ve výstupním obvodu je napáječ s napětím..35 V ss a série odporů R, R, až R k představující vnitřní odpor jednotek zpracovávající signál převodníku nebo předřadný odpor jednotky s napěťovým vstupem. Na odporech vzniká úbytek napětí podle vztahu: U =i *R U m =i m*r U k=i m*rk Obrázek 3-8 Převod unifikovaného proudového signálu 4..0 ma na napětí U i. R i m i. Velikost odporu volíme jednak podle velikosti vstupního odporu zapojované jednotky, jednak podle požadovaného vstupní napětí s tím, že součet všech odporů musí být menší než nejvyšší odporová zátěž pro unifikovaný signál ma, tj. menší než 750 Ohm. Při převodu velkých stejnosměrných proudů na napětí nelze bočníky použít, protože na nich vzniká velký tepelný výkon. V dřívějších dobách se používaly transduktory. Moderními způsoby převodu AC i DC proudu na DC napětí je použití Hallových prvků. Jejich princip a ukázku provedení uvádí Obrázek 3-0. Při převodu velkých střídavých proudů se používají převodní transformátory. Jedná se o přesné měřicí transformátory převádějící velký proud, např. i p = 65A, 00 až 000A, 500A na proud nejčastěji i s =5 A. Převodní transformátor je zpravidla nasunut na plochý nebo kruhový vodič a převod se provádí přes malou vzduchovou mezeru. Současně je provedeno galvanické oddělení. Schéma ukazuje Obrázek 3-9.

175 Měření elektrické energie 73 i p i s= 5 A Obrázek 3-9 Schéma a provedení měřicích transformátorů proudů, provedení převodníku proudu (GHV) 3.9 Měření frekvence sítě Velmi důležitým parametrem pro řízení rozvodné soustavy je frekvence střídavého síťového napětí. Původní mechanická měřidla používala principu vibračních ladiček (viz Obrázek 3-0) Obrázek 3-0 Mechanické a elektronické měření síťové frekvence V současné době jsou ale nahrazovány snímači a převodníky síťové frekvence s analogovými a především číslicovými obvody. Analogové metody využívají měření střední hodnoty napětí klopného obvodu řízeného měřenou frekvencí. Číslicové metody jsou založeny na měření doby jedné periody podle přesné hodinové frekvence procesoru. Třída přesnosti a citlivost u elektronických obvodů je podstatně větší než u mechanických nebo analogových. Příklad provedení převodníku síťové frekvence nese v druhé části Obrázek Měření účiníku Účiník je hodnota cos j fázového úhlu j mezi proudem a napětím jednofázové sítě se sinusovým průběhem nebo symetricky zatížené tří fázové sítě. Principem měření je měření vzdálenosti průchodu nulou průběhu proudu a napětí. Hodnota účiníku se mění podle druhu zátěže sítě a nabývá hodnoty: - 0 až - (proud předbíhá napětí, v praxi reálná hodnota při zapojení kapacitní zátěže nebo kompenzačních kondenzátorů) - 0 až + ( proud se zpožďuje za napětím, v praxi reálná hodnota při zatížení induktivní zátěží). Převodník je zapojen na měřenou síť napěťovým a proudovým vstupem, obdobně jako převodník střídavého elektrického výkonu. Schéma zapojení převodníku a jeho reálné provedení uvádí Obrázek 3-. N L i I m U m účiník cosj Obrázek 3- Zapojení převodníku pro měření účiníku, provedení převodníku (GHV) 3. Doplňující prostředky měření Pro připojení elektroměrů a ostatních převodníků elektrických veličin jsou používány různé doplňkové jednotky. Pro přizpůsobení vstupního napětí nebo proudu měřeného místa a vstupu přístroje jsou to nejčastěji

176 Měření elektrické energie 74 převodní transformátory. Měřicí rozsah elektroměrů na vstupních svorkách je pro nepřímé nebo polopřímé měření nejčastěji v hodnotách 00 V ef. Připojení na elektrické vedení kv, 0 kv, 00 kv, 400 kv je pak možné odpovídajícím převodním napěťovým transformátorem. Pro připojení elektroměru z pohledu rozsahu elektrického proudu jsou používány převodní proudové transformátory. Jejich poměr je dán řadou 63/5, 00/5,..až 000/5, kde hodnota 5 je vstupní rozsah proudu 5A u elektroměru. Převodní transformátory mění celkovou konstantu elektroměru s tím, že se uplatní konstanty elektroměru k e, konstanty napěťového k U a proudového transformátoru k I jako součin všech použitých konstant podle vztahu: k k. k. k (3-0) e U I

177 Snímače údajů z nosičů 75 4 Snímání nosičů Informační systémy pracují s údaji, které jsou získávány různými způsoby podle charakteru informačního systému. Tyto údaje a data se získávají jinými zařízeními než z okruhů automatického měření (např. teplota, tlakové veličiny, průtok, výška hladina, atd.). Zařízení pro snímání údajů jsou jen část celé problematiky získávání dat a údajů a jejich zpracování na informace. Jsou uvedené některé základní technické prostředky pro snímání nebo získávání dat a údajů. Je uveden popis a parametry zařízení pro: Snímání čárových kódů. Magnetické karty Snímání údajů u RFID Snímání tiskovin Biometrické systémy. Takto získaná data jsou aplikována vedle čistě informačních systémů i u systému automatizace anebo systémů bezpečnostních (elektronické požární systémy EPS, elektronické zabezpečovací systémy, elektronické autentizační systémy, elektronické přístupové systémy, docházkové systémy, systémy úřadů státní správy ap) 4. Systémy čárových kódů Čárové kódy jsou velmi efektivní způsob práce s daty a údaji. Nositelem informace k těmto datům a údajům je u čárových kódů proužek s vytištěnou kombinací pruhů černých a bílých polí nebo matice bodů černých a bílých. Čárový kód je dnes jeden ze způsobů a nástrojů automatické identifikace. Získal si významné postavení v systémech SIA v obchodní síti, v průmyslové praxi, úřadech ap. Pro práci s čárovým kódem jsou použity technické prostředky: snímače, vyhodnocovací jednotky, tiskárny, prostředky pro přenos signálů a dat. Čárový kód je množina střídavě natištěných tmavých čar a světlých mezer. Posloupnost znaků vyjadřuje údaj, který může znamenat: číslo výrobce, číslo výrobku, místo uložení ve skladu, číslo série nebo dokonce jméno určité osoby, které je např. povolen vstup do jinak uzavřeného prostoru. Systém EAN-UCC je soubor norem, který umožňuje jednoznačně pracovat s čárovými kódy. Systém je navržen tak, aby překonával omezení daná používáním kódovacích systémů specifických pro společnost, organizaci nebo obor a aby podstatně zvýšil účinnost obchodních činností a byl citlivější vůči zákazníkům. Mezi používané typy čárových kódů patří: Čárový kód EAN: Jedná se o odchodní kód, který je užíván v obchodní síti pro označení zboží. Tento kód využívá každý stát zapojený do sdružení EAN International (ČR má číslo 859). Zakódované číslice 0 až 9 jsou uváděny jako dvě čáry a dvě mezery. Kód může obsahovat 8 nebo 3 čísel (EAN8 nebo EAN3). První číslice určují stát (-3 číslice), dalších několik číslic výrobce nebo dodavatele (většinou 4-6 číslic), další určují zboží a poslední číslice je kontrolní správnosti kódu. Registraci tohoto kódu zajišťuje EAN ČR. UCC/EAN 8, Code 8: Jedná se o průmyslové kódy, které se používají pro obchodní a logistické na kódování informací o daném výrobku (např. číslo výrobku, datum dodání, datum výroby, trvanlivost, hmotnost, velikost atd.). Každá z informací má svůj aplikační identifikátor, který udává o jaký typ údaje se jedná. Do tohoto kódu je možno zakódovat 0 znaků, kde každý znak je určován třemi čarami a třemi mezerami. Code 39: Využívá se v nejrůznějších aplikacích s výjimkou prodeje v malém. Je přizpůsoben jako norma v automobilovém průmyslu, ve zdravotnické službě, v obraně a v mnoha dalších odvětvích průmyslu a obchodu. Je schopen kódovat číslice 0 až 9, písmena A až Z a dalších sedm speciálních znaků, přičemž každý znak je reprezentován pěti čárami a čtyřmi mezerami. Odhaduje se, že při užití Code 39 může dojít k chybě dekódování až po přečtení cca 30 miliónů znaků.

178 Snímače údajů z nosičů 76 Codabar: Tento kód je mezinárodně využíván při označování krevních bank v transfúzních stanicích. Je schopen kódovat číslice 0 až 9 a šest znaků. Každý znak je reprezentován čtyřmi čárami a třemi mezerami. PDF 47: Nová generace čárového kódu - dvoudimenzionální kód s velmi vysokou informační kapacitou a schopností detekce a oprav chyb (při porušení kódu). Označení PDF 47 (Portable Data File) vychází ze struktury kódu: každé kódové slovo se sestává ze 4 čar a 4 mezer o šířce minimálně jednoho a maximálně šesti modulů. Celkem je však modulů ve slově vždy přesně 7. Velikost kódovaného souboru může být až, kb. Na rozdíl od tradičních čárových kódů, které obvykle slouží jako klíč k vyhledání údajů v nějaké databázi externího systému, si PDF 47 nese všechny údaje s sebou a stává se tak nezávislý na vnějším systému. Příkladem použití mohou být nejrůznější identifikační karty, řidičské průkazy (v některých státech USA). PDF 47 se s výhodou využije i pro zakódování diagnózy pacientů atd. Výhodou čárového kódu PDF 47 je samoobnovení v případě 50% poškození. Čárový kód lze kombinovat s kódy systému EAN. 4.. Snímač čárového kódu Snímač zajišťuje sejmutí kombinací tmavých pruhů a světlých mezer a přenos tohoto signálu do vyhodnocovací jednotky. Snímání je provedeno snímáním odraženého paprsku vysílaného červeného světla nebo laseru. Na tmavé čáře je paprsek pohlcován, na bílých mezerách je odrážen. Výsledný elektrický signál odpovídá šířce čar a mezer. Tyto signály jsou převedeny na číslice, popř. písmena, jaké obsahuje příslušný čárový kód. Obrázek 4- Stacionární snímač čárových kódů a ruční snímač čárových kódů Stacionární laserový snímač se čtecím dosahem 60mm až 050mm je určen pro vnější prostředí a pro čtení čárových kódu i z pohyblivým předmětů. Má také obvody pro spolehlivé čtení málo kontrastních či poškozených čárových kódů. Dodáván ve verzi s jedním paprskem nebo s všesměrovou optikou s oscilujícím zrcadlem. K dispozici vyhřívací modul pro instalace v prostředí s teplotami až -30 C. Obrázek 4-průmyslový terminál s vestavěným CCD snímačem nebo laserovým snímačem čárových kódů, s 4 klávesami nebo se 44 klávesami. 4.. Vyhodnocovací jednotka čárového kódu Systémovou komplexní vyhodnocovací jednotkou je např. počítačová pokladna. Musí splňovat všechny požadavky na moderní jednotku do každé prodejny. Dostatečně výkonný procesor umožní bez problémů provozovat systém Windows XP, kvalitní barevný dotykový LCD monitor (nemusíte používat klávesnici a myš) s vestavěným snímačem platebních karet přímo v monitoru, čtyři sériové COM porty pro standardní pokladní periferie, síťová karta. Vyrábí se např. v elegantním a praktickém černém provedení. Viz fotografie Obrázek 4-.

179 Snímače údajů z nosičů 77 Obrázek 4- PC pokladna se snímačem čárových kódů 4..3 Struktura systému pro práci s čárovým kódem. Užití čárových kódů je jedna z nejpřesnějších a nejrychlejších metod registrace většího množství dat. Odstraňuje chyby při ručním zadávání dat (počet chyb se snižuje až na jednu milióntinu) a také při čtení kódu zavedením samoopravné kontrolní číslice. Rychlost pořízení dat z čárového kódu je nejméně třikrát rychlejší než i nejrychlejší klávesnicové zadání. Zavedení čárových kódů v supermarketech zvyšuje produktivitu odbavování u pokladny nejméně o 30 % při současném vyhodnocování stavu zásob zboží. U americké armády se v některých oblastech při zavedení čárových kódů zvyšuje efektivita práce až o 400 %. Čárovým kódem jsou např. v mnoha zemích vybaveny transfúzní stanice a lze stoprocentně rozlišit dárce a odpovídající krev. Pro kódování knih a hudebnin se používá struktura čárových kódů a to tak, že se kombinují s mezinárodními standardními čísly ISBN, ISMN nebo ISSN. Nejjednodušší systém čárového kódu je pro čtení čárového kódu. Používá snímač, vyhodnocovací jednotku a přenos dat do SIA. (Např. ruční snímání při fyzických inventurách, dálkové snímání při vykládání kamionů a příjmu do skladu, překládání zboží z lodí v přístavech na tahače nebo vagony. Složitějším systémem je zařízení pokladen u supermarketů. Každá pokladna je vybavena prostorovým snímačem. Vyhodnocovací jednotka je součástí pokladny Při vykládání zboží z kamionů, lodí, vlaků je čárový kód snímám z obalu zboží na paletě nebo ze stěny kontejneru. Bezdotykové čtecí zařízení je umístěno na bráně, kterou projede paleta nebo kontejner. Odbavování zavazadel na letištích představuje rozsáhlý a složitý systém. Na vstupu je přejímka zavazadel při odbavování. Přidělený samolepící čárový kód nese všechny základní informace, především destinaci. Pásová doprava přesune zavazadlo místem snímání kódu a přesunutí směru pásu na směr odpovídajícího letadla. Zavazadlo se umístí v zavazadlovém prostoru letadla. Po přistání je proces podobný. Z letadla jsou zavazadla dopravována pásovými dopravníky na místo, kde cestující čekají a kde si zavazadla přebírají. 4. Magnetické karty V bankovnictví, v ubytovacích zařízeních, u jiných přístupových systémů jsou významným prostředkem zařízení pro práci s magnetickými a čipovými kartami. V současné době jsou používány magnetické karty, čipové karty, bezkontaktní karty a malé autentizační prvky (např. klíčenky). Magnetické karty jsou s magnetickým pruhem HiCo (High Coercivity) - vysoká hustota záznamu (700 nebo 4000 Oe) nebo s magnetickým pruhem LoCo (Low Coercivity) - nízká hustota záznamu. Informace má velikost zhruba 000 bitů, což je přibližně 00 znaků. Příklad karty má Obrázek 4-3.

180 Snímače údajů z nosičů 78 Obrázek 4-3 Magnetická karta a snímač Karty mají výhody jako je jejich nízká pořizovací cena a snadná identifikace. Karty mají nahranou informaci zakódovanou a zpravidla ve stopách: stopa (IATA) - má 79 znaků, dají se na ní nahrát jen alfanumerické znaky stopa (ABA) - má 40 znaků, dají se na ní nahrát jen čísla 0-9 a rovnítko stopa (THRIFT) - má 07 znaků, využívá se k bankovním účelům pro uchování PIN, dají se nahrát jen čísla 0-9, rovnítko, dvojtečka. Snímač magnetických karet je zobrazen na Chyba! Nenalezen zdroj odkazů..chyba! Nenalezen zdroj odkazů. Plně vyhovuje normám ISO. Je to ideální snímač pro bankovní automatizaci, bezpečnou kontrolu a pro mnoho různých aplikací. Pracuje přesně a spolehlivě. Existují jedno-, dvou- a třístopé modely. Snímač má vestavěným dekodérem pro klávesnici nebo propojení RS3 a může být konfigurován programově. Má také možnost nastavení prostřednictvím DIP přepínače na spodu zařízení. 4.3 Systémy RFID Systémy RFID jsou velmi sofistikovaný způsob práce s údaji, především identifikace pomocí rádio frekvenčního způsobu. Mohou mít různá provedení, používají v několik frekvenčních pásmech, jsou pasivní bez napájení a aktivní s baterií, mají různé způsoby zápisu údajů. Systém RFID se skládá vždy s nosiči čipů RFID, ze čtecí jednotky, vyhodnocovací jednotky, databáze identifikačních údajů. Nosiče čipů RFID hodnotí a popisují se: Podle provedení: RFID tag (různá zapouzdření podle druhu užití), RFID label (tištěná etiketa), RFID wristband (náramek), RFID karta (karta, klíčenka), RFID inlay (zabudování do produktu, voperování pod kůži) Podle frekvenčního pásma: Frekvence Dosah Popis 5-34 khz (LF) <0,5 m Použití celý svět. Umístění i blízko kovu, i ve vodě, pomalé snímání 3,56 MHz (HF) < m Použití celý svět. Nelze ve vodě, snímání/zápis cca 0 kb/s MHz (UHF) <3 m Použití Evropa. Nelze používat v kapalině a blízko kovů MHz (UHF) <3 m Použití USA. Kanada, Mexiko. Nelze používat v kapalině a blízko kovů MHz (UHF) <3 m Použití Asie. Nelze používat v kapalině a blízko kovů.,45 GHz; 5,8 GHz (MW-mikrovlny) <0 m Vysoké rychlosti funkce, vysoká cena. Podle druhu napájení: pasivní (bez baterie, napájení z RF pole snímače); aktivní (vlastní baterie); semiaktivní (baterie pro zvýšení dosahu). Podle možností zápisu: pouze ke čtení (Class 0, programování ve výrobě, údaj 64/96 bitů); zápis x při použití (Class, 64/96 bitů); zápis opakovaný (Class 0+,volné programování, 56 bitů); zápis vícenásobný (Gen, volné programování, 56 bitů). Velmi rozšířené použití je provedení RFID jako čipové karty nebo klíčenky pro identifikaci osob (používané v přístupových systémech, v bankovnictví, zákaznické karty, zdravotnické karty, telefonní karty, elektronické jízdné, atd.). Je zpravidla pasivní, zapisování Class 0 nebo Class0+, frekvence LF nebo HF.

181 Snímače údajů z nosičů 79 Obrázek 4-4 Čipová karta a klíčenka Další provedení nosičů tagů RFID je např. pro knihovny. Jsou to samolepicí etikety vkládané do obalové desky knihy nebo na CD/DVD nosiče. Jsou kompletní forma RFID, obsahují čip, Al anténu a používají frekvenci 3,56 MHz a jsou kompatibilní s ISO 5693 iso Příklady provedení má Obrázek 4-5. Obrázek 4-5 Provedení RFID tagů pro knihovny (vlepení do knihy, lepení na CD/DVD/Blueray nosiče, ORIS) Nosiče RFID pro zboží do obchodů je různého provedení. Velmi časti je to etiketa, také i wristband náramek odstranitelný až u pokladny. Systém je často doplněn bránami pro hlídání zboží proti krádežím. Obrázek 4-6 Etiketa pro zboží a tiskárna etiket. RFID tagy pro sledování zboží při výrobě nebo logistice používá tagy v různých provedeních obalů. Upevňují se přímo na zboží, nebo na nosič na výrobním pásu, slouží jako pojízdný systém sběru dat, jsou zapisovány při výrobě postupy provedení operací, výsledky mezioperačního testování, lze je volně programovat, mohou být i aktivní. Jsou i v provedení pro navařování na výrobek, nebo pro vložení do výrobku a zařízení.

182 Snímače údajů z nosičů 80 Obrázek 4-7 Provedení RFID tagů pro sledování výrobků, zboží ve výrobě a logistice, tag UHF kovový. RFID inlay pro vložení pod kůži u zvířat se děje operativně, speciální jehlou. Jedná se o dlouhodobé nasazení, jsou pasivní, mají obal ze skla, jsou bez pohybu na místě podle vpichu. Osazení RFID tagů je čipy od různých výrobců. Např. firma Siemens (Infineon) nabízí typy čipů: SLE 448(paměť 56B) a SLE 444 (paměť 04B). Firma Thomson má typy čipů: ST 00, ST305, ST4C0. Základní tagy RFID mají parametry: EM (Unique) 40 - nejrozšířenější v ČR, R/O( read only), není přepisovatelná, pracovní frekvence 5 KHz, paměť 64b, čtecí vzdálenost 0-5 cm, záleží zde na velikosti cívky. EM (Unique) pracovní frekvence 5 khz, R/W(read write), je přepisovatelná, čtecí vzdálenost 0-5 cm, záleží zde na velikosti cívky. HITAG - čip Philips, pracovní frekvence 35 khz, R/W, paměť KB, antikolizní vlastnosti HITAG - čip Philips, pracovní frekvence 35 khz, R/W, paměť 56 B TEMIC čip Atmel, pracovní frekvence 5 khz, R/W, paměť 64 B TEMIC čip Atmel, pracovní frekvence 5 khz, R/W, paměť 330 B, čtecí vzdálenost 0 cm MIFARE S50 - čip Philips, pracovní frekvence 3,56 MHz, R/W, paměť KB, čtecí vzdálenost 0 cm. MIFARE S70 - čip Philips, pracovní frekvence 3,56 MHz, R/W, paměť 4KB, čtecí vzdálenost 0cm. Světově unikátní je čip EM443 od EM Microelectronic, má dvoje rozhraní, HF s technologií NFC a UHF s RAIN. Základní rysy NFC: standard ISO/IEC 4443A3, specifikace NFC forum Type, rychlost komunikace 06 kbps, 90 b paměť, 5pF nebo 50 pf rezonanční kondenzátor. RAIN používá při práci standardní funkce RFID ale pracuje až přes cloud pomocí propojení Internet a je proto určen i pro řešení IoT. Pracuje podle protokol ISO/IEC , EPC Gen V standard. Obě rozhraní se mohou kombinovat, jedno přijímat druhé vysílat atd. UHF Em443 HF Obrázek 4-8 Schéma čipu Em443 NFC (Near Field Communication) čipy používají ke komunikaci elektromagnetickou indukci, ne rádiové vlny. Provedení je podobné RFID čipům, jsou jak pasivní, tak aktivní. Frekvence přenosu je 3,56 MHz s rychlostí přenosu 06,, 44 kb/s. Režim komunikace je peer to peer. Vzdálenost prvků je do 0 cm. Použití také u NFC štítků, obsahují NFC čip, volné programování, obsah může být jen web adresa nebo až jídelní lístek s dalšími podrobnějšími údaji o jídle, může to být platební karta s údaji apod. NFC komunikace je také u mobilů, u některých pokladen pro platby bez karet.

183 Snímače údajů z nosičů 8 Obrázek 4-9 NFC štítek 4.3. Snímače systémů RFID Princip čtení RFID se podobá čárovým kódům, kdy jsou data z tagu nebo etikety zachycena zařízením a uložena do databáze, nebo je dále zpracovává obslužný systém. RFID má však oproti systému sledování pohybu aktiv pomocí čárových kódů několik podstatných výhod: Data lze číst bez přímé viditelnosti Lze data číst i zapisovat zpět do čipu Podmínky snímání a zápisu mohou být i průmyslové Velká rychlost čtení. Princip uvádí Obrázek 4-0. Obrázek 4-0 Princip četní RFID tagu Snímač RFID čipů malých rozměrů (klíček, náramků) je vybaven rozhraním USB, které dovoluje připojení tohoto zařízení ke všem moderním počítačům. Výhodou tohoto zařízení je především bezproblémová instalace, která nevyžaduje žádné ovladače. Tato vlastnost je dána tím, že se zařízení po připojení k počítači hlásí jako nová klávesnice, se kterou systém může bez problémů pracovat. Po přiložení čipu snímač odešle číslo tohoto prvku do aktivního okna libovolného programu. Své uplatnění najde hlavně při zadávání kódů RFID čipů do některého z našich systémů. Zařízení je umístěno v elegantní plastové krabičce, jejíž design zapadá do většiny kancelářských prostorů. Snímač může být umístěn i v prostředí výroby, ve které nedochází k silnému elektromagnetickému rušení. Obrázek 4- Snímače RFID čipů (stacionární, mobilní)

184 Snímače údajů z nosičů 8 Bezkontaktní snímač RFID karet (příklad Obrázek 4-) je vhodný pro přístupové systémy. Rozměr: 09 mm x 70 mm x 37 mm, váha: 80 g. Automaticky rozpoznává všechny obvyklé 5 khz RFID tagy (EM, Proximity, Sokymat, atd.). Snímač komunikuje s dalším systémem propojením RS3, emulace MSR nebo 6-bitový Wiegand, případně u řešení IoT přes síť LAN. Datový přenos a také ovladací signál (např. otevírání dveří, turniketů) je vlastní u protokolu Wiegand. Přenos protokolu je řešen po dvou datových vodičích a GND. Datové vodiče se většinou nazývají Data 0 a Data nebo Data L a Data H. Datové vodiče jsou v klidu drženy na úrovni log. H. V případě komunikace je odpovídající vodič stažen do úrovně log. L. Napěťové úrovně jsou 5V. Vlastní komunikace je sekvenční, bity se přenáší postupně. Protokol jako takový má jednoduchou časovou synchronizaci a přenos probíhá tak, že při přenosu bitu s log., je na definovanou dobu signál Data (H) stažen do log. L (je tedy na tento vodič vyslán impuls). Analogicky potom pokud je třeba odeslat bit s hodnotou log. L, je vyslán impuls na vodič DATA 0 (L). Datový puls trvá typicky (tedy pokud je dodržen protokol) 50 mikrosekund, pauza mezi pulsy bývá typicky milisekundy. Protokol je standardně 6 bitový, (8 bitů facility kódu, 6 bitů z RFID čipu, dva bity paritní) Struktura systému s kartami RFID. Nejjednodušší aplikace různých druhů karet je u přístupových systémů. Řídí se přístup oprávněných osob do chráněných míst. Obrázek 4- zobrazuje vstupní část, tj. snímače a vyhodnocovací jednotka. Správa systému je prováděna terminálem. Vnější snímač je umístěn ve stojanu, Obrázek 4-3. Obrázek 4- Vstupní část přístupového systému Další aplikace je u tzv. docházkových systémů. Takový systém má strukturu podle schématu Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. Snímače jsou podle druhu používaných karet. Vyhodnocovací systém se skládá z několika PC (,), snímače (3) s převodníkem na LAN a serveru (4). Vstup je doplněn zařízením brány nebo turniketu, viz fotografie.

185 Snímače údajů z nosičů 83 Obrázek 4-3 Brána a turniket docházkových systémů Další funkcí přístupového systému je řízení vjezdů na parkoviště. Osoba s právem vjezdu ovládá závoru přes kartu. Osoba cizí, návštěvník, požádá o otevření přes zvukový kanál. Velmi důležité je u těchto systémů vyhodnocování povolení vstupu a sledování pohybu osob. Programové prostředí poskytne časové přehledy o pohybu osob s možností nejrůznějších filtrů. V případě nepřetržitého monitorování dveřních jednotek umožní i vyhledávání osob, zobrazování průchodů v reálném čase, grafické znázornění činnosti systémů na plánu budovy (viz Obrázek 4-4), střežení zavření nebo poškození dveří apod. Pro nasazení v přísněji střežených prostorách nechybějí např. funkce pro rychlé zablokování ztraceného čipu a detekce pokusu o jeho následné použití. Je-li počítač vybaven zvukovou kartou, je malým bonbónkem i schopnost informovat ostrahu o dění v objektu prostřednictvím profesionálně nahraných akustických hlášení typu Neznámý čip, Otevření dveří apod. Obrázek 4-4 Obrazovka softwarového řešení přístupového systému 4.4 Biometrická zařízení Biometrie autentizace (proces ověřování identity) je metoda založená na rozpoznávání fyzických charakteristik subjektu - živé osoby. Metoda vychází z přesvědčení, že některé fyzikální charakteristiky jsou pro každého živého člověka jedinečné a neměnitelné. Význam biometrie je dnes především v oblasti e-komerce a při kontrolách souvisejících s bojem proti terorismu. Používají se metody:

186 Snímače údajů z nosičů 84 otisk prstů kresba oční duhovky kresba rtů charakteristika hlasu charakteristika písma. a další. Snímač otisků prstů a vyhodnocovací systém převádí povrch prstu na elektronický datový soubor používaný k dalšímu zpracování. Zaručuje splnit vysoké nároky na snímání, tj. propojení USB, samočistění, keramický nepoškrabatelný povrch, vysokou citlivost na drážky a hrbolky reliéfu povrchu prstu (vliv metody snímání: termo, opto,..). Rychlost snímání je 780 obrázku za sekundu, formát Twain, který není citlivý na změny a deformace povrchu prstu např. pro upracované ruce, činnost zařízení i ve venkovním prostředí, i za přítomnosti slunce nebo ve tmě. Snímač má rozlišení 500 dpi a max. rychlost snímaného prstu 5 cm/s. Fotografie senzoru nese Obrázek 4-5, kde je také obrazový výstup. Snímač a odpovídající SW vyhodnotí identifikační protokol. Obrázek 4-5 Snímač otisku prstu a jeho obrazový výstup. Identifikace otiskem prstů u PC Systém je používán v systémech kontroly osob, ale i např. zajistí přihlášení k PC správné osobě. Ochrana firemních dat může být mnohdy složitá. Integrovaný snímače otisku prstů a s doplněním heslem (Password Manager), zajistí přesnou identifikaci jedním otiskem prstu. Je to dnes nejbezpečnější zabezpečení na světě. Biometrická identifikace realizovaná prostřednictvím duhovky lidského oka je dalším krokem pro zvýšení bezpečnosti. Jsou realizovány velice spolehlivé, přesné a efektivní řešení včetně softwarového řešení. Obrázek 4-6 Snímač duhovky oka Systém je tedy založen na jedinečnosti lidského oka a to jeho duhovky. Duhovka je barevná část lidského oka kolem panenky. Na lidském těle není unikátnějšího identifikátoru, který je možné použít s tak vysokou přesností a spolehlivostí jako je tomu právě u duhovky lidského oka. Použití této technologie se nabízí zejména pro zabezpečení fyzického přístupu do vybraných prostor, stejně tak pro ochranu informačních technologií. Pořízení kódu lidského oka (duhovky) netrvá déle jak dvě minuty a později není nutné tuto proceduru opakovat. Lidské oko od cca. let života zůstává zcela neměnné. 4.5 Digitalizace dokumentů V současné době je ve velké míře potřeba kopírování dokumentů, převádění do digitálních formátů, zpracovávat předvyplněné formuláře na úřadech atd.

187 Snímače údajů z nosičů 85 V systémech informatiky kanceláří, úřadů, škol, továren jsou tyto požadavky provedeny čtecími či kopírovacími zařízeními typu skener (scanner) nebo kopírka. Slouží pro tyto činnosti technologie využívaná velmi podobně pro laserový tisk nebo pro skenery a kopírky. Princip je založen na funkci převedení obrazu u skeneru na elektrický soubor bodů podle rozlišení, který se následně může transformovat do počítačového dokumentu formátu pdf, word případně dalších. Pro kopírování je soubor bodů rastrem, kdy se vytvoří zpětně původní snímaný obraz na bubnu a dostane se na papír. U tiskárny se signál dostává z výstupu počítače a dostává se na papír výše popsaným způsobem. Barevný toner byl dostupný již v r. 950, ale v praxi byl použit až v r Použitý princip je sublimace barev. První elektrostatické barevné kopírování bylo zveřejněno v r. 973 firmou Canon. Skener je hardwarové vstupní zařízení systémů umožňující převedení fyzické D nebo 3D předlohy do elektronického bodového video signálu pro další využití. Jsou používány v různých provedeních. Jsou ruční přenosné nebo zabudované. U ručního typu je nutné ručně přejíždět po snímané předloze. Používají často LED diody s malým rozlišením. Jejich výhodou je možnost rychle snímat malé plochy, často i v nedostupných místech. Stolní provedení skenerů mají předlohu na skle, pod nímž projíždí strojově ovládané snímací rameno. Odražený obraz z dokumentu je převeden fotosenzory na řádkový video signál. Velkoformátové scannery jsou schopné snímat předlohu po sloupcích. Obrázek 4-7 Různé typy skenerů U bubnových skenerů je předloha nalepena na rotujícím válci a je snímána paprskem. Jsou využívány zejména pro snímání velmi velkých předloh, případně tam, kde je potřeba velice vysoká kvalita výsledku. Tato technologie je nejstarší. Nová technologie umožňuje pomocí laserových paprsků snímat i 3D objekt. Pro vysoké náklady je tato technologie vhodná jen pro profesionální využití. U skenerů a kopírek jsou uváděny parametry: výstupní formát převedeného souboru: pdf, jpg, tiff, bmp barevná hloubka: množství odstínů barev, které je schopen skener nasnímat. Dnes obvyklou barevnou hloubkou je 4 bitů, což znamená možnost záznamu v odstínech, u profesionálních přístrojů dosahuje barevná hloubka až 48 bitů ( odstínů). rozlišení: udává se obvykle v dpi (počet tiskových bodů - pixelů na palec délky) a znamená jemnost snímacího rastru a s tím spojenou datovou velikost výsledného obrazu. Dnes používaná rozlišení se pohybují mezi 300, 00 až dpi. velikost snímané plochy: ruční scannery zvládají (potenciálně) nekonečný pruh o šířce do cca 0mm, stolní modely bývají do formátu A3, bubnové i A0.

188 Úvod centrální jednotky 86 5 Úvod centrální jednotky Signály z podsystému měření a snímání dat a údaje z datové komunikace jsou v systémech centrálních jednotek zpracovány a vyhodnoceny podle dané funkce systému. Způsob zpracování a vyhodnocování je dán typem a významem okruhu. Jiné zpracování je u analogového signálu, jiné u číslicového stavového nebo impulzního, jiné u datových údajů podle typu informace. Prostředky centrálních jednotek zajišťují zpracování a vyhodnocení podle požadavků systému pro tyto hlavní kategorie: - Zpracování signálů anebo datových zpráv. - Přenos dat a informací směrem od zdroje signálu nebo informace a směrem k dalším centrálním jednotkám a ovládacím zařízením. - Regulace, řízení anebo ovládání zařízení. - Zobrazení a tisk informací. - Signalizace limitních stavů - Archivace dat a informací. V následujících kapitolách jsou popsána technická zařízení centrálních jednotek v pořadí od nejvýkonnějších a velkých počítačů, přes personální počítače, průmyslovou výpočetní techniku až po malé inteligentní jednotky v embedded zařízení (pro zabudování do zařízení). Dále mezi tyto prostředky patří i periferie výpočetní techniky. Tyto prostředky jsou v těchto textech rozpracované jen souhrnně. Student je najde v samostatných přednáškách a kursech. Samostatnou kapitolou jsou prostředky pro propojování, přenos dat a komunikaci. Rozhodující parametry pro tuto třídy techniky jsou provozní podmínky. Mezi důležité pro průmyslové prostředí patří: střední doba mezi dvěma poruchami zařízení, např. min hod, nepřetržitý denní provoz po dobu celého roku s výjimkou 4 dní řádné dovolené, (kancelářská zařízení nemá tento požadavek) provozování v prostorách bez klimatizace, v rozsahu provozních teplot -0 až 70 C, v běžném rozsahu vlhkosti vzduchu podle norem IEC 68--,,6- (kancelářská technika nepracuje v tak velkém rozsahu, provoz serverů má požadavek provozu při nízké a konstantní teplotě) odolnost vůči vibracím podle norem IEC , 37 a vůči rázům podle IEC (jen u průmyslových aplikací) elektromagnetická kompatibilita, elektromagnetické interference podle EN 5008-,, EN 550/ elektrostatická a transientní odolnost podle EN 5008-,, EN , ochrana před nebezpečným dotykem podle IEC 950; EN ochrana dat při výpadcích napájecí sítě případně možnost napájení ze záložního zdroje. Jedná se v dnešní době o číslicová zařízení založená na výpočetní technice různé úrovně. Analogové centrální jednotky (se základem operačních zesilovačů) jsou používány jen okrajově. Důvodem je celkový rozvoj a trendy v elektronizaci v průmyslu, ve společnosti, školství, zdravotnictví, bydlení. Ve větší rozsahu je nyní vedle hardwaru centrálních jednotek použití softwarových prostředků. V další části je rozpracována problematika: sálových počítačů (Frame (mainframe) Computer FC), největší a nejvýkonnější zpracování dat, přenosu dat, zajiš tování cloud systémů apod, personálních počítačů (PC), různých provedení od stolních, přes notebooky, tablety a chytré telefony, průmyslové personální počítače (IPC), kompatibilní s kancelářskými PC, různé provedení, programovatelné automatizační automaty (Programmable Automation Controler PAC), využívající monolitické mikropočítače (mikrokontrolery) pro volně programovatelné aplikace pro průmyslové i ostatní aplikace, programovatelné logické automaty (Programmable Logic Controler PLC), užití pro řízení strojů podle logických funkcí, embedded controlery (EmC), aplikace jednodeskových PC, IPC, PLC standardní výpočetní techniky do strojů nebo pro volně programovatelné malé systémy využívající 86

189 Úvod centrální jednotky 87 monolitické mikropočítače (mikrokontrolery) kompaktní regulátory pro automatické řízení periférie výpočetní techniky. 87

190 Prostředky velkých počítačů 88 6 Prostředky velkých počítačů Velké počítače jsou skupina zařízení výpočetní techniky s konstrukcí, výkonem a řešením odlišným od kategorie osobních počítačů. Jsou to sálové počítače, super počítače, servery atd. Dále budou označovány jako Frame computery (FC) nebo také mainframe compters. Jedná se o třídu výpočetní techniky dnes zastíněnou personálními počítači a osobní výpočetní technikou, pracující mimo pracovní stůl uživatele. Jsou používány pro velmi složité operace, pro rychlé zpracování dat, pro rozsáhlé soubory dat, pro propojování specifických systémů, pro zálohování dat, pro moderní komunikace ap. Jsou instalovány ve velkých výzkumných areálech, ale i v prostředí větších průmyslových podniků, bank, nemocnic, univerzit, státních úřadů, policie, ap. Poznámka: Představu o FC udělá jistě následující text. V lednu 007 je na vrcholu žebříčku největších počítačů ve světě super počítač IBM BlueGene L. Je umístěn na Lawrence Livermore National Laboratory v USA (aplikace v oboru jaderného výzkumu). Je staven ze 64 skříní, má 307 procesorů IBM PowerPC MHz a operační paměť 3768 GB. Na dalších místech jsou: Red Storm-Sandia v Sandia National Laboratoriem, USA; IBM Blue Gene Watson na IBM Thomas J. Watson Research Center, USA; IBM ASC Purple na Lawrence Livermore National Laboratory v USA; IBM MareNostrum na Barcelona Supercomputing Center, Španělsko; Dell Thunderbird na Sandia National Laboratoriem, USA; Tera 0 v Commissariat a l Energie Atomique, Francie; SGI Columbia v NASA USA, NEC/SUN TSUBANE na GSIC Center Japonsko; Jaguar Gray XT3 na Oak Ridge National Laboratory, USA. V Evropě je nejrychlejší počítač ve Švýcarsku typ Albert. Využívá ho tým formule F BMW Sauber k simulaci vozů. Má 5 dvojádrových procesorů Intel Xeon 560, seřazen do clusterů po dvou procesorech. Mají vodní chlazení a celek váží tun. Historicky se vyskytují velké počítače od počátku vzniku výpočetní techniky. Než přišel rok 97 a mikroelektronika byly stavěny sálové sčítače na bázi integrovaných obvodů. Tak např. IBM Systém/360 byl postaven již v r Další systémy byly vyráběny firmami Burroughs, UNIVAC, NCR, Control Data, Honeywell, General Electric a RCA. S příchodem mikroelektroniky a mikroprocesorů byl významnou firmou DEC systém WAX. V současnosti je to IBM. Vrchol u IBM od r. 05 je např. systém LINUX ONE Emperor na bázi Z3 mikroprocesorů. Cena je od 75 tisíc do milionu dolarů. 6. Konstrukce FC Třída FC je dnes vyráběna v několika mechanických provedeních, používají specifické procesory, neběžné paměťové jednotky a provedení. Provedení skříňové pro techniku FC uvádí Obrázek 6-. První obrázek ukazuje Sun StorageTek 9970 Systém určený pro datová centra, pro systémy pro archivaci dat, pro datové sklady. Střední obrázek se týká HP Integrity Superdome. Ve dvou skříních může být instalováno 6-64 procesorů, operační paměť může být v jednotkách a desítkách TB, sestava má 48 až 9 PCI slotů. Třetí více skříňové provedení IBM, typ P5-595 je nejvýkonnější systém od IBM s operačním systémem UNIX nebo Linux pro podnikové aplikace. Procesory májí šestnácti až čtyřiašedesáti jádrové POWER5 a POWER5+ firmy IBM, operační paměť do TB. diskový prostor do 8 TB, výpočetní výkon 4,68 až 0,88 rperf. Obrázek 6- Skříňové provedení FC (SUN, HP, IBM) Menší rozměrové provedení je rozvaděčové provedení. Příklady zobrazuje Obrázek 6-. Jsou určeny do rozvaděčů, (nejběžnější rozměry jsou 9 ), elektronika se vkládá jako zásuvné desky. U techniky FC jsou nazývány blade (žiletka). První provedení je Sun Blade 8000 P Modular System. Je navržen pro pětileté období provozního cyklu jako celek. Střední skříň má servery HP Rozvaděčová skříň třetí v pořadí je IBM

191 Prostředky velkých počítačů 89 BladeCenter se šasi s vysokou dostupností a manipulací. Poslední obrázek ukazuje na provedení zásuvné desky HP. Obrázek 6- Rozvaděčové provedení FC (SUN, HP, IBM) Třetí konstrukce FC techniky je do velkých skříní shodných nebo podobných pro personální techniku. Zpravidla je i sestava a použité procesory shodné s konstrukcí PC, ale jsou v rozsahu a vybavení podle určení FC. Příklady uvádí Obrázek 6-3. Obrázek 6-3 Stolní provedení FC (IBM) Blokové schéma struktury FC techniky zobrazuje Obrázek 6-7. MP modul Modul řízení pamětí Modul síťových připojení Jednotka páskových pamětí Jednotka diskových pamětí Obrázek 6-4 Blokové schéma struktury FC techniky 6. Procesory pro FC Procesory pro FC jsou zpravidla specifické topologie. Např. IBM používá procesor POWER, jehož používání začalo provedením POWER4 v roce 00. Od r. 00 je používána verze POWER7. Schéma a data přináší Obrázek 6-5. Více

192 Prostředky velkých počítačů 90 IBM Power Systems POWER7 Processor Chip MC0 POWER7 CORE L Cache L Cache POWER7 CORE F A ST POWER7 CORE L Cache L3 REGION Local SMP Links L Cache POWER7 CORE POWER7 CORE L Cache L3 Cache and Chip Interconnect L Cache POWER7 CORE Remote SMP & I/O Links Binary Compatibility with POWER6 POWER7 CORE L Cache L Cache POWER7 CORE MC Cores : 8 ( 4 / 6 core options ) 567mm Technology: 45nm lithography, Cu, SOI, edram Transistors:. B Equivalent function of.7b L3 Cache: edram efficiency Eight processor cores execution units per core 4 Way SMT per core 3 Threads per chip L: 3 KB I Cache / 3 KB D Cache L: 56 KB per core L3: Shared 3MB on chip edram Dual DDR3 Memory Controllers 00 GB/s Memory bandwidth per chip Scalability up to 3 Sockets 360 GB/s SMP bandwidth/chip 0,000 coherent operations in flight Obrázek 6-5 Schéma a data procesorů POWER7 (IBM) Dalším řešením jsou procesory vyvinuté původně firmou SUN. Nesou název SPARC (Scalable Processor ARChitecture) a mají architekturu mikroprocesorů typu RISC. Mezi licencované výrobce dnes patří například Texas Instruments, Cypress Semiconductor a Fujitsu. Obrázek 6-6 Mikroprocesory pro FC (SUN, HP) PA-RISC je mikroprocesorová architektura vyvinutá společností Hewlett-Packard pro použití v serverech a integrovaných kancelářských systémech. Používá technologii RISC (Reduced Instruction Set Computing), PA v názvu označuje zkratku Precision Architecture ( přesná architektura ). PA-RISC je také znám pod názvem HP/PA (Hewlett Packard Precision Architecture). Vyrábí se v řadách od PA7000, dnes PA Další výrobci procesorů pro tuto třídu jsou: Architektura MIPS od MIPS Computer Systems Inc., Alpha od DEC, Advanced RISC Machines (původně Acorn) architektury ARM a StrongARM/XScale, Procesor LEON. MP firmy Intel je u této techniky zastoupeny řady Intel Xeon nové generace (Pentium, Core i3, Celeron) s vyšším počtem jader. Jako operační systémy je vedena orientace na MS Windows Server 0 R, x64, 06 nebo Red Hat Enetrprise Linux, VWware csphere ESX. 6.3 Datová úložiště, cloud systémy Systémy pro ukládání dat jsou velmi důležitou částí FC. Jsou zpravidla jako samostatná jednotka pro skříňové nebo rozvaděčové provedení. Ukázku přináší Obrázek 6-7. Obrázek 6-7 Jednotky pro ukládání dat pro FC Storage techniku

193 Prostředky velkých počítačů 9 Technika pro tyto účely používá média pásková nebo disketová. Velikostí zahrnuje zařízení od několika média slotů až po rozsáhlé systémy s více roboty a až sloty. Každý systém má svůj specifický operační systém. Obrázek 6-8 Zařízení pro uchovávání dat s páskovými nebo diskovými médii (SPECTRA 3x, IBM,SUN) Hlavním úkolem zálohovacích systémů je bezpečné zálohování a obnova dat jak pro lokální, tak pro vzdáleně připojené stanice a servery. Proces zálohování dat může být iniciován manuálně nebo automaticky dle nadefinovaných strategií. Charakteristikou dobré zálohovací strategie je jednoduchost použití, maximální využití času a jednoduchost obnovy dat. Další funkcí zálohovacích systémů je archivace, která umožňuje dlouhodobé uchování dat. Doba, po kterou je možné důležitá data uchovat, je v podstatě omezena životností použitých zálohových médií, což může v některých případech být více než sto let. Archiv se od zálohy liší v podstatě pouze v tom, že záznamy zálohovacího systému o archivovaných datech nejsou nikdy automaticky přepsány nebo smazány a jsou uložena vždy všechna data. Třetí důležitou funkcí zálohovacích systémů je podpora migrace dat (Hierarchical Storage Management). S řešením IoT (internet věcí) se rozvijí cloud systémy. Funkčně je lze rozdělit jen jako vzdálené úložiště (poskytování hardware) nebo jako vzdálené výpočtové systémy (poskytování i software). Přístup je přes internet. Vlastníci cloud systému mají vybudované hardwarové i softwarové systémy a poskytují služby vnějším uživatelům podle smlouvy s poplatkem nebo i bez poplatku do určité velikosti úložného prostoru. Předností pro uživatele je efektivní práce, jednoduché rozhraní, využití velkého výkonu, možnost rozvoje užití, přístup kdekoliv na světě. Nevýhodou je závislost na internetu, na poskytovateli, složitost smluvního vztahu, nebezpečí zneužití. Při budování cloud systému je nutné realizovat zpravidla stavbu velkého vnitřního prostoru v budově pro umístění techniky, vytápění a výkonnou klimatizaci, sestavy velkých počítačů s patřičným operačním a aplikačním softwarem, výkonné připojení na síť internetu. Obrázek 6-9 Skříně cloud systému Jako příklad (viz Obrázek 6-9 ) jsou ukázány skříně s výpočetní technikou. Např. to může být až kolem 00 skříní na ploše několik stovek m, prostor musí mít trvale zabezpečený přístup (vstup RFID, zámky na skříních, bezpečnostní kamery, trvalá ostraha). Napojení internetu je zpravidla zálohované, rychlost cca 0 Gb/s. Napájení 30VAC se dvěma napájecími cestami a se zálohovým napájením UPS a agregátem. Rozhraní 30V a internet s transientní ochranou. Důležitý je také automatický hasicí systém. Podlahy s antistatickou ochranou. Příkladná architektura datového cloud systému může být: Servery: Cisco UCS, HP Blade, mnohajádrové procesory Westmere (56xx), Nehalen EX (75xx), IBM, Vizualizace: VMware vsphere, Nexus 000v Síťová infrastruktura: Nexus 7000, 5000, 000

194 Prostředky velkých počítačů 9 Paměti: Storage EMC Clarion, HP EVA, (disková pole) Aplikace: OS Windows, Linux, VMware, Xen.

