Elektrotechnika. Studijní podpora 3. ročníku Aplikované chemie

Transkript

1 Projekt OP VK CZ.1.07/1.1.07/ Podpora odborného vzdělávání na středních školách MSK Střední průmsylová škola akademika Hyerovského a Gymnázium,Ostrava Středoškolská Ostrava-Zábřeh tel.: skola@chemgym.cz Elektrotechnika Studijní podpora 3. ročníku Aplikované chemie Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

2 Projekt OP VK CZ.1.07/1.1.07/ Podpora odborného vzdělávání na středních školách MSK Střední průmsylová škola akademika Hyerovského a Gymnázium,Ostrava Středoškolská Ostrava-Zábřeh tel.: skola@chemgym.cz Úvod Tato publikace byla vytvořena jako studijní podpora pro ţáky třetího ročníku Střední průmyslové školy chemické akademika Heyrovského a Gymnázia Ostrava. Publikace je zpravována podle školního vzdělávacího programu oboru Aplikovaná chemie. Publikace je tvořena tak, ţe obsahuje prostor pro dopisování poznámek, které jim učitel sdělí v hodinách a mohou tak získat ucelený obraz o předmětu. Ing. adim Vajda Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

3 Obsah 1. Úvod Obecná elektrotechnika Elektromagnetické pole Fyziologické účinky elektrického proudu na lidský organismus Elektrický obvod Ochrana elektrických zařízení Stupně ochrany před dotykem nebezpečných částí a před vniknutím cizích pevných těles udávané první číslicí: Stupně ochrany proti vniknutí vody udávané druhou číslicí: Stupně ochrany před dotykem nebezpečných částí udávané přídavným písmenem: Doplpková písmena: Elektrický oblouk Definice elektrického oblouku: Vlastnosti elektrického oblouku Elektrická zařízení a vliv prostředí Prostředí Využití Konstrukce budov Měření elektrických a neelektrických veličin Měřící přístroje Analogové přístroje Digitální přístroje Typy měřících přístrojů Ampérmetr Voltmetr Wattmetr Digitální multimetr Klešťové multimetry, měřiče výkonu a analyzátory harmonických Osciloskopy... 26

4 3.2.7 Virtuální měřící přístroje na bázi PC a A/D převodníků Cejchování Volba měřící metody a přístrojů ozdělení základní ozdělení podle způsobu určení měřené veličiny ozdělení podle funkce použitých měřících přístrojů Chyby při měření Vymezování chyb a jejich oprava ušivé vlivy při měření Chyby početních výsledků měření Pravidlo měřící techniky: Velikost chyby na velikosti výchylky analogových přístrojů Chyby číslicových přístrojů Měření odporů s lineární charakteristikou Ohmova metoda Srovnávací metoda Substituční metoda Ohmmetry Wheatsonův můstek Měření kapacity Měření kapacity voltmetrem a ampérmetrem Měření kapacity voltmetrem, ampérmetrem a wattmetrem Měření indukčnosti Měření indukčnosti voltmetrem a ampérmetrem Měření indukčnosti voltmetrem, ampérmetrem a wattmetrem Měření výkonů Měření stejnosměrného výkonu Měření jednofázového výkonu Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

5 4. Elektrické přístroje Jistící a ochranné přístroje Pojistka Jistič Proudový chránič Svodiče přepětí Spínací přístroje Kontaktní ústrojí elektrických spínacích přístrojů Požadavky na kontakty: Konstrukční zásady: Kontaktní materiály Cizí vrstvy Vypínač Odpojovač Uzempovač Stykače a relé Bezkontaktní a hybridní spínače Hybridní spínání Elektromagnety Odvození vztahu pro tahovou sílu Dynamika elektromagnetů Elektrické stroje Transformátor Popis: Princip Tvary elektrických strojů točivých Stejnosměrný stroj Vlastnosti Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

6 5.3.2 Konstrukce: Princip činnosti: Asynchronní stroj Vlastnosti asynchronních strojů Princip působení stroje Asynchronní stroj jako motor Asynchronní stroj jako generátor Asynchronní stroj jako brzda Synchronní stroj Alternátory Kompenzátor Motor KONSTUKCE VLASTNOSTI POVOZNÍ STAVY Elektronické prvky ezistor Vlastnosti rezistorů: Značky rezistorů: Kondenzátory Princip: Vlastnosti kondenzátorů: Druhy kondenzátorů: Řazení Cívky Značky cívek: Druhy cívek: Diody: Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

7 6.4.1 Diody pro síťové usměrpovače Diody vyzařující světlo LED Tyristor Tranzistory Bipolární tranzistory Unipolární tranzistory Usměrpovače Neřízený usměrpovač Řízený usměroovač Automatizace Důvody automatizace Vynucená automatizace Ekonomické důvody Jiné důvody Očekávání od automatizace Co si představovali investoři a uživatelé Co očekávali dodavatelé Skutečnost Automatizační prostředky ozdělení prostředků Snímače regulačních obvodů Snímače polohy Odporové snímače Indukčnostní snímače Indukční snímače Kapacitní snímače Optické snímače Ultrazvukové snímače Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

8 8.2. Měření teploty Odporové snímače teploty Odporové polovodičové snímače teploty Termoelektrické snímače teploty Termoelektrické snímače pro nízké teploty Termoelektrické snímače pro vyšší teploty Dilatační snímače teploty Principy senzorů a analyzátorů plynů Tepelněvodivostní senzory Senzory na principu katalytického spalování Polovodičové senzory oxidového typu Elektrochemické senzory Optické analyzátory Magnetické analyzátory Analyzátory s ionizačními detektory Způsoby měření průtoku tekutin Objemový průtok Hmotnostní průtok Proteklé množství Základní metody Měření rychlosti proudění tekutiny Měření objemového průtoku Měření hmotnostního průtoku Porovnání jednotlivých průtokoměrů egulátory základní typy regulátorů regulační obvody egulační obvod Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

9 9.2.2 Veličiny regulačního obvodu: Pohony Elektrické pohony Hydraulické pohony Pneumatické pohony Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

10 Obecná elektrotechnika 10 Obecná elektrotechnika Po prostudování kapitoly a absolvování hodin předmětu Elektrotechnika ţák: vysvětlí základní pojmy elektrotechniky, vypočítá základní parametry střídavých i stejnosměrných obvodů, posoudí vhodnost pouţití elektrického zařízení do prostředí, vysvětlí nebezpečí vlivu elektromagnetického pole na organismus, Zdroje pro kapitolu: Elektronická verze Sylabus Teorie elektromagnetického pole (VŠB-TU, 2000), normy ČSN Elektromagnetické pole Důleţitou vlastností elektromagnetického pole je skutečnost, ţe je toto pole všudypřítomné. Setkáváme se s ním v běţném ţivotě v řadě forem, ať jiţ jako se světelným nebo tepelným zářením, nebo s vlnami v oblasti radiotechniky. Většinou si uvědomujeme jen existenci polí, která lze zjistit buď přímo lidskými smysly, nebo zprostředkovaně pomocí běţně dostupného technického zařízení (například radiový přijímač). Elektromagnetické záření zaznamenatelné lidskými smysly má totiţ jen omezené spektrum. Je to konečně pro člověka velmi dobré, jinak by jeho nervy byly elektromagnetickým polem přetíţeny tak, jako např. hlukem ve městě. Elektromagnetické pole můţe na organismus, ale působit skrytě a tak vyvolávat jeho zdravotní problémy. Prostor kolem nás je stále naplněn elektromagnetickými vlnami uměle vysílanými nesčetnými vysílacími stanicemi na celém světě. Kromě toho jsme obklopeni elektromagnetickým šumem vyvolávaným jednak lidskou činností při vyuţívání elektřiny, jednak atmosférickými přírodními poruchami. Ţivotní prostor člověka je tedy naplněn elektromagnetickým polem z řady dílčích zářičů, jejichţ účinky nemusí být samostatně lidskému organismu nijak škodlivé, jejich sloţením však můţe dojít i k vlivu na tělesné, ale i psychické zdraví člověka. Dnes je zvykem toto nepříznivé sloţené pole nazývat termínem elektromagnetický smog.

11 Obecná elektrotechnika 11 Zamoření ţivotního prostředí elektromagnetickým smogem je přímo úměrné počtu pouţívaných elektrospotřebičů, včetně mobilních telefonů, vysílaček, zapalování aut atd. Zatíţení vlivy elektromagnetických polí se projevuje jak na lidském organismu, tak i na funkci elektronických přístrojů. ušení se k těmto přístrojům dostává buď elektromagnetickým vlněním z vnějšího prostoru, nebo po síti. Hovoříme o potřebě EMC (elektromagnetické kompatibility). Magnetická indukce (mt) na hlavu na trup Indukovaný proud (ma/m) ,5 25 0, Biologická odpověď možné extrasystoly a ventikulární fibrilace, značné zdravotní nebezpečí změny v dráždivosti centrál. nerv. systémy., možné zdravotní poškození výrazný terapeutický efekt, objevení se na magnetosfémů, příznivý vliv na nerv. systém, snadnější hojení ran a zlomenin 0,25 2,5 0,06 0, minimální biolog. Efekt 0,25 0,06 1 Žádný efekt

12 Obecná elektrotechnika 12 zdroj magnetického pole kmitočet(hz) magnetická indukce Průměr (mt) Maximum (mt) Magnetické pole Země 0 0, Běžná pracoviště a domácí prostředí 50 1, Průmyslové pracoviště výroba Al elektrolýza 0, svářecí soupravy 0, indukční ohřev Pulzní magnetoterapie Nukleární magnetická rezonance diagnostická - u operátora v okolí nemocného Elektroterapie Vysílací antény pro dlouhé vlny m od věže , u paty věže Elektromagnetické pole působí na ţivou hmotu třemi způsoby a tak uvádí do chodu spoušťový mechanizmus, který dále rozvíjí biologické reakce na všech úrovních.

13 Obecná elektrotechnika 13 Elektronové interakce Tento efekt je realizován na atomární a subatomární úrovni, včetně reakce magnetické pole na úrovni elektronů. Dochází k přenosu elektronů mezi jednotlivými molekulami a tento děj vede k urychlení nebo zpomalení některých chemických reakcí. V rámci těchto interakcí můţe docházet ke změně spinu elektronů, ale zřejmě jen v případě pouţití výrazně silných magnetických polí. Elektromechanický efekt Způsobuje změny orientace některých makromolekul, hlavně kyseliny ribonukleové adesoxyribonukleové, bipolárních molekul vody, změny aktivity některých enzymů a konečně dochází ke změnám propustnosti buněčných membrán. Magnetoelektrický efekt Je zaloţen na indukci vířivých proudů a elektrických potenciálů na mikroanatomických, ale i větších strukturách ţivého organizmu. Znamená to, ţe se bude v buňce při stálé magnetické indukci a kmitočtu indukovat tím větší elektrický potenciál, čím bude buňka větší, respektive delší (případ nervových a svalových buněk). Odhadovaná elektrická pole v iontových kanálech buněčné membrány se pohybují kolem 10 nv/m. Indukované elektrické potenciály vyvolávají změny šíření vzruchů v nervových vláknech, změnu intenzity látkové výměny buněk a změny v činnosti nervových buněk centrálního nervového systému. Závislost mezi magnetickou indukcí, indukovanými elektrickými proudy a odpovídající biologickou odezvou organizmu je uvedena v následující tabulce. Je v ní srovnání magnetické indukce, indukovaných proudů a biologické odpovědi pro střídavé a pulzní magnetické pole o kmitočtu 3 aţ 300Hz.

14 Obecná elektrotechnika 14 Fyziologické účinky elektrického proudu na lidský organismus Podobně jako na jiné druhy energií, vztahuje se i na elektřinu přísloví - dobrý sluha, ale zlý pán. Nás budou zajímat především vlivy průchodu elektrického proudu lidským organismem. Zde představuje elektřina specifický druh ohroţení, který člověk není schopen rozpoznat svými smysly. Elektrická zařízení, která jsou pod napětím, se aţ na výjimku (vn, vvn a zvn zařízení) jeví stejně jako zařízení vypnutá. Elektřina je nebezpečná pro toho, kdo nezná její účinky a kdo nepodřídí manipulaci s ní příslušným fyzikálním zákonům. Účinky elektrického proudu na organismus závisí především na intenzitě proudu procházejícího tělem, na čase působení, frekvenci, případně na tvaru vlny. Velikost proudu, který prochází tělem, závisí na velikosti napětí, na odporu, který kladou protékajícímu proudu zasaţené části těla a na přechodovém odporu místa vstupu a místa výstupu proudu. Celkový odpor těla značně závisí na způsobu dotyku, protoţe přechodový odpor místa vstupu a výstupu je podstatnou části celkového odporu. Ţivočišná těla jsou sloţena z mnoţství orgánů, které tvoří několik orgánových soustav. Mechanickou oporu jim dává kostra, v jejíţ stavbě jsou značným procentem zastoupeny minerální prvky, hlavně vápník, fosfor a v menším mnoţství hořčík, fluór, sodík, draslík a chlór. Na kostru se upíná příčně pruhované svalstvo, které obsahuje asi 73 % aţ 80 % vody a pouze 1 aţ 1,5 % neorganických látek. Soustava kostry, vazů a svalstva tvoří dohromady základní tvar těla. Ponechává jen několik větších dutin, v nichţ jsou umístěny útrobní orgány. Obecně platí pravidlo, ţe proud prochází těmi orgány lidského těla, které obsahují nejvíce vody nebo jsou nejvíce prokrveny; proud přitom postupuje hlavně podél svalů a krevních cest. Celkový odpor lidského těla, na které působí malé napětí, které pokoţku nepoškodí, můţe být značně velký (104 aţ 105 Ohm) a je přibliţně nepřímo úměrný ploše dotyku. Z četných měření uskutečněných v různých zemích vyplývá, ţe velké rozdíly souvisejí s teplotou pokoţky, plochou dotyku, vlhkostí pokoţky, tloušťkou pokoţky v místě dotyku, s napětím a druhem proudu a s dobou, po kterou proud prochází. Mimo to má na stav kůţe vliv momentální tělesný a psychický stav člověka. Všeobecně se odpor zmenšuje se zvyšujícím se napětím. Odpor lidského těla závisí značně na stavu vegetativní soustavy nervové; je velký ve spánku, menší při bdění. Zatímco odpor vnitřního těla (svaly, klouby, krevní cesty) je 500 aţ 1000 Ohm, odpor pokoţky v místě dotyku je velmi proměnlivý a závisí od stavu pokoţky a plochy dotyku. Tvrdá, hrubá a suchá pokoţka má mnohem větší odpor neţ měkká, tenká a vlhká.

15 Obecná elektrotechnika 15 S rostoucím napětím odpor těla klesá. Z křivek je zřejmé, ţe při napětí do 50 V v suchém prostředí a při lehkém dotyku je moţno počítat s odporem těla asi 5000 Ohm. Za nepříznivých okolností můţe klesnout odpor těla při tomto napětí zhruba na 2000 Ohm. Při napětí nad 50 V se začne vrstva pokoţky proráţet a při napětích vyšších neţ 200 V bývá uţ tak poškozená, ţe je třeba za nepříznivých okolností počítat s odporem asi 1000 Ohm. Příčinou smrti při úrazech elektřinou bývá nejčastěji: a) křečovité staţení srdečního svalu nebo svalů hrudníku (plic) spojené se ztrátou vědomí, při němţ nastává zadušení, b) fibrilace srdečních komor, kterou způsobuje jen střídavý proud průmyslové frekvence; místo pravidelného smršťování srdečního svalu nastane nepravidelné chvění s hmatatelným pulsem, které postupně slábne, aţ se úplně přeruší; někdy je moţná záchrana včasným poskytnutím vnější masáţe srdce se současným poskytováním umělého dýchání, defibrilaci a vnitřní masáţi srdce po chirurgickém zákroku; c) popáleniny vysokého stupně a ve velkém rozsahu, které mohou být při stejnosměrném proudu spojené s elektrolytickými účinky (rozkladem krve).

16 Obecná elektrotechnika 16 Hodnota elektrického proudu v ma do 1 Pocity a účinky počátek pocitu u většiny lidí při 0,5-0,6 ma 1 4 brnění rukou 4 5 chvění rukou 5 7 prsty lze téměř vždy rozevřít a vyprostit z kontaktu křeče rukou, vyproštění prstů z kontaktu je možné pouze násilím postižený, který uchopil pevně předmět pod napětím, nemůže jej obvykle uvolnit bez cizí pomoci křeče působící na celý organismus, zrychlení dechu, bez následků ochromení srdeční činnosti, někdy bezvědomí, záchrana možná těžké bezvědomí s vážnými následky, nebezpečí smrti nad 100 zpravidla smrt

17 Obecná elektrotechnika 17 Elektrický obvod Elektrický obvod se skládá z vodičů, uzlů a spotřebičů. Z hlediska fyzikálního se jedná o směs odporových, induktivních a kapacitních materiálů. Pro lepší představu máme obrázek. Toto rozloţení je nezávislé na průběhu připojeného napětí. Vzhledem k tomu, ţe kaţdá s přítomných veličin má jinou jednotku (odpor - Ohm, kapacita - Farad a indukčnost - Henry), musíme je převést na veličiny ohmické (reaktance). Kapacitní i induktivní reaktance jsou závislé na frekvenci: z toho vyplývá, ţe při přiloţení střídavého napětí budou mít reaktance určitou velikost. Jak je to, ale u stejnosměrného napájení? Frekvence stejnosměrného napájení se určí z matematického axiomu pro průběh stejnosměrného napětí. Z toho vyplývá, ţe frekvence je nulová. To má za důsledek, ţe kapacitní reaktance se chová jako nekonečně velký odpor a induktivní reaktance jako vodič. Jediný prvek, který si ponechal své vlastnosti je odpor. Ten jediný je totiţ činný prvek (koná práci). Indukčnost a kapacita jsou prvky, kterými reaguje prostředí na průchod proudu (jalové prvky), nekonají práci. eaktance i odpor jsou vektorové veličiny, proto se s nimi musí tak počítat.

18 Obecná elektrotechnika 18 Ochrana elektrických zařízení Předpisem, který v současnosti specifikuje stupně krytí el. zařízení je ČSN EN Stupně ochrany krytem, vydaná v listopadu 1993 a nahrazující v celém rozsahu dříve platné normy ČSN Krytí el. zařízení z 4/79 a ČSN Základní zkoušky krytí el. předmětů z 6/66. Nová norma zachovává způsob označování stupně krytí písmeny IP spolu se dvěma čísly a navíc zavádí další přídavná písmena A, B, C, D a doplňková písmena H, M, S, W, obojí jako nepovinná. Stupně ochrany před dotykem nebezpečných částí a před vniknutím cizích pevných těles udávané první číslicí: IP 0x - Nechráněno IP 1x - Zařízení je chráněno před vniknutím pevných cizích těles o průměru 50mm a větších a před dotykem hřbetem ruky. IP 2x - Zařízení je chráněno před vniknutím pevných cizích těles o průměru 12,5mm a větších a před dotykem prstem. IP 3x - Zařízení je chráněno před vniknutím pevných cizích těles o průměru 2,5mm a větších a před dotykem nástrojem. IP 4x - Zařízení je chráněno před vniknutím pevných cizích těles o průměru 1mm a větších a před dotykem drátem. IP 5x - Zařízení je chráněno před prachem a před dotykem drátem. IP 6x - Zařízení je prachotěsné a je chráněno před dotykem drátem.

19 Obecná elektrotechnika 19 Stupně ochrany proti vniknutí vody udávané druhou číslicí: IP x0 - Nechráněno. IP x1 - Svisle kapající. IP x2 - Kapající ve sklonu 15o. IP x3 - Kropení, déšť. IP x4 - Stříkající. IP x5 - Tryskající. IP x6 - Intenzivně tryskající. IP x7 - Dočasné ponoření. IP x8 - Trvalé ponoření. Stupně ochrany před dotykem nebezpečných částí udávané přídavným písmenem: A - Chráněno před dotykem hřbetem ruky - sonda dotyku je koule o průměru 50mm. B - Chráněno před dotykem prstem - článkový zkušební prst o průměru 12mm a délky 80mm. C - Chráněno před dotykem nástrojem - sonda dotyku o průměru 2,5mm a délky 100mm. D - Chráněno před dotykem drátem - sonda dotyku o průměru 1mma délky 100mm. Sonda dotyku musí mít ve všech případech přiměřenou vzdušnou vzdálenost od nebezpečných částí. Doplňková písmena: H - Zařízení vysokého napětí. M - Zkoušeny škodlivé účinky vniklé vody, jsou-li pohyblivé části zařízení v pohybu (např. rotor točivého stroje). S - Zkoušeny škodlivé účinky vniklé vody, jsou-li pohyblivé části zařízení v klidu (např. rotor točivého stroje). W - Vhodné pro pouţití za stanovených povětrnostních podmínek.

