U snímačů používaných ke sledování důležitých parametrů tepelného stavu prostředí je třeba, stejně jako u jakéhokoliv jiného měřicího zařízení, znát jejich skutečné metrologické vlastnosti. Zvláště důležité je to u snímačů, které jsou upravovány nebo nově vyvíjeny. Vždy je třeba ověřit, zda snímače vykazují předpokládanou závislost svého výstupu na měřené veličině a poskytují potřebnou přesnost, opakovatelnost a reprodukovatelnost měření. Z důvodů úspory financí a zajištění potřebné flexibility při ověřování snímačů (čidel) parametrů tepelného stavu prostředí byly na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně zkonstruovány dvě zkušební komory, které takovéto ověřování umožňují.
Má-li se dostatečně přesně měřit, je třeba měřicí přístroje kalibrovat. Kalibrační služby poskytuje především Český metrologický institut, ale i mnoho dalších akreditovaných kalibračních laboratoří. Většina velkých dodavatelů měřicí techniky má vlastní laboratoře pro kalibraci zařízení, která dodávají. Problémy mohou nastat v okamžiku, kdy potřebná laboratoř není dostupná nebo jde o kalibraci snímačů, které jsou založeny na speciálních fyzikálních principech, popř. jsou teprve ve vývoji.
V rámci vývoje různých snímačů veličin charakterizujících tepelný stav prostředí (parametrů tepelné pohody) vyvstala na FSI VUT potřeba tyto snímače dostatečně ověřovat a kalibrovat ve vlastních laboratořích. Jde zejména o snímače střední radiační teploty, snímače operativní teploty, snímače typu umělá kůže, ploché černé teploměry apod. Vedle měření teploty, vlhkosti a rychlosti proudění vzduchu jde často o měření parametrů, které v každodenní praxi nepatří ke zcela běžným – např. již uvedená střední radiační a operativní teplota a další z nich odvozená hodnocení tepelné pohody, jak bylo přiblíženo např. ve [3]. Právě pro potřeby prvotního ověření vyvíjených snímačů a jejich následnou kalibraci byly navrženy a realizovány dvě zkušební komory – ověřovací (popř. testovací) komora a kalibrační komora, které jsou v následujícím textu blíže představeny.
Ověřovací komora
Při ověřování snímačů tepelné pohody ve volném prostoru na snímače negativně působí různé vlivy prostředí, čímž jsou zkreslovány naměřené charakteristiky snímače. Při ověřování v běžné laboratoři se na výsledcích negativně projevuje např. vliv slunečního záření, dopadajícího do místnosti v průběhu dne pod různým úhlem, o změnách jeho tepelných účinků, vlivu průvanu apod. nemluvě. Ověřovací komora navržená a realizovaná pro potřeby objektivního ověřování vlastností vyvíjených snímačů (popř. čidel) tepelné pohody umožňuje minimalizovat uvedené vlivy nerovnoměrného rozložení radiační teploty a rychlosti proudění vzduchu a dosáhnout z daného pohledu téměř homogenního prostředí. Vyvíjené snímače jsou ověřovány porovnáváním s přesnějším zařízením k hodnocení tepelného stavu prostředí.
Ověřovací komora je zkonstruována jako mobilní zařízení s možností snadno změnit všechny tři hlavní rozměry (šířka × hloubka × výška). Minimální rozměry komory jsou 1,7 × 1,7 × 2,2 m, maximální 2,25 × × 2,25 × 3,1 m. Součástí ověřovací komory je také měřicí a regulační systém, který se skládá z ověřovaného snímače a porovnávacího (vztažného) snímače, anemometru pro měření rychlosti proudění a turbulence, vlhkoměru, teploměru, popř. dalších měřicích zařízení, a regulovatelného tepelného zářiče. Pět regulovatelných (vyměnitelných) ventilátorů v horní části komory je schopno zajistit řízený průtok vzduchu až do hodnoty 2 m3·s–1.
Uspořádání ověřovací komory je schematicky znázorněno na obr. 1. Modulární konstrukce komory je tvořena čtyřmi výškově stavitelnými stojany nesoucími teleskopicky délkově i úhlopříčně nastavitelnou konstrukci z trubek. Níže položený rám spojuje stojany v rozích a nese stínicí závěsy, výše položený rám spojuje stojany také úhlopříčně a umožňuje modifikovat rozmístění ventilátorů.