195 Prostředky PC 93 7 Prostředky personálních počítačů V systémech SIA mají své uplatnění i standardní personální počítače (PC) v různých provedeních, např. stolní, notebooky, netbooky, tablety, PDA, atd. Jsou používány v kancelářském prostředí pro úlohy individuálního sledování vzdálených výrobních i nevýrobních procesů, pro běžné vyhodnocování dat, ekonomických a technických výpočtů, pro standardní zpracování textů, dat, informací, obrázků, grafiky, práce s videem, filmem, atd. Personální počítače jsou také v průmyslovém prostředí, ale v kanceláři, styčným zařízením v decentralizovaných systémech při napojení na průmyslové počítačové sítě a aplikace řízení a informatiky. PC mají také uplatnění při sběru dat, při automatických měřeních v laboratořích, na výzkumných pracovištích, školách. Další jejich uplatnění je jako pokladní počítače v obchodních domech, jako pracovní stanice na pracovištích v bankách, jako pracovní stanice a monitorovací jednotky v nemocnicích ap. Vývoj PC je trvale velmi rychlý. Výrobci elektronických obvodů, softwaru, periferií stále zkracují periody představování novinek a nabídek, zvyšují jejich výkonnost, rychlost a nároky na příkon. 7. Mikroelektronika pro PC Obrázek 7- Ukázky mikroprocesorů (I4004, I8086, typy AMD a INTEL) Základní prvky PC jsou elektronické části, procesory a doplňující obvody, paměti a zdroje. Rokem vzniku tohoto segmentu techniky je rok 97. Hlavní výrobci mikroprocesorů pro PC jsou, Intel, Cyrix, IBM, AMD, DEC, Motorola, Apple. Celý vývoj lze demonstrovat na vývoji mikroprocesorů, viz Tabulka 7-. Tabulka 7- Vývoj mikroprocesorů Rok Typ MP Poznámka 97 Intel 4004 první 4bitový mikroprocesor 97 Intel bitový mikroprocesor, základ prvních 8bitových osobních počítačů 974 Intel bitový mikroprocesor 975 MOS Technology 650 8bitový mikroprocesor pro Apple II, Commodore 64 a Atari 975 Motorola 6800 první procesor firmy Motorola 975 AMD Procesory řady Am TMS bitový mikroprocesor TI 976 Zilog Z80 8bitový mikroprocesor, s rozšířenou instrukční sadou Intel 8080, frekvence až 0 MHz 978 Intel bitový mikroprocesor, první z architektury x Intel bitový mikroprocesor s 8bitovou sběrnicí, který byl použit v prvním IBM PC v roce Motorola /6bitový mikroprocesor

196 Prostředky PC Zilog Z8000 6bitový mikroprocesor 980 IBM 80 4bitový experimentální procesor s revoluční RISC architekturou dosahující vynikajícího výkonu 980 Intel 805 8bitový mikroprocesor se základní sadou periferií pro emebedded systémy 98 Intel bitový mikroprocesor 983 TMS300 první DSP firmy Texas Instruments 985 Intel bitový mikroprocesor (měl tranzistorů) 986 Acorn ARM 3bitový RISC mikroprocesor, z Advanced RISC Machine, původně Acorn RISC Machine, použit i v domácích počítačích 989 Intel bitový mikroprocesor s integrovaným matematickým koprocesorem 989 Sun SPARC 3bitový RISC mikroprocesor, z Scalable (původně Sun Processor ARChitecture) 99 DEC Alpha 64bitový RISC mikroprocesor 99 Siemens 80C66 6bitový mikroprocesor pro průmyslové embedded systémy s bohatou sadou periferií 993 Intel Pentium 3bitový mikroprocesor nové generace (3,3 milionu tranzistorů) 995 Intel Pentium Pro 3bitový mikroprocesor nové generace pro servery a pracovní stanice (5,5 milionu tranzistorů) 995 Sun UltraSPARC 64bitový RISC mikroprocesor 997 Intel Pentium II 3bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí MMX (7,5 milionu tranzistorů) 997 Sun picojava mikroprocesor pro zpracování Java bytekódu 999 Intel Celeron 3bitový mikroprocesor odvozený původně od Intel Pentium II pro nejlevnější PC 999 Intel Pentium III 3bitový mikroprocesor nové generace s novou sadou instrukcí SIMD (9,5 milionu tranzistorů) 000 Intel Pentium 4 3bitový mikroprocesor s řadou technologií orientovaných na dosažení vysoké frekvence 00 Intel Itanium 64bitový mikroprocesor nové generace pro servery 00 AMD Opteron 64bitový mikroprocesor nové generace pro servery od AMD. Jedná se o historicky nejkvalitnější procesor AMD. 003 AMD Athlon 64 64bitový mikroprocesor nové generace pro desktopy s instrukční sadou AMD64, zpětně kompatibilní s x Intel Core 64bitová architektura, na které jsou postaveny procesory Core Duo, Core Duo, Core Solo, Core Quad 007 Phenom AMD uvádí novou řadu procesorů 008 Intel Core i7 nová řada CPU od Intelu pod názvem Nehalem a 008 Phenom II AMD na 45 nm výrobě 00 Core i3 a Core i5 Intel vydává slabší a ořezanější procesory 00 Phenom II X6 AMD první šestijádrový procesor

197 Prostředky PC 95 0 Sandy Bridge Intel s novou architekturou 0 Phenom II AMD procesory s integrovanou grafikou 0 Ivy Bridge "3D" (Tri-Gate) technologií ve nm výrobním procesu 03 Core i3 4-generace,, jádra, cache, grafika na čipu 04 Core i5, i7 Pentium Core i3, i5, i7 Pentium Core i3, i5, i7 Pentium N, J, D Celeron J 07 Core i3, i5, i7 Celeron G 07 Core i9 Xeon Platinum Atom C 4-generace, 4 jádra, cache, grafika na čipu jádra, cache 5-generace,,4 jádra, cache, grafika na čipu jádra, cache 6-generace,,4 jádra, cache, grafika na čipu 4 jádra, cache, jádra, cache, TDP <0W 7, 8-generace,,4 jádra, cache, grafika na čipu jádra, cache, grafika na čipu 9 generace, 0,, 4, 6, 8 jader, cache Až 8 jader, casche až jader, cache Konstrukčně, výkonově i provozně jsou personální počítače závislé na typu mikroprocesoru a některých dalších prvcích. Jedná se především o: sběrnice: zlepšuje se rozhraní SCSI, zavádí se sériová sběrnice USB (INTEL) a Fire Wire (Apple, Compaq, Philips, Toshiba, Sony, Matsushita) čipové sady: obsahují operační paměť, sekundární cashe, řadič IDE nebo PCI, víceprocesorové systémy paměti: SDRAM-Synchronous DRAM, RDRAM-RamBus DRAM (min,6 GB/s až 6 GB/s propustnost), umístěné na MB do modulů -dnešní SIMM a DIMM jsou nahrazeny RIMM pevné disky až monitory LCD. Obrázek 7- Provedení PC techniky (stolní, notebook, netbook, tablet, PDA) Provedení dnešních PC (0) uvádí Obrázek 7-. V nabídce jsou stolní počítače, notebooky, netbooky, tablety, PDA, případně další. 7. PC technika Součástí základní desky PC je sběrnice s několika konektory pro zásuvné moduly. Zásuvné moduly rozšiřují funkční možnosti personálního počítače. Je to zpravidla propojovací elektronika personálního počítače např. pro připojení na lokální síť, na podsystém sběru dat, na měřící laboratorní přístroje, na testovací aparatury, další vnější paměti ap. Dnes ovšem se přesouvá toto řešení na externí zařízení s propojením USB. Dnešní stav

198 Prostředky PC 96 interface (0) demonstruje Obrázek 7-3. PC n x USB Obrázek 7-3 Vstupní a výstupní propojení PC Rozvoj technických prostředků PC má synergii také s rozvojem programových prostředků. Jedná se o oblasti: operační systémy: např. OS MICROSOFT (od DOS pro WINDOWS 7 v 0, uživatelské programy: např. MS OFICCE, Corel, ACAD,... MS Outlook, MS Explorer programovací nástroje: Visual Basic, Visual C++,.. ostatní např. SCADA. Vedle mikropočítačů s procesory INTEL se ve značném rozsahu používají počítače používající mikroprocesory jiných výrobců. Největšího používání se těší výrobky firem Apple (mikroprocesor fy Motorola). V celosvětovém měřítku mají tyto PC velké zastoupení také v systémech SIA. 7.3 Notebook x RJ45 monitory Vedle stolních PC se jedná o základní provedení PC pro osobní užití. Navíc má přednosti v možnostech mobility, krátkodobé zapnutí na baterie, malé rozměry. Základní provedení obsahuje obrazovku, elektroniku s klávesnicí, některé DVD přehrávač, pro propojení jsou vybaveny rozhraním LAN Ethernet, USB, dále pro další monitor. Podle typu procesoru a velikosti monitoru plně nahradí i výkonné stolní počítače. 7.4 Tablet Tablet je zařízení užívané především pro mobilitu. Vyplňuje prostor velikostí monitorů mezi chytrým telefonem (úhlopříčka cca do 7 ) a notebookem (od ). Vybavení hardwarem je shodné s tím, že nemají rozhraní LAN Ethernet a předpokládají propojení přes WiFi, jako mobily. Používají konektor mikro USB a pro připojení externího monitoru mikro HDMI. Jsou prodávané s operačním systémem PC (Windows) nebo chytrých mobilů (Android, ios). Podle typu mikroprocesoru může zpracovat i výkonné aplikace. 7.5 Chytrý telefon Chytrý telefon (smartphone), je telefon s pokročilými funkcemi výpočetní techniky. Mají operační systém a možnost instalovat a spouštět aplikace. Chytré mobily lze používat vedle funkce telefonu (hovory, SMS, MMS) i jako osobní komunikační zařízení pro práci s y, internetem, mapami, navigací, slovníky, fotografováním, bankami, GPS. Lze je použít jako bezpečnostní prvek zdravotní, zadávací terminál různých smart aplikací (dům, auto apod.) Hardware telefonu má základní části: VF část, zpracování signálu, řídicí obvody funkcí, vstup a výstup pro uživatele, napájení. VF část pracuje s radiovými signály pro GSM pásma a GPS pásma, také je zde aplikace WiFi komunikace Bluetooth propojení, případně NFC. Blok zpracování signálů má na starosti zpracování

199 8xAI xai xdi/do Prostředky PC 97 signálů akustických, jsou to ADC a DAC obvody, obvody kódování, filtrace, zesilovače. V bloku řízení se nachází mikrokontroler, paměti, přídavné SD karty. Obvody vstupu a výstupu zajišťují konektivitu s vnějším prostředím, je to také klávesnice, displej. Zpravidla konstrukce obsahuje tyto obvody sestavené do čipové sady. V r. 07 jsou používány např. procesory Qualcomm Snapdragon 66 Octa-Core (Lenovo), Snapdragon 835 (Motorola). Hradware telefonů se rozšiřuje koncepcí MOTO, kdy se přidává další obal nesoucí funkční doplnění. Nabídka obsahuje zařízení od hlavních výrobců: Samsung Galaxy), Sony (Xperia), Honor (*Lite), Huawai (P, Y), LG (G6), Apple (iphone), HTC (U). Jako operační systémy se v r. 07 používají nejrozšířenější Android, méně Apple ios, systém Windows Phone jen okrajově. Systém Symbian patří minulosti a existuje i několik dalších. 7.6 Aplikace SAIS Aplikace PC a notebooků je možná nejen pro úlohy informatiky, osobní potřeby, ale i pro automatizaci. Je to např. v laboratořích podobných kancelářskému prostředí. Příkladem je systém SAIS Small Automation and Informatics System. Systémovou strukturu zobrazuje Obrázek 7-4. PC SCADA Excel Klient PC USB LAN A Obrázek 7-4 Systémová struktura SAIS Cílem SAIS je umožnit aplikace pro řešení úloh výzkumu a vývoje a pro výuku systém sběru dat, sledování, regulace a řízení, archivace a následného zpracování dat za pomoci moderních prostředků kancelářské výpočetní techniky a komunikace s možností napojení přes Internet. Koncepce SAIS je založena na aspektech: - prostředky standardní výpočetní techniky PC jsou napojeny přes jednotku přes propojení USB na jednotku sběru data A a na technologický proces/laboratorní úlohu přes signální propojení, - aplikace je vytvořena systémem SCADA (CW), - následné zpracování je možné v MS Office matematicky, textově, graficky, presentačně, - dálkový přístup se zařízení klient z PC, notebook, mobilu. Obecná aplikace SAIS je určena pro : - automatické měření, sběr a sledování procesů při výzkumu a vývoji krátkodobých i dlouhodobých procesů v místě provozování nebo dálkově přes internet, - regulace a řízení s využitím standardních algoritmů CW nebo vlastních algoritmů, např. polynomiální teorie regulace, adaptivní řízení, neuronové sítě pro specifické úlohy s dopravním zpožděním, s rozloženými parametry, - propojení na prostředky MATLAB-SIMULINK. Obecné blokové schéma použití SAIS pro úlohy řízení a informatiky uvádí Obrázek 7-6. Konkrétní aplikace využívají hardwarové a softwarové prostředky např. jednotek Datalab (MII) a CW (MII). Více Moduly IO/USB jsou nabízeny v širokém sortimentu a plní všechny požadavky běžných technologických procesů. Velmi žádaná je jednotka AI3. Umožňuje napojit až 8 analogových vstupů s možností konfigurace: pro vstupní napětí pro rozsahy +/-0,V DC až +/-0V DC; pro vstupy proudové od rozsahu 0 až ma DC nebo 0 až 0 ma DC. Převodník analogo číslicový ADC je 6 bitový a frekvence vzorkování pro všechny kanály je 50 Hz a pro vzorkování jen jednoho kanálu je 00Hz. Další zajímavou jednotkou systému DATALAB je RTD. Je určena pro připojení až 4 snímačů teploty s volbou mezi PT00, Pt000, Ni000 s volitelnými rozsahy od rozsahu -50 až +50 C po rozsah 0 až 400 C.

200 Interface: USB, LAN HTML Server Prostředky PC 98 V systému SAIS je použita jednotka AD. Má možnost připojit 4 analogové vstupy, jeden digitální vstup a 4 analogové výstupy. Rozsahy pro analogové vstupy jsou shodné jako u jednotky AI3. Analogové výstupy využívají 8 bitový převodník DAC pro své dva výstupy s parametrizací napěťový nebo proudový výstup. Digitální vstup má možnost volby úrovně TTL, DTL a digitální výstup je připraven pro typ výstupu otevřený kolektor. Obrázek 7-5 Provedení jednotek DATALAB IO a IO 4 Reálný pohled na jednotku AI3 v provedení IO a na sestavu 4 jednotek do jednoho celku DATALAB jako provedeni IO 4. Jednotek v systému DALAB je více a možnost seznámit s nimi je na Sběr dat vizualizace řízení, ovládání archivace DI y AI REG AO AI AO w USB RS*** LAN AI3 DO AI4 Technologická soustava Obrázek 7-6 Blokové schéma aplikace SAIS pro řízení a pro informační systémy Aplikace SCADA pro ControlWEB umožňuje snadno sestavit aplikaci pro vizualizaci, pro zadávání a řízení funkce. Ukázka jednoduché aplikace na obrazovce pro SAIS uvádí Obrázek 7-7. Jednoduše lze také připravit shodný html server pro stejné úkony sledování a ovládání aplikace ze vzdáleného PC přes síť internet.

201 Prostředky PC 99 Obrázek 7-7 Ukázka obrazovky aplikace v programu ControlWEB. 7.7 Řešení IoT Internet věcí (IoT) je základní koncepcí trendu vývoje platformy Průmysl 4.0. Jeho aplikace mohou být použity pro všechny průmyslové i neprůmyslové oblasti. Podle schématu mohou to být např. Průmysl, provozovny Služeb, Školy pro vzdělávací sektor, oblast kultury, zdravotnictví, Bytové a rodinné domy, všechny druhy dopravy. Internet Průmysl Služby Školy Kultura Zdravotnictví Bydlení Doprava Obrázek 7-8 Struktura IoT V tomto řešení jako významné zařízení je zastoupeno také PC technika různého provedení.

202 Prostředky IPC 00 8 Prostředky průmyslových personálních počítačů 8. Úvod Velký a trvalý rozvoj kancelářských personálních počítačů (PC) se cca od r. 985 projevil vytvořením nového segmentu průmyslové výpočetní techniky s názvem: průmyslové personální počítače. Anglický název je Industrial Personnel Computer IPC. Motivací pro vytvoření IPC bylo především využití běžně používané techniky PC i pro řešení úloh automatizace v podmínkách průmyslového prostředí. Výhodou byly také všeobecné znalosti o této technice, dostupnost servisu, znalosti o programování PC, profesionální vývojová prostředí v mnoha programovacích jazycích. Trvalý rozvoj PC také garantoval neustálé zvyšování výkonů IPC a aplikací moderních komunikačních možností i do oblasti integrované automatizace. Technika IPS umožní realizovat i velmi složitá řešení automatizace, jako např. velmi rozsáhlé matematické výpočty, simulace a modelování v reálném čase, adaptivní a optimální řízení, grafická vizualizace s vysokým rozlišením, archivace rozsáhlých objemů dat, všechny formy propojení a komunikace, ap. Pro zajištění aplikací konstrukce používané u PC techniky bylo nutno vyřešit: odolnost IPC vůči průmyslovému prostředí, tj. provoz při teplotě okolí /75 C, vlhkost % r.v., vibrace Hz při amplitudě mm, rázy do 0*g tj. 98. kg/s, spolehlivost provozu danou jako střední doba mezi poruchami MTBF>50000 hodin, možnost nepřetržité celoroční provozní doby s přestávkou 7 dni v roce řešit vnější pamětí s nerotační technologií, napájení jen +5V, malý ztrátový výkon, plná kompatibilita s PC. Technika IPC používá některé speciální řešení zajišťující jejich spolehlivost a bezpečnost. Velký důraz je kladen na napáječ. Chlazení je věnována velká pozornost především z pohledu elektrického krytí, filtrace vnějšího vzduchu od prachu a technologických emisí a z pohledu odvodu dostatečného množství tepla. Speciální problematiku tvoří obvody reálného času (provoz s reálným denním a systémovým časem i při vypnutí napájení) a obvod watchdog (zajišťuje násilné ukončení programových cyklů při nesplnění podmínek). Jednotky vnějších pamětí (pružné a nebo pevné disky) běžné u kancelářských PC nelze použít především z důvodů vibrací, rázů a teplot. Jsou nahrazována tzv. moduly SSD Solid State Disk tj. elektronikou s polovodičovými pamětmi EEPROM, SRAM, FLASH s uspořádáním a ovládáním podle shodného přístupu jako u klasických rotačních pamětí a se zajištěním proti ztrátě dat při výpadku napájení. Moduly pro spojení s technologickým prostředím slouží pro připojení unifikovaných digitálních nebo analogových napěťových nebo proudových signálů. U analogových vstupů je nutné správně volit obvody pro přepínání vstupů na A/D převodník. Jedná se především o galvanické izolování vstupů, o rychlost přepínání a o rozsah a rychlost A/D převodu. Některé specifické obvody umožňují přímo připojovat: čtyřvodičově odporové snímače, nízké napětí od termočlánků, inkrementální rotační snímače polohy, tenzometry ap na řízený zesilovač a následně na A/D převodník. Splnění požadavků bylo zajištěno novým konstrukčním řešení IPC. Není používána konstrukce základní desky známá z PC, ale je vytvořena stavebnice s vysokou integrací a kvalitními tištěnými spoji. Jsou používány kvalitní konektory. Byly vyvinuty náhrady rotačních velkokapacitních pamětí a monitory pro průmyslové prostředí s dotykovým ovládáním. Ovládání z klávesnice je přes vysoké krytí nebo je úplně nahrazeno dotykovými plochami na displeji. Podle konstrukce lze IPC v současné době rozdělit na typy: pro zabudování do automatizovaných zařízení (Embedded IPC, stavebnice) - konstrukce PC 04 - jednodeskové IPC (Biscuits IPC, POS Boards) - IPC ve formě zásuvných slotů do PC kompaktní IPC systémy (Compact IPC) - panelové IPC - pracovní stanice IPC - průmyslové IPC šasi. Z uživatelského hlediska je IPC nejvýkonnější technika splňující nejsložitější funkce a aplikace. Může zajišťovat všechny druhu propojení a přenos dat, vstupní strana může mít velké počty vstupních a výstupních portů, může zajišťovat strojní vidění, mít velmi rozsáhlou vnitřní i externí paměť, mít velmi výkonný procesor,

203 Prostředky IPC 0 být cenově dostupný. Programování lze provádět v jednoduchých i pokročilých technikách, lze připravit řešení složitých a rozsáhlých úloh IoT, zpracovávat algoritmy pro řízení strojů a procesů, řešit funkce automatického řízení a informačních technologií, mít možnost pracovat do cloud systémů, používat funkce GPS, používat aplikace pro internet a web řešení. Je ve všech směrech nejlepší ve srovnání s technikou PLC a PAC. 8. IPC typu PC 04 Konstrukce PC 04 je modulární a je založena na principu sestavování modulů přes dva konektory na malých deskách o rozměrech 90,*95,9 mm. Obrázek 8- v části a) znázorňuje jednu deska PC 04 s elektronikou. Každá deska () má dva konektory PC04 (), jeden se 64, druhý se 40 vývody s celkovým počtem 04 bodů. Ze strany součástí mají konektory otvory a ze strany druhé mají kolíky. Vývody z desky jsou pomocí konektorů (3). 3 3 Obrázek 8- Moduly a stavebnice PC 04 Uživatel montuje stavebnici PC 04 sesazením potřebných desek na sebe do sestavy (sendviče) podle části b) obrázku. Moduly () jsou nasazeny na sebe konektory () na doraz sloupků (4). Obrázek v části c) ukazuje skutečnou sestavu PC04. Výrobci systémů PC 04 nabízí moduly různých typů. Obrázek 8- uvádí základní moduly: 4 a) b) c) A modul CPU s mikroprocesorem, pamětmi a podpůrnými obvody, A modul komunikace a datových propojení, A3 modul I/O, vstupů a výstupů signálů A4 - modul napájení. A- modul CPU A- modul komunikace A3- modul I/O A4-modul napájení Obrázek 8- Základní moduly stavebnice PC04

204 Prostředky IPC 0 V případě aplikací, kde nelze použít rotační vnější paměti (pružný a pevný disk), lze použít modul SSD Solid State Disk, tj. polovodičovou vnější paměť s přístupem shodným jako u FDC a HDC. Tento modul může pracovat v teplotě okolí od 5 C a snese velké mechanické rázy. Pro připojení periferií a dalších zařízení poslouží modul propojení PCMCIA. Sériové propojení s dalšími systémy zajistí moduly RS485/RS3/ASI/CAN případně PROFIBUS a další. Propojení LAN zajistí modul ETHERNET. Zajímavým modulem je připojení faxu nebo modemu. Připojení snímačů s různými analogovými a nebo digitálními měronosnými signály umožní moduly A3 moduly vstupů a výstupů, např. jeden modul má 6 analogových vstupů s multiplexem nebo DI (jeden modul až 96 vstupů). Obdobně výstupy jsou realizovány pomocí modulů pro analogové výstupy AO nebo digitální výstupy DO. Vedle těchto pro automatizaci základních modulů jsou nabízeny další i specifické moduly. Příkladem je modul satelitní navigace GPS, modul pro vyhodnocování inkrementálních rotačních snímačů, modul zvukové karty ap. Při vytváření centrální výpočetní jednotky má uživatel možnost sestavit optimální řídicí systém celý z modulů PC 04. Vývoj stavebnice PC04 je trvale rozvíjeno. Obrázek 8-3 přináší modernizovaný modul CPU, který spojuje také modul A datové komunikace. Používá také sběrnice PCI. Obrázek 8-3 Modernizovaný modulu CPU konstrukce PC 04 (ADVANTECH) 8.3 Jednodesková konstrukce IPC Dalším typem IPC pro zabudování do zařízení jsou jednodeskové konstrukce. Pro systémy automatizace jsou nabízeny velikosti 0*45 mm nebo 45,79*03,0mm nazývané jako Biscuits IPC. Pro aplikace s požadavky na velké objemy dat a velké nároky na výpočetní výkon jsou vyráběny typy POS Point Of Sales. Jedná se o větší desky rozměrů 0*50 mm s možností zabudování i do standardních skříní PC. Aplikace POS IPC jsou použity v pokladnách v supermarketech, ATM bankomatech, rezervní systémy v hotelích a restauracích, městské dopravě, GPS systémy atd.

205 Prostředky IPC 03 Obrázek 8-4 Schéma jednodeskového IPC Konstrukce Biscuits IPC schématicky zobrazuje Obrázek 8-4. Vícevrstvá deska plošného spoje () nese součástky, integrované obvody a konektory. Mikroprocesor () a paměti DRAM v SIMM soklu (3) jsou centrální částí. Konektor (4) slouží pro připojení jednotky FDD, konektor (5) pro připojení IDE zařízení. Sériové propojení RS 3 je vyvedeno na konektor (6) a RS 485 na konektor (7). Připojení tiskárny LPT je na vývodu (8). Klávesnice lze připojit na konektor (9) a myš na konektor (0). Zapojení displeje CRT je přes konektor (). Připojení sítě LAN je možné konektorem () typu AUI nebo RJ. Rozšíření této desky o vstupy měřicích obvodů, výstupy na akční jednotky případně o další funkce je možné pomocí modulů PC 04 na konektoru (3). Provedení POS má navíc možnosti použití výkonnějšího mikroprocesoru, většího rozšíření DRAM, integrované paměti polovodičových pamětí SSD, konektor PCI/ISA pro rozšiřování pasivními deskami, integrované digitální vstupy a výstupy. Obrázek 8-5 Fotografie modulu CPU konstrukce SBC (ADVANTECH) Vytvoření IPC se řeší u této konstrukce tak, že modul CPU se spojí s doplňujícími moduly konstrukce PC04. Vytvoří se tak stavebnicový embedded IPC nebo kompaktní embedded IPC.

206 Prostředky IPC 04 Fotografie provedení kompaktních embedded IPC s SBC konstrukce SBC (ADVANTECH, MII) Podobné řešení má také SIEMENS. Jedná se např. o Siemens IPC NanoBOX Simatic a IPC BOX Simatic, viz Obrázek 8-6. Obrázek 8-6 Provedení IPC firmy SIEMENS, typy BOX a Beckhoff 8.4 Konstrukce IPC pomocí zásuvných slotů Pro paralelní sestavy PC+IPC a sestavy PC s rozšířením o moduly automatizace laboratoří ve školství, nemocnicích a v průmyslu jsou k dispozici moduly IPC. Elektronická deska má konstrukci viz Obrázek 8-7. Deska tištěného spoje () nese mikroprocesor (), rozšiřující paměti DRAM s konektoru SIMM a další elektronické obvody a součástky. Propojení s vnějšími zařízeními zajišťují: - konektor (4) pro IDE zařízení - konektor (5) pro jednotku FDD - konektor (6) pro digitální vstupy a výstupy - konektor (8) pro rozšiřují moduly PC 04 - konektor (9) pro sériové propojení RS 3 - konektor (0) typu USB pro klávesnici a myš - konektor () pro sériové propojení RS konektor () pro propojení LAN Ethernet - konektor (3) pro displej CRT - konektor (4) pro napájení. Modul má na spodní straně konektor (7) pro sběrnici ISA. Pro upevnění do standardních skříní PC slouží uchycení (5). Vedle modulu SBC je stejné provedení zásuvných slotů i pro pasivní moduly. Jsou to zapojení pro rozšiřování analogových a digitálních vstupů a výstupů, pro rozšiřování sériových propojení RS, pro rozšiřování pevných pamětí FDD, HDD nebo SSD a pod. Ukázku modulu CPU konstrukce zásuvných slotů má Obrázek 8-7. Obrázek ukazuje také fotografii pasivní sběrnice.

207 Prostředky IPC 05 Obrázek 8-7 Schéma IPC typu zásuvný slot, fotografie modulu CPU typu zásuvný slot pasivní sběrnici 8.5 Panelové IPC Panelové IPC, označované také PPC Panel PC, jsou samostatné plně funkční jednotky IPC určené pro průmyslové aplikace v místech omezeného prostoru. Z tohoto důvodu používají plochý LCD displej a speciální provedení jednodeskového IPC. Jejich periferie mohou být různá zařízení moderních PC podle druhu okolního prostředí. Jsou to speciální PC, které mají zabudovanou elektroniku a periferie do plochého krytu displeje. Schéma panelového IPC ukazuje Obrázek 8-8. Obrázek 8-8 Schéma a provedení panelového IPC Na čelní straně () má panelové IPC plochu LCD obrazovky (), mikrofon a infračervený port (3) pro komunikaci. Na boční stěně se nachází místa (4) pro vnější paměti: FDD, HDD, CD-ROM. Na zadní straně se nachází: zásuvka napájení (5), konektory USB (6) pro klávesnici a myš, konektor RJ 45 pro Ethernet (7), konektor paralelních vstupů a výstupů (8), prostor pro rozšíření (9) vnějším modulem, konektor (0) pro tiskárnu LPT, konektor () pro externí VGA zařízení, konektory (, 3) pro COM a COM. Fotografie skutečného panelového IPC obsahuje také Obrázek 8-8. Elektrické krytí předního panelu může být až IP 68. Druhá strana má krytí již jen IP0 až IP Pracovní stanice IPC Pracovní stanice IPC jsou samostatné zařízení pro instalaci do panelu stroje nebo do 9 rozvaděče s vysokým krytím čelní části. Jsou zpravidla prvkem HMI Human Machine Interface, tj. rozhraním mezi strojem a člověkem. Schéma typického provedení pracovní stanice IPC ukazuje Obrázek 8-9. Nosná konstrukce je vytvořena jako nosný skelet (). Na čelní straně obsahuje na nejčastěji plochý LCD displej () s klávesnicí (3) funkcí a s numerickou klávesnicí (4). Na čelní straně je také uzavírací víko (5) pro přístup k jednotce FDD a v případě možnosti i HDD a CD-ROM. Vlastní elektronika IPC je vytvořena pasivní sběrnicí ISA+PCI a modulem SBC typu zásuvného slotu. Další konfigurace je tvořena uživatelem vkládáním dalších zásuvných modulů ISA nebo PCI. Na zadní stěně je místo pro vkládání zásuvných modulů (7). Pracovní stanice má na zadní straně svorkovnici (6) pro napájení. Vstupy a výstupy pro napojení stroje je provedeno přes konektory zásuvných modulů.

208 Prostředky IPC 06 Obrázek 8-9 Pracovní stanice IPC 8.7 Průmyslové skříňové IPC Průmyslové skříňové IPC představuje mechanicky odolnou konstrukci podobnou standardní PC konstrukci. Jeho skříň je zpravidla přetlaková a obsahuje pasivní sběrnici pro umístění zásuvných modulů IPC, napájecí zdroj, zabudované a kryté vnější paměti a prostor pro svorkovnice kabelů od vnějšího zařízení. Konstrukce skříně je pro čelní uchycení do rámu 9, pro zadní montáž, pro vysouvací umístění a jako mini skříň. Možnost konfigurace ukazuje Obrázek 8-0. Ve skříni do rámu 9 je umístěna pasivní sběrnice ISA pro 5 nebo 0 zásuvných modulů. V provedení mini skříň je pasivní sběrnice pro maximálně 6 pozic. Aktivní částí IPC je vždy SBC modul s CPU. Další pozice se obsazují podle požadavků projektu. Konektory na zásuvných slotech jsou propojeny se svorkovnicí v zadní částí skříně. Kabely jsou vyvedeny přes průchodky do vnějšího prostředí. Přístup k jednotce FDD nebo CD-ROM je přes utěsněné víko na přední straně. Vývody na displej, klávesnici a myš jsou vyvedeny přes konektory s vyšším krytím, např. IP 55. Displej, klávesnice i myš musí mít také odpovídající krytí. Obrázek 8-0 Konfigurace IPC zásuvné moduly

209 Prostředky IPC 07 Velkým problémem je vytvoření velkého elektrického krytí a současně zajistit výměnu vzduchu pro chlazení vnitřního prostoru. Řešení je pomocí ventilátoru s dokonalým filtrem a s udržováním vnitřního přetlaku. Vnitřní větrání zajišťuje několik vnitřních ventilátorů. Příklad reálného IPC skříňové konstrukce má Obrázek 8- Obrázek 8- Průmyslové skříňové IPC - schéma sestavy 8.7. Programové vybavení IPC Použití IPC je vedle technického řešení ovlivněno i programovým vybavením a to jak druhem operačního systému, tak vývojovým prostředím pro tvorbu uživatelských aplikací. Pro vývoj grafického prostředí, např. pro grafické zobrazování průběhu automatizovaného procesů, je nutno použít grafický operační systém. Pro toto řešení se jeví optimální použití modifikovaného operačního systému MS WINDOWS CE, MS Embedded XT nebo Linux. V takovém operačním systému se může využít grafických možností, použít ovladače všech periferií, lze pracovat s malým rozsahem uživatelské a operační paměti např. na SSD s flash pamětí ROM. Vizualizační program lze vytvořit pod prostředím SCADA. Jako programovací jazyk se může použít objektově orientovaný Visual C++ nebo Visual Basic. Jsou použitelné další programy z kancelářských sestav (např. EXCEL, ACCESS) nebo i CAD programy (např. ACAD). Tvorba uživatelského prostředí se provádí pomocí vývojového prostředí. Pro systémy SIA jsou to různé provedení SCADA Supervisory Control and Data Aquisition. Vývoj SCADA jde dále cestou využití technologie COM/DCOM Component Object Model/Distributed Component Object Model) společnosti MICROSOFT. Jedná se o přechod k objektovému programování. Objektem může být funkční komponent SIA, např. teploměr, regulátor PID, denní protokol, která je popsána souborem vlastností se schopností dědictví bez závislosti na aplikaci či hardwaru. Vývojové prostředí SCADA zajišťuje naprogramovat všechny úlohy a to: zobrazování stavu a průběhu ve formě technologických schémat na obrazovkách IPC nebo PC v různých úrovních a rozsazích všechny úrovně regulace a řízení výrobních i nevýrobních procesů(od jednoduchých algoritmů dvoupolohové regulace až po adaptivní nebo optimální řízení) řízení výrobních strojů simulace a on-line predikce pro rozhodovací procesy sběr měřených a snímaných dat, jejich předzpracování a distribuce všem uživatelům analýza dat a jejich vyhodnocení na informace, tisk a registrace informací, protokolů archivace informací, uložení do datových skladů automatizace laboratorních zkoušek řízení kvality a SPC podle ISO 9000 specifické funkce např. vyhodnocení analytická chemie, ekonomická analýza. Výše uvedené naprogramované úlohy lze distribuovat do jednotlivých jednotek podsystému centrálních jednotek s určením konkrétního typu komunikace a druhu techniky, napojení V/V ap. Všechny funkce lze simulovaně ověřit případně sledovat a modifikovat za reálného provozu. Technologická schémata lze kreslit individuálně v prostředí CAD nebo lze použít obrázky podle elektronických předloh.

210 Prostředky IPC 08 Vývojové prostředí SCADA používá a spolupracuje s různými vývojovými prostředky. Lze uvést jako příklady: programovací jazyky pro objektové programování, např. Visual C++, Visual Basic, Delphi, Java,.. programovací nástroje vhodné např. pro programování pamětí, telefonický servis, technologické plánování, knihovny obsahující specifické úlohy ověřené v minulých aplikacích pro konkrétní procesy, ovladače pro technické prostředky jednotek SIA, laboratorních přístrojů komunikační prostředí a ovladače pro konkrétní typy propojení velmi zajímavá je aplikace OPC Serveru. V rámci SIA lze s výhodou pracovat i se standardními uživatelskými programy. Jsou používány jako paralelní úlohy současně s runtime provozem SCADA. Jedná se především o kancelářské programy (např. MS OFFICE), o programy pro grafické práce a projektování (CAD, CAP), o programy pro datové sklady, o programy pro simulaci a matematické projekty (MatLab) ap. Nasazování IPC je možné: na nejnižší průmyslové úrovni v technologických procesech s napojením na sériovou komunikaci RS485 nebo na průmyslové LAN na úrovni procesního řízení s vyššími parametry než běžné PC (použití pracovních stanic IPC a zodolněných PC) na úrovni vrcholového řízení pro speciální úlohy (použití zodolněných PC). Příklad praktické aplikace IPC v podmínkách UTB je na úlohách Laboratoře integrované automatizace (LABI). Jsou přístupné na adrese Úlohy DE a DE5 používají IPC typu embedded od společnosti Moravské přístroje, a.s. označené jako Datalab PC. Popis je uveden na stránkách LABI.