20 Obecná elektrotechnika 20 Elektrický oblouk Definice elektrického oblouku: Elektrický oblouk je výboj hořící v plynu, schopný samostatné existence, pokud jej nepřerušíme vhodným zásahem do jeho mechanizmu. Prakticky se jedná o změnu kapalného (plynného) prostředí na plazmatické skupenství, které umoţní vedení elektrického proudu napříč tímto prostředím. Tento proces se nazývá ionizace. Existují dva způsoby ionizace plynu: Tepelná ionizace vlivem zahřívání plynu dochází k zrychlenému pohybu částic v plynu způsobující nepruţné sráţky, a tím vznik elektronů. Tento princip se uplatňuje u vypínání pojistkou a všech kontaktních přístrojů. Nárazová ionizace vlivem velké energie se z osamocených volných nosičů náboje v izolantu vytvoří další volné částice, vzniká lavina a elektrický průraz. Tento princip se uplatňuje u bleskojistek a kontaktních přístrojů u zapínání (vn, vvn) Vlastnosti elektrického oblouku Elektrický oblouk se projevuje vysokou teplotou rostoucí s tlakem (10000 K). Malý úbytek mezi elektrodami. Vysoká proudová hustota především v oblasti katody (108 A/m) Intenzivní vyzařování energie v celém spektru (světelná, tepelná energie). Z těchto vlastností je patrné, ţe oblouk je neţádoucí prvek, napadající všechny materiály. U spínání elektrického obvodu doba hoření nesmí překročit únosnou míru (10- takovou rychlost, aby oblouk nehořel příliš dlouho, ale aby nedošlo k odskoku kontaktů. Při vypínání dochází vţdy k oblouku, proto musí být vypínače vybaveny zhášedly. Mezní doba hoření oblouku je 30 ms. Oblouk je čistě činný prvek s nelineárním odporem

21 Obecná elektrotechnika 21 Elektrická zařízení a vliv prostředí Na kaţdé elektrické zařízení působí jeho okolí a naopak. Toto působení je definováno v elektrotechnických předpisech (ČSN ) jako vnější vlivy. Je třeba, aby elektrické zařízení bylo vybráno a instalováno v souladu s poţadavky, které jsou dány vnějším prostředím. Vnější prostředí se třídí do stupňů. Kaţdý stupeň vnějšího vlivu je označen dvěma písmeny velké abecedy a číslicí. První písmeno označuje všeobecnou kategorii vnějšího vlivu: A = prostředí B = vyuţití C = konstrukce budovy Prostředí Zahrnuje vlastnosti okolí vytvořené jím samým nebo předměty, zařízeními apod. v prostoru umístěnými. Jedná se o tyto povahy vnějšího vlivu: teplota okolí, vlhkost, nadmořská výška, přítomnost vodní masy, výskyt cizích těles, výskyt korozívních nebo znečisťujících látek, mechanické namáhání, výskyt flóry či fauny, přítomnost elektromagnetických, elektrostatických a ionizujících působení, sluneční záření, seizmické účinky, četnost výskytu bouřek a pohyb vzduchu. Využití Znamená uplatnění objektů nebo jejich částí dané: vlastnostmi osob vycházejících z jejich duševních a pohybových schopností, stupně jejich elektrotechnických znalostí, elektrického odporu lidského těla, četností osob v prostoru a moţností jejich úniku, vlastnostmi zpracovávaných látek Konstrukce budov Je souhrn vlastností budovy vyplývající z povahy uţitého konstrukčního a dekorativního materiálu, provedení budovy a její fixace k okolí.

22 Měření elektrických a neelektrických veličin 22 Měření elektrických a neelektrických veličin Po prostudování kapitoly a absolvování hodin předmětu Elektrotechnika ţák: měří základní elektrické a neelektrické veličiny, vypracovávají protokoly a své výsledky prezentují, vysvětlí princip působení měřících přístrojů, zapojí elektrické obvody podle schémat, dodrţuje zásady při práci s elektrickým proudem, Měřící přístroje Z hlediska zobrazení naměřených hodnot můţeme přístroje rozdělit na: analogové (výstupním zařízením je elektromechanický měřící systém nebo obrazovka osciloskopu a naměřená hodnota je zobrazována spojitě), digitální (naměřená hodnota je zobrazována číslicově na digitálním displeji. V poslední době je dávána přednost digitálnímu zobrazení, analogové měřící ukazovatele jsou pouţívány pouze u speciálních měřících přístrojů. Analogové přístroje U měření s analogovým měřícím přístrojem se setkáme s konstantou měřícího přístroje. Je tomu proto, ţe přístroj umoţní měřit s více rozsahy, ale má zpravidla jen jednu stupnici, která je rozdělena na určitý počet dílků. Konstanta měřícího přístroje tedy je: číslo, kterým je potřeba násobit údaj přístroje v dílcích, abychom dostali hodnotu měřené veličiny, počet fyzikálních jednotek na jeden dílek stupnice, matematicky M k, kde M je největší hodnota měřícího rozsahu a M počet dílků stupnice, M převrácená hodnota konstanty je citlivost přístroje c 1, k Před měřením s analogovým přístrojem vždy dbáme na to, aby ručička byla vždy na nule!

23 Měření elektrických a neelektrických veličin 23 Princip činnosti: Analogové přístroje pouţíváme nejčastěji s magnetoelektrickým ústrojím. Takovýto přístroj má v pravém dolním rohu značku: Princip činnosti tohoto ústrojí spočívá v silovém působení permanentního magnetu na cívku protékanou proudem. Vztah pro pohybový moment je M p =k p.i. Z tohoto vztahu vyplývají statické a dynamické vlastnosti magnetoelektrického ústrojí: pohybový moment je lineárně závislý na velikosti stejnosměrného proudu procházejícího otočnou cívkou, stupnice měřícího přístroje je lineární, měřící přístroj rozlišuje polaritu měřené veličiny, na proměnné, případně střídavé periodické průběhy reaguje ukazatel podle rychlosti změny, příp. frekvence měřeného proudu U periodických průběhů bez stejnosměrné sloţky s frekvencí překračujícím vlastní frekvenci ústrojí naměříme: U nam měřit střídavé průběhy. T 1 T U t dt m sin. 0 a z toho vyplývá, ţe magnetoelektrické ústrojí nemůţe 0 Protoţe však magnetoelektrické měřící přístroje jsou výrobně jednoduché, mají malou spotřebu, nejsou citlivé na přetíţení a lze je zhotovit v nejvyšší třídě přesnosti, doplňují se převodníky pro měření střídavé hodnoty. Tím bývá nejčastěji měřící usměrňovač nebo termoelektrický převodník.

24 Měření elektrických a neelektrických veličin 24 Magnetoelektrický přístroj s usměrňovačem Magnetoelektrický přístroj s usměrňovačem měří vţdy střední aritmetickou hodnotu, ukazuje efektivní hodnotu u sinusového průběhu, u nesinusového průběhu musíme hodnotu podělit činitelem. Tento přístroj je v pravém dolním rohu přístroje označen značkou: Bývá ve třech provedeních: S diodou S můstkovým usměrňovačem Jako zpětnovazební měřící usměrňovač s operačním zesilovačem. Magnetoelektrický přístroj s termoelektrickým převodníkem V pravém dolním rohu stupnice je označen značkou : Měří vţdy efektivní hodnotu a měří správně i signály se stejnosměrnou sloţkou, např. pro stejnosměrný průběh se stejnosměrnou sloţkou naměří hodnotu, která zahrnuje efektivní hodnotu stejnosměrné i střídavé sloţky průběhu. Přístroj se vyuţívá k měření střídavého napětí. Maximální dosaţitelná třída přesnosti je 1,5. Má velmi malou přetíţitelnost a značnou setrvačnost. Digitální přístroje Digitální multimetry měří základní elektrické veličiny (napětí, proud a rezistanci). Jejich hlavní výhodou je jednoznačný výsledek měření, moţnost spolupracovat s měřícím řetězcem, přesnost měření, měření kmitočtu, měření kapacit kondenzátorů a indukčností, testování tranzistorů a diod atd. Číslicový přístroj s usměrňovačem Má vţdy přepínač rozsahu DC/AC, je cejchován v efektivní hodnotě sinusového průběhu a při měření neharmonického průběhu je jeho údaj úměrný střední aritmetické hodnotě měřeného signálu. Číslicový přístroj s počítačovým převodníkem Měří vţdy efektivní hodnotu bez ohledu na tvar průběhu a je označován písmeny MS nebo TMS (oot mean square; True root mean square).

25 Měření elektrických a neelektrických veličin 25 Číslicový měřící přístroj s pamětí. Ty pracují tak, ţe vstupní signál ve vzorkovacím obvodě navzorkují (v určitých časových okamţicích odečtou okamţitou hodnotu), v rychlém A/D převodníku převedou na číslo, a to uloţí do paměti. Matematicky lze pak takto uloţený signál zpracovávat - zjistit střední, maximální, efektivní hodnotu atd. Pokud je vzorkovací frekvence dostatečná (musí být splněna Shanon-Kotelnikova podmínka), pak jsou tyto hodnoty správné bez ohledu na tvar signálu. Typy měřících přístrojů Ampérmetr Slouţí k měření proudu v elektrickém obvodu. Vţdy se zapojuje do série s měřeným objektem a to před něj. Voltmetr Slouţí k měření napětí v elektrickém obvodu. Vţdy se zapojuje paralelně k měřenému objektu a to buď před objekt nebo aţ za něj. Wattmetr Je analogový přístroj určený k měření výkonu. Má napěťovou a proudovou cívku a je nutné dodrţet při zapojení začátek cívky. Tyto začátky jsou označeny šipkou na přístroji a tečkami na schématické značce. Konstanta wattmetru s příslušenstvím v nejobecnějším případě: k W M U M I cos M n p I p U p I je převod měřícího transformátoru proudu pro proudovou cívku wattmetru p U je převod napěťového měřícího transformátoru pro napěťovou cívku wattmetru cos n jmenovitý účiník wattmetru.

26 Měření elektrických a neelektrických veličin 26 Digitální multimetr U něj je důleţité definovat typ měřené veličiny, druh energie stejnosměrná DC nebo střídavá AC. Pak jen stačí odečítat příslušné hodnoty. Klešťové multimetry, měřiče výkonu a analyzátory harmonických Klešťové multimetry se pouţívají k měření větších stejnosměrných a střídavých proudů (kolem stovek ampérů). Je to dáno především průřezem přípojnic, ke kterým jiţ normální digitální multimetr nepřipojíme. Kromě měření proudu mohou měřit napětí, rezistanci, kmitočet, činný, jalový, zdánlivý výkon a účiník. Vybrané typy (Chauvin Arnoux) také analyzují harmonické sloţky (do 25. harmonické). Přístroje mají analogový výstup na zapisovač, popř. sériovou sběrnici S-232. Osciloskopy Osciloskopy můţeme rozdělit na analogové, digitální a dosvitové. Analogové U nich je průběh zobrazován na stínítku obrazovky s elektrostatickým vychylováním. Těmito osciloskopy nelze pozorovat signály před příchodem spouštěcího impulsu a je moţné jen velmi omezeně sledovat pomalé děje a jednorázové průběhy. Jsou tedy určeny především k základnímu měření, která nevyţadují další matematická zpracování. Digitální Mají velmi vysokou vzorkovací frekvenci, coţ umoţňuje zaznamenat jednorázové děje v celé šířce kmitočtového pásma reálného reţimu. Mají moţnost sledovat signály před příchodem spouštěcího impulsu, komunikují na sběrnicích S 232 a GPIB. Zaznamenané průběhy lze přímo tisknout (port Centronix), popř. lze signál uchovat na disketě. Dosvitové (DPO - Digital Phosphor Osciloscopes) jsou revoluční řešení v architektuře digitálních osciloskopů. Naměřené hodnoty jsou získávány aţ tisíckrát rychleji neţ u digitálního osciloskopu. Umoţňuje provádět rychlou Fourierovu transformaci. Mají kapacitu paměti aţ 8 MB. Mají barevnou obrazovku a barvu průběhů dané veličiny si definuje uţivatel. Komunikují přes sběrnice S 232, GPIB a Centronix.

27 Měření elektrických a neelektrických veličin 27 Virtuální měřící přístroje na bázi PC a A/D převodníků Vývoj měřící techniky sleduje trend vyznačující se zvyšující se flexibilitou. Propojení výše uvedených přístrojů s počítačem, ať uţ přes sběrnici S 232 nebo GPIB nám jednoduchým způsobem umoţní dostávat více údajů neţ nám nabízí samotný přístroj nadefinovaný výrobcem. Např. připojením digitálního osciloskopu k počítači můţeme vytvořit frekvenční analyzátor, který jako samostatný přístroj je o řád draţší (osciloskop pouze sejme měřený signál a pošle jej přes sběrnici do počítače, kde je lze podrobit frekvenční analýze pomocí příslušného programu). Mezi takovéto programy patří například vývojové prostředí LabWindows. To nám umoţňuje vytvářet aplikační programy pro měření, automatické testování, vizualizaci technologických procesů atd. Cejchování Pro zjišťování chyb měřících přístrojů méně přesných postupujeme zpravidla tak, ţe údaje zkoušeného přístroje srovnáme s údaji etalonového přístroje (alespoň o dvě třídy přesnosti lepší, neţ kontrolovaný). Volba měřící metody a přístrojů ozdělení základní Měřící metody absolutní, Vycházejí z definice měřené veličiny a určují se výpočtem z její definiční rovnice na základě měření veličin, vyskytující se v definiční rovnici. Měřící metody porovnávací Porovnává se hodnota měřené veličiny se známou hodnotou veličiny téhoţ druhu nebo veličiny jiného druhu, jeţ je známou funkcí měřené veličiny. ozdělení podle způsobu určení měřené veličiny Metody přímé Měření proudu ampérmetrem Metody nepřímé Měřenou veličinu počítáme - hodnotu odporu měříme voltmetrem a ampérmetrem.

28 Měření elektrických a neelektrických veličin 28 ozdělení podle funkce použitých měřících přístrojů Výchylkové měřící metody Měřené veličiny určí z výchylek měřících přístrojů. Měření je rychlé, ale ne velmi přesné Nulové měřící metody Hlavní měřící přístroj slouţí jako indikátor nulové výchylky, kterou se snaţíme seřídit. Měření je zdlouhavé, ale lze dosáhnout velké přesnosti. Chyby při měření Vymezování chyb a jejich oprava Vyloučíme-li některé chyby soustavné, pak chyby nahodilé eliminujeme n-krát opakovaným měřením. Přesnější hodnotu měřené veličiny N dostaneme jako aritmetický střed z těchto n měření. N n i 1 n N i Čím větší je počet měření, tím přesnější je hodnota N. U přesných měření připojujeme k výsledku N i celkovou chybu měření c (obvykle krajní, tj. největší moţnou). Provedeme opravu na chybu metody: c p n Kde p je největší moţná absolutní chyba přístroje a n je krajní nahodilá chyba. p X TP 100 a n 3 n i 1 N n n N 1 i 2 X je měřená veličina, TP třída přesnosti přístroje. Výsledek přesného měření píšeme takto: U = N c. Nebo ji můţeme vyjádřit také v procentech hodnoty N a výsledek měření je moţné psát ve tvaru: U = N c. Tento způsob bývá názornější.

29 Měření elektrických a neelektrických veličin 29 ušivé vlivy při měření Mezi veličiny, které mohou ovlivnit údaj měřícího přístroje patří zejména: Mechanické vlivy nejkritičtější bývá tření, otřesy a vyváţenost přístroje Teplota teplotní změny mění odpor cívek, předřadníku, bočníku, mg.moment a mg. indukci. Vnější elektromagnetické pole proti těmto vlivům chráníme měřící přístroj dobře vodivým krytem. Frekvence změna frekvence způsobí chybu jen u těch přístrojů, jejichţ pohybový moment závisí na frekvenci. Podle velikosti jalové sloţky můţe být přístroj kmitočtově závislý, coţ je způsobeno bočníkem nebo předřadníkem Chyby početních výsledků měření U nepřímých měření počítáme hledanou veličinu Y z několika změřených veličin X. Y=f(X1;X2;X3;..Xn).Předpokládejme, ţe jsme změřili veličiny Xi a známe jejich celkové chyby měření. Odstraníme-li chybu metody a jsou-li nahodilé chyby zanedbatelné, pak platí i pi, z toho vyplývá Xi=Ni pi. Výsledná absolutní chyba je součet všech měřených chyb. Y X 1 X 2 X n y 1 2 n Pravidlo měřící techniky: Metody, u kterých počítáme výslednou veličinu z rozdílu dvou sobě blízkých změřených hodnot, jsou značně nepřesné. Vyhýbáme se jim, pokud je to moţné, nebo se alespoň snaţíme naměřené hodnoty změřit s touto chybou Jestliţe hledanou veličinu počítáme z výrazu, kde jsou jen součiny a podíly, pak procentní chyba výsledku je v nejpříznivějším případě součtem procentních chyb změřených veličin. Y X 1X X 3 2 y 1 2 3

30 Měření elektrických a neelektrických veličin 30 Vyskytne-li se ve výraze pro Y, sloţeném pouze ze součinů a podílů výraz X n, pak její procentní chybu bereme n-krát. To platí i pro odmocniny. Neboť mocniny lze chápat jako naznačené násobení. Y X 3 1 X 2 2 X 3 y Velikost chyby na velikosti výchylky analogových přístrojů Chyba je tím menší, čím větší je výchylka měřícího přístroje. To znamená, ţe abychom dosáhli co největší přesnosti, budeme vţdy nastavovat rozsah měřícího přístroje, tak abychom odečítali hodnoty v druhé půlce stupnice. Chyby číslicových přístrojů Označení 1MH 2MHM % nebo rdg 1digit 1, kde MH je chyba z měřené hodnoty MHM je chyba z maximální hodnoty rozsahu 1 digit odpovídá velikosti 0,001 V. 2 X 1.100, kde X je měřící rozsah elativní chyba údaje je pak u X 1 2, kde X M je měřená hodnota. X M

31 Měření elektrických a neelektrických veličin 31 Měření odporů s lineární charakteristikou Abychom vhodně zvolili metodu, musíme si odpory rozdělit na: Malé 1 1 Střední 1 1 M Velké nad 1 M Ohmova metoda Vychází z Ohmova zákona X U I X X, kde x je hledaný odpor U x je úbytek napětí na měřeném odporu I x je proud procházející měřeným odporem. Budeme-li vycházet jen z Ohmova zákona, pak bude lhostejné kam umístíme ampérmetr, zda-li před nebo za voltmetr, ale výsledek bude zatíţen poměrně značnou chybou metody. Té se vyhneme, jestliţe správně zvolíme následující metodu a to podle velikosti měřeného odporu. Voltmetr před ampérmetrem Tento způsob vyuţijeme při stavu, kdyţ x 10 3 A, coţ přibliţně odpovídá stavu, kde x V, pak dosáhneme přesnosti lepší neţ 0,1%. x x U I U I V x V x U V I x U A U I V x A Absolutní chyba metody m x x A m A Poměrná chyba m % Voltmetr za ampérmetrem x x

32 Měření elektrických a neelektrických veličin 32 x V x V V V x V V x A V x U I U I I I U I U ; ; x V V x x V x V x z toho vyplývá, ţe x x. Skutečný odpor x V V x x Absolutní chyba metody V x x x x V x V x x m 2 Poměrná chyba % V x x x m m Pouţijeme-li k měření přístrojů s TP 0,2 a vhodně zvolíme měřící rozsahy, pak můţeme měřit s přesností 0,5 %.

33 Měření elektrických a neelektrických veličin 33 Srovnávací metoda Srovnáváme měřený odpor s referenčním. Sériové zapojení Ideální stav: vx = VN x N U U Vx VN x x Vx VN ( N x VN Vx ) U U Vx VN xvx I x I N N Vx VN VN z čehoţ vyplývá, ţe Absolutní chyba metody m x x m Poměrná chyba m.100 % Paralelní zapojení x x N I I N x x N I I AN Ax N x N Ax AN Absolutní chyba metody m x x Poměrná chyba m m x.100 % Substituční metoda Je zvláštním případem srovnávací metody.

34 Měření elektrických a neelektrických veličin 34 Chyba metody je nulová, celková chyba je určená pouze přesností odporové dekády, přesností odečtení výchylek a přesností přístroje.

