Inspiromat pro výuku a Tecomat: co v učebnici automatizace nebylo

(část 3 – řízení tepelných soustav – od varné konvice k budovám, 1. díl) Dosavadní náplní seriálu bylo měření na tepelných soustavách s využitím programovatelného automatu (PLC) Tecomat Foxtrot a zobrazení časových průběhů. V první části to bylo měření teploty lidského těla, jehož teplota je po dobu měření stálá. Výsledky měření byly současně příležitostí k pochopení dynamiky senzoru, který lze považovat za soustavu prvního řádu. Její dynamika byla ilustrována i na příkladech obdobných soustav z oboru elektrotechniky a hydrauliky. Druhá část se zabývala měřením teploty soustav, jejichž teplota se pomalu mění vlivem okolního prostředí (spontánním ochlazováním nebo ohřevem). Spolu s dynamikou senzoru lze měřenou soustavu považovat za soustavu alespoň druhého řádu se dvěma vstupy. Následovalo měření teploty vody ve varné konvici. Tu lze považovat za soustavu druhého nebo vyššího řádu se dvěma vstupy – a navíc je astatická (integrační). Je možné ji považovat za model tepelných soustav v technice budov. Varnou konvicí se budeme zabývat i nadále, ale nyní z pohledu jejího řízení a regulace teploty. Ilustrováno bude řízení výkonu metodou pulzně šířkové modulace (PWM) a možností řešení nespojitého regulátoru (termostatu).Varná konvice a budovy?Elektrická rychlovarná konvice (dále jen varná konvice) je nejenom vhodná k rychlému uvaření vody na čaj nebo kávu, ale může být použita také jako laboratorní učební pomůcka k experimentování s programovatelnými automaty. Je jednoduchá a snadno dostupná. Grafická prezentace výsledků je názorná. Významná je ale skutečnost, že může sloužit jako zjednodušený a zrychlený fyzikální model tepelných procesů v budovách při vytápění v zimním období nebo při chlazení (klimatizaci) v letním období (což je podobný proces, jen s opačnými znaménky). Oba typy objektů lze považovat za soustavy se dvěma vstupy, v podstatě lineární. Obdobnou dynamiku vykazují i jiné (nejenom tepelné) soustavy v domácnosti nebo v průmyslu.Pro jednoduchost uvažujme vytápění místnosti. Prvním vstupem řízené soustavy je tok tepelné energie (tepelný tok) z topidla (tepelného zdroje). Ten je ovšem jednopolaritní – topení může být buď zapnuto (popř. s proměnným výkonem), nebo vypnuto. V terminologii teorie regulace lze situaci charakterizovat jako „razantní omezení akční veličiny“, která může mít jen kladné znaménko, a akční veličina opačné hodnoty není dostupná. Vědomě vylučujeme možnost, kdy bychom přetopenou místnost chladili, např. systémem fan-coil (je-li instalován) nebo třeba otevřením okna, což by bylo z energetického hlediska nesmyslné. Za druhý vstup lze považovat ztráty – spontánní vyrovnávání teploty v místnosti s teplotou vnějšího prostředí. Tepelné ztráty se uplatňují trvale – jak v průběhu aktivního topení, tak při jeho vypnutí. Intenzita tepelných ztrát se zvyšuje s rozdílem teplot uvnitř a vně místnosti a závisí na kvalitě izolace pláště budovy (tepelné propustnosti zdiva a oken, popř. na „tepelných můstcích“). Dynamika tepelných ztrát je určována schopností akumulace tepla v plášti budovy. Nově postavené a renovované budovy se vyznačují minimálními tepelnými ztrátami („zateplení“ bývá hlavním důvodem renovace budovy). Tepelné ztráty budovy se tím minimalizují, u „nulových domů“ se blíží k nule. Je to sice pozitivní jev, ale vyžaduje změnu přístupu k řízení procesu vytápění – případné přehřátí („přetopení“) prostoru se tak stává dlouhodobým a zhoršuje pocit tepelné pohody obyvatel. Neuvažujeme-li dodatečné chlazení prostoru, je třeba proces vytápění řídit tak, aby nedocházelo k výraznému přehřívání. Dynamice tepelných procesů je účelné přizpůsobit i časový program budovy (předstih začátku a konce vytápění). Jestliže např. známe (nebo umíme změřit) dobu, za jakou po vypnutí klesne teplota v místnosti pod tolerovanou hodnotu, můžeme vytápění ukončit přiměřeně dříve. Podobně je možné optimalizovat dobu začátku vytápění. Vědomě zde pomíjíme důsledky zateplení budovy pro kvalitu vnitřního prostředí (vlhkost a znečištění vzduchu, koncentrace CO2) a možnosti řešení (např. nucená ventilace s rekuperací).Podobnou dynamiku vykazuje i varná konvice, ovšem s jinými časovými měřítky. Ilustrují ji příklady 5 a 6 v závěru předchozí části seriálu (Automa 2018, č. 5, str. 16 až 19). Tam uvedený obr. 6 znázorňuje průběh teploty vody při zapnutí a vypnutí konvice a obr. 10 průběh teploty při přerušovaném zapínání a vypínání konvice. Na obr. 7 a obr. 8 je schéma elektrického a hydraulického obvodu, jako hrubě zjednodušeného modelu procesu soustavy se dvěma vstupy. Na obr. 13 a obr. 14 jsou uvedena doplněná schémata, která respektují tepelnou kapacitu topného tělíska. Schémata na obr. 15 a obr. 16 navíc respektují i tepelnou kapacitu pláště konvice. Obdobnou dynamiku, ovšem s jinými časovými konstantami, vykazuje i místnost vytápěná elektrickým přímotopným zdrojem tepla. Podobně se chovají i jiné tepelné soustavy v domácnosti, např. elektrické podlahové topení, elektrický nebo plynový kotel, bojler, průtokový ohřívač vody nebo plynová pečicí trouba, varná deska nebo ploténka, plynový hořák, ale i ohřev vody v pračce a jiných tepelných spotřebičích. Pro většinu uvedených soustav platí, že z tepelného zdroje proudí neměnný tepelný tok. Kdyby neexistovaly tepelné ztráty, narůstala by teplota v soustavě (teoreticky) lineárně a až do nekonečna. V důsledku tepelných ztrát (které nelze nikdy vyloučit) teplo ze soustavy uniká (většinou úměrně s rostoucím rozdílem teplot), až se teplota ustálí v rovnovážném stavu, kdy je vyrovnán tepelný tok ze zdroje a tepelný tok ztrát – např. u vláknové žárovky. U většiny tepelných soustav nedochází k takto nekontrolovanému ohřevu. Například u varné konvice se růst teploty zastaví při varu vody (jestliže se všechna voda nevypaří – pak ohřev zastaví bezpečnostní pojistka). Často je ohřev cyklicky přerušován a spouštěn termostatem při regulaci teploty (např. v pečicí troubě, automatické pračce, zavařovacím hrnci). Téměř vždy je tepelný zdroj nebo spotřebič vybaven bezpečnostní pojistkou, která zabrání překročení teploty nad nastavenou hodnotu. Někdy je ohřev ovládán ručně obsluhou, např. při přípravě jídel. Selhání bezpečnostní pojistky mívá fatální následky, obvykle destrukci přístroje, požár nebo jinou havarijní situaci. Jiná situace nastává v místnostech s kapalinovým vytápěním nebo chlazením. Zde má teplosměnné médium (nejčastěji voda) dlouhodobě stálou teplotu a tepelný tok je úměrný rozdílu teplot vody a vytápěného prostoru. Patrně nejrozšířenější je teplovodní vytápění s otopnými tělesy (radiátory). Rovněž zde se lze setkat s tepelnou soustavou se dvěma vstupy. Prvním vstupem soustavy je otopné těleso, které zprostředkuje předávání teploty z topné vody do vzduchu v prostoru vytápěné místnosti. I ten působí jednosměrně – buď je zapnut (popř. s regulovaným průtokem), nebo je vypnut. Druhým vstupem jsou zase tepelné ztráty, které působí v podstatě trvale a nezávisle na stavu topného tělesa – při jeho zapnutí i vypnutí. Oproti předchozímu případu s přímotopným topidlem zde jde o statickou soustavu. Teplota vzduchu v místnosti nemůže být vyšší, než je teplota topného tělesa (neuvažujeme-li jiné zdroje tepla). Kdybychom (teoreticky) vyloučili tepelné ztráty, ustálila by se teplota ve vytápěném prostoru na teplotě topné vody. Působením druhého vstupu (ztrát) je ovšem teplota v prostoru jiná – v závislosti na venkovní teplotě (tepelných ztrátách nebo tepelných ziscích). Zjednodušeným modelem takové soustavy v oboru elektrotechniky může být elektrický obvod podle obr. 7, obr. 16 a obr. 15 – stále se odkazujeme na minulý díl seriálu – upravený tak, že zdroj proudu v levé části schématu (ik) nahradíme zdrojem konstantního napětí. Obdobně v hydraulické analogii podle obr. 8, obr. 14 a obr. 16 by v levé části schématu bylo třeba přívod s konstantním průtokem nahradit přívodem z velké nádrže (zdroje konstantního tlaku). Ve virtuálním modelu je úprava snadná, fyzikální model by byl nesrovnatelně komplikovanější (konstrukčně pracnější a v provozu méně spolehlivý) oproti připojení varné konvice – proto u ní raději zůstaňme.Při tradičním centrálním vytápění s otopnými tělesy je pro celý objekt topná voda ohřívána na stálou teplotu (obvykle v rozmezí +40 až +80 °C) ze společného regulovaného kotle nebo z předávací stanice. Průtok vody do jednotlivých radiátorů je ovládán jejich regulačními ventily (dvoustavovými nebo spojitě řízenými). Při lokálním (etážovém) vytápění bývají ventily pevně nastaveny a podle potřeby se ovládá aktivita kotle. Při kapalinovém podlahovém vytápění protéká otopné médium (obvykle voda) meandrem z trubek v hmotě podlahy a touto cestou ohřívá vzduch ve vytápěné místnosti. Teplota vody bývá jen kolem +30 °C – bylo by nepříjemné mít „horkou půdu pod nohama“. Na podobném principu (ovšem v