211 Jednotky PAC 09 9 Programovatelné výpočetní automaty Prostředky programovatelných výpočetních automatů představují malou skupinu zařízení určenou pro automatizaci operací, úkonů a jednoduchých procesů. Jsou označovány jako jednotky PAC Programmable Automation Controller. Vůči programovatelným logickým automatům (PLC) mají tyto odlišnosti: - používají jako centrální jednotku monolitický mikropočítač - pracují s paralelním řídicím programem - jsou vhodné pro univerzální aplikace, vedle sekvenčních logických úloh i pro úlohy s požadavky na výpočetní výkon (např. operace s jednoduššími matematickými výpočty). Při řešení úloh automatizace jsou k dispozici pro aplikace, které ještě nevyžadují funkce IPC. Např. grafiku s vysokým rozlišením, operace s vysokými řády matic, složité numerické řešení technických úloh. Z uživatelského hlediska je PAC středně výkonná technika splňující nejsložitější funkce a aplikace. Je lepší než PLC a horší než IPC. Může zajišťovat všechny druhy propojení a přenosy dat, vstupní strana může mít omezené menší počty vstupních a výstupních portů, nemůže zajišťovat strojní vidění, má omezenou velikost vnitřní i externí paměťi, je cenově dostupná. Programování lze provádět v jednoduchých jazycích a technikách, lze připravit řešení středně složitých úloh pro reálný čas, zpracovávat středně rozsáhlé algoritmy pro řízení strojů a procesů, řešit funkce automatického řízení. 9. Technické řešení PAC Základem konstrukce je použití monolitického mikropočítače v jednom integrovaném obvodu (v ang. mikrokontroleru) a obvodů pro propojení jeho vstupů a výstupů s průmyslovým prostředím. Monolitické mikropočítače vznikly jako samostatný směr vývoje mikroprocesorů, kdy byly integrovány na jednu desku křemínku všechny části mikropočítače. V roce 976 vznikl u firmy INTEL integrovaný obvod s označením I8085 jako základ rozvoje tohoto segmentu. Tento polovodičový obvod proto obsahoval centrální procesní jednotku - CPU, paměti ROM i RAM, digitální vstupy a výstupy, sériové komunikační propojení. V současné době je tento obvod vyráběn i s analogovými vstupy v různých modifikacích a je standardem pro osmi bitovou architekturu mikrokontrolerů. Obrázek 9- Schéma vnitřního zapojení PAC s mikropočítačem I805 Příklad aplikace I8085 pro jednotku PAC ukazuje Obrázek 9-. K obvodu mikropočítače jsou připojeny na vstupy X, X pasivní prvky pro vytvoření hodinové frekvence. Na vstup INT lze zapojit vnější signály pro

212 Jednotky PAC vytvoření přerušení. Vstupy T0, T slouží pro testování a pro připojení impulzních vstupů a jejich vyhodnocování jako frekvence a čítač. Paralelní vstupy P.0 až P.7 jsou napojeny obvody pro galvanické oddělení vstupů IN až IN4. Paralelní výstupní brána P0.* umožňuje výstup binárních signálů OUT0 až OUT8. Nepoužitý je port P.*. Sériový komunikační výstup je úrovně TTL a má napojen obvod pro převod signálů TxD a RxD na signály TD a RD úrovně RS 3 (V4 je ekvivalent značení podle DIN). Mikropočítače řady I805 se velmi rychle vyvíjely jak u Intel, tak u jiných výrobců. Jsou vyráběny v různých modifikacích s různou výrobní technologií, s 8, 6 i 3 bitovou architekturou, s různými druhy a počtem vstupů a výstupů, počtech čítačů a časovačů, vybavenosti obvodem watchdog, vybavenosti analogových vstupů a výstupů a vybavenosti komunikačního propojení. Také jsou základem řešení pro embedded systémy. Mezi přední výrobce patří: ANALOG DEVICES, TEXAS INSTRUMENT, SIEMENS, FREESCALE, DALLAS, ZILOG, FAIRCHILD a další. Na pracovištích FAI se aplikuje např. obvod ADuC of firmy ANALOG DEVICES nebo systémy FREESCALE. Schéma obvodu ADuC obsahuje Obrázek 9-. Obvod obsahuje analogovou a číslicovou část. Vstupní analogová část obsahuje přepínač (MUX) vstupních analogových signálů AI až AI8, případně až AI0. Následuje zesilovač (PGA) s programově měnitelným zesílením (k= až 8). Analogově číslicový převodník podle provedení je 6 bitový nebo 4 bitový. 0 AI AI AI8 Un _ MUX PGA ADC MC DAC, LCD AO AO DI DI _ TIMER DO,,... (RS3/USB), WD IC, SPI Flash 0 V Obrázek 9- Schéma vnitřního zapojení obvodu ADuC Jednotka (MC) je typu I805. Je to určitá výhoda, protože pro tento typ obvodu je napsáno mnoho aplikací obecně i konkrétně použitelných někdy i bez modifikace. Pro řešení embedded PAC postačí jeho délka slova 8 bitů. Kolem MC je umístěn obvod časovače a čítače impulsů, obvod watchdog, obvody vnitřní paměti, nejčastěji typu FLASH. Výstup (MC) jsou vyvedeny jako signály pro řádkový LCD displej, jako digitální signály (DO,,..), jsou zavedeny na bitové DA převodníky s analogovým výstupem (AO, AO) a pomocí obvodů jsou na výstupech komunikace sériové RS3 nebo USB, komunikace speciální IC, SPI případně komunikace Ethernet. Obrázek 9-3 Blokové schéma mikropočítače SAB 80C66

213 Jednotky PAC Pro zpracování velkého objemu dat a velkého rozsahu výpočtů a pro řízení systémů v reálném čase jsou nabízeny pro konstrukci PAC monolitické 6 bitové mikropočítače. Příkladem může být obvod firmy SIEMENS, typ SAB 80C66/67. Jeho blokové schéma má Obrázek 9-3. Centrální jednotka CPU s architekturou RISC a CISC může užívat interní paměti typu ROM a RAM, případně vnější paměti různých typů EEPROM, Flash i SRAM do rozsahu adresace 56 kb. Pracovní hodinový kmitočet je *0 MHz. Systém přerušení PEC rozeznává až 3 interních a 9 externích žádostí o přerušení se 6 prioritními úrovněmi. Obvod má celkem 7 vstupních a výstupních linek organizovaných do čtyř 6 bitových portů, jednoho dvou bitového portu a 0 analogových vstupů na portu 5. Analogové vstupy jsou přepínány multiplexem na A/D převodník s dobou převodu 9,75 s. Sériová komunikace má dva kanály a je realizována obvody USART ASC 0 a ASC. Rychlost přenosu při poloduplexním režimu je až,5 MBd. Impulzní vstupy případně generování impuzních výstupů zpracovávají kanály GPT a GPT. Je to celkem 5 kanálů 6 bitových časovačů nebo čítačů s časovým intervalem až 00 ns. Jednotka CAPCOM (Capture/Compare) slouží pro vytváření výstupů s pulzně šířkovou modulací, pro realizaci D/A převodu a pod. Speciální samostatný obvod řeší funkci watchdog. Obvod 80C66 se vyrábí v různých modifikacích podle typů pamětí. Je používána i verze, která obsahuje vnitřní koprocesor pro zpracování fuzzy logiky s funkcemi defuzzyfikace. Firma FREESCALE nabízí širokou škálu mikrokontrolerů. Mají 8, 6 i 3 bitovou architekturu. Přichází se zajímavým řešením u jednoho typu, kdy jsou obvody 8 a 3 bitové pinově i instrukčně kompatibilní. Volně nabízí i vývojový systém. V seznamu instrukcí jsou i příkazy pro zpracování signálů. Konstrukce zařízení PAC využívá monolitický mikropočítač a soustavu obvodů pro jeho propojení s vnějším prostředím v jedné kompaktní nebo stavebnicovém provedení. Příklad provedení jednotek PAC ukazuje Obrázek 9-4. Mají řešeno např. - u vstupů a výstupů úpravu úrovně signálů a galvanické oddělení - rozšíření uživatelské paměti - zajištění kvalitního napájecího napětí - různé typy vnější komunikace - signalizaci funkce a poruchových stavů. Obrázek 9-4 Ukázka provedení jednotek PAC (AMIT) 9. Programové vybavení PAC Funkční zařízení PAC mají zaváděcí program (jednoduchý operační systém) jako firmware. Umožňuje úvodní spuštění systému a aplikace, obsahuje služby, které lze využívat v aplikacích, ovladače periferií apod. Typické pro mikrokontrelery je uvedení systému do režimu paralelního řízení programů pomocí přerušovacího systému. Blokové schéma funkce po startu a při paralelním režimu řízení programů obsahuje Obrázek 9-5. Po zapnutí PAC do sítě se provádí úvodní operace související s testováním obvodů, s nastavením standardního výchozího režimu funkcí jednotlivých celků a vnitřních proměnných. Pak následuje vstup do režimu čekání na vnější podmět vyvolání přerušení. Vnějším podnětem nejvyšší úrovně jsou systémové důvody, jako např. výpadek sítě a zastavení hodinové frekvence. Ostatní úrovně jsou dány uživatelem. Může to být např. změna stavu některého digitálního vstupu, změna frekvence impuzního vstupu ap. Po vyvolání přerušení se vyhodnotí její priorita a úroveň, zapíší se do paměti systémové proměnné a spustí uživatelský program úlohy pro obsluhu tohoto požadavku přerušení. Je-li vyvoláno přerušení během zpracování této obsluhy, rozhoduje se, zda nové přerušení má vyšší prioritu. Má-li prioritu vyšší, přeruší se vykonávání rozpracované úlohy, uloží se všechny uživatelské a systémové proměnné a zahájí se provádění úlohy vyšší úrovně přerušení. Po jejím dokončení se provede návrat do místa opuštěné úlohy

214 Jednotky PAC a provede se její dokončení. Má-li prioritu nižší, dokončí se rozpracovaná úloha a až po jejím ukončení se obslouží požadavek na přerušení od nižší úrovně. Po dokončení všech úloh přerušení se provede návrat opět do místa čekání. Obrázek 9-5 Schéma paralelního režimu řízení PAC přerušováním Vlastní provádění programování se nabízí u jednotek PAC prostřednictvím standardního PC ve vývojovém prostředí. Pro programování používá programovací jazyky textové a grafické. Textové programování pro PAC je podle typu mikropočítače buď v jazyce assembler nebo jako seznam instrukcí s významem mnemokódů. Programování je blízké jazyku assembleru. Text programu (anglicky IL Instruction List, německy AWL - Anweisungsliste) je přeložen do strojového kódu a uložen do paměti PAC. Programování používající text vyššího programovacího jazyka se u PAC používá s výhodou. Nejčastějším jazykem je jazyk C, nyní i BASIC pro reálný čas. Opět se provede překlad a uložení strojového kódu do paměti PAC. Grafický jazyk pro PAC využívá blokových schémat funkčních objektů. Programátor má k dispozici knihovnu bloků, vybírá si potřebný blok a umísťuje jej na obrazovku, provede grafické propojení vstupů a výstupů a provede jejich parametrizaci. Po překladu je program opět přenesen do paměti PAC. Součástí programování je i testování a simulace funkce a celkové odladění uživatelského programu.

215 Technické prostředky automatizace IV 0 Prostředky programovatelných logických automatů Technické prostředky programovatelných automatů (dále jen PLC) jsou hardwarová zařízení průmyslové výpočetní techniky určená převážně pro úlohy nespojitého sekvenčního a logického řízení podle uživatelského programu. Technický rozvoj této techniky se ubírá i směrem k automatizaci spojitých procesů s analogovými vstupy a výstupy. V anglické terminologii je používám pro tyto prostředky název Programmable Logic Controller PLC. V němčině je to Speicherprogrammierbare Steurung SPS. Obrázek 0- Sériový cyklus běhu programu PLC Vedle daného určení je dalším charakteristickým rysem PLC způsob sériového zpracování programu. Naprogramovaná úloha se plní postupně řešením sériové sekvence instrukcí, které nelze přerušit. Blokové schéma ukazuje Obrázek 0-, kde sériový cyklus programu má 4 úseky: - vzorkování vstupů, tj. načtení vstupních hodnot ze vstupních bran a uložení do paměti - zpracování programu, kdy se vyhodnocují jednotlivé stavy a jejich podmínky, vyhodnotí se požadavky a zapíší se do paměti vnitřní a výstupní proměnné - nastavení výstupů, tj. aktivují se výstupy jednorázově přepsáním hodnot vyhodnocených z paměti do výstupních registrů a bran - diagnostika a servis zajistí kontrolu stavu PLC, stavu vyhodnocení, provede se komunikace s vnějším prostředím, obslouží se časová základna, nuluje se watchdog a připraví se PLC na další cyklus. Doba provedení cyklu je velmi krátká a podle dynamiky řízeného procesu se jeví okamžitá. Pro rychlé procesy může být určitou nevýhodou, že během cyklu se neprojevují kratší změny vstupů. Pro systémy automatizace představují PLC základní jednotku pro centrální část systémů integrované automatizace. Jsou používány na procesní úrovni pro jednotlivou dílčí řídicí operaci i pro skupinu operací. Díky rozvoji vzájemné komunikace a přizpůsobení se trendu průmyslových sběrnic jsou používány PLC i jako koncentrátory dat. 0. Technické řešení PLC Technické řešení PLC zajišťuje pro aplikace připojení požadovaného počtu a druhu vstupů a výstupů, výkonnost, vnější provedení a druhy komunikace. Provedení PLC lze třídit na skupiny: - mikro PLC - kompaktní PLC - stavebnicové PLC. Rozměrové nejmenší PLC je mikro PLC. Je určeno pro aplikace s malým počtem digitálních stavových vstupů a výstupů (např. 8/4) a pro jednoduché sekvenční logické úlohy. Jsou vybaveny také i LED displejem. Programování lze provést přímo z jejich klávesnice nebo z PC. Komunikace je možná pouze s nadřízeným PLC. Elektrické krytí je IP 0 a proto je nutno je umísťovat do rozvaděče. Nejvíce rozšířenou skupinou provedení PLC jsou kompaktní PLC. Mají základní vybavení pro střední počet digitálních stavových vstupů a výstupů (např. 6/8) a pro sekvenční logické úlohy pro složitější procesy. Je zde možnost připojení i analogových vstupů a sériového propojení více jednotek sériovou komunikací. Provedení je odolné vůči interferenčnímu rušení a jsou připojovány přes reléové výstupy i síťové silové zařízení.

216 Technické prostředky automatizace IV Obrázek 0- Technika PLC, SIEMATIC, Siemens Stavebnicové PLC má modulární konstrukci. Na základní desku vybavenou sběrnicí se instalují moduly: - centrální jednotky - moduly digitálních vstupů podle projektovaného počtu - moduly analogových vstupů podle projektovaného počtu - moduly digitálních výstupů podle projektovaného počtu - moduly analogových výstupů podle projektovaného počtu - modul komunikace - modul napáječe. Příklady provedení PLC firmy Siemens jako vedoucí firmy v oboru PLC v Evropě má Obrázek 0-. Z historických důvodů jsou používány specifické obvody mikroelektroniky. Pro vysokou spolehlivost jsou používány dva oddělené typy pamětí pro uživatelský program. 0. Programování PLC Protože původní PLC byly určeny především jako náhrada logických řídicích zapojení, vychází programování z požadavku na přímý přepis logických funkcí do programu. Rozvoj nových technologií a konkurenční prostředí způsobilo nejednotnost v programování a malou kompatibilitu PLC programového vybavení od různých výrobců v praxi. Reakcí na tento stav je vydání normy IEC 33 o programování PLC. Norma vyhlašuje následující podmínky: - nezávislost programu na hardware PLC, používá pojem reusable software - jednotný programátorský přístup - možnost ladění programů již ve fázi návrhu, tj. offline programování - strukturovanosti a modulárnosti programu. Dalším charakteristickým rysem PLC je sériové zpracování programu. Naprogramovaná úloha se plní postupně řešením sériové sekvence instrukcí. Podle blokového schématu na obr..3. má cyklická činnost 4 úseky. Doba provedení cyklu je velmi krátká a podle dynamiky řízeného procesu se jeví okamžitá. Podle doby jednoho cyklu jsou porovnávány PLC jednotlivých výrobců. Pro rychlé procesy může být určitou nevýhodou, že během cyklu se neprojevují kratší změny vstupů. Programování PLC se provádí až na výjimky na samostatném PC, které je propojeno s PLC linkou RS 3. Pro programování PLC jsou používány programovací jazyky ve dvou skupinách. Jsou to skupiny textových a grafických programovacích jazyků. Program pro PLC psaný textových jazykem je psán programátorem jako text obsahující seznam instrukcí s významem mnemokódů. Programování je blízké jazyku assembleru. Text programu ( anglicky IL Instruction List, německy AWL - Anweisungsliste) je přeložen do strojového kódu a uložen do paměti PLC. Programování používající text vyššího programovacího jazyka se používá pro speciální úlohy. Grafický jazyk ve tvaru liniových logických schémat, tzv. příčkový (žebříkový) diagram (anglicky LD Ladder Diagram, německy KOP Kontaktplan) je často používaný nástroj. Je to schéma sítě kontaktů a cívek relé ohraničených napájecími sběrnicemi s grafickým vyjádřením funkcí a datových prvků. Protože používané symboly neodpovídají normám pro kreslení schémat v elektrotechnice je tento jazyk nahrazován jazykem symbolů blokových schémat pro obvody číslicové techniky (anglicky FBD Function Block Diagram, německy FBS Funktionbausteinsprache). Nejvyšší úroveň grafického programování má jazyk sekvenčních blokových schémat (anglicky SFC Sequential Function Chart, německy Ablaufsprache, francouzsky GRAFCET Graphe

217 Technické prostředky automatizace IV Functionnel de Connexion Etapes Transitions). Jazyk SFC obsahuje zpravidla možnost použití nižších grafických metod nebo i textových programů.

218 Embedded řešení 6 Prostředky embedded jednotek Vestavěný systém (zabudovaný systém, Embedded System) je jednoúčelový systém, ve kterém je řídicí systém zcela zabudován do zařízení, které ovládá. Na rozdíl od univerzálních počítačů jsou zabudované počítače většinou jednoúčelové, určené pro předem definované činnosti. Jsou to zařízení od hraček, audio a video systémů, foto a kamery až po stroje. Jako embedded jednotky mohou být použity kompaktní zařízení IPC, PAC, PLC, kompaktní regulátory, tak jak jsou popsány v kapitolách dříve, ale také speciálně vyvinuté systémy s jádrem s mikrokontrolery.. Embedded výpočetní techniky S výhodou lze použít pro zabudování jednotky podsystémů měření a snímání, počítačové prvky, podsystémy ovládání, komunikační jednotky přímo do konstrukce strojů a zařízení. Zpravidla se jedná o velké stroje, kde se využívají všechny výhody funkčnosti. Obrázek - Zabudovaný systém řízení u plastikářského a obráběcího CNC stroje Podle požadované funkce se může používat různé provedení PLC pro logické řízení, PAC pro lokální požadavek na automatické řízení nebo IPC pro i náročné funkce vlastní výpočetní technice kompatibilní kancelářské PC. Příklady embedded IPC u velkých strojů ukazuje Obrázek -. Dalším příkladem může být uvedena elektronika pro řídicí a informační funkce automobilů, např. v r. 07 je zabudováno v automobilu i přes dvacet systémů. Při projektování těchto systémů se pro standardní hardware vybraných typů řeší umístění, napojení na další podsystémy a na strojní části a hlavně se programuje specifická softwarová aplikace. Výhodou je, že otázky spolehlivosti a funkce jsou zajištěny výrobcem této instalované techniky.. Embedded IPC Další možnost embedded řešení se nabízí využitím jednodeskových PC. V případě řešení bez potřeby analogových nebo binárních vstupů/výstupu postačí např. jednotka Rasberry. Jestliže aplikace vyžaduje vstupy ze snímačů nebo výstupy na ovládání je velmi vhodné použít konstrukci PC 04. Řešení má Obrázek -. Obrázek - Řešení embedded PC ( deska Rasberry, deska PC 04a sestava se vstupy a výstupy

219 Embedded řešení 7 Jednodeskové PC jsou plně kompatibilní s PC, práce s vývojem se provádí na stolním pracovišti, následně je aplikace přenesena do embedded verze a spuštěna. Koncepce PC04 má možnost přes speciální konektor rozšiřování. K dispozici jsou desky pro zapojení vstupů anebo vstupů a výstupů..3 Mikrokontrolery Další segment embedded systémů jsou zpravidla malé aplikace s mikrokontrolery specificky vyvíjené pro požadované zabudování. V naší současné praxi jsou to zařízení pro kuchyně (sporáky, mikrovlné trouby, myčky), různé hračky, apod. Mikrokontroler, nebo také jednočipový počítač je integrovaný obvod, který v sobě zahrnuje zpravidla vše potřebné k naplnění funkce malého počítače. Nepotřebuje doplňkové obvody, např. paměťi pro uložení programu (FLASH, EEPROM nebo ROM) a operační paměť RAM pro uložení aplikačních proměnných a zásobníku, má funkční rozhraní pro vstupy/výstupy, management napájení. Existují základní dvě architektury mikroprocesorů von Neumannova a Harvardská, každá má svoje výhody i nevýhody. Při současném stupni integrace se zřejmě častěji využívá Harvardská architektura, vysoký stupeň integrace dovoluje připojit různé bloky paměti pomocí vlastních sběrnic. Dělení na Harvardskou a von Neumannovu architekturu je však při dnešním stupni integrace již poněkud akademické. U moderních architektur se často uživateli adresový prostor jeví navenek jako lineární (von Neumannovský), zatímco fyzicky jsou paměti k jádru připojeny pomocí několika nezávislých sběrnic (např. jedna sběrnice pro FLASH/ROM (paměť programu), druhá pro uživatelskou vnitřní RAM a zásobník, třetí pro připojení integrovaných paměťově mapovaných periferií, další pro připojení externí RAM). Významným obvod je zde i watchdog timer, který resetuje systém při jeho zacyklení v důsledku chyby v hardware nebo software systému..4 Vývoj mikrokontrolerů Přední světoví výrobci integrovaných polovodičových obvodů nabízí již několik roků integrované obvody s funkcí monolitických mikropočítačů na jednom křemíkovém čipu (dále jen MC). Počátek vývoje této oblasti byl u firmy Intel řešením obvodu I805 (popis viz kapitola PCC systémy). Patří k prvním mikrokontrolerům o délce slova 8 bitů, s obvodem UART, ROM, RAM, I/O. Řešení používá dva typy architektur. Von Neumannova architektura má společnou paměť pro data i program. Nerozlišuje instrukce pro přístup k paměti dat a paměti programu. Výhodou je zjednodušení vlastního čipu, potřeba pouze jedné datové sběrnice. Nevýhodou je, že přenos obou typů dat po jedné sběrnici je pomalejší. Harvardská architektura je typická oddělením paměti programu a paměti dat. Nevýhodou této architektury je větší technologická náročnost daná nutností vytvořit dvě sběrnice. Za hlavní výhodu lze považovat možnost jiné šířky programové a datové sběrnice. Mezi další výhody harvardské architektury patří rychlost vykonávání instrukcí, protože instrukci i potřebná data lze číst v jeden okamžik. V oblasti MC se běžně používají instrukční soubory typu CISC (složitý instrukční kód), RISC (redukovaný instrukční kód) i DSP (instrukce pro zpracování signálů). MC technologie používá prvek watchdog nebo watchdog timer. Je to počítačová periferie, která resetuje systém při jeho zaseknutí (deadlocku). Příčinou je zpravidla chyba v hardware nebo software systému. Uživatelský program periodicky signalizuje watchdogu svůj chod. Pokud systém určitý čas nesignalizuje chod (typicky milisekundy), pak watchdog způsobí reset systému. Watchdog se rovněž používá pro převedení systému do bezpečného stavu, např. pro vypnutí motorů, elektrických sběrnic s nebezpečným napětím a jiných potenciálně nebezpečných subsystémů. V této situaci řídící jednotka při resetu pozná, že ji zresetoval watchdog a místo normálního rozběhu pouze uvede systém do bezpečného nouzového stavu. Watchdog je realizován jako x-bitový čítač připojený na hodinový signál MC. Ve vnitřní struktuře se vyskytují moderní flash paměti. Nejznámější typy MC: - I805, vyvinutý firmou Intel, jeho licenci používají firmy Philips, Atmel, Dallas Semiconductor, Winbond, SST, ANALOG, TI a další), u Intel se již nevyrábí, je vyráběn u jiných firem v velkém množství variant, je velká knihovna aplikací, je jádrem ASIC obvodů. - PIC od firmy Microchip, používá CPU koupené od General Instruments, má velmi jednoduchou strukturu, malé množství instrukcí, vyrábí se jako skupiny PIC, PIC6, PIC7, PIC8, dspic, mají velmi nízkou spotřebu.

220 Embedded řešení 8 - typy od FREESCALE, 8 bitů (RS08, HC08, S08), 6 bitové (DCS, SX), 3 bitové (ColdFire, imx, POWER), více - ARM, 3 bitový MC od firmy ACOM, je používám u mnoha výrobců jako velmi výkonný. - MC od firmy TI, typy MSP, 6 bitové, velmi nízká spotřeba a pro nízké napájecí napětí z monočlánků; typy ARM, (ARM CORTEX), typy C 3000 MC reálného času 3 bitové, typy HERCULES pro kritické bezpečnostní aplikace. Více ther+ot+home_p_micro - ADuC a další DSP MC od ANALOG DEVICES, více Obrázek -3 Provedení IO monolitických mikropočítačů (INTEL, MICROCHIP, FREESCALE) Provedení pouzder je velmi rozmanité, od DIL 8 až po složitá pouzdra, viz Obrázek -3. Obvod má na jednom čipu integrované analogové obvody zajišťující vstup a výstup analogových signálů a číslicové obvody typické pro mikrokontrolery. Základní schéma ukazuje Obrázek -4 pro obvod ADuC od firmy Analog Devices. [Poznámka: název mikrokontroler je použit pro označení monolitických mikropočítačů, tj. na jednom čipu jsou všechny základní části počítače.] AI AI AI8 Un _ MUX PGA ADC MC DAC, LCD AO AO DI DI _ TIMER DO,,... (RS3/USB), WD IC, SPI Flash 0 V Obrázek -4 Schéma vnitřního zapojení obvodu ADuC Vstupní analogová část ADuC obsahuje přepínač (MUX) vstupních analogových signálů AI až AI8, případně až AI0. Následuje zesilovač (PGA) s programově měnitelným zesílením (k= až 8). Analogově číslicový převodník podle provedení je 6 bitový nebo 4 bitový. Jednotka (MC) je typu I805. Je to určitá výhoda, protože pro tento typ obvodu je napsáno mnoho aplikací obecně i konkrétně použitelných někdy i bez modifikace. Pro řešení embedded PCC postačí jeho délka slova 8

221 Embedded řešení 9 bitů. Kolem MC je umístěn obvod časovače a čítače impulsů, obvod watchdog, obvody vnitřní paměti, nejčastěji typu FLASH. Výstup (MC) jsou vyvedeny jako signály pro řádkový LCD displej, jako digitální signály (DO,,..), jsou zavedeny na bitové DA převodníky s analogovým výstupem (AO, AO) a pomocí obvodů jsou na výstupech komunikace sériové RS3 nebo USB, komunikace speciální IC, SPI případně komunikace Ethernet. Zapojení vývodů pouzdra ADuC má Obrázek -5. Kromě Analog Devices vyrábí podobné obvody firma Texas Instruments, Silicon Laboratories, XEMIX, Fairchild. Pohled na obvod společnosti SL je na obrázku -5. Současná integrace používá struktury požadované aplikacemi. Vyskytují se s jádrem 8-, 6-, 3-bitů s architekturou ARM7, mají paměti flash. Obecným příkladem je MC podle Obrázek -6. Obrázek -5 Pohled na obvody SL V tabulce Vývoj PC jsou také uvedeny jednočípové mikropočítače. I 8096 (983), I Quark 993, 3 biti) SE C 000, Intel EDISOM modul pro IoT, WiFi MC seznam

222 Interface komunikace SRAM VIC SRAM SRAM FLASH Emulation Embedded řešení 0 P...n DI/O test/debug CPU taktovací frekvence systémové funkce Controller externí paměti bridge bridge bridge USB DMA Kontroler extern interrupt LCD časova interface če, č ítač e PWM GPI/O Analog vstupy Analog výstupy baterie RAM RTC, RT watchdog system control PWM LCD interface GPI/O Analog vstupy Analog výstupy baterie RAM RTC, RT watchdog system control Obrázek -6 Blokové schéma moderního mikrokontroleru (příklad podle LPC300/400, NXP).5 Aplikace mikrokontrolerů Implementace takových obvodů pro aplikaci se provádí pomocí vývojových kitů. Je to zařízení na plošném spoji obsahující ADuC a je připojitelné na sériový vstup PC. Pomocí firmware je možno s tímto kitem komunikovat. Aplikační program napsaný na PC, odladěný a simulovaně odzkoušený je do kitů nahrán. Pak následuje ověřování aplikace na kitů v pilotním poloreálném prostředí. Obrázek -7 ukazuje pohled na vývojový kit. Při hardwarovém návrhu konkrétního systému je třeba dobře promyslet zejména hardwarové doplňky, které budou podporovat specifické funkce daného zařízení. Častou chybou je předpoklad, že mnoho funkcí, hlavně časově závislých, bude realizováno pomocí programového vybavení. Volba mikroprocesoru je průnikem mnoha požadavků. Promítají se do ní tato hlediska: instrukční soubor procesoru, množina vnitřních registrů, způsob zpracování přerušení a výjimek, zkušenost a znalost programátora.

223 Embedded řešení Programování se provádí v assembleru nebo ve vyšších programovacích jazycích s překladači a ladicími nástroji pro určitý typ mikrokontroleru v jádře. Technika embedded ADuC je nový trend, který dovolí výrobcům automatizační techniky a konstruktérům inteligentních strojů a zařízení používat jeden hardware pro různé aplikace. Tyto aplikace se budou vytvářet jen softwarově. Příklady aplikace ADuC: - inteligentní snímače různých technologických veličin - inteligentní snímače dat a údajů - inteligentní kancelářská technika - mobilní telefony - spotřební elektronika (přehrávač MP3, DVD walkman) - kompaktní regulátory - atd... Obrázek -7 Pohled na vývojový kit ADuC.6 Inteligentní svorkovnice Mikroelektronika pokročila do stádia, že umožňuje umístit přímo do svorkovnice v šířce 5 mm mikroelektronické prvky. Toto uspořádání nabízí mnoho předností. Vzniká velká úspora prostoru, materiálu a práce, odstraní se rušení a nejistoty funkce, jestliže v šířce jedné svorky je umístěn např. celý převodník, kompaktní regulátor, zesilovač, napáječ ap. Nový I/O systém SmartSlice společnosti Omron je kompaktní, inteligentní a snadný. Přímo ve svorkovnici se provádí matematické předzpracování, sumace, výpočet střední hodnoty a průměrů, logické vyhodnocení, výstražná signalizace ap. Příklad provedení uvádí Obrázek -8. Obrázek -8 Pohled na I/O systém SmartSlice, inteligentní svorkovnici Další řešení přímo ve svorkovnicích je typ univerzálního převodníku teploty pro Pt, termistorové a termočlánkové senzory. Podle typu vstupu je možnost parametrizace při galvanickém oddělení. Pohled na převodník v provedení inteligentní svorkovnice je na obr Jednotka rozbočovače průmyslového Ethernetu pro montáž do rozvaděče jako inteligentní svorkovnice je také na obrázku. Rozbočovač má osm zásuvek RJ45 a je konstruovaná pro rychlosti 0 a 00 Mb/s. Umístění elektroniky do svorkovnice vyžaduje kvalitní ochranu této elektroniky proti transientnímu přepětí. Např. při bouřce se může dostat přepětí od blesku přes vnější kabelové propojení. Proti takovému nebezpečí slouží obvody transientní ochrany. Je třeba, aby všechny vnější vodiče připojené k přístroji nebo zařízení byly chráněny vhodným prvkem přepěťové ochrany. Většina přístrojů má napájecí část spojenou s rozvodem 30V, některé musí mít připojenu anténu. Z vnějšího prostředí vstupují kabely od měřicích a akčních zařízení. Napojení na datové sítě je další cestou pro transientní přepětí. Všechny tyto kabelové připojení musí mít instalovány zabezpečující obvody a tím je zajištěna bezporuchová funkce i při přepětí.

224 Prostředky kompaktních regulátorů Prostředky kompaktních regulátorů Technické prostředky pro regulaci jsou v této kapitole popsány jako tzv. kompaktní regulátory (dále jen regulátory), tj. fyzicky realizovaná zařízení se vstupy pro měřené regulované veličiny a s výstupy akčních veličin. Vyhodnocení signálů ze vstupů je provedeno podle algoritmů regulace a nebo řízení. V této kapitole nejsou popisovány přístupy DDC (Digital Direct Control) realizující algoritmy regulace ve výpočetních jednotkách pomocí programových modulů, tzv softwarové regulátory. Kompaktní regulátory budou popsány z pohledu druhu výstupů a funkce jako regulátory: - nespojité (přímočinné, elektronické, impulzové) - spojité (analogové, číslicové, pneumatické) - speciální pro regulaci vlečnou, poměrovou, kaskádovou, rozvětvenou, optimální, adaptivní, samonastavující, fuzzy, ekvitermní).. Nespojité regulátory Nespojité regulátory jsou přímočinné nebo elektronické prostředky zajišťující jednoduchou regulaci. Velmi často se v praxi vyskytují, protože jsou jednoduché a levné. Používají se pro regulaci teploty, tlaku nebo hladiny u jednoduchých soustav, i když regulují nekvalitně, s velkými překmity a odchylkami. Přímočinné regulátory nevyžadují žádnou vnější pomocnou energii. Jsou určeny pro místní aplikace pro jednoduché soustavy astatické nebo statické.řádu bez nebo s velmi malým dopravním zpožděním. Příkladem je na př.: termostat u žehličky, termohlavice u radiátorů, termostat u elektrických ohřívačů vody, termostat u ventilátoru chladiče auta, manostat u kompresorů, limitní regulace hladiny u splachovacího záchodu ap. Elektronické nespojité regulátory jsou konstruovány s použitím tranzistorových obvodů nebo operačních zesilovačů. U nespojitých regulátorů je nastavitelná pouze žádaná hodnota. Přenosová charakteristika je typu skokové změny nebo hystereze. yh yl w w R u u I y s Obrázek - Nespojitý dvoustavový regulátor u 0 t(s) Specifickým algoritmem pro nespojitý regulátor je třístavový výstup. Blokové schéma a charakteristiku výstupu má Obrázek -. w w R u+ y u- u+ I y s u- I Obrázek - Nespojitý třístavový regulátor t(s) Významnou skupinou regulátorů jsou regulátory impulzové, nazývané také kvazi spojité. Jejich výstupním signálem jsou impulzy modulované podle regulační odchylky. Modulace je amplitudová, frekvenční nebo šířková. Velkého uplatnění v praxi dosahují regulátory s pulzně šířkovou modulací, s tzv. modulací PWM Pulse Wight Modulation. Blokové schéma a charakteristika výstupu nese Obrázek -.

225 Prostředky kompaktních regulátorů 3 w w R - u y u I y s u 0 t (s) c Obrázek -3 Nespojitý regulátor s PWM výstupem t(s) Elektronické zapojení vychází z regulátorů nespojitých s doplněním zapojení o časovač. První operační zesilovač ve schématu je nespojitý regulátor, který podle rozdílu regulační odchylky se překlápí a dvoustavově reguluje. Druhý operační zesilovač vytváří časovač, který moduluje výstupní napětí klopným obvodem. Na výstupu je obdélníkové napětí U e o frekvenci a střední hodnotě úměrné regulační odchylce. Zapojení lze doplnit integrátorem a derivátorem a lze tak získat regulátor se šířkovou modulací podle odchylky U e. Reálné obvody těchto regulátorů mají na výstupu ještě obvod pro vyhodnocování střední hodnoty. Regulátor kvazi spojitý s výstupem PWM (pulzně šířková modulace) se tří stavovým výstupem (tj. dolůklid-nahoru) se sestaví ze dvou výše uvedených zapojení. Ukázku reálného dvoupolohového regulátoru má Obrázek -4. Je určen k jednoduché regulaci nejčastěji teploty. Výstup je bezpotenciálový reléový kontakt. Lze nastavit žádanou hodnotu a hystereze. Obrázek -4 Fotografie elektronického nespojitého regulátoru. Regulátory se spojitým výstupním signálem Spojité regulátory jsou především univerzální prostředky regulace pro složitější úlohy a s vyšší třídou kvality regulace. Na výstupu je spojitý výstupní signál nejčastěji unifikovaný proudový signál 4..0 ma nebo napěťový signál 0..0 V, případně pneumatický signál kpa. Jedná se výhradně o elektronické regulátory s malou výjimkou patřící pneumatickým regulátorům. Z pohledu technologie konstrukce lze spojité elektronické regulátory rozdělit na elektronické analogové a číslicové a na spojité regulátory pneumatické. Podle přenosů jsou spojité regulátory členěny na: P proporcionální, PD - proporcionálně derivační, PI proporcionálně integrační, PID proporcionálně integračně derivační. Vyskytují se i přenosy DPID. U číslicových regulátorů je integrační přenos označen jako S sumační. S rozvojem mikroelektroniky se začínají uplatňovat při konstrukci regulátorů se spojitým výstupem číslicové technologie. Jedná se o zařízení kompaktního regulátoru, jehož základ tvoří mikroelektronické obvody, kde jsou zajištěny vstupní a výstupní operace a kde je algoritmus regulátoru s přenosem PID realizován programem. Blokové schéma takového regulátoru v nejjednodušší sestavě přináší Obrázek -5.

226 Prostředky kompaktních regulátorů 4 Obrázek -5 Blokové schéma číslicového regulátoru Vstupní analogová měřená veličina vstupuje do regulátoru jako signál AI a převádí se v A/D převodníku na binární číslo. Další vstupy, tj. hodnota žádané veličiny w, konstanta zesílení r, integrační T i a derivační T d konstanta se nastavují pomocí tlačítek v obvodu DI. Centrální jednotka CPU spolu s operačním pamětí ROM, RAM provede zpracování vstupů podle naprogramovaného algoritmu. Podle periody vzorkování čtení vstupů a vyhodnocení (např. 0, s) se tento regulátor blíží regulátoru analogovému. Výstup akční veličiny je analogový unifikovaný signál AO z obvodu D/A převodníku. Díky číslicové technice je zpravidla regulátor vybaven obvodem sériového propojení SIO s nadřízeným systémem. Sériové propojení umožní mj. dálkové sledování činnosti regulátoru a zadávání změny žádané veličiny podle způsobu SPC - Set Point Control. V praxi jsou konstrukce číslicových regulátorů složitější. Mají zabudovaných více vstupů různých druhů a více výstupů, případně mají naprogramovaných více regulátorů, tzv. více smyčkové regulátory. Mohou mít také zobrazovací displej, přepínač na ruční a automatický provozní režim, přepínač pro automatické nastavování konstant regulátoru. Výjimečně jsou nabízeny ještě i regulátory pneumatické. Vstupem a výstupem těchto regulátorů jsou pneumatické signály unifikované úrovně kpa a funkce PID je plně realizována pneumatickými prvky. Obrázek -6 Ukázka provedení kompaktních číslicových regulátorů.3 Speciální regulátory Rostoucí požadavky na kvalitu regulace a na rozšiřování funkcí obvodů regulace vyvolaly nabídku výroby speciálních regulátorů. Výše popsané regulátory slouží nejčastěji pro jednoparametrové nerozvětvené regulační obvody regulující měřenou veličinu na konstantní hodnotu žádané veličiny nebo podle programové regulace. Reálné soustavy ale svojí složitostí vyžadují řešit rozvětvené obvody. Pak nastupují regulátory vlečné, poměrové, kaskádové regulace anebo regulátory s rozvětvenými výstupy. Speciální regulátory také zabezpečují vyšší formy regulace jako je adaptivní a optimální regulace. Specifickými regulátory jsou i regulátory pro fuzzy regulaci fuzzy logiku, neuronové sítě a genetické algoritmy. Regulátor pro vlečnou regulaci má dva vstupy: vstup měřené regulované veličiny a vstup další měřené veličiny tzv. poruchové. Tento typ regulace se nazývá také regulace s měřenou poruchovou veličinou. Typickým příkladem je vlečná regulace hladiny v napájecí nádrži parního kotle.

