Bezdotykové snímače provozních veličin přednosti a omezení (část 1)

snímače a měřicí technika

Bezdotykové snímače provozních veličin – přednosti a omezení (část 1) Karel Kadlec

V příspěvku jsou uvedeny charakteristické rysy bezdotykových a dotykových snímačů provozních veličin, podrobněji jsou popsány principy vybraných bezdotykových snímačů (snímače teploty, polohy hladiny, průtoku a složení) a diskutovány jejich přednosti a omezení. This paper presents characteristics of contactless and contact sensors of process variables, describes in more details principles of selected contactless sensors (temperature sensors, level sensors, flowmeters and analytical sensors), and discusses their advantages and limitations.

1. Obecně o bezdotykových snímačích Jedním z hledisek, podle kterého lze rozdělovat snímače, je skutečnost, zda snímač je nebo není přímo v kontaktu s měřeným mé­ diem. Podle toho se rozlišují snímače: – dotykové (kontaktní) – některá konstrukční část snímače je v přímém kontaktu s měřeným médiem a je nutné počítat se vzájemným ovlivňováním vlastností snímače a měřeného prostředí, – bezdotykové (bezkontaktní) – nepřicházejí do přímého styku s měřeným médiem, snímač neovlivňuje měřenou veličinu a měřené médium nepůsobí na materiál snímače. Bezdotykové snímače nejčastěji využívají principy elektromagnetické indukce (snímače indukční), šíření záření a  ultrazvuku (snímače optické a  ultrazvukové) či změny magnetického a  elektrického pole (snímače magnetické a  kapacitní). Bezdotykové snímače se obecně používají k  vyhodnocování polohy částí strojů, materiálů či výrobků, k měření posunutí, vzdálenosti, úhlu (natočení rotujících částí strojů), frekvence otáčení, ale i k měření dalších provozních (procesních, technologických) veličin, jako jsou teplota, poloha hladiny, průtok a složení provozního média, s nimiž se lze často setkat v chemicko-technologických či potravinářských a dalších výrobách. Předložený příspěvek je věnován právě této skupině bezdotykových snímačů, jejich přednostem a omezením. Bezdotykové snímače mají mnoho předností a díky vyloučení mechanického opotřebení vykazují vysokou spolehlivost, přesnost i dlouhou životnost. Při jejich využití je však nutné se zamyslet i nad případnými omezeními a nevýhodami. Při rozhodování o využití bezdotykových snímačů je vhodné posoudit tato hlediska: – existence možnosti bezdotykového měření dané veličiny, – schopnost bezdotykového měření poskytnout objektivní informaci o měřené veličině, – vliv přítomnosti dotykového snímače v měřeném médiu na hodnotu měřené ve-

22

ličiny a  vzájemné působení provozního média a materiálu snímače, – dynamické vlastnosti snímače.

2. Bezdotykové snímače teploty Bezdotykové měření teploty je oblast, ve které bylo díky elektronice a optice dosaženo značného pokroku. Přenosné bezdotykové teploměry nacházejí široké uplatnění při detekci tepelných ztrát a poruch, při kontro-

dále zpracován v  elektronických obvodech. K  bezdotykovému měření teploty se využívají jednak bezdotykové teploměry (IČ teploměry, pyrometry), které poskytují obvykle číslicový výstup na displeji, a jednak termokamery (IČ termokamery, termovizní kamery), jejichž výstupem je termogram na displeji termokamery.

2.1 Přístroje pro bezdotykové měření teploty Zjednodušené blokové schéma uspořádání IČ teploměru a termokamery je na obr. 1. Tepelné záření vyzařované měřeným objektem se soustřeďuje optickou soustavou na detektor IČ záření měřicího přístroje. Optická soustava většinou funguje i jako filtr a musí propouštět záření požadovaných vlnových délek. Termokamera pracuje na principu bez-

Obr. 1. Blokové schéma IČ teploměru a termokamery

le potrubních systémů, nádrží apod. K měření rozložení teploty na povrchu objektů a k diagnostickým účelům se stále častěji využívají termokamery, které patří k nejmodernější termodiagnostické technice. Při bezdotykovém měření se teplota vyhodnocuje z intenzity infračerveného záření vyzařovaného měřeným objektem. Toto záření je optickým systémem soustředěno na vhodný detektor, jehož elektrický signál je

dotykového měření teploty, a princip funkce je tedy stejný jako u IČ teploměrů. Zásadní rozdíl je v tom, že IČ teploměr vyhodnocuje teplotu v jednom bodě (přesněji řečeno vyhodnocuje průměrnou teplotu v určité oblasti), zatímco termokamera vyhodnocuje teplotní pole na povrchu celých objektů (obr. 1). Většina současných typů termokamer využívá tzv. maticové (mozaikové) detektory. Rozdíl je tedy takový, že v pyrometru je použit jeden