opačném směru) působí stropní chlazení. Obdobně pracují i jiné tekutinové systémy topení a chlazení v budovách (např. klimatizace, fan-coil, stěnové vytápění apod.), ale i v technologických procesech (např. při ohřevu nebo chlazení chemických reaktorů nebo v potravinářských zařízeních). Obdobné procesy se uplatňují i v činnosti chladniček, mrazniček a tepelných čerpadel, ale i ve velkých chladírnách a mrazírnách při výrobě, dopravě a prodeji potravin, v kuchyních restaurací a výrobnách potravin. Obrázky obr. 8, obr. 14 a obr. 16 s hydraulickými schématy byly do textu zařazeny především pro názornost výkladu – snáze si lze představit plnění nebo vyprazdňování nádrží a tok kapaliny než „přelévání tepla a elektrického náboje“. Podobná problematika se objevuje i u reálných hydraulických soustav v technologických a biologických procesech, v rybníkářství a vodním hospodářství, vodárenství a lodní dopravě – např. při řízení plavebních komor. V malém měřítku se lze s dynamikou hydraulické soustavy setkat např. při vypouštění umyvadla, vany, bazénu nebo při splachování WC.Hrátky s varnou konvicí ve ZlíněDále popsané experimenty s varnou konvicí byly realizovány v laboratoři SPŠ Zlín. Při vysvětlování pojmu „regulovaná soustava“ je vhodné uvést konkrétní příklady, se kterými se žáci již setkali nebo setkávají v běžném životě, např. elektrický bojler, ploténka elektrického sporáku, vytápění místnosti nebo splachovadlo. Tyto soustavy ale nelze umístit do laboratoře, a proto nejsou vhodné jako názorné ukázky. Varná konvice se používá snad v každé domácnosti. Má tedy smysl vyzkoušet ohřev a regulaci teploty vody pomocí tohoto běžného kuchyňského zařízení. K pokusům byla použita varná konvice o příkonu 2 000 W s topným tělískem zabudovaným do dna. Při experimentech byla vždy naplněna 1 l vody. K jejímu řízení byl použit programovatelný automat Tecomat Foxtrot, který je v laboratořích SPŠ Zlín tradičně využíván. Centrální jednotkou byl modul CP1014 s modulem C-OR-0202B připojeným na sběrnicí CIB. Obr. 1. K experimentům s varnou konvicí byl použit programovatelný automat Tecomat Foxtrot s centrální jednotkou CP1014 (vlevo) a periferní modul C-OR-0202B připojený na sběrnicí CIB (vpravo)Centrální jednotka CP1014 je vybavena osmi různě nastavitelnými vstupy a šesticí reléových výstupů. Obsahuje uživatelský displej 4 × 20 znaků. Prostřednictvím systémové sběrnice TCL2 lze připojit další moduly vstupů a výstupů. Na sběrnici CIB je možné připojit další moduly ze sortimentu stavebnice elektroinstalačních prvků CFox – v popisovaném případě již zmíněný modul C-OR-0202B (www.tecomat.cz). Je navržen pro umístění do instalační krabice a osazený dvojicí reléových vstupů s přepínacími kontakty. Trvalý proud každým výstupem může být až 16 A. Modul je zároveň opatřen dvěma univerzálními vstupy. Na každý lze připojit odporový teploměr (po vhodné volbě konfigurace). Pro laboratorní experimenty byl použit polovodičový teploměr NTC12K a odporový teploměr Pt1000. Modul C-OR-0202B byl zabudován do ploché elektroinstalační krabice na omítku. Výstupy relé byly propojeny se dvěma zásuvkami.Obr. 2. Vlevo sestava přípravku pro řízení varné konvice s polovodičovým senzorem NTC12K (nahoře uprostřed), odporovým snímačem Pt1000 (vpravo nahoře) s linkou sběrnice CIB pro připojení k systému Foxtrot, vpravo přípravek s varnou konvicí Pravá zásuvka je vyvedená jako spínací a levá jako rozpínací. K modulu je pevně ve svorkovnici připojen teploměr Pt1000, druhý se připojuje zásuvkou Jack umístěnou v krytu krabice. Toto řešení dovoluje snadno připojit různé typy odporových teploměrů a ověřit jejich funkci. Druhým konektorem Jack je připojena kroucená dvoulinka sběrnice CIB pro připojení k PLC. Přechodný děj při zapnutí a vypnutíPři prvním měření byla z bezpečnostních důvodů voda v konvici ohřívána jen na +40 °C. Cílem bylo zjistit časový průběh teploty během vypnutí konvice a po následném vypnutí konvice. Zásuvka s konvicí byla řízena jednoduchým programem (v podstatě jen příkazem volání funkčního bloku) zapsaným v jazyce strukturovaného textu (ST, Structured Text), který se při výuce běžně používá: RS_konev(S := (teplota_2 < 40),R1 := (teplota_2 > 40),Q1 => ohrev_1); Jde o funkční blok pro klopný obvod typu RS. Konvice je zapnutá, je-li teplota vody nižší než +40 °C, a vypnutá při teplotě vyšší než +40 °C (při teplotě rovné 40 °C se stav nemění). Příkaz realizuje algoritmus dvoustavového regulátoru bez hystereze. K zobrazení časových průběhů byla využita funkce Data Logger systému Tecomat Foxtrot. Ten ve zvoleném intervalu (zde po 3 s) ukládá do paměti hodnoty vybraných proměnných. Výsledný blok dat lze ve formát MS Excel přenést do počítače a tam dále zpracovávat.Obr. 3. Průběh teploty ve varné konvici (modře) a její aktivity (oranžově) Časový průběh teploty vody v konvici je na obr. 3. Časové údaje na vodorovné ose (zde a v dalších příkladech) jsou ve formátu h:m:s (hodiny:minuty:sekundy). Modře je zobrazen průběh teploty, oranžově aktivity zásuvky s konvicí. Oproti obrázkům z minulých částí seriálu má zde graf poměrně hladký průběh, bez „schůdků“ a krátkých impulzů („chlupů“), způsobených kvantovacím šumem. Důvodem je delší interval vzorkování. Rovněž je zde patrná doba průtahu – doba, než se ohřeje dno konvice a začíná ohřev vody (asi 10 s zhruba v době 9:12:12 až 9:12:22). Následuje strmý a téměř lineární nárůst teploty. Při 40 °C ohřev vypne, ale teplota ještě několik sekund strmě roste, což je způsobeno rozehřátým dnem, které předává akumulované teplo a ohřívá vodu až na 45,89 °C (zhruba v čase 9:15:22), kdy průběh kulminuje, a v čase 9:15:42 teplota začíná zvolna klesat. Průběh dokumentuje setrvačnou dynamiku konvice, která je zjevně soustavou druhého nebo vyššího řádu. Pro samotné topné těleso s hmotou dna lze odhadnout dynamiku alespoň druhého řádu. Po vylití horké vody a při novém plnění si lze všimnout, že dno ve styku s vodou zasyčí, což dokazuje, že teplota samotného dna je vyšší než teplota vroucí vody. Teplo akumulované ve hmotě dna se ještě delší čas po vypnutí předává vodě v konvici. Důsledkem je „tepelná setrvačnost“ – skutečnost, že po vypnutí vzroste teplota ještě zhruba o dalších 6 °C.Obr. 4. Průběh ohřevu s teploty vypnutí +30 °C: celkový průběh, počáteční úsek, kulminace po vypnutí a počátek chladnutí, detail v okolí vrcholu, ochlazování Skutečnost lze interpretovat i opačně: abychom vodu ohřáli na hodnotu v tolerančním pásmu v okolí hodnoty 46 °C, je třeba konvici vypnout již v předstihu při teplotě 40 °C. Této teploty bude dosaženo za dobu asi 2 min. Tyto údaje mohou být inspirací pro návrh „inteligentního termostatu“ – nejenom pro řízení konvice, ale i pro vytápění či chlazení místnosti. Časový údaj o trvání náběhu může být využit ke korigování časového programu pro řízení klimatu v místnosti. Situace je ale komplikovanější – hodnota překmitu i doba potřebného předstihu závisí na dalších vlivech, zejména na žádané hodnotě teploty, na intenzitě a dynamice ochlazování (např. na teplotě okolí, intenzitě ochlazování a na akumulační schopnosti pláště, na proudění vody v konvici a proudu vzduchu v okolí). Proto by skutečně „inteligentní“ termostat měl mít schopnost tyto hodnoty průběžně zjišťovat (adaptovat se na měnící se podmínky). Kontrolní otázky1             Je teplota varu skutečně 100 °C vždy a všude? 2             Při jaké teplotě vře voda v obvyklých nadmořských výškách, na vrcholcích Alp a v Himálaji? 3             Jaké teploty lze dosáhnout v tlakovém hrnci?   Úlohy: 1             Vyřešte program pro co nepřesnější regulaci teploty v konvici na hodnoty 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C tak, že ohřev přerušíte s odpovídajícím předstihem. 2             Navrhněte algoritmus a program PLC pro automatické nalezení teploty, při níž se po vypnutí zastaví její růst (teplotu kulminace), a odpovídající doby od zapnutí. 3             Navrhněte algoritmus a program PLC pro automatické změření doby, kdy růst teploty kulminuje – pro různé hodnoty teploty, např. pro 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C. 4             Navrhněte algoritmus a program PLC, který zajistí zapnutí konvice tak, aby teplota kulminovala ve zvoleném čase – pro různé hodnoty teploty, např. pro 30 °C, 40 °C, 50 °C, 60 °C, 70 °C. 5             Navrhněte jinou variantu tepelné soustavy pro laboratorní experimenty, která bude mít obdobné vlastnosti jako konvice, ale bude vykazovat výrazně rychlejší dynamiku. 6             Podle náběžné části časových průběhů teploty z obr. 3, obr. 4 a podle postupů z učebnic proveďte identifikaci soustav. Jak byste postupovali při identifikaci procesu ochlazování (tepelných ztrát) podle sestupné části průběhů?(dokončení v příštím čísle) Ing. Ladislav Šmejkal, CSc., Teco, a. s., a externí redaktor Automa, Ing. Josef Kovář a Ing. Zuzana Prokopová, učitelé automatizace na SPŠ Zlín 

