DIPLOMOVÁ PRÁCE MĚŘÍCÍ SYSTÉM PRO DŮM S EKOLOGICKÝMI PRVKY

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ENERGETICKÝ ÚSTAV ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ

DIPLOMOVÁ PRÁCE

MĚŘÍCÍ SYSTÉM PRO DŮM S EKOLOGICKÝMI PRVKY

Vypracoval: Tomáš Valníček Vedoucí diplomové práce: Ing. Josef Štětina Číslo diplomové práce: VUT-EU-ODDI-3302-21-01 Celkový počet stran: 74

BRNO

červen 2001

Čestné prohlášení Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval samostatně bez cizí pomoci. Vycházel jsem při tom ze svých znalostí, odborných konzultací a doporučené literatury, uvedené v seznamu.

V Brně dne

2001 …………………………………… podpis

Poděkování Na tomto místě chci poděkovat především vedoucímu mé diplomové práce Ing. Josefu Štětinovi za jeho trpělivost a ochotu při odborných konzultacích. Rovněž děkuji RNDr. Vojtěchu Orlovi, CSc. za půjčení technické dokumentace týkající se Eko-domu v Podolí.

VUT BRNO, FSI-EÚ

VUT-EU-ODDI-3302-21-01

OBSAH Seznam použitých značek............................................................................................ 8 1. ÚVOD............................................................................................................................. 9 2. MOŽNOSTI VYUŽITÍ A REGULACE SOLÁRNÍCH SYSTÉMŮ ..................... 10 2.1. VŠEOBECNĚ O ENERGII ............................................................................................ 10 2.2. ENERGIE SLUNCE ..................................................................................................... 10 2.2.1. Význam slunečního záření pro život na Zemi .................................................. 11 2.2.2. Využití sluneční energie................................................................................... 13 Aktivní systémy......................................................................................................... 14 Pasivní systémy ......................................................................................................... 14 Hybridní systémy....................................................................................................... 14 2.3. MOŽNOSTI REGULACE VZDUCHOVÝCH SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ ............................. 18 2.3.1. Solární pohon .................................................................................................. 18 2.3.2. Řízení podle teplotního rozdílu........................................................................ 19 2.3.3. Regulace pomocí gravitace ............................................................................. 19 2.3.4. Výběr způsobu regulace .................................................................................. 19 2.4. POPIS SOLÁRNÍHO SYSTÉMU V EKODOMĚ VUES PODOLÍ ........................................ 19 3. NÁVRH MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU............................................................................. 23 3.1. ÚVOD DO MĚŘENÍ .................................................................................................... 23 3.2. SOFTWARE PRO MĚŘÍCÍ A ŘÍDICÍ SYSTÉMY .............................................................. 25 Seznámení s vývojovým prostředím LabVIEW........................................................ 26 Hardwarové a systémové požadavky LabVIEW 6i................................................... 28 Výběr operačního systému ........................................................................................ 28 3.3. ŘÍDICÍ POČÍTAČE MĚŘÍCÍCH SYSTÉMŮ ..................................................................... 29 3.3.1. Osobní počítače ............................................................................................... 29 Návrh počítače pro měřící systém v Eko-domě Podolí ............................................. 29 3.3.2. Průmyslové provedení řídicích počítačů měřících systémů ............................ 30 3.3.3. Mobilní měřící systémy.................................................................................... 31 3.4. ROZDĚLENÍ MĚŘÍCÍCH SYSTÉMŮ .............................................................................. 32 3.5. MĚŘÍCÍ SYSTÉMY SLOŽENÉ Z AUTOMATICKÝCH PŘÍSTROJŮ..................................... 33 3.5.1. Systémy se sběrnicí IEEE 488 ......................................................................... 33 3.5.2. Měřící systémy s propojením RS-232, RS-485 ................................................ 34 3.6. MĚŘÍCÍ MODULY ..................................................................................................... 40 Úvod .......................................................................................................................... 40 ADAM 4520/4522..................................................................................................... 41 ADAM 4018 .............................................................................................................. 42 ADAM – 4550 Radio modem ................................................................................... 43 3.7. SENZORY ................................................................................................................. 44 Technické parametry senzorů.................................................................................... 44 3.7.1. Teplotní senzor AD592 .................................................................................... 44 Charakteristické znaky: ............................................................................................. 44 Popis senzoru AD592 ................................................................................................ 45 3.7.2. Termoelektrické snímače teploty (termočlánky).............................................. 48 Princip termočlánků................................................................................................... 48 3.7.3. Srovnání senzoru AD592 a termočlánků ......................................................... 49 3.8. NÁVRH MĚŘÍCÍCH MODULŮ A SENZORŮ PRO EKO-DŮM VUES................................ 49 3.9. DOPLŇKY MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU ................................................................................ 52 6

VUT BRNO, FSI-EÚ


3.9.1. Zajištění přesného času pro měřící systém...................................................... 52 3.9.2. Dálková komunikace s měřícím systémem...................................................... 53 GSM síť ..................................................................................................................... 53 Pevná síť .................................................................................................................... 54 3.9.3. Záložní zdroje elektrické energie..................................................................... 54 Funkce UPS ............................................................................................................... 54 Záložní zdroje SMART-UPS společnosti APC......................................................... 57 4. POPIS PROGRAMU – VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE................... 59 4.1. ČELNÍ PANEL ........................................................................................................... 59 4.2. BLOKOVÉ SCHÉMA .................................................................................................. 62 5. VÝSLEDKY MĚŘENÍ A ROZBOR CHYB ............................................................ 65 5.1. VÝSLEDKY MĚŘENÍ ................................................................................................. 65 5.2. ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT V EKO-DOMĚ VUES ........................................... 65 5.3. ROZBOR CHYB ......................................................................................................... 68 Chyby a nejistoty měření........................................................................................... 68 5.3.1. Přímá měření ................................................................................................... 69 5.3.2. Nepřímá měření ............................................................................................... 69 5.4. VÝPOČET CHYBY MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU PRO EKO-DŮM VUES PODOLÍ ..................... 69 6. ZÁVĚR ........................................................................................................................ 71 7. SOUHRN ..................................................................................................................... 72 8. PŘÍLOHY.................................................................................................................... 73 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6.

ZÁKLADNÍ PARAMETRY SÉRIOVÝCH PŘENOSOVÝCH KANÁLŮ ................................. 73 AT PŘÍKAZY MODULŮ ADAM SÉRIE 4000 ............................................................. 73 TECHNICKÉ PARAMETRY SENZORŮ AD592 ............................................................. 74 ČELNÍ PANEL VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE PRO EKO-DŮM VUES ................ 74 BLOKOVÉ SCHÉMA VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE PRO EKO-DŮM VUES ....... 74 CD S TEXTEM TÉTO DIPLOMOVÉ PRÁCE A PROGRAMEM VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE................................................................................................................ 74

9. SEZMAM ODBORNÉ LITERATURY.................................................................... 75

7

VUT BRNO, FSI-EÚ


Seznam použitých značek Značka

Veličina

Značka jednotky

q I k l P p(y) R r T U ε σ

Náboj elektronu Proud Boltzmannova konstanta Délka Pravděpodobnost výskytu hodnoty Hustota pravděpodobnosti Odpor Proudová hustota Absolutní teplota Napětí Odchylka Směrodatná odchylka

1,6021.10-19 C A 1,3806.10-23 J.K-1 m Ω Am-2 K V -

8

VUT BRNO, FSI-EÚ


1. ÚVOD Člověk ve svém strachu o svoji existenci na Zemi začíná stále více přemýšlet o využití obnovitelných zdrojů energie, kterých nám je nabízeno nemalé množství. Cena zařízení, schopných efektivně tuto energii využít je však poměrně vysoká. Abychom mohli vybrat nejpříznivější variantu využití (stanovit poměr cena/výkon) obnovitelných energetických zdrojů, je nutno znát jejich principy a zákonitosti. Zde vyvstává otázka, jak tyto principy a závislosti zjistit. Jedním ze základních způsobů, jak určit chování sledovaného systému je použití experimentálních metod, jejichž nedílnou součástí je měření sledovaných veličin. Cílem této diplomové práce je navrhnout měřící systém pro ekologický rodinný dům, využívající sluneční energii, který bude sloužit k optimalizaci nákladů na jeho provoz. Nejprve se budu zabývat základními principy využití sluneční energie s cílem pochopit je a navrhnout tak co možná nejspolehlivější a nejvariantnější měřící systém. Jsou zde také uvedeny možné způsoby regulace solárních vzduchových kolektorů. Součástí této diplomové práce je návrh měřících senzorů, převodníků a výpočetní techniky, ale také umístění těchto měřících prvků v daném objektu. Měřící systém je realizován v experimentálním domě VUES Podolí, kde je možné si ho prohlédnout. Dále obsahuje vypracovaný program v prostředí LabVIEW pro měření a analýzu měřených dat. CD-ROM, na které je zmíněný program uložen je přílohou (7.6) této diplomové práce. Základní informace o funkci tohoto programu je možno nalézt v následujícím textu. Zmínka je věnována možnosti řízení měření a regulace pomocí mobilního telefonu GSM a dalším rychle se rozvíjejícím technologiím, jako je např. Internet.

9

VUT BRNO, FSI-EÚ


2. MOŽNOSTI VYUŽITÍ A REGULACE SOLÁRNÍCH SYSTÉMŮ 2.1. Všeobecně o energii Veškeré zdroje energie na Zemi můžeme rozdělit do dvou základních skupin: • •

zdroje neobnovitelné (tradiční) zdroje obnovitelné a trvalé

Tradiční, vyčerpávající se zdroje jsou vázány na určitá místa. Jejich množství je omezené a dosavadní zásoby se stálou těžbou nezadržitelně zmenšují. Do skupiny tradičních zdrojů energie, kterým říkáme primární, patří tuhá, plynná a kapalná fosilní paliva. Tato paliva v podstatě představují po tisíce let akumulovanou sluneční energii. Současně jsou to sloučeniny uhlíku, proto je také někdy nazýváme uhlíkatá paliva. Právě tato paliva jsou v současné době využívána v maximální možné míře pro zajištění energetických potřeb lidstva. S jejich spalováním v motorech automobilů, elektrárnách, domácnostech, atd. dochází k uvolňování škodlivých emisí, ale také oxidu uhličitého (CO2), který je jedním z nejvýznamnějších skleníkových plynů. Skleníkový efekt vzniká při průchodu krátkovlnného UV záření atmosférou, část tohoto záření se pohltí zemským povrchem, část se přemění na jiné formy energie a část je zpět odražena do atmosféry. Právě tato odražená složka se změnila na dlouhovlnné infračervené záření, pro které právě skleníkové plyny vytváří jen obtížně prostupnou bariéru a z největší části ji reflektují zpět k zemskému povrchu, čímž dochází ke globálnímu oteplování. Prognostici však varují: „bude-li lidstvo plýtvat energií tak jako doposud, dosáhne planeta maximálně možné hodnoty vyzařované tepelné energie už v roce 2100“. Tato hodnota tvoří jakýsi strop, přes který již nelze jít a odpovídá hodnotě sluneční vyzařované tepelné energie, která činí 0,72 x 1018 kWh/rok. K tomu nesmí nikdy dojít, proto je už nyní proveden 1.regulační stupeň na hodnotě 1016 kWh/rok. Po vyčerpání fosilních paliv lidstvu nezbude nic jiného než začít využívat energii alternativních zdrojů. Typickým příkladem obnovujícího se zdroje energie je koloběh vody v přírodě. Vodní zdroje jsou sice také vázány na určité místo jako zdroje tradiční a co do velikosti a množství jsou omezeny, avšak neustále se doplňují a obnovují. Mezi trvalé zdroje patří energie slunečního záření, větru, geotermální energie Země, energie z vesmíru, termonukleární energie a energie moře – např. vlnění, příliv a odliv, tepelná energie oceánů a moří. Blíže si všimneme možností, které nám v rámci navrhování energeticky úsporných staveb může poskytnout sluneční energie. 2.2. Energie slunce Slunce je středem planetární soustavy, do niž patří také naše Země. Je naší nejbližší hvězdou a tedy ze všech hvězd pro nás nejdůležitější. Je zdrojem veškeré energie na naší planetě. Slunce má tvar koule o průměru přibližně 1 400 000 km (přesná hodnota je 139,2 . 104 km), tj. asi 109 krát větší, než je průměr Země. Skládá se převážně z atomárního 10

VUT BRNO, FSI-EÚ


vodíku s malou příměsí helia a z nepatrného množství ostatních prvků. Všechny tyto prvky jsou ve hmotě Slunce obsaženy jako žhavé elektricky vodivé prvky, tj. ve skupenství plazmy. Hmotnost Slunce je přibližně 2.1030 kg (přesná hodnota je 1,983 . 1030 kg), tj. 330 000 krát větší, než je hmotnost Země. Hustota v nitru Slunce je 105 kg.m-3 , na povrchu však jen 10-6 kg.m-3. Tlak v nitru Slunce dosahuje 2.106 MPa, teplota 13.106 K. Teplota na povrchu Slunce je nižší, asi 6000 K. Celkový tepelný tok energie , který Slunce vyzařuje do kosmického prostoru, je 3,85.1026 W. Měrný tok energie (intenzita záření) na povrchu slunce je 6.107 W.m-2. Zdrojem sluneční energie je přeměna vodíku na helium termonukleárními reakcemi probíhajícími v jeho středových oblastech. Každou sekundu se přemění 3,6.1038 atomů vodíku na 0,9. 1038 atomů helia. S dosavadním obrovským množstvím termonukleárního paliva by podle propočtů mělo Slunce vystačit ještě po dobu 1011roků, tj. zhruba 100 miliard let. Tak by tomu bylo, kdyby Slunce mohlo využít všechen svůj vodík. Víme, že termonukleární reakce probíhají jen v jeho jádře, přesto život Slunce potrvá ještě přibližně 15 miliard roků, přičemž má za sebou teprve jednu čtvrtinu života, tj. asi 5 miliard roků. 2.2.1. Význam slunečního záření pro život na Zemi Sluneční záření na cestě k Zemi dlouhé 150 miliónů km není ničím pohlcováno a přichází na hranici atmosféry v původní podobě, s níž opustilo Slunce, však při značně zmenšené intenzitě tím, že se s rostoucí vzdáleností rozptýlí na větší plochu. Na plochu kolmou ke slunečním paprskům dopadá na povrch zemské atmosféry měrný tok energie 1,4.103 W.m-2, což je tzv. sluneční konstanta (přesná hodnota je 1 360 W.m-2). Z celkového výkonu, který Slunce vyzařuje, dopadne na naši planetu jen nepatrná část, asi jedna dvoumiliardtina, tj. asi 1,8. 1014 kW. Pro porovnání uveďme, že světová spotřeba energie je kryta výkonem 6,97. 1010 kW, což je přibližně 2 582 000krát méně, než je energetický výkon dopadajícího slunečního záření. Zemi do výšky přes 1000 km (to je asi šestina zemského poloměru) obklopuje atmosféra, která je složena především z dusíku (78%), kyslíku (21%) a pouze 1% tvoří další plyny. Ve výškách nad 60 km pohlcují tyto plyny ultra fialové (UV) a rentgenové záření a jsou jím ionizovány, proto se také této vrstvě říká ionosféra. Níže v atmosféře, ve výškách od 20 do 30 km, se zachycuje ionosférou proniklé UV záření ve vrstvě s velkým obsahem ozónu O3, kterou nazýváme ozónosférou. Pohlceným ultrafialovým zářením se ozonosféra zahřívá. V ionosféře a ozónosféře se tedy zachycuje ta část slunečního záření, která je nebezpečná životu na Zemi. V nejnižších vrstvách atmosféry,v tzv. troposféře, kde je soustředěno více než 75 % z celkové hmoty vzduchu, je sluneční záření pohlcováno vodní parou, oxidem uhličitým, prachem a kapkami vody v mracích. Z celkového toku energie se v atmosféře pohltí 19 % a 34 % se odrazí od mraků, vzdušného prachu a od zemského povrchu zpět do vesmíru. Tato část energie je tedy pro Zemi ztracena a Země je pro ni pouze jakýmsi odrazným zrcadlem. Zbylých 47 % sluneční energie, která je pohlcena zemským povrchem, prochází následujícími přeměnami: •

Záření pohlcené zemským povrchem se mění na teplo. Teplo ze Země vyzařuje jako infračervené záření o vlnové délce přibližně 10 µm. Pro toto infračervené 11

VUT BRNO, FSI-EÚ

• • •


záření je atmosféra z větší části neprostupná. Vyzářené teplo se ve vzduchu absorbuje, a to pak vede k trvalému zvýšení teploty zemského povrchu (hovoříme o tzv. skleníkovém efektu). Množství energie, které dopadá na hladiny oceánů, se spotřebuje na vypařování vody. Vzestupné proudy vodní páru vynášejí do chladnějších vyšších vrstev atmosféry, kde kondenzuje, a tím předá své skupenské teplo okolnímu vzduchu. Zahřátý vzduch z povrchu země stoupá vzhůru a na jeho místo proudí těžší chladnější vzduch.Tím vznikají větry. Větry přenáší teplo z tropů a subtropů do chladnějších oblastí a přenášejí vlhkost z oceánů na pevniny. Sluneční záření dopadající na Zemi je nedílnou součástí procesů probíhajících v biosféře – vrstvě při povrchu Země, kde existuje život. Z něj připadá na biochemické reakce v biosféře pouze jedno promile, avšak toto promile je nezbytně nutné pro existenci života na naší planetě.

Obr. 2.1 Přeměny energie slunečního záření dopadajícího na Zemi Slunce je zdrojem dvou typů záření: • •

elektromagnetického, které je vlnového charakteru, korpuskulárního, které nemá charakter vlnění, nýbrž proudu rychlých částic.

