Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Trendy v průmyslové měřicí technice

V posledních několika desetiletích exponenciálně roste výpočetní výkon mikroelektronických prvků a s tím také množství naměřených údajů, které jsou tyto prvky schopny zpracovat. Ovšem to by nebylo nic platné, kdyby neexistoval spolehlivý aktivní spojovací článek mezi reálným analogovým světem a virtuálním digitálním světem počítačové techniky a komunikačních sítí. Tento spojovací článek tvoří snímače a akční členy.

Náš svět je reálný a analogový, nikoliv virtuální a digitální a pro interakce mezi reálnými procesy a jejich virtuálními digitálními modely jsou třeba snímače a akční členy. Umožňují optimalizovat efektivitu výrobních procesů, udržovat jejich kvalitu, chránit obsluhu i životní prostředí a co nejlépe využívat přírodní zdroje.

Bez snímačů je řídicí systém slepý a hluchý. Informace musí být spolehlivé, tzn. správné a kdykoliv dostupné. Proto se vedle dlouho známých a osvědčených principů objevují nové měřicí principy, jež umožňují realizovat robustní snímače pracující v širokém rozsahu pracovních podmínek, snímače, které se dokážou učit a adaptovat své funkce, a snímače, které samy dokážou dohlížet na svou správnou funkci a realizovat diagnostické funkce přímo na místě, v samotném snímači. Lze se setkat i s požadavky, které dříve nebyly běžné. Jsou spojeny např. s kvalifikací a validací výrobních procesů ve farmaceutické a potravinářské výrobě. Důsledkem je vznik požadavků na to, aby naměřené údaje byly opatřeny časovou značkou, popř. elektronickým podpisem, a ukládány v takové podobě, aby je nebylo možné dále nijak upravovat.

Perspektivní oblasti techniky

Snímače musí být přesné a spolehlivé. K tomu přispívá vývoj zvláště ve třech oblastech techniky:

–   mikroelektronika s rostoucím výpočetním výkonem a stále levnějšími, výkonnějšími a menšími prvky,

–   informační technika se svými standardizovanými komunikačními sítěmi (sběrnice, internet),

–   mikrotechnologie s novými měřicími principy.

Snímače jsou integrální součástí celého auto­matizačního systému. Kromě zmíněné přesnosti a spolehlivosti musí splňovat množství dalších požadavků. Charakterem řízené technologie a pracovními podmínkami je dána jejich konstrukce, použité materiály a připojovací rozměry. V moderní automatizaci je stále častější také mobilní měřicí technika. Mobilní snímače mají mimořádné požadavky na energeticky úsporný provoz, malé rozměry a hmotnost. Konstrukce snímače, jeho tvar, rozměry a použitá mechanická a elektrická rozhraní nezřídka vycházejí z mezinárodních norem. Při navrhování snímače je nutné brát ohled také na jeho výslednou cenu.

Měřicí technika je a vždycky bude multidisciplinární obor: na návrhu a konstrukci konkrétních snímačů se podílejí všechny obory techniky a přírodních věd. Stále větší úlohu má také software, mimo jiné proto, aby analogový signál senzoru rychle, levně a spolehlivě převedl do digitální formy. Na konstrukci snímačů se již dnes výrazně podílejí mikrotechnologie a biotechnologie. V budoucnu lze čekat také výrazné uplatnění nanotechnologií. Zajímavou oblastí je využití elektromagnetických vln všech vlnových délek. Tento měřicí princip je využíván např. v mikrovlnných radarových snímačích polohy hladiny. 

Rozvoj biosenzorů

K měřicím účelům lze používat také mnohé biochemické a biofyzikální jevy. Často se u nich uplatňuje tzv. pákový jev: malá příčina vyvolá velký následek. Nově vznikající biosenzory nacházejí stále širší uplatnění nejen v lékařství, ale také ve farmacii, potravinářství, v chemickém průmyslu a při měření znečištění životního prostředí. V budoucnu se počítá s jejich stále rozsáhlejším využitím v dalších oborech, včetně spotřební elektroniky.

Akční členy mění informace v reálné působení

Je-li systém bez snímačů hluchý a slepý, bez akčních členů je bezruký. Spolehlivost akčních členů musí korespondovat se spolehlivostí snímačů a ostatních prvků regulační smyčky. Selhání akčního členu může v mnoha případech způsobit značné škody.

Dříve zmíněné tři oblasti techniky, které přispívají ke zvyšování spolehlivosti snímačů, mikroelektronika, informační technika a mikrotechnologie, se uplatňují také u akčních členů. Ruku v ruce s nimi jde pokrok v oblasti strojní konstrukce a někdy podceňované jemné mechaniky: nové materiály, spojovací metody a výrobní postupy.

Autonomní mechatronické systémy se snímači a akčními členy

Jsou to především poznatky z oblasti mikrotechnologií, které umožňují vytvářet uzavřené inteligentní systémy se snímači a akční­mi členy. Přidá-li se ke snímačům a akčním členům potřebný výpočetní výkon, vzniká autonomní inteligentní agentní systém. Po technické stránce vzniku takových systémů nic nebrání – veškerá technika je dostupná a první systémy tohoto druhu již vznikly. Důležité a pro budoucnost těchto systémů rozhodující ale je, aby nevznikaly výhradně pod tlakem ze strany techniků, ale také podle požadavků trhu.

Autonomní systémy, spojující mechanické, elektronické a další fyzikálně-technické principy, se nazývají mechatronické systémy. Mechatronika je odvětví, kde se prolínají různé obory techniky a přírodních věd, aby společně plnily stanovené zadání. Jde o velmi perspektivní obor, jemuž je záhodno věnovat značnou pozornost, a to i v oblasti vzdělávání.

(Endress+Hauser)

Obr. 1. Coriolisův průtokoměr měří současně hmotnostní průtok, hustotu, teplotu a viskozitu

Obr. 2. Vírový průtokoměr určený do parního potrubí měří okamžitý průtok i celkový objem proteklé páry