Tab. 1. Přednosti a omezení bezdotykových teploměrů Přednosti – zanedbatelný vliv měřicího zařízení na objekt, – možnost měřit rychlé změny teploty, – možnost měřit rotující a pohybující se objekty, – možnost snímat rozložení teplot na celém povrchu objektu (termokamera)

Omezení a nevýhody – měří se pouze teplota povrchu objektu, – chyby způsobené nejistotou stanovení emisivity objektu, – chyby způsobené propustností prostředí (absorpce tepelného záření v prostředí mezi objektem a IČ teploměrem – sklo, CO2, vodní pára, dým), – chyby způsobené odraženým zářením z okolí

AUTOMA 11/2016

snímače a měřicí technika senzor IČ záření, v termokameře je maticový detektor, obsahující velký počet jednotlivých senzorů tepelného záření [1]. Jako senzory infračerveného záření se používají senzory teploty, u nichž IČ záření vyvolává změnu teploty, která se poté vyhodnocuje. Takovým senzorem je např. mikrobolometr (miniaturní odporový teploměr), který mění elektrický odpor v závislosti na intenzitě dopadajícího záření. Senzory teploty pracují v široké oblasti vlnových délek a nevyžadují chlazení detekčního systému. Dále se používají kvantové fotonové senzory (fotodiody a fotorezistory), které poskytují po dopadu IČ záření elektrický signál (změna napětí či elektrické vodivosti). Kvantové detektory jsou citlivější než detektory teploty, vyžadují většinou chlazení a detekují záření jen v úzkém rozsahu spektra. Elektronické obvody řízené mikroprocesorem vypočítávají teplotu na základě změřeného zářivého toku dopadajícího na detektor. Většina IČ teploměrů má displej, na kterém je možné číst naměřené hodnoty v  požadovaných jednotkách, zobrazit maximální a minimální teplotu v jistém časovém intervalu, vypočtenou průměrnou teplotu, rozdíl teplot, nastavenou emisivitu a popř. i další údaje. Výstupem termokamery je barevný obraz na monitoru – termogram. Počet zobrazených bodů na termogramu odpovídá počtu senzorů na maticovém detektoru a každý bod termogramu obsahuje informaci o teplotě. Hodnotu emisivity, popř. dalších korekcí zadává operátor prostřednictvím obslužné klávesnice. Běžnou součástí bezdotykového teploměru je zaměřovací systém, který umožňuje zaměřit přístroj na žádanou oblast měřeného objektu. K zaměření se v současné době nejčastěji používají laserové zaměřovače, které na měřeném objektu vizuálně vyznačí viditelnou stopu. Bodový laser vymezuje přibližně střed měřeného terče, dvojitý laser vymezuje průměr měřeného terče, kruhový nebo křížový laser vymezuje přibližně plochu měřeného terče.

2.2 Chyby při bezdotykovém měření teploty Jednou z  hlavních příčin chybných výsledků měření je nesprávné zaměření snímané plochy měřeného objektu. Při měření musí plocha měřeného objektu zcela vyplňovat zorné pole pyrometru. Je-li tato podmínka splněna, není výsledek měření závislý na vzdálenosti přístroje od měřeného objektu. Jestliže měřený objekt zorné pole přístroje nevyplňuje, je naměřená teplota váženým průměrem teploty objektu a jeho pozadí (váha je dána podílem ploch). Další faktory, které jsou zdrojem chyb při bezdotykovém měření teploty, jsou: – charakter povrchu měřeného objektu (lesklý, drsný, barevný, černý nebo také transparentní) – chyby lze kompenzovat nastavením emisivity,

AUTOMA 11/2016

– odraz záření z rušivých zdrojů (zdrojem záření mohou být všechny předměty v okolí měření) – chyby lze u některých přístrojů kompenzovat nastavením tzv. odražené teploty, – zdroj tepelného záření za transparentním měřeným objektem, – prostředí mezi měřeným povrchem a  IČ teploměrem (prostupnost prostředí ovlivní např. CO2, vodní pára, prach aj.), popř. měření přes okno propustné pro IČ záření. Při měření bezdotykovým teploměrem je třeba mít vždy na zřeteli, že IČ teploměr nebo termokamera měří teplotu povrchu objektu; k měření vnitřní teploty je zapotřebí použít vhodný dotykový teploměr. Pro předcházení chybným výsledkům měření je rovněž nezbytná pravidelná kontrola a případná kalibrace bezdotykového teploměru.

