MĚŘENÍ TLAKU S PODPOROU POČÍTAČE PRESSURE MEASUREMENT WITH COMPUTER SUPPORT
BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS
AUTOR PRÁCE
JAKUB DROBÍLEK
AUTHOR
VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR
BRNO 2007
ING. FRANTIŠEK VDOLEČEK, CSc.
Strana 3
ZADÁNÍ ZÁVĚREČNÉ PRÁCE (na místo tohoto listu vložte originál a nebo kopii zadání Vaší práce)
Strana 5
LICENČNÍ SMLOUVA (na místo tohoto listu vložte vyplněný a podepsaný list formuláře licenční ujednání)
Strana 7
ABSTRAKT V bakalářské práci je řešena problematika měření tlaku s podporou počítače. Cílem práce je návrh a realizace jednoduché laboratorní úlohy, která využívá podporu výpočetní techniky. Návrh a sestavení úlohy je omezeno dispozicemi laboratoře. Výsledek je kompletní protokol měření.
ABSTRACT The bachelor’s work is solving a questions of measuring a pressure supported by a computer. The objective is a project and realization of a simple laboratory task, which is supported by information technology. The project and assembly of the task is limited with a disposition of a laboratory. The result is a complete Report of Measuring.
Strana 9
PODĚKOVÁNÍ Touto cestou bych rád poděkoval Ing. Danielu Zuthovi a Ing. Františku Vdolečkovi, CSc. za odbornou pomoc.
Strana 11
OBSAH:
1 2 2.1 2.2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4.1 4.2 4.3 4.4
Zadání závěrečné práce Licenční smlouva Abstrakt Poděkování Obsah Úvod Metrologický systém Mezinárodní metrologické organizace Metrologický systém v ČR Měřící přístroje a jejich vlastnosti Statické vlastnosti Dynamické vlastnosti Informační vlastnosti Ostatní vlastnosti Měření tlaku Základní pojmy a jednotky tlaku Tlakoměrné přístroje Pístové tlakoměry Kapalinové tlakoměry
4.4.1 Kapalinové manometry 4.4.2 Kapalinové barometry 4.4.3 Kapalinové vakuometry
4.5 4.5.1 4.5.2 4.5.3 4.5.4
4.6
4.7.1 4.7.2
27 28 28
Deformační tlakoměry
28
Trubicové manometry Membránové tlakoměry Krabicové tlakoměry Vlnovcové tlakoměry
29 29 30 30
Elektromechanické tlakoměry
4.6.1 Snímače s odporovými tenzometry 4.6.2 Piezoelektrické snímače 4.6.3 Kapacitní snímače tlaku 4.6.4 Rezonanční snímače tlaku 4.6.5 Optické snímače
4.7
3 5 7 9 11 13 15 15 15 17 18 20 21 22 23 23 24 25 27
31 31 33 35 36 37
Elektrické tlakoměry
38
Odporové tlakoměry Elektrické vakuometry
38 38
4.8 Zabudování a ochrana tlakoměrů 5 Měřící karty 5.1 Rozdělení
39 41 41
Strana 12
5.2 6 6.1 6.2 7 7.1 7.2 7.3 7.4 8 8.1 9
Hlavní části Měřící a regulační software LabVIEW Control Web Návrh a řešení laboratorní úlohy Pístový tlakoměr Měřící karta Adventech PCL – 818L Svorkovnice PCLD – 8115 Tvorba laboratorní úlohy v Control Webu 5 Metodika práce s laboratorní úlohou Instrukce pro měření Závěr Seznam použité literatury Příloha – Protokol měření
41 47 48 48 51 51 52 54 54 61 61 63 65 67
Strana 13
1
ÚVOD
Protože v dnešní době je kladen stále větší důraz na kvalitu automatických zařízení, je důležité vymýšlet stále nové metody jak zlepšovat práci automatických linek, aby byly schopny vyrábět rychle, ale hlavně bez poruchovosti. Rychlý rozvoj nových technologií s sebou přináší stále větší požadavky na měření a následně řízení výrobních procesů. Dlouhodobým vývojem vznikla postupně se ustálila řada základních principů využívaných v současnosti. Přesnost a kvalita měření má velký vliv na finální produkt. Díky bouřlivému rozvoji elektroniky je v současné době možné průmyslově využívat měřící principy v průmyslové praxi. Druhým významným a rozhodujícím aspektem je bezpečnost a spolehlivost měření a celých použitých aplikací, zejména v prostředí s nebezpečím výbuchu. V dnešní době je kladem také velký důraz na bezpečnost a proto měření a regulace je důležitou částí práce v nebezpečném prostředí. Kvalitními měřícími přístroji lze předem zjistit změny a chyby jak mechanického rázu, tak např. změny tlaku v prostředí, v technických systémech, ovzduší apod. Postupně jsou zlepšovány parametry všech typů měření a tím se rozšiřují oblasti jejich použití. Vznikají nové obory, které by nemohly fungovat bez kvalitní měřící techniky s pomocí počítače.