35 Měření elektrických a neelektrických veličin 35 Ohmmetry Třída přesnosti je kolem jedné aţ dvou a půl. Je to velmi rychlé měření, avšak s menší přesností. Wheatsonův můstek Hledáme rovnováhu můstku, která nastane při Měření kapacity Měření kapacity voltmetrem a ampérmetrem Vzájemnou polohu ampérmetru a voltmetru volíme podle reaktance kondenzátoru, a ta je velká (viz. měření odporů). C x I U Měření kapacity voltmetrem, ampérmetrem a wattmetrem Měření pomocí ztrátového činitele. tg S 2 P P 2 C x I c U U I 2 1 tg

36 Měření elektrických a neelektrických veličin 36 Měření indukčnosti Měření indukčnosti voltmetrem a ampérmetrem Postupujeme stejně jako při měření odporů voltmetrem a ampérmetrem. L x 1 U I x x 2 2 x Musíme znát odpor cívky, který změříme ohmmetrem při stejnosměrném napájení. Nevýhodou je, ţe nezjistíme vliv skinefektu při vysoko frekvenčním napájení. Tato metoda je vhodná pouze pro vzduchové cívky při nízké frekvenci napájení. Měření indukčnosti voltmetrem, ampérmetrem a wattmetrem

37 Měření elektrických a neelektrických veličin 37 Měření výkonů Měření stejnosměrného výkonu Postupujeme stejně jako u měření rezistorů Ohmovou metodou Měření jednofázového výkonu

38 Elektrické přístroje Elektrické přístroje Po prostudování kapitoly a absolvování hodin předmětu Elektrotechnika ţák: rozliší jednotlivé elektrické přístroje, popíše funkční principy jednotlivých přístrojů, vyjmenuje jednotlivé části elektrických přístrojů, Zdroje pro kapitolu: Jistící a ochranné přístroje (InEl), prospekty OEZ Letohrad a ABB, Jistící a ochranné přístroje Pojistka Pojistka je přístroj určený k jednorázovému jištění elektrických zařízení před účinky nadproudů. Její základní vlastností je, ţe omezuje zkratový proud, tzn. ţe ho přeruší dříve neţ dosáhne své vrcholové hodnoty. V oblasti malých nadproudů nelze pojistku pouţít, protoţe z důvodu výrobních nepřesností není v této oblasti vhodným jistícím prvkem. Je vhodné ji kombinovat s jističem. Podstata působení pojistky: Tavný vodič pojistky představuje nejslabší místo v elektrického obvodu => vznikají v něm nejrychleji tepelné ztráty.

39 Elektrické přístroje 39 Základní parametry pojistek: jmenovité napětí (uvedeno patroně) jmenovitý proud (pojistka ho musí trvale snést, aniţ by oteplení přesáhlo přípustnou mez) krajní proud zkratový výkon předpokládaný výkon v obvodu při zkratu. U závitových pojistek se vyjadřuje proudem v ka (25 40 ka), u noţových stovky ka, u vn se vyjadřuje v MVA (součin jmenovitého napětí a předvídaného proudu), ( MVA), speciální pojistky u MTN aţ tisíce MVA, případně se udává jako Zhášení oblouku v zrnitém hasivu Vlivem nadproudu dojde k přetavení vodiče a zapálení oblouku. Veškerý kov se promění v páry a objemovou expanzí tyto páry vnikají rychle do prostoru mezi jednotlivými zrnky hasiva a kondenzují na jejich povrchu. ozptýlený kov přestane tvořit proudovodnou dráhu a oblouk hoří pouze v malém prostoru, který předtím zaujímal tavný vodič.

40 Elektrické přístroje 40 Jistič Je to samočinný vypínač, který slouţí k ochraně elektrických obvodů před zkratem, nadproudem a podpětím. Hlavní části jističe Proudovodná dráha Začíná a končí na svorkách a je tvořena spojovacími částmi, kontakty, někdy vyfukovací cívkou, nadproudovou a zkratovou spouští. Spoušť Je součástka (malý elektromagnet, bimetal), který mechanicky zatlačí na volnoběţku a jistič vypne. Volnoběţka Je pákový mechanismus, který udrţuje stlačenou vypínací pruţinu a umoţní její mţikové vypnutí malou spouštěcí silou od spouště. Elektromagnetická zkratová spoušť Je malý elektromagnet, jehoţ kotva v odpadlém stavu dává velkou vzduchovou mezeru a k jejímu přitaţení dojede do 0,2s při zkratovém proudu (7 x I n ). Na menší proudy nereaguje jsou vybaveny tepelnou spouští Kataraktová spoušť Je to elektromagnet, který reaguje s časovou závislostí na nadproudy a bez časové závislosti na zkraty. Jádro tvoří mosazný váleček vystupující na jedné straně cívky. V mosazném válečku je ţelezné jádro vytlačované pruţinou a olejová náplň. Při nadproudu se jádro vtahuje do cívky, klesá vzduchová mezera a po vtaţení se kotva přitáhne (nadproudová ochrana). Při zkratu se kotva přitáhne při plné vzduchové mezeře.

41 Elektrické přístroje 41 Podpěťová spoušť Je to elektromagnet připojený na napětí, jehoţ kotvička odpadne, poklesne-li napětí pod 65 % U n. Tepelná spoušť Tato spoušť se pouţívá v oblasti přetíţení spotřebiče. Spoušť má moţnost nastavení 15 % jmenovité hodnoty. Jmenovitý proud jističe je dán jmenovitým proudem tepelné spouště. Tepelná spoušť tvořená nepřímo vytápěným bimetalem se při průchodu nadproudu vyhřeje, prohne a uvolní volnoběţku a jistič vypne. Vypínací charakteristika tepelné spouště je časově závislá, protoţe závisí na velikosti vypínaného proudu, velikosti ztrát, které určují oteplení vodiče Charakteristiky: Studená pro stav, kdy proud neprocházel vodičem Horká pro stav, kdy vodičem jiţ prochází proud. Nevýhody tepelné spouště z bimetalu: Velká tepelná setrvačnost zapneme-li jistič opětovně, hned po výpadku, pak vypne, protoţe pásek tlačí na zámek do doby, neţ se ochladí. Malá mechanická pevnost není dána pevností vlastního materiálu dvojkovu, ale je dána pevností galvanické ho spojení těchto dvou materiálů.bývá okolo 30 MPa (10% pevnosti Fe)

42 Elektrické přístroje 42 Dnes se zkouší místo dvojkovů poţití kovů s tvarovou pamětí. Je to speciální slitina, která za teplot (-50 aţ +600 C) podle chemického sloţení mění v určitém rozsahu teplot svou krystalickou strukturu. Odlije se slitina (na bázi Ni, Ti) v poměru 1:1, která se následně leguje. Podle legur docílíme pracovní teploty, kterou potřebujeme.můţeme pak vyrobit pásek, u kterého definujeme tzv. originální tvar to je tvar, do kterého se pásek dostane v okamţiku zahřátí na pracovní teplotu. V tomto originálním tvaru se materiál zpracuje, pak se nechá schladit a nyní se mechanicky narovná. Po zahřátí se vrátí opět do originálního tvaru. Jestliţe se tento cyklus několikrát zopakuje, pak se naučí ohýbat sám. Výhody: rozsah teplot (-50 aţ +600 C) mechanická pevnost 800 MPa Nevýhody: vysoká cena

43 Elektrické přístroje 43 Proudový chránič Proudové chrániče jsou moderní ochranné prvky, které zaručují vysokou citlivost ochrany před úrazem elektrickým proudem a chrání majetek před vlivem poţáru od elektrické instalace. Princip proudového chrániče Proudový chránič se skládá ze součtového transformátoru proudu, velmi citlivého vybavovacího relé a spínacího mechanismu. Proudovým transformátorem procházejí všechny pracovní vodiče, které jsou potřebné pro funkci spotřebiče. Jestliţe vznikne porucha za chráničem, vznikne i rozdíl mezi porovnávanými pracovními proudy, protoţe část proudu uniká do země. Tento rozdíl proudů indukuje v sekundárním obvodě transformátoru napětí, které pomocí vybavovacího relé uvede v činnost spínací mechanismus a porucha je rychle odpojena. Vznikne-li ovšem nadproud v pracovních vodičích a ne proti zemi, proudový chránič to nevyhodnotí jako poruchu, protoţe součet proudů v součtovém transformátoru je roven nule. Z toho vyplývá, ţe proudový chránič nejistí před nadproudy (přetíţení, zkrat).

44 Elektrické přístroje 44 Svodiče přepětí Svodič přepětí je elektrický přístroj chránící zařízení před přepětími. Přepětí jsou : Atmosférická (vzniká z atmosférických výbojů nejčastěji na venkovním vedení) Provozní (vzniká ze spínacích pochodů) Oba tyto druhy přepětí ohroţují izolační systémy zařízení. Přepětí od atmosférických poruch se svádí k zemi - bleskojistkami, přepětí od spínacích pochodů - pojistkami proti přepětí. Vyvoláváme umělý zkrat a přepěťovou vlnu svádíme do země. Existují tyto základní typy přepěťových ochran: 1. koordinační jiskřiště 2. svodiče přepětí pracující s obloukem (se zhášedly) 3. ventilová bleskojistka Koordinační jiskřiště Tvoří součást vysokonapěťových přístrojů (např.odpojovač). Chrání povrchovou cestu pevných izolantů. Tvoří jej kovové hroty umístěné proti sobě jeden na armatuře izolátoru (část pod napětím) a druhý na základním rámu (země). Jeho vlastnosti nelze citlivě měnit, představuje spíše podruţnou ochranu. Její význam spočívá v tom, ţe průrazná dráha vzduchu se posune od povrchu izolátoru, takţe se zabrání zničení izolátoru tepelným účinkem oblouku vzniklého po přeskoku. Nejčastěji je v provedení hrot - hrot.

45 Elektrické přístroje 45 Torokova trubice (vyfukovací bleskojistka) Má dvě sériově zapojená jiskřiště. Jedno (vnější) má funkci odpojovače, druhé (vnitřní) umístěné v trubce z plynotvorného materiálu zajišťuje zhášení elektrického oblouku. Jedná se o zhášedlo s vlastní zhášecí energií vyuţívající pevné hasivo. Značné mnoţství plynů vzniklé rozkladem materiálu trubky tepelným účinkem oblouku, ochlazuje při výtoku dutou elektrodou oblouk a v nule proudu, po oslabení ionizačních pochodů, zabrání opětovnému zapálení oblouku. Vnější jiskřiště je tam proto, protoţe elektrická pevnost vnitřního povrchu je zmenšena zuhelnatěním plynotvorného materiálu účinkem oblouku. Při trvalém připojení napětí by z tohoto důvodu mohly nastávat přeskoky. Vnější povrch trubky se opatřuje vrstvou s velkým odporem, která upravuje el. pole vnitřního jiskřiště. Při normálním provozu sítě způsobuje, ţe dolní elektroda vnějšího jiskřiště má potenciál země. Vznikne-li přepětí, nastane proto přeskok nejdříve na vnějším jiskřišti. Nyní začne odporovou vrstvou procházet proud, postačující k vytvoření takového úbytku napětí, který potom vyvolá přeskok na vnitřním jiskřišti. Po uhasnutí oblouku mezi elektrodami vnitřního jiskřiště omezí odporová vrstva proud výboje na vnějším jiskřišti natolik, ţe výboj zanikne bez jakýchkoliv dalších zásahů. Nevýhodou je jednoznačně definovaná vypínací schopnost (malý proud oblouk nevytvoří dostatečné mnoţství plynu, takţe oblouk nemůţe být uhašen; velký proud vznikne tolik plynu, ţe jeho nadměrný tlak způsobí rozrušení trubky. Dnes uţ se nepouţívají, je to historie).

46 Elektrické přístroje 46 Ventilová bleskojistka Principiálně se jedná o sériovou kombinaci jiskřiště a nelineárního prvku. Hodnota zápalného napětí se dá částečně řídit : odporem tvarem jiskřiště Jiskřiště ventilových svodičů přepětí je tvořeno soustavou dílčích jiskřišť řazených sériově. Touto úpravou se současně řeší dva poţadavky. Prvním je vznik průrazu s co nejmenším zpoţděním, aby vlna přepětí nepronikla příliš daleko za svodič přepětí. Druhým je vytvoření podmínek k intenzivnímu zhášení oblouku vytvořeného následným proudem, který je splněn tím, ţe kaţdé jiskřiště představuje jedno zhášedlo. Tato úprava jiskřiště umoţňuje vytvářet stavebnicovou konstrukci. Jedno jiskřiště a jeden rezistorový kotouč tvoří jednotku pro určité napětí. Skládáním jednotek lze vytvořit svodič přepětí pro libovolné napětí.

47 Elektrické přístroje 47 Spínací přístroje Kontaktní ústrojí elektrických spínacích přístrojů Kontakt je ta část proudovodné dráhy, kde se mechanicky stýkají vodiče vlivem vnější přítlačné síly, a ve kterém dochází vlivem vytvoření proudových úţin ke změně proudové hustoty. Zajišťuje přechod ze zapnutého do vypnutého stavu a naopak. Kontakt má dvě základní polohy: stav vypnuto: je charakterizován izolační vzdáleností, která je dána normou. Celkový průřez v tomto okamţiku je nulový. stav zapnuto: je charakterizován schopností kontaktů přenášet elektrický proud a určuje tvar a základní vlastnosti kontaktu: spolehlivost, ţivotnost; bezpečnost funkce celého přístroje. Kontaktní styk nevznikne na celé kontaktní ploše, ale právě jen v určitých místech, kde se nacházejí proudové úţiny. To je způsobené tím, ţe ţádný povrch není dokonalý a jsou na něm nerovnosti způsobené technologií výroby, ale hlavně působením elektrického oblouku. Při určování stykového odporu musíme rozeznávat čistě kovový odpor mezi kontakty a dodatečný odpor cizích vrstev na povrchu kontaktů, které bývají chemického nebo mechanického původu. Kovové plochy, které na sebe dosednou, na sebe působí v závislosti na přítlačné síle napřed pruţně a potom plasticky. a) kovový stisk pod mezí pruţnosti vratná změna A) čistý kovový styk

48 Elektrické přístroje 48 Požadavky na kontakty: Co největší elektrická a tepelná vodivost Odolnost proti korozi Výborné mechanické vlastnosti Odolnost vůči účinkům elektrického oblouku (minimální úbytek napětí, špatná svařitelnost) Konstrukční zásady: Pokud moţno oddělené mechanické a elektrické funkce kontaktu. Kontaktní dílec je vyroben jako tuhý a kontaktní tlak je vyvozován samostatnou pruţinou. Pokud moţno měkká charakteristika kontaktní pruţiny. Při malé změně síly potřebujeme velký zdvih. Paralelní řazení kontaktů. Sníţí se proud jedním kontaktem můţe být menší kontaktní přítlak (menší pruţina). Dynamická síla působící na kontakt klesá s druhou mocninou počtu paralelních kontaktů Určitost místa styku. Umoţňuje určení elektrodynamických sil a oteplení moţnost upravení technologie materiálu. Oddělení místa paty oblouku od místa klidového styku. Zvyšuje se tím ţivotnost, protoţe se eliminuje vliv elektrického oblouku na materiál kontaktu. Kontaktní materiály 1) yzí kovy 2) Slitiny špatná elektrická vodivost 3) Slinutiny jsou křehké 4) Pseudoslitiny velmi výhodné kontaktní vlastnosti (Cu+W, Ag+W, Cu+Cr, Ag+Cr) Ušlechtilé kovy Au, Pt nereagují s prostředím. Potahují se kysličníky aţ při vysokých teplotách ( C). Pouţití v lékařství, kosmický výzkumu. Nevýhodou je jejich cena.

49 Elektrické přístroje 49 Poloušlechtilé kovy Stříbro povlak je měkký a relativně nestálý, zaniká při 200 C. malá tvrdost a malá odolnost proti elektrickému oblouku nejlepší elektrická vodivost (i jeho kysličníky jsou dobře vodivé) Nikl, Wolfram pouţívají se do slitin Wolfram je pro svou velkou tvrdost a vysokou teplotu tavení materiálem pouţívaným na opalovací kontakty. Neušlechtilé kovy Měď Má při čistém povrchu dobré kontaktní vlastnosti, ale snadno se pokrývá kysličníkem a pak můţe způsobit nadměrné oteplení. Pouţíváme ji všude tam, kde je dostatečný tlak k rozrušení cizích vrstev, a na kontakty ponořené do oleje. Pro zlepšení vlastností se Cu a Ag legují přísadami: Stříbro-nikl: 30% Ni, dobrá odolnost proti opotřebení el. obloukem, má dobrou tepelnou a elektrickou vodivost a tvrdost. Vyrábí se práškovou metalurgií. Stříbro-uhlík: přítomnost uhlíku sniţuje moţnost svaření kontaktů. Pouţívá se stříbro s 5% C. Odolnost proti opotřebení je nízké. Vyrábí se práškovou metalurgií. Stříbro-wolfram: má vysokou odolnost proti el. opotřebení, vysoký bod tavení a tvrdost, má horší el. a tep. vodivost a sklon ke korozi. Pouţívá se na opalovací kontakty. Vyrábí se práškovou metalurgií. Na opalovací kontakty pod olejem se pouţívá wolfram měď. Cizí vrstvy mechanického původu - uhlík, mastnoty (tuky)- měkčí chemického původu oxidy

50 Elektrické přístroje 50 Vypínač Je rychlý, výkonový spínací prvek se svým pohonem a je schopný vypnout zkratové proudy, anebo snést zapnutí do zkratu. Oblouk se zháší různými způsoby, nejznámější byl olej (utopení oblouku v kotli), tlakovzduch (sfouknutí oblouku), maloolej (olejové páry), SF 6 (nevodivý plyn). Další poslední způsob byl zřejmě motivován úvahou " proč vymýšlet zhášení dielektrikem, nedávejme tam nic a ionty nemohou proudit" a vznikly vypínače vakuové. Odpojovač Vakuový vypínač Vypínač s SF 6 Je otevřený přístroj, který je laciný, je na něj vidět a vypnutý stav se dá opticky kontrolovat. Umí sice vést velké jmenovité i zkratové proudy, ale neumí vypínat, prostě proto, ţe chybí deionizační zařízení. Určitá výjimka je spínání malých transformátorů vn/nn, ale jen naprázdno. U skříňových rozváděčů bývá odpojovač nahrazen výsuvným podvozkem vypínače nebo výsuvnou kazetou. Protoţe vypínač má přívodní a vývodové roubíky, nahrazuje výsuvná část odpojovače dva, přípojnicový i vývodový. Uzemňovač

51 Elektrické přístroje 51 Zemní noţe u odpojovače, slouţí pro zajištění bezpečnosti při pracech na odpojených částech. Jsou většinou dimenzovány na zkratový proud jako příslušný odpojovač. To proto, ţe by nějaký dobrák zapnul vypnuté vedení z druhé strany. Samozřejmě svádí i indukované napětí. Pohony odpojovačů a uzemňovačů jsou buď ruční nebo strojní. Strojní pohony pouţívají vzduchové válce nebo elektromotory. Zatímco vzduch (stlačený ve vzdušnících) byl k dispozici i při výpadku rozvodny, u elektromotorů je zajištěna funkce při výpadku rozvodny jen napájením DC nebo AC zajištěných (rozumí se střídač). Musíme rozhodnout jaké napětí bude pouţito (nezajištěné AC, zajištěné AC, event.dc) a na jaké kobky (např. DC pro všechny nebo jen důleţité: přívody, spínače přípojnic, transformátor vlastní spotřeby). Od tlakovzduchu se však upouští (náročná údrţba, poruchové ovládací ventily a jednotky).

52 Elektrické přístroje 52 Stykače a relé Stykače jsou dálkově ovládané spínače, které jsou drţeny v zapnuté poloze silou elektromagnetu a nesmí být v této poloze aretovány, přičemţ stabilní poloha je poloha vypnuto. Pouţívají se pro časté, ale krátké spínání aţ 3000 sepnutí za hodinu, ţivotnost spínače je několik miliónů sepnutí. Podle zhášení oblouku jsou : vzduchové SF 6 (fluorid sírový) olejové, ve výjimečných případech elé je přístroj, který reaguje na změnu v hlídaném elektrickém obvodu. Tuto změnu signalizuje, nebo svými kontakty zajistí vypnutí pomocí výkonového vypínače nebo stykače. Pouţívají se tato relé: Pomocné ovládání velkých vypínačů a signalizace stavu Časové zapůsobí po určité nastavené době Podproudové Nadproudové Podpěťové Výkonové Zpětné zapůsobí při změně směru proudu v obvodu Návěstní zajistí optickou signalizaci.

53 Elektrické přístroje 53 Bezkontaktní a hybridní spínače Spínání vychází ze základního vztahu: n e b kde : proudová hustota n koncentrace nosičů nábojů e elementární náboj b hybnost Spínaní U kontaktního spínání změnou průřezu S. U bezkontaktního spínání : polovodičové prvky - polaritou napětí PN přechodu (nelineární prvky). přesytky- magnetický obvod s vinutím. Při přesycení prudký pokles impedance. Nazývají se téţ magnetické zesilovače. Dnes jiţ historicky překonané. Základní součástky pro bezkontaktní spínání: Dioda Tyristor Tranzistor Triak

54 Elektrické přístroje 54 Výhody bezkontaktního spínání Spínací proces je v pévné fázi hmoty není oblouk, jiskra, plyny nesvaří se kontakty. Nemá zhášedlo. Není ţádný mechanizmus. Zapínací a vypínací časy velmi malé spínání frekvencí aţ 100 khz (slaboproud aţ GHz). Nepřítomnost mechanizmů nehlučný, nemá nárazy a otřesy, práce v libovolné poloze. Vykazuje vyšší ţivotnost i spolehlivost při správném dimenzování aţ maximálně 10 8 ) sepnutí (kontaktní Nízká úroveň rušení a kompatibilita s logickými přístroji. Není oblouk moţnost uţít v libovolném prostředí. Velká vstupní citlivost potřebné k ovládání.