Obr. 2. Transmisní hladinoměry: a) mezní spínač, b) spojité snímání hladiny

3. Bezdotykové snímače polohy hladiny Zjišťování polohy hladiny kapalin a sypkých hmot v zásobnících a provozních nádobách, jako jsou různé tanky, zásobní a provozní nádrže, destilační kolony, odparky, krystalizátory, mísicí nádoby apod., je v provozní praxi jednou z velmi častých úloh. Různorodost požadavků na měření hladiny se odráží ve velkém počtu měřicích metod a přístrojů od jednoduchých, jako je plovák, až po moderní, mezi něž patří i bezdotykové snímače – hladinoměry optické, ultrazvukové, radarové a radioizotopové.

ní skrz průhlednou či průsvitnou nádobu (ze skla či plastu) nebo přes vhodné okénko. Snímač může pracovat jako mezní spínač nebo může monitorovat hladinu spojitě (obr. 2). Konstrukční části snímače sice nejsou v přímém kontaktu s měřeným médiem, to je však v kontaktu s okénky, na nichž by neměly ulpívat nečistoty a usazeniny.

Obr. 3. Reflexní spínač hladiny

Reflexní snímače využívají pro detekci polohy hladiny odraz paprsků viditelného či IČ světla od hladiny měřeného média, kterým může být jak kapalina, tak i sypká látka (obr. 3). Paprsek světla je směrován k povrchu měřeného média a odráží se zpět směrem k detektoru, který je umístěn ve stejném pouzdru jako světelný zdroj. Tento typ snímače pracuje jako bezdotykový a lze jej použít v případech, kdy je parní prostor čistý. Funkci spínače významně ovlivňují změny v charakteru odrazivosti povrchu měřeného média. Refrakční snímače, které využívají lom světla na rozhraní dvou optických prostředí, patří do snímačů dotykových.

3.2 Ultrazvukové hladinoměry Ultrazvukové hladinoměry využívají několik principů. Při spojitém měření polohy hladiny se měří doba průchodu ultrazvukové vlny od vysílače přes odraz od hladiny zpět k přijímači a z naměřené doby se při známé rychlosti šíření ultrazvuku v daném prostředí vypočítá vzdálenost. K  limitnímu měření polohy hladiny se využívá jednak útlum

3.1 Optické hladinoměry Princip optických snímačů polohy hladiny může být založen na využití průchodu, odrazu nebo lomu paprsků viditelného, infračerveného nebo laserového záření [1]. Snímače, které využívají laser, pracují na podobných principech jako radarové (mikrovlnné) hladinoměry a jsou vhodné pro bezkontaktní měření polohy hladiny v náročných podmínkách. Laserové snímače mohou využívat pulzní metodu měření nebo měření frekvenčně modulovanou kontinuální vlnou, které budou zmíněny u radarových snímačů polohy hladiny. V dalším textu jsou uvedeny především snímače pracující se zářením ve viditelné a IČ oblasti. Transmisní (absorpční) snímače využívají průchod paprsku viditelného nebo IČ záře-

Obr. 4. Princip ultrazvukového hladinoměru

23

snímače a měřicí technika Tab. 2. Přednosti a omezení ultrazvukových hladinoměrů Přednosti – absence pohyblivých součástí, – bezkontaktní spojité měření, – možnost instalovat z vnější strany nádrže bez porušení těsnosti, – nezávislost na elektrické vodivosti a dielektrických vlastnostech, – kompaktní provedení snímačů, – rozlišovací schopnost až 1 mm, přesnost měření řádu desetin % měřicího rozsahu

(absorpce) ultrazvukových vln v  závislosti na složení prostředí, kterým ultrazvuk prochází, jednak měření odrazu ultrazvuku přes stěnu nádoby [1]. Na obr. 4 je nakresleno schéma ultrazvukového hladinoměru, který využívá měření doby šíření ultrazvukového impulzu. Měřicí zařízení tvoří generátor a vysílač ultrazvukového signálu, přijímač ultrazvuku a elektronické vyhodnocovací zařízení. Vysílač a přijímač ultrazvukových impulzů tvoří konstrukční celek, obvykle umístěný v horní části nádrže. Funkci celého zařízení řídí generátor pulzů. Na počátku měřicího cyklu je z vysílače vyslán ultrazvukový impulz, který se po

Omezení a nevýhody – ovlivnění signálu v přítomnosti těžkých par a prachu, – rušivé působení turbulentního povrchu hladiny a přítomnosti pěny, – ve vakuu se zvuk nešíří a ultrazvukové hladinoměry není možné využívat již při tlacích menších než 60 kPa

účinnost odrazu významně záleží na hodnotě relativní permitivity média [1]. Radarové hladinoměry lze rozdělit na dvě skupiny, a sice na bezkontaktní a kontaktní. U bezkontaktních radarových hladinoměrů se mikrovlny šíří plynným prostředím nad hladinou měřeného média, u kontaktních radarů se mikrovlny šíří vlnovodem, který je ve styku s měřeným médiem. Bezkontaktní pulzní radarový hladinoměr pracuje s  krátkými mikrovlnnými impulzy s frekvencí např. 6 GHz a s dobou trvání asi 1 ns, které jsou pomocí antény vysílány směrem k hladině měřeného média (obr. 5). Na hladině se vlna částečně odrazí zpět k vysí-

Obr. 5. Princip radarového hladinoměru

odrazu od hladiny vrací k přijímači. Doba t naměřená elektronickým obvodem závisí na rychlosti ultrazvuku c v daném prostředí a na délce dráhy ultrazvuku L, a tím i na poloze hladiny. Poloha hladiny h se stanovuje odečtením naměřené dráhy L od maximální vzdálenosti Lmax (vzdálenost ke dnu nádrže).