Elektromagnetické vlny se v závislosti na vlnové délce a v souvislosti s jejich charakteristickými vlastnostmi, účinky, způsobem využití nebo působení a podle parametrů dělí na různé druhy, ke kterým v dlouhovlnné oblasti patří elektromagnetické přenosové vlny v elektronice, rozhlasové a televizní technice, dále se jedná o tepelné vlny a vlnění označované jako infračervené neviditelné záření, za kterým následuje oblast viditelného záření, resp. světla, a dále na tuto oblast navazuje ultrafialové, rentgenové, gama záření a záření kosmické. Všechny druhy elektromagnetických vln se šíří rychlostí světla, tj. 299 780 km.s-1, resp. 2,9978.108 m.s-1. Platí pro ně pravidlo, podle kterého jsou nosičem tím většího množství energie, čím mají kratší vlnovou délku.

12

VUT BRNO, FSI-EÚ


Infračervené záření v rozmezí 780 nm do 106 nm člověk na povrchu těla vnímá jako působící teplo. Záření s vlnovou délkou 380 nm až 780 nm je registrováno okem a nazýváme je zářením světelným. Záření s vlnovou délkou menší než 380 nm je ultrafialové záření a na lidské kůži se projevuje zčervenáním, nebo zhnědnutím pokožky. Ultrafialové záření o vlnové délce menší než 280 nm je pohlceno již ve vyšších vrstvách atmosféry. 2.2.2. Využití sluneční energie V procesu hledání nových energetických zdrojů se v současné době stále více pozornosti věnuje využití přímé energie slunečního záření. Při přímém užívání solární sálavé energie pro pozemní stavby přicházejí v úvahu především tři technologie: • •

aktivní využití (sluneční kolektory), pasivní využití (okny a zasklenými přístavbami), kapalinových přeměna slunečního záření na teplo pomocí kolektorů

vzduchových

aktivní

přeměna slunečního záření na elektrickou energii

solárně termická

Solární systémy pasivní

•

fotovoltaickými články

Přeměna slunečního záření na teplo vhodným architektonickým návrhem budovy

hybridní využití (tyto systémy využívají současně jak aktivních, tak i pasivních principů, které se vzájemně kombinují a doplňují).

Zatímco zařízení k pasivnímu využití sluneční energie formálně patří ke stavebnímu řešení budovy, patří zařízení pro hybridní a aktivní využití sluneční energie k domovní technice (k systému TZB). Rozlišování technologií využívání sluneční energie má ale i jinou dimenzi. Shromažďování solární energie je značně závislé na způsobu jejího získávání. Zisky z pasivního využití se dají ukládat na několik hodin, zisky z hybridního využití na několik dnů a zisky z aktivních systémů po několik týdnů nebo dokonce měsíců. Druh využití solární energie má tedy vliv i na celkovou koncepci.

13

VUT BRNO, FSI-EÚ


Tabulka 2.1. Energie slunečního záření dopadajícího na různě orientované svislé plochy v ročním průměru a v zimě – ve srovnání s vodorovnou plochou: Orientace Jih Východ Západ Sever osluněné plochy Roční globální záření na svislé plochy ve 77 % 54 % 56 % 26 % srovnání s vodorovnou plochou (100%) Globální sluneční záření v zimě ve srovnání 155 % 60 % 69 % 32 % s vodorovnou plochou (100%) Dalším aspektem je kombinovatelnost technologií. Velmi účelná je kombinace pasivních resp. hybridních systémů se slunečními kolektory. Každá rozumná kombinace bere ohled na volbu způsobu ukládání tepla. Aktivní systémy Aktivní systémy využívají speciální technická zařízení – sběrače sestavené z kolektorů, rozvodů a zásobníků, které nepřímo, fototermální cestou, přeměňují energii slunečního záření na teplo využívané k ohřevu vody nebo k vytápění. Energii slunečního záření lze v rámci aktivních solárních systémů také přeměnit na energii elektrickou s uplatněním fotovoltaických článků. Pasivní systémy Pasivní systémy jsou takové koncepce návrhu budov, které přímo sluneční záření zachycují vlastní konstrukcí, přizpůsobenou pro daný účel svoji hmotou, tvarem, druhem použitého materiálu a povrchovou úpravou. I když je zřejmé, že sluneční energii v určité míře zachycuje každá budova, jedná se o pasivní solární systém tehdy, je-li objekt navržen s tím záměrem, aby jeho tepelné zisky byly co nejvyšší. Hybridní systémy Pojmem hybridní systémy je míněno kombinované užití aktivních a pasivních prvků. V tomto smyslu je hybridním prvkem i okenní kolektor. Zisk solární energie zde probíhá „přímo“ (jižním oknem) a konvektivně – jako ve vzduchovém konvektoru. Tento systém je hlavní náplní této diplomové práce, proto se jím budu zabývat podrobněji.

14

VUT BRNO, FSI-EÚ


Okenní a vzduchové konvektory V konvektivních systémech je získané teplo transportováno konvekcí, tedy pohybem vzduchu. Okenní konvektor konstrukčně odpovídá špaletovému oknu s celkovou hloubkou 20 až 30 cm. Teplý vzduch v prostoru mezi vnitřním a vnějším oknem je konvektivně odváděn do zásobníku, například stropu, topné stěny, zásobníku s kamenivem. Ve špaletovém okně bývají často umístěny žaluzie, které podle jejich nastavení ovlivňují pohlcování slunečního záření. Pohyb vzduchového proudu může probíhat gravitačně (termosifon) nebo pomocí malého nejlépe regulovatelného elektrického ventilátoru. Okenní konvektor je nejužívanějším typem kolektoru pro konvektivní využití. Hodnoty součinitele prostupu tepla k takových konstrukcí se pohybují mezi 0,5 až 1,0 W/m2K. V případě vzduchového konvektoru je před stěnu budovy předsazena skleněná konstrukce. V meziprostoru mezi zasklením a stěnou se vzduch za předpokladu dostatečného oslunění Sluncem ohřívá a proudí vzhůru, odkud je systémem kanálů odváděn do zásobníku. Rozdíly mezi okenními a vzduchovými konvektory: • • •

Okenní konvektor dává větší solární zisky, tzv. má vyšší účinnost, protože kombinuje přímé a konvektivní využití. Při otevřených žaluziích může být zhodnocena i část difúzního záření. Vzduchový kolektor má přirozeně lepší hodnotu součinitele prostupu tepla k, má tedy menší ztráty. Pokud porovnáváme podíl energie využitelné pro vytápění, je rozdíl mezi okenními a vzduchovými konvektory malý. Pří volbě konvektivního systému jsou důležité především stavebně konstrukční souvislosti, půdorysné uspořádání a otázky fyziologie bydlení.

Energetické zisky Předpokladem pro provoz konvektivního systému je dostatečně intenzivní přímé sluneční záření. To znamená že konvektivní zisk roste v době, kdy je v domě beztak dostatek tepla, například v důsledku přímého záření. Konvektivní zisk musí být tedy akumulován, zpravidla v zásobníku s oblázky nebo s vodou. Při dostatečné kapacitě zásobníku může nahromaděné teplo (v závislosti na stavu nabití a na vnějších teplotách) v nízkoenergetickém domě „přemostit“ až osm dnů špatného počasí bez použití přídavného vytápění. Vertikální jižní plochy přijímají v topném období říjen až březen asi 250 kWh/m2 až 300 kWh/m2 sálavé energie. Účinnost okenních a vzduchových kolektorů je mezi 20 až 60 %, což vede k hrubým ziskům asi okolo 50 až 180 kWh/m2 za topné období. Využitelný zisk je, mimo velikost a kvalitu zásobníku, i na charakteru nabíjení a vybíjení. Velkoryse dimenzované zařízení okenních kolektorů by mohlo tedy pokrýt 50 až 80 % brutto tepelných ztrát nízkoenergetického domu. Ovšem i zde platí to, co má obecnou platnost pro nízkoenergetické domy: Obtížnost a náklady rostou se zvyšováním stupně krytí tepelných ztrát. Kdo se snaží o bezpečné a finančně výhodné zařízení nebude chtít krýt 80 % potřeby konvektivními zisky.

15

VUT BRNO, FSI-EÚ


I úsporná provedení vzduchových a okenních kolektorů kombinovaná s dobrým zásobníkem značně zkracují vytápěcí dny v okrajových měsících říjen, listopad a březen. Za příznivých slunečních dnů lze dosáhnout pozoruhodných zisků dokonce i v lednu a únoru. Konstrukce Vzduchové a okenní kolektory jsou nedílnou součástí budovy. Pokud se mezi sebou kombinují, mělo by být v zájmu vzhledu budovy jednotné vnější zasklení (minimálně dvojnásobné tepelně izolační zasklení). Jako materiál rámu je vhodné dřevo, případně také kov s tepelně oddělenými profily. Okenní kolektory odebírají také teplo z místnosti a přes noc se méně ochlazují než vzduchové kolektory. U kombinovaných řešení je proto vhodné okenní kolektory umístit nad vzduchovými. Jednoduché, relativně finančně výhodné a provozně bezpečné řešení okenních kolektorů nabízí kombinace dvou běžných tepelně izolovaných dvojskel ve špaletovém okně. Vnější zasklení by mělo být povrstveno. Podle rozměrů vzduchové vrstvy mezi skly se dosahuje tímto čtyřnásobným zasklením hodnota součinitele prostupu tepla k okolo 0,8 W/m2K. Okenní kolektor lze vylepšit pomocí žaluzií s různou povrchovou úpravou: •

• • •

Reflektor - je-li žaluzie otočena směrem ven bílou nebo odrazivou plochou, je sluneční záření částečně odraženo. Tato plocha žaluzií má smysl v létě při velkém slunečním záření a v noci za nízkých vnějších teplot. Žaluzie pak odráží „studené sálání“ z venku (sálavá výměna povrchu a oblohy). Absorbér - je-li žaluzie otočena směrem ven černou plochou, je záření pohlcováno, proměňováno v teplo a odváděno konvekcí. Přímý zisk - při vytažení žaluzie může být záření využíváno přímo. Zastínění – Světlou žaluzií vně zasklení může být kolektor velmi účinně zastíněn.

První tři uvedené funkce je možno realizovat pomocí jedné žaluzie s odpovídající povrchovou úpravou. Pro důslednou tepelnou ochranu v létě jsou vnější žaluzie nejvýhodnější, současně však nejdražší variantou. Provětrávání okenního kolektoru směrem ven chrání obytný prostor před přehříváním jen málo. Dvě různé žaluzie na jednom kolektoru nejsou ale rozumné z finančního a estetického hlediska. Okenní kolektory by se měli otevírat pouze při jejich údržbě (čistění).Tato podmínka se musí objevit již v úvodní fázi projektování, protože větrání musí být zajištěno jinými okny nebo mechanickým větracím zařízením. U okenních kolektorů se častěji vyskytuje kondenzát. Tento jev nemusí nutně upozorňovat na špatnou konstrukci a nesnižuje energetický zisk konvektoru. Pokud nejsou okenní kolektory pečlivě vyprojektovány, není jejich pozitivní energetická bilance zajištěna. Mnoho systémů je nedostatečné z hlediska tepelně izolačního (hodnota k), takže solární zisky vůbec nedokáží kompenzovat jejich ztráty. Základem takových chyb v projektech je velmi často přecenění solárních zisků. Okenní kolektory jsou většinou náhradou za jižní okna. Tuto skutečnost je třeba uvážit při porovnávání variant řešení.

16

VUT BRNO, FSI-EÚ


Akumulace zisků Teplý vzduch je zpravidla dopravován pomocí ventilátoru uzavřeným systémem kanálů do zásobníku. Energeticky zvláště zajímavou variantou je pohyb vzduchu vlivem gravitace, která se dá realizovat v konkrétním uspořádání jen výjimečně. Jako orientační údaj pro dimenzování zásobníku můžou sloužit následující hodnoty: kapacita 0,2 až 0,3 kWh na K a 1 m2 aktivní kolektorové plochy, což odpovídá 0,5 až 1,0 m3 oblázků nebo betonu. Oblázky a beton mají v zabudovaném stavu prakticky stejnou kapacitu, protože o něco vyšší kapacita betonu je redukována v důsledku položených rour, které slouží k transportu tepla. Teploty zásobníků kolísají v praxi mezi 25 až 40°C. Jako akumulační materiál mohou být použity následující hmoty: • • • • •

oblázky případně vymytý hrubý štěrk, beton s uloženými rourami pro výměnu tepla, cihlové prvky „hurdis“, ve formě „hurdiskových“ stropů, případně také dutinové cihly a podobné stavební prvky, zásobníky latentního tepla (dostupné materiály bohužel stárnou při opakovaných nabíjecích a vybíjecích cyklech a ztrácí tepelnou kapacitu), zdivo z cihel nebo vápencových cihel.

Obr. 2.2 Možnosti uspořádání zásobníku s kamenivem. Nahoře: jako oddělený zásobník. Dole: zásobník integrovaný do nosné konstrukce Předávání tepla V mnoha realizovaných případech je teplo předáváno podlahou a stěnami do vytápěných místností ve formě tepelné ztráty zásobníku. Z koncepčního pohledu má to řešení řadu výhod, ale tepelný tok je obtížně regulovatelný. Lépe regulovatelné je předávání tepla do obytných místností, pokud je teplý vzduch ze zásobníku foukán za pomocí ventilátorů vzduchovými kanály správně dimenzovaných otopných ploch (stěn a podlah). I při tomto konvektivním vybíjení zásobníků je jistá část tepla předávána vedením. Při řešení otopných ploch se musí dbát na to, aby předávací plochy měly co nejnižší tepelnou kapacitu. Tím lze zajistit pružné předávání tepla do místnosti. 17

VUT BRNO, FSI-EÚ


Pokud je zásobník tepelně rozvrstven, pak má vybíjení probíhat v opačném směru než nabíjení. Velké ztráty, které jsou přirozeně spojeny s akumulací tepla, by měl projektant řešit sériovým uspořádáním více zásobníků na různých teplotních úrovních. Při akumulaci konvektivních zisků do vodních nádrží jsou potřebné velkoplošné výměníky vzduch-voda k nabití a vybití zásobníku.Předávání tepla zde zpravidla probíhá ve vzduchovém okruhu, který přivádí teplo do místností dutými stěnovými nebo podlahovými topnými plochami. Takové systémy se dají dobře kombinovat s přídavným zdrojem tepla – kachlovými kamny, aktivními slunečními systémy apod. Náklady na zařízení nelze ale podceňovat, a tím jsou jejich výhody trochu zpochybňovány. Vedení vzduchu v kolektorových systémech Vzduch se má obecně vést nízkou rychlostí, velkými průřezy a krátkými cestami uzavřených systémů. Jako horní hranice rychlosti proudění vzduchu v kolektoru je uváděna rychlost 1 m/s. Při této rychlosti je intenzitě slunečního záření 600 W/ m2 by na 1 m2 kolektorové plochy měl cirkulovat vzduch o objemu 80 m3/h. V kanálech, v zásobníku a především ve zúžených místech jsou akceptovatelné rychlosti vzduchu těsně pod 1,5 m/s. Protože potřebný výkon pro zajištění pohybu vzduchu roste s druhou mocninou rychlosti vzduchu, je mírný pohyb vzduchu také základem pro úsporu elektrické energie. Průřez kanálu by měl být navržen nejméně jako 0,02 m2 na 1 m2 kolektorové plochy, což vede k rychlosti vzduchu těsně pod 1,5 m/s. V kolektoru by měl být průřez pro prodění 0,03 m2 na 1 m2 zasklené plochy (odpovídá rychlosti proudění 1 m/s). V rodinném domě je potřebný průřez kanálu minimálně 0,4 m2 , pro rychlost proudění dokonce okolo 1,2 m2. Z pravidla je zásobník umístěn níže než kolektor. Aby se zabránilo nočnímu vybíjení v důsledku gravitační cirkulace, osazují se zpětné klapky. K zabránění nabíjení zásobníků v létě, by měly být na horním a dolním konci okenního kolektoru instalovány klapky pro zajištění možnosti odvětrávání a větrání směrem ven. 2.3. Možnosti regulace vzduchových solárních kolektorů K regulaci se nabízejí tři možnosti: 2.3.1. Solární pohon Dostatečnou regulací je v mnoha případech pohon ventilátorů proudem z fotovoltaického panelu. Díky záření jsou kolektor i ventilátor uvedeny do pohybu současně, nebo s cíleným zpožděním. Tento způsob je jednoduchý, relativně finančně výhodný (zvláště v případě, že jsou kolektory již instalovány) a provozně spolehlivý. Aby se za nevýhodných klimatických poměrů zabránilo vybíjení zásobníků je vhodná kombinace s čidlem teplotního rozdílu. Příklad: Po teplém slunečním období, které přineslo do zásobníku značné množství tepla, následuje jeden chladnější den s mírným slunečním zářením, ale dostatečný pro to, aby solární články uvedly do chodu ventilátor. Bez čidla teplotního rozdílu by se foukal do zásobníku chladnější vzduch z okenního kolektoru a tím by ho částečně vybil (ochladil). 18

VUT BRNO, FSI-EÚ


2.3.2. Řízení podle teplotního rozdílu Při dostatečném rozdílu teplot mezi kolektorem a zásobníkem se zapíná ventilátor. Bude-li teplota v kolektoru nejméně o 15 K vyšší než v zásobníku, ventilátor se sepne; při teplotním rozdílu pod 5 K by měl být ventilátor opět vypnut. Jedině tak se cirkulace vzduchu „vyplatí“. U komplikovaných zařízení lze počítat s regulací řízenou mikroprocesorem. 2.3.3. Regulace pomocí gravitace Základním předpokladem je, že teplý vzduch je lehčí než studený. Sluneční záření vyvolá tedy vztlak v prostoru kolektoru. Tato síla stačí k tomu, aby při správně navržených polohách a hmotností klapek, ovládala klapky přívodu a odvodu vzduchu. Gravitační princip je však vázán na dvě základní podmínky: • •

Zásobník musí ležet nad kolektorem (např. vodní nádrž v půdním prostoru). Průřezy pro proudění vzduchu musí být velkoryse dimenzovány.