Kontrola barevného odstínu světlovodičů automobilového reflektoru

Osvětlení moderních automobilů využívá téměř výhradně optické díly vyrobené lisováním z plastu. Týká se to i světlovodů pro vytváření tvarovaných nebo jinak efektních světel. Výrobu optických komponent z plastu umožnily nové materiály a nové technologie vícefázového lisování. Přesto je výroba plastových optických komponent stále velmi náročná a ve výsledném výrobku se mohou objevit různé druhy vad. Jednou z těchto vad je i změna spektrální propustnosti materiálu výlisku. Projevuje se nejčastěji zežloutnutím způsobeným oxidací organických složek materiálu při nedodržení teplotně-časového diagramu lisovacího procesu. Nepatrné zežloutnutí nemá na funkci reflektoru žádný vliv, jde pouze o estetický nedostatek, který je však viditelný tím spíše, když se projeví na jednom z páru reflektorů. Cílem kontroly tedy není změřit spektrální propustnost absolutně, ale udržet výrobu světlovodů tak, aby jejich spektrální propustnost zůstala v definovaném okolí propustnosti kalibračního normálu. Obr. 1. Princip komparačního měření světlovodičePrincip měření ukazuje obr. 1. Měřením kalibračního světlovodu na standardním LED modulu se získá referenční bod v chromatickém diagramu podle CIE. Kolem něj je vytyčeno toleranční pole, např. ve tvaru obdélníku. Je-li barva světla vycházejícího ze světlovodu nasazeného na stejném LED modulu mimo toto toleranční pole, klasifikuje se světlovod jako neshodný – NOK (obr 2).Obr. 2. Diagram CIE s vyznačeným kalibračním bodem a povolenou tolerancí barvy (vlnová délka λ v nm) Vytyčení tolerančního pole v diagramu CIE je výhodné z hlediska jednoduchosti a názornosti; je zde přímo vidět změnu barevného odstínu. Tato výhoda má však i odvrácenou stranu: diagram CIE je pouze indikátorem shody barev, jak je vidí lidské oko. Jde tedy o jistý druh převodu subjektivního vjemu na objektivní hodnotu, založený na skutečnosti, že stejného barevného vjemu lze v lidském oku dosáhnout různými kombinacemi spektrálních (čistých) barev (metamerismus). V praxi se již od 30. let minulého století využívá trojice spektrálních barev, červená (R), zelená (G) a modrá (B), které umožňují srovnávací měření v komparačním kolorimetru. Protože pro část barevného vjemu je nutné použít složku R zápornou (červené světlo se musí přidávat ke světlu měřenému, nikoliv referenčnímu), byl zaveden přepočet složek RGB funkcemi color matching xŻ(λ), yŻ(λ) a zŻ(λ). Pomocí těchto funkcí lze pro libovolnou barvu vypočíst XYZ tristimulus, tedy hodnoty X, Y, Z, které barvu jednoznačně určují (obr 3).Obr. 3. Funkce color matching a charakteristiky kamery Grafickým vyjádřením normalizovaného XYZ tristimulu je právě chromatický diagram. Normalizace umožňuje převést trojrozměrný prostor XYZ tristimulu do dvojrozměrného grafu. Z něj lze určit všechny potřebné informace charakteristiky zobrazovaného světla, a navíc ve své nejrozšířenější podobě barvu i znázorňuje. Cesta od pohledu do komparačního kolorimetru k zobrazení barvy v chromatickém diagramu je tedy poměrně komplikovaná. Jak ji lze realizovat pomocí barevné kamery? Problém by byl elegantně vyřešen, kdyby charakteristiky barevné citlivosti buněk RGB kamery odpovídaly funkcím color matching. Výstupní signály RGB kamery by pak představovaly přímo XYZ tristimulus, neboť hodnota signálů RGB je úměrná integrovanému množství světla dopadajícího na světlocitlivou buňku pro příslušnou barvu. Charakteristiky kamery se ale obecně od funkcí color matching liší (obr. 3). Naštěstí se v této úloze měří v oblasti blízké bíle barvě, kde lze pro komparační měření uplatnit některá zjednodušení.Obr. 4. Perceptuální rozdíly mezi barvami v chromatickém diagramu Komerční kamery obvykle poskytují funkci „vyvážení bílé“, která upraví zesílení složek tak, aby se výstupní signály v přiměřeném okolí vzorku bílé barvy blížily hodnotám funkcí color matching. Charakteristiky kamery jsou také nastaveny tak, aby v okolí bílé barvy chromatický diagram nevykazoval oproti standardnímu diagramu natočení. Natočení by totiž způsobilo zkreslení barev, které lidské oko vnímá jako nepřirozené. Výrobce kamery tedy zařídil, že se uživatel při transformaci charakteristik kamery do barevného prostoru funkcí color matching nemusí starat o posunutí a natočení. Měřítko se získá kalibrací s normálem OK světlovodu, neboť prováděné měření je komparační.Obr. 5. Oblast poklesu spektra světla prosvětlovací LED po průchodu zežloutlým plexisklem Další výhodou je, že právě v okolí bílé barvy je subjektivní citlivost oka na barevné změny poměrně malá. Na obr. 4 jsou ukázány relativní perceptuální rozdíly mezi barvami v chromatickém diagramu (úsečky spojují barvy, mezi kterými člověk ještě nevnímá rozdíl). Je zřejmé, že právě na změnu bílé ve žlutou je oko málo citlivé. Kamera v této oblasti naopak dosahuje velké citlivosti. Žloutnutí světlovodu má za následek pokles původního spektra prosvětlovací LED v levé části, tedy v oblasti azurové barvy (obr. 5). Právě v této oblasti je však křivka modré barvy (B) nejstrmější a i malá změna azurové vyvolá velkou změnu výstupního signálu B.Obr. 6. Rozhranní aplikace pro měření zežloutnutí světlovodiče Na základě těchto úvah byla vytvořena aplikace pro kontrolu žloutnutí materiálu světlovodičů. Citlivost aplikace k měření barevného posuvu ke žluté barvě autoři testovali zajímavým způsobem. Jeden ze dvou kancelářských papírů nechali v temnotě, druhý vystavili na dvanáct hodin slunečnímu záření. Přestože okem nebylo zežloutnutí tohoto papíru viditelné, běžná kamera od firmy Basler je ve spojení s vytvořenou aplikací spolehlivě detekovala. Na obr. 6 je ukázáno rozhraní aplikace při detekci zežloutnutí papíru při kalibraci neosvětleným papírem.   Otto Havle, FCC průmyslové systémy Co znamená zkratka CIE? CIE, Commission Internationale de l’Éclairage, mezinárodní sdružení pro osvětlení, je nezisková a nezávislá organizace, která umožňuje celosvětovou spolupráci a výměnu vědeckých a technických informací v oblastech nauky o světle, světelných zdrojů, osvětlování, měření barev, vidění, fotobiologie a technik zpracování obrazu. Sdružení CIE bylo založeno v roce 1913 a v současné době sídlí ve Vídni. Více lze najít na webové stránce http://www.cie.co.at/. V roce 1931 vytvořilo sdružení CIE matematicky definovaný barevný prostor nazývaný CIE 1931 nebo CIE XYZ. Pomocí funkcí color matching přepočítává souřadnice prostoru RGB na XYZ tristimulus. Barevných prostorů však existuje velký počet. Například barevný prostor CIELAB vychází z CIE XYZ a z Munsellova barevného systému. Souřadnice CIELAB se ze souřadnic CIE XYZ vypočítají nelineární transformací a umožňují jednotněji popsat rozdíly barev. Lidské oko totiž není schopné rozlišit rozdíly některých barev, ale z obr. 4 je patrné, že tyto oblasti, nazývané MacAdamovy elipsy (v obrázku jsou zakresleny jejich hlavní a vedlejší osy), mají v diagramu CIE 1931 různou velikost a orientaci, což při posuzování a kvantifikaci rozdílu barev činí potíže.