3.3 Radarové hladinoměry Radarové hladinoměry pracují analogicky jako ultrazvukové hladinoměry, využívají však mikrovlnné záření. Mikrovlnné záření je elektromagnetické vlnění o frekvencích 1 až 300 GHz. U radarových hladinoměrů se využívají frekvence v rozmezí 5,8 až 26 GHz. Rychlost šíření mikrovln odpovídá rychlosti světla. Ve vakuu je to 3·108 m·s–1, v jiných médiích je rychlost závislá na permitivitě materiálu. Kvalita odrazu mikrovln závisí na permitivitě povrchu. Téměř dokonale se vlnění odrazí od povrchu hladiny dobře vodivé kapaliny. Při dopadu mikrovlnného záření na elektricky vodivý povrch nastane zkrat elektrického pole a vlnění je účinně odraženo. U elektricky nevodivých kapalin (organické látky)

24

Obr. 6. Radioizotopové hladinoměry

lači a částečně prochází do druhého prostředí. Měří se čas potřebný k průchodu elektromagnetických vln z  vysílače k  hladině (t1) a zpět k přijímači (t2). Podle této doby je metoda označována jako TOF (Time Of Flight). Z doby, která uplyne mezi vysláním a přijetím elektromagnetické vlny (t = t1 + t2) se stanoví poloha hladiny h. Další vysílaný impulz následuje po přestávce, která je potřebná pro příjem odražené vlny (tzv. echa). Po dobu přestávky je vysílač přepnut do funkce přijímače. Jedna perioda měření trvá řádově 106 s. Při technické realizaci tohoto principu se objevují problé-

my měření velmi krátkých úseků času. Při požadavku měřit polohu hladiny s  chybou menší než 1 mm je nutné měřit čas s rozlišením 6·1012 s. Vzhledem k velkým požadavkům na přesnost měření času u pulzního radaru je vhodnějším řešením radar s rozmítaným spojitým signálem. Tento radar využívá frek­venční metodu, která je založena na vysílání spojitého signálu s proměnnou frekvencí (FMCW – Frequency Modulated Continuous Wave). Předností frekvenční metody je skutečnost, že se vyhodnocuje rozdíl frekvencí (řádově v kilohertzích), který lze stanovit velmi přesně, což umožňuje stanovit polohu hladiny s přesností až ±1 mm [1].

3.4 Radioizotopové hladinoměry Radioizotopové hladinoměry využívají skutečnost, že intenzita radioaktivního záření klesá úměrně s tloušťkou vrstvy materiálu mezi zářičem a detektorem. Vyhodnocuje se tedy zeslabení svazku ionizujícího záření při jeho průchodu monitorovaným hmotným prostorem. Měřicí zařízení tvoří radioaktivní zářič a detektor záření s elektronickými obvody. Intenzita záření dopadající na detektor závisí na tloušťce vrstvy měřeného materiálu. Jako radioaktivní zářiče se používají zdroje záření gama, které velmi dobře proniká materiálem, ale nemá schopnost jej aktivovat (vyvolávat jeho radioaktivitu). Lze je proto používat i k měření v potravinářském průmyslu. Aby nebyly nutné časté kalibrace, používají se izotopy s delším poločasem rozpadu, např. Co 60 (poločas 5,5 roku) nebo Cs 137 (poločas 30,5 roku). Zářič musí být opatřen olověným ochranným krytem tloušťky několik desítek centimetrů. K  detekci záření se používá buď Geigerův-Müllerův detektor nebo citlivý scintilační detektor s fotonásobičem. Scintilační detektory jsou citlivé na teplotu (neměla by překročit hodnotu přibližně +55 ºC). K dispozici jsou systémy s automatickou kompenzací poločasu rozpadu zářiče, které nevyžadují v podstatě žádnou údržbu, a  vybavené chlazením detektoru, které mohou pracovat i při zvýšené teplotě.