Ke správnému dimenzování kanálů, velikosti klapek a dalších prvků je nutná praktická zkušenost. 2.3.4. Výběr způsobu regulace Za nejpříznivější způsob regulace považuji regulaci pomocí solárního pohonu. Výhodná je kombinace solárního pohonu s čidlem teplotního rozdílu, které zamezuje vybíjení akumulačních zásobníků za nepříznivých klimatických podmínek (viz. výše). Tento způsob považuji pro případ Eko-domu VUES Podolí za nejpříznivější, protože fotovoltaické články jsou zde již instalovány. Dále lze tento způsob považovat za vysoce spolehlivý a relativně jednoduchý. 2.4. Popis solárního systému v ekodomě VUES Podolí Tato diplomová práce vznikla na základě realizace měřícího a v budoucnu i regulačního systému pro vzduchový kolektor v Eko-domě VUES Podolí. Dům je situován v slunci otevřené krajině asi 10 km východně od města Brna v obci Podolí. Jedná se o experimentální budovu, která byla postavena za účelem demonstrace možnosti využití obnovitelných energetických zdrojů, především pak pro různé způsoby využití sluneční energie. V budově je instalováno několik solárních systémů, jako jsou fotovoltaické články, solární vzduchové kolektory se štěrkovými zásobníky tepla, solární vodní kolektory s vodními zásobníky tepla, tepelná čerpadla apod. Díky těmto systémům je budova téměř soběstačná z pohledu spotřeby energie. Solární vzduchové kolektory byly instalovány teprve nedávno za účelem využití sluneční energie pro předehřev ventilačního vzduchu a pro vytápění teplým vzduchem za slunečných dnů na jaře a na podzim, případně pro ohřev vody pro nízkoteplotní velkoplošné podlahové vytápění. Předehřátý vzduch může být, pomocí ventilátorů a 19

VUT BRNO, FSI-EÚ


vzduchovodů přiváděn přímo do větrané místnosti, do štěrkového zásobníků tepla nebo k výměníkům tepla pro ohřev topné vody. Ventilátory jsou umístěny v technickém podlaží nad vzduchovými konvektory. Zásobníky tepla umožňují využít naakumulované sluneční teplo ve dnech, kdy přímého slunečního záření je nedostatek tj. za oblačných dnů.

Obr. 2.3 Pohled na jižní stěnu Eko-důmu VUES Podolí Měřící systém byl sestaven za účelem zjištění rozložení teplot uvnitř solárních vzduchových kolektorů při přirozené konvekci. Pozornost byla věnována vztahu mezi globálním slunečním zářením (radiací) a teplotním rozdílem uvnitř a vně solárních kolektorů. Solární vzduchové kolektory představují relativně levný způsob využití sluneční energie. Provedení solárního vzduchového kolektoru je závislé na globálním slunečním záření a venkovní teplota vzduchu je velmi důležitá pro uspořádání a využití solárních vzduchových systémů. Štěrkový zásobník tepla Solární vzduchový kolektor

Vodní zásobník tepla

Obr. 2.4 Příčný řez (jih-sever) Eko-domem VUES Podolí 20

VUT BRNO, FSI-EÚ


Popis solárního vzduchového kolektoru Část jižní fasády objektu Eko-domu je prosklená šestnácti okenními otvory a vstupními dveřmi o celkové ploše cca 6x6 m. Konstrukce prosklení (okna) je v souladu s plochou střechy skloněna v úhlu 60° od roviny podlahy, dveře jsou osazeny svisle s trojúhelníkovým bočním přisklením. Okna jsou ve třech řadách nad sebou, dvě horní řady po šesti oknech vedle sebe jsou výšky 2 m, spodní řada oken s dveřmi jsou rovněž výšky 2 m. Zasklení je pevné trojsklem do rámů vsazených mezi lepené vazníky rozměru 100x250 mm. Tato konstrukce je doplněna ve dvou horních řadách zasklení v celé šířce další sestavou okenních křídel ve dvou vrstvách (viz. obr. 2.6) tak, aby mezerami pod spodní hranou této konstrukce mohl být nasáván vzduch z vnitřního prostoru objektu a po jeho ohřátí ve dvou vytvořených mezivrstvách byl odváděn ventilátory umístěnými v technickém podlaží nad okny. Střední zasklení tloušťky 5 mm je doplněno nalepenými absorpčními fóliemi různých vlastností.

Obr. 2.5 Solární vzduchový kolektor v Eko-domě VUES Podolí

Obr. 2.6 Skladba oken sluneční stěny Eko-domu VUES Podolí 21

VUT BRNO, FSI-EÚ


Návrh měřícího systému umožňujícího měření teplot v meziprostoru v různých výškách zasklení, a jejich zaznamenání na pevný disk řídicího počítače pomocí programového prostředí LabVIEW a následná analýza naměřených dat je náplní této diplomové práce. Popis velkoplošné podlahové otopné soustavy Eko-domě je na vrženo velkoplošné podlahové vytápění, využívající tepelné energie vody v zásobníku tepla, která má nízký teplotní potenciál. Teplota vody vstupující do topného systému je 40°C. Pro podlahový otopný systém je použito hadic z plastických hmot (polyetylén, polyuretan) o průměru 10 až 20 mm.Trubky jsou kladeny ve tvaru meandrů (popříp. spirály) na podlahu s tepelnou izolací. Meandry jsou zakryty vrstvou betonu a podlahovou krytinou.

22

VUT BRNO, FSI-EÚ


3. NÁVRH MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU 3.1. Úvod do měření Měření je proces, a proto je pro jeho udržení zapotřebí určitý tok energie nebo látkový tok. Je to nejdůležitější, nejpracnější a nejobsáhlejší část experimentální práce. Měřící proces obvykle prostřednictvím čidla tuto energii více či méně ovlivňuje – spotřebovává. Čidlo (snímač, senzor) pak danou energii transformuje a výsledkem je informace o stavu nebo průběhu procesu ve sledovaném objektu. Nositelem této informace je opět určitá forma energie nebo akumulace látky generované měřícím čidlem. Není-li však tato forma energie vhodná pro další zpracování informace používají se převodníky pro transformaci této energie na energii vhodnou pro další zpracování. Měření je realizováno technickými měřícími prostředky, které společně tvoří buď měřící kanál nebo celý měřící systém. Přesnost a správnost měření Objektivní hodnoty měření, tzv. přesné a správné hodnoty měření zajišťují justáží, kalibrací, graduováním a v provozu také ověřováním měřidla. • • • •

se obecně

Justáž měřidla je jeho uvedení do stavu pohotovosti k použití s odpovídající správností tak, aby byla dosažená stanovená přesnost měřidla. Kalibrace je vyznačení polohy měřících značek nebo hlavních značek u měřidel, odpovídajících určitým hodnotám měřené veličiny. Graduování je vlastně zhotovení stupnice měřidla dle předem vyznačených měřících značek kalibrací. Ověřování je souhrn činností prováděných orgánem státní služby pro legální metrologii, nebo právoplatně zvoleným orgánem, který zjistí a potvrdí, zda měřidlo zcela vyhovuje požadavkům a předpisům pro ověřování (po provedení zkoušky je měřidlo opatřeno ověřovací značkou). Kontrola měřidel vyžaduje speciální laboratoř se stálou teplotou okolo 20° C, bez otřesů, prachu, s okny na severní stranu, s dvojitými dveřmi apod.

Rozdělení měření Měření lze členit podle několika hledisek. Rozdělujeme měření na přímá, kdy požadovanou veličinu stanovíme přímo měřením pomocí její definice (viz. např. měření délek) a nepřímá, kdy požadovanou veličinu určíme výpočtem ze známého fyzikálního zákona či vztahu, a to ze známých naměřených veličin (viz.např. určení hustoty vzduchu ze stavové rovnice pomocí naměřené teploty a tlaku). Dle způsobu měření rozeznáváme měření absolutní, která poskytují absolutní hodnoty měřených veličin v jednotkách daných definicí měřené veličiny a měření relativní, která poskytují relativní hodnotu měřené veličiny vzhledem ke známe referenční hodnotě téže veličiny. Dle závislosti měřené veličiny na jiných veličinách rozdělujeme měření veličin nezávislých na jiných veličinách (např. měření délek pevných látek, které skutečně může ovlivnit o to jen minimálně pouze teplota) a měření veličin závislých na jiných veličinách. Některé výsledky měření veličin závislých mohou být zpracovány funkční závislostí měřené veličiny na jiné veličině 23

VUT BRNO, FSI-EÚ


(nezávislé veličině nastavované při měření na různé hodnoty), jiné mohou být zpracovány pouze stochastickou závislostí. Pří vyjádření výsledků pomocí funkční závislosti je každé nezávislé proměnné přiřazena pouze jedna závislá veličina (nejpravděpodobnější hodnota z měření, která je vždy zatížena chybou měření). Při vyjádření výsledků stochastickou závislostí je každé nezávislé proměnné přiřazen celý rozsah možných závislých veličin, přičemž velikost tohoto rozsahu je kromě chyby měření dána skutečnou možnou variantou závislé veličiny. Vhodný princip měření se volí z hlediska žádaného rozsahu měření, přesnosti měření, vhodnosti čidla pro dané prostředí a vhodnosti čidla pro zvolený systém vyhodnocování měření (ruční měření, počítačové měření, laboratorní měření, měření pro účely regulace apod.) Proces počítačového měření a jeho fáze Proces měření a zpracování naměřených dat lze rozdělit do tří základních fází: Fáze sběru dat – k tomu se používají následující sběrnice dat: • zásuvné multifunkční karty, • přístroje vybavené rozhraním RS 232, • přístroje vybavené rozhraním GPIB, • VXI měřící systémy, • PLC, • průmyslové I/O systémy. V této první fázi procesu sběru dat se jedná o získání tzv. surových dat – obvykle se jedná o převod měřené veličiny, v měřícím systému, na číselnou hodnotu a její uložení do paměti nebo zobrazení na displeji. Fáze analýzy naměřených dat: • digitální zpracování signálu, • digitální filtrace, • statistika, • operace v poli. V druhé fázi procesu měření obvykle nastává nutnost odstranění nežádoucích složek naměřených signálů (odstranění rušení ), statického vyhodnocení, výpočet nepřímo měřených veličin z naměřených. Fáze prezentace naměřených dat: • grafické znázornění, • prezentování na síti, • archivace v souborech, • tisk. 24

VUT BRNO, FSI-EÚ


V poslední fázi je potřeba naměřené a analyzované hodnoty prezentovat ve tvaru např. protokolu z měření, grafů, uložením do textových datových souborů apod. 3.2. Software pro měřící a řídicí systémy Počítačový měřící systém si nelze představit bez vhodného softwaru. V převážné většině dostupné literatury je volba softwarového vybavení měřícího nebo řídicího systému řazena na poslední místo. Podle mého názoru by tomu mělo být právě naopak. Zvolit si pro danou úlohu nejvhodnější a nejmodulárnější software a s ohledem na jeho náročnost na hardwarové požadavky volit pro něj vhodný typ řídícího počítače. Stejně tak volba operačního systému by měla být podřízena volbě měřícího nebo regulačního softwarového nástroje a tím předejít nejrůznějším problémům, které jsou způsobeny např. nedostatečným mikroprocesorem, nedostatkem operační paměti, malou kapacitou pevného disku, v současné době i nevhodnou grafickou kartou apod. Softwarovými nástroji pro měřící nebo řídící systém rozumíme programové vybavení počítače, které umožňuje přímé měření nebo zajišťuje tvorbu vlastních měřících (virtuálních) přístrojů. Pro tento účel lze použít i standardních programovacích jazyků jako např.: • •

Basic – použitelnost tohoto programovacího jazyka je dnes již za svým vrcholem, avšak ve znovuoživení je v nové podobě tzv. Visual Basic. C jazyk – dnes nejpoužívanější jazyk v technické praxi.

Použití standardního programovacího jazyka pro vytvoření aplikace v oblasti měření naráží na dvě základní úskalí: • •

Tvorba je časově náročná, syntaxe programovacího jazyka je složitá a výsledný produkt může být těžko čitelný i pro samotného autora, vrátí-li se k němu po delším čase od jeho tvorby. Je zde velká náročnost na detailní znalost hardwarového řešení – musí se napsat všechny funkce pro podporu protokolů na jednotlivých rozhraních, která obvykle nejsou součástí implementace těchto programovacích jazyků (obsluha požadavků na přerušení, přímý přístup do paměti apod.)

Tato úskalí pomáhají překonat dnes stále častěji používané produkty, které lze zařadit do kategorie tzv.CASE (Computer Added Software Engineering) produktů. Produkcí těchto softwarových systémů – vývojových prostředí, které v sobě obvykle integrují mnoho pomocných nástrojů pro automatizaci tvorby softwarové aplikace – se dnes zabývá na světovém trhu celá řada firem. Softwarové prostředky, které se používají pro tuto oblast lze rozdělit: • •

podle fáze procesu měření, kterou podporují (sběr, analýza, prezentace), podle funkcí, které uživateli nabízejí (otevřené systémy, uzavřené systémy). 25

VUT BRNO, FSI-EÚ


Ze standardních softwarových prostředků lze pro oblast měření použít např. tabulkové procesory, které pokryjí fázi prezentace a částečně fázi analýzy měřených dat. Dnes se však v této kategorii objevují i produkty s podporou zásuvných karet pro vstup dat do tabulkového procesoru – např. Excel Measure od firmy National Instruments. Kromě nich nabízí řada firem speciální programové balíky, poskytující jednu, dvě nebo všechny tři fáze zpracování naměřených dat (např. knihovny funkcí podporující sběr dat ze zásuvných multifunkčních karet). Podle druhého hlediska lze na trhu softwarových prostředků nalézt uzavřené systémy, které uživateli poskytují omezenou množinu funkcí, které naprogramoval jejich tvůrce a kterou již nelze dále jednoduchým způsobem rozšiřovat (sem patří např. různé nadstavby tabulkových procesorů nebo speciální softwarové balíky podpory některých měřících karet). Kromě těchto systémů lze dnes již užít i tzv. otevřených systémů, které poskytují uživateli celou řadu funkcí, aniž by ho omezovaly, neboť se dají jednoduchým způsobem rozšiřovat podle potřeb uživatele – jsou to tedy tzv. vývojová prostředí (Development Environment). Na světovém trhu vývojových prostředí pro oblast měření lze nalézt mnoho produktů, patřících do kategorie otevřených systémů: • • • • • • •

HP VEE – od firmy Hewlett-Packard (grafické programování v prostředí Windows). Test Point – od firmy Keithley (grafické programování v prostředí Windows). Dasy Lab – jednoduchý systém grafického programování. Control Panel – Alcor Zlín – grafické programování v prostředí MS-DOSu (systém vytvořen v jazyce Modula 2). LabWindows for DOS – od firmy National Instruments – textově orientovaný vývojový systém. LabWindows – CVI – textově orientovaný vývojový systém pro platformu Windows. LabVIEW – grafické programování v prostředí Windows a na různých platformách (MacIntosh, PC, Sun, HP Unix).

Seznámení s vývojovým prostředím LabVIEW Filozofie a součásti vývojového systému LabVIEW Filozofie virtuálních měřících přístrojů je velmi progresivní, neboť umožňuje při zachování výkonnostních parametrů klasické měřící techniky vytvářet přístroje, jejichž funkce přesně odpovídají požadavkům uživatele, neboť jsou tyto požadavky realizovány softwarově. Navíc tato koncepce umožňuje doplňovat další funkce podle narůstajících a měnících se požadavků koncového uživatele. Cena takto vytvářených měřících přístrojů bývá nižší, než je cena klasické analogové měřící techniky. Navíc je možno kdykoliv změnou programu vytvořit jiný měřící přístroj nebo upravit vlastnosti stávajícího. Základním záměrem vývojových pracovníků firmy National Instruments bylo dát do rukou inženýrů nástroj podobné efektivity, pružnosti a síly jako je tabulkový procesor v rukou finančního manažera. Myšlenka, na níž stojí efektivita vývojového prostředí 26

VUT BRNO, FSI-EÚ


LabVIEW daného na trh v roce 1986 pro platformu počítačů Macintosh je jednoduchá a vznikla původně na půdě Texaské univerzity pod vedením Jeffa Kodovského. Vychází se zde z poznatku, že tím kdo ví co měřit, jak analyzovat a jak prezentovat data, je technik. Své představy tedy předává programátorovi obvykle v podobě blokového schématu. Programátor toto schéma potom převádí do syntaxe zvoleného programovacího jazyka, což je činnost poměrně zdlouhavá a náročná na přesnost a nepřináší již do procesu měření obvykle žádné další informace. Cílem vývojového prostředí LabVIEW je to , aby blokové schéma bylo koncovým tvarem aplikace, který se již dále nebude převádět do textové podoby. LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je obecný vývojovým prostředím s bohatými knihovnami pro vytváření aplikací zaměřených do oblasti měření ve všech fázích tohoto procesu - tj. sběru, analýzy a prezentace naměřených dat. Podporuje všechny čtyři základní způsoby sběru dat do počítače z měřících přístrojů přes rozhraní RS 232 nebo GPIB, ze zásuvných multifunkčních karet a ze systému na bázi VXI sběrnice). Poskytuje uživateli plnohodnotný programovací jazyk se všemi odpovídajícími datovými a programovými strukturami v grafické podobě v tzv. G jazyku (Graphical language). LabVIEW je tedy vývojovým prostředím na úrovni např. C jazyka, ale na rozdíl od něj není orientován textově, nýbrž graficky.Výsledný produkt tohoto vývojového prostředí se nazývá virtuálním přístrojem (Virtual Instrument), protože svými projevy a činností připomíná klasický přístroj ve své fyzické podobě. Virtuální přístroj se vyznačuje a obsahuje: •

•

•

Interaktivní grafické rozhraní (Graphical User Interface GUI) ke koncovému uživateli tj. čelní panel (Front Panel), který simuluje čelní panel fyzického přístroje. Obsahuje prvky pro ovládání a indikaci (spínače, přepínače, LED indikátory, grafy…). Tento čelní panel ovládá uživatel myší nebo z klávesnice. Činnost virtuálního přístroje je dána jeho blokovým schématem (Block Diagram). Toto blokové schéma je vytvořeno ikonami reprezentující v koncových blocích ovládací a indikační prvky čelního panelu a ve svých uzlových blocích jsou to bloky zpracovávající procházející data. Tento blokový diagram je zdrojovou podobou každé aplikace. Virtuální přístroj má hierarchickou a modulární strukturu. Lze jej používat jako celý program nebo jeho jednotlivé podprogramy, které se nazývají podřízenými virtuálními přístroji (subVI). Součástí každého virtuálního přístroje je jeho ikona, kterou je reprezentována v blokovém schématu a konektor s přípojnými místy pro vstupní signály.