227 Prostředky kompaktních regulátorů 5 u(t) Soustava Regulátor y y y Obrázek -7 Regulátor, blokové schéma ekvitermní regulace a závislosti teplot y Regulátor pro vlečnou regulaci má v tomto případě napojenou veličinu y výstup měření průtoku páry na výstupu z kotle a veličinu y výstup měření výšky hladiny. Současně má vstup pro nastavení hodnoty žádané veličiny w. Výstupem je signál pro ovládání ventilu pro přívod napájecí vody do bubnu kotle. Obecný přenos regulátoru je PID. Podle konkrétní aplikace se integrační nebo derivační složka může zrušit volbou odpovídající konstanty. Poměrová regulace vyžaduje regulátor, který udržuje na požadované hodnotě poměr dvou měřených veličin soustavy. Příkladem aplikace je regulace spalovacího procesu v hořáku kotle, kdy se udržuje pro daný přívod paliva v určitém poměru množství vzduchu pro spalování. Regulace s rozvětveným výstupem regulátoru se liší vůči výše popsaným regulátorům tím, že akční veličina působí na dvou nebo více regulačních orgánech podle daných pravidel. Vedle algoritmu regulace je výstupní veličina rozdělena na dva nebo více výstupů. Příkladem je regulace parametrů prostředí podle tepelné pohodyindex PMV - tak, že se ovládá přívod konvekční a sálavé tepelné energie. Optimální regulace je regulace, kdy se dosahuje z daného hlediska nejlepší možné, tj. optimální vlastnosti. Je nutné např. odstranit regulační odchylku v co nejkratším čase, nebo s vynaložením minima energie, s maximální účinností nebo spolehlivostí. V praxi se sériově vyrábí tzv. extremální regulátory, které udržují soustavu na extrému: minimu nebo maximu hodnotícího kriteria. Aplikují se např. pro regulaci spalovacího procesu velkých kotlů. Hledá se maximum účinnosti pro nastavené množství palivo tím, že se hledá optimální přívodní množství vzduchu. Soustava má výstup y regulován regulátorem R na hodnotu žádané veličiny w prostřednictvím akční veličiny u Pro tuto hodnotu a podle pomocné veličiny y pracuje extremální regulátor ER, tak, že hledá maximum hodnoty y pomocí změn akční veličiny u. Statická závislost y na hodnotě y ukazuje vedlejší graf. Dalším specifickým regulátorem je ekvitermní regulátor. Je v praxi již dlouho dobu používán pro regulaci teploty topné vody pro vytápěcí systémy na hodnotu danou závislostí teploty topné vody podle venkovní teploty. Schéma regulačního obvodu, foto regulátoru a charakteristiku přináší Obrázek -7. Výše uvedený popis druhů kompaktních regulátorů ukončíme popisem tzv. více funkčního regulátoru. Tyto kompaktní regulátory jsou v nabídce hlavních světových výrobců a obsahují aplikace výsledků teorie automatizace a obsahují všechny dnes realizovatelné funkce regulace pomocí elektroniky. Blokové schéma příkladného vícefunkčního regulátoru má Obrázek -8. Obrázek -8 Blokové schéma více funkčního regulátoru

228 Prostředky kompaktních regulátorů 6 Na blok Vstupní rozhraní lze zapojit všechny druhy základních snímačů. Mohou to být analogové vstupy AI až AI5 typu odporových teploměrů (Pt, Ni nebo termistorů NTC), termočlánků (typy L, J, K, N, S, R, B, T, W, E), odporový vysílač (rozsah 0 až 500 Ohm), stejnosměrný proud (0..0 ma, 4..0 ma se vstupním odporem 50 Ohm), stejnosměrné napětí ( 0..0 V nebo..0 V se vstupním odporem 00 kohm). Ve vstupním rozhraní se provádí také A/D převod. Binární vstupy jsou digitální stavové nebo impulzové signály s galvanickým oddělením. Jejich úroveň je TTL nebo DTL nebo 4 V ss. V bloku Přepočty vstupů se zajišťují matematické přepočty linearizace nebo úprava rozsahu. Upravené hodnoty jdou dále do bloku Filtrace a dále do bloku Funkce regulace. Jako více funkční regulátor může parametrizovat tyto regulační funkce: - spojité PID pro více okruhů - diskrétní PSD pro více okruhů - nelineární PID - vzorkované PI pro více vstupů (Sample and Hold PI) - poměrová regulace - kaskádová regulace - Feedforward regulace - PID s nastavovaným sklonem (PID with reset bias) - ruční řízení. Pro nastavení konstant PID lze volit i funkci samonastavování (Self tunig). Vyhodnocený jeden nebo více výstupů pro akční členy je zpracován v bloku Přepočty výstupů na odpovídající typ výstupního signálu. Jedná se o analogové výstupy proudové 0..0 ma nebo 4..0 ma nebo digitální signály typu 0/0 ma na zátěži <600 Ohm nebo 0/V při zátěži >600 Ohm nebo jako zkratu vzdorné výstupy galvanicky oddělených optočlenů. Zvláštní skupinu speciálních regulátorů tvoří tzv. fuzzy regulátory. Jsou to prostředky založené na teorii vícehodnotové logiky fuzzy logiky a přejímají poznatky z teoretického odvětví umělé inteligence. Navrhování fuzzy regulátoru nevyžaduje přesný matematický popis regulované soustavy, ale definování pomocí slovního definování podmínek funkce soustavy do množiny a jejich příslušnost. Aparát fuzzy logiky poskytuje jazyk s vlastní syntaxi a sématikou pro popis kvalitativně popisovaných zkušeností a znalostí o řešeném problému. Zpravidla se použijí empirické znalosti o řízeném procesu na znalostní bázi. Blokové schéma fuzzy regulátoru má Obrázek -9 y(t) Fuzzifikace Inference Defuzzifikace u(t) Fuzzy pravidla Obrázek -9 Bokové schéma fuzzy regulátoru Fuzzy regulátor je vhodné používat v případech, kdy nelze používat standardní algoritmy podle teorie automatického řízení, při koordinaci různorodých subsystémů řízení, při řízení silně nelineárních systémů, při řízení podle více kriterií, při korekcích akčních veličin..4 Aplikace regulátoru v systému LABI Úloha DE regulace teploty plní funkci reálného systému s uzavřeným okruhem regulace teploty. Zařízení obsahuje regulovanou soustavu s dopravním zpožděním a rozloženými parametry. Schéma úlohy DE je na obr Je to reálná soustava s elektrickým ohřívačem vody (E), oběhovým čerpadlem (E), třícestným ventilem (Y) a radiátorem jako spotřebičem tepla (E3). Systém automatizace obsahuje 4 měření veličinyteploty (T, T, T3, T4), kompaktní regulátor SIPART DR firmy SIMENS(U), ovládací jednotku efektivního silového napětí 30 V/50 Hz (K), jednotku PLC SIMATIC S-300 a příslušenství.

229 Prostředky kompaktních regulátorů 7 Obrázek -0 Blokové schéma úlohy DE systému LABI, pohled na DE systému LABI Regulátor je kompaktní programovatelný číslicový regulátor s možností dálkového parametrizování. Akčním členem je jednotka pro ovládání napětí 30V/50 Hz elektrické energie s fázovým řízením. Měřené veličiny na soustavě (teploty T, T, T3, T4, poloha ventilu Y) jsou napojeny na vstupní stranu centrální jednotky, jako analogové signály. Centrální typ SIMATIC S Propojení mezi PLC a regulátorem je typu PROFIBUS. Pohled na sestavu úlohy DE má Obrázek -0. Na rozvaděči je na čelní stěně umístěn číslicový programovatelný regulátor SIPART DR.

230 Periferijní jednotky 8 3 Prostředky periferních jednotek Průběh a činnost procesů případně kontrola funkce systémů musí být dány k dispozici obsluhujícímu personálu ve srozumitelné formě. Předkládání je zpravidla vizuální jako schéma na obrazovce nebo panelu nebo jako zpráva a protokol tiskem. Upozornění na výstup těchto informací nebo na poruchový či havarijní stav může být optické nebo zvukové. Další funkce této kategorie technických prostředků je archivace dat. Pro splnění těchto požadavků jsou k dispozici následující prostředky: pro zobrazení informace: - operátorské displeje u PC nebo IPC - operátorské panely - vizualizační stěny pro registraci informace: - liniové nebo souřadnicové zapisovače - tiskárny pro signalizaci limitních stavů - zvukovou signalizaci - světelnou signalizaci pro archivaci dat - CD, DVD - Disková pole - Datové pásky - DLT - Diskety, ZIP - Optické disky - Jiná média. 3. Zobrazovací jednotky Operátorské displeje jsou zařízení s obrazovkou (CRT) nebo v současné době se rozvíjející LCD displeje. Jedná se o barevné systémy s vysokým rozlišením. Způsob zobrazování informace je na grafickém pozadí číslem nebo textem. Pomocí programovacích prostředků lze vytvořit systém, že vedle zvoleného schématu se zobrazují i informace o signalizaci doprovázené zvukovou signalizací reproduktoru PC. Operátorské panely jsou kompaktní jednotky pro přímý vizuální kontakt člověka se systémem. Zobrazují na plochých LCD displejích číselné, textové nebo i grafické údaje. U některých malých přístrojů (např. kompaktní regulátor) se může jednat i o analogové ukazatele nebo quasianalogové zobrazovače z kapalných krystalů, sloupcové ukazatele mechanické nebo elektronické, číslicové ukazatele využívající elektronické prvky pro zobrazení číselných hodnot: segmentové a bodové zobrazovače, textové ukazatele s bodovým zobrazováním písmen. Ukázka operátorských uvádí Obrázek 3-. Obrázek 3- Fotografie operátorských panelů 3. Prostředky pro registraci Pro uživatele systémů je dále důležitý zápis informace formou protokolu výsledků, výpisů dokladů a dokumentů pro administrativu nebo pro zpětnou kontrolu kvality, pro dokladování průběhu technologického procesů ap. Přístroje pro zápis jsou typu liniových nebo souřadnicových zapisovačů nebo různých typu tiskáren

231 Periferijní jednotky 9 (viz Obrázek 3-). Obrázek 3- Laserová tiskárna, bezpapírový zapisovač, souřadnicový velkoformátový zapisovač Liniové zapisovače jsou spojité nebo bodové jedno nebo více křivkové, jednobarevné i barevné. V současné době jsou nabízeny jako bezpapírové. Souřadnicové zapisovače jsou nákladnější prostředky a umožňují vykreslit komplexní číselné, textové i grafické dokumenty. Výstupy informací na tiskárny umožňují tisk informací přímo na papír jako rastr bodů. Výstup je buď textový (čísla, písmena a pseudografika) nebo plně grafický. Rastr bodů vytváří ovládané jehly (9 nebo 4) přes barvicí pásku, nebo body vystřikovaného inkoustu, nebo paprsek laseru nebo termohlavice na citlivý papír. V současné době začíná se používat řešení elektronických zapisovačů nebo systémy SCADA, které mohou archivovaná data vyhodnotit graficky např. v prostředí EXCEL a následně vytisknout. 3.3 Prostředky pro signalizaci Automatická signalizace upozorňuje obslužný personál na provozní stav: standardní nebo výjimečný, kdy je nutno zabezpečit jeho plnou pozornost a následnou reakci. Standardní bezproblémový stav je signalizován jako redundantní informace, obsluha si uvědomuje nebo potvrzuje správnost situace. V případech překročení limitních stavů důležitých parametrů se jedná se o poruchovou nebo havarijní signalizaci. Jako technické prostředky pro zvukovou signalizaci jsou používány: elektronické generátory tónů a zesilovače s výstupem na reproduktor nebo pneumatické sirény. Obsluha může zvukový signál přerušit nebo pozastavit nebo odstavit podle dohodnutého způsobu. Při volbě zařízení zvukové signalizace je nutno zvažovat splnění požadavků podle hodnot zvukového výkonu, podle hodnot kmitočtového pásma ve vztahu k intenzitě a frekvenčního pásma hluku na pracovišti. Optická signalizace pracuje buď samostatně anebo paralelně se zvukovou signalizací. Možnosti upozornit opticky na poruchu nebo havárii jsou: integrováním do zobrazovacího systému pro obsluhu, samostatným světelným tělesem. Běžný systém optické signalizace je její integrace do programů pro zobrazování průběhů technologie a procesů na obrazovkách, na operátorských jednotkách nebo operátorských stěnách. V případě vzniku podnětu systém překryje zvolené provozní schéma poruchovým nebo havarijním schématem s dialogem a informaci o vzniklé poruše nebo havárií. Zpravidla bývá tato signalizace doprovázená i zvukovým upozorněním.

232 Periferijní jednotky 30 Panelová stěna s řídicí jednotkou PC pro sledování procesů Síťová tiskárna IPC pro sledování procesů Lokální panel LCD PLC a řízení zapisovače PLC a řízení akustické a optické signalizace PC a lokální tiskárna Obrázek 3-3 Blokové schéma podsystému indikace, registrace a signalizace Druhý způsob optické signalizace je použití samostatných světelných těles v provozních prostorách a upozornění na poruchu nebo havárii. Světelné těleso s jedním světlem začne svítit, těleso s více světly přepne na jinou barvu světla, případně začne svítit přerušovaně. Zpravidla bývá tato světelná signalizace doprovázená i zvukovou signalizací. Optická signalizace se nedá obsluhou zrušit a přestane upozorňovat až po odstranění příčiny vzniku poruchového nebo havarijního stavu. Blokové schéma celého podsystému indikace, registrace a signalizace se všemi probíranými prostředky zobrazuje Obrázek 3-3. Tyto prostředky jsou v SIA vzájemně propojeny a pracují systémově. 3.4 Prostředky pro elektronickou archivaci dat Archivace dat je další významná funkce systému automatizace nebo informatiky. Údaje o průběhu procesů a technologických operací, o postupech a stavech jsou ukládána na vnitřní paměťová média centrálních jednotek. Za určité období je nutno ale tato data přesunout do archivu, tj. do externí paměti pro trvalé uložení. V konstrukci výpočetní techniky se hovoří i vnitřní paměti, která je na deskách elektroniky a na vnější paměti, kde jsou zařízení přenositelná. Vnitřní paměti používají integrované obvody k vytváření sestavy paměti podle délky slova a velikost kapacity paměti. Funkčně jsou to pevné paměti (Read Only Memory ROM), RAM, různé typy neprogramovatelných až nejnovější flesch paměti. V historickém kontextu u externích pamětí se jedná o prostředky pružných disků (flopy disc), pevných disků (hard disc), CD disků (Compact disc), DVD disk, Blu-ray disk, magnetopáskové jednotky. Disketa (floppy disk, pružný disk) je označení pro magnetické datové médium sloužící k ukládání a přenášení dat na médiu ve tvaru disku. Její největší výhodou a důvodem velkého rozšíření byla výrobní cena jak samotných disket, tak i mechanik pro jejich čtení/zápis. Diskety byly původně 8 média (osmipalcová, tj. průměr 00 mm, kapacita 56 kb), později se jejich velikost změnila na 5,5" (33 mm, kapacita, MB) a 3,5" (89 mm,,44mb). Užití 3,5 disket bylo ukončeno kolem roku 00. Příklady tří velikostí ukazuje Obrázek 3-4.

233 Periferijní jednotky 3 Obrázek 3-4 Externí paměti typu pružný disk, CD Kompaktní disky (Compact disc CD) jsou optické disky určený pro ukládání digitálních dat ve stopách na jedné dlouhé spirále začínající ve středu média. Pro čtení i záznam se používá laserový paprsek o vlnové délkce 785 nm. Standardní kapacita je 700 MB. DVD disk (Digital Video Disc- DVD) je další typ optického datového nosiče se zpětnou kompatibilitou s CD. DVD bylo uvedeno na trh v Japonsku roku 996. Používá několik druhů zápisu, např. DVR-R (jen jednou zápis), DVD RW (read a write, přepisovatelný až 000x). Kapacita je 4,7 GB nebo i obostranné s dvojnásobnou kapacitou. Základní zařízení pro archivaci dat je u každého PC jednotka pevného disku (Hard Disc-HD). První komerční pevné disky se objevily v roce 956, nejprve pro sálové počítače. Předností řešení je, že umožňuje přímý přístup k jednotlivým blokům záznamu. Během roků vývoje se zvětšovala kapacita (r ,75 MB, v r TB), snižovala se velikost, hmotnost i cena. Data jsou na disku uložena pomocí zmagnetizování míst na magnetickém materiálu záznamové vrstvy. Záznam provádějí záznamové a čtecí hlavy, podobně jako u páskového magnetofonu. Napojení na základní desku zajišťuje rozhraní, původní ATA (Advanced Technology Attachment) s rychlostí kolem GB/s, pak SATA (Seriál ATA) a nyní pro vysokou rychlost záznamu i čtení, SCSI (Small Computer System Interface). Obrázek 3-5 HD jednotka, Blu-ray disk Určitou alternativou je prováděn záznam na Solid State Driver (SSD). Je to sestava paměti používající dnes nejčastěji obvody flash memory. Používají se v případech, kdy nelze použít rotační HDD, např. při použití při záporných teplotách. Flash paměť je nevolatilní (semipermanentní) elektricky programovatelná (tj. zapisovatelná) paměť s libovolným přístupem. Data jsou ukládána v poli unipolárních tranzistorů s plovoucími hradly, každý z nich obvykle uchovává bit (SLC) nebo dnes 3 bity a více (MLC) informace. SLC čipy nabízí větší stabilitu informací a rychlost zápisu, kdežto MLC zase větší hustotu informací a nižší cenu. Výhodou této paměti je, že ji lze znovu naprogramovat, měnit její obsah (např. přeprogramování novější verzí firmware) bez vyjmutí ze zařízení s použitím minima pomocných obvodů. Proto se používá nově zejména jako základ kapacitních paměťových médií karet formátu SD, minisd a nebo SSD. Třetí generací optických disků je systém Blu-ray. Data se ukládají ve stopě tvaru spirály 0, mm pod povrch disku, příčný odstup stop je 0,35 μm. Pro čtení disků Blu-ray se používá laserové světlo s vlnovou délkou 405 nm. Technologii vyvinula japonská firma Sony ve spolupráci s firmou Philips, Název disku pochází z anglického Blue ray, tj. modrý paprsek, označení související s barvou světla používaného ke čtení (písmeno "e" bylo z názvu vypuštěno, aby jej bylo možné zaregistrovat jako ochrannou známku). Kapacita je 5, 50 a 00GB.

234 Periferijní jednotky 3 Obrázek 3-6 TotalStorage DS300, TotalStorage DS6000 Větší rozsah archivace lze provést pomocí diskových systémů. Je to např. systém IBM TotalStorage DS300 a DS400, určený pro základní úrovně. Podnikové diskové systémy pro ukládání dat jsou typy DS6000 a DS8000. Nabízejí díky vysoké spolehlivosti, škálovatelnosti, výkonu a podpoře více platforem špičkové podnikové řešení pro ukládání dat, jež přináší vysokou obchodní hodnotu. Foto zařízení má Obrázek 3-6. Systémy pro ukládání dat připojené k síti jsou vytvořeny zařízením IBM NAS Gateway. Je to řada DS4000 a IBM TotalStorage Enterprise Storage Server a IBM TotalStorage SAN Volume Controller, umožňující přístup NAS i do diskových systémů jiných výrobců. Zobrazení systému přináší Obrázek 3-7. Páskové systémy pro ukládání dat nabízí IBM typu Tape Backup a Automation. Tato zařízení zajišťují ochranu a archivace dat pomocí řady páskových technologií a softwarových nabídek. V ČR podle statistiky se zálohuje nejvíce na CD a DVD nosičích a to ze 7%. Na druhém místě to jsou disková pole, 48%. Třetí místo patří datových páskovým médiím, celkem 40%. Čtvrté místo přináleží jednotkám DLT a to 39%, Diskety a jednotky ZIP jsou používány z %, optické disky z 0% a ostatní metody mají %. Systémový přístup doporučuje používat zastoupení několika metod. Příkladné řešení lze demonstrovat na nabídce zařízení pro archivaci firmy IBM. IBM dodává velkou řadu testovaných produktů pro ukládání dat, které se vyznačují snadnou instalací a vysokou kapacitou a které plně uspokojí potřeby SIA. Obrázek 3-7 TotalStorage DS4000, Tape Backup systém

235 Podsystém ovládání 33 4 Prostředky ovládání Technické prostředky pro ovládání (dále jen aktuátory) jsou v systémech automatizace třetí kategorií používaných technických prostředků. Jsou umístěné na technologických zařízeních a vykonávají pokyny centrálních jednotek dané výstupními signály, případně přímými pokyny obsluhujícího člověka. Aktuátory lze členit na prostředky pro ovládání elektrické energie, pro ovládání toku tekutin a také pro řízení pohybu předmětů (viz schéma Obrázek 4-). A A E AO DO D D Obrázek 4- Blokové schéma systému ovládání Aktuátor může být pouhý ovládací prvek bez zpětné vazby a se zpětnou vazbou od skutečné polohy nastavení. Ovládání bez zpětné vazby je často používané pro jednoduchost, nedostatek přesného ovládání je odstraněno regulátorem. Pro přesné nastavení a ovládání je nutná zpětná vazba a informace o poloze. Toto zařízení má dvě základní části: servomechanismus a vlastní ovládací prvek. Signál, který vstupuje do aktuátoru s obsahem řídicích instrukcí a dat, je nejdříve v bloku vyhodnocování servomechanismu upraven podle úrovně a výkonu. Po této úpravě vstupuje do ovládacího elementu. Blokové schéma aktuátorů obsahuje Obrázek 4-. Např. u ovládání tekutin je servomechanismem stacioner a ovládacím elementem ventil. E E3 u(t) řízení Ovládací element u(t) řízení y(t) poloha elementu Vyhodnocení servomechanismu Ovládací element U Obrázek 4- Blokové schéma ovládacího členu Prostředky ovládání elektrické energie slouží pro nespojité a spojité řízení toku elektrické energie. Nespojité ovládání provádí relé, stykače, dálkově řízené spínače, měkké spouštěče výkonných motorů. Rozsah ovládaného napětí je od jednotek voltů do tisíce voltů. Řízený výkon je v rozsahu od jednotek mw až jednotky GW. Spojité ovládání elektrické energie slouží pro řízení výkonů elektrických různých typů v rozsahu od jednotek mw až MW pro stejnosměrný i střídavý třífázový proud. Ovládání toku tekutin je prováděno v technologiích nespojitým způsobem, tj. dvoustavově (zavřenootevřeno) nebo spojitě od minima do maxima. Velikost aktuátoru je dána světlostí potrubí a používaného tlaku. Důležitou vlastností aktuátorů je také odolnost vůči vnějšímu prostředí i druhu tekutiny. Významné je také zpětné působení aktuátoru na vnější prostředí tj. jeho vlastnosti podle zásad elektromagnetické kompatibility. Především řízení toku elektrické energie vyvolává rušivé interferenční signály. V další části je popsány principy a konstrukce zařízení pro ovládání toku elektrické energie pomocí relé a stykačů (a), měkkých starterů (c), frekvenčních měničů (d), zařízení se spínání v nule a fázovým řízením (b), impulzní řízení krokových motorů (e), polovodičové řízení DC napětí (f), I ef 0-f ef a) b) c) d) e) f) toku tekutin pomocí škrtících elementů v potrubí (a) a otevřených kanálů (b), 3 4

236 Podsystém ovládání 34 4a b a) b) toku proudu nebo posuvu pásu materiálů nebo kusových předmětů.

237 Ovládání elektrické energie 35 5 Prostředky pro ovládání elektrické energie Technické prostředky pro ovládání elektrické energie slouží pro nespojité nebo spojité řízení spotřebičů na elektrickou energii. Pro nespojité ovládání se používají prostředky typu: relé, stykač, dálkově řízený spínač nebo měkký spouštěč výkonných motorů. Spojité ovládání je realizováno kmitočtovými měniči a jednotkami pro fázové řízení elektrického výkonů. Rozsah ovládaného elektrického napětí je od jednotek do tisíců voltů. Řízený výkon je v rozsahu od jednotek mw až MW. Spojité ovládání elektrické energie slouží pro řízení výkonů elektrických zařízení různých typů v rozsahu od jednotek mw až MW pro stejnosměrný i střídavý třífázový proud I ef 0-f ef a) b) c) d) e) f) Schéma principů ovládání toku elektrické energie (a-elektromechanické, b-elektronické relé a řízení Uef, c- měkký spouštěč, d-frekvenční měnič, e-řízení impulzní krokových motorů, f-elektronické řízení DC napětí, - ovládací signál, 3-4 ovládaný tok elektrické energie) Vedle problematiky řízení toku elektrické energie je u ovládacích prvků řešena i otázka elektromagnetické kompatibility EMC. Hlavní příčinou jsou změny fáze, změny kmitočtu elektrické energie, které způsobují změny elektromagnetické pole v okolí zařízení a vyvolávají elektromagnetické rušení. Aby zařízení vyhověla standardům musí být použity jednak vhodné principy ovládání a jednak správná zařízení omezování elektromagnetického rušení. 5. Elektromechanická relé a stykače Základními prostředky pro nespojité automatické ovládání elektrické energie je relé. Podle provedení dělíme relé na elektromagnetická či elektromechanická, jazýčková, polarizovaná, paměťová a elektronická. Stykače jsou zařízení pro spínání větších proudů, např. nad 00A. Nejstarší a stále používané prostředky nespojitého řízení jsou elektromechanická relé nebo stykače. Sepnutí nebo rozepnutí toku elektrického proudu se provádí elektromechanicky. Obrázek 5- ukazuje schéma elektromagnetického a jazýčkového relé a) b) Obrázek 5- Schéma elektromagnetického (a) a jazýčkového relé (b) Hlavní části jsou cívka pro generování mechanických sil a kontakty pro sepnutí nebo rozepnutí toku elektrického proudu. Pro vytvoření mechanického momentu se v jádře cívky () napájecím proudem vytváří magnetický obvod, který přitahuje kotvu kontaktů (). Pro sepnutí a rozepnutí jsou u relé použity svazky kontaktů (3). Jsou buď přepínací, spínací nebo rozpínací v počtu jeden nebo více až např. pět svazků. Cívka relé je konstruovaná na různá napětí 3V, 6V, V, 4V nebo i více voltů např. 30 nebo 400V. Napětí může být buď stejnosměrné anebo střídavé. Dalším parametrem je mezní frekvence nebo perioda spínání. Udává hodnotu frekvence, kdy relé spolehlivě ještě spíná, tj. kdy kontakty přestávají odskakovat a jsou uklidněné. Kontakty spínají proudy od hodnot jednotek do desítek ampér u relé a stovky a více ampér pro stykače. Trvanlivost kontaktů závisí i na napětí a proudu toku. Jazýčkové relé má jeden svazek spínacích kontaktů spínaný magnetickým polem cívky nebo vnějším magnetickým polem. Schéma je v části b). Kontakty jsou umístěny v zataveném skleněném tělísku ()

238 Ovládání elektrické energie 36 z nemagnetického materiálu. Magnetické pole působí na plíšky kontaktů, které jsou z permalloye a mají zvýšenou účinnost sepnutí. Rozpínání je provedeno jejich vlastní pružností, když cívkou neteče proud A A K c) d) e) Obrázek 5- Schéma konstrukce stykače a jeho značení Stykač má odvozenou konstrukci od relé. Stykače jsou konstruovány pro velké spínané proudy od hodnoty stovek až po tisíce ampér. Mají proto masivnější provedení. Schéma konstrukce ukazuje Obrázek 5-. Elektromechanická síla je vytvářena vtahováním jádra () do cívky (), viz c), nebo přitahováním části jádra tvaru I (5) k jádru tvaru U s cívkou (4), viz provedení d). Spínací cívky jsou nejčastěji na napětí 30 V st. Kontakty (3) jsou konstruovány jako jedno nebo třífázové. Stykače se používají jako přímé výkonové spínací prvky. V části e) je ještě značka stykače nebo třífázového relé pro kreslení v elektrotechnických schématech. Použití relé i stykačů je i v době elektroniky aktuální. Tyto prvky představují spolehlivá zařízení zajišťující spínání s velmi malým přechodovým odporem a levná zařízení především u spínání silových zařízení. Obrázek 5-3 zobrazuje schéma zapojení relé použité pro ovládání elektrického zařízení výstupem jednotek PLC/PCC/IPC. Výstup DO/ centrální jednotky o úrovni např. 5V DC spíná pomocné relé KA tokem elektrického proudu vůči vodiči OV. Kontakty KA. tohoto relé spínají napětí 30 V st fáze L v obvodu dalšího relé KA. Spínací kontakty KA. spínají napětí 30 V st v obvodu stykače K, který spíná silový obvod spotřebiče M kontakty -. Tato kaskáda dvou relé a stykače je nutná pro vzájemné přizpůsobení cívek a kontaktů relé a stykače. Tímto způsobem můžeme např. sepnout výstupem DO/ i o napětí 5 V a proudu 0 ma proud spotřebiče M ve výši 000 A, tj. např. výkon 30 kw. DO/ A KA A L KA. A KA A N PE FU M 7 8 DI/ KA. A K A Obrázek 5-3 Schéma kaskádového zapojení systému automatizace pro silové spínání pomocí relé a stykače Zpětná vazba mezi spínaným zařízením a systémem, např. pro signalizaci stavu zapnutí nebo vypnutí, je možná pomocí kontaktů 7-8 stykače K. Jednotka může pomocí vstupu DI/, po zavedení do tohoto obvodu vlastní napájecí napětí, zjistit stav sepnutí nebo rozepnutí stykače K. D C A A A A K K Obrázek 5-4 Odrušení cívky relé při ovládání DC proudem

239 Ovládání elektrické energie 37 Při ovládání cívky relé DC proudem je nutné zajistit odrušení vzniklého výboje zpětného rázu, Nejjednodušším způsoben se to zajistí paralelním zapojení diody D v závěrném směru případně kapacitou C(viz Obrázek 5-4). Ovládání AC proudem nevyžaduje odrušení, může být použit kondenzátor. Specifickým finálním výrobkem je polovodičové relé, tzv. Solid State Relay SSR. U vnitřního zapojení SSR se jedná o modifikaci některých výše uvedených zapojení. SSR jsou řízeny stejnosměrným napětím (např. 4 V ss) nebo proudem (0 ma). Silový obvod může být stejnosměrný nebo střídavý. Spínaní je nespojité typu zapnuto/vypnuto. Příklad zapojení SSR přináší Obrázek 5-5. Zapojení a) znázorňuje ovládání stejnosměrného elektrického výkonu. Zátěž R z je napájena napětím U n ss při řídicím stejnosměrném napětí nebo proudu o hodnotě logické jedničky. Zapojení b) je obdobné s tím rozdílem, že se ovládá napětí střídavé. Zapojení podle c) spíná elektrický střídavý třífázový výkon. Ovládání elektrického výkonu je u SSR vždy nespojité. DO SSR +U DC N R z DO SSR U AC N R z DO SSR R z a) i z b) c) Obrázek 5-5 Schéma použití polovodičových relé i z i z 5. Prostředky pro bezkontaktní ovládání elektrického výkonu Mnoho technologických zařízení vyžaduje ovládat elektrický výkon. Jsou to např. elektrické motory, elektrické topné systémy, osvětlovací systémy, napájecí systémy ap. Řízení elektrického výkonu se vlastně týká řízení napětí nebo řízení proudu. Další podstatným aspektem je charakter spotřebiče, tj. charakter ohmický, indukčnostní nebo kapacitní, který ovlivňuje volbu ovládacího silového elementu při řízení stejnosměrného i střídavého výkonu. Řízení elektrického výkonu nespojitě se provádí výše popsanými elektromechanickými prostředky nebo v současné době pomocí polovodičových spínačů. Polovodičové spínače lze na rozdíl od elektromechanických relé používat pro větší rozsah frekvencí a pro přímé spínání bez nutností kaskády. Polovodičové spínací prvky také umožňují řídit spojitě elektrický výkon. Obvod pro řízení elektrického výkonu používající tyristor vysvětlíme na řízeném usměrňovači. Schéma zobrazuje Obrázek 5-6. U z =O =45 =90 =35 VD VD U N,AC R z VD3 VD4 Obrázek 5-6 Schéma řízeného usměrňovače a průběhy řízeného napětí Řízený usměrňovač umožňuje vedle usměrnění současně řídit velikost plochy jednotlivé půlvlny usměrněného napětí. Obvod obsahuje dva tyristory VD, VD a dvě diody VD3 a VD4. Usměrněné půlvlnné napětí je vedeno na zátěž R Z. Všechny tyristory VD* propouští napětí půlvlny podle okamžiku působení řídicího proudu tyristoru I g. Okamžik počátku působení řídicího napětí je udáván podle fázového úhlu, tj. 0 až 80. Na obr je druhá půlvlna zobrazena při počátku působení řídicího impulzu od 45, třetí půlvlna od 90 a čtvrtá od 34. Podle plochy napětí půlvlny je na Rz dodán užitný výkon, tj. řízený výkon. Dalším v praxi používaným způsobem řízení toku střídavého proudu je metoda spínání v nule. Polovodičový řídicí systém zajistí propouštět do spotřebiče jednu nebo více period střídavého napětí a zastaví vstup jedné nebo více period efektivního napětí. Tak pro nejmenší tok je pouštěna jedna perioda a zastaveny periody efektivního napětí po dobu např. s. Výstupní efektivní napětí má nejnižší hodnotu. Naopak pro prakticky nejvyšší tok jsou propuštěny periody po dobu např. s a zastavena jedna perioda. Výstupní efektivní napětí má naopak nejvyšší hodnotu. Průběhy uvádí Obrázek 5-7.

240 Ovládání elektrické energie 38 Uz t 0 Uz t 0 Uz Obrázek 5-7 Graf průběhů vypínání t0 při spínání v nule Jednotky pro fázové řízení a spínáním v nule využívají elektronické prvky pro spínání a to tyristory, triaky a výkonové MOS tranzistory. Elektronika pro generování řídicích impulzů je používaná z nabídky výrobců integrovaných obvodů, např. TCA785, MAA436, IR0, U09 a další. Ukázku jednotek SHIMADEN má Obrázek 5-8. t 0 Obrázek 5-8 Jednotky pro řízení fázové řízení a spínáním v nule SHIMADEN. 5.3 Ovládání asynchronních motorů Asynchronní motory (motory s kotvou na krátko) jsou nejpoužívanějším typem pohonů pro třífázové silové napětí. Mají jednoduchou konstrukci, jsou robustní a mají levný provoz. Vinutí je ve statoru. Rotor má pouze tyčové vodiče spojené s jeho rotorem. Základní provedení třífázového asynchronního motoru a jednofázového elektromotoru přináší Obrázek 5-9. Obrázek 5-9 Provedení elektromotorů, třífázový a jednofázový. Ovládání se provádí prostředky nespojitého zapínání a vypínání a prostředky pro spojité ovládání otáček. Otáčky jsou závislé na frekvenci napájecích napětí. Nespojité zapínání a vypínání asynchronních motorů se provádí přes 3fázové relé nebo stykač nebo přes polovodičový třífázový spouštěč. Zapojení pro ovládání motoru stykačem má Obrázek 5-0. Stykač K provádí přímé zapnutí motoru v zapojení do trojúhelníku. Zapnutí provází krátkodobá náhlá změna odběru proudu, která způsobuje poklesy napětí v napájecí síti a vytvoření velkého elektromagnetické pole v okolí vedení a motoru. Napájení je jištěno proti nadproudu a proti přehřátí jističem Q.

241 Ovládání elektrické energie 39 L LL3 N PE DO S I> 3 4 I> I> M Q Obrázek 5-0 Schéma ovládání asynchronního motoru přímým spínáním Směr otáčení asynchronního motoru se provádí změnou zapojení fází na vstupních svorkách. Zapojení pro spouštění motoru ve dvou směrech otáčení pomocí stykačů má Obrázek 5-. Zapínání stykačem K se provádí pro jeden směr, stykačem K pro druhý směr. A K A L LL3 DO S 3 5 I> 3 4 I> I> Q K Obrázek 5- Schéma ovládání asynchronního motoru v různém směru otáčení Pro zmenšení proudového rázu při spouštění se využívá v určitém rozsahu výkonů tzv. zapojení vinutí motoru hvězda - trojúhelník. Schéma zapojení uvádí. Při rozběhu zapnutím stykačem K a při sepnutí stykače K3 se motor rozebíhá se zapojením vinutí do hvězdy při menším proudovém odběru ale i s menším výkonem. Vinutí je napájeno napětím 30V. Po krátké době několika sekund se vypíná stykač K3 a následně zapíná stykač K. Motor běží v zapojení do trojúhelníku a vinutí je napájeno napětím 400 V. Výkon motoru je jmenovitý. A A A K 4 6 A M N PE L LL3 DO S I> 3 3 I> I> M A A A A A A K K K3 N PE Q Obrázek 5- Schéma zapínání asynchronního motoru se zapojením hvězda-trojúhelník V dnešní době (r.07) je již běžné spouštění velkých motorů s příkonem nad až 5 kw a více pomocí moderních zařízení, tzv, měkkých spouštěčů. Zařízení pro tzv. měkký start, neboli soft-startér je vybaveno elektronickými obvody s polovodičovými spínacími součástkami a řídicí elektronikou. Je schopno také měnit i směr otáčení. Proudový náraz (0*I ), doba 0 ms n I z Zpoždění I z=(0,*i n), doba 64 ms Náběh do I z=i n, doba 6 ms Jmenovitý provoz I z=in Obrázek 5-3 Zařízení měkkého spouštěče a diagram průběhů proudů měkkého spouštěče t

242 Fázová napětí Vodivosti tyristorů Ovládání elektrické energie 40 Provedení zařízení Siemens a časový průběh napájecího proudu motoru řízeného soft startérem znázorňuje Obrázek 5-3. Zařízení po povelu start, daným digitálním signálem, zajistí po velmi krátkou dobu cca 0 ms napájení motoru se jmenovitým napájecím napětím, tj. s rozběhovým proudem až 0 ti násobek jmenovitého proudu. Protože doba proudového rázu je krátká, neprojeví se jako nebezpečí. Druhá perioda spouštění je zpoždění rozběhu po dobu cca 64 ms s napájecím proudem menším než jmenovitý proud I n. V třetí fázi rozběhu se napájecí proud zvětšuje do hodnoty jmenovitého proudu. Doba této fáze je cca 6 ms. Hodnoty proudů jednotlivých částí operací a doby jejich trvání lze také parametrizovat. Výše uvedená zapojení používají nespojité zapínání. V případech, kdy technologická zařízení vyžadují pohon s plynulou změnou otáček, používá se zapojení s kmitočtovým měničem. Příklad zapojení kmitočtového měniče pro třífázový motor malého výkonu má Obrázek 5-4. Zapojení používá měnič s napojením na jednofázové napětí 30 Vst. Měnič vyrábí třífázové napětí s proměnným kmitočtem a motor napájí tímto třífázovým napětím 400V. Toto zapojení je vhodné pro motory s malým výkonem od 0,37 do, kw. Pro vyšší výkony je na vstupu třífázové napětí. L FU S A AI DO N PE U V W FM M Obrázek 5-4 Schéma zapojení kmitočtového měniče Změna frekvence se provádí elektronicky. Základní zapojení jednofázového můstkového střídače sepnutím jednoho tyristoru vytváří obvod pro proud přes zátěž v jednom směru a při sepnutí druhého tyristoru v druhém směru. Frekvence střídání je dána řídicím obvodem. Podle druhu zátěže je výstupní napětí obdélníkové u ohmické zátěže nebo neobdélníkové u induktivní nebo kapacitní zátěže. U N,DC U N,DC VD VD VD3 L L L3 VD4 VD5 VD6 VD VD4 VD VD5 VD3 VD6 VL Generátor řízení VL VL3 Obrázek 5-5 Zapojení třífázového můstkového střídače a průběhy fázových napětí. Trojfázový můstkový střídač a jeho funkce znázorňuje Obrázek 5-5. Vytváří ze zdroje DC napětí střídavé (AC) napětí, jehož časový průběh se blíží sinusovému průběhu. Použitý zdroj stejnosměrného napětí je dělený na dva zdroje. Zapojení obsahuje šest tyristorů řízených z generátoru řídicích impulzů tak, že vodivosti tyristorů VD, VD, VD3, VD4, VD5, VD6 jsou fázově posunuty postupně o 60, tj. o /3. Výsledná fázová napětí jsou nespojitá, ale blíží se sinusovému průběhu.

243 Ovládání elektrické energie 4 VD Uz U N,st VD VD3 Rz VD a) b) Obrázek 5-6 Jednofázový měnič frekvence V praxi se používají pro indukční motory s kotvou na krátko jednoduchá zapojení střídačů se třemi spínači. K napájení tří cívek jsou použity jen tři tyristory VD, VD, VD3 podle schématu můstkového zapojení. Tyristory VD4, VD5, VD6 jsou nahrazeny diodami. Zpětné vedení proudu ke zdroji musí být zabezpečeno středním vodičem. Střídavé točivé magnetické pole se generuje na základě vektorového skládání magnetických toků tři statorových cívek prostorově pootočených o 0. Tyristory jsou řízeny napětí z generátoru řízení a jsou vodivé pod dobu celé periody, tj. 80. Zapojení jednofázového měniče ukazuje 6. Frekvenci na zátěži je možno pouze zmenšovat. Změna frekvence se provádí způsobem, kdy se vytváří místo jedné půlvlny jedné polarity více půlvln. Průběh napětí zátěže ukazuje také tento obrázek. Na horním řádku je průběh s plným počtem půlvln, tj. plná frekvence. Zapínají-li se postupně tyristory VD, VD, VD3, VD4, dosáhne se tzv. lichoběžníkového průběhu napětí na zátěži, tj. frekvence je změněna na polovinu. Na třetím řádku je průběh snížení frekvence na /3. Sortiment frekvenčních měničů firmy Danfos má Obrázek 5-7 Obrázek 5-7 Provedení frekvenčních měničů firmy Danfos V systému LABI je aplikováno řízení asynchronních motorů v úloze DE4 viz foto Obrázek 5-8. Sestava úlohy obsahuje hnací asynchronní motor se spojitým integrovaným frekvenčním měničem a hnaný motor s externím frekvenčním měničem. Motor podle zadaného otáčení překonává odporový moment motoru podle jeho nastaveného otáčení. Elektronika frekvenčních měničů umožňuje měřit i příkony pro motor hnací, příkon pro motor hnaný a počet otáčení. Frekvenční měniče jsou také napojený na pomocí rozhraní datových přenosů, např. PROFIBUS, PROFINET apod.

244 Ovládání elektrické energie 4 Obrázek 5-8 Fotografie sestavy úlohy DE5 systému LABI Uživatel po zvolení experimentu DE4 a po přihlášení se dále rozhodne, zda bude provádět práci na DE4 v režimu lokálním pro ručně nastavené parametry měničů nebo pro režim automatický s postupným zvyšováním otáčení od minima po maximum v krocích a v daných intervalech pro oba motory. 5.4 Řízení osvětlení Další oblastí praxe, kde se vyskytuje řízení toku elektrické energie je řízení osvětlení. Vychází to také z požadavků hygieny, úspory energií a optimalizace pracovních podmínek. Dnešní trendy chytrých domů a měst využívají také problematiku řízení osvětlení. Pro řízení osvětlení jsou nejvhodnější systémy se zářivkovými zdroji světla a LED zdroji světla. Zářivkové zdroje jsou ovládány přes stmívatelný elektronický předřadník (jiná konstrukce než standardní předřadník nebo starter). Adresa a data pro předřadník přichází ze samostatných vedení nebo bezdrátovým způsobem. Schéma sítě chytrého osvětlení systémem DALI ukazuje Obrázek 5-9. L N PE Dali Dali O O O O O Obrázek 5-9 Zapojení stmívání zářivek v systému DALI Řízení LED osvětlení umožňuje stmívat osvětlení, měnit barvu osvětlení a řídit teplotu zdrojů. Moderní systémy používají digitální ovládání osvětlení s použitím pulzně řízeným napájení, často PWM. Používá se také ve spojení s digitální datovou komunikací, takže po dvou vodičích se posílají data adresace i údaje žádaného osvětlení. 5.5 Ovládání stejnosměrných motorů Stejnosměrný motor je dalším velmi rozšířeným pohonem v automatizační technice. Lze u něho jednoduše řídit výkon i otáčky změnou napětí nebo měnit směr otáčení záměnou polarity napájení. V současné době existují i moderní integrované obvody pro obosměrné řízení stejnosměrných motorů. Schéma přináší Obrázek 5-0. Obvod pomocí tranzistorů VT až VT4 řídí napětí pro motor M pro jeho určitý směr otáčení. Diody VD až VD4 chrání zapojení proti přepětí opačné polarity generované indukčnosti motoru. Start motoru se provádí aktivací vstupu ENABLE. Směr otáčení je dán signálem na vstupu DIR.