Tab. 3. Přednosti a omezení bezdotykových radarových hladinoměrů Přednosti Omezení a nevýhody – nevhodné pro kapaliny s nízkou – pracují bez pohyblivých mechanických permitivitou, součástí, – poměrně vysoká cena zařízení – vysoká přesnost (±1 mm) a spolehlivost, – i pro velmi náročné provozní podmínky (vysoká teplota, tlak, agresivní prostředí), – vhodné i pro měření velmi viskózních a lepivých médií, pro pasty a kaly, pro zkapalněné plyny i těkavé a agresivní kapaliny

AUTOMA 11/2016

snímače a měřicí technika Tab. 4. Přednosti a omezení radioizotopových hladinoměrů Přednosti Omezení a nevýhody – bezkontaktní měření (montáž vně nádrže), – nutnost chránit obsluhu před účinky radioaktivního ozáření, – nezávislost na teplotě a na tlaku, – nezávislost na změnách chemického složení – povinnost zajistit pravidelnou kontrolu ve smyslu příslušných zákonných předpisů média, – minimální poruchovost i ve ztížených podmínkách, – uplatnění v náročných provozních podmínkách, při kterých jiné metody nevyhovují, – měření látek silně agresivních, viskózních, při extrémních teplotách a tlacích i ve vakuu, v prostředí s nebezpečím výbuchu, při vysoké prašnosti i při vibracích nádoby

Na obr. 6 je znázorněno limitní a spojité měření polohy hladiny v nádrži. Při limitním měření se skokově mění absorpce radioaktivního záření, při spojitém měření se s polohou hladiny mění tloušťka vrstvy materiálu. Důležitou předností radioizotopových hladinoměrů je možnost montovat zářič i přijímač na vnější stranu stěn zásobníku. Příklad takového bezkontaktního měření s využitím scintilačního detektoru je na obr. 6c.

4. Bezdotykové snímače průtoku Pro měření průtoku a proteklého množství tekutin je k dispozici mnoho přístrojů, které jsou založeny na různých fyzikálních principech. Je to dáno tím, že existují velké rozdíly v chemických i fyzikálních vlastnostech průmyslových tekutin a  v  podmínkách i  účelu měření. Bezdotykové snímače lze nalézt mezi průtokoměry ultrazvukovými a indukčními.

4.1 Ultrazvukové průtokoměry Podle vyhodnocení ultrazvukového (UZ) signálu se ultrazvukové průtokoměry rozdělují do dvou hlavních skupin: – průtokoměry s vyhodnocováním doby průchodu signálu (transit-time flowmeters), – průtokoměry využívající Dopplerův jev. U  každé z  těchto skupin lze nalézt další podrobnější způsoby členění. Z  hlediska montáže průtokoměru do potrubního systému se rozeznávají: – provedení se smáčenými (zásuvnými) snímači (in-line), které jsou pevnou součástí měřicí trubice, – provedení s  příložnými snímači (clamp-on), kdy snímače jsou přikládány na stěnu potrubí; v tomto případě jde o bezdotykové měření. 4.1.1 Průtokoměry s vyhodnocením doby průchodu signálu Ultrazvukový průtokoměr je tvořen měřicí trubicí, ve které je zabudován jeden nebo několik párů vysílače a přijímače ultrazvukového signálu. Průtokoměry jsou velmi často konstruovány v diferenčním zapojení, kdy je ultrazvukový signál vysílán jednak ve směru, jednak proti směru proudění. Schéma takové-

AUTOMA 11/2016

Doby mezi vysláním a  přijetím impulzu pro jednotlivé dvojice vysílače a  přijímače jsou t1 a t2 a lze je vyčíslit jako podíl vzdálenosti L a příslušné rychlosti. Z naměřeného rozdílu Δt = t2 – t1 lze vypočítat rychlost proudícího média a jeho objemový průtok [1]. 4.1.2 Průtokoměry využívající Dopplerův jev Průtokoměr založený na Dopplerově jevu lze použít v případě, že proudící médium obsahuje částice odrážející zvuk, tj. např. pevné částice či bubliny plynu v kapalině. Bez přítomnosti těchto částic nemůže průtokoměr tohoto typu pracovat. Průtokoměr se skládá z vysílače a přijímače ultrazvuku, které mohou být připevněny na jedné nebo obou stranách potrubí.

Obr. 7. Ultrazvukový průtokoměr s vyhodnocením doby průchodu signálu (transit-time)

ho průtokoměru se dvěma páry vysílače a přijímače ultrazvukových impulzů je na obr. 7. Vysílač V1 vysílá impulzy ve směru proudění, vysílač V2 proti směru proudění. Ul­ trazvukový impulz vyslaný vysílačem V1 se šíří rychlostí c + v cos α kde c je rychlost šíření ultrazvuku v daném prostředí, v střední rychlost proudícího média. Rychlost šíření impulzu od vysílače V2 je c – v cos α

Obr. 8. Princip Dopplerova průtokoměru

Ultrazvukový signál o  známé frekvenci přibližně 1,2 MHz je vysílačem vysílán do proudící kapaliny (obr. 8). Vysílaný signál se odráží od pohybující se částice či bubliny a při zachycení odraženého signálu přijímačem je vyhodnocována změna frekvence přijatého signálu. Rozdíl mezi oběma frekvencemi je úměrný rychlosti proudícího média. Vhodným zpracováním signálu lze zjistit střední rychlost průtoku. Elektroakustické měniče ultrazvukového průtokoměru mohou být v  těsném bezpro-