Inspiromat pro výuku a Tecomat: co v učebnici automatizace nebylo

V první části seriálu autoři uvažovali o měření teploty objektů, jejichž teplota se v průběhu měření neměnila. Nyní se zaměří na obecnější případy, kdy se teplota objektů s časem mění. Příklad 1: šálek čajeObr. 1. Průběh teploty v šálku horkého a vlažného čajeNa obr. 1 jsou uvedeny průběhy teploty v šálku čaje, tentokrát měřené senzorem Pt1000 v ponorném provedení. Na svislé ose je teplota ve stupních Celsia, na vodorovné ose systémový čas ve formátu X h:XX m:X,XX s. Na obr. 1 nahoře začíná čas s počáteční hodnotou 9 h:19 min:24,82 s (systémový čas nebyl vynulován), dole začíná od nuly. V obou případech však odpovídá rastru svislých čar interval 20 s. Oproti obr. 2 a obr. 3 v části 1, kde teplota senzoru stále mírně rostla, zde po ustálení klesá. Je to způsobeno tím, že teplota těla je dlouhodobě přibližně stálá, zatímco čaj v šálku postupně chladne. Přechodový děj na senzoru probíhá i nadále, ale současně se kombinuje s klesající teplotou čaje, takže je méně patrný – přechodový děj chladnutí čaje je výraznější. Odpovídá to přirozenému požadavku, aby senzor co možná nejméně ovlivňoval měření (nejlépe vůbec). Po vyjmutí senzoru ze šálku je opět patrný průběh ochlazování senzoru na teplotu okolního vzduchu. Z obrázků je zřejmá i mírně odlišná dynamika obou senzorů. V minulé části šlo o senzory NTC a údaj senzoru byl „použitelný“ již asi po 30 s, u senzorů Pt1000 jej lze použít až po 40 s. Senzor Pt1000 je umístěn v pouzdře, které je objemnější a hmotnější než samotný senzor NTC – má tedy větší tepelnou kapacitu.Obr. 2. Elektrický obvod jako analogie měření teploty chladnoucí kapalinyV elektrické analogii si lze děj představit tak, jako bychom nabitý kondenzátor o velké kapacitě (představující šálek s horkým čajem) přes rezistor vybíjeli zdrojem nižšího konstantního napětí a současně k vybíjenému kondenzátoru připojili RC obvod odpovídající senzoru (s podstatně menší kapacitou) – obr. 2. Při hydraulické analogii by šálku čaje odpovídala částečně naplněná nádoba (do výšky odpovídající výchozí teplotě čaje) spojená s nádrží o nižší hladině, do které kapalina postupně odtéká. K této nádobě je připojena malá nádobka, která představuje senzor.Úlohy: obdobným způsobem měřte teplotu v šálku s horkým čajem, který je: zakrytý pokličkou – položený do nádoby s teplou nebo chladnou vodou – čaj je v kovovém (nebo silnostěnném) šálku nebo v šálku s dvojitými stěnami,v průběhu měření vložte do šálku masivní lžičku – nasypte cukr a zamíchejte,čaj postupně přelévejte do různých šálků a postupně měřte teplotu,měření opakujte se senzorem NTC upraveným pro ponoření v PE sáčku – utěsněným ve zkumavce (prázdné, vyplněné pískem). Příklad 2: kalibrování při varuObr. 3. Průběhy teploty vroucí vodyNa obr. 3 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt1000 a červeně NTC) ponořenými do vroucí vody (v právě vypnuté konvici) – a po čase vyjmutými. Rastru svislých čar odpovídá interval 1 min. Je zřejmé, že senzor Pt1000 měří teplotu varu přesněji. Každý ze senzorů vykazuje jinou dynamiku při ponoření do vody i při vyjmutí. Příklad 3: kalibrování v ledové voděObr. 4. Průběhy teploty ledové vodyNa obr. 4 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt1000 a červeně NTC) ponořenými do vody s tajícím ledem – a po čase vyjmutými. Rastru svislých čar odpovídá interval 1 min. Je patrné, že senzor Pt1000 měří přesněji i teplotu bodu mrazu. Příklad 4: k varu, k ledu a zpětObr. 5. Průběhy teploty měřené senzory ponořenými do vřelé vody, pak do ledové, zpět do vřelé a pak vyjmutýmiNa obr. 5 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt1000 a červeně NTC) ponořenými do vřelé vody, pak do ledové, zpět do vřelé a pak vyjmutými. Rastru svislých čar odpovídá interval 2 min. Příklad 5: vaření vody v konviciObr. 6. Průběhy teploty vody v zapnuté varné konviciNa obr. 6 jsou zobrazeny průběhy teploty měřené oběma senzory (modře Pt 1000 a červeně NTC) ponořenými do rychlovarné konvice s vodou o pokojové teplotě. Pak byla výstupem PLC konvice zapnuta (zelený obdélníkový průběh) a zhruba v okamžiku varu byla vypnuta. Potom voda samovolně vychládala. Z průběhu nelze jednoznačně rozhodnout, zda vypnutí konvice způsobil její bezpečnostní spínač, nebo výstup PLC, ale druhá varianta je pravděpodobnější. Rastru svislých čar odpovídá interval 1 min. Oba senzory měří přibližně shodně a synchronně. Drobné zvlnění průběhu teploty senzoru Pt1000 při ohřevu může být způsobeno turbulentním prouděním vody kolem senzoru. Je patrné, že po dobu asi 30 s po zapnutí konvice (sepnutí výstupu PLC) se teplota vody téměř nemění a teprve zhruba po 1 min narůstá téměř lineárně – na přechodu obou částí je průběh zaoblený (vykazuje „koleno“). I po vypnutí topidla teplota ještě mírně narůstá ke 100 °C a pak postupně klesá v důsledku chladnutí konvice. Souvislosti a analogieObr. 7. Elektrický obvod jako zjednodušená analogie měření teploty ve varné konviciPo zapnutí je voda v konvici ohřívána topným tělískem, které má konstantní elektrický příkon a způsobuje růst teploty se stálou rychlostí. Kdyby var vody neomezil nárůst teploty kolem 100 °C a kdyby byl odstraněn bezpečnostní vypínač, narůstala by teplota teoreticky nade všechny meze – až ke zničení tělíska. Zjednodušenou elektrickou analogií je obvod na obr 7. Konstantnímu příkonu konvice odpovídá ve schématu zdroj konstantního proudu. Kapacita kondenzátoru C1 spolu s rezistorem R1 modeluje tepelnou kapacitu vody v konvici při ohřevu, zatímco větev C1–R2 modeluje tepelnou kapacitu vody v konvici při ochlazování. Hydraulická analogie je na obr. 8.Obr. 8. Zjednodušená hydraulická analogie měření teploty ve varné konvici Objem první nádrže odpovídá tepelné kapacitě vody v konvici, druhá (teoreticky nekonečná) nádrž odpovídá vnějšímu prostředí. Konstantnímu příkonu konvice zde odpovídá plnění nádrže s konstantním přítokem (z vodovodu). Analogickou situací v technice budov je vytápění místnosti přímotopným zdrojem tepla. Popsaná soustava se označuje jako integrační nebo též astatická. V blokových schématech se pro ni používá schematická značka podle obr. 9. Obr. 9. Schematická značka integrační (astatické) soustavyPříklad 6: přerušovaný ohřev v konviciAbychom se vyhnuli situaci v blízkosti bodu varu (nejasnosti o důvodu vypnutí topidla a jiné dynamiky vody v blízkosti varu), je na obr. 10 zobrazen průběh teploty vody (měřené jen senzorem Pt1000) při přerušované aktivitě topidla (zelený obdélníkový průběh). Rastru svislých čar odpovídá interval 20 s.Obr. 10. Průběh teploty vody v konvici s přerušovanou aktivitouNa všech úsecích průběhu je patrné, že vždy po zapnutí topidla se teplota téměř nemění a teprve později mírně narůstá (téměř vodorovný a pak zaoblený průběh, který přechází do strmě rostoucí fáze). Ta překvapivě pokračuje i po vypnutí topidla, než přejde do klidového, téměř vodorovného úseku (krátkodobé ochlazování). Teprve po konci poslední aktivní fáze následuje konečné pomalé chladnutí. Příklad 7: ohřev se zpomaleným senzoremObr. 11. Průběh ohřevu vody se zpomaleným senzoremPro zvýraznění situace při zapnutí a vypnutí topidla byl použit senzor NTC zasunutý do prázdné skleněné zkumavky. Na obr. 11 je zobrazen celý průběh ohřevu a chladnutí vody (a v závěru samotného senzoru). Rastru svislých čar odpovídá interval 90 s (1,5 min). Detail počátečního úseku je zobrazen na obr. 12. Rastru svislých čar odpovídá interval 20 s. Obr. 12. Detail počátku průběhu z obr. 11Souvislosti a analogieObr. 13. Zjednodušená elektrická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělískaSchémata na obr. 7 a obr. 8 jsou jen velmi zjednodušenými analogiemi, protože nerespektují tepelnou kapacitu topného tělíska. Té ve schématu na obr. 13 odpovídá další stupeň obvodu RC s kapacitou Ct (kondenzátor Ct). V hydraulickém schématu na obr. 14 odpovídá kapacitě tělíska první nádrž. Obr. 14. Zjednodušená hydraulická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělíska Tímto uspořádáním vznikne soustava druhého řádu, která se vyznačuje určitou setrvačností. Jejím důsledkem je opožděný nárůst teploty při začátku ohřevu a pokračující nárůst teploty po skončení ohřevu. Ve skutečnosti bychom měli respektovat ještě další stupně – topnou spirálu, výplň tělíska a jeho plášť. Tím by se řád soustavy konvice ještě zvýšil a model by více odpovídal skutečnosti. Obr. 15. Elektrická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělíska a pláště konviceObr. 16. Hydraulická analogie varné konvice s respektováním kapacity tělíska a pláště konviceSchémata na obr. 15 a obr. 16 navíc respektují tepelnou kapacitu pláště konvice, která se uplatňuje při ochlazování jejího obsahu. Toto uspořádání modeluje i situaci v místnosti vytápěné přímotopným zdrojem tepla – s přiměřeně delšími časovými konstantami. Modelu teplovodního vytápění (s topnými tělesy nebo s podlahovým vytápěním) by odpovídalo obdobné uspořádání, kde by byl zdroj proudu nahrazen zdrojem napětí. Ing. Ladislav Šmejkal, CSc., Teco, a. s., a externí redaktor Automa,Ing. Josef Černý, někdejší student Fakulty dopravní ČVUT,Ing. Josef Kovář, učitel automatizace na SPŠ ve Zlíně