Strana 15
2
METROLOGICKÝ SYSTÉM
Počátky měření sahají hluboko do minulosti lidstva a stalo se neoddělitelnou součástí života. Měření a měřící metody se rozvíjely společně s rozvojem člověka a celé společnosti. Ještě ve středověku byly měrové soustavy nejednotné, postupem času se však začaly pomalu sjednocovat, což vyvrcholilo podpisem Metrické konvence 20. května 1875 v Paříži. Tento významný dokument podepsalo 18 zakládajících států; dnes již má Metrická konvence 48 členských států, včetně České republiky. Měřením se zabývá vědní obor zvaný metrologie, jenž zkoumá např. veličiny a jejich jednotky (etalony), metody měření, měřidla apod.
2.1
Mezinárodní metrologické organizace
Metrologie je řízena mezinárodními organizacemi, které se starají o jednotnost měření, pečují o jednotky a etalony i o měřidla, která se využívají v praxi. Mezi základní organizace se řadí: - Metrická konvence, která byla založena 20. května 1875 v Paříži. Československo bylo jejím členem od roku 1922, Česká republika od roku 1993. Součástí konvence jsou: - Mezinárodní úřad pro váhy a míry (BIPM) - Generální konference vah a měr (CGPM) - Mezinárodní výbor pro váhy a míry (CIPM) - Poradní výbory (CCx) - Mezinárodní organizace pro legální metrologii se zabývá legislativní stránkou metrologie. - EUROMET se zabývá řešením vědeckých úkolů spojených s metrologií. - COOMET a WELMEC sdružují národní metrologické ústavy zemí střední a východní Evropy, resp. států EU. Mezi další metrologické organizace patří např. Mezinárodní organizace pro měření, Mezinárodní elektrotechnická komise, EUROLAB a další.
2.2
Metrologický systém v ČR
Národní metrologický systém je tvořen soustavou právních a technických předpisů vymezujících postavení orgánů státní správy a dalších subjektů a subjekty vyrábějícími, opravujícími a montujícími měřidla a uživateli měřidel. Systém je vytvořen nad komplexem technických prostředků a zařízení. Od roku 1996 je řízení v oblasti technické normalizace, metrologie a státního zkušebnictví v kompetenci Ministerstva průmyslu a obchodu. Toto ministerstvo řídí: - Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví – zabezpečuje jednotnost a správnost měřidel a měření, schvaluje metrologické předpisy, schvaluje a vyhlašuje státní etalony, kontroluje činnost orgánů státní metrologie atd.
Strana 16
- Český metrologický institut – zabezpečuje českou národní etalonáž jednotek a stupnic fyzikálních a technických veličin, vykonává státní metrologickou kontrolu měřidel, registruje výrobce a opravce měřidel, provádí výzkum v oblasti státní metrologie apod. - Český institut pro akreditaci – provádí akreditace zkušebních a kalibračních laboratoří, akreditace fyzických a právnických osob k certifikaci výrobků, akreditace středisek kalibrační služby. - Český normalizační institut – tvoří, vydává a distribuuje české technické normy, shromažďuje informace z oblasti technické normalizace. Součástí metrologického systému ČR jsou dále: státní metrologická střediska, střediska kalibrační služby, organizace autorizované pro úřední měření, výrobci a opravci měřidel, uživatelé měřidel.
Obr.1 Národní metrologický systém ČR
Strana 17
3
MĚŘÍCÍ PŘÍSTROJE A JEJICH VLASTNOSTI
Měření je zdrojem informací o stavu technologického zařízení a průběhu výrobního procesu nebo o bezpečnostních parametrech procesu. Pod pojmem měřící přístroje rozumíme zařízení sloužící k určení hodnoty měřené veličiny. Přístroje většinou tvoří soustava prvků vytvářející složitější měřící systém nazývající se též řetězec. Prvky v řetězci bývají uspořádány podle paralelního či zpětnovazebního schématu nebo jejich kombinací.