Tab. 5. Přednosti a omezení ultrazvukových průtokoměrů Přednosti – široký rozsah měřených průtoků, – vhodné i pro velké průměry potrubí, – žádné překážky v toku, – žádné pohyblivé části, – nevykazuje tlakové ztráty, – rychlá odezva, – možnost měřit znečištěná média, – možnost instalovat snímač vně potrubí (vlastnosti snímače nejsou ovlivňovány proudící tekutinou), – možnost měřit v obou směrech

Omezení a nevýhody – s Dopplerovým jevem jen pro zakalená a znečištěná média, – s měřením doby průchodu jen pro relativně čisté tekutiny, – nejistota měření závisí na profilu proudění, – změny teploty a hustoty ovlivňují ultrazvukový signál, – tekutina musí být akusticky transparentní, – potrubí musí být zaplněné, – turbulence, víření a pulzace průtoku mohou ovlivnit ultrazvukový signál, – přímé potrubí 10 až 20D před měřidlem a 5D za ním, – vyšší cena

Tab. 6. Přednosti a omezení laserového senzoru rychlosti proudění Přednosti – jedno- nebo vícebodové měření pod hladinou kapaliny, – bez nutnosti manuálně profilovat rychlost, – obousměrné měření rychlosti

Omezení a nevýhody – měřené médium by mělo obsahovat rozptýlené pevné částice nebo bubliny plynu

25

snímače a měřicí technika ří na elektrodách rozdíl potenciálů o  napědukci B rychlostí v, a elektrictí U. Hodnota intenzity elektrického pole je ké síly působící na tento náboj pak dána napětím na elektrodách U a jejich v elektrickém poli o intenzitě vzdáleností d E [4]. V  proudící vodivé ka|E| = U/d palině jsou v  dostatečné konSíla Fe vyvolaná elektrickým polem je pocentraci obsaženy nabité částidle Lorentzova zákona dána součinem intence (ionty), které se pohybují ve zity elektrického pole a náboje směru proudění. Síla Fm vyvolaná magnetickým polem, kteFe = qE Síly Fm a Fe působí proti sobě a pro rovrá působí vychýlení iontu s nánováhu platí bojem q (při rychlostí v  a  inObr. 9. Zásuvný a  příložný snímač ultrazvukového průto|q(v×B)| = qU/d dukci B), je dána vektorovým koměru Za předpokladu, že spojnice elektrod je součinem Fm = q(v×B). (Postředním styku s  měřenou kapalinou – tak známka: veličiny, které mají charakter vekkolmá k rovině vektorů B a v, pro vektorotomu je u průtokoměrů se zásuvnými (smátoru, jsou vyznačeny tučně). vý součin platí čenými) snímači (obr. 9a). Mohou však být Tato síla způsobí vychýlení nábojů směU = Bdv instalovány na potrubí z vnějšku – u průtorem k  elektrodám umístěným ve stěně pocož je formálně stejný vztah jako vztah odvokoměrů s příložnými snímači (clamp-on; obr. trubí o průměru d. Vychýlené náboje vytvozený podle Faradayova zákona [4]. Průtokoměr tvoří tři 9b). Příložné průtokoměry měří bezdotykově základní komponenty: a neovlivňují měřený průtok, protože nezasaměřicí trubice, elekhují do proudícího média. Mohou být na potromagnet a  elektrotrubí instalovány, aniž by bylo nutné přerudy (obr. 11). Tyto prvšit provoz. S výhodou je lze využít k měřeky jsou vestavěny do ní průtoku kalů a znečištěných tekutin, které pouzdra, které musí být běžným průtokoměrům způsobují těžkosti. v  souladu s  provozníPro potravinářský a  farmaceutický průmysl mi podmínkami. Měřije důležité, že měření je naprosto hygienické, cí trubice je vyrobena nehrozí žádná kontaminace média a nemůže z nemagnetického maani docházet k usazování kalů v průtokoměru. teriálu (korozivzdorná Při čištění a sanitaci potrubí není třeba brát Obr. 10. Laserový senzor rychlosti proudění využívající Dopplerův ocel, keramika, plast). na průtokoměr žádný ohled – nehrozí nebezjev: a) měření rychlosti a polohy hladiny, b) vícebodové měření rychJe-li trubice z  vodipečí jeho poškození nebo zničení. lostního profilu laserem (upraveno podle [3]) vého materiálu, musí být opatřena izolační 4.2 Laserový senzor rychlosti proudění výstelkou (pryž, kevyužívající Dopplerův jev ramika, teflon či jiné Novinkou mezi bezdotykovými senzoplasty), která izoluje ry je senzor LaserFlow, který měří průtok snímací elektrody od v  průtočném profilu bezkontaktním laserovodivých částí měřicí vým senzorem na principu Dopplerova jevu trubice. Snímací eleka  polohu hladiny ultrazvukovým senzorem trody snímají signál(obr. 10a). Senzor LaserFlow využívá pokroní indukované napětí čilý princip měření rychlosti laserovým paa  jsou v  přímém konObr. 11. Měření s kontaktními a bezkontaktními kapacitními elekprskem v jednom nebo několika bodech pod taktu s  proudící kapatrodami hladinou (obr. 10b) a s využitím pokročilého softwaru lze zohlednit rozložení rychlostí Tab. 7. Přednosti a omezení indukčních průtokoměrů s kapacitními elektrodami v průtočném profilu [2], [3]. Přednosti Omezení a nevýhody Senzor LaserFlow je vhodný k  měření – žádné překážky v toku média, dokonalá – pouze pro elektricky vodivé kapaliny, průtoku mělkých vod ve velkých i  malých těsnost měřicí trubice, – doporučuje se přímé potrubí 5D před potrubích, k  monitorování různých druhů – nevykazuje tlakové ztráty, měřidlem a 3D za ním, odpadních vod v  kanálech i  potrubích, mě– velmi dobrá odolnost proti erozi, – doporučuje se správné uzemnění snímače, ření průtoku ve výrobním procesu, v zavla– nezávislost na změnách viskozity, hustoty, – vyšší cena žovacích kanálech, k měření průtoku dešťotlaku a turbulencích, vé vody apod.