55 Elektrické přístroje 55 Nevýhody bezkontaktního spínání Nedochází ke galvanickému odpojení obvodu zdroje od spotřebiče (některé normy to přímo poţadují připojit do série minimálně odpojovač. Velký úbytek napětí na přechodu v zapnutém stavu (aţ 10 0 V) velká výkonová ztráta chladič velký rozměr a hmotnost. Citlivost na přepětí a rychlé změny napětí v síti. Citlivost na přetíţení pouţití rychlých pojistek. Náchylné na změny tepelného reţimu pro ideální chod nutná klimatizovaná místnost. Velká pořizovací cena u VN a VVN (u NN srovnatelná) U sloţitějších bezkontaktních spínačů více součástek větší sloţitost obvodu sníţení spolehlivosti Užití bezkontaktního spínání lékařství vojenská technika lodní doprava letecká doprava

56 Elektrické přístroje 56 Hybridní spínání Spojení kontaktního a bezkontaktního spínaní. (2) Ty Ty (1) v,f Zapínání 1) zasunutí pohyblivých kontaktů do polohy (1) 2) zapnutí tyristorů tyristorů 3) úplné zasunutí pohyblivého kontaktu aţ do polohy (2) Vypínání 1) zapnutí tyristorů 2) vysunutí pohyblivých kontaktů z polohy (2) do polohy (1) 3) vypnutí tyristorů tyristorů 4) úplné vysunutí pohyblivého kontaktu Výhody hybridního spínání Řeší některé problémy bezkontaktního spínání. Galvanické oddělení obvodu zdroje od spotřebiče. Není úbytek napětí na přechodu PN vyzkratováno pohyblivým kontaktem. Nevýhody hybridního spínání Pořizovací cena a velikost Elektromagnety Během zdvihu kotvy koná elektromagnet práci. Doba zdvihu je však velmi krátká, proto jej řadíme k elektrickým přístrojům. U elektromagnetů nás zajímá především průběh tahové síly.

57 Elektrické přístroje 57 Odvození vztahu pro tahovou sílu Obecně síla ze zákona zachování energie F dw d m, kde 1 L I 2 2 Wm, kde L N 2 Magnetomotorické napětí mezeru S 0 W F m N I 1 2 S 2 m 0 F m 1 2 W m F m, kde magnetická vodivost pro vzduchovou 2 B S. Dosadíme-li Hopkinsonův zákon F m pak síla elektromagnetu 1 S B S F F B S Tento vztah platí pouze : Za předpokladu velmi malé reluktance feromagnetika eliminuje se činitelem sycení k s Za předpokladu, ţe v celém průřezu vzduchové mezery je magnetické pole rozloţeno rovnoměrně (homogenní mag.pole) eliminuje se činitelem vyklenutí magnetického pole. Předpoklad ad1) je splněn při velkých vzduchových mezerách, předpoklad ad2) je naopak splněn při malých vzduchových mezerách. Proto se v dnešní době rozvíjí výpočet numerickým modelováním (Ansys atd.). Dynamika elektromagnetů Ovlivňováním dynamické charakteristiky vnějšími prvky (,L), lze získat elektromagnety zpoţděné nebo rychle reagující Zpoţděné elektromagnety zpoţdění je doba od okamţiku připojení popř. vypnutí elektromagnetu od zdroje, do počátku pohybu kotvy. Vliv na rychlost nárůstu proudu má časová konstanta celého obvodu.

58 Elektrické přístroje 58 Prodloužení doby přítahu se provádí změnou indukčnosti obvodu připojením tlumivky sériově k elektromagnetu. Prodloužení doby odpadu kotvy se provede připojením odporu paralelně k elektromagnetu. Aby nebyl připojený odpor trvale v provozu, připojuje se k němu sériově dioda (někdy kondenzátor). Odpor zároveň omezuje přepětí vznikající při vypínání. Oba způsoby lze kombinovat a získat elektromagnet se zpoţděným přítahem i odpadem. Zpoţdění můţe být aţ 10s. Nechceme-li doplňovat elektromagnet vnějšími prvky pouţijeme pomocného (přídavného) vinutí spojeného do krátka obvykle 1 závit Al nebo Cu umístěný vedle čela cívky. Při zapnutí se v něm indukuje napětí působící proti změně, která ho vyvolala. Dochází ke sníţení proudu cívkou protinapětím a tím k prodlouţení doby. ychle reagující elektromagnety provádí se opět změnou časové konstanty obvodu, ale je nutné s odporem zvyšovat také napájecí napětí. ychlejšího přítahu lze také dosáhnout přechodným přebuzením pouţitím vyššího napětí neţ je napětí jmenovité. Tohoto způsobu vyuţívá zapojení s kondenzátorem, který je nabitý na několikanásobek jmenovitého napětí. Po odeznění přechodového děje je elektromagnet připojen na standardní napětí. Lze dosáhnout zrychlení aţ na 1ms.

59 Elektrické stroje Elektrické stroje Po prostudování kapitoly a absolvování hodin předmětu Elektrotechnika ţák: rozliší jednotlivé elektrické stroje. popíše funkční principy jednotlivých strojů, vyjmenuje jednotlivé částí elektrických strojů, posoudí vhodnost pouţití, Zdroje pro kapitolu Skripta VŠB-TU Elektrické stroje I-IV Transformátor Popis: Netočivý stroj, převádí bez pohybu střídavé nebo přerušované proudy přiváděné z jednoho obvodu a odvádí střídavé nebo přerušované proudy do jiných obvodů. Jmenovité napětí (při chodu naprázdno): aţ 400 kv. Jmenovité výkony: 100 VA 1000 MVA Dělení transformátorů: Zvyšovací Usměrňovací Měřící u něj vnucujeme vstupní proud, proto musí být svorky výstupní zkratovány, jinak dojde k přesycení obvodu a jeho destrukci. Autotransformátory Svařovací

60 Elektrické stroje 60 Princip Při chodu naprázdno je výstupní vinuti otevřeno a transformátor odebírá ze sítě proud potřebný pro vybuzení magnetického toku v magnetickém obvodu. Střídavý magnetický tok indukuje v jednom závitu kaţdého vinutí napětí u 1. Má-li výstupní vinutí N 2 závitů, indukuje se v něm napětí. Ve vstupním vinutí, které má N 1 závitů indukuje tentýţ střídavý tok napětí Poměr indukovaných napětí obou vinutí (cívek) transformátoru je roven poměru počtu závitů a nazývá se převodem transformátoru. Zanedbáme-li poměrně malé úbytky napětí ve vstupním vinutí transformátoru, můţeme místo indukovaných napětí dosadit svorková napětí, takţe velmi přibliţně platí: Napětí se transformuje v přímém poměru počtu závitů. Protéká-li při zatíţení sekundárním obvodem proud I 2, pak spotřebič odebírá z transformátoru výkon Tento výkon se musí transformátoru přivést ze zdroje při napětí U 1 a proudu I 1 ; je tedy Zanedbáme-li ztráty v transformátoru, můţeme psát, ţe příkon se rovná výkonu; pak platí Jestliţe se cosj 1 rovná cosj 2, dostaneme a z toho pak Proudy v transformátoru jsou v nepřímém poměru k převodu. Z posledního vztahu také plyne rovnost magnetomotorických napětí

61 Elektrické stroje 61 Jmenovitý výkon transformátoru je zdánlivý výkon v kva nebo v MVA podle štítku, a to při jmenovitém proudu a jmenovitém napětí na straně výstupní a při jmenovitém kmitočtu a sinusovém průběhu napětí na straně vstupní. Jmenovitý proud transformátoru na straně vstupní i výstupní vypočítáme jen ze jmenovitých hodnot výkonu a napětí. Magnetický obvod se skládá z transformátorových křemíkových plechů. Aby byly ztráty vířivými proudy malé, musí být jednotlivé plechy proti sobě dobře izolovány. Izolujeme je papírem, lakem nebo fosfátováním.

62 Elektrické stroje 62 Tvary elektrických strojů točivých Tvar stroje takové uspořádání, které respektuje polohu stroje, upevnění, uspořádání loţisek, konec hřídele, způsob montáţe. Označení IM X a X b X c X d ad a) 1 patkové jen s loţiskovými štíty nebo štítem 3 přírubové příruba na loţiskovém štítu ad b) 0 stroj má normální patky bez převodovky 1 stroj má zvýšené patky ad c) 0 vodorovná hřídel 1 volný konec hřídele je svisle dolů 2 volný konec hřídele je svisle nahoru ad d) 0 hřídel není vyvedena 1 jeden válcový konec hřídele 2 dva válcové konce hřídele Příklad: IM 1001 patkový s normálními patkami s vodorovnou hřídelí jeden vyvedený válcový konec.

63 H V d Elektrické stroje 63 N E K L H - osová výška N + E - vyloţení hřídele V - maximální výška stroje včetně svorkovnice zasahuje-li do výšky stroje L - maximální délka stroje d - průměr hřídele K - vzdálenost mezi osami otvorů v patkách

64 Elektrické stroje 64 Stejnosměrný stroj Stejnosměrné stroje jsou historicky nejstarší a konstrukčně nejsloţitější uţívané elektrické stroje. Jejich snadná regulovatelnost jim zajistila donedávna výsadní postavení v oblasti elektrických pohonů. Nutnost pouţití usměrňovačů je však o toto výsadní postavení připravila. Vlastnosti Stejnosměrné stroje se vyznačují: Snadná regulace otáček (napětím kotvy, nebo budícím proudem) Velký kroutící moment Snadná přizpůsobivost momentových charakteristik (zapojením budícího vinutí) Velká přetíţitelnost Moţnost uţití v těţkých podmínkách Výkony 1W - 7,5MW Napětí 1, V

65 Elektrické stroje 65 Konstrukce: Kostra slouţí jako jho. Budící vinutí je umístěno na hlavních pólech, jejich vzdálenost definuje pólovou rozteč, budící vinutí můţe být nahrazeno permanentními magnety. Mezi hlavními póly jsou umístěny pomocné póly pro zlepšení komutace (nemusejí být vţdy). Počet pólů je vţdy sudý. V hlavních pólech je uloţeno kompenzační vinutí pro kompenzaci reakce kotvy. otor ss. stroje je sloţen z plechů, komutátoru a vinutí. otorové vinutí můţe obsahovat vyrovnávací spojky prvního a druhého řádu. Sběrné ústrojí je tvořeno kartáči (počet řad kartáčů odpovídá počtu pólů), drţáky kartáčů, roubíkem a brejlemi. Kluzný kontakt tvoří kartáč klouzající po komutátoru. Princip činnosti: Motor funguje na základě působení elektrodynamických účinků mezi proudem ve vodičích kotvy a magnetickým polem hlavních pólů. Konce cívek jsou připojeny ke komutátoru, k němuţ jsou přiloţeny kartáče. Otáčíme-li cívkou bude se indukovat napětí. Pod S pólem U a, pod J pólem U b. Komutátor působí v podstatě jako mechanický usměrňovač, musí mít minimálně 3 lamely, pro vyhlazení proudu se pouţívá větší počet lamel (aţ 900). Kde napětí: U B v l

66 Elektrické stroje 66 Asynchronní stroj Asynchronní stroj je nejrozšířenějším elektrickým strojem především proto, ţe je nejjednodušší a jeho výroba je nejlevnější. Asynchronní stroj je pouţíván nejčastěji jako motor k pohonu nejrůznějších zařízení, zejména takových, která pracují při stálé rychlosti, neboť rychlost samostatného asynchronního motoru je obtíţně regulovatelná, ale dnes jiţ s nástupem frekvenčních měničů je tato nevýhoda potlačena neboť díky frekvenčním měničům můţeme rychlost plynule řídit. Vlastnosti asynchronních strojů Proudový náraz při zapnutí pohonu na síť můţe být aţ šesti násobek jmenovitého proudu. Indukční účiník 0,8-0,9 při jmenovitém zatíţení asynchronní motory zatěţují síť jalovým proudem f Bez frekvenčního měniče obtíţná regulace otáček maximální otáčky dány frekvencí sítě n 60 p [min -1 ] Výhodou je, ţe jsou napájeny z běţné třífázové sítě. ozšíření těchto strojů, vede k hromadné a sériové výrobě, která je dokonale mechanizovaná a tedy umoţňuje dokonalou a přitom levnou výrobu Stroj můţe pracovat téţ jako generátor. Pouţívá se ale ojediněle např. v malých vodních a větrných elektrárnách a dále u zdvihacích zařízení. Princip působení stroje Je zaloţen na vzájemném elektromagnetickém působení točivého magnetického pole statoru a rotorového proudu indukovaného tímto polem. Točivé magnetické pole se otáčí synchronní rychlostí, a to podle zvoleného sledu fází, buď vlevo nebo vpravo. Za kladný smysl otáčení se volí levotočivý. elativní rychlost otáčení nebo tzv. skluzová rychlost je dána rozdílem rychlosti synchronní a rychlosti motoru. Nejčastěji se udává poměrná skluzová rychlost vztaţená na synchronní rychlost, kterou nazýváme skluzem.

67 Elektrické stroje 67 s s s [ - ] nominální skluz je 5-7% s n n s n - mechanická úhlová rychllost n - rychlost otáčení Na primární straně máme kmitočet f 1 coţ je kmitočet sítě. Na straně sekundární máme kmitočet f 2 (cca 3 Hz). Magnetické pole statoru a rotoru se mohou sloţit v jediné výsledné pole ve vzduchové mezeře, které se vţdy otáčí synchronně. Skluz lze spočítat n s. n 1 f f 1 1 Z fyzikálního principu indukčního stroje vyplývá, ţe také velikost rotorového indukovaného napětí U 2 je závislá na skluzu a tedy i sekundární proud I 2 je na skluzu závislý. Asynchronní stroj jako motor Uvaţujeme nejdříve, ţe rotor se otáčí stejně rychle jako magnetické pole ve vzduchové mezeře. Pak jeho otáčky jsou rovny otáčkám pole n = n 1 a skluz s = 0. V rotoru se. neindukuje ţádné napětí, neboť frekvence f 2 = 0 a stroj nevyvíjí ţádný moment. Tento stav představuje ideální chod naprázdno. Ve skutečnosti je motor vţdy zatíţen na hřídeli momentem mechanických ztrát, takţe rotor nedosáhne nikdy synchronní rychlosti. V druhém případě uvaţujeme, ţe rotor se neotáčí, tedy n = 0 a s = 1. Tehdy pracuje indukční stroj jako transformátor a protoţe je rotor spojen dokrátka, tedy jako transformátor nakrátko. Tomuto stavu říkáme stav nakrátko. Mezi těmito dvěma stavy pracuje stroj jako motor.jeho rychlost je 0 n n 1 a skluz je 1 s 0. Skluz je kladný, rychlost otáčení rotoru má stejný smysl jako točivé magnetické pole.

68 Elektrické stroje 68 Asynchronní stroj jako generátor Poháníme-li rotor asynchronního stroje tak, ţe jeho rychlost se zvýší nad rychlost synchronní n n 1 coţ znamená, ţe skluz se stane záporným s 0, změní indukované napětí v rotoru smysl a elektrická energie je dodávána do sítě. Stroj pracuje tedy jako generátor při záporném skluzu ( - s 0). Výhodou je jednoduchost. Připojení na síť je jednoduché a nevyţaduje ţádné zvláštní synchronizační zařízení. Generátor musí pracovat paralelně se zdrojem jalového výkonu, který je zapotřebí pro vybuzení magnetického pole. Asynchronní stroj jako brzda Je-li rotor poháněn tak, ţe se otáčí v opačném smyslu neţ magnetické točivé pole (n 0 ), rychlost n 2 n 1 coţ znamená, ţe, skluz je kladný a větší neţ 1( 1 s + ) Takové brzdění nastane při spouštění břemene a při reverzaci. Při brzdění protiproudem jsou ztráty v rotoru 3-krát větší neţ při rozběhu a jejich hodnota nezávisí na velikosti odporu rotoru everzace za chodu motoru 4-krát větší ztráty neţ při rozběhu.

69 Elektrické stroje 69 Synchronní stroj Alternátory Jsou největší točivé stroje (aţ několik set MVA). Napětí nejčastěji ~25 kv, ale můţe být aţ 400 kv. Otáčky závisí na počtu pólů. Vyznačují se: vysokým vyuţitím aktivních materiálů účinným chlazením vysokou účinností malými investičními náklady na 1 MVA Alternátory jsou poháněny: parní turbínou vodní turbínou TUBOALTENÁTOY (3000/1500 min-1, 2p=2/4) HYDOALTENÁTOY (mnohopólové stroje) Alternátory jsou zdrojem činné i jalové energie Kompenzátor Pracují jen jako zdroje nebo spotřebiče jalové energie, kompenzují jalové zatíţení sítě a tím udrţují napětí v potřebných mezích Motor výhody: dobrý účiník, přebuzený stav kompenzace účiníku sítě nevýhody: obtíţné spouštění, obtíţná regulace rychlosti, potřeba budiče

70 Elektrické stroje 70 KONSTUKCE V dráţkách statoru je střídavé vinutí m-fázové, nejčastěji 3-fázové. Tomuto vinutí se téţ říká vinutí kotvy. Protoţe výkony jsou velké, volí se pro vinutí kotvy vysoké napětí, proto se umisťuje na statoru, aby mohl mít pevné vývody. Vynutí spojeno do hvězdy. Na rotoru je budící vinutí napájené stejnosměrným proudem přes dva sběrací krouţky ze: stejnosměrné sítě vlastního dynama (budiče) nebo napájené bezkontaktně. Budící výkon je ve srovnání s výkonem synchronního stroje malý.

71 Elektrické stroje 71 Podle provedení rotoru se rozlišují: s hladkým rotorem (turbostroje, délka aţ 12 m, horizontální poloha) s vyniklými póly Stroje s hladkým rotorem mají budící vinutí rozloţeno v dráţkách vyfrézovaných ve válcovém tělese rotoru, které je vykováno z legované oceli Stroje s vyniklými póly mají na magnetovém kole póly s pólovými nástavci. Póly s pólovými nástavci a magnetové kolo jsou z ocely nebo lištěné Chlazení: u velkých výkonů nevystačíme se vzduchovým chlazením (50l na 1 kw), proto chladíme vodou, vodu můţeme vést přímo vodiči. Velké stroje chladíme téţ vodíkem VLASTNOSTI Magnetické pole vybuzené rotorem se otáčí spolu s rotorem synchronní rychlostí n 1 (n s ). Ve vinutí statoru se indukuje střídavé m-fázové napětí. Efektivní hodnota indukovaného napětí jedné fáze: U f 1 4, 44 1 f1n1k POVOZNÍ STAVY 1 i u P>0 Q<0 motor přebuzený +j motor podbuzený P>0 Q>0 u i jalový induktivní proud dodávaný do sítě -j u P<0 generátor Q<0 přebuzený i -j +j generátor podbuzený jalový induktivní proud odebíraný ze sítě P<0 Q>0 u i Přebuzený alternátor Dodává do sítě činný i jalový induktivní proud. Při zatíţení je magnetové kolo v předstihu o úhel proti své poloze při chodu naprázdno.

72 Elektrické stroje 72 Přebuzený synchronní motor Odebírá ze sítě činný proud, dodává do sítě jalový induktivní proud. Magnetové kolo je při zatíţení natočeno o úhel zpět proti své poloze při chodu naprázdno. Podbuzený synchronní motor Odebírá činný proud i jalový proud induktivní. Magnetové kolo je o úhel zpoţděno proti své poloze při chodu naprázdno. Podbuzený alternátor Dodává činný proud, odebírá ze sítě jalový induktivní proud. Magnetové kolo předbíhá svou polohu naprázdno o úhel.

73 Elektronické prvky Elektronické prvky Po prostudování kapitoly a absolvování hodin předmětu Elektrotechnika ţák: popíše funkční principy jednotlivých elektronických prvků, ezistor Vlastností je elektrický odpor ţádané velikosti, respektive vodivost o velikosti, kde S průřez; l délka vodiče Závislost odporu na teplotě - odpor se mění v závislosti na oteplení podle vzorce Vlastnosti rezistorů:, kde 1 je odpor při 20 o C. Tolerance - odchylka od jmenovité hodnoty. Jmenovité zatíţení - výkon, který se za určitých podmínek stanovených normou smí přeměnit na teplo aniţ by teplota povrchu překročila přípustnou velikost. Provozní zatíţení - je určeno nejvyšší teplotou povrchu, při které ještě nenastávají trvalé změny jejího odporu a krácení jejího ţivota. Nejvyšší dovolené napětí - napětí mezi vývody. Při překročení napětí můţe dojít k poškození. Teplotní součinitel - dovoluje určit změnu odporu způsobenou změnou teploty. Šumové napětí - vzniká nerovnoměrným pohybem elektronů v materiálu, vlivem toho vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu - tzv. elektronický šum obvodu. Podle hodnoty odporu: pevné a proměnné (potenciometry). Podle technologie: vrstvové, drátové Podle počtu vývodů: se dvěma vývody, více neţ s dvěma vývody: otočné (jednoduché, dvojité (dva systémy v jednom pouzdře), tandemové (dva systémy ovládané současně)) a posuvné.