245 Ovládání elektrické energie 43 Integrovaný řadič pro řízení DC motorů vyrábí např. TOSHIBA pod označením TA788P. Pomocí obvodů řady 555 lze uslutečnit řízení DCmotorů pomocí pulzně šířkové modulace PWM. Obrázek 5-0 Schéma můstkového obvodu pro řízení stejnosměrného motoru, elektronika a DC motor Obrázek 5- Blokové schéma pro řízení stejnosměrného motoru modulací PWM Pro řízení stejnosměrných motorů je z energetických důvodů výhodné použít obvod s pulzně šířkovou modulací (PWM - Pulse Width Modulation). Pomocí změny střídy a délky impulzů lze řídit napájení motoru bez velkých ztrát na spínacích prvcích. Příkladem moderního řízení stejnosměrných motorů je schéma, které má Obrázek 5-. Řešení používá i snímače rychlosti a polohy s prvky encoderů a krouticího momentu převodovky. Napájecí napětí je usměrněno a přivedeno na výkonový stupeň. Podle žádaných otáček je motor M napájen impulzy PWM tak, aby otáčky byly konstantní. Obdobně může být motor regulován podle proudového zatížení. Je-li motor vybaven snímačem otáčení nebo polohy, může být motor součástí servopohonu. Příklad sofistikované aplikace DC motorů je vozítko NASA na Marsu, viz Obrázek 5-.

246 Ovládání elektrické energie 44 Obrázek 5- Vozidlo NASA na Marsu 5.6 Řízení krokových motorů Zvláštním druhem synchronních motorů jsou krokové motory. Pracují tak, že se rotor natáčí každým řídícím impulzem o definovaný úhel, tj. o krok. S A A A S J S J S B B B - + Un Obrázek 5-3 Schéma krokového motoru a vnitřní konstrukce Konstrukce krokových motorů zná dva druhy: s unipolárním a bipolárním řízením. Obrázek 5-3 obsahuje schéma krokového motoru s unipolárním řízením. Rotor má permanentní magnet se severním a jižním (černé vyznačení) pólem. Na dvou pólových nadstavcích vzájemně poootočených o 90 je umístěno vinutí rozdělené na dvě poloviny. Obrázek 5-4 zobrazuje diagram čtyřtaktního a osmitaktního řízení. Výchozí stav uvedený na obrázku budí magnetický stav pólů průchodem proudu v cívkách A-A a B-B. Rotor má jižní pól mezi jižními póly nadstavců. Při změně průtoku proudu spínačem S tj, do cívky A-A se změní magnetické póly nadstavců a rotor se posouvá o krok, aby jižní pól rotoru byl mezi jižními póly nadstavců. Při změně toku proudu u cívek B- B vzniká další krok. Takto se rotor pootáčí po krocích. Tento způsob řízení nazýváme čtyřtaktním řízením. Pro dvojnásobení taktů se používá tzv osmitaktní řízení. Spínač S nejdříve vypne pouze tok proudu A-A a tím vniká mezikrok. Po uplynutí poloviny periody kroku následuje sepnutí A-A a vzniká krok v pořadí další. Takto se provádí vypínání a zapínání i u cívky B-B a v dalším kroku B-B. Kombinací více pólů statoru a rotoru a osmitaktního provozu se získává krokování až o úhlu. A A A B A B B B krok krok Obrázek 5-4 Průběh fázových proudů při čtyřtaktním a osmitaktním provozu U bipolárního řízení je cívka nádstavců pouze s jedním vinutím. Směr proudu se mění dvojitým přepínačem tak, aby se změnil směr proudu a magnetické póly nádstavce.

247 Ovládání elektrické energie 45 KROK SMĚR D T T & & A A D T T B B Obrázek 5-5 Číslicový generátor fázových signálů pro unipolární řízení Vlastní řízení krokových motorů se provádí elektronicky a bezkontaktně. Jednoduchý generátor fázových signálů pro unipolární řízení krokových motorů má Obrázek 5-5. Používá klopných obvodů typu D a hradla. Na vstup KROK přichází impulz krokování. Podle úrovně signálu na vstupu SMĚR se pootočí motor o jeden krok. Obrázek 5-6 Schéma koncového stupně pro unipolární řízení krokového motoru Pří řízení krokového motoru prochází přes jeho budící cívky velké proudy až v jednotkách ampér. Proto musí být dimenzované koncové stupně jednotek pro řízení motorů na tyto hodnoty. V současné době je generátor fázových signálů vyráběn jako integrovaný obvod. Po doplnění tranzistory koncových stupňů vzniká funkční jednotka pro řízení krokových motorů. Příklad zapojení takové jednotky přináší Obrázek 5-6. Po nastavení směru signálem na vstupu DIR se signálem STEP vytváří odpovídající fázové signály a přes koncový tranzistor se řídí krokový motor KM. Modifikací tohoto zapojení pomocí zdvojení koncových tranzistorů se získává řídící jednotka pro bipolární řízení. Obrázek 5-7 Základní sestava aplikace krokového motoru Základní sestava krokového motoru obsahuje vedle motoru i elektroniku pro řízení (viz Obrázek 5-7). Jedná se o impulzní řízení krokování a směru krokování podle požadavků aplikace. Krokových motorů se používá v systémech automatizace pro přesné řízení pohybu nebo polohy. Např. nachází uplatnění u jemných pohonů CD-ROM, pohonů tiskacích hlav v tiskárně nebo i u pohonů velkých obráběcích strojů s číslicovým řízením. Systém řízení polohy s krokovými motory je vybaven ještě inkrementálním snímačem polohy a jeho signál je signálem pro krokování.

248 Ovládání elektrické energie Motory s piezoelektrickým pohonem Novým a moderním typem pohonů jsou motory s piezoelektrickým pohonem. Jsou ideální pro své vlastnosti: jednoduchá mechanická konstrukce, nízké otáčky, vysoký moment, malé rozměry a tichý chod. Aplikace nachází v jemné mechanice, v digitálních fotografických a kamerových zařízeních, v robotice nebo v automobilech. U těchto motorů lze dosáhnout lineárního i rotačního pohybu. Obrázek 5-8 Principy piezoelektrických motorů Tyto motory využívají nepřímé vlastnosti piezoelektrických krystalů. Přivedením napětí na piezoelektrický krystal se mění jeho vnější rozměry. Tyto rozměrové změny se využívají pro vytvoření pohybu. Pohyb vzniká buzením vzájemně fázově posunutými kmity u piezosystémů statoru a jejich přenosem na rotor. Tření zajišťuje přítlačná sila rotoru na stator. Frekvence budících kmitů je nastavena na hodnotu blízkou vlastním kmitům. Takto vzniká jejich maximální amplituda, která dosahuje několik m. Frekvence kmitů je podle konstrukce motoru rozmezí 30 až 70 khz. Příklady konstrukce piezoelektrických motorů obsahuje Obrázek 5-8. Provedení a) je lineární piezoelektrický motor. Stator nese dva piezoelektrické krystaly, vůči sobě kolmo postavených a každý působí jedním koncem na posuvnou část. Buzení každého krystalu je harmonické a vzájemně fázově posunuté. Dotykové body krystalů opisují eliptický pohyb a posouvají rotor dopředu. Změnou fázových posuvů se dá změnit směr posuvu rotoru. Třecí síla je vytvářena přítlačnou pružinou na rotoru. Provedení b) ukazuje rotační motor. Využívá kombinace axiálního posuvu statoru v kombinaci s torzními kmity. Oba pohyby jsou opět generovány piezoelektricky a fázovým posuvem budících napětí. Provedení c) má stator vytvořen piezokrystalem, který svou deformaci vytváří vychylováním v protisměru požadovaného směru rotace po svém obvodu. Rotor, který dosedá na vychylovanou část, se otáčí. Tabulka 5- uvádí parametry piezoelektrických motorů od některých výrobců. Hodnoty umožní lepší představu o výkonem a rozměrech motorů. Tato technika má velkou budoucnost především u malých zařízení systémů integrované automatizace a u některých výrobků, např. automobilů, výpočetní techniky, kamery a fytotechniky, spotřební elektrotechniky, lékařské elektroniky ap. Tabulka 5- Parametry piezoelektrických motorů některých výrobců Panasonic USM-7D Panasonic USM-80D Shinsei USR-30 Shinsei USR-60 Canon UA-40 Canon UA-80 Průměr statoru (mm) Budící frekvence (khz) Moment (Ncm) 0, Otáčky (-/min) Výkon (W) 0,6 30,7 7, 4,8 7, 4 Hmotnost (g) AEG AWM-90

249 Ovládání elektrické energie 47 Ukázku provedení piezo motorů verze lineární, rotační firmy Piezomotor a základní řídicí elektroniku zobrazuje Obrázek 5-9. Obrázek 5-9 Ukázky provedení piezo motorů, lineární, rotační a řídicí elektronika (Piezomotor)

250 Ovládání toku tekutin 48 6 Prostředky pro ovládání toku tekutin Technické prostředky pro ovládání toku tekutin v potrubí plní funkce řízení, ovládání, dávkování objemu a hmotnosti nebo dodávky energie nesené tekutinou. Tekutinou jsou kapaliny různé viskozity, plyny a páry o různém tlaku a teplotě. Zařízení pro ovládání toku v potrubí se skládá z ovládacího prvku a pohonu. Ovládacím prvkem pro potrubí jsou ventil, klapka, kohout, šoupátko nebo žaluzie. Pohonem nebo také servomechanismem je zařízení pro změnu polohy ovládacího prvku. V současné době jsou používány elektrické, pneumatické nebo elektrohydraulické pohony. Mezi standardní ovládací prvky toku tekutiny v potrubí patří ventily, klapky, kohouty, šoupátka nebo žaluzie. Jejich konstrukce musí zajistit: - funkce ovládání toku: zavírací/otevírací, regulační, havarijní, - odolnost vůči chemickým a mechanickým vlastnostem ovládané tekutiny, jeho tlaku a teplotě, - odolnost vůči vnějšímu prostředí: teplota, vlhkost okolí. 6. Teorie hydrauliky Ovládání toku tekutin je popisováno teorii hydrauliky a pro servomotory používá znalosti z elektrotechniky. Teorie hydrauliky vyhodnocuje především parametry průtoku tekutin při hydraulickém odporu neboli tlakové ztrátě na škrtícícm prvku. Hydraulický odpor je z historických důvodů nahrazen hodnotou součinitele k v. Hodnota tohoto součinitele vyznačuje závislost průtoku na tlakové ztrátě při daném průtoku. Pro součinitel platí vztah: Q k v, (-) P kde k v je součinitel regulačního orgánu, Q je průtok destilované vody (m3/h), P je tlaková ztráta (bar). Před výpočtem k v je nutno kontrolovat rozsah průtoku. Aby nejmenší průtok byl ještě regulovatelný platí: Q max /Q min <50 (-) Dalším krokem výpočtů je pro navrhované tlakové poměry určení k v. Protože platí obecný vztah (-) pouze pro destilovanou vodu, je nutný přepočet pro konkrétní tekutinu. Výpočtové vztahy pro kapaliny, plyny a páru jsou uvádí následující tabulka: Přepočtové vztahy součinitele k v pro kapaliny, plyny a páry. Tekutina Kapalina Plyn Přehřátá pára Sytá pára Podkritický stav (p >p / nebo pd<p /) Q. 00 P k v k k k v v v Qn n. T. 54 P. P Qm. 00 Qm. 00 V P V. X P Nadkritický stav (p <=p / nebo pd>=p /) Q. 00 P k v k k k v. Qn 54. P v v. Q. V m. 00 P. T n Q. V. X m. 00 P kde Q je průtok při provozním stavu (P, T ), Q n je průtok při normálním stavu (0 C, 0.0MPa), Q m je hmotnostní průtok při provozním stavu (P, T ), P je absolutní tlak před ventilem, P je absolutní tlak za ventilem, P s je absolutní tlak syté páry, P je tlakový spád na ventilu (P=P-P), je hustota tekutiny při

251 Ovládání toku tekutin 49 provozním stavu (P, T ), n je hustota tekutiny při normálním stavu (0 C, 0.0MPa), V je měrný objem páry při T a P, V je měrný objem páry při T a P/, T je absolutní teplota před ventilem, X je poměrný hmotnostní obsah syté páry v mokré páře. Dalším významným parametrem uplatňovaným při navrhování obvodu ovládání toku tekutin je autorita ventilu. Vyjadřuje tlakové poměry při jmenovitém průtoku zcela otevřeného a uzavřeného ventilu vůči tlakovým poměrům v celém hydraulickém okruhu. Platí vztah PDv a (-3) PDv PD 0 kde PD v je tlaková ztráta na regulačním orgánu, PD o je tlaková ztráta celého ovládaného hydraulického obvodu. Pro navrhování konkrétních obvodů se doporučuje použít regulační orgán, vytvářející autoritu a=0.5 až 0.7, tj. tlakové ztráty regulačního orgánu při jeho funkci neovlivní podstatně tlakové poměry v celém hydraulickém obvodu. Vztah pro výpočet autority lze s výhodou využít také pro návrh regulačního orgánu. Můžeme vypočítat hodnotu PD v pro hodnoty a=0.5 a a=0.7 pro hydraulické ztráty v soustavě PD o. Podle této hodnoty a požadovaného množství průtoku volíme velikost regulačního orgánu. Pro správnou funkci celého hydraulického okruhu je potřeba řešit celkové tlakové poměry. Průběh tlaků na části hydraulického obvodu s ventilem uvádí Obr.6-. Pohled na celkové tlakové poměry pomůžou se stanovením tzv. autority (a). F p a p p p b Obr.6- Tlakové poměry v potrubí s ventilem Každý regulační orgán má v katalogu uvedenou hodnotu součinitele k vs pro jednotlivou velikost světlosti. Projektant musí při návrhu regulační orgánu přepočítat k vs pro konkrétní tekutinu. Součinitel k v00 je definován pro maximální zdvih. Součinitel k vs vyjadřuje hodnotu jmenovitého součinitele k v povýšeného o 0..30%. Výrobci této techniky nabízí projektantům výrobky s k vs v řadě hodnot.0,.6,.5, 4.0, 6.3. U termostatických ventilů je součinitel k v definován pro pásmo proporcionality K (při změně o C se ventil otevře/zavře). Součinitel k v00 je definován pro maximální zdvih. Součinitel k vs vyjadřuje hodnotu jmenovitého součinitele k v povýšeného o 0..30%. Výrobci této techniky nabízí projektantům výrobky s k vs v řadě hodnot.0,.6,.5, 4.0, 6.3. U termostatických ventilů je součinitel k v definován pro pásmo proporcionality K (při změně o C se ventil otevře/zavře). Při tlakovém poměru větším než kritickém (P /P <0,54) dosahuje rychlost proudění v nejužším průřezu rychlosti zvuku. Tento stav je zdrojem zvýšené hlučnosti a příčinou velkého opotřebení regulačních ploch. V tomto případě je nutno použít škrtící systém s nízkou hlučností (vícestupňová redukce tlaku, tlumící clona na výstupu). Dalším negativním jevem je kavitace. Vzniká v případě, kdy v místě nejužšího průřezu proudění je místní pokles tlaku a v kapalině rázově vznikají a zanikají parní bubliny. Tento stav výrazně snižuje životnost regulačních ploch a zapříčiňuje hlučnost a vibrace. Vzniká v případě, kdy tlakový spád na ventilu dosahuje hodnoty: (P -P )>=0.6 (P -P s ) (-4) Není-li možno zabránit kavitaci změnou tlakových poměrů, je vhodné použít ventil s děrovanou kuželkou nebo regulační plochy z tvrdokovu.

252 Ovládání toku tekutin 50 Dalším parametrem ovlivňující návrh regulačního orgánu je charakteristika tj. závislost průtoku na zdvihu nebo natočení regulačního prvku při konstatním rozdílu tlaků PD. Tato charakteristika může být lineární L, rovnoprocentní -R, parabolická- P nebo rychlootevírací. Charakteristika ventilu by měla být inverzí charakteristiky spotřebiče. Pro tepelné spotřebiče je ideální rovnoprocentní charakteristika. Příklad druhů charakteristiky je na Obr. 6-. Kv/Kv 00 L P R Obr. 6- Charakteristika regulačního orgánu H/H 00 Pro lineární charakteristiku platí vztah : kv/kv 00 = (H/H 00 ) (-5) Pro rovnoprocentní charakteristiku (4 procentní) platí vztah : kv/kv 00 =0.083.e (4.H/H00) (-6) Pro parabolickou charakteristiku platí vztah : kv/kv 00 = (H/H 00 ) (-7) Dalším významným parametrem uplatňovaným při navrhování obvodu ovládání toku tekutin je autorita ventilu. Vyjadřuje tlakové poměry při jmenovitém průtoku zcela otevřeného a uzavřeného ventilu vůči tlakovým poměrům v celém hydraulickém okruhu. Platí vztah PDv a (-8) PDv PD 0 kde PD v je tlaková ztráta na regulačním orgánu, PD o je tlaková ztráta celého ovládaného hydraulického obvodu. Pro navrhování konkrétních obvodů se doporučuje použít regulační orgán, vytvářející autoritu a=0.5 až 0.7, tj. tlakové ztráty regulačního orgánu při jeho funkci neovlivní podstatně tlakové poměry v celém hydraulickém obvodu. Vztah pro výpočet autority lze s výhodou využít také pro návrh regulačního orgánu. Můžeme vypočítat hodnotu PDv pro hodnoty a=0.5 a a=0.7 pro hydraulické ztráty v soustavě PDo. Podle této hodnoty a požadované množství průtoku volíme velikost regulačního orgánu. 6. Regulační ventily Ventil je ovládací prvek používaný pro uzavírací, regulační i havarijní funkce ovládání toku tekutiny v potrubí. Konstrukci zobrazuje Obrázek 6-. Tvoří ho těleso ventilu (), sedlo (), uzavírací prvek (3), dřík (4) a těsnění (5). Těleso ventilu je zpravidla odlitek ze šedé litiny, mosazi nebo nerezové oceli. Ve speciálních případech je to i keramika nebo sklo. Plní především požadavek na odolnost proti vnitřnímu tlaku a na mechanickou a chemickou odolnost protékajícímu médiu. Pro upevnění tělesa do potrubí se používají příruby nebo u menších světlostí závitové spoje.

253 Ovládání toku tekutin Obrázek 6- Konstrukce ventilu Uzavírací prvky, sedla, kuželky a jiné jsou základní částí ventilu. Musí splnit především požadavek na přesně definovanou charakteristiku ventilu, tj. závislost průtoku na zdvihu. U uzavíracího ventilu je to dále požadavek na těsnost při uzavření. Druhy kuželek uvádí Obrázek 6-. a) b) c) Obrázek 6- Konstrukce kuželek ventilů Konstrukce talířové kuželky je používaná u uzavíracích ventilů, kde není požadavek na přesnost charakteristiky. Pro regulační funkce jsou používané tvary jehlová (provedení b)) a válcová (provedení c)). Těleso kuželky je namáháno staticky i dynamicky při obtékání, proto musí být používáno kvalitních materiálů. Tvar a geometrické provedení udává průtočnou charakteristiku ventilu, tj. závislost zdvihu (z) na průtoku (kv), viz Obrázek 6-3. Mezi běžné charakteristiky patří: rychlootevírací (), lineární (), rovnoprocentní (3) a parabolická (4). Charakteristika rychlootevírací je realizovaná talířovou kuželkou. Další průběhy jsou zajištěny jehlovou a válcovou kuželkou. Provedení kuželek je také dvousedlové. Používá je především pro velké průtoky a pro velké tlakové spády na ventilu. kv (%) 3 4 z (%) Obrázek 6-3 Základní charakteristiky ventilů Velké požadavky jsou kladeny na dřík a těsnění ventilu. Je to jednak těsnost, jednak minimální odpor třením. Provedení dříku a těsnění používá proto speciální konstrukce. Dvojité uložení dříku je použito u ventilů pro vysoké rychlosti průtoku, pro velké tlakové ztráty a pro zvýšenou odolnost proti kavitaci, což zmenšuje chvění dříku a jeho opotřebení. Regulační ventily jsou používány také jako třícestné, případně čtyřcestné. Těleso ventilu má tři otvory a kuželka je dvojitá. Ventily jsou používány jako směšovací nebo rozdělovací. Plní také i požadavky na typ

254 Ovládání toku tekutin 5 charakteristiky. Čtyřcestné mají speciální tvar ovládacího prvku. Plní funkci odděleného řízení dvou proudů tekutin. Průběh jejich charakteristik je také speciální. Pro průtok tekutiny ventilem platí funkční závislost na tlakové ztrátě na elementu, na hustotě tekutiny a na průtočném součiniteli ventilu k v. Ten je definován a uváděn v katalozích pro destilovanou vodu za normálních podmínek. Pro reálná média je nutno provést přepočty, které jsou uváděny výrobcem. Pro správnou funkci celého hydraulického okruhu je potřeba řešit celkové tlakové poměry. Průběh tlaků na části hydraulického obvodu s ventilem uvádí Obrázek 6-4. Současně je ještě nutno dodržovat tzv. autoritu (a). F p a p p p b Obrázek 6-4 Tlakové poměry v potrubí s ventilem Podmínkou správného průtoku potrubím je, když hodnota autority je mezi 0,3 až 0,7. U průtoku tekutin ventilem je nutno dále kontrolovat výrobcem udaný kritický tlakový spád. Při jeho překročení vzniká tzv. kavitace a velká hlučnost. V technické praxi se také vyskytují trojcestné (směšovací, rozdělovací), čtyřcestné regulační ventily (směšovací). Nejčastější použití je u topenářských systémů, kdy se dosahuje proudění na výstup pro jinou teplotu, míchá se množství m o teplotě t s množstvím m o teplotě t. Výsledkem je množství m+m a teplota je dána křížovým pravidlem součinů a teplot vstupních větví. Ukázka třícestného a čtyřcestného regulačního ventilu 6.3 Ovládací klapky a žaluzie Ovládací klapka je přibližně kruhová deska otočně umístěná v průřezu potrubí. Podobné konstrukce jsou žaluzie, které mají ve svém průřezu více klapek společně ovládaných. Schéma konstrukce ovládací klapky uvádí Obrázek a) b) Obrázek 6-5 Konstrukce ovládací klapky a žaluzie

255 Ovládání toku tekutin 53 Konstrukce klapky je na pozici a). Těleso klapky () má ve vnitřním průměru umístěnou klapku (). Klapka při otáčení se vychyluje o úhel a mění tak průtočný průřez tělesa klapky. Její velkou předností je jednoduchost. Nevýhodou je nelineární charakteristika a problém s utěsněním. Konstrukce žaluzie, pozice b) mění průtočný průřez pootočením více klapek (3) se společným ovládáním sestavených do žaluzie. Používá se především pro málo časté řízení průtoku v klimatizaci a rozvodech vzduchu. Konstrukce některých výrobců se snaží řešit klapky i pro regulační účely především v klimatizačních rozvodech. Používají se různé tvary klapek a mechanismy pro otáčení. Používají se také různé těsnicí systémy pro dokonalejší a těsnější uzavření. a) b) c) Obrázek 6-6 Konstrukce ovládacích kohoutů Ovládací kohouty jsou konstruovány pro dokonalé uzavírání toku tekutin v potrubí. Schéma provedení kohoutů obsahuje Obrázek 6-6. Podle tvaru uzavíracího prvku jsou vyráběny kohouty válcové (a), kuželové (b) nebo kulové (c). Ovládání kohoutů je otáčením o maximální úhel 90. Charakteristika kohoutů je nelineární, podobná je charakteristice ovládací klapky. Někteří výrobci u kulových kohoutů odstraňují nelinearitu tvarovým výřezem a upravuji tak průtočnou charakteristiku. Pro přesnou regulaci je vhodný kohout s lineární charakteristikou. Další předností je, že kohouty mají nepatrnou tlakovou ztrátu při plném otevření. 6.4 Ovládací šoupátka Ovládací šoupátko je prvek pro potrubní soustavu, který mění průřez zasunováním plochy přes kruhový průřez obdobně jako stavědlo. Uzavírací posuvná plocha je klínová deska, která je vedena kolmo na osu potrubí a dosedá do klínovitého sedla. Používá se dosedací sedlo s těsněním nebo kovové se zabroušením. Takto se dá dosáhnout dobrého utěsnění při plném uzavření. Používají se nejčastěji u vodohospodářských rozvodů. Nevýhodou ovládacích šoupátek je nelinearita charakteristiky, která je podobná klapce a dále velká vestavná výška. Schéma provedení ovládacího šoupátka uvádí Obrázek 6-7. V tělese () s drážkou se pohybuje svisle šoupátko () ovládané táhlem (3) a ucpávkovým těsněním (4). 4 3 Obrázek 6-7 Ovládací šoupátko 6.5 Pohony ovládacích zařízení do potrubí Pohony pro ovládací zařízení do potrubí vykonávají potřebný rotační pohyb hřídele nebo posuv táhla ovládacího prvku. Podle druhu použité energie rozdělujeme pohony na elektrické, pneumatické a hydraulické. Pohon a ovládací prvek tvoří integrální ovládací jednotku.

256 Ovládání toku tekutin 54 Obecně můžeme definovat pohon podle teorie automatizace jako servomechanismus. Obsahuje převodník, výkonový zesilovač, silovou jednotku. Některá řešení mají také zpětnou vazbu, aby se dosáhlo požadovaných dynamických a statických vlastností. Pohony dělíme podle druhu výstupního signálu na spojité (proporcionální) a nespojité (dvoustavové, třístavové). Pohon na výstupu poskytuje pohyb posuvný, rotační nebo výkyvný. Mezi základní požadavky kladené na pohony patří: - přímočarý pohyb pro ovládání ventilů a šoupátek se zdvihem cca 0 až 30 mm - úhlový pohyb pro klapky, žaluzie, kohouty v rozsahu od 90 až 70 otáčivý pohyb v rozsahu několik otočení pro ovládání šoupátek Elektrické pohony Elektrický pohon se používá nejčastěji v dnešních ovládacích jednotkách. Můžeme je rozdělit na pohony elektromagnetické a motorické. Pohon elektromagnetický (solenoidový) je konstruován jako cívka s potlačeným magnetickým polem s pohyblivým vytahovacím nebo vtahovacím jádrem. Schéma zobrazuje Obrázek Obrázek 6-8 Solenoidový pohon Napájecí napětí cívky () je na napětí od V ss nebo st až po 30 V st. Magnetický obvod je tvořen válcem () s jádrem (3) s vratnou pružinou (4). Elektrický příkon je omezen chlazením cívky, přestavné síly jsou omezené a zdvih je malý. Účinnost pohonu je velmi malá a je nepřímo úměrná čtverci vůle mezi jádrem a cívkou magnetu. Celý pohon je namontován na ventil pomocí montážní plochy (5). Aplikace pohonů je pro výše uvedené důvody jen u ventilů do světlosti 50mm ( ). Spínací frekvence těchto pohonů je do 0 Hz. Elektromechanické pohony představíme podle druhu vstupního signálu: dvoustavové, třístavové a spojité a podle druhu pohybu ovládání. Obecné schéma pohonů pro přímočarý pohyb obsahuje Obrázek Un Input 9 Obrázek 6-9 Konstrukce elektromechanického pohonu Na nosné konstrukci () pohonu je namontován motor (), momentová pojistka (3), převodový systém s koly a šroubem (4), posuvné táhlo (5), elektronika (6), koncový kontakt (7) pro horní polohu, držák (8), koncový kontakt (9) pro dolní polohu, odporový snímač polohy (0). Uvedené hlavní části jsou použity u všech typů motorických pohonů. Rozdílná je pouze elektronické vybavení pohonu. Dvoustavový a třístavový pohon pro posuvný pohyb používá zapojení podle první části viz Obrázek 6-0. Na svorku () je napojen jeden vodič napájecího napětí, např. 30 V st nebo 4 V st. Toto napětí je přivedeno na společnou svorku motoru M. Je-li svorka () spojena s druhým vodičem napájecího napětí, prochází proud přes

257 S. P S. S. S. S. S. R S. S. R Ovládání toku tekutin 55 levé vinutí a motor se točí jedním směrem a převodovým systémem pohonu posouvá táhlo např. nahoru. Motor se otáčí, pokud je tato svorka spojena s druhým vodičem nebo až do okamžiku, kdy koncový spínač svorky S. se vypne. Je-li svorka (3) spojena s druhým vodičem napájecího napětí, prochází proud přes pravé vinutí a motor se točí druhým směrem a převodovým systémem pohonu se posouvá táhlo např. dolů. Koncový spínač S. se vypíná v případě dosažení krajní dolní polohy. Elektronika nabízí také kontakty S. a S. pro volné použití např. pro signalizaci nebo vizualizaci stavu ventilu. Současně je možno sledovat stav polohy pohonu spojitě pomocí odporového snímače R U n,st y y o C C M M Obrázek 6-0 Elektrické zapojení elektromechanického pohonu Motorický pohon pro rotační nebo výkyvný pohyb je obdobné konstrukce. Místo táhla se šroubem je nahrazen převodovým kolem. Koncové kontakty a snímač polohy je propojen s převodovým kolem. Pohon pro spojitý výstupní signál tvoří servomechanismus a používá ve svém obvodu zapojení zpětné vazby. Používané zapojení zobrazuje Obrázek 6-0 v druhé části. Pohon zajišťuje řízení polohy ventilu táhlem pomocí motoru, momentové pojistky a převodů. Motor M je napájen střídavým napětím U n. Elektronický obvod má na vstupu y spojitý vstupní signál od regulátoru. Tento signál se porovnává s hodnotou zpětné vazby získanou od potenciometru P jako snímače polohy táhla. Pokud je rozdíl u těchto hodnot, obvod uzavírá proudový okruh jedním nebo druhým vinutím motoru, tak, aby se motor otáčel ve smyslu zmenšování odchylky. Koncové polohy jsou jištěny koncovými spínači S. a S.. Spínání okruhů proudu motoru je pomocí triaků. Pohon má možnost dávat informaci o stavu polohy ventilu jednak podle výstupního signálu obvodu y o, jednak podle koncovým kontaktů S. a S. případně od odporového snímače R. Elektrický pohon má možnost vypnutí elektrického pohonu a ovládání ventilu ručním způsobem Pístové pohony Pístové pohony jsou používány v silně agresivním prostředí nebo v prostředí s nebezpečím výbuchu nebo požáru. Používají energii tlakového vzduchu nebo hydraulického oleje. Další důvod pro jejich aplikace je jejich velká přestavná síla ve srovnání s elektrickými pohony a taká malá časová konstanta. Jejich konstrukce je jednoduchá a robustní. Dělíme je podle způsobu převodu tlaku vzduchu na výchylku pohybu. Jsou to pohony membránové, pístové, vlnovcové a speciální. Membránové pohony jsou určeny pro spojitý pohon ventilů, výjimečně pro nespojité řízení. Vyrábí se ve stavebnicovém uspořádání s velkou variabilitou. Schéma membránového pneumatického pohonu má Obrázek 6-. Těleso pohonu má uvnitř membránu () s výztuhou. Na výztuhu je umístěna pružina (3) pro zajištění požadované charakteristiky pohonu a pro zpětný chod táhla (4). Táhlo je spojeno s dříkem ventilu. Přívod tlakového vzduchu je v místě (5). 3 5 p + - pneumatický pohon poloha 4 silová zpětná vazba pneu positioner

258 Ovládání toku tekutin 56 Obrázek 6- Schéma membránového pneumatického pohonu, ukázka provedení Pro zajištění přesné charakteristiky membránového pohonu v celém rozsahu zdvihu se používá posicioner. Jeho konstrukce je vlastně silové zapojení zpětné vazby servomechanismu. Zapojení je plně pneumatické nebo elektropneumatické. Nastavení předpětí pružiny umožňuje používat pracovní přetlak 0 až 00 kpa. Podle umístění přívodu tlaku, zda nad membránou nebo pod membránou, lze dosáhnou i nepřímého působení pohonu na ventil. Ve výjimečným případech se používá dvojčinný pneumatický pohon, tj. pracovní přetlak působí na obě strany membrány. Z provozních důvodů jsou pohony vybaveny také ručním mechanickým ovládáním polohy ventilu. Přednastavená část nelze již používat pro automatické řízení. Membránové pohony pro nespojité řízení jsou jednodušší. Odpadá především proporcionální pružina. 5 3 (5) 4 Obrázek 6- Schéma pístového pohonu Pístové pohony nejsou běžně používány v automatizační technice pro řízení ovládacích prvků pro tok tekutin v potrubí, ale slouží především pro silové ovládání jiných mechanismů strojů a zařízení. Umožňují dosáhnout značných sil nebo krouticího momentu a pracují i obousměrně. Předností pístových pohonů je dále jejich možný velký zdvih (až několik metrů), robustnost, spolehlivost, malé rozměry a nízká cena. Nevýhodou je možná netěsnost a značné tření ucpávek při pohybu. Schéma pístového pohonu uvádí Obrázek 6-. Tvoří ho pevný válec () s tlumící vrstvou na čelních stranách při dorazu v krajní poloze. Píst () má manžetové těsnění a je umístěn na táhlo (3) s tlumící vložkou. Táhlo je utěsněno ucpávkou (4). Pohyb táhla je vyvozován tlakem vzduchu na vstupech (5) pro jeden nebo druhý směr. Pro zmenšení nelinearit způsobovaných třením je použít korektor obdobný z membránového pohonu. U pneumatických pohonů se musí dbát také na potřebnou spotřebu vzduchu pro vyvození akčního pohybu. Proto se musí volit odpovídající průměry přívodních potrubí a případně používají se zesilovače množství. Hydraulické pohony jsou v současné době používány pro ovládání prvků v kombinaci s elektronikou. Využívá se výhod hydraulických pístových pohonů, tj. jejich malé časové konstanty, velká přestavná síla. Použití těchto pohonů je také pro pohony s havarijní funkcí Obrázek 6-3 Schéma hydraulického pohonu, ukázka provedení Schéma hydraulického pohonu zobrazuje Obrázek 6-3. Těleso pohonu () obsahuje všechny základní části. Pevný píst () je upevněn pomocí sloupce a základní desky na horní část tělesa. Hydraulický válce (3) se pohybuje směrem dolů, když působí tlak oleje v prostoru mezi pístem a dolním částí válce. Prostor válce nad pístem slouží současně jako nádrž oleje a je utěsněn vůči vnějšímu prostředí ucpávkou (4). Vratný pohyb válce směrem nahoru zajišťuje pružina (5). Tlakový olej zajišťuje hydraulické čerpadlo (6) tak, že ho saje z prostoru nádrže a vytláčí ho do prostoru pod píst. Po dobu čerpání oleje je válec posouván na vzdálenost 0 nebo 40 mm. Spojení válce s dříkem ventilu je provedeno táhlem. Při uvolnění hydraulického ventilu (7) je tlakový prostor pod pístem spojen s nádrží, tlak se sníží a vratná pružina válce vrací do původní polohy. Pro rychlé

259 S. S. S. R Ovládání toku tekutin 57 snížení tlaku při havarijní funkci se otevírá hydraulický ventil (8). Ovládání čerpadla a hydraulických ventilů provádí elektronika HC K K Obrázek 6-4 Schéma elektroniky hydraulického pohonu Schéma řízení elektrohydraulického pohonu regulačních ventilů v systémech automatizace má Obrázek 6-4. Svorkou () se přivádí jeden pól napájecího napětí. Hydraulické čerpadlo se zapíná a vyvozuje tlakem posuv válce v případě, kdy je svorka () spojena s druhým pólem napájení. Čerpadlo se vypíná řídicím signálem nebo po dosažení krajní polohy a vypnutím koncového spínače S.. Vrat válce do původní polohy je provede propojením svorky (3) s druhým pólem napájení a sepnutím solenoidu K. Havarijní funkce se uskuteční v případě propojení svorky (4) s druhým pólem napájení a sepnutím solenoidu K. Elektronika je doplněna koncovými kontakty S. a S. případně odporovým snímačem R pro generování výstupů o stavu polohy ventilu. Časové periody hydraulických pohonů dosahují zpravidla hodnot: - doba posuvu válce do krajní polohy otevírání 0 s - doba návratu válce do původní polohy 30 s - doba návratu při bezpečnostní funkci 5 s. 6.6 Termoregulační ventily Na každém topném tělesa by měly být namontovány termoregulační ventily (TRV). Provedení obsahuje regulační ventil na přívodu topné vody do tělesa a termoregulační hlavici Její funkce je ovládat škrtící část ventilu podle teploty nejbližšího okolí tělesa a řídit proces vytápění. Obrázek 6-5 Termoregulační hlavice s ventilem (Heimaier) Hlavní význam TRV je udržovat hodnotu teploty v místnosti podle zadané veličiny podle nastavení ručního prvku. Otáčením se mění předpětí na funkční části obsahující gelovou hmotu s vysokým koeficientem tepelné roztažnosti. V rozsahu asi od 0 C do 30 C se mění její délka od 0 do 4 až 5 mm podle typu. Do vytápěné místnosti proniká řada tepelných zisků, které zvyšují teploty vzduchu v místnosti. Vnitřní tepelné zisky, které vznikají přímo v místnosti, tvoří převážně zisky od spotřebičů elektrické energie a od přítomných lidí. Vnějším tepelným ziskem, který přichází do místnosti z vnějšího prostředí, je sluneční záření. Přichází buď přímo okny nebo nepřímo ohřevem zdí místností. Podle působení tepelných zisků vzroste teplota

260 Ovládání toku tekutin 58 vzduchu v místnosti a následně se ohřeje hlavice TRV. Hlavice začne uzavírat ventilovou část. Tím se sníží průtok do otopného tělesa, sníží se dodávka tepla do otopného tělesa a následně i do místnosti. TRV jsou nejjednoduššími a nejlevnějšími sběrači tepelných zisků, které vykazují velice krátkou dobu návratnosti vložené investice. TRV jsou také nejjednoduššími přímočinnými regulátory teploty vytápění a spolu s ekvitermní regulací na zdroji tepla vytváří velmi efektivní systém. Vedle těchto TRV systémů se používá také systém IRC (Induviduelle Room Control). IRC je systém pro individuální regulaci teplot v místnostech celé budovy. Systém zabezpečuje komplexní regulaci, to znamená, že reguluje teplo v objektu od zdroje (respektive přívodu tepla) až po jednotlivé místnosti. Systém obvykle umožňuje rozpočítání nákladů na spotřebu tepla. Každá místnost je vytápěna podle svého individuálního časového programu nastaveného v řídící jednotce systému. Systém může být napojen na internet a může bý ovládán i dálkově. Prvky jednoho používaného systému IRC přináší Obrázek 6-6. Obrázek 6-6 Prvky systému IRC (Etatherm) Další možné provedení ovládání regulačního ventilu na topných tělesech je elektronický prvek regulace, řízení a informatiky, jedno možné provedení uvádí Obrázek 6-7. Obrázek 6-7 Regulační jednotka topného tělesa

261 Technické prostředky informatiky a automatizace 7 Prostředky ovládání pohybu pevných předmětů Pohyb pevných předmětů je problém velmi různorodý. Jedná se např. o řízení posuvu lahví na výrobním pásu, o pohyb výrobků při sériové výrobě obuvi, o posuv kelímků při jejich plnění, o transport hnědého uhlí na dopravníkovém pásu v hnědouhelném dole, o přesun zavazadel na letišti od odbavovacího pracoviště k letadlům a naopak, balicí linka potravinářského podniku atd. Hlavními prostředky pro ovládání směru pohybu pevných předmětů, materiálů jsou: - manipulátory - robotická zařízení - pásové dopravníky - dopravníky a jiná zařízení. Jako první je ukázáno řešení výrobní linky pro výrobu pásových materiálů, např. podlahoviny, folie, papíru, textilu. Schéma linky obsahuje Obrázek 7-. Obrázek 7- Schéma výrobní linky plošných materiálů Linka vyrábí finální produkt ze tří vstupních materiálů. Odvíjecí stojany (9) nesou vstupní materiály, které jako pás vstupují do linky díky pohonu odvíjecích motorů. Zařízení (, 5) jsou vyvažovací a zásobní stojany určující mechanické napětí v materiálu. Zařízení (,3) jsou technologické části pro namáčení materiálu. Jednotka (4) je lepicí a lisovací zařízení. Výstupní materiál prochází přes vyvažovací stojan (7) a navijí se na výstupní buben pomocí koncového motoru. Udržování správné polohy pásového materiálu na lince zajišťuje naváděcí jednotky pomocí kormidlovacích válců. Pohyb materiálu je určován hlavním navíjecím motorem (8). Tahové mechanické napětí v materiálu je dáno konstrukcí vyvažovacích zařízení a rozdílem otáčení dalších motorů, navíjecího a odvíjecích motorů. Dalším ukázkou řízení pohybu a posunů pevných těles jsou linky sériové výroby s výrobním pásem (Obrázek 7-, Obrázek 7-). Řízení obsahuje část pohonných jednotek s hlavním řídicím motorem, s podřízenými motory udržujícími změnu rychlosti a také doplňujícím prvky zajišťující dopravu vyráběných komponent (lahve, kusy výroby, komponenty apod.). Obrázek 7- Linka plnění sudu a nádob V technické praxi významnými prvky řízení pohybu materiálu jsou pásové dopravníky. Jsou aplikovány na povrchových dolech. Příklad uvádí Obrázek 7-3. Prvky ovládání opět používá řídicí motor, podřízené pohonné jednotky, řízení polohy pásu, případně další doplňující prvky.

