Technická univerzita v Liberci Ústav pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Evidenční list funkčního vzorku stupeň utajení: bez utajení Funkční vzorek Geofyzikální ústředna GU100 modulární ústředna pro záznam dat v autonomním i síťovém režimu Číslo projektu: FR-TI1/362 Číslo výsledku: Funkce, útvar Jméno Datum Podpis Autor1: Technický pracovník Ing. Lubomír Slavík, Ph.D. 31.5.2013 Autor 2: Student Bc. Matěj Kolář 31.5.2013 Schválil: Spoluřešitel projektu za TUL Doc.Ing.Milan Hokr, Ph.D. 31.5.2013 Vedoucí LAN Prof.Dr.Ing.Jiří Maryška, CSc. 31.5.2013
1) rok uplatnění výsledku: 2013 2) jazyk výsledku: CZE 3) anotace výsledku: Zařízení je určeno pro měření velkého počtu senzorů fyzikálních a chemických veličin (teplota, tlak, průtok, vodivost, koncentrace chemických látek v kapalinách, aj). Přínosem je jednak centrální měření všech typů veličin, jednak nízká spotřeba měřicí ústředny, což umožní bateriový provoz. Přenos dat je umožněn po sběrnici RS485, ethernet nebo pomocí radiopřenosu (option). Protokol je otevřený pro případný sběr dat pomocí vlastního programu uživatele. Výhodou ústředny GU100 je i modularita, která umožní další rozšiřování možností ústředny v závislosti na požadavcích uživatelů. 4) celkový počet tvůrců výsledku: 2 5) počet domácích tvůrců: 2 6) seznam tvůrců výsledku: Lubomír Slavík, Matěj Kolář 7) kód oboru výsledku: JB 8) návaznost na projekt: FR-TI1/362 9) poddruh výsledku: funkční vzorek 10) interní kód produktu: GU100 11) lokalizace výsledku: TUL 12) kategorie výsledku podle nákladů na jeho dosažení: do 1 mil. Kč 13) vlastník výsledku (IČ, název, stát): 46747885, Technická univerzita v Liberci, ČR 14) povinnost získání licence: ano, licenční poplatek ne Popis Na českém trhu v současnosti neexistuje měřicí jednotka určená pro geofyzikální výzkum, která umožňuje současné měření velkého množství čidel fyzikálních a chemických veličin (až 250) při současném požadavku na velmi úsporný provoz, možnost ovládání pomocí klávesnice a displeje a sběr dat v síťovém režimu. Byla tedy vyvinuta měřicí ústředna GU100, určená pro monitorování fyzikálních a chemických veličin v horninovém prostředí. Tato jednotka je koncipována tak, aby splňovala následující požadavky: a) sběr dat z čidel fyzikálních a chemických veličin (teplota, vlhkost, tlak, PH, redox, konduktivita, koncentrace iontů, kyslíku a CO2, průtok kapalin a vzduchu, hladina, dilatace, univerzální vstupy 4-20 ma, univerzální vstupy 0-10 V), b) počet typů čidel 8 (možno rozšířit až na 250), c) počet čidel jednoho typu 8, d) práce v síti možnost vzdáleného sběru dat pomocí sběrnice RS485, ethernet a radiopřenosu, e) autonomní provoz (ovládání pomocí klávesnice a displeje), f) možnost napájení z výkonové sítě 230 V nebo baterie 12 V, g) uchování dat na paměťovém médiu (SD karta). Měřicí ústředna je řešena jako samostatná jednotka, která umožní připojení až 4 typů čidel na interní moduly (až 8 čidel od každého typu) a 4 (případně až 250) typů čidel připojených k této ústředně pomocí interní sběrnice RS485 (viz obr. 3). Každou čtveřici čidel (interní a externí) nazýváme uzlem. Mechanické uspořádání je zobrazeno na obr. 1 a 2.