74 Elektronické prvky 74 Značky rezistorů: klasický rezistor klasický rezistor stará značka (v Americe se pouţívá dodnes) potenciometr je nastavitelný rukou potenciometrický trimr je nastavitelný nástrojem (např. šroubovákem)

75 Elektronické prvky 75 Kondenzátory Princip: Po přivedení napětí na desky kondenzátoru, se atomy dielektrika se polarizují. Elektrony na desce se mezi sebou vzájemně odpuzují elektromagnetickými silami. Čím blíţe jsou desky u sebe, tím více jsou elektrony přitahovány opačným pólem druhé desky a snaţí se přeskočit na druhou stranu nemají uţ tolik síly se na desce mezi sebou odpuzovat na desku se vejde vedle sebe více elektronů větší kapacita. Desky kondenzátoru musí být alespoň minimálně tak daleko, aby se mezi ně elektrony vůbec vešly. Velikost kapacity je dána vztahem, kde S plocha desek; d jejich vzdálenost Vlastnosti kondenzátorů: Jmenovitá kapacita - výrobcem udávaná kapacita. Provozní napětí - je největší napětí, které můţe být trvale na kondenzátoru připojeno, nepřesáhne-li teplota okolí 40 C, rovná se jmenovitému. Při vyšších teplotách je nutné napětí sníţit. Izolační odpor - odpor mezi elektrodami kondenzátoru měřeném při stejnosměrném napětí a teplotě 20 C 1G 100-ky G Tolerance v % u vzdušných písmenem ±1% aţ ±20%, v pikofaradech, elektrolitická je nesymetrická 10+30% Q, % Z. Jmenovité napětí. Provozní napětí závislé na teplotě okolí. Poměrné provozní napětí -. Indukčnost řádově jednotky aţ desítky mh parazitní. Ideální kondenzátor - = -90 o

76 Elektronické prvky 76 Skutečný kondenzátor Sériově tg = U r /U c = s C s (ztrátový činitel), tg = Q = 1/tg ( činitel jakosti ) Paralelně tg = I r /I c = 1/ p C p (ztrátový činitel) Druhy kondenzátorů: Podle technologie: vzduchové: malá kapacita dnes s nepouţívají papírové: baleno tak, aby kondenzátor měl co nejmenší indukčnost, malá odolnost vůči vysokému napětí metalizované: do 1 F slídové: elektrody napařené na tenké destičky z jakostní slídy (výborné dielektrikum), spojeny paralelně pro poţadovanou kapacitu, malé ztráty, úzké tolerance, časová i teplotní stabilita), nelze je tvarovat příliš velké plastové: velká elektrická pevnost, malý ztrátový činitel, velký izolační odpor, nestálá kapacita vzhledem k teplotě keramické: teplotně stálé - nahradily slídové kondenzátory, nemůţou se vyrábět velké hodnoty pro VF, stálá ale menší kapacita řádově 1pF aţ 100pF (jednotky aţ stovky), dielektrikum tvoří keramika elektrolytické: elektroda polarizována kladně, elektrolyt záporně; desky jsou hliníkoví (Al), dielektrikum je oxid desky kondenzátoru (Al 2 O 3 ); elektrolit se nesmí napěťově namáhat a nesmí se přepólovat; většinou se přemosťují keramickým kondenzátorem kvůli setrvačnosti elektrolitu

77 Elektronické prvky 77 Podle použití: Řazení keramický sbírá napěťové špičky. málo přesné (±20%) a časem vysychají proto se vyrábějí řady E6 mají poměrně velkou kapacitu elektrolytické tantalové: - místo hliníku je tantal má velké ε r; velmi malé rozměry; lepší časová i teplotní stabilita; větší odolnost vůči vysokému napětí, ale choulostivý na špičky; mají mnohonásobnou ţivotnost ladící - opakované změny kapacity, ( často, pf, vzduchové dielektrikum,jedna elektroda se zasouvá do druhé ) dolaďovací - občasné doladění obvodů ( nastavení,1-ky pf, trubičkové ) Paralelní spojení: U = U 1 = U 2 =... U n Q = Q 1 + Q Q n Sériové spojení: U = U 1 + U U n Q = Q 1 = Q 2 =...Q n

78 Elektronické prvky 78 Cívky Vytváří vlastní indukčnost definované velikosti. Skin efekt - povrchová vodivost. Při průchodu střídavého proudu vodičem vzniká v jeho okolí časově proměnné magnetické pole, toto pole vstupuje rovněţ do téhoţ vodiče a indukuje v něm napětí, které při konstantní frekvenci proudu je tím větší, čím větším magnetickým polem je vodič obklopen. Indukované napětí je největší k ose vodiče a směrem k jeho povrchu se zmenšuje. Vlivem toho vznikají uvnitř vodiče proudy, které podle Lencova pravidla se snaţí zmenšit změny, které je vyvolaly. Výsledkem je nerovnoměrné rozloţení proudové hustoty ve vodiči. V prostředku vodiče je téměř nulová, na povrchu maximální. Jelikoţ je cívka tvořena smotaným drátem, má i určitý nezanedbatelný odpor, který způsobuje ztráty. Proto u cívky určujeme tzv. činitel jakosti: Pro velkou jakost cívky a pro vysoké frekvence se pouţívá stříbro, zlato a platina. Značky cívek: dnes běţně pouţívaná značka stará značka zjednodušená značka pouţívaná někdy u transformátorů

79 Elektronické prvky 79 Druhy cívek: jednovrstvové a vícevrstvové se vzduchovým jádrem - z pevného drátu (bez kostry, s kostrou), plošné cívky, 1-ky mh 1-ky mh (vyjímečně) s jádrem - nízkofrekvenční ( tlumivky, 1-ky H, jádra z transformačních plechů, pásků, které jsou oddělené lakem) a vysokofrekvenční (100-ky mh, feritové jádra Fe, Co, Ni). Jako jádra se pouţívají materiály: ţelezo (Fe) do 1kHz, mosaz špatné feromagnetikum, ale lze ho pouţít i na vyšší frekvence, feroty do 100MHz Ideální cívka - = 90 o Skutečná cívka: paralelně tg = I l /I r = p / L p = Q = 1/tg - činitel jakosti sériově = U l /U r = L s / s - činitel jakosti

80 Elektronické prvky 80 Diody: Diody pro síťové usměrňovače Diody pro síťové usměrňovače jsou plošné diody určené pro usměrnění proudů řádově jednotek aţ desítek ampér při napětí desítek aţ stovek voltů technických frekvencí. Jsou vyráběny z křemíku převáţně difúzní technologií. Základní destička má nevlastní vodivost typu N. Na ní se difúzí boru nebo galia vytvoří vrstva typu P. Silně dotovaná vrstva N+ umoţňuje neusměrňující dobře vodivé spojení krystalu s kovovou podloţkou, která pomáhá odvádět teplo a tvoří vývod katody. Vrstva niklu vytváří neusměrňující spojení s vývodem anody. Diody vyzařující světlo LED LEDky jsou diody, které vyzařují kvanta energie, pokud je vlnová délka tohoto záření ve viditelném spektru můţeme ji vidět. Světlo vychází z místa přechodu a jen pokud je dioda zapojená v propustném směru. Na LEDce je úbytek podle barvy U F = 1,5 2 V a maximální prou asi I F = ma ->. Pouţití jako signalizace.

81 Elektronické prvky 81 Tyristor Jedná se o čtyřvrstvou spínací součástku vyrobenou z Si, ve které jsou nad sebou vytvořeny tři přechody PN nad sebou. Vnější vrstva P je anodou, vnější vrstva N je katodou tyristoru. Těmito elektrodami prochází celkový výstupní proud, ten můţe u některých typů dosahovat aţ stovek ampérů! Jedna z vnitřních vrstev je vyvedena jako řídící elektroda G. Bude-li řídící elektroda odpojena a přiloţíme-li na anodu malé klané napětí proti anodě, otevřou se přechody J 1 a J 3. Přechod J 2 zůstává uzavřen, neboť do vrstvy N proniká kladné napětí přes otevřený přechod J 1 a do vrstvy P záporné napětí přes otevřený přechod J 3. Nyní je tyristor zablokován. Odpor mezi katodou a anodou je několik megaohmů. Při zvyšování napětí mezi anodou a katodou dojde ke zvětšování intenzity elektrostatického pole v oblastij 2. Při určité velikosti tohoto napětí dosáhne intenzita pole své kritické hodnoty a dochází k ionizaci krystalové mříţky a odpor se rychle zmenší aţ na desetiny aţ setiny ohmu! Přestoţe stoupl proud, kleslo napětí na 1 aţ 2V. Tyristor přešel do sepnutého (vodivého) stavu. Doba potřebná k ionizaci se nazývá zapínací doba (asi 1 s a označuje se t on ). Pokud chceme sepnout tyristor jiţ při niţším napětí neţ U B0, musíme přivést do oblasti uzavřeného přechodu J 2 volné nosiče náboje (proudem do G). Elektrostatické pole je vyuţije k vytrhávání nosičů náboje z vazeb a dojde aţ k sepnutí tyristoru. Velikostí proudu Ig můţeme řídit velikost spínacího napětí U B. Pokud I G = I GT přechází tyristor plynule do sepnutí a jestliţe I G >= I GT nevzniká blokovací stav tzn. Tyristor se chová jako usměrňovací dioda. Důleţité je, ţe k udrţení vzniklé ionizace krystalové mříţky postačí průchod anodového proudu většího neţ tzv. přídrţný proud I H. Proud I G můţe zaniknout. Proto je moţné uvést tyristor do trvale sepnutého stavu pouze krátkým impulsem I G. Velikost spínacího napětí závisí také na rychlosti, kterou roste napětí mezi anodou a katodou. Jedná se o tzv. kritickou strmost růstu anodového napětí.(1 aţ 100 V/ s)

82 Elektronické prvky 82 K zablokování tyristoru můţe dojít buď sníţením proudu I F na menší neţ I F nebo odsátím volných elektronů z J 2 velkým záporným impulsem. Pro obnovení blokovací činnosti je potřeba čas který označujeme t off (běţně 10ky s). Pouţití tyristoru: jako řízený spínač v obvodech střídavých proudů technických frekvencí. Tyristor je moţné pouţít pouze na kladné půlvlny střídavého proudu.

83 Elektronické prvky 83 Tranzistory Tranzistory dělíme na: 1. Bipolární - děrová i elektronová vodivost (jedna je vţdy v menšině - minoritní, druhá ve většině - majoritní) 2. Unipolární - pouze děrová nebo elektronová vodivost. Podle technologie: Bipolární tranzistory -FET Gate má oddělen potenciálovou bariérou JUG-FET bariéra se vytváří PN přechodem MES-FET bariéra se vytváří přechodem kov-polovodič IG-FET Gate má oddělen mechanicky MIS-FET má kovový Gate izolovaný od polovodiče MOS-FET má kovový Gate od polovodiče izolovaný oxidem Je to třívrstvá polovodičová součástka se dvěma přechody PN. Řídí se vstřikováním (injektováním) menšinových nosičů náboje do báze. Dělí se na PNP a NPN tranzistory Tranzistor PNP: Přechod colector-báze tvoří diodu polarizovanou napětím U CB. Obvodem tranzistoru prochází poměrně velké napětí (desítky V), ale malý proud (μa), proto celkový výkon jsou mikrowaty. Kdyţ napětím několik desetin voltu otevřeme přechod emitor-báze, díry, které jsou majoritními nosiči náboje v emitoru, začnou procházet ve velikém mnoţství do oblasti báze a vytvářejí proud I E. V oblasti báze jsou přicházející díry minoritními nosiči a přechod colector je pro ně otevřen. Báze má malou tloušťku a proto téměř celý proud I E jde aţ do kolektoru. Báze musí mít malou tloušťku, aby nosiče náboje vstřikované do báze nerekombinovali dříve, neţ se dostanou do kolektoru. Výkon je I C U CB = I E U CB - mnohonásobně stoupne (několik set W) Z celkového počtu děr přicházejících do báze, stačí rekombinovat zpravidla menší část (asi 1%).

84 Elektronické prvky 84 Tranzistor NPN Princip obdobný jako u PNP s tím rozdílem, ţe na bázi přivádíme záporné napětí pro otevření tranzistoru PNP. Základní zapojení tranzistoru: se společným emitorem - nejčastější se společnou bází se společným kolektorem Tranzistor se společným emitorem Pro zapojení tranzistoru se společným emitorem je charakteristickou vlastností jeho univerzálnost. Zapojení má velké jak proudové, tak i napěťové zesílení Zapojení se společným kolektorem a bází jsou obdobná a nepouţívají se tolik, jako zapojení se společným emitorem.

85 Elektronické prvky 85 Unipolární tranzistory Jsou to tranzistory řízené polem, jinak nazývané FET (z anglického field effect transistor). Jejich princip je značně odlišný od principu bipolárního tranzistoru. Řídicí elektrodou tranzistorů typu FET teče buď jen velmi malý proud ekvivalentní proudu diody v závěrném směru, nebo je tato řídicí elektroda izolovaná od řízeného obvodu vrstvičkou SiO2, takţe jí neteče prakticky ţádný proud (má odpor cca 1012 W). Existují dva druhy unipolárních tranzistorů JFET a MOSFET. Tranzistor JFET( junction FET) Tranzistor JFET je tvořen polovodičem, např. typu N, válcového tvaru, v jehoţ střední části je po obvodu vytvořen přechod PN (tj. válec je obalen "slupkou" z polovodiče typu P), tvořící hradlo neboli řídicí elektrodu tranzistoru (označení G) a čela válce jsou opatřena kontakty, představující zbývající dvě elektrody tranzistoru - zdrojová elektroda (označení S nebo E) a odtoková elektroda (označení D, K nebo C). Elektroda G je zapojena na napětí UGS takové polarity vůči S, aby přechod PN byl pólován v závěrném směru, elektroda D je vůči S na kladném (pro základní polovodič typu P na záporném) napětí UDS. Vytvořením přechodu PN vznikne v blízkosti přechodu oblast vázaného náboje, jejíţ šířka roste se zvětšujícím se napětí v závěrném směru. V této oblasti je tedy vázaný náboj, který nepřispívá k vedení proudu v polovodiči. Představme si, ţe průměr válcového trámku polovodiče tvořícího tranzistor JFET je tak malý, ţe je jen několikrát větší neţ šířka oblasti vázaného náboje na přechodu PN v případě, ţe na přechod není přiloţeno napětí. Na obrázku je znázorněna situace, kdy je přiloţeno napětí jak na hradlo, tak na odtokovou elektrodu. Trámek polovodiče tvořící tranzistor JFET je homogenní materiál a proto se na něm napětí UDS rozloţí prakticky rovnoměrně po jeho délce. To znamená, ţe představíme-li si napětí mezi elektrodou S a místem trámku majícím vzdálenost x od elektrody S, pak toto napětí bude přímo úměrné vzdálenosti x. Elektroda G, neboli přechod PN, má konečnou délku a tedy napětí mezi elektrodou G a S je také závislé na vzdálenosti x od elektrody S a to tak, ţe směrem k elektrodě D závěrné napětí roste. Proto také šířka oblasti vázaného náboje v okolí přechodu roste směrem k elektrodě D, coţ má za následek zúţení průřezu válcové části polovodiče, kterou můţe téci proud. Zvětšíme-li nyní (závěrné) napětí UGS, zmenšíme dále tento průřez a lze si snadno představit situaci, kdy napětí UGS bude tak vysoké, ţe se oblasti vázaného náboje spojí v ose válce, takţe průřez té části polovodiče, která obsahuje volné nosiče náboje, a která tedy můţe přispívat k vedení proudu mezi elektrodami S a D, bude roven nule a proud mezi elektrodami S a D klesne rovněţ na nulu. Jinými slovy: napětím mezi elektrodami G a S řídím velikost proudu mezi elektrodami S a D; tranzistor funguje podobně jako elektronka. Proud tekoucí do řídicí elektrody (u elektronky dán prakticky jen izolačním odporem mezi mříţkou a katodou, tedy prakticky v řádu A, tedy zcela zanedbatelný) je dán závěrným proudem přechodu PN, tj. je v řádu jednotek aţ desítek na.

86 Elektronické prvky 86

87 Elektronické prvky 87 Usměrňovače Usměrňovače dělíme na: neřízené - s diodou řízené - s tyristorem Neřízený usměrňovač Dělí se na jednofázové a trojfázové. Jednofázové dělíme na jednocestné a dvoucestné, které můţou být v uzlovém zapojení (obr. 1) nebo časteji pouţívanějším můstkovém zapojení (obr. 2). Trojfázové na trojpulsní (obr. 3) a šestipulsní (obr. 4). Ve všech případech se vyuţívá vlastnosti diody, která prouští pouze kladné pulsy střídavého napětí. Řízený usměrńovač Od neřízeného se liší tím, ţe diodu nahrazuje tyristor. Tak můţeme ovlivňovat velikost výstupního usměrněného napětí. Tato velikost se ovlivňuje tzv. řídícím úhlem, který je v rozsahu 0 aţ 150.

88 Elektronické prvky 88 Výsledné napětí je pak značně pilové. Takţe je třeba takové usměrňovače doplnit filtračním kondenzátorem.

89 Automatizace - úvod Automatizace Po prostudování kapitoly a absolvování hodin předmětu Elektrotechnika ţák: vyjmenuje základní prvky automatizační techniky, vysvětlí problematiku zaváděné automatického řízení do provozu. Zdroje pro kapitolu Automatizace I-IV (Cpress), Důvody automatizace Automatizace je proces, kdy technická zařízení vyuţíváme k nahrazení nejen fyzické, ale i duševní řídící činnosti lidí. Vynucená automatizace Potřebujeme vyřadit člověka z procesu, protoţe: a) jeho přítomnost pro něho představuje smrtelné nebezpečí (manipulace s radioaktivními látkami, odstraňování min atd.). b) jeho činnost je příčinou chyb jejichţ následky jsou značně nepříznivé a vedou k velkým ekonomickým ztrátám i k ztrátám na ţivotech (navigace letadel a lodí, zabezpečovací fce). c) jeho přímá účast mu způsobuje fyzickou únavu nebo nepříjemný pocit (vlhko, teplo, vibrace, hluk, prach atd.) d) není schopen vykonávat potřebnou činnost z hlediska rychlosti, přesnosti, rozsahu (řízení štěpné reakce, řízení raket atd.). e) automatické řízení vykoná úkony z vyšší jakostí neţ člověk (nanášení barvy na auto) f) člověk nemůţe být přítomen potřebné činnosti (kosmické sondy, snímací hlava CD, stimulátor srdce). g) si nemůţeme dovolit vynaloţit tolik lidské práce (spojování hovorů, počítání osob turnykety, nápojové automaty).

90 Automatizace - úvod 90 Ekonomické důvody a) Sníţení výrobních nákladů (přímé) náklady vypočítají se přesně na výrobek. b) Sníţení reţijních nákladů, (zahrnují reţijní poloţky - mzdy, energii, spotřeba vody, apod.) musí se vypočítat nepřímo - rozpočítáním z celku. c) Zvýšení produktivity práce a objemu výroby. d) Zkrácení vývoje, výroby a sledování výrobku během uţívání, z toho vyplývá konkurenční výhoda. e) Moţnost individuální výroby. f) Automatické zařízení pouţité ve výrobku mu dodává uţitečné funkční vlastnosti výhoda pro zákazníky. g) Nadstandartní jakost. Jiné důvody a) Prestiţ firmy. b) Větší pohodlí. c) Větší informovanost. Očekávání od automatizace Výchozí situace: nedostatek know-how a konjunktura Stejně, jako je tomu i v jiných nových oborech lidské činnosti, existovala v souvislosti se zaváděním automatizovaných systémů řada očekávání. Pouţijeme-li opět jistého zjednodušení, dá se říci, ţe tato očekávání plynula do značné míry z nedostatečného automatizačního know-how všech zúčastněných subjektů a z počáteční konjunktury tohoto mimořádně dynamického technického oboru, ke které u nás, v porovnání s vyspělejšími zeměmi, došlo navíc se značným zpoţděním.