ROTAMASS Total Insight – když chcete mít jistotu, že měříte přesně

Věkovitý (108 let!) výrobní závod ROTA-YOKOGAWA v německém Wehru je stejně jako prudce tekoucí Rýn pod jeho okny rapidně expandujícím podnikem, zejména v posledních pěti letech. Průtokoměry na Coriolisově principu ROTA vyrábí již 24. rok, avšak s masivními investicemi (přibližně 13 milionů eur) do inovací ve výrobě a do nejmodernějšího kalibračního střediska na kontinentu byly položeny zdravé základy pro čtvrtou generaci průtokoměrů ROTAMASS TI, jež jsou na trhu od května 2016. Přesné automatické ohýbání trubic, jejich digitální párování, vakuové niklové pájení, nové odladění harmonických kmitů a mnoho dalších inovací zvýšily úroveň kvality nové řady průtokoměrů. Zavedení japonského systému řízení výroby nebylo snadné, ale minimalizace zmetkovitosti a nulová výroba na sklad přinášejí jednoznačné ekonomické výsledky. Odcházející třetí generace průtokoměrů Rotamass měla jeden typ převodníku a jednu řadu senzorů, které se lišily požadovaným procesním připojením nebo doplňkovým parním otopem. Optimálně uspokojit různorodé požadavky, zejména malou tlakovou ztrátu, nebylo v podstatě možné. Průtokoměry Rotamass TI se senzory Nano (vnitřní průměr trubic od 0,9 mm), Prime Obr. 1. Coriolisův průtokoměr Rotamass TI Prime RCUP25S 78 pro průtok do 2 300 kg/h(obr. 1: nová konstrukce s poloviční tlakovou ztrátou ve srovnání s předchozími typy), Supreme (nejpřesnější řada s inovovanými senzory), Intense (bezpečný snímač pro vysoké tlaky), Hygienic (koncept Prime se specifickými připojeními pro farmacii a potravinářství) a Giga (největší průtoky s velkou stabilitou nuly) s převodníky Essential a Ultimate s konceptem FOD (Features On Demand – vlastnosti na vyžádání) vycházejí přáním zákazníků plně vstříc. Nové převodníky mají mnoho vylepšení. Desetkrát rychlejší odečet fázového posunu (10 ms), zdokonalený digitální signálový procesor s Hilbertovou transformací a 32bitovým zákaznickým A/D převodem, zdvojené a přepínané snímání fázového posunu s automatickou kalibrací nuly v intervalu 20 ms a PI regulátor buzení s navýšením +30 % energie do budiče vedou k možnosti rychlého dávkování, větší přesnosti, stabilitě nuly a k přesnému měření i při výrazném zavzdušnění potrubí (pětkrát nižší chyba).Převodník má šest nezávislých čítačů a čtyři sady uživatelských nastavení. K měření koncentrací lze využít čtyři nezávislé sady převodních tabulek nebo je spojit do dvou velmi detailních, s možností dálkového přepínání kontaktním vstupem. Pomocí prostředí Fieldmate je možné nastavení pro měření koncentrací provést u zákazníka, bez nutnosti intervence z výrobního závodu. Převodníky nyní také umožňují dynamickou kompenzaci vlivu statického tlaku na tuhost měřicích trubic, přestože díky mimořádně robustním měřicím trubicím je vliv změn tlaku zanedbatelný a oproti přístrojům jiných výrobců přibližně 8,5krát menší. Koncepce Total InsightPrůtokoměry Yokogawa Rotamass TI (Total Insight) snižují provozní výdaje zákazníka v kaž­dé fázi svého životního cyklu (obr. 2). Obr. 2. Pohled na průtokoměr v celém životním cykluNa počátku životního cyklu stojí „zjednodušený výběr“ vhodného průtokoměru. Šest produktových řad detektorů (viz přehled trhu na str. 32) se specifickými užitnými vlastnostmi, rozmanitá procesní připojení, dva typy převodníků Essential a Ultimate s odlišnou specifikací souboru funkcí i přesnosti a sedmnáct různých variant konfigurace čtyř výstupních i vstupních kanálů poskytují prostor pro každý specifický požadavek zákazníka. Prostřednictvím uživatelsky příjemného prostředí výpočtového softwaru Flow Configurator je s využitím vstupních údajů snadné nalézt optimální rovnováhu mezi přesností měřidla ve stanoveném rozpětí, tlakovou ztrátou a světlostí, tedy pořizovací cenou.„Odborný průvodce“ napomáhá k snadnému, přívětivému a rychlému zprovoznění i při složitějších úkolech, jako je dávkování, měření koncentrace, měření podílu oleje či jiného produktu v nosném médiu apod. Nová funkce „hlídač procesu“ detekuje podmínky, které jsou třeba k tomu, aby průtokoměr měřil s určenou přesností: tlak média, jeho teplotu, vibrace potrubí, zavzdušnění, ztrátu média, zanášení, přicpání a erozi nebo korozi trubic. Obr. 3. Variabilní informativní displej s možností zobrazení trendůKontroluje posun nuly a podmínky při její kalibraci. Rozlišuje události a generuje hlášení týkající se poruch měřidla (16), abnormalit procesu (27), chybných nastavení (39) nebo jen upozornění na blížící se problém (34). Správce událostí umožňuje nastavit interpretaci a chování průtokoměru nejen podle pravidel NAMUR NE 43 (Standardisation of the Signal Level for the Failure Information of Digital Transmitters) a NE 107 (Self-Monitoring and Diagnosis of Field Devices), ale také podle zadání uživatele. Tím lze předejít zahlcení nadřízeného systému alarmovými hlášeními a umožnit předávat jen ta nezbytně nutná. Kromě trendu na displeji (obr. 3) se události podle předvolby zaznamenávají do vnitřní paměti a na kartu microSD, se zápisem tří bloků před událostí a tří bloků po události, takže následná analýza příčin problémů je velmi jednoduchá.„Manažer údržby“ za provozu periodicky kontroluje základní funkční celky průtokoměru:obvody budiče,obvody senzorů,stav (tuhost) trubic,hardware i software převodníku.Přístup k převodníku je tříúrovňový (obsluha, údržba, specialista) s nastavitelným rozsahem povolených úkonů. Při použití v úlohách s požadovanou funkční bezpečností SIL 2 je přístup k nastavením blokován. S pomocí diagnostického softwaru Fieldmate lze vytisknout nastavení přístroje i s vypočtenou očekávanou chybou měření průtoku, hustoty, koncentrace a po kontrole celkového „zdravotního“ stavu lze vytisknout protokol potvrzující spolehlivost a přesnost měření bez jeho přerušení. K převodníku je možné se připojit bez nutnosti otevírat kryty prostřednictvím sběrnice Modbus a bezdrátového servisního portu IrDA.„Mobilita dat“ je další funkce v životním cyklu průtokoměru. Zabezpečuje ji karta microSD (1 GB) pro zálohování, multiplikaci nastavení, variantní nastavení podle úlohy a zejména pro dálkovou údržbu a servis. Karta rovněž obsahuje instrukční manuály, výkresovou dokumentaci, Fieldmate Lite, soubory DD (Device Description) a DTM (Device Type Manager), komunikační nástroj pro Modbus, kalibrační a jiné certifikáty, seznam náhradních dílů a nastavení výrobce i uživatele.Protože se během užívání průtokoměru mohou požadavky a podmínky měření měnit, uživatelé u převodníku Ultimate ocení funkci „zdokonalená flexibilita“. Tato funkce umožňuje po zakoupení licencí a přidělení hesel odemykat přídavné funkce, které přístroj má interně k dispozici, ale nebyl důvod je při původní investici nakupovat (řízení dávkování, měření běžné i detailní koncentrace, výpočet množství oleje a plynné složky podle americké petrochemické normy API, kontrola netěsnosti trubic, měření viskozity, výpočet výhřevnosti – i v anglosaských jednotkách BTU, referenční hustota podle API, kontrola zdravotního stavu trubic).Koncept Total Insight dává tedy uživateli jistotu, že:jeho výběr měřidla vzhledem k zadání byl optimální a zbytečně neplatí víc, než musí,nastavení a nulování průtokoměru jsou v pořádku (ví, jakou chybu může očekávat),průtokoměr dá včasné varování, když očekávaná přesnost není vlivem provozních podmínek dosažitelná,průtokoměr dá informaci o svém zdravotním stavu, kterou lze dokladovat, a zavolá ho k údržbě, když to bude potřebovat,má všechny doklady, certifikáty i údaje k servisu a údržbě vždy k dispozici,bude-li potřebovat rozšířit soubor funkcí měřidla, nemusí kupovat nové nebo je posílat zpět výrobci.Jak zajistit nepřetržitou kvalitu měření?Svou popularitu získaly