4.3 Indukční průtokoměry Téměř ve všech publikacích je měřicí princip indukčního průtokoměru vysvětlen na základě Faradayova indukčního zákona, podle kterého vzniká napětí jako důsledek časové změny magnetického toku při pohybu vodiče v magnetickém poli. Jiné vysvětlení principu měření, které je bližší fyzikální podstatě děje, vychází z působení Lorentzova zákona, který určuje magnetické síly působící na náboj q, jenž se pohybuje v  magnetickém poli o  in-

26

– velmi dobrá dlouhodobá stabilita a přesnost, – možnost měřit v obou směrech, – vhodný pro úlohy s velkými požadavky na hygienu v potravinářství nebo ve farmacii, – vhodné i k měření agresivních médií, znečištěných kapalin a kalů, – značný rozsah měření průtoku pro velké rozpětí průměrů, – na rozdíl od snímačů s klasickými elektrodami nevyžadují zcela zaplněné potrubí, – nevznikají problémy s usazováním nečistot na elektrodách a vytváření nevodivých povlaků nebo vodivých povlaků na trubce měřidla

AUTOMA 11/2016

snímače a měřicí technika linou. Soustava elektrod bývá nejčastějším zdrojem závad, které jsou vyvolány korozí či abrazí elektrod, zanášením úsadami anebo porušením jejich těsnosti. Někteří výrobci nabízejí indukční průtokoměry s kapacitními elektrodami, které nejsou v kontaktu s měřeným médiem (obr. 11b). Měřicí elektronika vyhodnocuje náboj vyvolaný pohybující se kapalinou v magnetickém poli, který vzniká na izolovaných plošných elektrodách. Signál z kapacitních elektrod lze použít i pro vyhodnocení zaplnění trubice kapalinou, a proto přístroje vybavené kapacitními elektrodami mohou měřit i při neúplném zaplnění měřicí trubice. Kapacitní elektrody jsou integrovány ve výstelce, nejsou v kontaktu s měřenou kapalinou, a proto nemohou být znečištěny např. tukem plovoucím na hladině měřeného média [5].

(Článek vznikl na základě přednášky přednesené na konferenci ARaP 2016, www.arap.cz.) Literatura: [1] KADLEC, Karel, Miloš KMÍNEK, Pavel KADLEC a kol. Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách. Ostrava: Key Publishing, 2015. ISBN 978-80-7418-232-7. [2] TELEDYNE ISCO. LaserFlow™ Non-contact Velocity Sensor: Advanced laser Doppler technology for non-contacting area velocity flow measurement. [online]. Lincoln, USA: Teledyne Isco  [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www. isco.com/products/products3.asp?PL=2022720 [3] TECHNOAQUA. Isco bezkontaktní rychlostní senzor LaserFlow  [online]. Dolní Břežany: Technoaqua, s. r. o., 2006 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.technoaqua.cz/underwood/

download/files/isco-bezkontaktni-laserflow-rychlostni-senzor.pdf [4] ĎAĎO, Stanislav. Měřicí obvody indukčních průtokoměrů (část 1).  Automa. FCC Public, 2005, 11, s. 41–47. ISSN 1210-9592. [5] KROHNE. Optiflux 7300: Magneticko-indukční průtokoměr s kapacitními elektrodami a keramickou výstelkou [online]. Duisburg: Krohne, 2011 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: http:// cdn.krohne.com/dlc/TD_OPTIFLUX7300_ cs_111031_4001701201_R01.pdf

(pokračování příště) doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., Ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha ([email protected])