262 Technické prostředky informatiky a automatizace Obrázek 7-3 Pásový dopravních povrchových dolů Další logistickou ukázkou je řízení odbavených kufrů a zavazadel na letištích. Obrázek 7-4 ukazuje část dopravníku vstupního odbavování a část dopravníku po příletu pro vyzvednutí zavazadel. Obrázek 7-4 Pásové dopravníky na letištích

263 Teorie Konstrukce Aplikace Projektování Prostředky komunikace 6 8 Prostředky pro propojování a přenos informací 8. Úvod do komunikace Propojování prvků v systémech informatiky a automatizace zajišťuje optimalizaci funkcí a aplikovatelnosti mezinárodních standardů, podporuje integraci všech segmentů na základě jejich rozsahů a techniky. Obrázek 8- ukazuje přehled základních největších segmentů, které jsou předmětem propojování, přenosu dat a komunikace. Informatika, automatizace Aplikovaná informatika Integrovaná automatizace Systémy inteligentních budov CNC systémy Zabezpečovací systémy Obrázek 8- Základní segmenty systémů informatiky a automatizace Segmenty podle druhu a rozsahu aplikace používají také různé úrovně decentralizovaných řešení. Má to dopady na zmenšování nároků a nákladů na užití, instalaci, údržbu a diagnostiku. Podíl prvků a řešení informatiky a automatizace u segmentu uvádí Obrázek 8-. informatika informatika informatika informatika automatizace automa. automa. aut. Aplikovaná informatika Integrovaná automatizace Systémy inteligentních budov CNC systémy informatika automa. Zabezpečovací systémy Obrázek 8- Podíly prvků a řešení informatiky a automatizace Systémy aplikované informatiky se uplatňují nejvíce u nevýrobních subjektů. Jsou to např. školy, nemocnice, státní úřady, kontrolní stanice a laboratoře apod. Integrovaná automatizace je aplikována v prostředí výrobních podniků. Zde je zpravidla poměř : mezi informatikou a automatizaci. U dalších tří segmentů je poměr ve prospěch informatiky. Technické prostředky lze dělit na několik kategorií. Schéma přináší Obrázek 8-3. Informatika, automatizace Senzory Měření veličin Snímání údajů Centrální jednotky - typy Periferie systémů Propojení, přenos dat Ovládání Programové prostředky Obrázek 8-3 Kategorie technických prostředků Dnešní možnosti techniky (r. 07) nabízí několik úrovní postupů a standardů pro propojení: e Kategori Název Popis Sne Neunifikovaný signál Propojení senzorů a elektroniky 6

264 Prostředky komunikace 6 Su Unifikovaný signál Výstupu převodníků měřicích okruhů D Datový sériový přenos USB, RS3, RS485, ASI, IO-LINK, LONWORKS, SPI, IC, HART, D Datový přenos LAN Protokoly TCP/IP a I-Ethe (průmyslový ethernet) D3 Datový přenos MAN a WAN Přenosy mezi městy a ve světě (Internet, GSM, Lora, SigFox) Technické prostředky komunikace tvoří aktivní jednotky, které mění pro datový tok úroveň, protokol nebo médium. Pasivními prvky propojení jsou metalické nebo optické kabely nebo bezdrátové přenosy (rádiové vlny, IrDa). Významnými aspekty při řešení propojování a přenosu dat jsou ochrana osobních a výrobních dat a to jejich stav (safety aspect) a zabezpečení přenosů (security system) a také diagnostika. Safety (zajištění, bezpečnost) je stav být zabezpečený, mít podmínky být chráněn proti fyzikálním, sociálním, duševním, finančním, politickým, emocionálním, obsazovacím, psychologickým, vzdělávacím selháním, poškozením, chybám, nehodám nebo jiným nežádoucím událostem. Security (zabezpečení) je stupeň ochrany před nebezpečím, poškozením, ztrátě a kriminalitě. I-Eth je určen také pro zabezpečovací systémy. Podle automotion 03/0 jsou hlavní druhy propojení: Powerlink, Sercos, Modbus, EtherNet/IP, Profinet. Nyní je nazýván jako opensafety. PowerLink Sercos ModBus EtherNet/IP Others (5 %) EtherCat (4 %) PowerLink (%) ModBus TCP/IP (%) Profinet (8%) EtherNet IP (30%) Profinet Obrázek 8-4 PROFIsafe, komunikace pro zajištění přenosů dat u bezpečnostních systémů (SIEMENS) Systémy SIA používají různé struktury technických a programových prostředků a rozličné struktury datových toků, které musí odpovídat dispozičnímu členění areálu uživatele a rozložení technologií a procesů. V současně době rostou i nároky na přenos informací ze SIA do vnějšího prostředí a naopak z vnějšího prostředí do SIA. Pro kvalitní, spolehlivé a bezpečné funkce SIA musí být zabezpečeno logické a fyzické propojení všech struktur s odpovídajícími parametry přenosů informací. V distribuované struktuře SIA lze používat systém komunikace ve 4 základních úrovních: úroveň signálová: přenos jednotlivých údajů signály mezi snímači a akčními členy a jednotkami podsystému centrálních jednotek v jednom podsystému CAM úroveň datová D: přenos bloků údajů mezi jednotkami podsystému centrálních jednotek jedné samostatné úrovně CIM typu sériového přenosu, např. USB, RS485 úroveň datová D: horizontální i vertikální přenos informací mezi subsystémy uvnitř jednoho systému CIM typu LAN úroveň datová globální D3: přenos informací mezi systémem CIM a vnějším prostředím např. meziměstským, mezistátním nebo globální. Řešení propojení a komunikace je řešeno v současné době u SIA s využitím víceúrovňových decentralizovaných úrovní. Obecné schéma má Obrázek

265 Prostředky komunikace 63.. Sne.. Su Sne D 3. D D D 3. D D 4. D3.3 D úrove signální proces, m ení, snímání, ovládání úrove datová D ízení, sb r dat. úrove datová D zpracování dat, archivace, CIM úrovn. úrove datová D3 globální. Obrázek 8-5 Obecné schéma propojení v SIA Úroveň nejnižší je v oblasti procesů, kde vznikají údaje z procesů měření (např. hodnoty ze senzorů o teplotě, hmotnosti, spotřeby energie atd) nebo údaje z postupů snímání (např. obsah čárového kódu, obsah čipové karty, biometrické parametry ap). Měřicí nebo snímací jednotky typu. mají výstupní signál Sne (neunifikovaný hodnota odporu, kapacity) nebo Su (unifikovaný, např. DC napětí 0-0V nebo proud 4-0 ma) nebo typu. s datovým výstupem D nebo typu.3 s datovým výstupem D. Jednotka. je určena pro převod unifikovaného signálu na datový přenos D. Úroveň datová D plní funkce řízení a sběru dat. Jednotka 3. je např. regulátor s možností výstupu na ovládací jednotky podle algoritmu řízení. Jednotka 3. představuje typy prostředků PLC, PCC, IPC nebo embedded jednotek. Výstupem je zpravidla již datový přenos D typu LAN. Na úrovni D se nachází jednotky 4. pro zpracování dat a jejich archivaci. Jednotky 4. jsou výpočetní systémy pro propojení na úroveň D3, tj. metropolitní nebo globální světové přenosy. Zcela novým přístupem začíná být používání u úrovně D3 propojení komunikací ETHERNET s TCP/IP protokolem (tzv. kancelářský Ethernet) a propojení Industrial Ethernet dnes s různými protokoly. Další vývojovým trendem je propojení GSM (všechny úrovně až LTE, případně G) a specifické propojení LORA nebo SigFox. 63

266 Propojení signální úrovně 9 Propojovací prostředky signální úrovně 9. Úvod Propojovací systém signální úrovně zajišťuje propojení a přenos údajů na nejnižší systémové úrovni pro jednotlivé technické jednotky. Jako příklad lze uvést propojení: snímačů s převodníky s regulátory nebo jednotkami PLC, PCC, IPC případně+ s jednotkami sběru dat kancelářské techniky akčních členů s průmyslovou výpočetní technikou, propojení se signalizačním zařízením. Signální propojení je přenos pouze jedné hodnoty, jejichž hodnota je kódována do elektrického parametru (napětí, proud, odpor, kapacita, indukčnost, náboj) nebo do parametru tlaku nebo jiné veličiny. Jeden údaj mezi dvěma i více zařízeními. Je to např. údaj měřené veličiny, je to povel zapnout akční člen nebo signalizační zařízení, je to údaj o znaku z klávesnice ap. Propojovacími prostředky jsou metalické nebo optické kabely případně bezdrátové spoje (radiové vlny, infračervené záření, laserový paprsek). 9. Struktura propojení Propojovací systém signální je v systému SIA součástí podsystému měření a ovládání (viz WAN, MAN, Internet LAN ASI (3.) (3.) RS Podsystém měření,ovládání technologie Obrázek 9-) a zajišťuje: Propojení vnitřní mezi senzorem a elektronikou snímače Propojení výstupu snímače na vstup regulátoru nebo jinou vyhodnocovací jednotku, výstupu těchto jednotek na vstup akčního člena regulačního obvodu nebo zařízení informatiky, propojení se signalizačním optickým zařízením.

267 Propojení signální úrovně WAN, MAN, Internet LAN ASI (3.) (3.) RS Podsystém měření,ovládání technologie Obrázek 9- Propojovací úrovně přenosu informací v RIS 9.3 Propojení signální neunifikované Propojení pomocí neunifikovaných signálů je volný způsob používání signálů pro propojování a přenos dat. Je zde transformace měřené veličiny nebo hodnoty na elektrický, případně jiný signál, ale hodnota parametru transformovaného signálu není standardní napětí nebo proud, ale specifická hodnota podle typu provedení a podle výrobce. Běžné použití propojení s neunifikovaných signály uvádí Obrázek 9- Schéma a) se týká propojení odporových senzorů. Měřená veličina je transformována na hodnotu elektrického odporu, senzor je propojen do vzdáleného místa, (může být až do 000m), zde se hodnota změn elektrického odporu změní na elektrické napětí U out, často přímo na hodnotu unifikovaného signálu. Schéma b) se týká propojení kapacitních senzorů. Měřená veličina je transformována na hodnotu elektrické kapacity (např. vlhkost vzduchu), senzor je propojen do blízkého obvodu, (vzdálenost velmi blízká, kolem vzdálenosti v milimetrech), zde se hodnota změn elektrické kapacity odporu přemění na elektrické napětí U out. Podobně schéma c), zde se mění hodnota elektrické indukčnosti. Schéma d) se týká propojení senzorů s principem elektrické kapacity a schéma e) zobrazuje propojení s aktivními senzory napěťovými. Měřená veličina např. mechanické síla u piezoelektrických, elektromagnetické energie u pyroelektrických senzorů nebo napětí termočlánků je transformováno a následně upraveno na hodnotu elektrického napětí U out. Schéma f) zobrazuje neunifikované detekování dvouhodnotového stavu, např. od senzoru pohybu (je v pohybu=log., není v pohybu= log. 0) a jeho transformaci na napětí o binárních hodnotách.

268 Propojení signální úrovně 66 R U out C U out a) b) L c) U out U C d) U C U out U e) U U out log.0/log. f) Ulog.0/Ulog. Obrázek 9- Blokové schéma a svorkové zapojení neunifikovaných signálů 9.4 Propojení signální unifikované Signální unifikované propojení má úroveň transformovaného signálu na dohodnuté, standardní úrovní. Např. pro analogový rozsah 0-00% je elektrické napětí 0-0V DC, 4-0mA DC, pro dvouhodnotové rozsahy log.0/log. je to podle druhu, např. TTL: log.0=0-0,7 V DC, log. =,-5V DC s tím, že mezihodnota není definovaný stav. Druhy signálního propojení měřicích okruhů unifikovaným rozhraním má Obrázek 9-3. Ukazuje blokové schéma zapojení signálů pro dvouhodnotový signál a), napěťový třívodičový signál 0..0V b) a dvouvodičové zapojení 4..0 ma c). A A3 Ulog.0/Ulog. U W A A out =0-0V W A A U out =4-0mA W3 A3 A R z >0k a) b) l=<000m U n =5V 0V l=<00m R c) U n =-36V R z >0k 0V z <750 l=<000m Obrázek 9-3 Schéma a svorkové zapojení signálního unifikovaného propojení (A snímač, A vyhodnocovací jednotka, A3 napáječ, W, W, W3 kabelové propojení) Realizace signálního propojení se provádí nejčastěji metalickými kabely. Je požadováno jejich kvalitní položení, ohyby minimálně 3xD (max. vnější průměr kabelu). Jsou to druhy kabelů pro přenos slaboproudých signálů, např. pro vnitřní prostředí jsou to typy (podle ): SYKY (nestíněné) nebo SYKFY (stíněné), dvou, čtyř a více párové o průřezu 0,5 mm s plnými vodiči z Cu DATAX YY (nestíněný) nebo DATAX YCY (stíněný), lankový vodič o průřezech 0,4 nebo 0,5 nebo 0,5 nebo 0,75 mm. Pro vnější venkovní prostředí, pro osluněné rozvody jsou to kabely odolné UV záření, mají povrch z černého PE. Vhodnými typy je např. UC300, 4xx0,5mm, má společné stínění (podle ) A-YF(L)Y.., od xx0,6mm až 00xx0,6mm, je stíněný, má kroucené páry (podle ). Elektrické požadavky na signální propojení jsou dány podle typu signálu.

269 67 Propojení signální úrovně Pro unifikovaný signál 0-0V je požadováno: maximální délka propojení do 00m, vnitřní zátěžný odpor všech paralelně připojených jednotek > Pro unifikovaný signál 4-0 ma platí maximální délka propojení až 000m, vnitřní zátěžný odpor všech sériově připojených jednotek <750. Tento druh propojení má omezené možnosti. U moderních systémů SIA je velký nedostatek spočívající v tom, že nemůže být prováděna s těmito přístroji datová komunikace např. z důvodů diagnostiky, pro dálkové změny rozsahů ap. Částečným řešením tohoto nedostatku je přístup HART komunikace. Propojení HART je implementováno na spojení 4-0 ma jako paralelní datový přenos dat. Komunikace obsluhy probíhá přes ruční terminál HART a PC s vloženým interfacem. Komunikace HART spočívá v tom, že na analogové stejnosměrné propojení je přes oddělovací prvek připojen digitální frekvenční signál. Na kabelovém vedení pak probíhá paralelně analogový i digitální datový signál. Na přijímací straně převodníku jsou tyto signály opět odděleny. Na analogovou vyhodnocovací část vstupuje analogový signál nesoucí informaci o hodnotě měřené veličiny a na číslicovou část je přijímán datový signál komunikace HART s požadavkem např. o přečtení registru převodníku, např. o požadavku změny měřicího rozsahu. Tímto způsobem lze zajistit vedle klasického signálního propojení i propojení datové pro obousměrný datový přenos. Obdobně se používají i další signály na výstupní straně aktivních zařízení výpočetní techniky. Vedle unifikovaných napěťových nebo proudových výstupních signálů to jsou např. bezpotenciální kontaktové výstupy, výstupy s otevřeným kolektorem tranzistoru, výstup třístavový nebo PWM (s pulzně šířkovovou modulací). 9.5 Převodníky komunikačních linek V systémech informatiky nebo automatizace se vyskytují požadavky i na připojení měronosných signálů na sériové (typ D) nebo LAN komunikaci (typu D). Jsou to např V/4-0mA na USB - 0-0V/4-0mA na RS485 - RS3/485/4 na 0-0V/4-0mA - Tenzometrický můstek na RS485 - Teplota na USB - 0-0V/4-0mA na Ethernet/Internet. Více (

270 68 Propojení sériové komunikace 30 Propojovací prostředky datové úrovně podsystémů Propojovací systém pro datovou úroveň podsystémů zajišťuje přenos údajů ve tvaru zprávy mezi jednotkami podsystému centrálních jednotek jedné úrovně. Toto propojení se nazývá také sériové propojení distribuované skupiny jednotek. Toto rozhraní je označováno jako propojení ASI, sériové RS485, o propojení více přístrojů v laboratoři rozhraním IEEE 488 nebo i základní přenos RS3 nebo USB ap. Základním rysem tohoto nejčastěji používaného propojení je sériový způsob přenosu dat podle standardu RS 3-C a s konkrétním protokolem. Přenášený druh informace mezi vysílací a přijímací jednotkou tvoří zpravidla skupina údajů ve tvaru zprávy. Je to např. zpráva o hodnotách několika veličin z vyhodnocovací jednotky tepla, zpráva pro regulátor o provedení změny žádané hodnoty podle vyhodnocení řídicí jednotky ap. 30. Propojení RS3 Standard RS-3, resp. jeho poslední varianta RS-3C z roku 969, se používá jako komunikační rozhraní osobních počítačů a další elektroniky. RS-3 umožňuje propojení a vzájemnou sériovou komunikaci dvou zařízení, tzn. že jednotlivé bity přenášených dat jsou vysílány postupně za sebou (v sérii) po jednom páru vodičů v každém směru. Je to síťová technologie s bezkolizní fyzickou vrstvou. Standard RS 3 má v úplném zapojení celkem až 5 vodičů (používá konektor s tímto počtem vývodů) a tím je zajištěna plná komunikace včetně kontroly a řízení periferie (např. telefonní modem). Pro některé periferie postačí pouze 3 základní vodiče: TXD, RXD a OV. Příklady zapojení má Obrázek 30-. Celková délka propojení je 5 m, výjimečně 50 m při pomalé rychlosti přenosu. Propojení RS 3 je používáno ještě v modifikaci proudové smyčky označované z éry dálnopisů TTY. TXD RXD GND 9(-)- 8(IRTS 7(0CTS 6(0)DSR 0)DCD (0)RXD 3(I)TXD 4(I)DTR 5(-)SGND 4(I)STD 5(0)TC 6(0)SRD 7(0)RC 8(-)- 9(I)SRTS 0(I)DTR (0)SQD (0)RI 3(0)SRS 4(I)EC 5(I)RFR Obrázek 30- Propojení RS3-C (-)GND (I)TXD 3(0)RXD 4(I)RTS 5(0)CTS 6(0)DSR 7(-)S GND 8(0)DCD 9(-)+V 0(-)-V (I)STF (0)SCB 3(0)SBA Pro propojení RS3 jsou nutné technické prostředky: kabel signální 3 a více pramenný konektor CANON 9 nebo CANON 5 vnitřní elektronika typu UART (Univeral Asynchronous Receiver/Transmitter). Na běžných sériových portech v PC lze dosáhnout rychlost maximálně 500bd ( baude= bit/s). Ostatní baudové rychlosti jsou odvozeny dělením 500bd. Jde tedy o řadu 500bd, 57600bd, 38400bd, 8800bd, 3040bd, 900bd,..., 9600bd,..., 4800bd,..., 400bd,.... Nejčastěji používané baudové rychlosti je 9600 bd. Přenosová rychlost je vždy nižší než baudová rychlost, protože ke každým osmi datovým bitům se navíc přenáší ještě startbit, jeden nebo dva stopbity a případně také paritní bit.

271 69 Propojení sériové komunikace Standard definuje asynchronní sériovou komunikaci pro přenos dat. Pořadí přenosu datových bitů je od nejméně významného bitu (LSB) po bit nejvýznamnější (MSB). Počet datových bitů je volitelný, obvykle se používá 8 bitů, lze se také setkat se 7 nebo 9 bity. Logický stav 0 / přenášených dat je reprezentován pomocí dvou možných úrovní napětí, které jsou bipolární a dle zařízení mohou nabývat hodnot ±5 V, ±0 V, ± V nebo ±5 V. Obrázek 30- Obvod UART850/6450 Standard RS 3 uvádí jako maximální možnou délku vodičů 5 metrů nebo délku vodiče o kapacitě 500 pf. To znamená, že při použití kvalitních vodičů lze dodržet standard a při zachování jmenovité kapacity prodloužit vzdálenost až na cca 50 metrů. Řízení toku dat (HANDSHAKING) představuje potvrzení příjmu dat či připravenost k přenosu a jeho zahájení na úrovni hardwarového nebo softwarového rozhraní. Probíhá na úrovni komunikačních protokolů (ZMODEM, KERMIT...), pomocí běžného datového kanálu přijímač vysílači sdělí, zda je schopen data přijímat a zpracovávat. DOS/BIOS v počítačích PC používá pro SW handshaking znaky v ASCII tabulce XON/XOF. Je-li však potřeba v toku dat znaky XON/XOF vyslat, je nutné vyslat speciální sekvenci znaků, což samozřejmě přenos dat obsahujících převážně tyto znaky značně zpomalí. Asynchronní přenos dat přenáší data v určitých sekvencích. Data jsou přenášena přesně danou rychlostí po uvozené startovací sekvenci, na kterou se synchronizují všechna přijímací zařízení. Všechny strany obsahují vlastní přesný oscilátor, díky kterému odečítají data v přesně definovaných intervalech. Po ukončení sekvence je další příjem opět synchronizován startovní sekvencí. Obrázek 30-3 Schéma asynchronního přenosu dat - Propojení RS3 potřebuje k provozování hardwarové díly: elektroniku v obou jednotkách, kabel a konektory a softwarové doplnění protokol: jakým způsobem a co vysílat a co přijímat a jak to zpracovat (nejjednodušší protokol je nulový modem, pracuje tak, že jedna stanice periodicky vysílá data bez kontroly, zda druhá stanice to přijímá a naopak). Jsou další jednoduché programy nebo přímo pod OS je program Terminal pro

272 70 Propojení sériové komunikace provozování přenosu dat přes R Propojení USB V současné době je propojení RS3 nahrazováno propojením USB (Universal Serial Bus). Důvodem bylo omezení rychlosti přenosu, nedostatečná jednoduchost při připojování externích jednotek,např. způsob plyg & play. USB rozhraní se během posledních let stalo zcela běžnou součástí výpočetní elektroniky a připojuje všechna běžná zařízení k PC. Historie a verze USB: Verze.0 (od 996) existují pomalá (Low-Speed) zařízení s přenosovou rychlostí,5 Mbit/s (87,5 kb/s) a rychlá zařízení (Full-Speed) s rychlostí Mbit/s (,5 MB/s). USB. však nebylo schopno konkurovat vysokorychlostním rozhraním, např. FireWire (IEEE 394) od firmy Apple (400 Mbit/s; až 63 zařízení). V roce 999 se začalo uvažovat o druhé generaci USB, která by byla použitelná i pro náročnější zařízení (např. digitální kamery). Tato nová verze, označovaná jako USB.0, přišla v roce 000 a nabídla maximální rychlost 480 Mbit/s (60MB/s) v režimu Hi-Speed, avšak zachovala zpětnou kompatibilitu s USB. (režimy Low-Speed a Full-Speed). USB 3. generace (přejmenováno z původního označení USB 3.0) je od r Disponuje více než desetinásobnou rychlostí, přenosová rychlost je 5 Gbit/s (67 MiB/s). Nová technologie má 9 vodičů namísto původních 4 (datové vodiče jsou již 4), přesto zpětně podporuje USB.0 a slibuje možnou nižší spotřebu energie (díky Power managementu). Díky tomu je možné používat libovolnou kombinaci zařízení a portů USB.0 a USB 3.. Verze 3. generace, představena 3. července 03. Hlavní avizovanou vlastností byla zpětná kompatibilita a plánovaná rychlost 0 Gb/s, čímž se vyrovná konkurenčnímu Thunderboltu první verzi. Verze USB 3. od r. 07 má 4 generace (x 450 MB/a, x (50 MB/s, x 950 MB/s, x 500 MB/s), jsou specificky kódované. USB je sběrnice má jedno zařízení typu Master, tj. všechny aktivity vycházejí z PC. Data se vysílají v krátkých paketech o 8 bajtech a delších paketech o délce až 56 bajtů. PC může požadovat data od zařízení, naopak žádné zařízení nemůže vysílat data samo od sebe. Veškerý přenos dat se uskutečňuje v tzv. rámcích, které trvají přesně milisekundu. Uvnitř jednoho rámce mohou být postupně zpracovávány pakety pro několik zařízení. Přitom se mohou spolu vyskytovat pomalé (lowspeed) i rychlé (full-speed) pakety. Obrací-li se PC na více zařízení, zajišťuje jejich rozdělení jako rozdělovač sběrnice (hub). Zabraňuje také, aby signály s plnou rychlostí (full-speed) byly vedeny na pomalá zařízení. Časový průběh přenosu informace je předepisován výhradně masterem. Zařízení typu slave se musí synchronizovat s datovým tokem. Základní parametry jsou: komunikační vzdálenost do 5m možnost připojení více zařízení rozhraní obsahuje 5V napájení lze připojit až 7 zařízení pomocí jednoho typu konektoru. USB zajišťuje správné přidělení prostředků (IRQ, DMA,...). Označení pinů podle typů konektorů: Pin barva Konektor A Konektor B standard Konektor B powered

273 7 Propojení sériové komunikace red VBUS VBUS VBUS white D- (data USB.0) D- D- 3 green D+ D+ D+ 4 black GND GND GND 5 blue StdA_SSRX- (superspeed reciever) StdA_SSTX- StdA_SSTX- 6 yellow StdA_SSRX+ StdA_SSTX+ StdA_SSTX+ 7 shield GND_Drain GND_Drain GND_Drain 8 purple StdA_SSTX- (superspeed transmitter) StdA_SSRX- StdA_SSRX- 9 orange StdA_SSTX+ StdA_SSRX+ StdA_SSRX+ 0 není není není DPWR (napájení) není není není DGND (OV k DPWR) shell shield shield Shield Stínění USB kabelu musí být připojeno pouze k pinu GND na straně "host". Žádné zařízení se již nepřipojuje stínění k pinu GND. Parametry verzí a 3: Parametr USB 3.0 USB.0 Přenosová rychlost 5 Gbit/s 480 Mbit/s Rozhraní dual-simplex, čtyři datové vodiče oddělené od USB.0 half-duplex, dva datové vodiče Vodiče 4 pro SuperSpeed, pro ostatní (+ napájení, celkem 8) pro low, full-speed i high speed (+ napájení, celkem 4) Transakční protokol sběrnice řízený hostitelem (řadičem) asynchronní, packetový tok je směrován řízený hostitelem (řadičem) dotazovací, packetový tok se vysílá na všechna zařízení Power management víceúrovňový (idle, sleep, suspend) PM pro připojení, zařízení i funkce na úrovni odpojení a připojení portu PM pro zařízení Napájení jako USB.0 s možností 50% zvýšení pro nekonfigurovaná zařízení a 80% pro konfigurovaná podpora low/high power (00 resp. 500 ma) zařízení Detekce připojení hardwarová detekce s přechodem do provozního stavu pro datovou komunikaci hardwarové detekce připojení portu, softwarový ovladač přepne zařízení do stavu zapnuto (může začít datový přenos) Typy dat. jako USB.0 se SuperSpeed čtyři typy: control, bulk, interrupt a

274 7 Propojení sériové komunikace přenosu omezením isochronous Obrázek 30-4 Konektory USB: typ A, typ B, mimi USB, mikro USB, verze 3 typ A, verze 3 typ mikro, verze 3 typ B Programové vybavení pro ovládání rozhraní USB odpovídá plně standardu plug & play a je již několik let součástí operačních systémů Microsoftu a v různém rozsahu i jeho alternativ. Obrázek 30-5 Konektory USB verze 3 USB rozhraní používá několik typů konektorů. Plochý konektor typ A je dnes obsažen na prakticky každém novém PC a notebooku. Některé základní desky mají integrován rovnou USB hub, který obsahuje až 8 portů přímo v PC. Druhý konektor typ B je určen pro periferní zařízení, čímž je zároveň definován standard propojovacího kabelu. Vedle těchto konektoru se používá ještě tzv. mini a mikro USB konektor, Obrázek 30-4 a Obrázek Zařízení vybavené rozhraním USB je buď rozdělovač (hub centrální jednotka hvězdicovité struktury), nebo funkční jednotka (periferní zařízení např. myš, klávesnice, scaner, tiskárna, MP3 přehrávač, digitální audiovstup). Obrázek 30-6 Vícevrstvá struktura USB Propojení je řešeno pomocí víceúrovňové hvězdicové struktury. Středem každého hvězdicového propojení je HUB a jednotlivé propojovací segmenty spojují buď počítač (USB host) obsahující centrální rozdělovač s funkčními jednotkami a rozdělovači na vyšší úrovni, nebo rozdělovač na vyšší úrovni s funkčními jednotkami a rozdělovači na nižší úrovni.

275 73 Propojení sériové komunikace Každé USB zařízení má svoji USB adresu a podporuje jednu nebo několik koncových jednotek (end-points / nodes), se kterými může počítač komunikovat. Příklad jednoduché reálné struktury umožňující připojení běžných komerčních periferií je uveden na obrázku. Počítač může přes HUBy komunikovat se všemi zařízeními. Schéma vícevrstvé komunikace USB má Obrázek Propojení RS485/4 EIA-485 (původně RS-485 nebo RS485) je standard definující třídu asynchronních sériových linek používaných zvláště v průmyslovém prostředí. Na logické úrovni je podobný standardu RS3, od kterého se liší především jinou definicí napěťových úrovní, nepřítomností modemových signálů a možností vytváření sítí. Standard RS485 je navržen tak, aby umožňoval vytvoření dvoudrátového poloduplexního vícebodového sériového spoje. Komunikační standard RS-485 byl definován v roce 983 institucí EIA (Electronics Industries Association). Schéma propojení typu RS 485 má Obrázek Doporučuje se kabel s impedancí 0 Ohm, kroucený, stíněný. Na koncích kabelu každého segmentu jsou zapojeny zakončovací odpory Rz=0 Ohm. Jednotky jsou zapojeny v sérii pomocí svorek A,B. Segment může mít délku do 00 m. Komunikace mezi jednotkami je typu master-slave (jeden vysílá-jeden přijímá). U některých protokolů je vysílacích jednotek více, přepínají se a postupně vysílají. Komunikace se označuje multimaster. Obrázek 30-7 Schéma propojení RS485 Sériové propojení RS 485 lze rozšířit o další segmenty pomocí opakovačů, kdy se vytváří další segment o délce až 00. Použije-li se místo metalického kabelu kabel optický, pak se dají propojovat jednotky jedním segmentem i na vzdálenosti více kilometrů (je nutný převodník RS 485/optika). Standard RS485/4 popisuje požadavky na technické prostředky a elektrické zapojení. Pro skutečnou funkci přenosu dat jsou nutné ještě programové prostředky. Jsou nazývány protokoly. Mezi nejznámější patří: Profibus firmy Siemens, CAN používaný u automobilů, MessBus pro měřicí zařízení ap. Propojení RS4 je duplexní zapojení RS485. Je to zdvojené zapojení pro současný přenos dat v obou směrech. Závislost vzdálenosti a rychlosti propojení typu RS485 přináší obrázek 30-8.

276 74 Propojení sériové komunikace obrázek 30-8 Parametry sériového propojení Propojovacími prostředky jsou kovové nebo optické kabely, konektory, rozbočovače, zesilovače a převodníky signálu RS485. Propojení RS485 nemá normalizované žádné konektory, zásuvky. Používá běžné svorkovnice. Při použití vyšší rychlosti je nutný speciální kabel, kroucený, charakteristická impedance 0 a na koncích zakončovací odpory 0. V některých aplikacích se používá čtyřvodičová verze RS-485, tj. RS4, která poskytuje plně-duplexní (obousměrnou) komunikaci a odpadá tak nutnost řízení směru přenosu dat. V podstatě jde o dvě dvouvodičové linky. Propojení RS485 používá několik protokolů vydaných některými výrobci. Mezi hlavní patří: PROFIBUS: Přenosová rychlost: 9kbit/s až Mbit/s podle délky a typu sítě v rozsahu,km až 00 m a použité technologie přenosu (délka optického přenosu může být až 80km), pro zvýšení délky sítě, omezení šumu (rušení), případně k větvení sítě se používá tzv. Repeater (opakovač). Řízení přístupu na sběrnici: metoda token passing nebo také token ring (předávání pověření k řízení sběrnice v logickém kruhu) pro komunikaci mezi aktivními zařízeními, tzn. že řídící člen sítě "Master" po ukončení komunikace s podřízeným(-mi) účastníkem(-ky) "Slave" nebo jiným Masterem uvolní řízení sběrnice pro další řídící členy sítě, tento postup předávání se opakuje, až se kruh předávání přístupu k síti uzavře. metoda klient-server (centrálně řízené dotazování) pro komunikaci mezi aktivním "Master" a jemu přidělenými zařízeními "Slave". kombinace předchozích dvou. varianty DP (Decentralized Periphery), PA (Proces Automation), FMS (Fieldbus Message Specification) Modbus je otevřený protokol pro vzájemnou komunikaci různých zařízení. Protokol Modbus definuje strukturu zprávy na úrovni protokolu (PDU Protocol Data Unit) nezávisle na typu komunikační vrstvy. V závislosti na typu sítě, na které je protokol použit, je PDU rozšířena o další části a tvoří tak zprávu na aplikační úrovni (ADU Application Data Unit). Modbus preferuje sériovou komunikační sběrnici standardu RS485, preferovaný režim sériové linky je 900 baudů, 8 datových bitů a sudá parita. Protokol MODBUS definuje strukturu zprávy na úrovni protokolu (PDU - Protocol Data Unit) nezávisle na typu komunikační vrstvy. V závislosti na typu sítě, na které je protokol použit, je PDU rozšířena o další části a tvoří tak zprávu na aplikační úrovni (ADU - Application Data Unit). Kód funkce udává serveru jaký druh operace má provést. Rozsah kódů je až 55, přičemž kódy 8 až 55 jsou vyhrazeny pro oznámení záporné odpovědi (chyby). Některé kódy funkcí obsahují i kód podfunkce upřesňující blíže požadovanou operaci. Obsah datové části zprávy poslané klientem slouží serveru k uskutečnění operace určené kódem funkce. Obsahem může být například adresa a počet vstupů, které má server přečíst nebo hodnota registrů, které má server zapsat. U některých funkcí nejsou pro provedení operace zapotřebí další data a v tom případě může datová část ve zprávě úplně chybět. Zabezpečení je CRC pro RTU Mode a LRC (kontrolní součet) pro ASCII Mode, které jsou vysvětleny níže. Protokol MODBUS definuje dva sériové vysílací režimy, MODBUS RTU a MODBUS ASCII. Režim určuje, v jakém formátu jsou data vysílána a jak dekódována. Každá jednotka musí podporovat režim RTU, režim ASCII je nepovinný. Všechny jednotky na jedné sběrnici musejí pracovat ve stejném vysílacím režimu. MODBUS RTU - V režimu RTU obsahuje každý 8-bitový byte zprávy dva 4-bitové hexadecimální znaky. Vysílání zprávy musí být souvislé, mezery mezi znaky nesmějí být delší než.5 znaku. Začátek a konec zprávy je identifikován podle pomlky na sběrnici delší než 3.5 znaku. MODBUS ASCII - V režimu ASCII je každý 8-bitový byte posílán jako dvojice ASCII znaků. Oproti režimu RTU je tedy pomalejší, ale umožňuje vysílat znaky s mezerami až s. Začátek a konec zprávy je totiž určen odlišně od RTU módu. Začátek zprávy je indikován znakem ":" a konec zprávy dvojicí řídicích znaků CR, LF. Tato verze protokolu je tak jednoznačná. CAN vznikl v roce 983 ve vývojových laboratořích společnosti Bosch a oficiálně byl představen jako protokol v roce 986. V následném roce se pro aplikace na trhu objevují první kontrolery od společnosti Philips Semiconductors. V roku 99 je použit u prvních modelů automobilů Mercedes-Benz. Na přelomu tisíciletí se systém rozšiřuje do aplikací v evropských automobilech. Pro tyto se stává standardem. V poslední době

277 75 Propojení sériové komunikace zaznamenáváme modifikace základních zpracovaných protokolů s průmyslovým zaměřením. Základní verze CAN.0 získala podobu v roce 99. Vývojem se modifikovala do dvou navzájem kompatibilních systémů.0a a.0b. V roce 993 je CAN přenesen do mezinárodního standardu ISO 898. V naší aglomeraci jsou známy derivace ČSN EN Síťový protokol detekuje a opravuje přenosové chyby vzniklé od okolních elektromagnetických polí. Data se odesílají v rámcích, každý rámec může obsahovat až 8 datových bajtů. Každý rámec obsahuje identifikátor, u sběrnice CAN neexistuje žádná adresa. Obsah zprávy je dán pouze identifikátorem. Tento identifikátor definuje obsah přenášené zprávy a zároveň i prioritu zprávy při pokusu o její odeslání na sběrnici. Vyšší prioritu mají zprávy s nižší hodnotou identifikátoru. Jedna zpráva může být přijata několika zařízeními. Doplňková zařízení pro rozhraní RS485 zajišťuje její specifické aplikace. Jedná se o rozvětvení na více segmentů, použití optických vláken, repeaterů apod. Významným dodavatelem doplňků je firma Westermo: Obrázek 30-9 Repeater, converte WESTERMO Zajímavé doplňky má firma Papouch, je to soubor převodníků různých rozhraní mezi sebou. Více viz Obrázek Obrázek 30-0Moduly RS485 firma Papouch 30.4 Propojení BlueTooth Bluetooth je bezdrátová komunikační technologie sloužící k bezdrátovému propojení mezi dvěma a více elektronickými zařízeními osobní potřeby, jakými jsou například mobilní telefon, jednotka PDA, PC nebo náhlavní souprava a nyní již i různá technická zařízení i v průmyslu. Název Bluetooth je odvozen ze anglického jména dánského krále Haralda Modrozuba - Harald Bluetooth - vládnoucího v 0. století. Ten využil svých diplomatických schopností k tomu, aby válčící kmeny přistoupily k diskuzi a ukončily vzájemné rozepře. Právě této analogie bylo využito pro název technologie Bluetooth, která podobně jako kdysi král Harald slouží k usnadnění vzájemné komunikace. Technologie Bluetooth je definovaná standardem IEEE Spadá do kategorie osobních počítačových sítí, tzv. PAN. Bluetooth se vyskytuje v několika vývojových verzích, z nichž v

278 76 Propojení sériové komunikace současnosti nejvíce využívána nese označení. a je implementována v drtivé většině Bluetooth zařízení (stav k r. 006). Prozatím poslední verze, specifikace Bluetooth.0 EDR (Enhanced Data-Rate), zavádí novou modulační techniku pi/4-dqpsk a zvyšuje tak datovou propustnost na trojnásobnou hodnotu oproti Bluetooth. (. Mbit/s). Tímto se dosahuje daleko větší výdrže baterii, protože samotné navázání spojení a i přenos samotný probíhá v daleko kratší době než u starších verzí Bluetooth. Výkonost je označována následujícím způsobem: Class metrů (maximalní teoretický dosah) Class. - 0 metrů Class 3. - metr Bluetooth pracuje v ISM pásmu,4 GHz (stejném jako u Wi-Fi). K přenosu využívá metody FHSS, kdy během jedné sekundy je provedeno 600 skoků (přeladění) mezi 79 frekvencemi s rozestupem MHz. Tento mechanismus má zvýšit odolnost spojení vůči rušení na stejné frekvenci. Je definováno několik výkonových úrovní (,5 mw, 0 mw, 00 mw) s nimiž je umožněna komunikace do vzdálenosti cca 0 00 m. Udávané hodnoty ovšem platí jen ve volném prostoru. Pokud jsou mezi komunikujícími zařízeními překážky (typicky například zdi), dosah rychle klesá. Většinou ovšem nedochází ke skokové ztrátě spojení, ale postupně se zvyšuje počet chybně přenesených paketů. Přenosová rychlost se pohybuje okolo 70 kbit/s a je možné vytvořit datový spoj symetrický případně asymetrický, kdy přenosová rychlost při příjmu (downlink) je vyšší než při odesílání (uplink). Jednotlivá zařízení jsou identifikována pomocí své adresy BT_ADDR (BlueTooth Device Address), podobné jako je MAC adresa u Ethernetu. Bluetooth podporuje jak dvoubodovou, tak mnohabodovou komunikaci. Pokud je více stanic propojeno do tzv. pikosítě (piconet), jedna rádiová stanice působí jako řídící (master) a může simultánně obsloužit až 7 podřízených (slave) zařízení. Všechna zařízení v pikosíti se synchronizují s taktem řídící stanice a se způsobem přeskakování mezi kmitočty. Specifikace dovoluje simultánně použít až 0 pikosíti na ploše o průměru 0 metrů a tyto pikosítě dále sdružovat do tzv. scatternets neboli rozprostřených sítí Infrared Data komunikace IrDA komunikace je známá pod zkratkou IrDA. Zastřešuje ji organizace, která definuje standardy komunikačních protokolů pro přenos dat na krátkou vzdálenost prostřednictvím infračerveného záření. Tyto standardy se používají pro tzv. osobní sítě (PAN), pro komunikaci s mobilními telefony, palmtopy apod. Komunikace pomocí IrDA vyžaduje mezi komunikujícími přímou viditelnost, má velmi omezený dosah (cca jednotky metru) a přenosovou rychlost kolem,4 kbit/s až 6 Mbit/s. IrDA zařízení komunikují pomocí infračervených LED diod s vlnovými délkami vyzařovaného světla 875 nm. Přijímačem jsou PIN fotodiody, které pracují v generačním režimu. Existuje přímá úměra mezi energii dopadnutého záření a nábojem, který optická část přijímače vygeneruje. Obrázek 30- Schéma převodníku a prvky IrDA IrDA zařízení pracují dle normy IrDA.0 a. do vzdálenosti.0 m při bitové chybovosti BER (bit error ratio, poměr chybně přenesených bitů ku správně přeneseným) 0-9 a maximální úrovni okolního osvětleni 0klux (denní svit Slunce). Rychlosti jsou pro IrDA ve verzi.0 od 400 do 500 kbps, používá se pulsní modulace 3/6 délky původní doby trvaní bitu. Formát dat je stejný jako na sériovém portu, tedy asynchronně vysílané slovo uvozené startbitem.