Coriolisovy průtokoměry, i přes svou nemalou pořizovací cenu, vynikající přesností, přímým měřením hmotnostního průtoku, spolehlivostí a malou tlakovou ztrátou. Ve velké míře jsou využívány v chemickém průmyslu, kde nevodivost média nebo požadovaná přesnost neumožňují použít levnější indukční průtokoměry. Stabilní kvalita produkce v chemickém průmyslu velmi těsně souvisí s dodržením konstantních výrobních podmínek, a tedy i se stabilitou použitých měřidel průtoku. Jejich periodická kalibrace poskytuje uživateli údaj o nejistotě za laboratorních podmínek, jestliže se průtokoměry kalibrují mimo provoz, nebo o celkové nejistotě za provozních podmínek při použití pojízdných kalibrátorů. V obou případech je kalibrace velmi nákladný, časově náročný a při požadavku na nepřetržitý provoz někdy těžko proveditelný úkol (obr. 4). K ceně za kalibraci je nutné připočítat také demontáž, čištění, balení, dopravu, montáž a zprovoznění.Obr. 4. Jaké jsou náklady na jednoduchou rekalibraci, je-li průtokoměr umístěn v takovéto lokalitě?Přestože Coriolisovy průtokoměry mají robustní konstrukci a Yokogawa mezi výrobci vyniká tloušťkou stěn měřicích trubic (3,9 až 12 % z vnitřního průměru), může při měření abrazivních nebo chemicky agresivních médií docházet k mírnému opotřebení a ztenčení stěny a tím i poklesu tuhosti trubic. Yokogawa intenzivně testovala vliv korozního opotřebení na přesnost a zjistila, že např. u měřidla Supreme 36 (0,5 až 10 t/h) úbytek tloušťky trubice o 0,05 mm (4 %) způsobí pokles tuhosti a tím i nárůst chyby na 3 % z okamžitého hmotnostního průtoku a přibližně 6,5 % z okamžité hustoty. Stabilní kvalitu měření Coriolisovými průtokoměry lze zajistit jen včasnou kontrolou změny tuhosti měřicích trubic. Klasická diagnostika elektrických obvodů a chodu firmwaru není pro posouzení stavu průtokoměru dostačující. Princip činnosti hmotnostního Coriolisova průtokoměruObr. 5. Princip měření Coriolisova hmotnostního průtokoměruAby bylo zřejmé, jak souvisí změna tloušťky stěny trubic s jejich kalibračním faktorem, bude užitečné si připomenout trošku teorie související s Coriolisovými průtokoměry. Na obr. 5 je ve stručnosti popsán princip funkce průtokoměru. Měřené médium prochází dvěma trubicemi ve tvaru U, které jsou pomocí budiče E rozkmitány a oscilují na vlastní rezonanční frekvenci fC s úhlovou rychlostí Ω. Pohybuje-li se hmotný bod média δm od středu rotující trubice rychlostí v, působí kolmo na jeho dráhu tzv. Coriolisova síla Fc, na obrázku F1, která se snaží brzdit rotační pohyb trubice. Naopak v případě, že se hmotný bod pohybuje ke středu otáčení trubic, je účinek síly Fc = F2 souhlasný s pohybem trubice a její výchylka při oscilacích je větší. Coriolisova síla vyjádřená vztahem (1) působí na poloměru d krouticím momentem TC (2) a způsobuje zkroucení měřicích trubic o úhelθ. vzorec (1)vzorec (2)Dosadí-li se místo hmotnosti m součin hustoty média ρ, vnitřního průřezu S a délky trubky l, kde Coriolisova síla vzniká, a 2Ω×v místo zrychlení aC, získá se vztah, ve kterém lze přeskupením činitelů v součinu osamostatnit hmotnostní průtok Qm = ρSV. Pak vychází, že zkroucení o úhel θ je úměrné krouticímu momentu, který přímo souvisí s hmotnostním průtokem (3). vzorec (3) Pohyb trubic je snímán dvojicí senzorů S1 a S2 umístěných na příčných ramenech trubic (cívka–magnet). Je-li průtok nulový, Coriolisova síla nepůsobí, trubice kmitají paralelně a signály senzorů mají identický sinusový průběh. Nenulový průtok způsobuje zakřivení trubic a signál ze senzoru S2 se proti S1 začíná zpožďovat, viz obr. 5. Vyhodnocením fázového posunu Δφ lze detekovat krouticí moment Coriolisovy síly a tím kvantifikovat hmotnostní průtok. V praxi jsou trubice namáhány nejen na krut, ale také na ohyb, uplatňuje se jejich tvar, který je odlišný od zidealizovaného tvaru U, pro který platí uvedené vztahy. Zavádí se tzv. konstanta senzoru SK (T, p, ρ), zohledňující jeho konstrukci (4). Protože rezonanční frekvence trubic a tím i úhlová rychlost Ω závisejí na hustotě média v trubicích, je tato konstanta senzoru závislá na hustotě a také na teplotě i tlaku. vzorec (4) kdeQm je hmotnostní průtok (kg/h),SK konstanta senzoru (Hz·kg/h),fr   rezonanční frekvence (Hz),φ   zkroucení trubice (rad).Pro potřeby kalibrací a srovnávání průtokoměrů byla zavedena konstanta SK20, udávající hodnotu konstanty při 20 °C, tlaku 100 kPa a hustotě vody. SK20 je přímo úměrná tuhosti trubic K. Pro zjednodušení je ve vztahu (5) uvedena tuhost přímé trubky namáhané na ohyb. vzorec (5) kdeE (T, p) je Youngův modul pružnosti,do vnější průměr trubic,di  vnitřní průměr trubic,l    délka vyložení (poloměr ohybu trubic).Ze vztahu (5), ve kterém vnitřní světlost trubky figuruje ve čtvrté mocnině, je zřejmý zásadní dopad ztenčení stěny trubky na její tuhost a tím i na měření hmotnostního průtoku. Kontrola zdravotního stavu trubicZpůsob periodické kontroly tuhosti trubic (tube health check) je patentově chráněn (JP 4952820 B2). Vychází z poznatku, že rezonanční frekvence fC je dána tuhostí trubic K a hmotností média mf a trubic mt podle vztahu (1). Zmenšující se tuhost má za následek pokles rezonanční frekvence: vzorec (6) Obr. 6. Reakce amplitudy kmitů trubic na změnu zesílení budičeDo vztahu (4) pro hmotnostní průtok Qm vstupuje rezonanční frekvence ve jmenovateli, a tedy pokles tuhosti vede ke kladné chybě průtoku. Vnitřní tvar trubic, jejich strukturu, tuhost i vnitřní objem – tedy hmotnost média v trubicích – ovlivňuje zvláště koroze či eroze. Tuhost má určitou retenční schopnost zachovat stávající amplitudu kmitů do jisté míry na původní úrovni. Zmenší-li se tuhost, je reakce na změnu amplitudy buzení rychlejší – strmost α změny amplitudy kmitů na snímané frekvenci je větší (obr. 6). Jestliže se sníží buzení o určitou hodnotu (na obr. 6 jen informativní hodnota), bude se amplituda na senzorech snižovat po dobu τ, dokud se neustálí na nové hodnotě. Na počátku kontroly se změří referenční tuhost (obr. 7). Obr. 7. Kontrola zdravotního stavu trubicNásledně lze např. s měsíční periodou provádět ověřovací měření, které trvá přibližně 90 s. Protože teplota a tlak mají na tuhost trubic podstatný vliv, doporučuje se vykonávat kontrolu v ustáleném režimu, tedy při přibližně stejné teplotě, tlaku i zavzdušnění. Ideální je měřit při uzavřeném potrubí, ale není to podmínka. Jedno měření nemá žádný význam. Je nutné vykonat několik měření, kdy převodník uchovává trend strmostí α1, α2 a skokových změn budiče G1, G2 a z nich vypočtené referenční tuhosti Kd (7). KF je kalibrační faktor zjištěný při prvotní kalibraci. Pro následné referenční vyhodnocování tuhosti trubic Kd se stanoví KF = 1.vzorec (7) kde fC20 je rezonanční frekvence trubic při 20 °C,Md = mt + mf referenční hmotnost trubice i média.Změna referenční tuhosti o 0,1 % odpovídá nárůstu chyby měření o 0,1 %. Jestliže naměřené výsledky vypadají jako na obr. 8, lze nastavením hraniční hodnoty změny tuhosti indikovat termín nutné rekalibrace, nechce-li uživatel dopustit horší přesnost. Tato funkce bezpečně vyhodnotí nárůst chyby o 0,1 % a limita je nastavitelná od 0,1 do 5 %.Obr. 8. Nastavení limitní chyby a kalibračního intervaluKontrola zdravotního stavu trubic představuje cennou doplňkovou funkci průtokoměru Rotamass TI, která dává celkem reálnou představu o dosahované přesnosti za provozu a je schopna snížit náklady na údržbu a zabránit zbytečnému zastavení výroby.Rotamass TI tak nastavil nový, nejvyšší standard užitných vlastností, robustnosti a přesnosti mezi Coriolisovými průtokoměry na trhu. Vylepšením specifikací při reálných provozních podmínkách a podporou v průběhu životního cyklu přináší novou kvalitu všem uživatelům.Tomáš Zetek, Yokogawa CZ/SK