Těmito charakteristickými rysy naplňuje LabVIEW podmínky modulárního programování. Svou aplikaci dělí uživatel na jednotlivé úlohy, pro které vytváří dílčí virtuální přístroje (sub VI) a z nich potom buduje celou aplikaci jejím spojováním do výsledného virtuálního přístroje. Na závěr lze celou aplikaci přeložit do EXE tvaru a provozovat nezávisle na vývojovém prostředí. Při spojení měřícího přístroje a počítače přes rozhraní nebo při vytváření virtuálních měřících přístrojů hraje vedle hardwarových prostředků v podobě počítače a přídavných karet čím dál významnější roli software – stává se klíčovým komponentem měřícího systému. 27

VUT BRNO, FSI-EÚ


Novinky oproti předchozím verzím LabVIEW Software pro měřící systémy zažívá prudký rozvoj. Současnou aktuální verzí programového prostředí firmy Nacional Instrumens je LabVIEW 6i. Tato verze, oproti předchozím, obsahuje možnost přímého ovládání a přímé prezentace dat přes Internet, také nové grafické zpracování ovládacích prvků kontrolního panelu, ale především zjednodušuje některé řídící a ovládací procedury. S otevřeným vývojovým prostředím LabVIEW 6i se můžeme připojit k dalším aplikacím přes ActiveX, Web, DLL, sdílené knihovny, SQL (pro databáze), DataSocket, TCP/IP a další protokoly. LabVIEW 6i můžeme použít pro rychlé vytvoření síťových měření a automatických systémů, které integrují nejmodernější technologie v síťovém provedení a umožňují sdílení vzdálených dat. Dále National Instruments nabízí k vývojovým systémům LabVIEW 6i celou řadu přídavných modulů a nástrojů, které rozšiřují využití LabVIEW 6i. Pro aplikace požadující využití reálného času National Instruments nabízí LabVIEW Real-Time. LabVIEW Real-Time načitá standardní kód LabVIEW k určení hardwarového cíle, přičemž pracuje operační systém reálného času nezávisle na Windows. Hardwarové a systémové požadavky LabVIEW 6i Firmou National Instrumens jsou doporučeny tyto parametry: • • • •

Operační systém: Windows 2000/NT/98. Kapacita operační paměti: 16 MB RAM, doporučuje se však 32 MB RAM. Požadovaný mikroprocesor: 486 DX procesor, doporučuje se Pentium. Potřebný prostor na pevném disku 30 MB.

To jsou požadavky LabVIEW 6i, ale pozor! Nesmíme zapomenout na požadavky operačního systému, který si za předpokladu bezproblémového provozu klade daleko vyšší nároky. Především pak na možnosti použitého mikroprocesoru a kapacitu operační paměti. Při použití operačního systému Windows 2000 nebo NT se doporučuje minimálně 128 MB RAM. Výběr operačního systému V současné době je MS Windows nejrozšířenějším operačním systémem provozovaným na osobních počítačích standardu IBM PC. Zatím co 16-bitové verze Windows používané na počítačích s procesory Intel 80386 a 80486 jsou již technicky i morálně zastaralé, 32-bitové verze patří mezi moderní operační systémy, vhodné i pro použití v měřící technice. Pro běžného uživatele je nejpřitažlivější především grafické rozhraní, umožňující jednoduché ovládání programu. Velmi důležité jsou však technické parametry systému: spolehlivost , robustnost, převoditelnost na jiné HW platformy, úroveň zabezpečení ( ve smyslu ochrany systémových zdrojů nebo zdrojů konkrétního uživatele, např. dat před jiným uživatelem). Z tohoto pohledu představují především Windows NT verze 4.0 poměrně kvalitní operační systém, který lze doporučit pro řešení úloh vyžadujících automatizovaný měřící systém používaný více uživateli. 28

VUT BRNO, FSI-EÚ


Z hlediska programátora je důležitá základní charakteristika 32-bitových Windows jako preemptivního víceúlohového operačního systému, který umožňuje současné zpracování více procesů a jejich synchronizaci. Windows NT mohou fungovat dokonce jako více procesorový systém. 3.3. Řídicí počítače měřících systémů 3.3.1. Osobní počítače Osobní počítače třídy PC jsou osazeny 16-bitovými mikroprocesory Intel 8088 (PC/XT), 80286 (PC/AT) a 32-bitovými 80386, 80386SX, 08486 a dnešní době převážně mikroprocesory Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX nebo vyššími (Celeron, Pentium II, Pentium III), případně jsou použity jim odpovídající mikroprocesory od firem AMD, CYRIX. Jako řídící počítače měřících systémů jsou používány osobní počítače třídy IBM PC (sběrnice ISA pro PC/AT nebo sběrnice PCI). Tak jako v jiných oborech se i v aplikacích pro měřící techniku staly počítače firmy IBM – PC/XT (8-bitová sběrnice) a zejména PC/AT (16 bitů) faktickým standardem včetně sběrnice ISA (Industrial Standard Architekture). Osobní počítače třídy PC mají tzv. otevřenou architekturu – jejich technické vybavení lze rozšiřovat dalšími obvody (bloky) na zásuvných deskách (adaptérech), zasunutých v konektorech expanzivních slotů. Sloty jsou na základní desce PC simulovány tak, že čelní panel zásuvné desky tvoří součásti zadní stěny skříně počítače. Návrh počítače pro měřící systém v Eko-domě Podolí Vzhledem k tomu, že se jedná o experimentální použití měřícího systému je zvolen standardní počítač třídy IBM PC. Výhodou tohoto standardu je především jeho široká dostupnost. Softwarové požadavky na vybavení počítače byly zmíněny již dříve. Nyní tedy doporučení, jaké vybavení počítače volit. Pro bezproblémový provoz měřícího systému bych doporučil počítač s mikroprocesorem Intel Pentium II případně vyšší (Intel Pentium III). V případě, že se na tomto počítači bude provádět zpracování naměřených dat je vhodné počítač osadit větší operační pamětí a to minimálně 128 MB (pro provoz produktů firmy Microsoft – Windows NT 4,0/2000 a MS Office 2000). Co se týče monitoru, pro běžná měření je postačující 15“ monitor s rozlišením alespoň 800x600. Toto rozlišení je uspokojivé i pro chod virtuálního měřícího přístroje, vytvořeného v programovém prostředí LabVIEW. S ohledem na to, že měření je nepřetržité a monitor je používán pouze krátkodobě, není nutné na něj klást příliš vysoké nároky. Velikost pevného disku musí korespondovat s objemu měřených dat. Je možné použít standardně instalovaných pevných disků do dnešních počítačových sestav o velikosti 10 GB. Tato velikost je více než postačující zvláště když uvážíme, že v Eko-domě VUES je velikost datového souboru, do kterého se ukládá každou minutu po celý den cca 800 kB což odpovídá 292 MB za rok. Cenově nejefektivnější, pro tento případ, je velikost pevného disku o kapacitě asi 3,2 GB. Klávesnice a spolehlivé polohovací zařízení (počítačová myš) je samozřejmostí.

29

VUT BRNO, FSI-EÚ


Pro vyšší bezpečnost provozu je vhodné použít záložního napájení pro případ výpadku elektrické energie. Funkce záložních zdrojů elektrické energie je popsána v kapitole 2.8. Doplňky měřícího systému. V oblasti nabídky počítačových sestav je na trhu řada spolehlivých firem (např. Autocont), které dodávají kvalitní počítačové sestavy s využitím vysoce spolehlivých komponentů od renovovaných výrobců hardwaru (Asus, Aopen – základní desky, Intel jako tradiční dodavatel kvalitních a spolehlivých mikroprocesorů, ATI – grafické karty atd.). Výběr dodavatelské firmy, by měl být vždy podřízen tomu, zda firma poskytuje a v jaké kvalitě je poskytován záruční a pozáruční servis.

Obr. 3.1 Řídicí počítač v Eko-domě VUES Podolí 3.3.2. Průmyslové provedení řídicích počítačů měřících systémů Osobní počítače jsou navrženy a vyráběny především pro kancelářské prostředí. Pro průmyslové aplikace je potřeba PC zpevnit (robustní kovová skříň), utěsnit proti vnikání prachových částic. Je také nutné dostatečné chlazení filtrovaným vzduchem. Srovnatelným způsobem je třeba upravit zobrazovací displej, diskové jednotky, klávesnici a počítačovou myš bez které se dnes již jen stěží obejdeme (v případě, že nepoužíváme dotykový displej). Běžný osobní počítač je konstrukčně řešen tak, že do základní desky s několika sloty se vkládá většina technického vybavení počítače. Jen výjimečně se některé jeho části vkládají do zásuvných desek. Speciální průmyslové počítače jsou řešeny modulárně tj. užitím pasivní sběrnice a veškeré technické vybavení je ve formě zásuvných desek. Diskové jednotky z důvodu jejich malé odolnosti vůči otřesům a prachu jsou nahrazovány polovodičovými pamětmi tzv. RAM a ROM disky. Tato náhrada není omezujícím faktorem, protože při průmyslovém nasazení se obvykle používají již vyvinuté aplikační programy uložené na CD-ROM disku. Pro výběr vhodného průmyslového počítače lze doporučit katalog firmy Advantech, ve které nalezneme širokou škálu počítačů, měřících karet a dalšího příslušenství, jako např. panelové provedení PC s dotykovým displejem nebo průmyslovou 30

VUT BRNO, FSI-EÚ


klávesnici a myš. Průmyslová klávesnice a myš jsou vyrobeny na bázi průmyslové pryže do které jsou zality veškeré součástky. Od běžných zařízení tohoto typu se liší vysokým stupněm krytí (IP68) a možností užití v širokém rozsahu teplot (0 °C – 50°C). Viz obr. 3.3.

Obr. 3.2 Průmyslová aplikace měřícího systému.

Obr. 3.3 Klávesnice a myš pro průmyslové aplikace. 3.3.3. Mobilní měřící systémy Mobilní měřící systémy se používají při oživování stabilních průmyslových systémů, při diagnostice závad zařízení apod. Mobilní počítačový systém lze řešit různými způsoby: • • • • •

Datalogery: přístroje , které měřená data ukládají do své vnitřní paměti, odtud je lze převést do počítače (obvykle po RS 232, ale dnes i přes USB) a tam zpracovat. Měřící ústředny: jsou to procesorové přístroje, které umožňují měřit, ukládat, případně i zobrazovat měřené veličiny. Autonomní měřící přístroje: zařízení, které lze spojit s přenosným PC pomocí sběrnice IEEE 488 nebo RS-232C. Portable PC neboli kufříkové provedení počítače PC, do kterého lze zasunout měřící ISA karty. Notebook s měřící PC-card dříve označovány jako PCMCIA karty jsou speciální zásuvné karty přibližně velikosti kreditní karty, které jsou uzavřeny v pouzdru. Sběrnice PC-card je co do signálu kompatibilní s ISA sběrnicí, ale výhodou je že karty je možné zasunout při zapnutém počítači. Běžné notebooky bývají vybaveny dvěma sloty pro síťové karty, faxmodemové a síťové karty, ale dnes také pro multifunkční případně i další měřící karty v provedení PC-card. 31

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 3.4 Příklad přenosného počítače 3.4. Rozdělení měřících systémů Úvod Měřící systémy jsou oborem historicky poměrně novým. První číslicové měřící systémy vznikly na přelomu šedesátých a sedmdesátých let v souvislosti s rozvojem programovatelných kalkulátorů. S využitím moderní procesorové techniky se měřící systémy postupně specializovaly podle požadavků na rychlost přenosu dat, kapacitu zpracování a délku přenosové cesty. Pod pojmem číslicový měřící systém rozumíme takovou sestavu zařízení a jejich propojení, která umožňuje komplexní řešení měřící úlohy včetně jejího automatického provedení. Může jít tedy jak o nejjednodušší sestavu složenou z číslicového měřícího přístroje a řídícího počítače, umožňující pouze automatický odměr měřené veličiny, přenos výsledků měření do počítače a následné číslicové zpracování včetně prezentace výsledků, tak o složitý systém vhodný např. pro úplné testování komplikovaných zařízení, kdy se jedná o řízení komplexního měřícího postupu včetně natavování potřebných akčních veličin na základě již naměřených hodnot. S požadavky které na měřící systém klademe, úzce souvisí i výběr jeho vhodného typu a struktury. Pro laboratorní měřící systémy je typická snadná rekonfigurovatelnost, nižší nároky na odolnost vůči vnějším vlivům (jak klimatickým vlivům, tak i rušivým elektromagnetickým polím), krátké komunikační vzdálenosti a v řadě případů vyšší nároky z hlediska dynamiky měřených veličin. S tím souvisí i požadovaná struktura systému – v nejjednodušším případě hvězdicová (viz. obr, 3.6a), kdy jsou jednotlivé funkční jednotky připojeny sériovými linkami RS-232 k samostatným sériovým portům počítače označených obvykle COM1, COM2, … . To výrazně omezuje jak možný počet připojených funkčních jednotek, tak i možnou rychlost přenosu dat. Pro připojení číslicových měřících přístrojů k počítači se proto častěji používá sběrnicová struktura (viz. obr. 3.6b) s normalizovanou paralelní sběrnicí IEEE 488 (označována též IEC 625,GP-IB, HP-IB), umožňující jak připojení většího počtu funkčních jednotek, tak i vyšší rychlost 32

VUT BRNO, FSI-EÚ


přenosu dat. Výše uvedené způsoby propojení (RS-232, IEEE 488) budou v současné době postupně nahrazovány novými rozhraními se sériovým přenosem dat, které byly původně navrženy a dosud jsou vesměs používány pro jiné aplikace. To se týká zejména rozhraní USB (Universal serial bus) pro přenosové rychlosti srovnatelné s IEEE 488, které se v poslední době začínají používat i pro jednoduché měřící systémy využívající stromovou strukturu (viz. obr. 3.6c). Pro vysoké přenosové rychlosti lze očekávat použití propojení dle standardu IEEE 1394 – Fire-wire, jež užívají např. firmy Agilent Technologies a National Instruments pro připojení VXI systému k externímu řídícímu počítači. Kruhová struktura (viz. obr. 3.6.d) se používá u některých typů průmyslových sběrnic.

Obr. 3.6 Základní uspořádání měřících systémů Vnější sběrnice pro propojení jednotlivých funkčních jednotek může být v některých případech nahrazena vnitřní sběrnicí modulárního systému nebo dokonce vnitřní sběrnicí řídícího počítače. Funkční jednotky pak mají podobu zásuvných měřících karet či modulů. Do volných kolektorů vnitřní sběrnice počítače lze zasunout karty obsahující např. analogově-číslicové nebo číslicově-analogové převodníky, čítače/časovače, filtry apod. s příslušnými obvody rozhraní a tak vytvořit jednoduchý měřící systém. Pro přenosné měřící systémy využívající notebooků byly vyvinuty karty typu PC Card. Pokud použijeme průmyslové provedení PC, lze po doplnění systému vhodným příslušenstvím (oddělovacími předzesilovači, obvody pro připojení senzorů apod.) takovýto systém použít i jako jednoduchý řídící systém v průmyslových podmínkách. 3.5. Měřící systémy složené z automatických přístrojů 3.5.1. Systémy se sběrnicí IEEE 488 Systémy složené z autonomních měřících přístrojů propojených standardizovanou sběrnicí IEEE 488 jsou v současné době nejrozšířenějšími laboratorními systémy vůbec. Sběrnice byla navržena koncem šedesátých let firmou Hewlett Packard s označením HPIB. V roce 1975 byla publikována americkou standardizační institucí IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) jako standard IEEE 488. V průběhu sedmdesátých a 33

VUT BRNO, FSI-EÚ


osmdesátých let byl tento standard převzat dalšími standardizačními a normalizačními institucemi. K důležité změně došlo v roce 1987, kdy byly publikovány standardy IEEE 488.1 a IEEE 488.2. Zatímco IEEE 488.1 je pouze revidovaný původní standard z roku 1975, IEEE 488.2 je zcela novým standardem, který detailně definuje funkční a operační vlastnosti přístrojů s rozhraním IEEE 488.1 (např. požadované funkce rozhraní, komunikační protokoly včetně ošetřování chybových stavů, syntaxi správ, formáty správ, formáty dat, strukturu sestavování registrů apod.). Základní technické parametry sběrnice Měřící systém podle standardu IEEE 488.1 se skládá z funkčně samostatných zařízení (přístrojů, počítačů apod.) propojených standardizovanou paralelní sběrnicí. Základní vlastnosti systému IEEE 488.1 mohou být shrnuty do následujících bodů: • • • • • • •

celkový počet funkčních jednotek zapojených v systému je maximálně 15; celková maximální délka sběrnice je 20 m; maximální vzdálenost mezi dvěma funkčními jednotkami – 2 m; počet vodičů sběrnice je 24 ( 8 datových DIO1 až DIO8; 3 pro řízení přenosu dat – DAV,NRFD, NDAC; 5 pro vysílání jednovodičových zpráv – ATN, IFC, REN, SRQ, EOI; 8 zemnících vodičů); maximální přenosová rychlost – 1 MB/s (prakticky podstatně nižší 250 až 500 kB/s); elektrické úrovně signálu – TTL; L (< 0,8 V); H (2,0 V); logické úrovně signálu – log.1 (TRUE) ~ L; log.0 (FALSE) ~ H.