91 Automatizace - úvod 91 Co si představovali investoři a uživatelé U investorské a uţivatelské sféry můţeme za nejvýznamnější povaţovat následujících sedm očekávání: I bez alespoň základních znalostí o automatizaci a bez schopnosti formulovat poţadavky na cílové technicko ekonomické parametry automatizované technologie na straně uţivatele je moţné si takovouto vágně specifikovanou dodávku objednat, zaručit její zprovoznění a docílit nějakých kvantifikovatelných efektů. ealizaci dílčích dodávek pro automatizovanou technologii a jejich kompletaci lze ponechat zcela na subdodavatelích, a tudíţ není nutné kvalifikované vedení realizace takovéto akce. Všichni dodavatelé nabízejí totéţ a v praxi tedy rozhoduje pouze cena jejich dodávek. Výkonný, komfortní a spolehlivý řídicí systém pro ovládání automatizované technologie lze dostat na trhu za málo peněz. Spolehlivost a provozní parametry strojně a technologicky nedokonalé výrobní nebo manipulační technologie, navíc svým charakterem a vybaveností neodpovídající principům automatizovatelnosti, lze bez jakýchkoli zásahů dohnat kvalitním a výkonným řídicím systémem (který dokáţe všechno ). Novou, automatizovanou technologii lze efektivně provozovat bez kvalifikačně adekvátně připraveného pracovního týmu konečného uţivatele. K udrţení nové, automatizované technologie v chodu postačí stávající servisní strategie. Pokud jde o četnost výskytu, snad nejrozšířenějšími byla dvě poslední z uvedených očekávání: nedbání na připravenost týmu a neochota uvaţovat o změně servisní strategie.

92 Automatizace - úvod 92 Co očekávali dodavatelé Většina očekávání na straně dodavatelské sféry byla odvozena z atributů očekávaného chování trhu s automatizačními prostředky. Na tomto místě je třeba uvést, ţe dodavatelská sféra (projektanti technologií, výrobci technologických zařízení, projektanti elektrotechnických dodávek, projektanti prvků měření a regulace, projektanti řídicích systémů včetně průmyslových komunikačních sítí, programátoři, specialisté na elektrické pohony apod.) je ve své podstatě oborově daleko méně homogenní neţ sféra uţivatelská. Autor tohoto příspěvku povaţuje proto za moţné uvést v následujícím textu pouze ta očekávání, která spadají do rámce automatizačního know-how, popř. která mají obecnější platnost. Takových poměrně rozšířených očekávání bylo celkem pět: Automatizace výroby bude mít spíše charakter rutinních operací slepého střeva neţ sloţitých neurochirurgických operací: tato představa, ve spojení s nepřiměřenou sebejistotou řady subjektů dodavatelské sféry, našla potom uplatnění v názorech, ţe lze snadno vyřešit jakoukoliv automatizační úlohu. Automatizační know-how bude sestávat zejména z poznatků oboru informačních technologií a nebude zahrnovat širší technologicky orientované znalosti z příslušných průmyslových oborů. ealizace případných sloţitějších automatizačních projektů se bude řídit stejnými nebo podobnými zákonitostmi jako realizace projektů jednodušších. Pro úspěšnou realizaci bude stačit kompetentní dodavatel (systémy na klíč ) a ţe začleňovat uţivatele (navíc ne zcela kompetentního) do procesu realizace automatizačního projektu není nutné. V případě realizace automatizačních projektů na principu vyšších dodavatelských modelů bude role generálního (popř. vyššího) dodavatele svěřována výlučně dodavatelům stavební, popř. technologické části investice.

93 Automatizace - úvod 93 Skutečnost Některá z uvedených očekávání postupně ztrácejí na významu, jiná ve větší či menší míře přetrvávají. Je to dáno zejména tím, ţe v uplynulých letech nesporně došlo v naší republice k výraznému nárůstu automatizačního know-how, a to nejen na straně tuzemských dodavatelů automatizovaných systémů (kde by to ostatně mělo být samozřejmostí), ale i na straně tuzemských sloţek investorů a konečných uţivatelů. Uvedení mnoha náročných automatizovaných výrobních, technologických a manipulačních systémů do chodu umoţnilo prověřit aplikaci vhodného technického a organizačního instrumentária. I přes určité nesporné úspěchy se však ukazuje, ţe ve srovnání s přístupy a řešeními obvyklými ve vyspělých zemích přetrvávají jistá negativa. Některá z nich jsou způsobena jinými relacemi mezi cenou hmotných dodávek a standardizovaných řešení na straně jedné a cenou jednoúčelových inţenýrských sluţeb u nás na straně druhé ve srovnání s relacemi běţnými ve vyspělých zemích. Příčinou jiných relací je obecně menší disponibilita investičních prostředků pro modernizační účely (pomiňme v této chvíli výstavbu závodů a provozů na zelené louce ). V obou případech stále převaţují tendence, které by se daly vyjádřit hesly: Kdyţ šetřit, tak na hardwaru a Standardizovaná řešení jsou moc drahá, koupíme si levnější jednoúčelová. Automatizační prostředky ozdělení prostředků Pro zlepšení přehledu a pochopení je nezbytné technické prostředky rozdělit podle jednotlivých hledisek, která jsou pro daný pohled rozhodující. Jednotlivé prostředky dělíme podle následujících hledisek. Prostředky na získávání, transformaci, přenos, zpracování, uchování a vyuţití informace. Prostředky na získávání informací jsou čidla a senzory. Jejich smysl spočívá v tom, ţe nám převedou určitý fyzikální nebo chemický stav na veličinu snadno pozorovatelnou, přenositelnou a zpracovatelnou. Prostředky pro transformaci jsou zde zařazeny také, neboť většinou tvoří konstrukční součást zařízení na získávání informace. Prostředky pro přenos informace souvisí s druhem energie, který je pro přenos informace pouţito i se způsobem modulace signálu.

94 Automatizace - snímače Snímače regulačních obvodů Po prostudování kapitoly a absolvování hodin předmětu Elektrotechnika ţák: vysvětlí základní princip fungování jednotlivých snímačů, posoudí vhodnost pouţití snímače, uvede klady a zápory jednotlivých snímačů, Zdroje pro kapitolu Automatizace I-IV (Cpress) Snímače polohy Odporové snímače Jsou jednou z nejprimitivnějších a patrně nejrozšířenějších zařízení ke snímání polohy. Snímače spojité jsou ty, které poskytují informaci o poloze měřeného předmětu nepřerušovaně. Snímače nespojité jsou ty, u nichţ zaznamenáváme polohu pouze po krocích, typickým příkladem budiţ poloha výtahové kabiny. Mezi spojité snímače patří především potenciometry (obrázek 1). Měřený předmět je mechanicky spojen s jezdcem potenciometru. Při pohybu předmětu se mění odpor na výstupu a dle jeho hodnoty můţeme okamţitě zjistit pozici předmětu. ozeznáváme několik charakteristik potenciometru: 1. dráha můţe být lineární či profilová 2. materiál odporové dráhy (vrstvové, drátové, uhlíkové atd..) Nespojité snímače se dělí na magnetické a mechanické. Mezi mechanické patří například rtuťový spínač (lidově řečeno prasátko ) obrázek 2A. Jedná se o skleněnou nádrţku s třemi vyvedenými elektrodami. Nádrţka je připevněna na kloubu. Měřený předmět svým pohybem spínač pootočí nahoru či dolu, podle toho se také přelije vodivá rtuť, tedy spojí buď levou-střední nebo střednípravou elektrodu. Výhodou rtuťového spínače je to, ţe při spínání nevzniká elektrický oblouk. Jako zástupce magnetických odporových nespojitých snímačů jmenujme např. jazýčkové relé (obrázek 2B). Jedná se podlouhlou skleněnou nádobku naplněnou inertním plynem a obsahující 2 pásky s magneticky měkkého materiálu, které se nedotýkají. Na měřeném předmětu umístěný permanentní

95 Automatizace - snímače 95 magnet vţdy, kdyţ se dostane do těsné blízkosti relé, po určitou dobu spojí oba pásky a vznikne impuls. Indukčnostní snímače Základní myšlenkou je vyuţití vztahů platících v magnetickém obvodu(obrázek 3A). Tedy změna polohy měřeného předmětu se projeví na změně vlastní či vzájemné indukčnosti. Vytvoříme-li jednoduchý magnetický obvod, jehoţ jedna část bude spojena s měřeným předmětem, pohybem této části se bude měnit vlastní indukčnost cívky vyvolávající tok. Při měření vhodných vzdáleností se uchová víceméně lineární průběh výsledné charakteristiky. Indukční snímače Jsou zvláštním případem snímačů polohy, protoţe nevyţadují přísun elektrické energie, ale při vlastním měření polohy se energie generuje. Princip vychází z Faradayova zákona, který hovoří o tom, ţe na svorkách cívky v jejímţ poli se pohybuje těleso z feromagnetického materiálu vzniká energie. Měřený předmět musí být tedy spojen s permanentním magnetem. Při průchodu magnetu polem cívky je tak generovám poulz, který je dále pouţit. Nevýhodou je skutečnost, ţe pulz nastane pouze tehdy, má-li magnet dostatečnou rychlost (zákon hovoří o velikosti změny polohy za jednotku času), a čím je rychlost vyšší, tím je vyšší velikost generovaného napětí. Kapacitní snímače Mají tu vlastnost, ţe dokáţí měřit polohu velice přesně, avšak pouze na malou vzdálenost. Měřený předmět je spojen s jednou elektrodou kondenzátoru, druhá elektroda je pevná (obrázek 3B). Dielektrikem je v našem případě vzduch (dá se samozřejmě zkombinovat s jiným dielektrikem, které se nanese na jednu z elektrod záleţí na aplikaci). I při malém pohybu měřeného předmětu je změna kapacity tohoto kondenzátoru dostatečně velká. Snímače však neměří kvůli obtíţnosti přímo kapacitu, ale ta je připojena k oscilátoru a měří se frekvence (přenosová charakteristika je lineární).

96 Automatizace - snímače 96 Optické snímače LED diodou generované světelné paprsky se ostří na čočce a jsou vysílány po ose dál (obrázek 4A, MP=měřený předmět). Osa přijímače světelných vln (nejčastěji fotodioda) je vzhldem k ose vysílače pootočena o úhel. Pokud se měřený předmět dostane do místa, kde se obě osy kříţí, začnou se emitované paprsky odráţet do přijímače a fotodioda se dostane do propustného reţimu. Ultrazvukové snímače Základním principem je ultrazvukový vysílač a přijímač Vysílač generuje zvukové vlny o určité frekvenci a vysílá je po své ose(obrázek 4B). Vlny se odráţejí od měřeného předmětu zpět do přijímače. Řídící obvod poté spočítá vzdálenost na základě diference doby, po kterou vyslané vlny putovaly od vysílače k přijímači.

97 Automatizace - snímače 97 Měření teploty ozdělení snímačů teploty na: 1. dotykové elektrické, dilatační, tlakové, speciální 2. bezdotykové pyrometry Odporové snímače teploty Princip spočívá ve vyuţití závislosti odporů kovů na teplotě. Základní materiálovou konstantou popisu této závislosti je teplotní součinitel odporu. Jeho hodnota je definována poměrnou změnou odporu vztaţenou na jednotkovou změnu teploty: [K -1 ] 0. Hodnota součinitele je řádově 10-3 K -1. Parametry odporových snímačů teploty: 0 základní odpor při teplotě 0 C 100 hodnota odporu při teplotě 100 C hodnota odporu při teplotě W 100 poměr odporů při 100 C a 0 C W poměr odporů při a 0 C libovolná teplota [ C] ovnice závislosti odporů na teplotě: C 0 C: C: Součinitel by měl být teplotně nezávislý, časově stálý a pokud moţno maximální. Pro odporové snímače se nejčastěji pouţívá platina, která je chemicky inertní a má vysoký bod tání. Nevýhodou odporových snímačů teploty je poměrně velká časová konstanta, daná umístěním odporových materiálů do ochranných vrstev z keramiky a speciálních laků.

98 Automatizace - snímače 98 Odporové polovodičové snímače teploty Polovodičové snímače teploty vyuţívají závislost odporu na teplotě, přičemţ její dominantní sloţkou je závislost koncentrace nosičů náboje na teplotě. Dělíme je na: Termistory negastory (NTC) a posistory (PTC) Monokrystalické snímače bez PN přechodu Negastory mají záporný teplotní součinitel odporu, pro větší citlivost jsou vhodné k měření malých změn teploty. Základní nevýhodou je nelineární průběh charakteristiky (exponenciála) a její neopakovatelnost, menší časová stálost a poškození při přehřátí. Posistory jsou termistory s kladným teplotním součinitelem odporu vyráběné z polykrystalické feroelektrické keramiky (titan barnatý BaTiO 3 ). Oblast nárůstu lze chemicky ovlivňovat. Pouţívají se proto pro přesná měření v definovaných úzkých rozsazích, pro dvoustavové snímače v řídících systémech (vinutí el. motorů, transformátorů, ohřev výkonových součástek), ve spínacích obvodech s polovodičovými prvky. Termoelektrické snímače teploty - V T T 1 2 Termoelektrické převodníky jsou zaloţeny na termoelektrickém jevu. V místě vodivého styku na jednom konci dvou vodičů z různých materiálů vzniká termoelektrické napětí, jestliţe má jeden konec vodiče odlišnou teplotu od druhého konce. Termoelektrické napětí závisí na rozdílu teplot T 1 a T 2 na jednotlivých koncích vodič. Jestliţe T 1 T 2, pak U T T1 T2 T1, kde: U termoelektrické napětí, konstanty závislé na dvojici kovů T 1, T 2 teploty jednotlivých konců vodičů Bude-li teplota T 1 konstantní, je hodnota termoelektrického napětí U úměrná teplotě T 2. Termoelektrické napětí bývá řádově v mv. Většinou bývá voltmetr jiţ přímo ocejchovaný ve C pro určitý typ termočlánku. Materiály termoelektrických snímačů Při výběru materiálu pro termoelektrický snímač se snaţíme splnit některé základní poţadavky. Především, aby se závislost termoelektrického napětí na teplotě blíţila lineárnímu průběhu. Materiál má být odolný proti chemickým, mechanickým a korozním vlivům. Výstupní termoelektrické napětí má být co největší. Čím je hodnota napětí menší, tím je menší přesnost, měřící přístroj musí být

99 Automatizace - snímače 99 citlivější, a tím je choulostivější. U snímačů z křehkých kovů (vizmut, antimon apod.) je nutno tyto na sebe ve vakuu nastříkat nebo spékat. Byly sestaveny dvojice materiálů, které se ke konstrukci termoelektrických snímačů pouţívají :Fe-ko, ch-a, ch-k (chromal-kopel) a Pth-PtU termoelektrických snímačů je třeba počítat s tím, ţe i snímače téhoţ druhu mohou mít různý původ a tedy i různé cejchovní řady, takţe jejich charakteristiky jsou poněkud rozdílné. ozdíl je dán sloţením pouţitých materiálů. Termoelektrické snímače pro nízké teploty Pro měření nízkých teplot -250 aţ +500 C se pouţívá běţně termoelektrický snímač Cu-ko. Při přechodu přes 0 C se mění znaménko termoelektrického napětí snímače. Pro vyšší teploty je vhodná dvojice Fe-ko. Konstantan (ko) má podle normy 45%Ni, 55%Cu a nepatrný obsah jiných přísad (Mn, Si, Co, Mg), jehoţ zvětšení můţe nepříznivě ovlivnit termoelektrické vlastnosti snímače. Tyto přísady jsou vhodné zejména pro zvětšení odolnosti proti korozi. Velmi choulostivá je konstantanová větev v sirném prostředí. Termoelektrické snímače pro vyšší teploty Pro vyšší teploty do C, krátkodobě do C, se pouţívají termoelektrické články řady Pth- Pt. Snímač se musí pečlivě chránit před redukčním prostředím, před parami kovů a zvlášť před křemíkem, který lehce difunduje do materiálu termoelektrického článku a mění jeho sloţení, a tím i jeho charakteristiku. Např. Dvojice Irh 40-Ir se dá pouţít do C, krátkodobě pro C. Má dobrou stabilitu termoelektrického napětí v oxidačním a neutrálním prostředí. Jako ochranné trubky se pouţívá slinutého korundu s kysličníkem thoria nebo hořčíku. Pro měření v oxidačním prostředí jsou většinou vhodné slitiny platiny, rhenia a iridia. Termoelektrický článek wolfram-rhenium (do C) se vyznačuje velkou hodnotou termoelektrického napětí. Určitou nevýhodou je křehkost jeho materiálu. Pro měření v interním plynu nebo ve vakuu je nejvhodnější termoelektrický článek W-Ir, který má velkou citlivost. Pouţívá se do teplot C. Pouţitelnost termoelektrických článků W-Mo, Ir-Irh, Ir-e, e-w a dalších bývá v mnoha případech v provozních podmínkách nad C z různých příčin omezena, např. Pro nevyhovující stálost, nezbytnost pouţití ochranného plynu apod.

100 Automatizace - snímače 100 Dilatační snímače teploty Principem funkce dilatačních snímačů teploty je změna délky nebo objemu měronosné látky působením měřené teploty. ozdělení dilatačních snímačů: Kovové (tyčový a bimetalový teploměr), Kapalinové Kovové snímače teploty Tyčový teploměr

101 Automatizace - snímače 101 Principy senzorů a analyzátorů plynů Tepelněvodivostní senzory Tepelná vodivost patří k mnoţině fyzikálních konstant, které charakterizují čisté plyny. Vedení tepla (charakterizované tepelnou vodivostí) se řadí k tzv. transportním jevům. Mnoţství převedeného tepla Q (J), které projde plochou S (m 2 ) za čas t (s) je kde je měrná tepelná vodivost (W m 1 K 1 ), d /dx teplotní spád (K m 1 ). Z molekulárně kinetické teorie vyplývá, ţe tepelná vodivost plynu je tím větší, čím menší je průměr molekuly a čím vyšší je teplota a měrné teplo plynu. Tepelná vodivost vodíku a helia řádově převyšuje tepelnou vodivost všech ostatních technicky důleţitých plynů. Tepelnou vodivost směsi plynů, které spolu navzájem nereagují, lze ve většině případů vypočítat podle směšovacího pravidla kde s a li jsou měrné tepelné vodivosti směsi a jednotlivých sloţek, m i molové zlomky sloţek. Existuje však mnoho odchylek od tohoto pravidla a v některých případech vykazuje závislost tepelné vodivosti na koncentraci směsi maximum, popř. minimum. Základem měřicího zařízení je komora válcového tvaru, v jejíţ ose je umístěno kovové vlákno (nejčastěji z platiny), vyhřívané elektrickým proudem na teplotu 100 aţ 150 C. Ustálený stav teploty vlákna je definován rovnováhou mezi elektrickým výkonem a tepelným tokem přecházejícím na stěny komory. Z toho důvodu je poţadována pokud moţno konstantní teplota stěny komory. Měřicí komory jsou konstruovány tak, aby teplo bylo přenášeno především tepelnou vodivostí plynu a ostatní způsoby přenosu, jako je záření a přímý styk vlákna s blokem, byly zanedbatelné. V důsledku změny tepelné vodivosti plynné směsi se mění odvod tepla z vyhřívaného vlákna, mění se jeho teplota i jeho

102 Automatizace - snímače 102 elektrický odpor, který se vyhodnocuje. Kromě kovových vláken z platiny nebo wolframu se jako měřicí prvky pouţívají také vyhřívané termistory. U provozních analyzátorů se neměří absolutní hodnota měrné tepelné vodivosti. Měření se provádí diferenčně ve dvou komorách, z nichţ jedna obsahuje analyzovaný, druhá referenční plyn. Vlákna dvojice měřicí a srovnávací komory se zapojují do Wheatstoneova můstku. Pro zvýšení citlivosti se pouţívají dva páry komor (obr. 1). Měřicími komorami M1 a M2 prochází analyzovaný plyn, srovnávací komory S1 a S2 jsou obvykle uzavřeny a naplněny srovnávacím plynem, např. vzduchem. Měřicí můstek je napájen ze stejnosměrného stabilizovaného zdroje. ovnováha můstku se seřizuje potenciometrem P při nulové koncentraci měřeného plynu. Při změně sloţení plynné směsi se v důsledku změny tepelné vodivosti změní odpor měřicích vláken v komorách M1 a M2 a dojde k porušení rovnováhy můstku. Signál v diagonále je úměrný koncentraci měřené látky. Tepelněvodivostní analyzátory jsou vhodné pro binární směsi nebo jejich ekvivalenty, tvořené plyny o dostatečném rozdílu měrných tepelných vodivostí. Lze je s výhodou pouţít pro analýzu plynných směsí, jako např. H 2 a N 2, H 2 a O 2, CH 4 a vzduch, SO 2 a vzduch. Minimální měřicí rozsahy vyjádřené v objemových koncentracích bývají 0,5 % u H 2 a 3 % u ostatních plynů ve směsi. Značnou předností tepelněvodivostních analyzátorů je, ţe tyto přístroje pracují po dlouhou dobu téměř bez obsluhy, a to i v nejtěţších provozních podmínkách. Významné uplatnění nacházejí jako detektory v plynových chromatografech. Nosným plynem bývá v těchto případech H 2 či He, protoţe jejich tepelná vodivost se velmi liší od tepelné vodivosti dalších látek. V chromatografických detektorech se převáţně pouţívají průtočné komory o malém objemu.