279 77 Propojení sériové komunikace IrDA v.. definuje navíc rychlosti a.5 Mbps s pulsním kódováním /4 délky doby trvání původního bitu (střída /4). Pro rychlost 4 Mbps se používá tzv. 4PPM modulace se střídou ¼. Integrované IrDA transceivery (kombinovaná vysílací infra LED dioda a přijímač PIN fotodioda) mají již zabudované filtry, které zabraňují rušení mimo frekvenční oblasti IrDA bps a Mbps (Mbliky/sec). Převodník pro IrDA komunikaci je IO HP 7000 a blokové schéma má Obrázek Propojení LONWORKS Technologie propojení LonWorks (LON -Local Operating Network) je průmyslová komunikační síťová platforma (nebo také komunikační sběrnice) vyvinutá v letech 989 až 99 firmou Echelon Corporation ve spolupráci s firmami Toshiba a Motorola. Protokol užívaný pro komunikaci na této sběrnici se nazývá LonTalk. LON nabízí univerzální komunikaci po libovolném vedení včetně RS-485, síťového rozvodu 30V, RF sítě, koaxiálního kabelu, optické vlákno nebo kabelové televize. Tím je vhodný nejen pro řízení spotřebičů a automatizaci budov (klimatizace, topení, světlo apod.), ale i dálkové odečty měřičů energií nebo regulaci v průmyslu, viz Obrázek 30-. Obvody interface Aplikace (měření, světlo, zabezpečení, ventil) Jádro neuronové sítě Jádro LIONWORKS DSP A/D RXD Obvody oddělení L N D/A TXD Externí paměť Napaječ Více: datasheet.pdf Obrázek 30- Blokové schéma propojení LONWORKS Technologii LonWorks vyvinula firma Echelon v letech 989 až 99 ve spolupráci s firmami Toshiba a Motorola, přičemž v roce 99 byla uvedena na trh. Ta vychází z obecné definice sítě zvané Local Operating Networks (LON), tj. místní datová síť. Ty jsou obecně složeny z inteligentních zařízení a uzlů, které jsou propojeny jedním či více komunikačními médii a komunikují spolu jedním komunikačním protokolem. Uzly jsou naprogramovány na vysílání zpráv při změně různých stavů a podmínek nebo jako reakci na přijatou zprávu. Samotný Echelon nabízí velké množství hardwarových i softwarových komponent pro vystavění distribuované sítě LonWorks. Technologie je však již přijata mnoha výrobci a komponenty dnes už vyrábí a podporuje i tisíce dalších firem (okolo 3000 firem po celém světě) včetně výrobců a distributorů v ČR. Např. Hlavní a základní komponenty sítě LonWorks jsou: LonTalk protocol Neuron chipy LONWORKS transceivery Network management a aplikační software. Síť LonWorks využívá peer-to-peer architektury (přímá komunikace systémem uzel-uzel) s prioritním systémem zasílání zpráv. Základem sítě LonWorks je inteligentní uzel, tzv. node, který je založen na speciálních mikrokontrolérech, nazývané Neuron chip, na němž běží LonTalk protokol. Komunikační model je nezávislý na fyzickém přenosovém médiu a na topologii sítě. Technologie LonWorks podporuje dva druhy propojení aplikací běžící na PC v OS Windows: DDE Server (Dynamic Data Exchange Server)

280 78 Propojení sériové komunikace Device/User Inteface/Network Managment Application Programming Interface (API) U embedded systémů se prosazuje také propojení ASI, IC a SPD Propojení AS-Interface (ASI) ASI je příkladný sběrnicový systém pro binární akční členy a analogová čidla na nejnižší síťové úrovni. Všechny komponenty jsou harmonicky přizpůsobeny SIMATIC NET - síťovému prostředí. To znamená, že přes integrovaná rozhraní nebo komunikační moduly je AS-Interface připojitelný na PROFIBUS nebo průmyslový Ethernet. Data i napájení jsou přenášena jedinou linkou, což přináší velmi jednoduché, rychlé a efektivní spojení např. čidel, spínačů a dalších akčních členů s PLC. Žlutý kabel se stal obchodní značkou AS-Interface. Prořezávací technika, "Click&Go", umožňuje připojení provozních zařízení do sítě kdekoliv na technologii. Zapojení ASI kabelu Sběrnice AS-Interface je sítí typu master-multislave. Verze.0 má možnost připojit až 3 zařízení typu slave, verze. rozšířila až na počet 6 zařízení typu slave, verze 3.0, která rozšiřuje možnosti sběrnice o přenos 6bitových informací ve více cyklech i jednom cyklu za cenu snížení maximálního počtu stavů v síti. Příklady technických prostředků má Obrázek IC komunikace Obrázek 30-3 Příklad prostředků s ASI Počátkem r. 980 vyvinuli u Philips Semiconductors jednoduchou obousměrnou dvou drátovou sběrnici pro výkonové vnitřní řízení kolem obvodů s mikrokontrolery (MC). Název je od Inter-IC, tj. IC. Dnes obsahuje obor integrovaných obvodů (IO) více než 50 CMOS a bipolárních IC sběrnic kompatibilních s IC. Usnadňují komunikaci mezi MC, ovladači zařízení, vzdálenými V/V porty, pamětmi, obvody pro aplikace (rádio, video systémy) atd. Tato zařízení obsahují na čipu interface, který dovoluje vzájemnou komunikaci pomocí IC. Sběrnice se stala de facto světovým standardem. Je implementována u více jak 000 různých IO a licence je užívána ve více jak 50 zemích. Sběrnice obsahuje dva aktivní vodiče (SDA Serial DAta line, SCL-Seral CLock line) a GND. Sběrnice je obousměrná. Zařízení na sběrnici má vlastní unikátní adresu. IC je multi-master sběrnice. Více jak jedno zařízení proto se může připojit a uskutečnit na svůj požadavek přenos. Je to BUS Master, ostatní jsou v tomto čase BUS Slaves. Zapojení přináší Obrázek 30-4.

281 79 Propojení sériové komunikace Obrázek 30-4 Zapojení sběrnice IC Nejdříve MC zadá start podmínky pomocí signálu Attention pro všechna napojená zařízení. Tato zařízení jsou připojena na sběrnici a přijímají povel. Potom MC posílá Address zařízení, které chce přístup- Read nebo Write operaci. Adresované zařízení připraví odpověď jako signál Acknowledge. Ostatní čekají na stop podmínky. MC po přijetí tohoto signálu může začít s přenosem nebo s příjmem Data. Jak je vše hotovo, MC dá povel Stop. Toto znamená, že sběrnice je uvolněná a že připojené obvody mohou začít další přenos. Hardwarová struktura sběrnice má dva vodiče obousměrné, tj. mohou být ovládané ze vnitř nebo od externího zařízení. Pro zajištění těchto funkcí musí používat signály zapojení s otevřeným kolektorem nebo otevřeným výstupem. Dobrou věci této koncepce je, že když je sběrnice obsazena od čipu od obvodu, který hlásí log.0, ostatní ztrácí právo na přístup. Je to stav Bus arbitration SPI Serial Peripheral Interface Jedná se o další typ sériové sběrnice vhodné pro oblast měřicích zařízení, audio přístrojů ap. Rychlost přenosu může jít nad MHz a může nahradit paralelní zapojení a to provozem jen na jednoduchých vodičích. SPI zavedla Motorola, u Natonal Semiconductor mají Microwire. Nyní jsou i rozšíření QSPI a Microwireplus. SPI je určena pro propojení mezi MC a periferiemi, nejčastěji na bázi tištěných spojů. Je také možné propojení i dvou MCU. Obrázek 30-5 ukazuje zapojení jednotky slaves pomocí dvou signálů řídicích a dvou datových signálů. Obrázek 30-5 Zapojení obvodu slave komunikace SPI Master zařízení dává hodinový signál SCKL a určuje stav na lince výběru (CS), když bude se komunikovat. Slave zařízení přijímá tyto signály. Když není Slave vybrán, jeho výstupy jsou ve stavu vysoké impedance (hi-z) a nenarušuje to komunikaci s aktivním slave. Zapojení s kaskádou slave má Obrázek Na obr. vlevo je zřejmé, že slave zařízení jsou jedno rozsáhlé zařízení a přijímají všechny stejný CS. Datový výstup zařízení je propojen na vstup následujícího a takto vzniká širší posuvný registr.

282 80 Propojení sériové komunikace Obrázek 30-6 Zapojení obvodů sítě komunikace SPI Jiné zapojení je na obrázku vlevo. Zde jsou zapojeny nezávislé slave jednotky na master. Signály SCKL a SDI jsou společné z master. Výstup ze všech slave jsou také spojeny a vedeny do master. V tomto zapojení pracuje pouze zařízení, které je vybráno. Lze také spojit dva Master. Jsou nutné speciální protokoly a řízení jednotek master. Podrobně v manuálu MC68HC Interface IEEE 394 Dalším přenosem určeným ale pro spotřební elektroniku a multimédia je propojení IEEE 394 (ilink nebo FireWire podle Apple). Je-li zabudován ve Vašem stolním PC, umožňuje Firewire PCI adaptér se 3 porty přenos rozsáhlých multimediálních dat v reálném čase rychlostí až 400 nebo 800 nebo 300 Mbit za sekundu z digitálních nahrávek. Díky standardu IEEE 394 mohou být připojena odpovídající kompatibilní periferní zařízení, jako např. digitální videokamery. Vysokou přenosovou rychlost ocení zejména uživatelé videozařízení. Prostřednictvím jednoho nebo více Firewire rozbočovačů lze připojit až 63 Firewire zařízení ke třem portům NetFire 3. Software pro editaci videa a NetFire3 pro domácí střih videa. Spolu s Firewire kartou je dodáván program Video Studio Basic 4.0 od firmy Ulead. Tak uživatel získá kompletní řešení pro střih videa. Špatné sekvence lze následně odstranit, lze doplnit titulky a nahrát hudbu nebo komentáře. Jednoduchá instalace systémem Plug & Play: po instalaci do volného PCI slotu je karta automaticky konfigurována operačním systémem. DFW-500 napájí připojená zařízení proudem až,5 A. Produkty napájené přes sběrnici Firewire tak již nepotřebují vlastní napájení. Vedle Windows 98 jsou podporovány i operační systémy Windows 000 a Windows XP. Karta do PC pro IEEE394 a konektory zobrazuje obrázek Obrázek 30-7 Karta propojení FiWi 30. Propojení v automatizaci budov V uplynulých patnácti letech došlo v oboru automatizace zařízení budov k nebývalému rozvoji. Dříve byly v této oblasti používány přizpůsobené průmyslové komunikační sběrnice, v posledních letech se zde však uplatňují nové komunikační standardy vyvinuté speciálně pro tento druh automatizace. V roce 990 byl pak na evropské úrovni ustanoven technický výbor, který pro automatizaci budov vybíral sběrnice ze stávajících standardů. Pro operátorskou úroveň byly zvoleny sběrnicové standardy KNX, BACnet a FND, pro řídicí úroveň

283 8 Propojení sériové komunikace BACnet s LonTalk, Profibus FMS a WorldFIP, pro nejnižší úroveň BatiBus, EHS, EIB a LON, zakotvené od roku 996 v evropské normě EN V automatizaci budov se v současné době prosazují u větších projektů většinou poměrně nákladné sběrnice EIB a LON, v případě potřeby koordinované se systémem BACnet. 30. Sběrnice KNX Jako základ pro mezinárodní standard KNX byla zvolena sběrnice EIB pro její technický charakter i úspěch na trhu (bylo již realizováno přes sedmdesát tisíc projektů). Hovořily pro ni v zásadě tři výhody EIB: kompatibilita výrobků různých firem, jasná certifikace a jednotné uvádění do provozu (EIB-Tools). Veškeré výrobky a zařízení určené pro sběrnici EIB vyhovují automaticky standardu KNX (a často bývají současně označovány oběma ochrannými známkami EIB a KNX). Standard KNX má oproti EIB mnohem větší objem funkcí, odpovídající požadovanému cíli: spojení nejrůznějších přístrojů. Možnost využití dalších přenosových médií, integrace různých zařízení (pro vytápění, větrání, klimatizaci a dále domácích spotřebičů), jakož i nové druhy uvádění do provozu (odpovídající rozšířenému spektru použití) umožňují propojení automatizace budov s automatizací domácností do skutečného "inteligentního" domu. Vytvořením standardu KNX se dostalo evropské sběrnici EIB mezinárodního zhodnocení Protokol BACnet Komunikační protokol BACnet je především určený pro automatizační a operátorskou úroveň automatizace budov. Podstatou protokolu BACnet je formulace univerzálního popisu všech možných funkcí zařízení. Jedná se o řízení vytápění, větrání, klimatizace, osvětlení, kontrolu přístupu, kontroly nebezpečí požárů a dalších prvků. Protokol BACnet je celosvětovou normou, výkonným standardem automatizace budov. Používá se bez licenčních poplatků. Evropské a americké skupiny pracují na možnosti certifikace zařízení BACnet, aby byla zaručena zaměnitelnost produktů různých výrobců. Přenos zpráv protokolem BACnet lze realizovat několika různými způsoby: Prostřednictvím sítě Ethernet (BACnet/IP). V současnosti je tato komunikace v systémech automatizace budov nejvyužívanější. Přenos dat se na tomto přenosovém médiu pohybuje rychlostí 0MBps a 00MBps. Prostřednictvím sítě RS-485. Sběrnice RS-485 je sériová linka, typ protokolu Master- Slave/Token-Passing (MS/TP). MS/TP má jeden nebo více uzlů (MASTER), kteří spolupracují v logickém kruhu. Sběrnice může mít i účastnické uzly (SLAVE), které ovšem nemohou vysílat zprávy bez jejich vyžádání MASTERem. Protokol BACnet specifikuje tři hlavní části: Definuje"OBJEKTY" jako datové body, požadované hodnoty, časové programy, kalendáře Definuje "SLUŽBY" jako sdílení dat, alarmy a správu událostí, časování, trendy, správu zařízení a sítě Definuje standardy komunikačních médií: BACnet přes Ethernet, BACnet přes LonTalk, BACnet přes RS3 Vzhledem k výše popsanému, je výhodné použití protokolu BACnet v aplikacích, kde se využívá komunikace po Ethernetu (internetového připojení). Některá zařízení, která mají implementovanou komunikaci po protokolu BACnet, mají integrovaný webserver a je tedy možné k těmto zařízením přistupovat zadáním odpovídající IP adresy.

284 Propojení sériové komunikace 30.4 Propojení HART Protože propojení signální nemělo možnost zpětné kontroly v okruhu měření, vznikl systém propojení HART (Highway Addressable Remote Transducer). V signálním okruhu nemohla být prováděna diagnostika, dálkové změny nastavení funkce a rozsahů, dálkově čteny měřené údaje, četní chybových hlášení ap. Propojení HART může být implementováno do okruhu signálního propojení 4..0 ma. Paralelně k toku elektrické DC proudu měronosného signálu je připojen frekvenční signál modulující datový tok HART. Mezi důležité vlastnosti protokolu Hart patří: Využívá se FSK klíčování, při kontinuální změně nedochází k elektromagnetickému rušení. Fixní přenosová rychlost 00 b/s. Protokol řídí komunikace typu master (x)-slaves. Komunikace typu point-to point. A U out =4-0mA W3 A3 A 8 U d) n =-36V l=<000m R z <750 0V A4 Obrázek 30-8 Schéma zapojení komunikace HART (A snímač měření, A vyhodnocovací jednotka, A3 napaječ, A4 interface HART, W3 propojení 4-0 ma) Princip komunikace HART spočívá v tom, že na analogové stejnosměrné propojení je přes oddělovací prvek připojen digitální frekvenční signál. Na kabelovém vedení pak probíhá paralelně analogový i digitální signál. Na přijímací straně převodníku nebo vyhodnocovací části okruhu jsou tyto signály opět odděleny. Na analogovou vyhodnocovací část vstupuje analogový signál nesoucí informaci o hodnotě měřené veličiny a na číslicové části je přijímán datový signál komunikace HART s požadavkem podle protokolu, např. o přečtení registru technickém stavu převodníku, o čtení nebo zápis do registru změny měřicího rozsahu. Tímto způsobem lze zajistit vedle klasického signálního propojení i propojení datové pro obousměrný datový přenos. Schéma zapojení komunikace HART nese Obrázek Interface A4 je řešeno moderním způsobem, má možnost zapojení výpočetního zařízení (notebooku, HMI jednotky, nebo i PC) nebo má vysílání WHART signálu, např. pro další prvky, chytré telefony apod. Obsahuje kompletní obslužná SW pro komunikaci z výpočetní jednotky do okruhu měření. Velmi zajímavým řešením je aplikace komunikace typu HART v bezdrátové verzi, tj. WirelessHART, Obrázek HART obecně je otevřený průmyslový komunikační systém pro prostředí technologie ve spojení se snímači a aktoriky. A4 A A A5 A A4 A6 Obrázek 30-9 Propojení W-HART Zavedením bezdrátové komunikace W-HART se získají další přednosti. V prostorách dílen, technologických linek, průmyslových hal lze se pomocí operátorských panelů, zařízení osobní komunikace PDA, smart telefonů napojit na okruhy snímačů a sledovat změny jejich hodnot, případně s oprávněním lze nastavovat jednotky měření a ovládání. Propojení WHART lze realizovat jednak přes analogové okruhy 4-0 ma, jednak i přímo přes WHART mezi snímači, vyhodnocovacími přístroji mimo analogový okruh.

285 83 Propojení sériové komunikace Příklad realizace podle SIEMENS je v Ukázka snímače s W-HART připojením a W-rooter má Obrázek W-HART snímač W-HART router W-HART snímač 3 I-Ethernet W-HART snímač Obrázek 30-0 Ukázka snímače a routera W-HART a schéma sítě W-HART (SIEMENS) Společnost EMERSON AUTOMATION nabízí bezdrátovou síť koncepce HART. Pro všechny typy snímačů technologických veličin, které vyrábí, má řešení HART kabelové nebo bezdrátové. Topologie sítě používá jak kabelové propojení, např. u stávajícího systému, tak i bezdrátové propojení do hvězdy Převodníky komunikačních linek V praxi se může vyskytnout požadavek na převod jednoho typu sériového propojení na jiný typ. Jsou nabízena zařízení, která dovedou tyto operace provádět. Mezi často používané převody patří - RS3 na RS485/RS4 - RS3/485/4 na optickou linku - USB na RS485 - RS3/485/4 přes radio signály na vzdálenost 540 m v budově a 40 km na přímou viditelnost venku Více ( )

286 Propojení komunikace úrovně LAN 84 3 Propojení datové úrovně LAN 3. Úvod Propojovací systém pro lokální vnitřní datovou úroveň LAN zajišťuje horizontální i vertikální přenos informací mezi subsystémy SIA v jednom subjektu. Propojení zajišťuje přenos velkých objemů dat s velkou rychlostí přenosů. Přenášený druh informace je zpravidla elektronický soubor (dokument, položka databanky, výkres, ekonomická analýza, souhrn nebo výkaz činnosti za den ap.). Z pohledu topologie LAN se může jednat u málo rozsáhlého systému o sériové propojení (Obrázek 3-) nebo o hvězdicové propojení (Obrázek 3-) případně o kruhové propojení. U rozsáhlého systému úrovně průmyslového podniku nebo nevýrobní organizace se většinou aplikuje strukturované hvězdicové propojení mnoha segmentů. Příkladem je zapojení LAN na UTB (Obrázek 3-3). Obrázek 3- Zapojení LAN se sériovou topologií Sériové propojení LAN podle obr může použít podle délky segmentu zpravidla metalický koaxiální kabel (např. pro délku segmentu 500m se použije tlustý koaxiální kabel, norma 0BASE-5), pro délku 80 m tenký koaxiální kabel, (norma 0BASE-). Připojení jednotlivých účastníku LAN je provedeno pomocí modulů AUI nebo konektorů BNS, případně speciální zásuvky s konektory BNC. Obrázek 3- Zapojení LAN s hvězdicovou topologií Hvězdicová topologie pro malý rozsah sítě používá propojení přes přepínače nebo rozbočovače s tím, že každý účastník má vlastní propojení přes vlastní segment. Segmentu postačí propojení na kratší vzdálenost. Používá se proto propojení metalické do vzdálenosti 00 m, případně optické. Kabely jsou kroucené podle rychlosti sítě různých kategorií a propojují se nejčastěji přes zásuvky RJ45. Systém SIA UTB ve Zlíně je příkladem velmi složité a rozsáhlé sítě LAN. Obrázek 3-3 uvádí schéma zapojení části LAN UTB a to systém budovy U5 (FAI). 84

287 Propojení komunikace úrovně LAN 85 Základní zapojení současné LAN používá shodné schéma reprezentující zapojení všech budov na UTB ve Zlíně. Budova U5 je napojena na optický kabel přivedený z budovy U. Ten je ukončen ve vstupním routeru. Jeho další napojení je provedeno spoji na podružné čtyři switche umístěné v areálu FAI. Jednotky switchů (každý pro dvacet čtyři výstupů) jsou spojeny jako samostatné segmenty jednotlivými kabely Cat6 s PC klientů a uživatelů PC, se zařízení WiFi a se servery. Současné LAN sítě musí přenášet soubory dat velkých objemů, i multimediální výstupy (hlas, video). Proto se dnes používají prostředky LAN pro vysoké rychlosti, od dnes nejpomalejších s rychlostí 0 Mb/s pro nejvyšší rychlosti přenosu do 0 Mb/s. Obrázek 3-3 Zapojení LAN s kombinovanou (stromovou a hvězdicovou) topologií u budovy U5 UTB/FAI 3. Aktivní prostředky LAN Technické prostředky pro vytváření LAN sítí jsou aktivní a pasivní prvky. Základní aktivní zařízení jsou: konvertor (transceiver, converter): přepoje síť přes různé druhy média např. 0BASE-5/AUI, 0BASE- 5/0BASE-, 0BASE-/0BASE-T, 0BASE-5/0BASE-FO,... řadiče a připojovací desky PCI opakovače (repaeter): zesiluje signál rozbočovač (hub): rozděluje signál na více logických segmentů přepínač (switch): přepíná signály v jednotlivých segmentech router: mění cestu protokolů (LAN-WAN) most (gateway): spojuje více různých samostatných sítí, lokální i remote spojení (modem-pstn, WAN- X.5, Frame Relay,..), různé úrovně (PPP, X., V.35, RS4/49,..). 85

288 Propojení komunikace úrovně LAN 86 Schéma a porovnání aktivních prvků má Obrázek 3-4. Jsou zde porovnány i podpory vrstev OSI. Prostředky gateway pracují na 7. /aplikační/vrstvě OSI, routery (směrovače), pracují na 3./síťové/vrstvě OSI, switch nebo bridge (přepínač nebo most), pracují na./datové/ vrstvě a hub nebo repeater (rozbočovače nebo převodníky), pracují na./fyzické/ vrstvě OSI). Obrázek 3-4 Aktivní prostředky Ethernetu v modelu OSI Konvertory tj. tranceivery jsou zřízení, které umožní zapojovat sítě s různými druhy kabelů. Příkladem je např. konvertor pro spojení sítě propojené 0 Mbit kabely s kroucenými páry (nestíněnými) se sítěmi propojenými optickými kabely. Konvertor funguje také jako konvenční opakovač s plně duplexním provozem. Obrázek 3-5 Tranceiver pro LAN Dalším typem je rychlý ethernetový transceiver, s jehož pomocí mohou být navzájem propojeny různé kabeláže v rámci jedné sítě. Budou-li prostřednictvím jednoho konvertoru spojeny sítě s různými topologiemi, mohou spolu navzájem komunikovat, vyměňovat si data a společně využívat většinou drahá periferní zařízení. Foto skutečného provedení uvádí Obrázek 3-5. Připojování PC na LAN je v mnoha verzích. Současné PC mají integrovaný HW ovladače LAN na základní desce. Na zadní straně jsou pak jen zásuvky RJ45. Starší PC nebo jiné důvody používají připojení pomocí zásuvné desky do slotu. Prostředky hub pracují na. a některé typu částečně i na. vrstvě OSI. Slouží pro rozdělení signálu na více portů, segmentů LAN a zařízení. Jsou určeny a využívají se u 0 a 00 Mb/s propojení. Zařízení také regeneruje příchozí signál a dělá další úkony. Obrázek 3-6 má schéma funkce. Hub vstupní data předává na všechny výstupy. Zařízení není schopno pracovat v plném duplexu. Pro standardní Ethernet je provedení s elektrickým krytím IP0. Počty portů jsou 4, 8, 6, 4 nebo 3. Pro průmyslový hub se používá krytí IP65 a IP67. Obrázek 3-6 Funkce zařízení hub 86

289 Propojení komunikace úrovně LAN 87 Přepínače switche jsou významné prostředky sítě Ethernet. Zajistí velkou flexibilitu u sítí s více segmenty, které mají různé topologie. Pracují na vrstvě, ale rozšiřuje funkce do vrstev a 3. Switch analyzuje všechny přicházející datové pakety a pak teprve přepíná přenos na odpovídající lokalizovanou stanici. Informace o stanicích zapojených u sítě je v tabulce adres a portů. Pouze v případě, že stanice není v tabulce, jsou data poslána všem stanicím, jsou-li přijata, switch si stanici zapíše do tabulky. Schéma funkce uvádí Obrázek 3-6 Obrázek 3-7 Funkce zařízení switch Switch je také zařízení, které je důležité v aplikacích v I-Ethernetu. Zvyšuje spolehlivost a zajistí se schopnosti funkce reálného času. Další výhodou je, že se provádí automatický převod rychlosti přenosu (mezi 000Mb/s, 00 nebo 0 Mb/s), operačního módu (plný nebo poloduplex), přepnutí polarity kabelových zapojení ap. Provedení zařízení switch je v krytí IP0 do skříně (rack) nebo pro průmyslové prostředí pro přímou montáž až krytí IP65 nebo IP67. Obrázek 3-8 Router jako zařízení sítě Ethernet Zařízení router (směrovače) pracuje v síti, kde se používá stejný protokol, určuje směr mezi dvěma cestami nebo linkami sítě LAN. Schéma struktury aplikace přibližuje Obrázek 3-8. Je-li uskutečňovaný přenos z jedné sítě (např. stanice 3) do jiné sítě (např. stanice 4, telegram je směrován na router a pak na router 3. Vstupní segment je označován jako WAN. 87

290 Propojení komunikace úrovně LAN 88 Na vrstvě modelu OSI pracuje také bridge zařízení. Podle MAC adresy je data paket vyslán z jedné podsítě do druhé. Použitím bridge může uživatel rozšiřovat omezení sítě počtem stanic při plném lineárním rozšíření. Bridge také zajišťuje testování přenosů a nepustí vadný paket do sítě kvalitní filtrací. Má význam ve velmi rozsáhlých sítích. Obrázek 3-9 Stolní jednotka CISCO pro switch, zásuvná jednotka router Zařízení pro směrovače (router) nebo pro přepínače (switche) pro rychlosti přenosu GB/s jsou aplikovány v provedení do skříní (racků) nebo v provedení stolní. Příklad stolního provedení a provedení modulu do skříně má Obrázek 3-9. Provedení switch pro průmyslový ethernet zobrazuje Obrázek 3-0. Obrázek 3-0 Průmyslové provedení jednotek switch. Mostem mezi sítěmi jsou zařízení gateway. Gateway (síťové brány) jsou prostředky pracující na 7.vrstvě OSI a zajišťují provoz sítě v případě různých protokolů. Jedná se např. o provoz sítě ETHERNET s přenosem se sériovým protokolem PROFIBUS. Obrázek 3- Porovnání Ethernetu a Profibusu v modelu OSI Obrázek 3- uvádí schéma rozdílů přenosu LAN Ethernet a sériového přenosu RS485 s protokolem Profibus na modelu OSI. Tento rozdíl odstraňuje zařízení gateway tím, že přemění typ protokolu. Funkce gateway se realizují ve specifickém zařízení nebo často i v zařízení např. IPC a to softwarem. Příklad praktického zapojení aplikace má Obrázek

291 Propojení komunikace úrovně LAN 89 Obrázek 3- Aplikace zařízení gateway Významnou technikou v sítích LAN je bezdrátové propojení LAN (WLAN, WiFi). Připojení a realizaci ukazuje schéma zařízení CISCO, Obrázek 3-3. Obrázek 3-3 Schéma bezdrátového připojení WiFi LAN Schéma obsahuje switch, jednotku LDT, bridge s přípojným bodem a anténou Cisco AIRONET a zdroj. Jednotka Power Injector LR převádí propojení RJ45 s kabelem Cat5 na dvojitý F konektor pro dvojitý koaxiální kabel ve venkovním prostředí. Tímto kabelem je napájena také anténa. Obrázek 3-4 Foto jednotek AP (přístupových bodů a antén) WiFi (units Access Point/Bridge) Jednotka s anténami neboli Access point jsou kritickou částí zapojení WLAN. Tato zařízení jsou v provedení pro vnitřní a vnější prostředí, musí mít odpovídající elektrické krytí a další rozdíly v konstrukci. Jsou dostupné ve verzi unifikované a autonomní. Rozdíl je v použitých protokolech. Některé typy přípojných bodů (antén) jsou na fotografii, Obrázek

292 Propojení komunikace úrovně LAN 90 Přenos WiFi používá rychlost 08 Mb/s a pracuje na frekvencích:.4 GHz pásma pro typ podle normy 80.g nebo 5 GHz pro typ podle normy 80.a. Technologie 80.g je zpětně kompatibilní s 80.b prvky s kanály v pásmu.4 GHz. Používají se od r. 006 zařízení pro duální pásma typ 80.a/g především pro napojování embedded a starších zařízení, případně trojitým pásmem typu 80.a/b/g. WiFi se začínají také intenzivně uplatňovat také pro zvukové sestavy, snímače čárových kódů, scanery RFID (radiová identifikace). 3.3 Pasivní prostředky sítí LAN Pasivní části sítí LAN jsou kabely, konektory, rozvaděče. Realizace propojení LAN pomocí metalických kabelů se provádí pomocí tenkých a silných koaxiálních kabelů nebo pomocí kabelů s kroucenými páry. Při použití tenkého koaxiálního kabelů se propojení realizuje dvěma způsoby: pomocí T kusů a konektorů BNC nebo pomocí zásuvek EAD. Obrázek 3-5 Zapojení LAN pomocí tenkého koaxiální kabelu a T kusy U propojení s T kusy a konektory BNC je kabel veden od prvního k poslednímu počítači (PC). Pořadí počítačů je nezávislé a libovolné. U každého počítače jsou vodiče zakončeny BNC konektorem a pripojeny " T - kusem " k počítači. Oba konce sítě (u prvního a posledního PC) musí být zakončeny odpory 50. Příklad zapojení s T kusy má Obrázek 3-5. V současné době jsou vstupy PC standardně vybaveny konektory RJ45. Proto se musí použít pro jejich propojení patch kabel RJ45/BNC. Obrázek 3-6 Zapojení LAN pomocí zásuvek EAD Propojení EAD používá nástěnné EAD zásuvky a tenký koaxiální kabel. Zásuvky EAD mají speciální, modernější a spolehlivé řešení. Připojení PC od EAD zásuvky je realizováno ohebným přívodním kabelem tzv patch kabelem do zásuvky na PC. Příklad zapojení s EAD zásuvkami pro shodné schéma uvádí Obrázek

293 Propojení komunikace úrovně LAN 9 Obrázek 3-7Umístění kabelů LAN v rozvaděči Současné propojení sítí LAN pro rychlosti přenosu nad 0 MB/s až do 0GB/s je realizováno metalickými kabely s kroucenými vodiči a zásuvkami RJ45. Celá kabeláž obsahuje velké množství kabelů. Obrázek 3-7 má ukázku montáže a rozvodů kabelů jednotlivých segmentů v rozvaděči. 3.4 Metalické kabely Metalické kabely s kroucenými páry jsou používány podle rychlosti přenosu. Může se jednat o kabely CAT3 nebo CAT4 pro sítě 0BASE-T nebo o kabely CA5 nebo pro CAT5e pro 00BASE-T a nebo kabely CAT6 pro 000BASE-T nebo pro kabely CAT7 pro 0Gb/s sítě. Kabel je v kancelářském prostředí zapojen na konektor RJ45 dvěma (0BASE-T) nebo čtyřmi páry vodičů (00BASE-T a 000BASE-T). Zapojení a barevné rozlišení vodičů je uvedeno v tabulce pro verzi : (nekřížený kabel, pro zapojení PC do RJ45 na segment LAN sítě k aktivní jednotce). Pro křížové zapojení (např. mezi dvěma PC mimo LAN síť) se musí propojit TD na jedné straně s RD na druhé straně. Konektor RJ45 značení vodičů a barvy párů má Obrázek 3-8. Páry kabelu jsou číslovány a jednotlivé jsou označeny barevně pro snadné rozlišení:.pár modrobílý-modrý.pár 3.pár 4.pár oranžovobílý-oranžový zelenobílý-zelený hnědobílý-hnědý. Obrázek 3-8 Konektor RJ45, číslování vodičů a barvy párů twist kabelů Zapojení zásuvek RJ45 je závislé na typu sítě a na druhu kabelu. V tabulce je uvedeno zapojení pro sítě 0BASE-T (je jen párový), 00BASE-T (je již 4 párový, je podle zapojení EIA/TIA-B), a 0000BASE-T (je 4 párový, zapojení EIA/TIA-A). Označení pinů konektoru a barev pro kabely na RJ45 (0/00BASE-T používá barvy EIA/TIA-B, 000BASE-T používá barvy EIA/TIA-A) Pin 0/00BAS E-T Barvy EIA/TIA-B 000BAS E-T Barvy EIA/TIA- A 9

294 Propojení komunikace úrovně LAN TD (+) TD (-) RD (+) - - RD (-) - - Oranžovobílý Oranžový Zelenobílý Modrý Modrobílý Zelený Hnědobílý Hnědý TD_B (+) RD_B (-) TD_A (+) RD_C(+) TD_C(-) RD_A (-) TD_D (+) RD_D(-) Zelenobílý Zelený Oranžovobílý Modrý Modrobílý Oranžový Hnědobílý Hnědý Obrázek 3-9 Konektor ESCON, M a RJ45pro průmyslové prostředí Ve světě se používají také další druhy zásuvek. Pro propojení kabelu CAT7 jsou to zásuvný konektor GG- 45 nebo CAT7. Firma IBM používá The Enterprise Systems CONnection (ESCON*), Obrázek 3-9. Je to konektor pro vysoké rychlosti duplexní komunikace pro FC, datové paměti, a další prostředky LAN. Pro průmyslový ETHERNET je nabízen kruhový konektor M nebo provedení RJ45. Kabel kroucený se a více dvojicemi vodičů mají průměr Cu 0,5 až 0,65 mm, s kvalitní vnější izolací. Druhy běžných čtyř párových twist kabelů jsou dále zobrazeny podle provedení: UTP (Unshielded Twisted Pair): norma ISO/IEC-80 (00)E: U/UTP, má nestíněné páry a nestíněný celý kabel, STP/FTP (Foiled Twisted Pair), má páry stíněné obalením do folie z AL, S/FTP / SF/FTP (Screened Foiled Twisted Pair), má folií stíněný celý kabel (F) nebo má stínění vloženým vodičem (S) nebo má oboje, S/UTP nebo F/UTP nebp SF/UTP (Screened Unshielded Twisted Pair), nestíněné páry, ale je stíněný celý kabel, folií (F) nebo má stínění vloženým vodičem (S) nebo má oboje, ITP (Industrial Twisted Pair), průmyslové provedení krouceného kabelu, např. Pro průmyslový Ethernet. Přehled metalických kabelů podle kategorie: CAT pro max. 00 khz provozní frekvenci, není vhodný pro LAN, používá se jako obyčejný telefonní kabel. CAT pro max. až,5 MHz provozní frekvenci, je vhodný pro LAN jen 0BASE-T v domácím měřítku. CAT 3 pro max. 6 MHz provozní frekvenci, používá se jako kvalitní telefonní kabel v USA. CAT 4 pro max. 0 MB/s provozní rychlost, používá se jako obyčejný telefonní kabel s ISDN, v USA se pro 0BASE-i pro 00BASET, ale s paralelním provozem všech 4 párů. V Evropě se neprodává. CAT 5 pro max. 00 MHz provozní frekvenci, je běžně používán i pro 00BASE-T, obr CAT 6 pro max. 50 MHz provozní frekvenci, je vhodný pro LAN i pro přenos multimédií. Novější kabely mají označení CAT6a nebo CAT6e. CAT 7 je v provedení S/STP, pro max. 600 MHz provozní frekvenci, je vhodný pro 0Gb/s přenosy, plní požadavky IEEE 80.3an, používá se zásuvný konektor GG-45 nebo CAT7 zásuvku. 9

295 Propojení komunikace úrovně LAN 93 Obrázek 3-0 Kabel CATe, CAT6, CAT7 a kabel CAT7 pro montáž na zeď Kabely Ethernet podle norem ISO jsou: 0BASE, tenký (thin) Ethernet, šedý kabel, RG-58, 85 m, 0BASE5, tlustý (thick) Ethernet, žlutý (yellow) kabel, 500 m, přenosová impedance 50 Transceiverový kabel k napojení na tlustý koaxiální kabel (AUI) k PC, max. délka 50m. 0BASE-T, kroucená dvojlinka (twisted pair), 00 m 0BASE-F, optický kabel (fiber optic), 000m 00BASE-TX, kroucená dvojlinka (cat. 5), 00m, 00BASE-T4, cat. 3, 4, 5, využívá 4 páry, 00m 00BASE-FX, optický kabel (fiber optic), 4 m Další data pro metalickou kabeláž jsou v tabulce: Kategorie Max. frekvence (MHz) Impedance () Aplikace CAT - 00 Přenos hlasu analogově CAT < 00 IBM kabeláž CAT3 <6 00 0BASE-T (>00m), ISDN CAT4 <0 00 6Mbs Token Ring CAT5 < BASE-T (00m segment) CAT6 <50-000BASE-T (00m segment) CAT7 <600-0GBASE-T Kabely se ještě značí doplňkově podle šíře přenosového kanálu (Cat5a až CAT5e): Class A Class B Class C Class D Class E Class F <00 khz <MHz <6 MHz <00 MHz <50 MHz <600 MHz V dnešní době se instalují vesměs LAN sítě pro GB/s rychlosti. Používají se kabely s kroucenými čtyřmi páry (twist) CAT6 (kategorie 6), které mají toto opodstatnění: - Mají šířku pásma 00MHz (pracovní) resp. 50MHz (testovací - tj. používá se jen při měření), u CAT5e je 00 MHz. - Rychlost přenosu je Gbps, u 000 BaseT se využívá pro přenos každý pár, tj. 4x50 Mb/s=Gb/s, u 000 BaseTX je plný duplex (přenos oběma směry ve stejný okamžik) tj. x500 Mb/s+x500Mb/s zpět, při šíři pásma 00 MHz je garance plné rychlosti i při poruchách (na rozdíl u CAT5e, který pracuje na GB/s je v ideálním provozu). - Kabeláž CAT6 UTP (nestíněný) je vhodný i pro 0GBaseT, bude ale kompatibilní jen do 55 metrů, CAT6 STP je kompatibilní s 0GBaseT na vzdálenost do 00 metrů, CAT7 SSTP je kompatibilní s 0GBaseT na vzdálenost do 00 metrů (kategorie 5e UTP/STP má limitní rychlost Gbps). Jako pasivní prvky se vedle kabelů a konektorů používají různé rozvaděčové skříňky nebo skříně (outlet). Slouží pro ranžírování kabelů, pro umístění svorkovnic, pro umístění rozvaděčů. Jsou zpravidla vyráběny v elektrickém krytí IP65 nebo IP67. Pro průmyslový Ethernet jsou často vyráběny z Al odlitků a jsou mechanicky velmi odolné. 93

296 Propojení komunikace úrovně LAN Optické kabely pro LAN sítě Optické kabely jsou určené pro vysokorychlostní přenos internetu a na velké vzdálenosti. Obsahují optická vlákna, přes která se data přenáší. Světlo se šíří velmi rychle a proto umožňuje velmi rychlý přenos dat. Pro praktickou realizaci potřebujeme ovšem celý optický přenosový systém, složený ze zdroje, přenosového média a přijímače. Kromě velké přenosové rychlosti je další velkou výhodou optických vláken jejich naprostá necitlivost vůči elektromagnetickému rušení (což je velmi důležité např. v průmyslových aplikacích). Výhodou je také velká bezpečnost proti odposlechu, malý průměr a malá hmotnost optických kabelů. Poněkud složitější je spojování jednotlivých vláken, technologie však již jsou v praxi dostatečně zvládnuty. Optická vlákna jsou velmi citlivá na mechanické namáhání a ohyby. Proto musí optický kabel kromě jednoho či více optických vláken obsahovat i vhodnou výplň, zajišťující potřebnou mechanickou odolnost. Pro počítačové sítě jsou optická vlákna atraktivní především pro vysokou přenosovou rychlost (až několik Gbps), kterou umožňují dosáhnout s poměrně nízkými náklady. Jde tedy o technologii velmi perspektivní (a to nejen pro počítačové sítě). Pro velmi velké přenosové rychlosti se musí volit způsoby přenosu s co největší šířkou přenášeného pásma co možná největší. Proto se pro přenos dat používá viditelné světlo nebo blízké IR záření o frekvenci přibližně 0 8 MHz. Vlastním zdrojem světla může být elektroluminiscenční dioda (dioda LED, Light Emitting Diode) nebo laserová dioda (laser diode), které emitují světelné pulsy na základě přiváděného proudu. Detektorem na straně přijímače pak bývá fotodioda (photodiode) nebo fototranzistor pro opačný převod dopadajících světelné impulsy na elektrické signály. Přenos světelného paprsku od jeho zdroje k detektoru s co možná nejmenšími ztrátami je zajištěn optickým vláknem (optical fiber), s tenkým jádrem (core) obaleným vhodným pláštěm (cladding). Jádro má průměr v řádu jednotek až desítek mikrometrů (8-0, 50, 6,5 nebo 00), a je vyrobené nejčastěji z různých druhů skla, eventuelně i z plastu. Poznámka: Vedení světla v optickém kabelu je zajištěno podle zákona o indexu lomu- Sneelův zákon: dopadá-li světelný paprsek na rozhraní dvou prostředí s různými optickými vlastnostmi (např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm), v obecném případě se část tohoto paprsku odráží zpět do původního prostředí, a část prostupuje do druhého prostředí. Záleží však na úhlu, pod jakým paprsek dopadá na rozhraní (měřeném od kolmice na místo dopadu). Je-li tento úhel větší než určitý mezní úhel (měřený od kolmice na místo dopadu a daný optickými vlastnostmi obou prostředí), dochází k úplnému odrazu paprsku zpět do původního prostředí. Obrázek 3- Optické vlákno: a) mnohovidové, b) monovidové V důsledku opakovaných úplných odrazů, které probíhají bez jakýchkoli ztrát, pak světelný paprsek sleduje dráhu jádra optického vlákna - je tímto jádrem veden. Rozmezí úhlů, pod kterými může světelný paprsek dopadat na optické vlákno tak, aby byl veden, definuje tzv. numerickou aperturu. Při překročení tohoto úhlu se paprsek neodrazí a ztratí se. Datový tok se přeruší. Velký význam na vedení paprsku v celém optickém kabelu má parametr index lomu - refraction index) na přechodu mezi jádrem vlákna a jeho pláštěm. Mění-li se skokem a je-li průměr jádra dostatečně velký (50-00 mikrometrů), jde o vlákno, schopné vést různé vlny světelných paprsků - tzv. vidy (modes). Jde tedy o mnohovidové vlákno (multimode fiber), v tomto případě se stupňovitým indexem lomu (step index fiber). Výhodou mnohovidových vláken je relativně nízká cena, snažší spojování, velká numerická apertura a možnost buzení luminiscenční diodou. Nejvyšších přenosových rychlostí lze dosáhnout na tzv. jednovidových vláknech (single mode fiber), které přenáší jen jediný vid. Schopnosti vést jediný vid bez odrazů i ohybů se dosahuje buďto velmi malým průměrem jádra (řádově jednotky mikrometrů), nebo velmi malým poměrným rozdílem indexů lomu jádra a jeho pláště. V každém případě jsou jednovidová vlákna dražší než mnohovidová, lze je ovšem použít pro přenosy na delší 94