Obr.3.7 Konektor IEEE 488 a IEC-625 3.5.2. Měřící systémy s propojením RS-232, RS-485 Měřící systémy využívající rozhraní RS-232-C Sériové rozhraní RS-232-C (standardizované Electronic Industries Association EIA) bylo původně určeno ke spojení koncového datového zařízení ( Data Terminal Equipment DTE – např. terminálu a počítače) s komunikačním datovým zařízením (Data 34

VUT BRNO, FSI-EÚ


Communication Equipment DCE – modemem). V průběhu doby se rozhraní RS-232-C začalo používat i mimo obor telekomunikační techniky. K výraznému rozšíření přispělo zejména jeho užití v osobních počítačích standardu IBM PC. V současnosti přes všechny jeho nedostatky (dvoubodové spojení, nízká přenosová rychlost a malá odolnost proti rušení) má toto rozhraní velmi výrazné postavení v měřící technice, kde je aplikováno především u levnějších měřících přístrojů, speciálních modulů, inteligentních snímačů apod. Elektrické parametry rozhraní Při sériové komunikaci jsou data vysílána jako posloupnosti jednotlivých bitů, přičemž v jednom časovém okamžiku je předáván vždy jediný bit. Přenášené bity nabývají logických hodnot 0 nebo 1. V případě RS-232-C odpovídá logická 1 napěťové úrovni –3 až –15 V, logická 0 úrovni +3 až +15 V. Obvody rozhraní jsou nesymetrické, proto se uvedené úrovně vztahují k potenciálu nulového signálového vodiče. Odpor zátěže se může pohybovat v rozmezí 3 až 7 kW , kapacita zátěže nesmí být větší než 2500 pF. Signály rozhraní RS-232-C Standard definuje celkem 20 signálů rozhraní a přiřazuje je konkrétním pozicím na konektoru s 25 kontakty. Typ konektoru není specifikován, prakticky se především používají konektory Cannon (”D” – shell connector) s 25 nebo 9 kontakty (norma ISO připouští i 15 a 37 kontaktů) . V případě měřících přístrojů a osobních počítačů se používá pouze 9 základních signálů (viz. tab. 3.1) Tab. 3.1 Popis nejdůležitějších 9 signálů rozhraní RS-232-C Signál Protective Ground Transmitend Data Received Data Request To Send

Symbol

Číslo kontaktu konektoru 25 9 kontaktů kontaktů

Funkce

-

1

-

Ochranný zemnící vodič.

TxD

2

3

Data vysílaná z DTE.

RxD

3

2

RTS

4

7

Clear To Send

CTS

5

8

Data Set Read

DSR

6

6

7

5

Data přijímaná do DTE. Signál vysílaný z DTE; sděluje DCE, že DTE je připraveno přijímat data. Signál vysílaný z DCE; sděluje DTE, že DCE je připraveno přijímat data od DTE a vysílat je do komunikačního kanálu. Signál vysílaný z DCE; sděluje DTE, že DCE je funkční a připraveno komunikovat. Signálový zemnící vodič.

Signal Ground

-

35

VUT BRNO, FSI-EÚ


Data Carrier Detected

DCD

8

1

Signál vysílaný z DCE; sděluje DTE, že byl detekován signál vysílaný modemem na opačném konci komunikačního kanálu.

Data Terminal Ready

DTR

20

4

Signál vyslaný z DTE; sděluje DCE, že DTE je funkční.

9

Signál vysílaný z DCE; indikuje „vyzváněcí“ signál v komunikačním kanálu (např. telefonní lince).

Ring Indicator

RI

2

Blokové zapojení dvou přístrojů při standardní modemové komunikaci je na obr.3.8.

Obr. 3.8 Blokové zapojení přístrojů při standardní modemové komunikaci

Parametry sériového asynchronního přenosu Při asynchronním sériovém přenosu je naprosto nezbytné shodně nastavit formát přenosu dat a přenosovou rychlost u komunikujících zařízení. Přenosová rychlost se volí z řady 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, nebo 19200 bit/s. Formát přenosu dat je zobrazen na obr. 3.9. Skládá se z 1 start bitu, 5 až 8 datových bitů (obvykle 7 nebo 8), z maximálně 1paritního bitu (může být vynechán) a 1 nebo 2 stop bitů.

Obr. 3.9 Formát přenosu dat RS-232

Komunikace mezi dvěma zařízeními DTE V převážné většině aplikací RS-232-C v měřící technice jsou propojena dvě zařízení typu DTE (zpravidla osobní počítač a měřící přístroj nebo měřící přístroj a 36

VUT BRNO, FSI-EÚ


tiskárna) na krátkou vzdálenost (řádově jednotky až desítky metrů). V těchto případech se používá bez modemového připojení, v němž se přenosový kabel (modem + přenosová linka, např. telefonní) nahrazuje speciálně zapojeným kabelem (null modem cable), který zajišťuje vhodné propojení výstupních a vstupních signálů obou zařízení a simuluje tak do jisté míry činnost modemů. Situace je komplikovaná tím, že výrobci u přístrojů často používají jen některé z devíti výše uvedených signálů a mimo to jim přidělují jiný funkční význam. Příklady bezmodemových propojení jsou na obr. 3.10 a obr. 3.11. Nejjednodušší je tzv. třívodičové zapojení (obr. 3.10a), ve kterém je použito pouze datových vodičů a signálové země. Řízení přenosu dat je v tomto zapojení možné pouze programově (software handshaking). Častou užívanou metodou programového řízení je tzv. protokol Xon/Xoff, kdy přístroj přijímající data ovládá komunikaci vysíláním speciálních řídicích znaků. Jestliže je na příjem připraven, vyšle signál Xon (ASCII 19). Přístroj na opačném konci rozhraní signál identifikuje a začne vysílat. V okamžiku, kdy přijímací přístroj není schopen data zpracovat, vyšle signál Xoff (ASCII 17), na který druhý přístroj reaguje přerušením vysílání. Činnost se muže libovolně dlouho opakovat. Nevýhodou uvedené metody je její omezení na data kódovaná v ASCII kódu a relativně dlouhá reakční doba (závisí na konkrétním řešení přístroje), po kterou musí přijímací přístroj zachytit vysílaná data, jinak by došlo k jejich ztrátě.

Obr. 3.10 Bezmodemové propojení: a) třívodičové, b) pětivodičové

Obr.3.11 Bezmodemové propojení - sedmivodičového propojení Hardwarově řízený přenos dat (hardware handshaking) umožňují zapojení na obr. 3.10b a obr. 3.11. V konkrétní aplikaci je vždy nutné prostudovat dokumentaci obou zařízení a teprve pak použít vhodné propojení. Výrobci přístrojů obvykle používají buď dvojici signálů RTS, CTS nebo DTR, DSR (tzv. protokol DTR), případně v kombinaci se signálem DCD. Signál RI se používá výjimečně.

37

VUT BRNO, FSI-EÚ


Kódování dat Formát přenosu dat u RS-232-C umožňuje použít různých způsobů kódování dat. V měřící technice je to zejména kódování ASCII (znaky vysílané v 7-bitovém formátu, zpravidla s paritou), binární (datové bajty vysílány bez jakékoli úpravy v 8-bitovém formátu bez parity) nebo Hex (každý znak vysílán v podobě dvou znaků reprezentující hexadecimální číslice v 7- bitovém formátu s paritou). Tzv. XMODEM protokol, při němž jsou vysílány pakety po 128 binárně kódovaných bajtech s kontrolní sumou na konci, je využíván především v telekomunikačních zařízeních. Způsoby programování RS-232C U programování systémů s rozhraním RS-232C je důležité důkladné seznámení s množinou instrukcí měřícího přístroje, který chceme ovládat. Instrukce mají vždy podobu ASCII řetězců. Moderní přístroje jsou z hlediska programového vybavení navrhovány podle standardu SCPI, který přispívá k unifikaci programátorského přístupu bez ohledu na typ rozhraní. Metody programování výrazně závisí na použité řídící jednotce a na výběru programovacích prostředků.V případě počítačů standardu PC a běžných programovacích jazyků (C, Pascal, BASIC) lze aplikovat některou z uvedených programovacích technik: Distribuované měřící systémy V případě, že jednotlivá měřící místa jsou značně vzdálená jak od řídicího počítače, tak od sebe navzájem, není vhodné zejména s ohledem na rušení přenášet ze senzorů do řídícího počítače analogový signál. Pro takovýto případ není tedy použití předchozích systémů příliš vhodné. Podstatně vhodnější je převést analogový signál na číslicový co nejblíže senzoru, vhodně jej zakódovat a na větší vzdálenost přenášet v číslicové formě. To umožňují distribuované průmyslové systémy se sériovou sběrnicí RS – 485 (v některých případech s možností mezipřevodu na optické vlákno). V případě měření či regulace rychle se měnících veličin s nutností rychlejšího vzorkování či kratší reakční doby je nutné použít autonomní měřící či regulační jednotku s následnou kompresí, či jiným předzpracováním dat. Z této autonomní jednotky se pak do řídicího počítače přenáší pouze zpracované výsledky měření či zpět pokyny pro ovládání akčních jednotek, regulátorů atd. ve formě komplexních zpráv na tzv. komunikační úrovni. V takovémto případě již nemusí být zaručeno rychlé a časově ekvidistantní obnovování informace a tudíž i délka těchto zpráv nemusí být konstantní, což je výhodné z hlediska využití komunikační kapacity sběrnice. Zato však musí být zaručen bezchybný přenos zprávy a na rozdíl od běžných lokálních datových sítí i mechanismus rychlé obsluhy přerušení v případě žádosti některé jednotky o obsluhu (rychlá reakce na havarijní stavy). Sběrnice RS-485 a zařízení pro tuto sběrnici Pro distribuované měřící, řídící a informační systémy je nutnou podmínkou pro splnění požadované funkce systému vhodné propojení všech prvků. Za prvky systému považujeme řídicí jednotky, periférie, akční členy, inteligentní senzory. Vzájemné fyzické propojení několika prvků systému zajišťuje sběrnice. Sběrnicí rozumíme fyzickou část komunikační cesty mezi prvky systému nebo jeho částmi. Proto dělíme sběrnice na vnitřní a vnější.

38

VUT BRNO, FSI-EÚ


Vnitřními sběrnicemi rozumíme např. sběrnice počítačů, které jsou nutné pro funkci daného počítače. Uživatel se s nimi běžně nesetkává. Znalost jejich funkce je nutná pro analýzu mezních stavů, např. z hlediska spolehlivosti, využití maximální hranice rychlosti přenosu dat, zálohování dat, diagnostiku poruch a podobně. Základní vlastnosti sběrnice RS-485 Sběrnice RS-485 je jednou z dalších velmi rozšířených, v současné době nejpoužívanějších přenosových kanálů se sériovým přenosem dat. Je odvozena od méně používaného propojení RS-422A, což je stejně jako RS-232 propojení bod-bod, avšak s diferenčním zapojením vysílačů a přijímačů a s jinými paměťovými úrovněmi (viz. příloha 7.1.). Jako přenosové médium je zde použit normou blíže nespecifikovaný dvojdrát. Pro zvýšení odolnosti proti rušení bývá většinou zkroucen popř. i stíněn. Ke sběrnici může být připojen libovolný počet vysílačů s třístavovým výstupem (samozřejmě pouze jeden může být aktivní, ostatní musí být uvedeny do stavu vysoké impedance), počet přijímačů je omezen na 32. Blokové připojení jednotlivých funkčních jednotek ke sběrnici je uvedeno na obr. 3.12. Jedná se o diferenciální uspořádání, což jednak umožňuje dosažení přenosové rychlosti až v = 10 Mb/s, jednak zvyšuje odolnost proti rušení. Maximální přenosová rychlost je pochopitelně omezena též skutečnou délkou sběrnice l (jež může dosahovat dle 8 normy až 1200 m), tedy součinem v.l, pro který v tomto případě platí vl < 10 b.m/s. Další parametry jsou uvedeny v příloze 7.1. současně s porovnáním s parametry ostatních rozhraní se sériovým přenosem.

Obr. 3.12 Blokové schéma sběrnice RS-485 Jednotky pro sběrnici RS-485 Jako příklad měřících jednotek uveďme moduly firmy ADAM řady 4000 od firmy Advantech.

39

VUT BRNO, FSI-EÚ


3.6. Měřící moduly Úvod V řadě případů při laboratorním měření a v převážné většině průmyslových aplikací nelze připojit vstupy řídicího počítače přímo k zařízení, jehož parametry chceme měřit. V těchto případech je nutné, doplnit zapojení o obvody či moduly pro přizpůsobení a úpravu signálu. Stejně tak pro galvanické oddělení vstupů a výstupů řídicího počítače se používají moduly, které mimo oddělovačů často obsahují také zdroj referenčního napětí resp. proudu pro napájení senzorů a filtry pro filtraci signálu. Řada modulů je vyráběna s galvanickým oddělením vstupu a výstupu, které fungují jako předzesilovače, filtry, zdroje proudu resp. převodníky pro přímé připojení řady senzorů neelektrických veličin. Mezi tyto moduly patří právě moduly ADAM série 4000 od firmy Advantech. Moduly byly jako první v hromadné výrobě a jimi se inspirovala řada další výrobců. Modulová řada ADAM 4000 se vyznačuje malými rozměry vlastních jednotek (60 mm x112 mm), malou spotřebou elektrické energie (1 až 3) W a možností montáže na standardní DIN lištu.

Obr. 3.13 Montážní rozměry modulu ADAM série 4000 Moduly používají komunikační protokol EIA RS-485, to znamená, že použito pouze dvou drátů pro komunikaci s řídicím počítačem a dalších dvou pro připojení elektrické energie. Tento protokol je v průmyslové oblasti nejrozšířenější a využívá dvousměrné standardní přenosové linky (RS-485). RS-485 byly vyvinuty speciálně pro průmyslové aplikace k vysílání a přijímání dat za vysoké rychlosti a na velké vzdálenosti (až 1200 m).

40

VUT BRNO, FSI-EÚ


K vysílání a přijímání dat je tedy použito pouze zkrouceného dvoudrátu. Speciální soustava obvodů zajišťuje čistou a spolehlivou komunikaci potlačováním šumů, které vznikají na komunikačních cestách. Dvoudrátová technologie RS-485 pro ADAMy udržuje počet kabelů, konektorů a přídavných komunikačních prostředků ( jako jsou opakovače a filtry ) na minimální úrovni, zjednodušuje instalaci a snižuje celkové náklady sítě. Moduly série ADAM 4000 mají vnitřní vysokonapěťovou ochranu svých datových linek až 3000 V. Jsou izolovány pomocí optického převodu uvnitř modulu. Použitím těchto modulů není třeba nastavovat žádné přepínače. Lze je konfigurovat pro jednotlivé typy senzorů a rozsah vstupu a výstupu pouze zadáním příkazů z řídicího počítače. Všechny konfigurační parametry (typ senzoru, rozsah, adresa, přenosová rychlost, chybové hodnoty, atd.) jsou uloženy v paměti EPROM přímo v modulu. Všechny příkazy pro ADAMy jsou založeny na ASCII formátu. Toto umožňuje psát aplikace pro ADAMy v jazyku na jakékoliv úrovni, jako je C, PASCAL, BASIC nebo LabVIEW. Podpora ASCII znamená, že můžeme použít prakticky jakýkoliv počítač pro ovládání měřícího systému. Většina průmyslových počítačových systémů pracuje standardně se sériovým portem RS-232. Přestože tento široce akceptovaný RS-232 má limitovánu přenosovou rychlost, rozsah a síťové schopnosti. Standard RS-485 překonává tato omezení použitím různého napětí linek pro datové a řídící signály. Konverze z RS-232 na RS-485 je zajištěna pomocí převaděče označeného jako ADAM 4520 nebo 4522. ADAM 4520/4522 Umožňuje využívat výhody RS-485 i u systémů původně vybavených RS-232. Tento převaděč konvertuje signál RS-232 na samostatný signál RS-485. To znamená, že není třeba měnit počítačový hardware ani software. ADAM-4520 umožňuje jednoduše vybudovat dálkový komunikační systém na průmyslové úrovni se standardním počítačovým hardwarem. ADAM-4520 je vybaven konektorem RS-232 DB-9. Tento konektor umožňuje jednoduché propojení s téměř každým počítačem, který podporuje RS-232. Spojení RS-485 je uskutečňováno přes šroubovací terminály, které jsou uzpůsobeny pro zapojení krouceného páru drátů. Kroucený pár drátů umožní posílat RS485 signál přes celou EIA standardní vzdálenost (1200 m). Šroubovací snadno výjmutelné konektory umožňují vypojení modulu i bez narušení elektroinstalace.

Obr. 3.14 Převodník 232/485 ADAM 4520

41

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 3.15 Schéma převodu ADAM 4520 RS-232/RS-485

Případné rozšíření sítě (na vzdálenosti větší než 1200 m) lze zajistit pomocí tzv. opakovačů. Opakovače ADAM-4510 RS-485 pouze podporují existující signály a umožňují jim přenos na větší vzdálenosti. Každý opakovač ADAM-4510 umožňuje přidat do sítě 32 modulů série ADAM 4000, nebo rozšířit síť o dalších 1200 m. Do jedné sítě RS-485 můžete zapojit až 256 modulů série ADAM 4000. ADAM 4018 ADAM-4018 je šestnáctibitový, osmikanálový analogový vstupní modul, který zabezpečuje programovatelnost vstupních rozsahů na všech kanálech. Tyto moduly jsou cenově výhodným řešením pro průmyslové měření a monitorování aplikací. Zajišťují převod analogového neelektrického signálu na číslicový signál, který je pak posílán po sběrnici RS-485 k řídicímu počítači.