Každý měřicí uzel má svou vlastní adresu pro externí sběr dat po sběrnici RS485, jednu pro interní moduly, jednu pro externí moduly. Tím je umožněno připojit až 64 měřicích uzlů, přičemž každý uzel umožňuje připojit 4 typy čidel po 8 kusech. Pro komunikaci byl zvolen protokol EPSnet, který posílá data pro 8 čidel v jedné zprávě. Ústředna se skládá z mechanické a elektronické části. Mechanickou část tvoří krabice Fibox s otvorem pro klávesnici a displej, elektronickou část tvoří základní deska (viz obr. 5), deska kapacitní klávesnice a displeje (viz obr.5) a následující moduly pro zpracování dat z jednotlivých fyzikálních čidel (viz. obr. 4): 1) Modul teploty měření teploty pomocí čidla Pt1000, zapojeného 4vodičově. Přesnost měření je 0,1 C, rozlišení je 0,01 C, stabilita měření 0,01 C/rok. 2) Modul pro pulzní vstupy počítání pulzů (sklopka) nebo doby mezi pulzy, při vyšších frekvencích měření frekvence (např. průtoková čidla) napájení 12-24 V. Měření může být aktivní tedy čidlo může být napájeno a aktivně generuje puls, kdy nulová hodnota je v rozsahu 0-3 V a jedničková hodnota 5-12 (24) V. Je možno zpracovávat i impulz pasivní, tedy čidlo (kontakt) je napájen 12 (24) V a vyhodnocuje se zkratovací moment kontaktu. 3) Modul 4-20 ma univerzální modul pro měření proudové smyčky 4 20 ma. Modul umožňuje měření proudu procházejícího smyčkou. Měření proudu je s přesností 0,2% z měřené hodnoty. Maximální hodnotě proudu (20 ma) je přiřazena maximální hodnota měřené veličiny. Minimální hodnotě proudu (4 ma) je přiřazena minimální hodnota měřené veličiny (obvykle 0). 4) Modul 0-10 V - univerzální modul pro měření napětí 0 10 V. Měření napětí je s přesností 0,2% z měřené hodnoty. Maximální hodnotě napětí (10 V) je přiřazena maximální hodnota měřené veličiny. Minimální hodnotě napětí (0 V) je přiřazena minimální hodnota měřené veličiny (obvykle 0). 5) Moduly pro chemická čidla: Koncepce je rozdělena na základní desku s procesorem a přídavné moduly. a. Modul milivoltmetru s velkým vstupním odporem je určen pro připojení nejvýše tří elektrod pro měření kyselosti (ph), oxidačně-redukčního potenciálu (ORP) nebo iontově selektivních elektrod. Modul dále umožňuje měřit teplotu, přičemž v jednom okamžiku je možno měřit pouze jednu veličinu. Funkce byla ověřena opakovaným měřením ve standardních kalibračních roztocích. b. Modul pro měření koncentrace rozpuštěného kyslíku slouží pro připojení Clarkova čidla, které vyžaduje trvalé přivedení polarizačního napětí. Z důvodů snížení spotřeby energie v době mimo měření je čidlo napájeno z baterie. Tím je snížena doba ustálení z několika desítek minut na řádově minuty. Funkce navrženého nanoampérmetru byla ověřena pomocí odporů simulujících čidlo i přímo měřením s danou sondou. Obvod je možno jednoduchou změnou odporů přizpůsobit i k použití s elektrodami různých výrobců, které mají odlišné parametry.
Obr. 1: GU100 měřicí ústředna s kapacitní klávesnicí a grafickým displejem Obr. 2: Možnosti zapojení ústředny GU100 Obr. 3: Síťové a autonomní zapojení měřicích ústředen GU100
Obr. 4: Měřicí moduly ústředny GU100 Obr. 5: Praktické provedení ústředny GU100.
Koncepce sítě pro sběr dat (viz. obr. 3) spočívá v komunikaci modulů s motherboardem a následně motherboardu s nadřazeným centrálním počítačem pro sběr dat ze všech zapojených ústředen. Protokol je stejný pro obě zmíněné komunikace. Dále ústředna poskytuje ukládání dat na SD kartu (implementace knihovny FatFS - souborový systém FAT32), zobrazování dat na grafickém displeji, ovládání přístroje pomocí klávesnice, komunikaci pomocí USB sběrnice a posílání dat pomocí sítě ethernet (protokol TCP/IP, LWPI stack). Obr. 6: Záznam databázového výpisu naměřených dat pomocí ústředny GU100 Ústředna GU100 umožňuje jak autonomní, tak síťový režim. V síťovém režimu jsou naměřená data (např. teploty) jsou zasílána pomocí sítě ethernet přímo na server a zpracována v databázovém systému. Příklad výpisu databáze naměřených dat (teplot) ústřednou GU100 je zobrazen na obr. 6. Výhodou geofyzikální ústředny GU100 je zejména jednotný systém pro sběr dat z mnoha typů fyzikální veličin. Centrální jednotka posílá naměřená data jednotným známým protokolem, přitom mohou být použita čidla různých výrobců. Další nespornou výhodou ústředny je použití úsporných technologií, kdy řídicí procesor jak na motherboardu, tak na modulech umožní vypínání jednotlivých funkčních bloků v době, kdy není třeba veličiny měřit. Výsledkem je velmi nízký příkon ústředny, což umožní poměrně dlouhodobý bateriový režim při měření velkého počtu sledovaných veličin. Ústředna může pracovat i v autonomním režimu a je možno ji ovládat pomocí klávesnice a displeje, přičemž data jsou ukládána na paměťovou kartu typu SD. Výsledek byl vytvořen s využitím účelové podpory v rámci projektu MPO Výzkum vlastností materiálu pro bezpečné ukládání radioaktivních odpadů a vývoj postupu jejich hodnocení ev. č. FR- TI1/362 v programu TIP.