Workshop CTDSG 2016 o řízení přenosových soustav Nové pohledy na řízení přenosových a distribučních soustav přinesl workshop s názvem IFAC Workshop on Control of Transmission and Distribution Smart Grids (CTDSG 2016), který se konal ve dnech od 11. do 13. října na ČVUT v Praze. Tak rozsáhlá konference na toto téma dosud v České republice neproběhla. Přijeli na ni špičkoví světoví odborníci z akademické sféry i z průmyslu, především z energetiky a z oboru řízení komplexních dynamických systémů. Mezinárodní federace pro automatické řízení IFAC sponzorovala workshop prostřednictvím několika koordinačních komisí (CC2, CC5, CC6, CC7 a  CC9). Na odborné a  organizační přípravě workshopu se podílely dvě fakulty ČVUT v Praze: strojní a elektrotechnická. Mezinárodní programový výbor byl složen z  odborníků z  27 různých zemí a  jeho předsedou byl prof. Kwang Y. Lee (USA) a místopředsedou prof. Harald Weber (Německo). Workshop měl tyto programové okruhy: Power Systems, Smart Grids, Power Electronics, Energy Market and Trading, WAMS and WAMPaC Systems, Simulators. Z 90 nabídnutých příspěvků prošlo recenzním řízením 81 prací, které byly na workshopu CTDSG prezentovány. Korespondenční autoři (vždy jeden z autorského kolektivu) byli z 22 různých zemí. Celkem se workshopu zúčastnilo 115 odborníků, přičemž 24 bylo doktorandů. Rozmanitost účastníků přispěla k efektivní výměně myšlenek a metod z oblasti teorie automatického řízení i z průmyslové sféry, a to z provozu a řízení inteligentních sítí. Po celou dobu trvání workshopu byla v  přísálí přednáškové místnosti instalována výstavka, na které svá zařízení a řídicí systémy představilo celkem sedm podniků: OPAL

AUTOMA 11/2016

RT Europe (Francie), RTDS Technologies Inc. (Kanada), Elektrosystem (Slovensko), S&T AG (Rakousko), S&T Czech, Humusoft a Teco (všechny tři z ČR). Účastníci workshopu byli po skončení odborného programu pozváni na prohlídku dispe-

mental protection ze společnosti Transformer Protector SERGI z města Achéres ve Francii. V rámci workshopu proběhla panelová diskuse o zapojení žen do energetiky. V ní zaznělo i konstatování, že je důležité zviditelňovat ženy v energetice. Zároveň je ale zapojování žen do energetiky stále náročnější. Doporučuje se identifikovat, podporovat a prosazovat ženské vzory (příklad Edith Clarke). Workshop by slavnostně zahájen a zakončen v Dominikánském klášteře františkánů, kde byla oficiálně předána zmíněná ocenění. Vrcholem společenských akcí byla večeře pro vybrané účastníky v  Kapitánském klubu Botelu Admirál, kteří zde neformálně diskuObr. 1. IFAC Workshop on Control of Transmission and Distribution Smart Grids se konal v prostorách ČVUT v Praze tovali o možnostech dalších navazujících akcí. činku českého provozovatele přenosové soustaSpolečenské akce a nižší studentský účastvy ČEPS. Byl jim představen dispečerský řídinický poplatek byly umožněny finančním přící systém TRIS, vyvinutý slovenskou firmou spěvkem stříbrného sponzora, kanadské firmy Elektrosystem, a  také systém WAMS (Wide RTDS Technologies Inc., organizačním příArea Monitoring System). Návštěvníci se rovspěvkem generálního sponzora, EGÚ Praha něž seznámili se školicím dispečerským siEngineering a. s., a příspěvky vystavovatelů. mulátorem DTS (Real Time Dispatch TraiJak je u akcí IFAC obvyklé, všechny prening Simulator), založeným na systému TRIS zentované příspěvky se objeví v  systému a simulačním programu DMES. Za příspěvek IFAC­PapersOnline, udržovaném vydavatelo tomto simulátoru získal Ing. Miroslav Slámka stvím Elsevier (ISSN 2405-8963). ze společnosti Elektrosystem ocenění Industrial Jedním z  cílů workshopu CTDSG 2016 Award. Toto ocenění uděluje mezinárodní fedetaké bylo navázání užší spolupráce mezi race automatického řízení IFAC ve snaze o lepší IFAC a  relevantními mezinárodními asocizapojení odborníků z průmyslu do její činnosti. acemi CIGR/CIRED a  ENTSO-E/EDSO. Další cenou vyhlášenou na workshopu Možnosti spolupráce byly diskutovány odbyla Edith Clarke Woman Paper Prize za příděleně na dvou samostatných jednáních, na spěvek, jehož autorkou je žena. Vítězkou se kterých byly specifikovány další kroky bustala Anna Maternik-Demontouxová s  přídoucí spolupráce. spěvkem Power transformers and environIng. Petr Neuman, CSc.

27