Obr. 3.16 ADAM 4018

42

VUT BRNO, FSI-EÚ


Technické parametry ADAMu 4018: • • • • • • • • • •

Možnost připojení termočlánků typu J, K, T, E, R, S a B Vstupní rozsah napětí a proudu: ± 15 mV, ± 50 mV, ± 100 mV, ± 500 mV, ± 1 V, ± 2,5 V a ± 20 mA Komunikační sběrnice: RS-485. Rychlost přenosu dat v b/s: 1200; 2400; 4800; 9600; 19,2k; 38,4k. Max. komunikační vzdálenost: 1200 m. Izolační pevnost: 3000 V Přesnost: ± 0,1 % Výstupní impedance: 1,8 M Ω Napájecí napětí: +10 až +30 Vs Spotřeba elektrické energie: 0,8 W

Obr. 3.17 Vnitřní zapojení modulu ADAM 4018 ADAM – 4550 Radio modem ADAM 4550 je nový radio modem, který pracuje s přímosekvenčním šířením radiového spektra. Komunikuje na frekvenci 2,4 GHz pásma ISM, což umožňuje jeho volné použití, tj. vyhovuje evropským telekomunikačním standardům pro nelicenční šíření radiového spektra. V základním vybavení má dosah 150 m , což zajišťuje malá anténa na zadní straně modulu, viz. následující obr. 3.18.

43

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 3.18 ADAM 4550 Radio modem s možností jeho zapojení. Ve volném prostoru s použitím velké externí antény lze zvětšit dosah až na 20 km. Komunikace s řídícím počítačem je zajišťována přes rozhraní RS-232 i RS-485 rychlostí 1200 b/s až 115,2 kb/s. 3.7. Senzory Technické parametry senzorů Typické vlastnosti charakterizující základní statické a dynamické vlastnosti senzorů lze shrnout do následujícího přehledu: Statické parametry: • Citlivost • Práh citlivosti • Dynamický rozsah • Reprodukovatelnost • Rozlišitelnost • Aditivní a multiplikativní chyby • Linearita • Parametry výstupu

Dynamické parametry: • Parametry časové odezvy • Časová konstanta • Šíře frekvenčního pásma • Frekvenční rozsah • Rychlost číslicového přenosu • Parametry šumu

3.7.1. Teplotní senzor AD592 Charakteristické znaky: • • • • • • • •

Vysoká předkalibrovaná přesnost: 0,5°C max. +25°C. Výborná linearita 0,15 max. v oblasti teplot od 0°C do 70°C Široký teplotní rozsah: -25°C až +105°C. Rozsah napájecího napětí +4 až +30 V Výborná opakovatelnost a stálost. Vysoká hladina výstupu: 1 µA/K. Dvoukoncovkový monolitický integrovaný obvod (IO): teplota na vstupu /proud na výstupu. Minimální chyba způsobená vlastním ohřevem.

44

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 3.19 Rozměry senzoru AD 592 Popis senzoru AD592 AD592 je dvousvorkový monolitický integrovaný obvod - „teplotní převodník“, který na výstupu poskytuje proud úměrný absolutní teplotě. Díky širokému rozsahu napětí slouží snímač jako vysoce impedanční, na teplotě závislý zdroj proudu o hodnotě 1 µA/K.

Obr. 3.20 Znázornění závislosti absolutní teploty na výstupním proudu Oproti předchozím verzím, vylepšený design a laserem vrstvené odpory integrovaného obvodu, dovolují AD592 dosáhnout vysoké úrovně přesnosti a nízké nelinearity chyb dříve nedosažitelné v této cenové hladině. AD592 může být použit v teplotním rozsahu od –25°C až do +105°C. V tomto teplotním rozsahu jsou obvykle používána teplotní čidla jako např. termistor, RTD, termočlánek, dioda, které jsou při stejných parametrech nesrovnatelně dražší především proto, že je nutné použít pro jejich funkci dalších nákladných prvků jako jsou např. lineární obvody, přesné napěťové odkazy, můstky, odporové měřící obvody, kompenzátory studených konců, atd. To však není potřeba při použití AD592, a právě to zněj dělá cenově velice efektivní teplotní snímač. Typické oblasti použití AD592 AD592 se používají např. jako teplotní senzory, pro automatická měření a řízení teploty, pro systémy monitorující topení, klimatizace a ventilace, pro průmyslové řízení 45

VUT BRNO, FSI-EÚ


teploty, kompenzace studeného spoje termočlánku. Obzvláště vhodné jsou v zařízeních snímajících dálkově. AD592 je totiž odolný proti náhlému poklesu napětí a napěťovému úbytku na dlouhém vedení a to díky jeho vysokoimpedančnímu napěťovému výstupu. AD592 je uloženo v plastovém obalu TO-92 dimenzovaného pro teploty od -45°C do +125°C. Použití je však v rozsahu od –25°C do +105°C. Teorie provozu AD592 využívá základních vlastností křemíkových tranzistorů, kterou je schopnost zjistit teplotu úměrně k proudovému výstupu. Pokud dva stejné tranzistory pracují při konstantním poměru kolektorových proudových hustot – r, pak rozdíl základního zdroje napětí bude: ∆U =

kT . ln r q

Pokud Boltzmannova konstanta i náboj elektronu (q) jsou konstantní, výsledné napětí je přímo úměrné absolutní teplotě (PTAT). AD592 převádí toto rozdílné napětí na PTAT proud pomocí nízkoteplotního koeficientu tenké vrstvy odporů. Tento PTAT proud je pak použit k tomu, aby celkový výsledný proud byl přímo úměrný stupňům Kelvina. Výsledkem je zdroj proudu s výstupem, který je roven násobku převodního faktoru a teploty senzoru. Obr. 3.21 znázorňuje průběh napětí a proudu v obvodu při 25°C a při extrémních teplotách (-25°C, +105°C).

Obr. 3.21 Průběh napětí a proudu v obvodu při 25°C a při extrémních teplotách (-25°C, +105°C) Tovární nastavení převodního faktoru na 1 µA/K je upraveno vrstvenou úrovní tak, aby načítané teploty AD592 korespondovaly s aktuální teplotou. Během laserové úpravy má IC teplotu kolem 25°C a je napájeno napětím o hodnotě 5V. Zařízení je pak baleno a automaticky teplotně testováno. Faktory ovlivňující přesnost Limity přesnosti uvedené v příloze 7.3. usnadňují použití AD592 v různých aplikacích. Pro výpočet celkové chyby v daném systému je důležité správně interpretovat charakteristiky přesnosti, chyby nelinearity, reakce obvodu na změny napětí a vliv okolní 46

VUT BRNO, FSI-EÚ


teploty. Stejně jako u jiných elektronických provedení bude mít hlavní vliv na přesnost výběr externích komponentů. Chyba nastavení, absolutní přesnost a charakteristiky nelinearity Pro AD592 jsou dány tři základní chybové limity, které umožňují vybrat správný stupeň pro jakoukoliv aplikaci při jakékoliv úrovni přesnosti. Je to nastavitelná přesnost při 25°C, teplotní chyba od 0°C do 70°C a teplotní chyba od –25°C do 105°C. Tyto tři charakteristiky mají vztah k aktuální chybě, kterou uživatel zjistí, pokud proudový výstup AD592 byl přeměněn na napětí přesným odporem. Všimněme si, že maximální chyba při pokojové teplotě, přes komerční IC rozsah teplot nebo rozšířené teplotní pásmo zahrnující bod varu vody, může být vyčtena přímo z tabulky charakteristik.Všechny tři chybové limity jsou kombinací počáteční chyby, změn převodního faktoru a nelineární odchylky od ideálního výstupu 1 µA/K. Obr. 3.22 znázorňuje garantovanou přesnost pro AD592 CN (pro nejpřesnější ze tří AD592 viz. příloha 7.3.).

Obr. 3.22 Graf garantované přesnosti pro AD 592 CN. AD592 má vysoce lineární výstup v porovnání se starší technologií senzorů (např. termistory, RTD a termočlánky), proto je chyba nelinearity určována odděleně od absolutní přesnosti, která je dána teplotou. Jako maximální odchylku od přímky tato charakteristika představuje jedinou chybu, která nemůže být odstraněna. Obr. 3.23 zachycuje průběh typické nelinearity AD592 CN v rozsahu celého teplotního pásma.

Obr. 3.23 Odchylka od linearity. 47

VUT BRNO, FSI-EÚ


3.7.2. Termoelektrické snímače teploty (termočlánky) Princip termočlánků Zahříváním spoje dvou různých elektricky vodivých látek vzniká potenciální rozdíl, ze kterého lze usuzovat na teplotu spoje. Termoelektrické teploměry jsou vybaveny termoelektrickými čidly – termočlánky. Termočlánek představuje dva různé vodiče, které jsou na jednom konci vzájemně spojeny, nejlépe svařením nebo pájením a na druhém konci jsou připojeny na svorkovnici viz. obr. 3.24. Vzhledem k relativně malému rozměru termočlánkového spoje lze termočlánky využít i pro dynamická měření teplot nebo k měření teplot povrchů. Příklady vhodných dvojic kovů pro zhotovení termočlánků a teplotní rozsahy jsou uvedeny v následující tabulce. Tab. 3.2 Typy termočlánků podle ČSN EN 25 8304 Značení

Materiály

Barevné značení

T J L E K S R B A

Cu – CuNi Fe – CuNi Fe – ko NiCr – CuNi NiCr – NiAl PtRh10 – Pt PtRh13 – Pt PtRh30 – PtRh6 WRe5 – Wre20

Oranžová Černá Hnědá Žlutá Zelená Zelená Fialová -

Rozsah teplot [°C] -200 až 400 -200 až 900 -200 až 900 -200 až 1300 0 až 1600 0 až 1600 300 až 1800 0 až 2500

Norma ČSN EN 25 8304 obsahuje tabulky základních hodnot termoelektrického napětí jednotlivých termočlánků a polynomy pro výpočet jejich charakteristik Plášťové termočlánky mají plášť z nerezavějící oceli, inconelu apod.Vodiče mohou být v plášti izolovány stlačeným MgO nebo Al2O3. Spoje termočlánků mohou být propojené s pláštěm (uzemněné) nebo izolované, popřípadě otevřené – termočlánek bez pláště a izolace. Krajní náhodné chyby termočlánků mohou být u laboratorních měření od 0,2 K a u provozních měření se pohybují v jednotkách kelvina, přičemž větší chyba je při měření vyšších teplot. Vlastní zapojení termočlánků muže být různé. Přímé zapojení (obr. 3.24a) obsahuje pouze jeden termočlánkový spoj ts, který je umístěn v měřeném prostředí. Napětí U měřené na volných koncích termočlánku (svorkách) je úměrné teplotní diferenci mezi termočlánkovým spojem ts a teplotou na svorkách rs, které se chovají jako referenční – studené spoje. Pokud měříme teplotu referenčních spojů, nebo pokud měřící přístroj udržuje referenční spoje na známé teplotě, lze určit absolutní teplotu termočlánkového spoje ts tj. v místě měření. V laboratorních podmínkách, ale i v provozních měřeních se používá nejvhodnější zapojení podle obr. 3.24b, kde referenční studený spoj (zde druhý termočlánkový spoj) je umístěn ve zvláštním prostoru s konstantní teplotou ( směs vody s ledovou tříští, termostat pro udržování teplot referenčních spojů termočlánků apod.) Pro zesílení výstupního napětí lze termočlánky řadit sériově podle obr. 3.24c.

48

VUT BRNO, FSI-EÚ

a) přímé


b) diferenční

c) sériové

Obr. 3.24 Zapojení termočlánků 3.7.3. Srovnání senzoru AD592 a termočlánků Výhodou AD592 oproti termočlánkům je především jejich jednoduchost v zapojení a nízká cena. AD592 nevyžaduje žádné kompenzátory studených konců ani jiná přídavná zařízení, a právě to zněj dělá cenově velice efektivní teplotní snímač. Chyby měření jsou srovnatelné s nejpřesnější verzí AD592CN, u kterého je chyba měření dokonce menší než u termočlánků. AD592 dosahují vysoké úrovně přesnosti a nízké nelinearity chyb dříve nedosažitelné v této cenové hladině. Obzvláště vhodné jsou pro měření na dlouhých měřících trasách. AD592 je totiž odolný proti náhlému poklesu napětí a napěťovému úbytku na dlouhém vedení, a to díky jeho vysokoimpedančnímu napěťovému výstupu. Výhodou termočlánků oproti AD592 je možnost použití ve větším rozsahu teplot . Pro aplikaci v Eko-domě VUES je však teplotní rozsah –25 až +105°C postačující. 3.8. Návrh měřících modulů a senzorů pro Eko-dům VUES Systém sběru dat v Eko-domě VUES byl nainstalován za účelem výzkumu charakteristik solárních vzduchových kolektorů. Tento sytém zahrnuje tři moduly ADAM 4018 (Advantech), z nichž každý má osm napěťových vstupů. Moduly jsou propojeny s počítačem přes RS-485 sériový port a komunikační modul ADAM 4520. Pro měření teploty jsou použity, teplotní senzory AD592 (Analog Devices). Umístění senzorů je zachyceno na obr. 3.25. V současnosti je na slunečních vzduchových kolektorech nainstalováno 15 teplotních čidel. V budoucnu je naplánováno rozšíření na další tři sekce vzduchového kolektoru, kde bude měřena pouze vstupní a výstupní teplota z kolektoru. Teplotní senzory jsou umístěny na vnější části každé sekce s odlišnou absorpční fólií. Kromě vstupní a výstupní teploty je také sledována teplota ve třech mezipozicích.

49

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 3.25 Rozmístění senzorů AD592 v solárním vzduchovém kolektoru. Povětrnostní podmínky (globální sluneční záření, venkovní teplota vzduchu) v oblasti umístění Eko-domu byly monitorovány pomocí systému sběru dat VÚES Brno. Pro měření globálního slunečního záření byl použit pyranometr Kipp&Zonen CM 05. Oba systémy sběru dat obsahují časovou synchronizaci pomocí přijímače přesného času DFC-77.

Zdroj stejnosměrného napětí 24 V pro síť ADAMů.

Obr. 3.26 Síť modulů ADAM 4000 - zapojení v Eko-domě VUES Podolí Díky dobré konstrukci modulů ADAM série 4000 je jejich montáž velice snadná. Lze je připevnit na jakoukoli stěnu pomocí dvou šroubů. V Eko-domě VUES jsou moduly ADAM 4018 přišroubovány na rámu špaletového okna pod každým ze čtyř měřených sektorů viz. obr. 3.27.

50

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 3.27 Umístění modulu ADAM 4018 v Eko-domě VUES Podolí. Zapojení modulu ADAM 4018 a senzoru AD592 Zapojení je nutno věnovat dostatečnou pozornost, aby nedošlo k chybě která by mohla vést k poškození číslicových modulů. Především je nutno dát pozor na připojení zdroje stejnosměrného napětí (24V). Popis kontaktů modulu ADAM 4018: (Y) DATA +

datová linka RS-485 …žlutý drát

(G) DATA -

datová linka RS-485 …černý drát

(R) + Vs

kladný vodič napájení …červený drát

(B) GND

záporný vodič napájení (společné uzemnění) …bílý drát

Vin0 + až Vin7+

připojení senzorů – kladný pól

Vin0 - až Vin7 -

připojení senzorů – záporný pól

Popis kontaktů senzoru AD592:

Obr. 3.28 Kontakty senzorů AD592 PIN 3 (-)

připojení zdroje stejnosměrného napětí – záporný pól.

PIN 2 (NC)

nevyužito

PIN 1 (+)

připojení zdroje stejnosměrného napětí – kladný pól. 51

VUT BRNO, FSI-EÚ


k ADAM 4520 - 485/232

k dalšímu ADAM 4018

Obr. 3.29 Schéma zapojení modulu ADAM 4018 a senzoru AD592. 3.9. Doplňky měřícího systému 3.9.1. Zajištění přesného času pro měřící systém Každé quarzové hodiny, tedy i systémové hodiny v PC resp. v serveru se z fyzikální podstaty věci trvale odchylují od úředního a tedy správného času, v našem případě SEČ. Moderní fyzika poskytuje možnost generovat tento čas, tzv. časový normál UTC, s přesností větší než jedna nanosekunda a to rozpadem např. Cesia v tzv. atomových hodinách. Moderní radiotechnika pak dokáže šířit stavy těchto hodin, tzv. časové a kalendářní značky, na kterékoliv jiné hodiny, opatřené přijímačem signálu DCF'77 a trvale je dálkově seřizovat včetně změn na letní a zimní čas. Dosah vysílaného signálu je spolehlivě v okruhu 1500 km od vysílače, tj. Frankfurtu n/M. Provoz hodin a vysílacího systému je hrazen ze státního rozpočtu SRN, příjem signálů je pro ČR a SR bezplatný. Tím mohou všechny Vaše nástěnné, náramkové, počítačové, věžní aj. hodiny jít trvale správně a shodně, pokud mají zabudován přijímač DCF'77, resp. pokud je k PC nebo serveru připojen tzv. RPC-DCF modul. Ten navíc dovede v PC zobrazit všechny požadavky z hlediska Y2K, tj. opravit případný chybný 52

VUT BRNO, FSI-EÚ


výstup systémem vykazovaného dosavadního i nového letopočtu na správný čtyřmístný údaj o tisíciletí.