103 Automatizace - snímače 103 Senzory na principu katalytického spalování Pro měření koncentrace hořlavých plynů a par se s výhodou vyuţívá měření tepelného zabarvení, které doprovází spalovací reakci hořlavých látek. Poněvadţ spalovací reakce nastává na čidle s katalytický účinným povrchem, nazývá se tato měřicí metoda metodou katalytického spalování. V měřicí komoře analyzátoru je umístěno elektricky ţhavené tělísko s katalyticky účinným povrchem, na kterém probíhá spalovací reakce určované hořlavé látky. Teplem uvolněným při spalování se zvyšuje teplota měřicího tělíska, která se obvykle vyhodnocuje jako změna elektrického odporu. Toto měřicí tělísko bývá nejčastěji ve tvaru perličky a v odborné a firemní literatuře se označuje jako pelistor. Pelistory patří mezi nejstarší typy chemických senzorů pouţívaných v samočinných analyzátorech. V podstatě jde o jistý druh kalorimetrického senzoru, kdy koncentrace plynu je měřena na základě mnoţství tepla uvolněného při řízené spalovací reakci. eakce je podporována vhodnou teplotou a přítomností katalyzátoru. Nejvhodnějším čidlem pro měření změny teploty senzoru je platinový odporový teploměr, protoţe umoţňuje fungování platinového vinutí jednak jako topného prvku a jednak jako teploměru. Vinutí z platinového drátu je zapouzdřeno uvnitř keramické perličky, na jejímţ povrchu je nanesen katalyzátor (obr. 2). Pracovní teplota se pohybuje okolo 500 C. Pomocí přívodních drátů je pelistor uchycen k nosníkům pájením nebo přivařením. Pelistor má nejčastěji tvar koule nebo válce o průměru 1 aţ 2 mm. Odporové vinutí je vyrobeno z platinového drátu o průměru 0,03 aţ 0,1 mm. Ţárovzdorná keramická perlička je vytvořena na bázi oxidu hlinitého (minimálně 75 % hmotnosti); dalšími sloţkami mohou být např. SiO 2, hlinitokřemičitany apod. Katalyzátorem nejběţněji bývá platina nebo směs platiny a palladia, řidčeji rhodium, ruthenium a rhenium. Pro vyhodnocení signálu se měřicí pelistor s katalyticky aktivním povrchem zapojuje do Wheatstoneova můstku spolu s dalším, srovnávacím pelistorem, jehoţ povrch nevykazuje katalytický účinek (obr. 3). Úkolem srovnávacího pelistoru je kompenzovat rušivé vlivy na výstupní signál, způsobené např. změnami teploty či průtoku měřeného vzorku nebo změnami tepelné vodivosti plynné směsi. Materiálové vlastnosti měřicího i srovnávacího prvku by měly být pokud moţno totoţné, aby chyby měření byly

104 Automatizace - snímače 104 potlačeny na minimum. Často se povrch srovnávacího pelistoru pokrývá vrstvičkou skla. Výstupní signál měřicího můstku snímače je v rozsahu do dolní meze výbušnosti (DMV) přibliţně lineárně závislý na koncentraci určované látky. Pelistorovým senzorem není moţné selektivně rozlišit jednotlivé hořlavé látky u vícesloţkových směsí. To však není na závadu, jestliţe se analyzátor vyuţívá k zabezpečovacím účelům pak lze naopak hovořit o selektivitě senzoru vzhledem k obsahu hořlavých plynů a par. Pelistorové senzory se vyznačují dlouhou ţivotností a provozní spolehlivostí při nepřetrţitém provozu. K závaţnější limitaci katalytických senzorů, která je dána ztrátou citlivosti, dochází při působení určitých plynů a par obsaţených ve zkoumané atmosféře. Hlavní kontaminanty, které mohou narušit výkonnost katalytického senzoru, mohou být klasifikovány buď jako inhibitory, nebo jako katalytické jedy. Mezi inhibitory patří halogeny, organické halogenderiváty a SO 2. Jako katalytické jedy působí silikony, alkyl-olovnaté sloučeniny a fosfáty. ozdíl v chování těchto dvou skupin je způsoben mechanismem adsorpce na katalyzátoru a vznikajícími produkty degradace těchto látek. Obě skupiny zhoršují aktivitu katalyzátoru tím, ţe se adsorbují silněji neţ další sloţky reakce, zmenšují tak jejich koncentraci na povrchu a tím i rychlost reakce. K vytvoření snímačů odolných proti působení katalytických jedů se povrch pelistoru překrývá vrstvou zeolitu. Tato vrstva působí jako molekulové síto a zabraňuje přístupu katalytického jedu k aktivnímu povrchu. Jiný způsob spočívá ve vytvoření keramické hmoty nosiče, u níţ jsou póry mezi jednotlivými částicemi menší neţ 20 nm. Nejlepších výsledků se dosahuje u pelistorů s katalyzátorem naneseným nejen na povrchu tělíska, ale i na vnitřním povrchu pórů keramického nosiče. Pelistorové senzory se osvědčují pro měření hořlavých plynů a par o koncentracích okolo dolní meze výbušnosti. Uplatňují se zejména v detektorech, analyzátorech a monitorovacích zabezpečovacích systémech pro sledování koncentrace hořlavých plynů a par v prostorech, kde existuje nebezpečí tvorby výbušných směsí. Pelistorové senzory je moţné pouţít pro stanovení přítomnosti vodíku, svítiplynu, metanu (zemního plynu), těkavých uhlovodíků, alkoholů, ketonů a mnoha dalších látek čistých, i směsí. Typickým příkladem je zabezpečovací měření v prostorech s nebezpečím výbuchu, kontrola koncentrace par rozpouštědel pouţívaných v průmyslu nátěrových hmot a při povrchové úpravě výrobků, měření ve výrobních a skladových prostorech, signalizace úniku topných plynů z potrubních rozvodů, armatur i přístrojů v průmyslových provozech, v kotelnách apod. Maximální měřicí rozsah analyzátorů obvykle odpovídá koncentraci dolní meze výbušnosti určovaných látek ve vzduchu.

105 Automatizace - snímače 105 Výhodou pelistorových senzorů je jednoduchost funkčního principu při dostatečné citlivosti pro poţadovaný účel, selektivita k hořlavým látkám jako celku a značná provozní spolehlivost snímačů. Polovodičové senzory oxidového typu Chemické senzory polovodičového oxidového typu jsou zaloţeny na schopnosti některých kovových oxidů fyzikálně absorbovat a za vyšší teploty ionizovat na svém povrchu kyslík. Aktivovaný kyslík v různém energetickém stavu můţe vstupovat do reakce s oxidovatelnými molekulami plynů a par za vzniku nestabilních radikálů. Mechanismy těchto dějů mohou vést buď k fyzikální sorpci, chemisorpci nebo v některých případech k chemické reakci. Tyto děje jsou provázeny změnami elektrické vodivosti oxidové vrstvy. Probíhající reakce jsou katalyzovány dotujícími přísadami, limitovány teplotou a stupněm konverze uskutečňovaných reakcí. Aby průběh reakce byl dostatečně rychlý, je zapotřebí oxidovou vrstvu ohřát na vyšší teplotu. eakce kyslíku s oxidovatelným plynem jsou doprovázeny změnami elektrické vodivosti oxidové vrstvy. Jako detekční vrstvy se zpravidla pouţívají směsné mikrokrystalické oxidy kovů s přídavkem katalyticky aktivních sloţek. Polovodičové senzory různých výrobců se navzájem liší svým uspořádáním, pouţitým materiálem, způsobem výroby a elektrickými vlastnostmi. V převáţné většině se pouţívá některý ze sintrovaných oxidů SnO 2, ZnO, Fe 2 O 3, jejichţ citlivost na danou plynnou sloţku i elektrické vlastnosti jsou ovlivněny dotujícími látkami, teplotním reţimem při zpracování a dalším technologickým postupem. Polovodič je většinou nanesen v tenké vrstvě na nosič anorganického původu (izolátor), který můţe mít tvar destičky, trubičky nebo válečku. V některých případech jsou oxidová zrna s vhodnými příměsemi slisována a sintrována do podoby tablety. Kaţdý senzor je opatřen topným prvkem, který ohřívá citlivou vrstvu na pracovní teplotu (100 aţ 500 C). Topení je u převáţné většiny vyráběných senzorů realizováno platinovou, platinoiridiovou nebo wolframovou spirálkou, která v některých případech současně funguje jako elektroda pro měření vodivosti. Schematické uspořádání polovodičového senzoru je znázorněno na obr. 4. Obr. 4a ukazuje uspořádání, kdy topná spirála je současně jednou měřicí elektrodou, na obr. 4b je ţhavicí obvod oddělen od měřicího. Nevýhodami oxidových senzorů je zejména výrazná závislost na vlhkosti, teplotě a proudění. Po expozici zvýšenou koncentrací oxidovatelného plynu se signál

106 Automatizace - snímače 106 velmi pomalu vrací na původní hodnotu, v některých případech jsou změny v polovodiči nevratné. Významným světovým producentem polovodičových senzorů je japonská firma Figaro Engineering, která vyrábí senzory pod označením TGS (s doplňkovým číselným označením). Senzory typu TGS jsou výrobcem doporučovány pro detekci plynů schopných oxidace nebo redukce, dále par organických látek a pro detekci zplodin hoření. Zvláště vhodné jsou pro detekci a určování malých koncentrací par uhlovodíků a jejich derivátů (řádově desítek ppm), halogenovaných uhlovodíků, alkoholů, esterů, nitrovaných sloučenin, amoniaku, oxidu uhelnatého a kyanovodíku. Výrobce poskytuje tabulku asi 200 plynů a par spolu s detekčními limity, doporučenými oblastmi koncentrací, způsobem umístění detektoru apod. Detekční limity jsou u mnoha látek menší neţ 0,1 ppm. Přestoţe jiní výrobci nabízejí senzory vykazující srovnatelné i lepší parametry, firma své dominantní postavení na trhu díky hromadné výrobě a tradici dosud neztratila. Nejčastějšími aplikacemi oxidových senzorů jsou detektory úniku plynu, detektory netěsností, detektory čistoty inertních plynů, detektory čistoty vzduchu, detektory alkoholu v dechu řidičů a detektory oxidu uhelnatého. Doba ustálení se pohybuje od 30 s do desítek minut.

107 Automatizace - snímače 107 Elektrochemické senzory Elektrochemické metody vyuţívá mnoho senzorů sloţení. Pro analýzu plynů jsou to zejména senzory ampérometrické a galvanometrické. Elektrochemické senzory se uplatňují především při měření koncentrace kyslíku a při měření nízkých koncentrací některých toxických plynů. Ampérometrické senzory Jsou zaloţeny na měření proudu procházejícího mezi dvěma elektrodami ponořenými do roztoku elektrolytu. Do měřicího obvodu je zapojen zdroj stejnosměrného napětí. Hodnota vloţeného napětí musí odpovídat tzv. limitnímu proudu určované sloţky v měřeném médiu. Velikost limitního proudu je funkcí koncentrace měřené sloţky [6]. Galvanometrické senzory Vyuţívají princip galvanického článku. Elektrodový systém je oddělen od analyzovaného média permeabilní membránou, vyrobenou např. z teflonu, polypropylenu či silikonového kaučuku. Membrána je propustná pouze pro plyny, nikoliv pro vodu a ionty. Na obr. 5 je nakresleno schéma galvanometrického senzoru kyslíku; elektrochemický článek je tvořen zlatou katodou a olověnou anodou. Kyslíkové molekuly difundují permeabilní membránou a jsou redukovány na elektrodě z ušlechtilého kovu (zlatá katoda) O 2 + 2H 2 O +4e 4OH Materiál druhé elektrody (olověná anoda) se oxiduje, spotřebovává se, a tím je určena i ţivotnost senzoru. 2Pb 2Pb e Proud procházející článkem je úměrný parciálnímu tlaku kyslíku v měřeném plynu.

108 Automatizace - snímače 108 U senzorů pro stanovení CO, popř. H 2 S, probíhají na elektrodách tyto reakce: eakce na anodě: CO + H 2 O CO 2 + 2H + + 2e H 2 S + 4H 2 O H 2 SO 4 + 8H + + 8e -, Na katodě dochází k redukci kyslíku: 1/2O 2 + 2H + + 2e H 2 O 2O 2 + 8H + + 8e 4H 2 O Velikost proudu se pohybuje v desítkách na/ppm, nulový proud v jednotkách nanoampérů. Elektrochemické senzory různých výrobců se mohou lišit elektrolytem, který bývá většinou vodný, ale i organický, dále tvarem, přístupem plynu k měřicí elektrodě a počtem elektrod. Pro základní funkci senzorů postačují dvě jiţ popsané elektrody, u přesnějších senzorů se obvykle přidává třetí, referenční elektroda, která se neúčastní elektrochemických dějů. Je určena ke stabilizaci potenciálu pracovní elektrody a umoţňuje rozšířit lineární oblast měření. Elektrochemické senzory se oproti katalytickým a polovodičovým vyznačují velmi dobrou selektivitou. Přesto se v určitých případech projevuje citlivost i na jiné látky, neţ pro které jsou určeny. Do jisté míry ji lze odstranit aplikací katalyzátorů, vhodným nastavením pracovního potenciálu, pouţitím speciálních filtrů nebo softwarově. Nevýhodou elektrochemických senzorů je dosti krátká ţivotnost, která se pohybuje od jednoho roku do tří let. Oblast pouţití elektrochemických senzorů je velmi široká. Uplatňují se v přenosných i stabilních analyzátorech a v monitorovacích zabezpečovacích systémech, kde slouţí k monitorování toxických látek v ovzduší (např. CO v garáţích, NH 3 a freony v chladírenských prostorách apod.). Společně s pelistory a polovodičovými senzory se vyuţívají v multifunkčních analyzátorech, které se osazují několika typy senzorů. Například multifunkční přenosný přístroj MX21 firmy Oldham [7] můţe být vybaven aţ čtyřmi různými senzory pro simultánní měření čtyř různých sloţek ve vzorku plynu. Podobné moţnosti poskytuje i přenosný přístroj Multiwarn firmy Dräger. Elektrochemické senzory s pevným elektrolytem Vyuţívají k měření koncentrace kyslíku v plynných směsích. Elektrochemický článek Pt-elektrolyt-Pt pouţívá pevný elektrolyt, kterým nejčastěji bývá keramická hmota na bázi oxidu zirkoničitého dotovaného oxidem ytritým. Tato keramická hmota je za normální teploty nevodivá, ale při rostoucí teplotě její odpor klesá a při teplotě nad 600 C dosahuje pohyblivost elektrických nábojů hodnot, které umoţňují snímat napětí na elektrodách. Běţně se snímače vyhřívají na teplotu 650 aţ 950 C. Elektrochemické senzory s pevným elektrolytem vyuţívají pohyb iontů v keramické hmotě. Na rozdíl od kapalných elektrolytů je moţný jen přenos jednoho druhu iontů. Principiální schéma senzoru je nakresleno na obr. 6.

109 Automatizace - snímače 109 Při měření se porovnávají dvě koncentrace kyslíku, jednak je to koncentrace O 2 v měřeném plynu, jednak koncentrace O 2 ve srovnávacím plynu, kterým je nejčastěji vzduch. Pro měření napětí na elektrodách je moţné odvodit z Nernstovy rovnice vztah kde E je napětí na elektrodách, univerzální plynová konstanta T absolutní teplota, F Faradayova konstanta, plynu. p M, p S parciální tlak kyslíku v měřeném a srovnávacím Senzory tohoto typu se často pouţívají k měření koncentrace kyslíku ve spalinách.

110 Automatizace - snímače 110 Optické analyzátory Do skupiny optických analyzátorů je moţné zařadit přístroje, v nichţ je určitým způsobem ovlivňováno elektromagnetické záření v ultrafialové, viditelné a infračervené oblasti [9]. U analyzátorů plynů se nejčastěji vyuţívá absorpce záření v měřeném vzorku plynu. Při průchodu světla vrstvou průhledné látky dochází k zeslabení zářivého toku. Pro monochromatické světlo platí Lambertův-Beerův zákon, který lze vyjádřit rovnicí I=I 0 e cl kde I 0 je zářivý tok vstupující do vrstvy látky, I zářivý tok vystupující z látky, e základ přirozeného logaritmu, extinkční koeficient dané látky, c molární koncentrace l tloušťka vrstvy. Extinkční koeficient e je silně závislý na vlnové délce, a nejde-li o monochromatické světlo, Lambertův-Beerův zákon neplatí. Pro měření koncentrace plynů je na trhu k dispozici mnoţství optických analyzátorů, které se vzájemně liší uspořádáním zdroje světla, měřicích kyvet, clon, filtrů a detektorů záření. Moţných kombinací je mnoho a v dalším textu jsou uvedeny příklady některých základních uspořádání. Nejjednodušší uspořádání představuje jednopaprskový fotometr, jehoţ schéma je na obr. 7. Toto uspořádání je vhodné jen pro nenáročné aplikace, protoţe na výslednou přesnost má značný vliv kolísání intenzity zdroje záření i změna citlivosti detektoru.u dvoupaprskových fotometrů se srovnávají intenzity dvou paprsků, z nichţ jeden je měřicí a druhý srovnávací. Většinou se pouţívá jeden zdroj světla společný pro oba paprsky, protoţe se tím zmenšují chyby způsobené kolísáním intenzity světla. Dalšího zlepšení lze dosáhnout pouţitím společného detektoru, čímţ se odstraní rušivé změny způsobené nestejnými změnami citlivosti dvou detektorů. Schéma uspořádání dvoupaprskového fotometru se společným zdrojem a detektorem je na obr. 10. Při pouţití jednoho detektoru, který je společný pro obě optické dráhy, musí být fotometr doplněn zařízením, jeţ střídavě přerušuje oba paprsky. Nejčastěji se pouţívá rotační clona, která střídavě zaclání jeden z paprsků. Na výstupu z detektoru vzniká časově proměnný signál, jehoţ amplituda je úměrná rozdílu zářivých toků v obou optických drahách a kmitočet souvisí s rychlostí otáčení clony a s počtem jejích výřezů.