Doposud bylo vykonáno několik úplných měření operativní teploty při použití kulových teploměrů, a to v komoře s vypnutými i zapnutými ventilátory pro odvod vzduchu a také paralelně v laboratoři mimo ověřovací komoru. Na obr. 2 je pohled na příslušné měřicí pracoviště uvnitř komory. Porovnání dosažených výsledků jednoznačně prokázalo přednosti ověřovací komory. Z ukázky získaných časových průběhů naměřené teploty na obr. 3 je patrné, že vliv okolního prostředí na údaj snímače umístěného v ověřovací komoře je velmi výrazně potlačen.
Kalibrační komora
Při vypracovávání návrhu kalibrační komory bylo dbáno na to, aby plocha jejích vnitřních stěn byla nejméně padesátkrát větší než povrch čidel (snímačů) ve vnitřním prostoru, a to jak čidel kalibrovaných, tak čidel monitorujících aktuální tepelný stavu uvnitř komory (etalonových). Při takovém uspořádání lze uvažovat radiační podmínky na povrchu čidla stejné jako u malého tělesa ve velkém prostoru.
Konstrukční uspořádání kalibrační komory je patrné z obr. 4. Rozměrově je komora dimenzována tak, aby bylo možné pracovat i s poměrně rozměrnými čidly tepelného stavu prostředí podle příslušných norem [8], [9] a [10], např. s kulovým teploměrem o průměru 100 nebo 150 mm. Stěna komory má tři základní vrstvy, z nichž svrchní má zejména funkci ochrannou, pevnostní a tvoří „kostru“ celého zařízení. Druhá vrstva má izolační funkci a nese topné prvky. Třetí vrstvu tvoří vnitřní vestavba, uvnitř které je již samotný kalibrační prostor opatřený regulovatelným ventilátorem, který v případě potřeby zajišťuje pohyb vzduchu.
Tepelné podmínky v komoře lze řídit manuálně nebo automaticky na základě údajů ze zabudovaných digitálních snímačů teploty Dallas 18B20, které jsou odolné proti elektromagnetickému rušení. Při automatickém provozu je celý systém řízen mikrořadičem řady ATMeaga 32. V komoře lze měnit teplotu a rychlost proudění vzduchu a zajistit homogenitu či nehomogenitu radiačních podmínek podle požadavků při kalibraci jednotlivých snímačů. Rychlost proudění vzduchu se měří odstíněným žárovým anemometrem v blízkosti ověřovaného snímače. Celkový pohled na kalibrační komoru je na obr. 5 a detail čelního panelu regulátoru na obr. 6.
Při zkouškách kalibrační komory byla při použití sady přístrojů značky Testo pro měření tepelného stavu prostředí ověřována homogenita teploty stěn a stálost teploty vzduchu v komoře a teploty kulového teploměru. Chování komory bylo ověřováno při dvou teplotách, a to 26 a 30 °C. Zjištěné časové závislosti teploty vzduchu v komoře ta (měřené odstíněným teploměrem) a teploty kulového teploměru tg na čase jsou ukázány na obr. 7. Z grafů lze vyčíst, že nastavená teplota stěn (každá na stejnou hodnotu) odpovídá teplotě vzduchu a teplotě naměřené kulovým teploměrem. Kulový teploměr se pro obě nastavené teploty (26 °C a následně 30 °C) ustálil vždy asi po jedné hodině od začátku měření.
Závěr
Na Fakultě strojního inženýrství VUT v Brně byly v rámci projektu GAČR zkonstruovány dvě zkušební komory, ověřovací a kalibrační, pro účely ověřování snímačů (čidel) parametrů tepelné pohody. Důvodem je naléhavá potřeba zajistit opakovatelnost a reprodukovatelnost podmínek měření při ověřování nově vyvíjených snímačů, čehož v běžných podmínkách laboratoře, kde se projevují různé negativní vlivy prostředí, nelze dosáhnout.
V ověřovací komoře je možné ověřovat snímače střední radiační teploty a snímače rychlosti proudění vzduchu. Tato komora dostatečně odstiňuje rušivé infračervené záření z topných těles, ze slunce atd. a případně také parazitní průvan v místnosti.
Kalibrační komora s ověřenými vlastnostmi je určena k prvotní kalibraci nově vyvíjených snímačů poté, co je v ověřovací komoře ověřena jejich správná funkce. Komora s homogenním prostředím a možností nastavit radiační teplotu a rychlost proudění vzduchu je nezbytná k určování nejistoty měření těchto snímačů.