Přenosný exoskelet pomáhá pacientům po mozkové příhodě

Jako výsledek řešení projektu Recupera-Reha byl v Německu vyvinut mobilní exo­skelet pro podporu horní části lidského těla určený speciálně k rehabilitační terapii pacientů po mozkové příhodě.  Roboty se v lékařství již delší dobu běžně používají při akutních zákrocích. Stále významnější roli ovšem mají robotické systémy také v oboru rehabilitace. V nedávno úspěšně ukončeném projektu s názvem Recupera-Reha se pracovníkům inovačního centra pro robotiku Německého výzkumného střediska pro umělou inteligenci DFKI (Robotics Innovation Center des Deutschen Forschungszentrums für Künstliche Intelligenz) v Brémách pod vedením profesora Dr. Franka Kirchnera, dr. h. c., podařil průlom na poli rehabilitační robotiky. Společně s odborníky specializované firmy Rehaworks GmbH z Olsbergu (Severní Porýní-Vestfálsko) vyvinuli mobilní exoskelet pro podporu horní části těla určený speciálně k rehabilitační terapii pacientů po mozkové příhodě (mrtvici). Interdisciplinární výzkumný tým ustavený DFKI pracoval na koncepci inovačního přenosného exoskeletu pro vnější podporu lidského pohybového aparátu déle než tři roky. Souběžně s tím byl týmem vyvinut robotický dílčí systém, který bude ve střednědobém výhledu použitelný k lékařské rehabilitaci. Jako příklad jeho uživatelského použití zvolili výzkumníci z brémského ústavu terapii pacientů po mozkové příhodě. Tím mohli ukázat, že exoskelety jsou použitelné k realizaci klasických terapeutických metod a dokážou zvládat i některé úlohy z programu Assistive Daily Living, jako např. uchopení a zvedání objektů. „Po mozkové příhodě pomáhá fyziologické trénování postiženému pacientovi opět obnovit určité pohyby. Jen tímto způsobem mohou zdravé oblasti mozku převzít funkce jeho poškozených částí. Naše exoskelety umožňují pacientům intenzivně a přitom udržitelně trénovat, takže si mohou vbrzku obnovit ztracené motorické schopnosti,“ vysvětluje neurobioložka a vedoucí projektu Dr. Elsa Andrea Kirchnerová.  Nové mechatronické podněty a inovační systém pro vyhodnocení biosignálů Obr. 1. Mobilní exoskelet pomáhá pacientům po mozkové příhodě opět pohybovat rukama (foto: DFKI – Annemarie Popp)Vyvinutý exoskelet pro celé tělo snímá kinematicky přibližně celý pohybový prostor lidského těla. Konstrukce horní části (trupu), která slouží k rehabilitaci, je nesena flexibilní konstrukcí nohou. Naproti tomu dílčí robotický systém není samonosný, nýbrž musí být upevněn k invalidním vozíku, jehož se stává nedílnou součástí (obr. 1). Pro stavbu exoskeletů vypracovali odborníci z DFKI nové metody zejména v technice pohonů a v regulační technice. Mechatronickou sestavu zkombinovali s novým systémem pro online vyhodnocení elektroencefalografických (EEG) a elektromyografických (EMG) signálů, což umožňuje zhodnotit zdravotní stav pacienta a použít několikastupňovou podporu regulace. Spolupracující firma Rehaworks GmbH dbala v rámci projektu na dodržování požadavků kladených na lékařské přístroje a průběžně ověřovala navrhované metody a systémy.  Tři různé provozní módy pro variabilní podporu horní části těla Pro dílčí robotický systém byly pracovníky ústavu DFKI navrženy různé varianty rehabilitační terapie, které jimi také byly v rámci uživatelské studie s pacienty postiženými mozkovou příhodou ověřeny. Pacient v exo­skeletu nebo další osoba mohou systém ovládat a zvolit si jeden ze tří možných provozních módů. V prvním provozním módu lze pohyby zdravé paže ovládat pohyb druhé paže, která v tomto módu vykonává přesně stejné pohyby jako paže, jíž hýbá pacient. V tomto módu je exoskelet použitelný pro tzv. zrcadlovou terapii, která nabízí nejenom vizuální, nýbrž také proprioceptivní stimulaci, tj. stimulaci vnímání pohybů vlastního těla a jeho polohy. Obr. 2. V jednom z pracovních módů nový exoskelet odvozuje pohyb paže požadovaný pacientem z naměřených elektromyografických signálů (EMG) (foto: DFKI – Annemarie Popp)Druhý provozní mód umožňuje vnutit pacientovi pohyb, který třetí osoba, např. terapeut, předvedením zadala a který je poté ve smyslu repetitivní terapie kdykoliv libovolně často proveditelný. V třetím provozním módu může být exoskelet řízen na bázi svalové aktivity pacienta, která je u některých skupin pacientů ještě v nepatrné velikosti k dispozici. Tento mód je založen na měření signálů EMG, z čehož systém může odvodit úmysl pacienta k pohybu a v jeho pohybech ho intuitivně podporovat (obr. 2). Podrobnější informace lze nalézt na webové stránce https://robotik.dfki-bremen.de/de/forschung/projekte/recupera-reha.html.  Závěr „V projektu Recupera-Reha se nám podařilo navrhnout novou cestu v interakci člověka a robotu, která může vést k významnému zdokonalení a větší efektivitě technik rehabilitace. Doufáme, že budeme moci v příštích letech exoskelety dále vyvíjet a zdokonalovat tak, aby byly např. ještě lehčí a flexibilnější a současně aby v případě potřeby mohly nabídnout ještě vyšší úroveň podpory pacienta,“ zdůrazňuje profesor Kirchner. Výzkumný projekt Recupera-Reha podpořilo Spolkové ministerstvo pro vzdělání a výzkum (BMBF) v rámci nosného programu Softwaresysteme und Wissenschafts- technologien částkou téměř tři miliony eur. [Recupera-Reha: Tragbares Exoskelett hilft Schlaganfallpatienten sich wieder zu bewegen. Pressemitteilung DFKI Bremen, 12. 2. 2018.] (Kab.)