111 Automatizace - snímače 111 Pouţitím společné kyvety je moţné vyloučit vliv znečištění okének, popř. rušivý vliv některých sloţek v měřené směsi. Při pouţití společné kyvety je nutné měřicí a srovnávací paprsek odlišit vlnovou délkou. Toho se dosáhne zařazením různých optických filtrů. Měřit při různých vlnových délkách lze i fotometrem jednopaprskového uspořádání, je li do cesty paprsku vloţena rotující clona se zabudovanými optickými filtry. V automatické analýze se vyuţívá absorpční fotometrie v infračervené, viditelné i ultrafialové oblasti spektra. Obecně se při absorpci elektromagnetického záření vyuţije energie pohlceného fotonu na zvýšení energie atomu, resp. molekuly plynu. Energetickému obsahu fotonu v infračervené oblasti odpovídají změny vibračních a rotačních stavů některých molekul. Energie potřebná k vybuzení vibrací je rovna řádově 10 1 ev, coţ odpovídá záření kolem 1 aţ 10 nm. Vibrační spektrum tedy leţí v blízké infračervené oblasti. Důleţitá je skutečnost, ţe v infračervené oblasti absorbují molekuly, které vykazují trvalý dipólový moment, tj. plyny sloţené nejméně ze dvou druhů atomů. Molekuly H 2, O 2, N 2, které jsou souměrné, infračervené záření neabsorbují. IČ záření absorbují např. tříatomové molekuly vody, a proto vodní pára obsaţená v měřeném vzorku plynu můţe způsobit významnou chybu měření. Infračervené spektrofotometry jsou určeny ke zkoumání struktury látek a k identifikaci organických sloučenin i pro jejich kvantitativní analýzu. Jsou to však sloţitá a nákladná zařízení, vyuţívaná především v laboratorní praxi. Za provozní přístroje jsou voleny IČ bezdisperzní analyzátory. Bezdisperzní přístroje pracují bez rozkladu světla a vyuţívají absorpci ve velmi široké oblasti spektra. U provozních přístrojů se pouţívají vlnové délky od 0,7 do 10 nm. Bezdispezní analyzátory jsou mnohem jednodušší, levnější a mechanicky odolnější neţ disperzní přístroje. Selektivity se u bezdisperzních analyzátorů, které pracují s neselektivním zdrojem záření, nejčastěji dosahuje pouţitím selektivního detektoru, jenţ reaguje jen na určitou vlnovou délku nebo oblast záření. Schéma takového přístroje je nakresleno na obr. 9. Infračervené záření vychází ze dvou zářičů a je usměrňováno pomocí parabolických zrcadel. Zářiči většinou jsou kovová vlákna nebo pásky elektricky ţhavené na teplotu asi 600 aţ 800 C. Svazky paprsků procházejí měřicí a srovnávací kyvetou do detektoru. Vnitřní povrch kyvet bývá pozlacený, okénka jsou zhotovena z materiálu propouštějícího infračervené záření (slída, KCl, NaCl). Srovnávací kyveta je naplněna plynem, jenţ neabsorbuje infračervené záření. Měřicí kyvetou protéká analyzovaný plyn. Obsahuje-li látku absorbující v infračervené oblasti, je záření příslušných vlnových délek pohlcováno a na detektor dopadá záření zeslabené úměrně ke koncentraci vzorku. Detektor je tvořen dvěma komorami naplněnými měřeným plynem. V komorách detektoru se absorbuje infračervené záření těch vlnových délek, které odpovídají měřené látce. Tímto uspořádáním se dosahuje selektivity měření. Při absorpci infračerveného záření se ohřívá náplň komory detektoru a tím dochází i ke změně tlaku. Komory detektoru jsou od sebe odděleny membránovým kondenzátorem. Jedna elektroda kondenzátoru je tvořena pevnou děrovanou přepáţkou, druhou elektrodou je membrána z kovové

112 Automatizace - snímače 112 fólie. Na elektrodách kondenzátoru je při měření určitý náboj a při změně tlaku v některé z komor se membrána vychýlí, coţ způsobí změnu kapacity kondenzátoru. Oba svazky paprsků jsou periodicky přerušovány rotační kotoučovou clonou, poháněnou elektromotorkem. Při přerušování paprsků se periodicky mění teplota, a tedy i tlak v komorách detektoru. Pokud jsou zářivé toky v obou optických drahách stejné, nevychyluje se membrána kondenzátoru. Je li záření v měřicí kyvetě zeslabeno absorpcí měřenou látkou, náplň obou komor detektoru je nestejně ohřívána. Periodické změny tlaku vyvolávají kmity membrány kondenzátoru. Amplituda kmitů je úměrná rozdílu zářivých toků charakteristických vlnových délek, a tedy i koncentraci měřené sloţky. Obsahuje-li analyzovaná směs plyny, které částečně absorbují ve stejných oblastech vlnových délek jako měřená látka, zařazují se do obou optických drah selektivní filtry realizované jako kyvety naplněné interferujícími plyny. Ve filtračních kyvetách je potom pohlcováno záření těch vlnových délek, které příslušejí interferujícímu plynu. Kromě selektivních detektorů se pouţívají i detektory neselektivní. Ty reagují na vlnové délky v široké oblasti IČ spektra. Jako příklad je moţné uvést bolometry a pyroelektrické senzory [4]. V provozní praxi se lze setkat s mnoţstvím IČ analyzátorů různých výrobců (např. přístroje řady Uras firmy ABB Automation, Analytical Division, dříve Hartmann-Braun, dále přístroje Binos firmy Emerson Proces Management, dříve Fisher-osemount, atd.). Jednotlivé přístroje obsahují společné základní stavební prvky, liší se konkrétním uspořádáním optické části, pouţitým detektorem a způsobem zpracování signálu. Velkou předností infračervených analyzátorů je široké rozmezí měřicích rozsahů v objemových koncentracích řádově od desítek aţ stovek ppm po 100 %. IČ analyzátory se obecně vyznačují dosti vysokou selektivitou, i kdyţ při některých aplikacích je nutné počítat s působením rušivých sloţek, které mohou zkreslit výsledek měření. Například při měření emisí v kouřových plynech jsou rušivými sloţkami vodní pára a oxid uhličitý. Aplikační moţnosti IČ analyzátorů jsou značné. Typickým příkladem je sledování oxidu uhelnatého a dalších toxických látek ve vzduchu v koncentracích okolo hranice toxicity či hranice předepsané hygienickými normami. Fotometrie v ultrafialové oblasti se vyuţívá ke stanovení koncentrace mnoţství plynů zajímavých z hlediska měření emisí, např. ozonu, oxidů dusíku, SO 2, NH 3, dále jsou vhodné pro měření nízkých koncentrací par acetonu, benzenu, toluenu, fenolu, naftalenu a dalších organických látek. Značný význam mají UV analyzátory pro stanovení par rtuti. Obvyklými stavebními prvky UV analyzátorů je zdroj UV záření, filtry, kyvety a detektor. Jako zdroje záření se obvykle vyuţívají různé výbojky, nejčastěji výbojky rtuťové. Detektory mohou být polovodičové fotodiody, dále vakuové fotonky nebo fotonky s plynovou náplní. Do skupiny optických analyzátorů lze zařadit i chemiluminiscenční analyzátory. Tyto přístroje se vyuţívají především pro měření nízkých koncentrací oxidů dusíku. Základem těchto analyzátorů je chemická reakce oxidu dusnatého s ozonem

113 Automatizace - snímače 113 NO + O 3 NO 2 * + O 2 NO 2 * označuje, ţe vzniklá molekula oxidu dusičitého je v excitovaném stavu a má vyšší energii neţ odpovídá normálním podmínkám. Tato vyšší energie se vyzáří vysláním fotonu NO 2 * NO 2 + hn Energie vyzářeného fotonu odpovídá blízké infračervené oblasti (600 aţ nm). Chemiluminiscenci si lze představit tak, ţe kaţdá sráţka molekul NO a O 3 je doprovázena světelným zábleskem, který je moţné zaznamenat. Základní součástí chemiluminiscenčního analyzátoru je měřicí komora se dvěma přívody a její součástí je i detektor záření (obr. 10). Jedním přívodem se přivádí stabilizovaný průtok měřeného plynu s obsahem oxidu dusnatého. Druhým přívodem přitéká ozon. Za předpokladu, ţe ozon je přiváděn v přebytku, je intenzita vznikajícího záření přímo úměrná mnoţství NO ve vzorku plynu. Ozon potřebný pro reakci se vyrábí v generátoru ozonu ze vzdušného kyslíku působením ultrafialového záření. Koncentraci NO 2 je moţné měřit chemiluminiscenčním analyzátorem tak, ţe se NO 2 převede před vstupem do měřicí komory na NO. Tato konverze se uskutečňuje v konvertoru, coţ je malý reaktor s redukující náplní, který je předřazen před měřicí komoru. V případě měřicí komory s konvertorem měří analyzátor celkový obsah oxidů dusíku. Koncentraci samotného NO2 lze zjistit porovnáním signálu získaného při měření směsi procházející mimo konvertor se signálem získaným po průchodu směsi konvertorem. Při pouţití vhodného přepínacího systému poskytne analyzátor informaci o obsahu NO, NO x a NO 2.

114 Automatizace - snímače 114 Magnetické analyzátory Podle chování plynů v magnetickém poli se rozlišují plyny paramagnetické a diamagnetické. Charakteristickou konstantou paramagnetických a diamagnetických látek je magnetická susceptibilita. Magnetická susceptibilita paramagnetických látek je větší neţ nula, látek diamagnetických menší neţ nula. Parametrické látky jsou vtahovány do nehomogenního magnetického pole, diamagnetické látky jsou z magnetického pole naopak vypuzovány. Většina technicky důleţitých plynů jsou látky diamagnetické; výrazné paramagnetické vlastnosti vykazuje kyslík. Paramagnetické vlastnosti vykazují ještě některé oxidy dusíku a chloru. Paramagnetismus plynů se vysvětluje přítomností nepárového elektronu v molekule, u kyslíku nespřaţeným párem elektronů o paralelním spinu. Při zvyšování teploty se magnetická susceptibilita paramagnetických plynů zmenšuje podle vztahu X=C/T kde X je magnetická susceptibilita, C konstanta, T termodynamická teplota. Analyzátory zaloţené na měření magnetických vlastností vyuţívají výjimečné postavení kyslíku k jeho selektivnímu stanovení v plynných směsích. Při konstrukci automatických analyzátorů se vyuţívá buď statická metoda, při níţ se měří síla, kterou působí nehomogenní magnetické pole na určitý objem plynu, nebo dynamická metoda, při které se měří proudění vznikající tzv. termomagnetickou konvekcí. Příklad uspořádání měřicího systému, jenţ vyuţívá statické metody, je na obr. 11. Systém je zaloţen na skutečnosti, ţe těleso z látky s větší susceptibilitou je přitahováno do míst s větší intenzitou magnetického pole, zatímco látka s menší susceptibilitou je vypuzována. Těleso s menší susceptibilitou je představováno malou skleněnou baňkou kulového nebo válcového tvaru, která je naplněna dusíkem. Takováto dvě tělíska jsou zavěšena na torzním vlákně a jsou umístěna ve vhodně orientovaném nehomogenním magnetickém poli. Nachází-li se kolem tělísek paramagnetický kyslík, jsou tělíska vytlačována z magnetického pole. Při malých rozměrech měřicího systému je i otáčivý moment velmi malý, a proto se pro sledování výchylky otáčivého systému

115 Automatizace - snímače 115 vyuţívají optické prostředky (zrcátko na křemenném závěsu, zdroj světla a fotoelektrická detekce rozváţení systému). Vzniklý krouticí moment je kompenzován momentem vytvářeným elektromagneticky pomocí proudové smyčky. Druhá skupina magnetických analyzátorů vyuţívá termomagnetickou konvekci. Společným znakem je zahřívání měřeného plynu v magnetickém poli, přičemţ u paramagnetického plynu nastává pokles magnetické susceptibility. Velikost vzniklého proudění plynu je závislá na koncentraci paramagnetického plynu. Typickým představitelem přístroje tohoto typu je analyzátor s prstencovou komorou, která je znázorněna na obr. 12. Analyzovaný plyn přichází do prstencové komory, v níţ je napříč umístěna tenkostěnná skleněná trubice, ovinutá platinovým odporovým vinutím, jeţ je vyhříváno elektrickým proudem. Vinutí je rozděleno na dvě poloviny, které tvoří dvě větve Wheatstoneova můstku. Jedna část vinutí je umístěna mezi pólovými nástavci permanentního magnetu, který vytváří nehomogenní magnetické pole. Je-li příčná trubice ve vodorovné poloze a není-li v plynu přítomen O 2, plyn trubkou neproudí. Jestliţe je v měřeném plynu kyslík obsaţen, je vtahován do magnetického pole. V trubce je plyn ohříván, jeho magnetická susceptibilita klesá, a proto je teplejší plyn vypuzován plynem chladnějším o vyšší susceptibilitě. Vzniká termomagnetická konvekce a v jejím důsledku způsobuje proudění plynu nestejné ochlazování obou částí platinového vinutí. ychlost proudění plynu, tím i teplota a odpor vinutí jsou úměrné koncentraci kyslíku v analyzovaném vzorku. Měřicí přístroj v diagonále můstku je kalibrován přímo v jednotkách objemové koncentrace kyslíku. Potenciometr P slouţí k seřízení nulové polohy měřicího přístroje. justace polohy analyzátoru. Analyzátory tohoto typu umoţňují měření v různých rozsazích objemové koncentrace kyslíku od 0 do 100 %. Nakloněním příčné trubice lze potlačit část měřicího rozsahu a upravit rozsah např. na 20 aţ 21 % O 2 nebo 95 aţ 100 % O 2 apod. Nejmenší rozsahy jsou 0 aţ 1 % O 2 s relativní chybou ±2 % z rozsahu. Předpokladem správné funkce přístroje je temperování prostoru prstencové komory, stabilizace napájecího proudu měřicího můstku, korekce vlivu barometrického tlaku na údaj analyzátoru a Termomagnetická konvekce se vyuţívá i v měřicí komoře magnetických analyzátorů s topným drátem [9]. Příklad konstrukce měřicí komory analyzátoru Magnos 4 firmy Hartmann-Braun je na obr. 13. Topný drát nebo topná smyčka jsou umístěny v blízkosti pólových nástavců permanentního magnetu. Srovnávací komora je geometricky shodná, pólové nástavce nejsou připojeny k magnetu. Za přítomnosti paramagnetického plynu se v měřicí komoře vlivem termomagnetické konvekce zvětšuje tepelné proudění. Velikost proudění, tím i teplota a odpor topné smyčky jsou úměrné koncentraci paramagnetického plynu v plynné směsi.

116 Automatizace - snímače 116 Magnetické analyzátory jsou s výjimkou několika málo plynů specifické pro kyslík, a představují tedy vysoce selektivní přístroje pro stanovení kyslíku v plynných směsích. Magnetomechanické přístroje vykazují nejmenší závislost údaje na stavových podmínkách a na sloţení nosného plynu. Termomagnetické analyzátory nemají ţádné pohyblivé součásti a jsou velmi odolné; jejich údaj však závisí na tepelné vodivosti měřeného vzorku. Magnetické analyzátory se vyuţívají zejména při kontrole spalovacích a dalších oxidačních procesů v chemickém průmyslu, hutnictví, cementárnách, teplárnách apod. Analyzátory s ionizačními detektory U ionizačních detektorů se vyuţívají děje, při kterých působením vhodné energie jsou ionizovány neutrální částice za vzniku elektricky nabitých částic, které mohou zprostředkovat vedení elektrického proudu. Jako zdroj energie pro ionizaci lze vyuţít tepelnou energii plamene, ultrafialového nebo radioaktivního záření. Na pouţité energii závisí i selektivita detektoru. Příkladem můţe být detektor s ionizací v plameni. Plamenový ionizační detektor (FID) vyuţívá skutečnosti, ţe při spalování organických látek ve vodíkovém plameni vznikají kladné ionty a elektrony. Jestliţe na elektrody, umístěné v plameni, je vloţeno stejnosměrné napětí, mezi elektrodami protéká iontový proud, jehoţ velikost je úměrná mnoţství spalované organické látky. Iontový proud se měří pomocí stejnosměrného zesilovače s vysokým vstupním odporem. Schéma FID a jeho základního zapojení je na obr. 14. Do spalovací komory se přivádějí tři proudy plynu. Je to především analyzovaný vzorek, který se obvykle směšuje s vodíkem, zatímco vzduch potřebný pro hoření vodíku i organických látek se do komory přivádí samostatně. Charakteristiku dějů ve vodíkovém plameni FID je moţné znázornit schématem na obr. 15. Ionizační potenciál organických látek se pohybuje v rozmezí 9 aţ 12 ev. K ionizaci radikálů, které vznikají při pyrolýze ve vodíkovém plameni, však stačí jiţ ionizační energie asi 7 ev. Na elektrody FID je vloţeno stejnosměrné napětí 50 aţ 200 V. Elektrody mohou být nejrůznějšího uspořádání. Dosti často tvoří jednu elektrodu přímo trubička hořáku. Druhá elektroda má tvar prstence nebo válce a je umístěna v takové vzdálenosti, aby nesniţovala teplotu plamene, ale aby byla v dosahu iontů vznikajících v plameni. Iontový proud je přibliţně úměrný počtu uhlíkových atomů, které projdou plamenem za časovou jednotku. Velikost signálu se zmenšuje se vzrůstajícím mnoţstvím dusíku, kyslíku a halogenů

117 Automatizace - snímače 117 v molekule; dále jeho velikost závisí na postavení atomu uhlíku v molekule organické látky a na jeho chemické vazbě. Pro vyhodnocení výsledku je příznivé, ţe při spalování samotného vodíku ionty nevznikají, takţe samotný vodíkový plamen elektrický proud téměř nevede. Ve vodíkovém plameni se neionizují anorganické plyny (O 2, N2, CO, CO 2, H 2 S, oxidy síry a dusíku, NH3, vodní pára). Protoţe iontový proud je poměrně malý, musí být pro zpracování signálu pouţit zesilovač s vysokou proudovou citlivostí (alespoň A). FID se nejčastěji uplatňuje jako detektor v plynové chromatografii. Existují však i komerčně vyráběné analyzátory nebo přístrojové moduly, které vyuţívají FID jako velmi citlivý chemický senzor na uhlovodíky a další organické látky. Tyto analyzátory jsou schopny kontinuálně měřit koncentraci uhlovodíků v širokém rozmezí koncentrací od jednotek ppm aţ po jednotky i desítky procent. Analyzátory s FID nacházejí uplatnění při kontrole znečištění ovzduší (stopové koncentrace uhlovodíků), při měření emisí z motorových vozidel, při kontrole atmosféry v dolech, tunelech, garáţích a odpadních kanálech. Lze je vyuţít i pro provozní průmyslovou kontrolu (měření čistoty inertních plynů, zjišťování netěsnosti potrubí a aparatur apod.).

118 Automatizace - snímače 118 Způsoby měření průtoku tekutin Pojem průtok se často pouţívá jak pro označení rychlosti proudění, tak i jako označení hmotnostního nebo objemového průtoku. Ovšem mezi těmito pojmy je určitý rozdíl. Objemový průtok Objemovým průtokem Q v označujeme objem tekutiny, který projde potrubím za jednotku času (například m 3.s -1 ). Pro zjištění objemového průtoku se vyuţívá měření pomocí rozdílů tlaků nebo výpočet z rychlosti proudění tekutiny v potrubí o známém průřezu. Předpokládáme ovšem, ţe tekutina zaplňuje celé potrubí, coţ nemusí vţdy odpovídat skutečnosti. Při měření průtoku kapalin je někdy potřeba provádět korekci objemového průtoku na změny teploty a tlaku. U měření průtoku plynů a par musíme tyto korekce provádět vţdy vzhledem ke stlačitelnosti proudícího média. Hmotnostní průtok Hmotnostní průtok Q m udává hmotnost tekutiny, které proteče potrubím za jednotku času. Pro přímé měření existují dvě základní metody - průtokoměry zaloţené na Coriolisově principu a tepelné hmotnostní průtokoměry. Nepřímo lze hmotnostní průtok vypočíst z objemového průtoku a ze známé hodnoty hustoty proudící tekutiny : Proteklé množství Je to objem nebo hmotnost tekutiny prošlé určitým místem potrubí za určitou dobu. Mezi průtokoměry, které měří proteklé mnoţství, patří plynoměry nebo vodoměry v domácnostech. Základní metody Měření rozdílu tlaku před a za primárním prvkem průtokoměru Většina průmyslových průtokoměrů je zaloţena právě na měření rozdílu tlaku před a za primárním prvkem průtokoměru. Základní skupinou těchto průtokoměrů jsou škrticí orgány, mezi které patří clona, dýza, Venturiho trubice, atd. Dále mezi průtokoměry zaloţené na snímání diference tlaku patří rychlostní sondy (Pitotova trubice, víceotvorová rychlostní sonda, Prandtlova trubice, kulová sonda, válcová sonda a jiné), kolenový průtokoměr, plováčkové průtokoměry, atd.

119 Automatizace - snímače 119 Legenda: v... rychlost proudění d... průměr otvoru škrticího orgánu (na obrázku je uvedena normalizovaná clona) D... průměr potrubí p s... vstupní statický tlak p 1... snímaný tlak před škrticím orgánem p 2... snímaný tlak za škrticím orgánem p... diferenční tlak (p 1 - p 2 ) p z... trvalá tlaková ztráta Tlakové poměry v okolí škrticího orgánu Tlakové poměry v potrubí při proudění popisuje Bernoulliho rovnice. Ta vyjadřuje zákon zachování mechanické energie v tekutinách, podle kterého při stejných podmínkách tlak v tekutině klesá s nárůstem rychlosti jejího proudění. K tomuto jevu dojde, pokud do potrubí, ve kterém proudí tekutina, vloţíme překáţku. ychlost proudění (kinetická energie) tekutiny při průchodu překáţkou roste při poklesu statického tlaku v tekutině (potenciální energie). ozdíl tlaků před a za překáţkou je přímo úměrný druhé mocnině rychlosti proudění (závisí také na tvaru překáţky): (2) kde v... rychlost proudění tekutiny [m.s -1 ] k... konstanta určující vlastnosti primárního prvku průtokoměru [-] p... diferenční tlak [Pa]

120 Automatizace - snímače 120 Clona... hustota tekutiny [kg.m -3 ] Clona je v podstatě plochá kovová deska s otvorem, která je vloţena do potrubí mezi příruby. Průměr škrticího otvoru a jeho umístění závisí na typu měřené tekutiny. Odběry statických tlaků jsou prováděny těsně před a za deskou, kdy existují dva základní typy odběrů - koutové odběry a přírubové odběry. Mezi základní typy clon patří clona soustředná (normalizovaná), excentrická a segmentová. Průtokoměry se škrticí clonou jsou robustní a i při velkých průměrech potrubí jsou relativně levné. Clonou lze měřit průtok většiny čistých tekutin. Jsou však náchylné vůči opotřebení, které můţe být způsobeno znečištěným médiem nebo médiem s částicemi. To můţe ovlivnit tlakovou diferenci odpovídající určitému průtoku. Aby se dosáhlo poţadovaných vlastností, musí být clona zabudována do přímého úseku potrubí s předem definovanými uklidňujícími úseky před a za clonou (uklidňující potrubí před a za průtokoměrem je udáváno u všech typů průtokoměrů, ovšem u normalizované clony bývají tyto úseky jedny z nejdelších). Venturiho trubice U Venturiho trubice je tekutina zrychlena v kuţelovém konfuzoru, coţ opět vyvolá místní pokles statického tlaku. V následující části trubice, difuzoru, se tlak téměř vrací na úroveň tlaku před zúţením. Výhodou Venturiho trubice je menší tlaková ztráta neţ u clony a velká přesnost měření. Nevýhodou je poměrně vysoká cena, proto se Venturiho trubice vyuţívá velmi málo.