Obr. 3.30 Přijímač a ovladač času DCF´77 Ovladačem času DCF´77 rozumíme zařízení, zabezpečující průběžné synchronizování systémových hodin v našem počítači s atomovými hodinami PTB v Braunschweigu a to prostřednictvím časového radiosignálu 77,5kHz. Ovladač času pro počítač sestává z: • •

hardwaru, tj. vlastního modulu RPC (Radio Precision Clock) včetně integrovaného přijímače s anténou, LED indikátorem aktuálního příjmu signálu a přívodního kabelu 180 cm se zástrčkou RS232 9pin, příslušného software podle druhu operačního systému, pod kterým chceme instalaci provádět. 3.9.2. Dálková komunikace s měřícím systémem

GSM síť Současný dynamický rozvoj GSM sítě a také telefonních přístrojů, které se nejen stále více zmenšují, ale především, k odivu nás všech, umožňují stále širší využití. Již neslouží pouze k telefonování, ale mohou se stát například jakýmsi dálkovým ovládáním, které samozřejmě ve spojení s počítačem umožňuje řídit nejrozličnější operace každodenního života. Této technologie lze využít např. k přenosu naměřených dat, k regulačním zásahům, k hlášení případných poruch na měřícím nebo výkonovém zařízení a jejich případné odstranění, nebo v případě nutnosti vyřazení zařízení z provozu apod. Aby toto všechno fungovat je nutné, aby telefonní přístroj byl vybaven funkcí fax/datového přenosu, která se v současné době již stala samozřejmostí. Pomocí této funkce je možné odesílat i přijímat fax, přenášet všechny druhy počítačových dat a také používat databázové aplikace přes mobilní síť tj. připojení sítě INTERNET apod. Komunikaci mezi mobilním telefonem a počítačem lze realizovat pomocí AT příkazů přes IR (infračervený) port nebo připojením přes sériový kabel (RS-232 9-pin). Toto vybavení je dnes běžně k dostání. Jistou nevýhodou stále zůstává fakt, že ceny nejen za tyto služby, ale i technické vybavení jsou stále vysoké, což brání širšímu využití. Použitelnost této technologie se tedy omezuje pouze na zasílání krátkých textových zpráv o stavu měření nebo případných poruchách na straně měřícího systému a na případné zasílání krátkých textových zpráv z mobilního telefonu k jejich odstranění. 53

VUT BRNO, FSI-EÚ


Pevná síť Pevná síť je pro dálkový přenos dat a ovládání měřícího systému přijatelnější variantou. Nejen díky nižším cenám, ale také vyšším přenosovým rychlostem. Nevýhodou muže být pouze to, že jsme vázáni na jedno místo. Pro dálkovou komunikaci se vzdáleným systémem je na trhu řada softwaru, který umožňuje nejen stahování naměřených dat, ale i správu celého systému (samozřejmě je nutné znát příslušné přístupové kódy). V současné době u nás přichází na trh nová komunikační technologie ISDN, která umožňuje připojení na Internet garantovanou rychlostí 64 kb/s a v blízké budoucnosti slibuje dvojnásobné zvýšení rychlosti na 128 kb/s. Výhodou linky ISDN je možnost na jedné lince provozovat dvě nezávislé činnosti (např. surfovat a telefonovat současně). To vše umožňuje kvalitnější a rychlejší správu vzdáleného měřícího systému. 3.9.3. Záložní zdroje elektrické energie Proč nezávislý zdroj energie? Za tři měsíce mají data uložená na počítači obvykle vyšší hodnotu než vlastní počítač. Na síťovém serveru souborů může hodnota těchto dat přesáhnout hodnotu počítače za několik dní. Když dojde k výpadku vaší sítě, rozpracovaná práce okamžitě zmizí. Svá data a produktivitu své pracovní skupiny lze nejlépe ochránit pomocí záložních jednotek elektrické energie. Např. jednotky Smart-UPS společnosti APC. Funkce UPS UPS, z anglické zkratky Uninterruptible Power Supply (zdroje nepřetržitého napájení), jsou zařízení jejichž funkcí je zpravidla krátkodobá dodávka energie (minuty až hodiny) v případě nestability vstupního napětí či úplném výpadku sítě. Úlohou UPS je chránit data a citlivá zařízení před poškozením vlivem nepředvídaných událostí na síti, jako jsou šumy, rázy, napěťové špičky, poklesy napětí nebo úplné výpadky. Dojde-li k výpadku elektrické energie, záložní zdroj dodává spotřebiči energii ze svých akumulátorů. Vzhledem k ceně elektronických zařízení a přenášených dat jsou UPS nezbytným vybavením všech informačních systémů. Záložní zdroje však pracují také na místech, kde výpadek elektrické energie může znamenat ohrožení zdraví a života, nebo značné materiální ztráty. Takovými oblastmi jsou např. zdravotnictví, doprava, ozbrojené sbory, zabezpečovací a měřící technika. Princip činnosti Záložní zdroje nepřetržitého napájení jsou v zásadě rozděleny do dvou skupin a to podle technologie, kterou využívají: - UPS kategorie on-line napájí spotřebič prostřednictvím měniče trvale z akumulátorů, které jsou současně dobíjeny ze sítě. UPS provádí stabilizaci a filtraci napětí. 54

VUT BRNO, FSI-EÚ


V případě výpadku či poklesu napětí dodávají akumulátory energii bez jakéhokoliv přerušení.

Obr. 3.31 On-line uspořádání UPS pří dodávce elektrické energie ze sítě. Výhody: • • •

možnost bezproblémového napájení ze slabých a nestálých zdrojů elektrického napětí velmi spolehlivá dodávka energie vyrovnané napětí pro aplikaci Nevýhody:

• •

průměrná účinnost ve své podstatě drahá technologie

Obr. 3.32 Line-interaktivní uspořádání UPS pří dodávce elektrické energie ze sítě. V průběhu bezporuchové dodávky elektrické energie je dobíjena baterie a připojené zařízení je napájeno přímo ze sítě. V případě výpku dodávky elektrické energie ze sítě dojde k přepnutí přepínače (switch) a zařízení je napájeno ze záložní baterie.

55

VUT BRNO, FSI-EÚ


Výhody: • • • •

spolehlivá dodávka energie vyrovnané napětí pro aplikaci levnější než on-line vysoká výkonnost Nevýhody:

• •

nemůže pracovat ze slabých nebo nestálých zdrojů neobsahuje frekvenční stabilizaci

- UPS kategorie off-line přepíná v případě výpadku energie ze sítě přepíná pomocí relé odběr na záložní měnič napájený z akumulátorů. Dochází tedy ke krátkodobému (zhruba 4ms) výpadku.

Obr. 3.33 Off-line uspořádání UPS pří dodávce elektrické energie ze sítě. Výhody: • •

v podstatě levná technologie spolehlivá dodávka energie Nevýhody:

• •

nemůže pracovat ze slabých a nestálých zdrojů dodávaná energie není filtrovaná

56

VUT BRNO, FSI-EÚ


Záložní zdroje SMART-UPS společnosti APC

Obr. 3.34. Záložní zdroje SMART-UPS společnosti APC Smart-UPS chrání data pomocí zálohovací baterie pro síť pro případ výpadku napájení. Pomocí softwaru PowerChute plus, zdroj nepřerušitelného napájení (UPS) bezpečně uloží data a uzavře operační systém před tím než se baterie plně vybije. Potlačení rázů a filtrování šumů Hardware je chráněn a životnost systému prodloužena pomocí konstantního několikastupňového systému pro potlačení rázů v síti a filtrování šumů. Inteligentní správa baterií CellGuard jejich životnost prodlužuje Software PowerChute plus zajišťuje rozsáhlé řízení napájení a diagnostiku UPS. Uživatelem vyměnitelný systém baterií QuickSwap umožňuje vyměnit na místě baterie při spuštěném systému. Line-interaktivní design zajišťuje vynikající výkonnost a spolehlivost Moderní line-interaktivní design používá během normálního chodu “reverzně” měnič stejnosměrného proudu na střídavý proud, čímž zajišťuje lepší výkonnost, filtrování a efektivnost. Menší počet méně namáhaných komponent zajišťuje větší spolehlivost než neefektivní online jednotky UPS s dvojitou konverzí. Line-interaktivní topologie je efektivní přibližně z 98%, což zajišťuje velmi vysokou spolehlivost. Většina systémů online má naopak efektivnost přibližně 70%, což znamená o 30% větší náklady na cyklus životnosti. Navíc přebytečná energie z on-line UPS se převede na teplo, které poškozuje baterie a snižuje spolehlivost. Port rozhraní sítě zajišťuje automatické bezpečné uzavření systému Po instalaci je systém Smart-UPS APC připojen k síti přes rozhraní sériového portu, aby mohl provést automatické uzavření. K výpadkům napájení může dojít v noci, o víkendech nebo v době, kdy je správce systému mimo budovu, z tohoto důvodu je 57

VUT BRNO, FSI-EÚ


bezpečné automatické uzavření systému zásadně důležité. Komunikační port Smart-UPS umožňuje bezpečné uzavření v kombinaci s většinou populárních operačních systémů Microsoft, Novell, IBM, Banyan, UNIX a dalšími systémy. Pomocí softwaru APC PowerChute plus můžete řídit napájení UPS a diagnostikovat problémy s napájením. Diagnostika Varování o potřebě výměny baterie snižuje prostoje. Systém Smart-UPS společnosti APC automaticky provádí autotest každé dva týdny. Tím je zajištěno, že budeme upozorněni o docházejících bateriích před jejich vybitím. Tento autotest můžeme provést kdykoli prostřednictvím softwaru nebo stisknutím tlačítka. Měřič zatížení a voltmetr zajišťuje vaši kontrolu Měřič zatížení vám zabrání v překročení kapacity UPS. Voltmetr ukazuje napětí v síti a kapacitu baterie, aby bylo zřejmé, kolik času zbývá před vybitím baterií. Při snížení náboje baterií zazní varovný signál, v dostatečném předstihu aby bylo možno uložit data a uzavřít systém.

58

VUT BRNO, FSI-EÚ


4. POPIS PROGRAMU – VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE V této části budou zběžně vysvětleny základní části z niž sestává virtuální měřící přístroj v Eko-domě. 4.1. Čelní panel Grafické rozhraní plní k uživateli tutéž úlohu jako čelní panel fyzického měřícího přístroje. Pro vytváření čelního panelu je v prostředí LabVIEW k dispozici samostatné okno, ze kterého si uživatel vybírá požadované komponenty. Na čelním panelu se nacházejí dva typy objektů: • •

Ovládací (controls) - signalizují vstupní zařízení (v blokovém schématu jsou reprezentovány vstupními bloky) a slouží pro ovládání virtuálního přístroje – zprostředkovávají tedy vstup informací od uživatele do aplikace. Indikační (indicators) – signalizují výstupní zařízení ( v blokovém schématu jsou reprezentovány výstupními bloky) a slouží k indikaci stavu virtuálního přístroje a výstupu výsledků měření – zprostředkují tedy předávání informací k uživateli.

Příklad toho, jak může vypadat čelní panel virtuálního přístroje je předveden na aplikaci měřícího systému v Eko-domě VUES Podolí. Celkový pohled na čelní panel je uveden v příloze 7.4. Panely základního nastavení měřícího systému

Obr. 4.1 Panely základního nastavení virtuálního měřícího přístroje v Eko-domě VUES. OVLÁDACÍ PRVKY PANELŮ ZÁKLADNÍHO NASTAVENÍ Panely jsou umístěny v horní části čelního panelu měřícího virtuálního přístroje v barvách odpovídajících danému měřenému sektoru viz. obr. 4.1. Hodnoty v bílých polích těchto tří panelů (adresa, rozsah časové osy, interval odčítání , výběr cesty pro ukládání dat) jsou předdefinovány v základním programu, ale jejich hodnotu (řetězec) lze 59

VUT BRNO, FSI-EÚ


měnit v průběhu měření (změna se projeví až po uplynutí nastaveného „Intervalu odčítání“). Změnu hodnot lze provést pomocí polohovacího zařízení (myš) a klávesnice nebo jen pomocí polohovacího zařízení. Toto nastavení pak platí jen do doby zastavení (vypnutí) měření. Pokud je potřeba tyto hodnoty trvale změnit je nutný zásah do základního programu. Popis jednotlivých ovládacích polí •

• • •

Adresa - zde zadáváme adresu měřeného sektoru, respektive adresu ADAMu 4018, který přísluší danému měřenému sektoru. Tímto příkazem ( jedná se ve své podstatě o jeden ze sady AT příkazů pro ADAM série 4000) je vyvolávaná adresa nastavena v příslušném ADAMu již při prvotní instalaci měřícího systému. Možnost nastavení adresy je jednou ze základních funkcí modulů ADAM série 4000. Rozsah časové osy – standardně je osa x grafů průběhu teplot nastavena na viditelné pásmo 60-ti minut. Interval odčítání - časový interval, po jehož uplynutí dojde k načtení hodnot právě předaných ze senzorů AD592 do modulů ADAM 4018. Výběr cesty pro ukládání dat – cesta pro uložení dat je sestavena ze dvou částí a to z pevné cesty, která je nastavena v základním programu (program si vytvoří adresář DATA na pevném disku počítače tj. C:\DATA) a proměnné části, která se mění v závislosti na aktuálním datu (vytvoří se např. adresář 16_5_2001) a v závislosti na označení měřícího ADAMu ( vytvoří se např. soubor #01.xls). Konečná cesta má pak následující tvar: C:\DATA\16_5_2001\#01.xls.

INDIKAČNÍ PRVKY PANELU ZÁKLADNÍHO NASTAVENÍ Zbývající dvě šedá pole (chybová zpráva, přesné umístění dat) pouze indikují stav základního nastavení, nelze je tedy nijak měnit. Popis jednotlivých indikačních polí • •

Chybová zpráva - indikuje případné chyby vzniklé při komunikaci po sběrnici RS-232 tj. s převodníkem ADAM 4520. Přesné umístění dat - zobrazuje kam se naměřená data ukládají na pevném disku řídicího počítače.

Nastavení komunikačního portu Při spuštění měřícího programu je nejprve spuštěn panel pro nastavení komunikačního portu měřícího systému obr. 4.2). Na tomto panelu nastavujeme použitý komunikační port a jeho základní parametry, jako je: • •

Označení portu (ComPort): vybereme port ke kterému je připojen měřící systém např. COM1, COM2,… Přenosová rychlost dat (BaudRate): doporučuje se komunikační rychlost 9600 bit/s. 60

VUT BRNO, FSI-EÚ


Formát přenosu dat: • Parita (Parity): paritní bit je vynechán tj. nastavená hodnota „NONE“. • Počet datových bitů (DataBits): standardně nastaven 8 datových bitů. • Stop bit (StopBits): standardně nastaven 1 stop bit. • Typ přenosové sběrnice (TxMode): komunikace s ADAM 4520 je přes RS-232 (sériový port) • Adresa připojení portu k základní desce počítače (PortAdr): při standardním zapojení je hodnota 3F8

Obr. 4.2 Nastavení komunikačního portu Monitorovací panel měřícího systému Tento panel obsahuje pouze indikační pole a je umístěn ve středové části čelního panelu. Zobrazují se zde hodnoty právě odečtených teplot. Hodnoty jsou umístěny na fotografii skutečného objektu, přibližně v místech kde se nachází měřící senzory. Je zde také umístěn indikátor vnější teploty. Ten v současné době není z technických důvodů funkční. Hodnoty pro tento teploměr jsou v programu pro demonstraci generovány pomocí náhodných čísel. Grafy znázorňují průběh teplot v reálném čase. Barvy grafů opět odpovídají barvám hodnot v daném sektoru. Monitorovací panel je znázorněn na obr. 4.3.

Obr. 4.3 Monitorující panel virtuálního měřícího přístroje v Eko-domě VUES. 61

VUT BRNO, FSI-EÚ


4.2. Blokové schéma Blokové schéma je grafickým vyjádřením zdrojového kódu virtuálního přístroje. Konstruuje se propojováním jednotlivých bloků signálovými cestami. Bloky jsou tvořeny jednak koncovými bloky (zdrojovými a cílovými), které jsou na panel blokového schématu umísťovány automaticky při konstrukci čelního panelu a jednak uzlovými bloky, které reprezentují bloky zpracování signálu. Ty je možno vybírat z paletového menu Functions, reprezentujícího vlastně knihovnu funkcí. Příklad toho, jak může vypadat blokové schéma virtuálního přístroje, je předveden na aplikaci měřícího systému v Eko-domě VUES Podolí, celkový pohled na blokové schéma je uvedeno v příloze 7.5. Načítání dat Popis k obr. 4.4. Data jsou načítána z modulů přes sběrnici RS-232 jako řetězec znaků známé délky. Ten je následně rozdělen na části (5 částí po 7 znacích) příslušející daným teplotám. Takto získané nové řetězce (v podstatě to jsou čísla v nečíselném formátu) jsou převáděny na číselný formát. Tato číselná hodnota odpovídá velikosti napětí zjištěném pomocí měřícího modulu na odporu viz. odstavec „Zapojení modulu ADAM 4018 a senzoru AD592“ obr.3.29. Protože víme, že senzor AD592 dává na výstupu proud přímo úměrný absolutní teplotě, vypočteme pro toto napětí pomocí Ohmova zákona hodnotu elektrického proudu. Jak bylo již řečeno, hodnota proudu odpovídá absolutní teplotě. Po odečtení hodnoty 273,15 tedy získáme reálnou teplotu ve °C. Hodnota teploty je poslána pro zobrazení na čelním panelu přístroje ve formě čísel a grafu. Dále je také posílána k uložení na pevný disk řídicího počítače.

Obr. 4.4 Výřez z blokového schématu virtuálního přístroje – načítání dat. 62

VUT BRNO, FSI-EÚ


Ukládání dat Načtená data se ukládají do adresáře na pevném disku (C:\DATA). Protože nás zajímá teplotní průběh během dne, jsou data ukládána do dalšího podadresáře, který získává svůj název podle aktuálního datumu daného dne. Změní-li se tedy datum, vytvoří se nový adresář a do něj se ukládají teploty dalšího dne. Data se ukládají jako soubory Microsoft Excel pod názvem modulu, který je do řídícího počítače zaslal (např.#01.xls). V programu Microsoft Excel se data dále zpracovávají do grafů. Blokové schéma viz. obr.4.5.