Optimální ochrana osob a strojů

Otázky bezpečnosti mají v automatizační technice vysokou prioritu. Murrelektronik nabízí sběrnicový modul MVK Metal Safety pro bezpečnostní instalace. Lze s ním dosáhnout nejvyšších standardů: Safety Integrity Level 3 (podle IEC 61508 a IEC 62061) a Performance Level e (podle EN ISO 13849-1). Pro konkrétní využití je MVK Metal Safety k dispozici ve dvou variantách: čistě vstupní modul a smíšený modul se vstupy a výstupy.

Tlačítkové moduly s různobarevnými světelnými efekty

Tlačítka pro nouzové zastavení a restart od firmy Murrelektronik se integrují do elektronických instalací prostřednictvím předem nakonfigurovaných standardních kabelů M12. Jde o řešení, které šetří čas a vylučuje riziko chyb v zapojení. Díky konceptu plug-and-play lze tyto ovládací prvky velmi rychle začlenit do strojů a zařízení. Takové řešení je žádané především tam, kde jsou jednotlivé ovládací a signalizační přístroje umísťovány do decentralizovaných pozic, např. na bezpečnostních ploty nebo do výrobních stanic. Varianty tlačítek s velmi kompaktní konstrukční šířkou 42 mm se perfektně hodí pro instalaci na standardní hliníkové profily. Tlačítko nouzového zastavení je k dispozici také se světelným tlačítkem Reset v jednom pouzdře. Tento tlačítkový model se zapojí do zařízení tak, aby se tlačítko restart rozsvítilo, jakmile je možné zařízení znovu spustit. V každém balení je obsaženo pět barevných krytů tlačítek. Díky tomu je možné dosáhnout různobarevného světelného efektu– podle příslušného využití.Více informací je uvedeno na www.murrelektronik.cz.

Tři výrobky ifm electronic oceněny v soutěži German Design Award 2019

Třii výrobky značky ifm electronic dostanou do hledáčků na veletrhu Ambiente ve Frankfurtu. Dne 8. února 2019 jim budou budou předány ceny v soutěži German Design Award. Vítězem soutěže se stal maják DV1500 a další dva přístroje si vysloužily zvláštní ocenění poroty: chytrý senzor pro nepřetržité hlášení polohy ventilu MVQ101 a jednotka IO-Link master AL1101.Maják DV1500 s pěti barevnými segmenty (na obrázku vlevo) slouží k vizualizaci různých stavů strojů a zařízení. V majáku lze nastavit barvu signalizace, jas, frekvenci a hlasitost výstražného tónu pomocí uživatelsky příjemného softwaru IO-Link pro PC. Pomocí montážního adaptéru lze maják instalovat jak ve standardní  poloze, tak pootočený o 90° na stěnu. Tónovaný kryt spolu s čočkou polygonálního tvaru zajišťují velmi dobrou viditelnost, takže není na překážku ani umístění majáku u okna nebo v přesvětlené hale. Jednotka IO-Link Master AL1101 (uprostřed) je zařízení nové generaci propojující svět IT a průmyslu. Tato řídicí jednotka plní vysoké nároky potravinářského průmyslu a je odolná vůči chemikáliím, vysokým teplotám a kapalinám. Díky modernímu technickému provedení neulpívají na indikátorech LED nečistoty a zůstávají stále viditelné. Použitím jednotky IO-Link se sníží množství propojovacích kabelů. Chytrý senzor pro nepřetržité hlášení polohy ventilu MVQ101 (vpravo)  poskytuje spolehlivou vizuální informaci o poloze klapky prostřednictvím LED kroužku. Barevnost LED kroužku lze nastavovat pomocí softwaru. LED kroužek také se nastavuje tlačítkem „teach“, který lze aktivovat bezdotykově, pomocí kovového předmětu.

Red Lion rozšiřuje sortiment o zařízení DA10D a DA30D pro převod protokolů a sběr dat

Společnost Red Lion Controls uvedla na trh zařízení DA10D a DA30D pro převod protokolů a sběr dat. Na rozdíl od jiných komunikačních bran a převodníků protokolů, které se pro připojení k podnikovému informačnímu systému spoléhají na komplikované skriptování nebo dodatečný hardware serveru, zařízení DA10D a DA30D nabízejí široké možnosti připojení a současně jednoduché prostředí pro konfiguraci. Umožňují tak firmám rychle získat přístup k datům z dosud nepřipojených nebo stávajících zařízení a snadno a cenově výhodně připojit, monitorovat a ovládat jednotlivé systémy.obr. 1. DA10D a DA30D Pro zákazníky z oboru průmyslové automatizace, kteří potřebují sbírat kritická data z různých systémů od různých dodavatelů, jsou zařízení DA10D a DA30D novou možností pro sběr dat a konverzi protokolů při sběru a sdílení dat z oddělených systémů využívajích standardní Ethernet a sériové porty. S novou nabídkou přichází také software Crimson 3.1, poskytující nativní podporu pro více než 300 průmyslových ovladačů, předem připravené (out-of-box) servery OPC UA a jednoduchou „zaklikávací“ konfiguraci cloudových konektorů MQTT pro některé nejpopulárnější platformy IIoT od firem Amazon, Microsoft a Inductive Automation. Zařízení DA10D a DA30D kromě toho umožňují zaznamenávat data, události a údaje o zabezpečení s podporou šifrování záznamů a možností připojení elektronického podpisu, a dále realizovat dotazy SQL, periodické i na vyžádání. To vše usnadňuje správu dávkových a recepturově řízených výrob a současně zajišťuje splnění nejvyšších standardů kvality. Zařízení navíc mají volitelný webový server s responzivním designem pro mobilní zařízení. Umožňuje zobrazení na celou obrazovku, jež je ideální pro tablety a mobilní telefony, dále operace HTTPS s poskytováním certifikátů, přesměrování HTTP a podporu stylů CSS a jazyka JavaScript. Pro více informací o zařízeních DA10D a DA30D od Red Lion navštivte www.redlion.net/DA.(ed)

Mnohostranně využitelná bezpečnostní relé řady MIRO Safe+

Bezpečnostní technika ve výrobě strojů a zařízení je nyní „v kurzu“, protože se bezpečnosti lidí i strojů přikládá velký význam. Bezpečnostní relé MIRO Safe+ společnosti Murrelektronik jsou tím pravým řešením pro dosažení bezpečnostní úrovně až PLe podle EN 13849-1 (Performance Level).Obr. 1. MVK Metal Safety Bezpečnostní relé MIRO Safe+ jsou velmi výkonná. Univerzální vlastnosti má typ MIRO Safe+ Switch H L 24, který je vhodný pro úlohy nouzového zastavení, bezpečnostních dveří, světelných závor a elektromagnetických spínačů a disponuje třemi spínacími a jedním rozpínacím kontaktem. Lze jej používat v provedení se sledováním tlačítka start i bez jeho sledování. Další univerzální typ MIRO Safe+ Switch H 48-230 je vybaven širokonapěťovým vstupem. Toto bezpečnostní relé pro obvody 48 až 230 V AC (také pro americký trh) je vhodné pro monitorování nouzového zastavení a bezpečnostních dveří se sledováním tlačítka start i bez sledování. Úkoly časování řeší MIRO Safe+ T 1 24. Hodí se do obvodů, v nichž je vedle nezpožděných kontaktů nutno zařadit také zpožděný kontakt. Zpoždění lze nastavit až na 30 s. Toto mimořádně kompaktní relé s šířkou pouhých 22,5 mm (konstrukční šířka 45 mm) má dva kontakty s časovým zpožděním.Obr. 2. MVK Metal Safety společnosti Murrelektronik při použití v logistické aplikaci MIRO Safe+ Switch ECOA 24 v minimalistickém provedení je relé, vybavené šroubovými svorkami, které je vhodné pro řešení bezpečnostních dveří, nouzového zastavení a světelných závor. Velmi dobře se uplatní tam, kde není nutné sledovat tlačítko start. Výhody bezpečnostních relé řady MIRO Safe+ jsou: jednoznačné označení štítky, LED indikátory stavu na přední straně relé, flexibilní možnosti využití díky odpojitelné detekci zkratu mezi kanály, rychlé připojení se zásuvnými pružinovými spojkami a kódovací prvky, které zabrání záměně svorek. Více informací je uvedeno na www.murrelektronik.cz.