297 Propojení komunikace úrovně LAN 95 vzdálenosti (až 00 km bez opakovače), než vlákna mnohovidová. Pro své buzení však již vyžadují laserové diody. Použití optických kabelů pro sítě Ethernet se dodržuje podle tabulky: Standard Typ kabelu Vzdálenost 0BASE-FL xvícevidový optický kabel >000 m 00Base-FX xvícevidový optický kabel záleží na typu vlákna (cca 500m) 000Base-SX 000Base-LX 0GBase-LX4 0GBase-SR/SW 0GBase-LR/LW 0GBase-ER/EW x mnoho vidový (850 nm); x mnohovidový (330nm ) a x jednovidový (330 nm) x mnohovidový (300nm ) x mnoho vidový (850 nm) x jednovidový (30 nm) x jednovidový (550 nm) 75 m 500 m 3000m 300m 66m 0000m 40000m Ukázky příkladných optických kabelů: - J-V(ZN)H, J-V(ZN)Y: jednovidové vlákno 9/5 m, mnohovidové vlákno 50/5 nebo 6,55 m, počet vláken až 4, pro vlákno D=mm, provozování od -0 do 50 C, min poloměr ohybu 0D, výrobní délka 000m, životnost 30 roků J/A-V(ZN)BH: jednovidové vlákno 9/5 m, mnohovidové vlákno 50/5 nebo 6,55 m, počet vláken až 4, pro vlákna D=5,3 mm, pro 4 vláken D=0,7 mm, provozování od -0 do 50 C, min poloměr ohybu 0D, výrobní délka 000m, životnost 30 roků - J/A-V(ZN)HH, J-V(ZN)YY: jednovidové vlákno 9/5 m, mnohovidové vlákno 50/5 nebo 6,55 m, počet vláken 36 až 7, pro 36 vláken D=0 mm, pro 7 vláken D=,4 mm, provozování od -0 do 50 C, min poloměr ohybu 0D, výrobní délka 000m, životnost 30 roků A-DQ(ZN)Y, jednovidové vlákno 9/5 m, mnohovidové vlákno 50/5 nebo 6,55 m, počet vláken až 4, pro vlákna D=6,5 mm, pro 4 vláken D=8,5 mm, provozování od -30 do 60 C, min poloměr ohybu 0D, výrobní délka 000m, životnost 30 roků - J/A-DQ(ZN)H, jednovidové vlákno 9/5 m, mnohovidové vlákno 50/5 nebo 6,55 m, počet vláken 4 až 44, pro 4 vlákna D=8,4 mm, pro 44 vláken D=7 mm, -5 trubiček s max. vlákny, provozování od -30 do 60 C, min poloměr ohybu 5D, výrobní délka 000m, životnost 30 roků Poznámka: J: kabel pro vnitřní prostory (indoor cable), J/A kabel pro vnitřní i venkovní prostory, A: kabel pro venkovní prostory, V: těsná sekundární ochrana (tightly buffered fibre), DQ:vodoodolná skleněná ochrana, (ZN): dielektrické tahové prvky pod pláštěm (varn reinforcement), B: zesílená ochrana, Y: PVC plášť, H: plášť z LSZH, Y: PE ochrana, V kabelech jsou implementována různá optická vlákna jedno i mnohovidová. Pro názornost jsou vybrána data pro vzorová vlákna a uvedeny jejich parametry: Vlákno mnohovidové Útlum (db/km) při 850 nm Útlum (db/km) při 300 nm Min.šířka pásma (MHz) 850 nm Min.šířka pásma (MHz) 300 nm 95 Přenos (m) 850 nm Přenos (m) 300 nm Průměr MM Gigabit 3,3, ,5 5 MM Gigabit 3,0, jádra (m) Průměr pláště (m)

298 Propojení komunikace úrovně LAN 96 Vlákno monovidové Útlum (db/km) při 30 nm Útlum (db/km) při 550 nm Min.šířka pásma (MHz) 30 nm Min.šířka pásma (MHz) 550 nm Přenos (m) 30 nm Přenos (m) 550 nm Průměr SM 9/5 0,3-0,4 0,-0, , 5 jádra (m) Průměr pláště (m) Pro propojení a zapojování optických kabelů jsou nutné speciální konektory. Dále je uveden výběr základních optických konektorů: FC: Fiber Contact, např. verze FC/PC pro napojení PC na optické vlákno, má keramickou ferrulu, je pro mono a multi mód. LC- Lucent Connector, zmenšuje velikost až o 50 %, vysokou hustotu instalace, používá mechanismus RJ45, keramická část. MT-RJ: Mechanical Transfer RJ Latch, o 50% menší rozměr vůči SC, nízká cena, používá RJ45 mechanismus, jednoduchá instalace, vlákna na jedné ferrule. MU typ pro FO konektování, má,5 mm průměr ferruly, je menší až o ¾ vůči SC typu. SC: Subscriber Connector, (účastnický konektor), má pravoúhlou sekci lisovanou z plastů, speciální zachycení při zasunutí, keramická ferrule, vysoká hustota uchycení při malé ploše panelu, verze pro mono i multi mód. ST: Straight Type (přímý typ), má bajonetové napojení podobné BNC, ferrule,5 mm keramika nebo nerez, pro mono i multi mód. Optické prvky jsou v prostředí s požadavkem na vyšší krytí umístěny v rozvaděčích. Tyto skříně mají navíc vyznačený prostor pro stočení optického kabelu, které má limitovaný průměr. Při menším průměru stočení je nebezpečí totálního odrazu světelného paprsku do pláště a ne zpět do skla. Základním typem sítí LAN v prostředí SIA je LAN s protokolem ETHERNET. Dostal se postupně do popředí i před protokoly TOKEN RING, ARCNET ap. Propojení LAN/Ethernet je postupně podle vývoje normalizováno. Od běžného rozsahu přenosu dat až po nejnovější ETHERNET, kde se používá standard 0Gb/s. 3.6 Průmyslový ethernet Vývoj prostředků SIA jde cestou komplexního propojení vnitřní i vnější komunikace mezi jednotlivými prostředky systému. Významným trendem je rozvoj průmyslového ethernetu (I-Ethe). V praxi to znamená, že komunikace z kanceláře se dostává až ke stroji v dílně na jedné straně, ale na druhé straně je možná i v rozsahu globálního prostředí, tj. nejen z kanceláře ale celosvětově a naopak. Tento trend zajišťuje propojení průmyslové 96

299 Propojení komunikace úrovně LAN 97 LAN-Ethernet, které kombinuje propojení kancelářského ethernetu TCP/IP a průmyslového ethernetu různých protokolů. Podle typu protokolu má tato kombinace topologii ostrovního nebo paralelního provozu u uživatelů s charakterem průmyslového subjektu. Konzervatizmus lidí pokládá otázku: Proč eternet do průmyslu? Jsou zde přece spolehlivá propojení sériového rozhraní typu D, která se osvědčila i pro řešení v režimu reálného času. Osvědčila se i v hrubém průmyslovém prostředí výrobních provozů. Průmyslový ethernet pomáhá řešit tři problémy automatizace. Je to distribuovaná inteligence, požadavky informačních technologií na automatizaci, vertikální komunikace přes všechny roviny SIA. Budoucí digitální továrny budou mít jen propojení úrovně D3. Hlavní důvod pro přechod na I-Ethe je fakt, že stávající sériové rozhraní brzdí výrazně řešení distribuované inteligence v SIA, především pro jejich vzájemnou nekompatibilitu a velmi pomalou rychlost. Ethernet je také otevřený standard pro komunikaci v globálním rozsahu, dnes se nabízí až pro rychlosti přenosu 0Gb/s a jsou provedeny zkoušky s rychlostí 40 Gb/s. Na úrovni procesů se dnes používají např. prostředky strojového vidění a přenos obrazu na úrovni D není možný. Dnešní stav vývoje a nasazovaní I-Ethe ve větším a rychlejším měřítku naráží na problémy: Více jak 80 % přenosu dat v průmyslu se uskutečňuje dnes na propojení RS485, RS3, RS4, případně ASI a převládá konzervatizmus. Dosud nedořešený systém standardizace pro I-Ethe. Komponenty pro propojení u I-Ethe musí odolávat průmyslovému prostředí. Proto mají podle druhu prostředí elektrické krytí od IP54 až po IP68. Mají také specifický systém kabeláže a konektorů. Musí splňovat požadavky na EMC, na teplotu, vlhkost, rázy a vibrace. Problém bezpečnosti přenosu, řízení při vzniku kolisí a požadavky na přenos v reálném čas je v I-Ethe nutno řešit odlišně. Ethernet s protokolem TCP/IP má stochastický přístup a řízení kolizí, používá metodu CSMA/CD. Není definovaná doba odezvy. Komunikace s I-Ethe musí předat data na místo určení do max. doby odezvy, má proto deterministický přístup, tj. jedná se o řešení v reálním čase. Pro I-Ethe se nabízí nová řešení : operace cyklického Ethernetu (např. EtherCat, PowerLink), vyhýbají se ale standardu doplnění real time mechanismu do kancelářského Ethernetu (Profinet, EtherNet/IP) kombinace obou metod. Přehled požadavků a parametrů pro kancelářský ethernet podle IEEE 80.3 a pro průmyslový ethernet. Požadavky na zařízení pro I-Ethe jsou v tabulce: Parametr Ethernet TCP/IP Průmyslový Ethernet napájení 30 V AC 4 V DC design plochý Štíhlý Provozní teplota 0 až +40 C -40 až +70 C Rázy - 5g Vibrace - g chlazení Větrák Přirozené Ele. Krytí IP0 IP65/67 Odolnost Prach Prach, oleje, rozpouštědla, kyseliny,.. Testy bezpečnosti EN EN Testy EMC EN 5008-, EN EN 5008-, EN , DIN EN Odezva >00 ms <0 ms Doba životnosti > 3 roky >6 roků Náhradní díly 4 roky 0 roků Komunikace v reálném čase je základní požadavek I-Ethe. Znamená to provést požadavky aplikace vždy, včas a za jakýchkoli provozních podmínek. Problémem je zajištění doby odezvy, dále kompatibilita 97

300 Propojení komunikace úrovně LAN 98 kancelářského a I-Ethe. Problém je v tzv. TCP/IP stacku, který dělá největší zpoždění. Řešením by mohlo být jeho obejití, ale ztratila by se kompatibilita. Více: Řešením je proto: použitím tzv. master clock k synchronizaci hodin sítě (je použit v IEEE 588, kde je specifikovaná přesná synchronizace sítí; pro Ethernet TCP/IP je částečně vhodný) cyklická komunikace pro obejití TCP/IP stacku; pro RT komunikace je kompletně nahrazen separátním stackem pro cyklické procesy; časová mezera je obsažena v každém cyklu TCP/IP nebo UDP/IP přenosu, který je dán poslechem telegramu všemi stanicemi na síti; nemají to ale Ethernet switche, které mají vlastní přenosový čas; huby to mají předepsané jiné metody na úrovni MAC adres nebo jako u Profinet. Real Time protokoly mají implementované tyto verze I-Ethe: PowerLink: standardní HW, podsíť, cyklus < 400s, Jitter (vibrace): s, vyvinut australskou firmou Bernecker+Rainer (B&R) v 00; má rozšířené TCP/IP i UDP/IP ve 3. a 4. vrstvě OSI o metodu SCNM (Slot Communication Network Management) a tak řídí transport dat v RT schopnosti, každá stanice na síti má časování a přísně limitní přístup s tím, že může vyslat data na každou jinou stanici sítě, kolize je plně vyloučena, protože na sítí má přístup jen jedna stanice, navíc může provádět i necyklické přístupy; switch může pracovat jen v open mode. PROFINET: standardní HW nebo ASIC switch, podsíť, cyklus 5-0 ms (V), ms (V3), Jitter (vibrace): s se 00 synchronizovanými ovládanými elementy; podpora od firmy SIEMENS, vyvinuto v r. 00, používá dva mechanismy komunikace, standardní kanál je přístupný plně na TCP/IP (bez RT režimu), na optimalizovaném SW komunikačním kanálu běží RT komunikace tak, že obchází 3. a 4. vrstvu OSI a zkracuje velikost dat protokolu a tím i dobu propustnosti datového paketu, je k tomu HW podpora obvodem ASIC, kde je SW firmware pro RT kanál RT komunikace, switch je dovoleno používat, hub nelze použít. EtherCat (Ethernet for Control Automation Technology) : standardní HW, podsíť, cyklus < 00s, se 00 synchronizovanými ovládanými elementy, vyvinutý od Beckhoff, na rozdíl od standardu, kde jsou data přijímána všemi stanicemi, zde jsou data přijata jen odpovídající stanicí, vstupní data jsou vložena do telegramu a běží přes stanici stejným způsobem, toto zpoždění trvá nano sekundy Průmyslový standard PROFINET Profinet má základní specifikaci: Otevřený protokol Přenosová rychlost: 0 Mbit / 00 Mbit Standard podle definice Profibus International Pracuje s TCP/IP a standardy IT Má tři různé úrovně protokolů: TCP/IP pro verzi PROFINET CBA s reakční dobou v rozsahu 00ms RT (Real-Time) protokol pro aplikace PROFINET CBA and PROFINET IO do 0 ms doby cyklu IRT (Isochronous Real-Time) pro verzi PROFINET IO v aplikaci s dobou cyklu menší než ms. PROFINET CBA systém obsahuje několik variant komponent. Odpovídá standardu IEC Základní myšlenka CBA je, že systém automatizace se zpravidla dělí na subsystémy, s konkrétními vstupy a výstupy a funkcemi, které se parametrizují. Komunikace se pouze konfiguruje, neprogramuje se. Přenos dat u CBA bez RT 98

301 Propojení komunikace úrovně LAN 99 je vhodný pro cyklus s dobou průměrně 50 až 00 ms. Při paralelním běhu RT kanálu je doba několik ms podobně jako u PRIFINET IO. Procesní data a alarmy jsou vždy přenášeny v režimu reálného času (RT). RT je založen na definici IEEE a IEC, tj. Limitní doby je určena pro dobu cyklu sběrnice. Data jsou zpracované s vyšší prioritou než data pro TCP(UDP)/IP. Přenos je do distribuovaných periferií a do komponent CBA. Skutečná doba cyklu je často ve jednotkách ms. Přenos data IRT - isochronním reálných časem. Zařízení IO, které má funkci IRT má vnitřní integrované porty přepínače (vnitřní switch). Tímto způsobem se dosahuje doby výměny cyklu v rozsahu kolem ms. Proti RT funkci je zde vyšší stupeň determinismu a začátek cyklu na sběrnici je ošetřen s vysokou přesností. Odchylka může být kolem s (hodnota jitter). Toto je velmi důležité např. pro aplikace s řízením pohonů, s řízením polohy, rychlé změny tlaku plynu v potrubí. Řízení těchto tří režimů obstarávají jednotky switchů, typy SCALANCE X00 až 600. Mají za úkol přepínat toky dat sítě TCP/IP Ethernet a PROFINET a průchod dat při aplikaci protokolů. Obrázek 3- Přepínače SCALANCE typy X600 až X00 (SIEMENS) 3.7 Řešení LAN v průmyslovém prostředí Průmyslový Ethernet (Industrial Ethernet, dále jen I-Ethe) není jednotná metoda komunikace, ale je řešena u několika výrobců. Společným prvkem všech těchto řešení je snaha jednak použít techniku Ethernetu a v jistém ohledu i množinu protokolů TCP/IP a internetových technik a zároveň splnit požadavky kladené na sběr technologických dat a komunikaci za účelem ovládání a řízení procesů, strojů a linek. Kancelářský Ethernet nemá žádný požadavek na prostředí a na odezvu. Průmyslový I-Ethe má naopak jako základní požadavek dobu odezvy, minimalizaci kolísání doby odezvy (jitter) a odpovídající odolnost vůči průmyslovému prostředí. V důsledku neochoty se dohodnout je v praxi uplatňováno několik druhů protokolů I- Ethe. Nejznámějšími jsou Ethernet Powerlink (firma Bernecker & Rainer), Profinet (organizace PNO, Siemens), Ethercat (organizace Ethercat Technology Group), EtherNet/IP (organizace PNO), Modbus TCP (IEC PAS 6030 pre-standard) a SERCOS-III. Jejich uplatnění je nyní směrováno především do oblasti řízení rychlých procesů, řízení pohybu a polohy při použití elektrických pohonů. Tato úroveň komunikace D je napojena na vyšší úroveň D3 a je také napojena na nižší úrovně sériové komunikace typu RS485 s různými protokoly (např. Profibus IEC 658/6784) případně s propojením ASI (podle IEC 606/EN5095) nebo IO-Link. Novým trendem je také bezdrátové propojování jednotek v průmyslovém prostředí. Může se jednat o komunikaci Industrial Wireless LAN (IWLAN) podle IEEE 80. nebo o specifickou komunikaci typu PAN nebo jiné třídy. Příklad bezdrátové komunikace v průmyslovém prostředí typu 80. má Obrázek

302 Propojení komunikace úrovně LAN 300 PC (I)PC TCP/IP Profinet TCP/IP TCP/IP Access Point NB PLC Obrázek 3-3 Schéma systému s bezdrátovou komunikací Standardní LAN síť v budově má napojen PC, IPC a Access Point na kabelový rozvod. Přístupový bod vysílá do prostředí rádiový datový proud WLAN podle normy 80.. Tato komunikace může v daném prostoru připojit NB notebook, HMI Human Machine Interface bezdrátovou komunikační jednotku nebo panel, PLC nebo PLC s anténou typu RCoax (prořezaný koax kabel), BS snímač technologické veličiny, jednotku W- HART atd. Specifické řešení je použití tzv. koaxiálního nařezaného kabelu, který představuje speciální anténu. Kolem kabelu se vytváří definované prostorové rádio frekvenční pole. Její výhody se uplatní např. v prostorách typu tunel, kanál, výtah nebo u robotických zařízení, u železničních vlaků a podobných dopravních prostředků, u jeřábů, u divadelních prostor na jevišti atd. Schéma zapojení viz Obrázek 3-4. PLC BS HMI W-HART Access Point I-Ethe RCoax BS BS Obrázek 3-4 Schéma zapojení s RCoax kabelem u I-WLAN Více anténa z RCoax kabelu: Řešení LAN ve vlacích Velmi specifické a náročná aplikace LAN je ve vlacích a dopravních prostředcích a jejich připojení na Internet a pevné zastávky a dopravní nádraží. Schéma přináší Obrázek 3-5. Interní LAN v dopravním prostředku je používána s lineární topologii a s automatickým propojením výpadků napájení prvků LAN nebo nejčastěji kruhová síť LAN s velkou rychlostí zotavení okruhu (<0 ms). Tato interní síť LAN na pojené: A- LTE/router pro spojení s poskytovatelem mobilního Internetu A, A3- switche pro napojení všech interních služeb A4- jednotka informací pro cestující A5- systém zábavy pro cestující A6- systém přivolání pomoci a zvukové signalizace A7- kamerový systém A9- WiFi AP pro cestující A0- WiFi klient s personálem nádraží a stanic A-AP nádraží a stanic pro dopravní prostředky A-switch LAN nádraží nebo stanice. BS 300

303 Propojení komunikace úrovně LAN 30 Všechny zařízení včetně kabeláže musí plnit náročné požadavky na vyšší teplotu provozu, vibrace, rázy, venkovní vlhkost, povětrnostní vlivy apod. Proto styčné zařízení A, je 4G/LTE Dual router pro náročné profesionální použití vyhovuje požadavkům na prostředí a dále zajišťuje spojení se dvěma poskytovali s automatickým jejich přepínáním. Má možnost použití externích antén. Centrální výpočetní jednotka, typ IPC, je speciálně konstruovaná pro vlaky, vozidla. Podobně jsou to zařízení switchů, přístupových bodů AC, 4G/routerů, centrálních IPC, 4G/IPC, kabeláže apod. Technické prostředky pro vlaky a jiné dopravní prostředky nabízí např. SIEMENS, MOXA (viz Obrázek 3-6). A LAN-Ring Internet A0 A A Stanice A Dopravní prostředek (vlak, autobus) A A3 A3 A A4A5 A6 A7 A4 A5 A6 A9 Obrázek 3-5 Schéma propojení LAN dopravního prostředku Náročné prostředí vyžaduje splnění standardů: A4A5 A6 A7 A4 A5 A6 A9 ČSN EN 5055 ( ): Drážní zařízení Elektronická zařízení drážních vozidel. ČSN EN 50-4 ( ): Drážní zařízení Elektromagnetická kompatibilita-část 4: Emise a odolnost zabezpečovacích a sdělovacích zařízení., Obrázek 3-6 Technické prostředky komunikace u dopravních prostředků: switch, 4G/router, 4G/IPC, centrální IPC (MOXA) 3.9 Systémová bezpečnost a zabezpečení V souvislosti s bezpečností a zabezpečením informačních a automatizačních systémů se hovoří o: - Informační bezpečnosti - Průmyslové bezpečnosti - Zabezpečení technologie Jak standardní informační systémy, tak i průmyslová komunikace je v nebezpečí od IT prostředí, tj. od hackrů nebo od virů (worms (červů), trojských koní, logic bomb, souborové viry, stealth, polymorfní, rezidentní, přepisující, přímé akce, doprovodný, multiparritní). Je vhodné systém rozdělit na dílčí části, tak zajišťovat bezpečnost a zabezpečení a tím zajistit bezpečnost a zabezpečení celku. Základní formy řešení pro bezpečnost a zabezpečení jsou:. Standardní bezpečnostní mechanismy, jako je šifrování, zajištění heslem.. Použití specifických bezpečnostních zařízení, např. moduly bezpečnostních přepínačů, VPN software. 3. Integrovanou bezpečností hardwarovou: firewall, VPN software. 30

304 Propojení komunikace úrovně LAN Zabezpečení technologie a ochrana osob, strojů, prostředí před nebezpečím, poškození při špatné funkci, chybě SW, pomocí diagnostiky, redundanci, odolnost interferenci, velmi odolném HW. Používá se: a. dodržování norem: IEC 6508 pro certifikaci, dále EN 954-4, IEC 606, EN ISO b. aplikace bezpečných sítí: např. PROFIsafe pro Profinet a Profibus, ASIsafe c. pro přechody mezi sítěmi pomocí proxy funkcí d. redundantní propojení sítí. Zabezpečení přenosu dat u bezpečnostních systémů s vysokým zajištěním se provádí pomocí speciální jednotek CPU a speciálního komunikačního protokolu tak, že je vytvořena HW a SW vrstva zajišťující bezpečnost. Firma SIEMENS má vytvořený systém pro všechny úrovně komunikace (D: ASIsafe, PROFIBUSsafe, D: Profinetsafe). Je provozovaný na jednom stejném mediu (kabel, optika, WiFi), ovšem s rozdělením data FAIL-safe a Standard. Vrstva má vlastní CPU-safe a vlastní vrstvy protokolu. 3.0 Převodníky vzájemných propojení na LAN V technické praxi se vyskytují požadavky na převody různých typů komunikace mezi sebou nebo na připojení měronosných signálů na propojení LAN. Mezi typické příklady patří: - Převod RS3 na Ethernet TCP/IP - Převod RS485/4 na Ethernet TCP/IP - Převod RS3/485/4 na Ethernet TCP/IP - Převod M-bus na Ethernet TCP/IP - Převod RS3/485 na WLAN - Převod HART na Ethernet TCP/IP - Převod RS/485/4 na Internet a na vzdálené straně z Internetu na RS3/485 - Přenos RS3/485 na Internet a na vzdálené straně z Internetu na RS3/485 - Přenos DI/O na Internet a na vzdálené straně z Internetu na DI/O - Přenos signálu 0-0V/4-0 ma na Ethernet TCP/IP - Přenos teploty, vlhkosti na Ethernet TCP/IP - Přenos Ethernet TCP/IP na signály 0-0V/4-0 ma - Přenos rychlosti a síly větru na Ethernet TCP/IP U ethernetu TCP/IP pro 0Mb/s a 00 Mb/s lze využít systém PoE Power over Ethernet, tj. napájení po kabelu TP. Více (

305 Propojená datové úrovně WAN Propojení datové úrovně WAN 3. Úvod Rozsáhlá počítačová síť (Wide Area Network WAN) je rozsáhlá počítačová síť přes hranice států, celosvětová. Ve skutečnosti je to propojení všech sítí LAN, případně dalších sítí a vytváří univerzální propojení mezi účastníky. Sítě WAN jsou budovány na pronajatých linkách různých subjektů, kteří jsou poskytovateli pronájmů (ISP. Přepojování okruhů využívá metody přepínání paketů, pro přenos a adresaci používají protokol TCP/IP a dále protokoly ATM a Frame Relay (dříve X5). Rychlosti jsou dané typem přenosu, od 00b/s až 56 Mb/s. Možnosti připojení jsou: Pronajatá pevná linka, point-to-point připojení dvou jednotek LAN, jsou velmi bezpečné, drahé, protokoly PPP, HDLC, SDLC, HNAS. Přepojování okruhů, nejčastěji vytáčené připojování, jsou levné, vyžadují sestavení spojení, protokoly PPP, ISDN Přepojování paketů, přenos přes virtuální okruh, sdílená síť pro více přenosů, X5 Frame Relay. Přepojování buněk, pakety jsou sestaveny do buněk a pak přeneseny, nejlepší současný přenos, protokol ATM. Přenosovými médii jsou telefonní kabely pevných linek, speciální metalické kabely, optické kabely, radiové přenosy (mobilní operátoři), mikrovlnné spoje nebo přes satelitní spoje. X5 je starší mezinárodní standard, používá přepojování paketů, provádí kontroly chyb přenosu s opravou, je používán bankami, ukládá si data neodeslaná a postupně je odesílá, schéma viz Obrázek 3-. Frame Relay se používá s přepínáním rámců/paketů, nahrazuje X5, používá různé topologie, je velmi rychlý (až Mb/s. Protokol ATM (Asynchronous Transfer Mode) je standard pro vysokorychlostní přenosy WAN (až 6 Mb/s), používá přepojování buněk (48 B dat + 5 B záhlaví),spojení musí být před výměnou dat. Vrstva: Podle modelu OSI využívá přenos WAN vrstvy: Aplikační -7 Prezenční -6 Relační -5 Transportní -4 Síťová -3 Linková - Fyzická - Protokoly a metody: Bit Torrent, DNS, BOOTP, DHCP, FTP, HTT, HTTPS, IMAP, POP3, IRC, Ident, NNTP, NFS, NTP, RTP,SIP, SMB, SMTP, SNMP,SSH, STUM, Telnet, XMPP NCP SPDY, SSL, TLS, NetBios, RPC, SMB, NFS DCCP, RUDP, SCTP, TCP, UDP IPv4, OPv6, ICMP, IGMP,.adresování,směrování Ethernet, FDDI, PPP, token ring, WiFi, ARP, Proxa ARP 0Base, 0Base T, RS3, RS4,RS449, RS485

306 Propojená datové úrovně WAN 304 DCE PSE X5 PSE DTE PSE PSE 3. Síť Internet Obrázek 3- Síť X5 (DTE-datový terminál, DCE-datový terminál, PSE přístupový bod) Historie internetu v ČR začala oficiálně ve čtvrtek v posluchárně č. 56 na ČVUT v Praze. Bylo to připojení 39. země ve světě. Po předběžných pokusech bylo provedeno připojení přes pronajatý pevný telefonní okruh mezi budovou v Dejvicích v Praze a výpočetním centrem Univerzity Jana Kellera v Linci v Rakousku. V Praze to byl sálový počítač IBM 434, rychlost byla 9,6 kb/s. Předcházela tomu v březnu 990 zavedení sítě FidoNet, v květnu 990 spuštění sítě EUnet pro unixové počítače, v říjnu 990 byla realizována síť EARN (evropská odnož Bitnetu) pro spojení Prahy a Linze, v listopadu 99 byla uskutečněny pokusy s připojením do Internetu. Propojení bylo financováno americkou grantovou agenturou National Science Foundation (NSF). Jeho zástupce, Steven Goldstein při připojení zdůraznil význam nekomerčního provozu. Následovalo v r. 99 vybudování páteřní sítě pevnou linkou mezi Prahou a Brnem. V r. 993 bylo již propojeno měst, v r. 996 vzniklo sdružení CESNET. Dalšími milníky byly: PSE Počátek 995 byla zrušena doména cs a zavedena cz Jaro 996 začal fungovat server SEZNAM. Listopad 996 začala mít první adresu politické strany ODS a v únoru 997 ČSSD. 5.září 997 zřídilo Ministerstvo spravedlnosti elektrickou verzi obchodního rejstříku..ledna 998 spuštěn portál Idnes.cz. 4.května 998 začala Expandia Banka nabízet internetové bankovnictví. V r.000 spuštěn e-shop Alza.cz..listopadu 00 byla propojena síť CESNET s evropskou gigabitovou sítí GÉANT. 3.května 00 spuštěna česká verze Wikipedia. 00 první možnosti přístupu WiFi na internet..února 003 začal se nabízet rychlý internet technologií ADSL. Duben 003 začal nabízet operátor Eurotel připojení za paušál, následoval T-mobile. Říjen 006 začala fungovat česká společnost Google. V r. 00 bylo připojeno na internet přes 50% domácností, v r. 06 to bylo již 80%. Síť CESNET má propojení v ČR, viz Obrázek 3-

307 Propojená datové úrovně WAN 305 Obrázek 3- Síť poskytovatele Internetu CESNET Internet je celosvětový systém propojených počítačových sítí ( síť sítí ), ve kterých mezi sebou počítače komunikují pomocí protokolů TCP/IP. Společným cílem všech lidí využívajících internet je bezproblémová komunikace při výměně dat. Nejznámější službou poskytovanou v rámci internetu je WWW (data,texta, grafika a multimédia) propojených hypertextovými odkazy na soubory a elektronická pošta, ( ), VoIP (telefonování a chatování,skype), FTP pro přenos souborů, DNS systém domén, sdílení souborů (NFS, GFS, SMB), vzdálený přístup mezi počítači (telnet, SSH, VNC,RDP), služební protokoly (DHCP, SNMP), ale desítky dalších. Výrazně jsou zde zastoupeny i sociální sítě (Facebook, Google, Twitter, Instagram a další. Mezinárodní datové propojení Internetu o vysokých rychlostí přenosu a proto je připojení k uživateli provedeno např.: Telefonní pevnou linkou, vytáčení ADSL, a další varianty DSL Kabelovou přípojkou (UPS) Bezdrátovým připojením (mobilní poskytovatelé, satelitní, WiFi). Kvalitu připojení určuje velikost agregace (podle počtu uživatelů sdílejících síť snížení rychlosti), doba odezvy, rychlost přenosu, technologie připojení. Protokoly pro přenos Internetu jsou: IP (Internet Protokol) je základní protokol, pracuje na síťové vrstvě, rozlišuje podle IP adresy síťové rozhraní, používá se verze IPv4 a novější IPv6. TCP (Transmission Control Protocol) poskytuje služby pro přenos s kontrolou. UDP (User Datagram Protocol) poskytuje transportní služby, ale bez kontroly, je používán omezeně, jen DHCP, TFTP, SNMP, DNS, BOOTP. Připojení místní sítě LAN na síť poskytovatele Internet je zpravidla přes jednotku roster. Schéma ukazuje Obrázek 3-3. Ukazuje pro dva uživatele A-B blokové schéma napojení a také architekturu TCP/IP v modelu OSI.

308 Propojená datové úrovně WAN Internet 306 A A A LAN WAN WAN LAN A uživatel A uživatel B Aplikační Aplikační Transportní Transportní Síťová Síťová Síťová Síťová Fyzická Fyzická Fyzická Fyzická LAN LAN Internet Obrázek 3-3 Spojení LAN a WAN sítě Internet Zařízení uživatele (A) je přes LAN síť napojeno na porty LAN jednotky routeru (A). Kabelové propojení WAN umožňuje napojení na vstup poskytovatele a připojení na Internet. Vedle kabelové propojení WAN je provedení routeru také pro propojení přes mobilní sítě komunikací GSM nebo přes satelitní propojení. 3.3 Komunikace GSM Alternativním prostředím pro moderní komunikace přes Internet je také použití GSM propojení. Předností je, že není nutné budovat žádné další propojení, další pasivní a aktivní prvky včetně aplikačního software. Přenos dat nebo propojení lze použít v místech bez pevných linek, komutovaných linek, Wifi přístupů, kabelových služeb atd. Významné aplikace jsou např. propojení z jedoucích vlaků na železnici, v metru, v dopravních prostředcích. Propojení GSM dosáhl nyní (r.07) již 4.generace a velmi dobrých parametrů pro připojení na Internet. Přehled generaci uvádí další tabulka: Síť parametry přenos hlas-data GSM (G,G) 900/800MHz ne GSM/GPRS (,5G) <5 kb/s; rozšíření EDGE,,75G, <384 kb/s Hlas nebo data GSM/EDGE (,75G) rozšíření EDGE, <384 kb/s Hlas nebo data GSM/UMTS (3G) (3G), <384 kb/s, 00 MHz ano 4G) GSM/UMTS(3,5 nebo HSDPA (rychlý kanál sdílení) (3,5G) <4Mb/s nebo HSPA/HSPA+ HSDPA+ <3,6-84,4 Mb/s CDMA/RTT (x) Max 53 kb/s ne CDMA/EV-DO (3G) Max 5,4M,4 Mb/s ne LTE LTE (3,9G), <396 Mb/s, 800/900/800/00/600 MHz ano LTE Advanced, 4G, <Gb/s, 5 Mb/s download, 50 Mb/s upload, 800/ 800/ 00 MHz ano 5G (EU do r. 05) Budovy škol, výzkumu, doprava, ano

309 Propojená datové úrovně WAN nemocnice, úřady Gb/s Domácnosti <00Mb/s Prostor města, hlavní silnice, železnice 307 Zavedení sítí LTE-4G přináší další možnosti pro přenos dat, jako rychlost přenosu, širší bitový rozsah přenášených rámců, nižší ceny, větší životnost baterií, budování W-WAN -rozsáhlých WiFi sítí (nejen lokálních). Připojení lze realizovat několika způsoby podle nabídek a řešení mobilních operátorů. Pro přímé připojení PC nebo notebooků, tabletů s USB portem je nejjednodušším způsobem řešení pomocí modemů. Zařízení se připojí přes USB rozhraní, po zapojení se nahrává aplikace a podle typu modemů se připojí patřičnou a dostupnou úrovní (3G nebo 4G). Další mobilní řešení je pomocí bezdrátových routerů GSM, často doplněných i WiFi 80.ac, tj. pro dvě frekvenční pásma (,4/5 GHz). Často je řešení připojení GSM pomocí USB LTE modemu. Další možností je použití routeru WiFi/LTE. Zobrazení příkladného zařízení pro propojení na Internet přes sítě GSM má Obrázek 3-4. Obrázek 3-4 Základní prostředky pro propojení na Internet přes sítě GSM (Huawai, Asus, TP-Link) Pro průmyslové aplikace s napojením na Internet přes sítě GSM jsou vyráběny v provedeních, které současně obsahují i řešení spojení se zajištěním kyberbezpečnosti. Příkladem může být technika Siemens nebo Maxa. Zpravidla zařízení má možnost zajistit linky převod WAN-LAN, WAN-WiFi, a také LAN-až LTE. Navíc obsahují zabudované prostředky pro kyberbezpečnost, tj. VPNtunel, FireWall (viz Obrázek 3-5). Více: SIEMENS AG Industrial communication, Norimberg, Obrázek 3-5 Zařízení router LTE a WiFi (Siemens, Moxa) 3.4 Satelitní připojení na Internet Málo běžný způsob připojení na Internet je řešení připojení pomocí satelitů. Jedno možné a ověřené řešení je schematicky zobrazené viz Obrázek 3-6.

310 Propojená datové úrovně WAN 308 Obrázek 3-6 Schéma satelitního připojení pomocí satelitního propojení 3.5 Internet věcí Internet je v dnešní době (r.07) důležitý prostředek komunikace mezi lidmi Human to Human (HH). Dosavadní systémy automatizace založené na distribuované koncepci používají různorodé rozhraní a algoritmy výměny dat. Vývojové trendy směrují aplikace v duchu Internetu Věci (IoT Inthernet of Things). Toto přináší mnoho výhod. Např. minimalizaci napájecích příkonů, zmenšení rozměrů, větší používání IPC a PC, RFID a robotizace. Vývoj aplikací vyžaduje objektové programování (C++, C#), vizualizační nástroje podle HTML 5, zpracování dat podle algoritmů BIG DATA/ DATA MINING či spolupráce s podnikovými SQL. U komunikace je to standard OPC-UA (mezi stroji a ERP), systémy cloud for all, u LAN I-Ethe. Významný požadavek je na bezpečnost kyberprostoru (OPC-UA je již silně zabezpečen). Tento trend má i významné benefity ekonomické, marketingové, energetické. Řešení IoT pro průmyslové podmínky, pro přenosy dat velkých objemů, pro přenosy dat přes poskytovatele Internetu je připravováno s využitím standardních sítí LAN podle protokolů 80.3 a 80.* a také I-Ethe. Řešena je konektivita různých zařízení na síť Ethernet a kyberbezpečnost. Schéma modelového systému IoT/FAI uvádí Obrázek 3-7. Na obrázku je i řešení připojení přes satelitní spoj.

311 Propojená datové úrovně WAN 309 5G IoT-WAN FAI-UTB SAT (D3) NB mobil Internet A4 5GHz WiFi,4GHz A5 A6 3G/4G EU-SAT T-mobile LAN W3 WAN (D3) Cesnet A3 T AP4 P E W3 A3 Comet T,M,CO W3 T A3 THDIDO M Bi Bo W3 Bi A3 TDS0 T W3 Kamera W3 A3 W3 A4a W3 NB CWEB Scada 4ETH Papouch kamera Comet Internet Obrázek 3-7 Schéma IoT/ verze FAI (AP4 převodník 0-0v/Ethe, Comet snímač T+M+CO, THDI/DO, TDS0, kamera, A4-switch, A5 router, A6modem LTE) 3.6 Projekt LPWAN Zajímavé řešení IoT je použito u tzv. LPWAN sítí (Low Power World Area Network). Má odstranit negativa současných přenosových datových systémů (komunikace IEEE80.3, 80.*, 80.5*) nebo přenos dat u mobilních operátorů (4G neboli LTE-A). Je to např. systém LORA nebo SigFox. Neumožňuje připojení pro velké množství připojených zařízení (r.00 to má být až miliarda věcí), má omezení pro napájení a trvalý provoz, nemůže pokrývat velká území, např. celou Evropu, přenášet data různých aplikací, řešit smart projekty, např. smart cities, smart home, smart doprav, smart stavebnictví, smart zemědělství. Pro splnění těchto požadavků vznikly a snaží se prosazovat dva systémy: SigFox a LoRaWAN. Sigfox je WAN síť, která dostala název podle francouzské firmy, používá bezdrátovou technologii, je určena ke spojení nízkopříkonových zařízení s trvalým zapnutím pro vysílání malého množství dat. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) je další z nízko příkonových bezdrátových síťových protokolů navržených pro levnou a zabezpečenou obousměrnou komunikaci v internetu věcí. Schéma pokrytí sítí SigFox v ČR a schéma propojení je na obrázku. Síť používá příjmové a vysílací body se vzájemnou vzdáleností okolo 30 km. Jednotky Sig Fox v terénu (A) s napojenými snímači (A) se pomocí svého rádio dílu s anténou připojují na příjmový bod, podle nastavení vysílají data ze snímačů na cloud systém sítě (A4). Přístup a stahování těchto dat je možné aplikaci podle přístupových podmínek přes klienta prohlížeče Internetu z NB a Smart Phonu.

312 Propojená datové úrovně WAN 30 A3 A4 A Internet A5 A Obrázek 3-8 Propojení LPWAN/SigFox a pokrytí ČR snímače T+M tlak CO zaplevení osvětlení rychlost proudění Obrázek 3-9 Snímače pro SigFox 3.7 Systémová bezpečnost a zabezpečení Bezpečnost a zabezpečení informačních a automatizačních systémů na úrovni WAN má důležitý význam, protože nejčastější útoky jsou ze strany sítí WAM. Citlivé místo je právě místo připojení sítě LAN v místě routeru na sítě WAN Internet. Základní schéma zabezpečení má Obrázek 3-0. Internet A VNP (IPSec, LTP) Firewall NAT A VNP (IPSec, LTP) Firewall NAT LAN WAN WAN LAN LAN A LAN B Obrázek 3-0 Základní zabezpečení připojení Internet na routeru Router je jednotka, která může zajistit zákaz nedovolenému přístupu se špatným oprávněním. Mezi základní metody ověřování patří: Autentizace- ověření účastníka, že je oprávněný k přístupu.

313 Propojená datové úrovně WAN 3 Autorizace poskytnutí práv ke zdrojům dat. Filtrování IP adres vpuštění účastníků uvedených v seznamu povolených adres. Šifrování- zajištění soukromí. Antivirová kontrola IDS (Intrusion Detection Systém) - kontrola obsahu dat účastníků vstupujících z Internetu do LAN sítě. HTTP přes SSL/TLS šifrování na úrovni dat, šifrovací protokol SSL/TLS, ověřuje klient po navázání spojení certifikát serveru, v případě správnosti se provede šifrovaná komunikace. Zařízení, která výše uvedené metody používají, jsou: Firewall- kontrola účastníků vstupujících z Internetu do LAN sítě na routeru nebo až na PC uživatele. Monitorování provozu sítí, chování účastníků a odhalování podezřelého chování (uhádnutí hesla. VPN tunel kontrola klíče a povolení průchodu VPN. Protokoly VPN: PPTP, LTP a LTP/IPSec, OpenVPN, SSTP, IKEv, standardem je IPsec- rozšíření IP protokolu o autentizaci a šifrování každého diagramu již na síťové vrstvě a u serverů LTP/IPSec (Layer Tunneling Protocol) Biometrické nebo RFID ověřování. Výrobci integrují do průmyslových routerů všechny nutná základní zařízení, aby se zabezpečovalo připojení do citlivých sítí. Ukázku přináší Obrázek 3-. Pro Wifi se vyžaduje dále: o o o o o o o WPA (WiFi Protected Acces ) šifrování AES (Advanced Encryption Standard) nebo TKIP (Temporal Key Integrity Protokol) nedoporučuje se starší WEP (Wired Equivalent Privacy) a funkci WPS (WiFi Protected Setup) pro spárování routeru s klientem PC zbavit se hesel admin/admin ihned po nastavení změnit SSID vysílaný název sítě filtrování MAC adres a povolení jen určeným změna firmwaru routeru za open- source. Nepoužívání DHCP služby. Obrázek 3- Příklady zařízení průmyslových routerů (Siemens, Westermo)