Obr. 4.5 Výřez z blokového schématu virtuálního přístroje – ukládání dat. Změna pevně nastavených hodnot Program umožňuje dvojí způsob zadávání následujících hodnot - adresa, rozsah časové osy, interval odčítání, výběr cesty pro ukládání dat. Prvním z nich je základní nastavení uvedených hodnot přímo v programu, které nabíhá při každém spuštění. Druhým způsobem je změna těchto hodnot v průběhu měření. Jedná se však o nastavení dočasné, které mizí při ukončení programu nebo při nastavení jiných dočasných hodnot. Na obr. 4.6 je zobrazeno blokové schéma výše popsaného nastavení.

63

VUT BRNO, FSI-EÚ


Obr. 4.6 Výřez z blokového schématu virtuálního měřícího přístroje – změna pevně nastavených dat. Jedná se především o tyto hodnoty (na obr. 4.6 od shora dolů): • • • • •

Adresa požadovaného ADAMU 4018 – adresu je nutno měnit v závislosti na základním nastavení modulu. Rozsah časové osy: určuje jak velký časový úsek bude zobrazen v grafů průběhu teplot v „Monitorovacím panelu“. Čas se nastavuje v minutách. Standardně je nastavena hodnota 60 minut. Interval odčítání teplot: stanovuje interval, po jehož uplynutí bude načtena právě aktuální teplota. Tato hodnota je zadávána v sekundách a nastavena v základní verzi na 60 sekund. Hodnota odporu – je hodnota přesného odporu, který převání proud vystupující ze senzoru na napětí, které je načteno modulem. Pro senzor AD592AN je předepsán odpor 125 Ω. Výběr adresáře pro ukládání dat: v základním nastavení je vytvořen adresář DATA na pevném disku C:\. To lze změnit zadáním jiného názvu adresáře, případně i disku pro ukládání měřených dat.

Upozornění Všechna výše uvedená nastavení se provádějí pro každý z měřících modulů ADAM 4018 zvlášť. 64

VUT BRNO, FSI-EÚ


5. VÝSLEDKY MĚŘENÍ A ROZBOR CHYB 5.1. Výsledky měření Zpracování výsledků měření Výsledkem každého měření jsou informace o stavu či ději sledovaného objektu a to ve formě souboru naměřených hodnot zaznamenaných tabelárně v protokolu o měření, ve formě grafické (např. záznamy ze zapisovače), ve formě obrazů (např. výsledky měření z vizualizačních metod), nebo ve formě dat uložených v počítačových souborech. Výsledné hodnoty se pak uvádějí opět nejlépe pomocí tabulek, ale u měření závislých veličin je žádoucí uvést výsledky také graficky nebo pomocí rovnic. U složitějších měření se při jejich zpracování, obdobně jako u počítačových měření, s výhodou používají počítače, a to včetně řady komerčních programů pro zpracování měření. Při zpracování na počítači je celé vyhodnocování pojaté komplexněji, jelikož výstupem jsou tabulky naměřených hodnot, ze kterých lze přímo vykreslit požadované grafy. Zpracování měřených nezávislých veličin Výsledky měření mohou být zpracovány ve formě tabulek, v grafické podobě nebo pomocí rovnic. Zpracování výsledků měření ve formě tabulek Tento způsob zpracování výsledků měření je nejjednodušší a dává konkrétní informace o hodnotách výsledných veličin měření. Zpracování výsledků ve formě grafické Grafické zpracování výsledků měření závislých veličin je nejpřehlednější, a proto také nejobvyklejší formou zpracování dat. 5.2. Zpracování naměřených dat v Eko-domě VUES Jak již bylo řečeno, naměřená data jsou ukládána do souboru Microsoft Excel. Zde jsou zpracována do grafů. Protože se jedná o velké množství dat uložených ve stejném tvaru (1440 zaznamenaných řádků v 63 sloupcích denně) je vhodné k tomuto zpracování využít tzv. maker. Makra, nahráním určitého postupu zpracování dat (sledů příkazů zadávaných myší nebo klávesnicí), umožňují rychlé a snadné zpracování dat např. ve formě grafické. Jednou nahrané a uložené makro je možno spouštět opakovaně v různých souborech. Toto zpracování může být spouštěno přímo z prostředí LabVIEW. Je tedy možné, aby jej nastavil programátor přímo v měřícím programu. To pak umožňuje běžnému uživateli provádět zpracování dat pouhým stisknutím tlačítka na virtuálním měřícím přístroji.

65

VUT BRNO, FSI-EÚ


Nyní si uvedeme příklady průběhů teplot na vstupu a výstupu ze solárního vzduchového kolektoru v různých dnech při jiných intenzitách slunečního záření působících na plochu kolektoru. Grafu 1. ze dne 24.11.2000, zaznamenávající průběh teplot vzduchu na vstupu a výstupu ze solárního kolektoru, je typickým příkladem slunečného podzimního dne. Zatímco v nočních a časných ranních hodinách se teplota vzduchu v kolektoru pohybovala kolem hodnoty 10-ti °C zhruba v 11 hodin vzduch vystupující z kolektoru dosahuje svého denního maxima hodnoty 25,9 °C. K nárůstu teploty dochází zhruba okolo 8 hodiny, kdy intenzita slunečního záření na plochu kolektoru postupně narůstá, až do jejího maxima zhruba okolo 11. hodiny. V tomto okamžiku se rozdíl teplot vzduchu na vstupu a výstupu ze solárního kolektoru pohyboval okolo 10-ti °C. Po jedenácté hodině dopolední, za snižující se intenzity slunečního záření dochází k relativně pozvolnému poklesu teplot a před půlnocí dosahuje teplota na výstupu ze solárního kolektoru hodnoty okolo 13 °C. Náhlé poklesy teploty jsou způsobeny zastíněním slunce krátkou oblačností. Průběh teplot na vstupu a výstupu - solárního vzduchového kolektoru během dne 24.11.2000 30

25

Teplota [°C]

20

Vstupní teplota Výstupní teplota

15

10

5

0 0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

0:00

Čas [hod]

Oproti tomu průběh teplot ze dne 4.12.2000, znázorněný grafem 2., je opakem předchozího dne. Je zde zobrazen chladný den s velmi hustou oblačností. Výstupní teplota v době denního teplotního maxima se zvýšila pouze minimálně – jen o necelý 1°C. Rodíl teplot na výstupu a vstupu ze solárního kolektoru se v průběhu celého dne pohyboval okolo 2 °C. Tento teplotní rozdíl je pro systém vytápění neefektivní.

66

VUT BRNO, FSI-EÚ


Průběh vtupní a výstupní teploty - solarního vzduchového kolektoru dne 4.12.2000 16,00

14,00

12,00

Teplota [°C]

10,00 Vstupní teplota Výstupní teplota

8,00

6,00

4,00

2,00

0,00 0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:00

12:00

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

0:00

Čas [hod]

Graf 3. představuje den se střídavou oblačností. V okamžicích kdy je slunce zastíněno mraky dochází k náhlému poklesu teplot.

Průběh vstupní a výstupní teploty během dne 24.12.2000 16,00

14,00

12,00

Teplota [°C]

10,00

Vstupní teplota Výstupní teplota

8,00

6,00

4,00

2,00

0,00 0:00

2:00

4:00

6:00

8:00

10:00

12:00 Čas [hod]

67

14:00

16:00

18:00

20:00

22:00

0:00

VUT BRNO, FSI-EÚ


5.3. Rozbor chyb Chyby a nejistoty měření Při každém měření je potřeba počítat s tím, že naměřené údaje jsou zatíženy chybami. Patří k nim chyby čidel, chyby přístrojů, chyby převodníků signálů, chyby obsluhy, chyby zvolené metody, chyby umístění čidel, chyby způsobené okolním prostředím, chyby zpracování naměřených dat apod. Z pohledu matematické definice chyby rozlišujeme chyby absolutní a relativní. Absolutní chyba se nazývá odchylka ε naměřené hodnoty y od předpokládané správné hodnoty y* a je dána vztahem: ε = y – y*. Rozměr absolutní chyby je stejný jako rozměr měřené hodnoty. Správnou hodnotu měření nelze vlastně nikdy určit, a proto jí nahrazujeme nejpravděpodobnější hodnotou (konvenčně pravou hodnotou), určenou např. u měření nezávislých veličin jako střední hodnotu (aritmetický průměr). Relativní chyba je bezrozměrná, a často se uvádí v procentech, a lze jí definovat poměrem: ε y* Z hlediska možnosti odstranění chyb můžeme dělit chyby na hrubé, symetrické a nahodilé. Hrubé chyby jsou způsobené omyly nebo nepozorností obsluhy, neznalostí metod měření, nebo poškozením měřícího zařízení. Tyto chyby se vyznačují především tím, že se vymykají trendu ostatních naměřených hodnot, a proto je můžeme obvykle snadno identifikovat a z dalšího statistického zpracování vyloučit. Systematické chyby mohou být způsobeny nevhodně zvolenou měřící metodou, chybnou měřící aparaturou, neznalostí nebo nedostatečnými schopnostmi obsluhy apod. Tyto chyby lze identifikovat porovnáním naměřených hodnot s výsledky měření jinou metodou, odhalením chování měřícího zařízení (cejchováním přístroje, rozborem principu práce přístroje – statických a dynamických charakteristik, digitalizace, volbou vzorkovací frekvence apod.), nebo rozborem zvolené metody měření či přístupu obsluhy k měření. Po odhalení lze systematické chyby korigovat. Korekční hodnoty se přičítají k nekorigovaným výsledným hodnotám měření, čímž se systematické chyby kompenzují. Nahodilé chyby vznikají především nekontrolovatelným působením celé řady vlivů. Těmto chybám nelze obvykle vzhledem k jejich charakteru čelit, ani je nelze korigovat. Někdy však po rozboru měření lze nalézt zdroj těchto chyb (nahodilé vlivy okolí, nekvalitní příprava na průběh měření) a jejich vliv minimalizovat. Výsledky měření budou proto po vyloučení hrubých chyb a po korigování systematických chyb stále zatíženy jistými nahodilými chybami.

68

VUT BRNO, FSI-EÚ


5.3.1. Přímá měření Nahodilé chyby přímých měření nezávislých veličin se snažíme vyjádřit pomocí zákonů matematické statistiky. Lze očekávat, že naměřená hodnota bude ležet v intervalu α až β možných hodnot y (obecně by mohla hodnota y ležet v intervalu − ∞ až + ∞ ). Pravděpodobnost P výsledku hodnoty y v intervalu α až β je dána vztahem β

P = ∫ p ( y )dy, α

kde p ( y ) je hustota pravděpodobnosti, kterou lze vyjádřit normálním zákonem rozložení − ( y − y *) 1 exp . 2σ 2 σ 2π 2

p( y) =

kde σ je výběrová směrodatná odchylka a σ 2 je rozptyl možných hodnot y kolem nejpravděpodobnější hodnoty y * . 5.3.2. Nepřímá měření Odchylky či nejistoty nepřímých měření nezávislých veličin jsou funkcí odchylek či nejistot jednotlivých veličin, ze kterých se výsledná veličina počítá. Je-li výsledná veličina y funkcí veličin a, b, c…, y = f (a, b, c...), lze z teorie chyb určit směrodatnou odchylku (nejistotu) veličiny y ve tvaru 2

2

2

  ∂f   ∂f   ∂f σ y =  σ a  +  σ b  +  σ c  + ......,  ∂a   ∂b   ∂c  kde σ a ,σ b ,σ c ... jsou směrodatné odchylky veličin a, b, c... mohou být jednak námi naměřené veličiny, ale mohou se zde vyskytnout i hodnoty převzaté z literatury (konstanty a fyzikální vlastnosti látek z tabulek, z převzatých rovnic apod.), u kterých je rovněž nutné znát jejich reálné odchylky či nejistoty. 5.4. Výpočet chyby měřícího systému pro Eko-dům VUES Podolí Jedná se o nepřímé měření hodnot a tedy celková odchylka měření je funkcí odchylek jednotlivých veličin: • • •

Chyba 16-ti bitového číslicového převodníku je oproti ostatním chybám velice malá a proto jí v následujícím výpočtu nebudeme uvažovat. Max. chyba senzoru AD592 pro rozsah teplot 0 až 70 °C je podle výrobce 3 °C. Chyba vzniklá zaokrouhlením naměřených hodnot na dvě desetinná místa je 0,005 při měřeném rozsahu ± 50mV .

69

VUT BRNO, FSI-EÚ


Výpočet celkové chyby měření:

2

2

 3   0,005  δ =   +  = 0,04286  70   50  Celková chyba měření tedy je 4,286 %. Největší vliv na celkovou chybu má především analogový senzor AD592AN. Pro snížení nepřesnosti měření by bylo vhodné použít senzor této řady s vyšší třídou přesnosti, např. AD592BN nebo lépe AD592CN, který má maximální chybu udávanou výrobcem v rozsahu teplot 0 až 70 °C 0,8 °C. Další podrobnosti týkající se senzorů AD592 jsou uvedeny v příloze 7.3.

70

VUT BRNO, FSI-EÚ


6. ZÁVĚR V současné době umožňuje měřící systém instalovaný Eko-domě VUES v Podolí, měření teplotního rozložení po výšce solární vzduchového kolektoru na třech sektorech. Měření vstupní a výstupní teploty je instalováno ve všech šesti sektorech solárního kolektoru. K měření teplot vzduchu je tedy použito 27 analogových polovodičových senzorů AD592AN. Signál s těchto čidel je sveden k analogově-číslicovým převodníkům ADAM 4018. Celý měřící systém složený z distribuovaných měřících modulů a měřícího počítače, spolu s původním software naprogramovaným ve vývojovém prostředí LabVIEW bude sloužit ke komplexní optimalizaci pasivních solárních systémů. Naměřená data budou sloužit k nastavování a regulaci, vlastního vytápění v Eko-domě, ale zejména budou sloužit pro získaní zkušeností, pro návrh a provozování podobných solárních systémů v běžných obytných budovách. Měřící systém by bylo vhodné doplnit o některá další měřící místa, jako je teplota venkovního vzduchu, nebo intenzita slunečního záření. Teplota venkovního vzduchu je v současném programu virtuálního měřícího přístroje generována pomocí generátoru náhodných čísel. K měření intenzity slunečního záření je vhodné použít pyranometr, který je možno připojit k měřícímu systému tak, aby bylo možno porovnávat hodnoty intenzity slunečního záření s naměřenými teplotami v solárním vzduchovém kolektoru přímo na monitoru virtuálního měřícího přístroje. Dále pak pro regulaci ventilátoru, odvádějícího ohřátý vzduch z kolektoru, bude nutno systém doplnit o reléový výstupní modul ADAM 4060, který je schopen ovládat až 4 relé. Přesnost měření, jak již bylo zmíněno je možné zvýšit použitím přesnějších senzorů, např. senzoru AD592CN nebo výběrem a kalibrací stávajících. Naměřená data prezentovaná v kap. 5 ukazují, že zvolená čidla, měřící moduly a software plně vyhovují a lze je doporučit pro dlouhodobá měření techniky prostředí v budovách. Uvedený měřící systém byl uveden do provozu v listopadu roku 2000 a měří až doposud bez závad.

71

VUT BRNO, FSI-EÚ


7. SOUHRN Ve své diplomové práci jsem se zaměřil na návrh měřícího systému pro rodinný dům využívající ekologické prvky vytápění. Uvedený měřící systém obsahuje soustavu čidel, měřících modulů a výpočetní techniky s doplňujícími prvky, jako jsou záložní zdroje elektrické energie a možnosti dálkové komunikace s měřícím systémem pomocí mobilního telefonu GSM nebo celosvětové komunikační sítě Internet. Součástí této práce je také program vypracovaný v prostředí LabVIEW, který umožňuje potřebná měření nejen provádět, ale také získaná data ukládat a vyhodnocovat tak, aby naměřené hodnoty mohly být použity pro optimalizaci nákladů na energetický provoz domu.

72

VUT BRNO, FSI-EÚ


8. PŘÍLOHY 8.1. Základní parametry sériových přenosových kanálů

8.2. AT příkazy modulů ADAM série 4000 #AA: čti analogový vstup dat $AA0: nastav kalibraci zesílení $AA1: nastav kalibraci posuvu $AA2: čti konfiguraci @AADI: čti alarm/digitální výstup @AADO: nastav digitální výstup @AAHI: nastav horní limit alarmu @AALO: nastav spodní limit alarmu @AAEAT: zapni hlídaní alarmů @AARE: čti hodnotu čítače

73

VUT BRNO, FSI-EÚ


8.3. Technické parametry senzorů AD592

8.4. Čelní panel virtuálního měřícího přístroje pro Eko-dům VUES Tato příloha je vložena a připevněna na vnitřní straně zadních desek této diplomové práce. 8.5. Blokové schéma virtuálního měřícího přístroje pro Eko-dům VUES Tato příloha je vložena a připevněna na vnitřní straně zadních desek této diplomové práce. 8.6. CD s textem této diplomové práce a programem virtuálního měřícího přístroje. Tato příloha je vložena a připevněna na vnitřní straně zadních desek této diplomové práce.

74

VUT BRNO, FSI-EÚ


9. SEZMAM ODBORNÉ LITERATURY [1] Cihelka,J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace. SNTL Praha 1985. [2] Cihelka,J.: Solární tepelná technika. T. Malina, Praha 1994. [3] Firemní literatura firem ADVANTECH a National Instrument [4] Haasz,V.-Roztočil,J.-Novák,J.: Číslicové měřící systémy.ČVUT, Praha 2000. [5] Humm,O.: Nízkoenergické domy. Grada Pudlishing, spol. s r.o., Praha 1999. [6] Pavelek,M.-Štětina,J.: Experimentální metody v technice prostředí. VUT Brno 1997. [7] Technická dokumentace VUES Brno k Ekodomu v Podolí.

75

DIPLOMOVÁ PRÁCE MĚŘÍCÍ SYSTÉM PRO DŮM S EKOLOGICKÝMI PRVKY

Recommend Documents