Závěrem lze konstatovat, že obě komory splnily očekávání a je možné je použít pro prvotní ověřování a kalibraci nově vyvinutých snímačů pro hodnocení tepelného stavu prostředí typu např. umělé kůže, snímačů operativní teploty, plochých černých teploměrů atd. Snímače, které v komorách na FSI vyhoví parametrům norem, budou postoupeny ke kalibraci na některém akreditovaném pracovišti.
Poděkování
Článek vznikl v návaznosti na projekt GAČR 101/09/H050 Výzkum energeticky úsporných zařízení pro dosažení pohody vnitřního prostředí.
Literatura:
[1] DAVID, J.: Monitorovací systém prostředí pro dlouhodobé sledování kancelářských prostor. Brno, VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2006.
[2] CHUDÝ, V. – PALENČÁR, R. – KUREKOVÁ, E. – HALAJ, M.: Meranie technických veličín. Bratislava, Vydavateľstvo STU v Bratislave, 1999, 688 s., ISBN 80-227-1275-2.
[3] JANEČKA, J.: Hodnocení tepelného stavu prostředí. Automa, 2008, roč. 14, č. 11, s. 20–22, ISSN 1210-9592.
[4] Janečka, J. – Mlčák, R. – Kazkaz, M. – Košíková, J. – Vdoleček, F. – Pavelek, M.: Komora pro kalibraci senzorů tepelné pohody. Funkční vzorek č. 25890. Brno, FSI VUT v Brně, 2012. Dostupné z <http://ottp.fme.vutbr.cz/vysledkyvyzkumu/Vzorek-25 890.pdf>.
[5] Košíková, J. Systémy pro hodnocení tepelného stavu prostředí a analýza jejich nejistot měření. Pojednání ke státní doktorské zkoušce, Brno, FSI VUT v Brně, 2012.
[6] Košíková, J. – Kazkaz, M. – Janečka, J. – Vdoleček, F. – Pavelek, M.: Testovací komora pro porovnávání snímačů tepelné pohody. Funkční vzorek č. 25889. Brno, FSI VUT v Brně, 2012. Dostupné z <http://ottp.fme.vutbr.cz/vysledkyvyzkumu /Vzorek-25889.pdf>.
[7] PAVELEK, M. – ŠTĚTINA, J.: Experimentální metody v technice prostředí. 3. vydání. Brno, Akademické nakladatelství CERM, 2007, 215 s., ISBN 978-80-214-3426-4.
[8] ČSN EN ISO 7726:2002 Ergonomie tepelného prostředí – Přístroje pro měření fyzikálních veličin. Český normalizační institut, Praha, 2002.
[9] ČSN EN ISO 7730:2005 Ergonomie tepelného prostředí – Analytické stanovení a interpretace tepelného komfortu pomocí výpočtu ukazatelů PMV a PPD a kritéria místního tepelného komfortu. Český normalizační institut, Praha, 2005.
[10] ČSN EN ISO 14 505-2:2006 Ergonomie tepelného prostředí – Hodnocení tepelného prostředí ve vozidlech – Část 2: Stanovení ekvivalentní teploty. Český normalizační institut, Praha, 2006.
Ing. Jan Janečka (janecka@uai.fme.vutbr.cz),
Ing. Jana Košíková (ykosik04@stud.fme.vutbr.cz),
Ing. Roman Mlčák (ymlcak00@stud.fme.vutbr.cz),
Ing. František Vdoleček, CSc. (vdolecek@fme.vutbr.cz),
prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. (pavelek@fme.vutbr.cz),
FSI VUT v Brně
Obr. 1. Uspořádání ověřovací komory [6]
Obr. 2. Měřicí pracoviště uvnitř ověřovací komory při měření operativní teploty [6]
Obr. 3. Výsledky měření tepelného stavu prostředí kulovým teploměrem při konstantní teplotě vzduchu v místnosti a změně ozáření místnosti slunečním svitem [6]
Obr. 4. Zjednodušené schéma kalibrační komory
Obr. 5. Kalibrační komora
Obr. 6. Regulátor teplot stěn kalibrační komory
Obr. 7. Naměřená závislost teploty vzduchu ta a teploty kulového teploměru tg v kalibrační komoře na čase