Měřený objekt
Snímač
Filtr
Zesilovač
Předzesilovač
Převodník
Vysílač
Zesilovač
Přijímač
Převodník
Zobrazovací a Záznamové zařízení
Obr.2 Schéma měřícího řetězce Měřící přístroje lze dělit podle: - principu (elektrické, mechanické, pneumatické, optické atd.) - použité metody (výchylkové, kompenzační, integrační) - funkce (indikační, registrační, řídící, ovládací, hlásící) - signálu (spojité, diskrétní) Důležitější než uspořádání a rozdělení měřících přístrojů jsou pro samostatné měření jejich vlastnosti. Z vlastností měřících přístrojů se zabýváme metrologickými vlastnostmi, které přímo souvisí s procesem a výsledkem měření. Pro lepší orientaci se vlastnosti měřících přístrojů rozdělují do těchto skupin: - statické - dynamické - informační - ostatní.
Strana 18
3.1
Statické vlastnosti
Základním ukazatelem statických vlastností je statická charakteristika určující závislost mezi vstupní a výstupní měřenou veličinou za ustáleného stavu. Ukazatelem je matematické nebo grafické vyjádření závislosti výstupu na vstup. V teorii je pokládána za nejvíce vyhovující statická charakteristika lineární, avšak v praxi se jí lze jen velmi složitě přiblížit. y skutečná teoretická
x Obr.3 Statická charakteristika Obecně lze statickou charakteristiku určit jako výsledek rovnováhy sil, momentů nebo jiných veličin na měřícím systému, dokážeme-li ho matematicky popsat. Další způsoby zjišťování jsou experimentální, skládání přenosových funkcí podle sérioparalelní struktury. S ohledem na její znalost lze definovat statické vlastnosti, což jsou především tzv. vlastnosti základní funkční způsobilosti: - přesnost - citlivost - spolehlivost - životnost Přesnost je schopnost přístroje indikovat výsledky měření v pásmu přípustných chyb a v mnoha případech je definována třídou přesnosti, což je maximální přípustná chyba v celém měřícím rozsahu. Výsledek je zaokrouhlen na nejbližší vyšší číslo doporučené číselné řady. TP =
∆ max ⋅100 (%) M
(3.1)
M měřící rozsah ∆max maximální chyba v celém rozsahu V dnešní době je přesnost velmi často vyjádřena v podobě dvousložkové chyby jako součet základní přesnosti systému a funkce měřené hodnoty.
Strana 19
∆( x) dov = A + Bx A B
(3.2)
základní chyba (rozlišovací schopnost přístroje) funkce (součinitel závislosti chyby na měřené veličině x)
Citlivost je schopnost přístroje reagovat svým výstupem na změny vstupní veličiny a definuje se vztahem: C = lim
∆y dy = = y' ∆x dx
(3.3)
Za ideální pokládáme lineární charakteristiku, kdy je citlivost v celém rozsahu konstantní. U nelineárních systémů se citlivost v rozsahu mění. Roste nebo klesá a v celém rozsahu jsou tak oblasti, kde není vhodné přístroje používat z důvodu špatné citlivosti.
Spolehlivost a životnost patří mezi další základní statické vlastnosti. Základní parametry spolehlivosti jsou za obecného předpokladu platnosti exponenciálního rozdělení: - pravděpodobnost poruchy F (t ) = 1 − e − λt
(3.4)
- pravděpodobnost bezporuchového provozu R (t ) = 1 − F (t ) = e − λt
(3.5)
- hustota pravděpodobnosti poruch f (t ) =
dF (t ) = λ ⋅ e −λt dt
(3.6)
- střední doba bezporuchového provozu ∞
Ts = ∫ R(t )dt = 0
1
λ
(3.7)
- doba životnosti tz =
ln Rmin −λ
(3.8)
Strana 20
3.2
Dynamické vlastnosti
Dynamické vlastnosti měřících přístrojů se určují v přechodném stavu. Projevují se při měření, kdy hodnoty vstupních veličin se mění s časem (vstupní signál se ještě neustálil). Údaj přístroje nemusí odpovídat hodnotě vstupní veličiny z důvodu nevhodných dynamických vlastností měřícího přístroje. Rozdíl mezi údajem měřidla a konvenčně pravou hodnotou naměřené veličiny způsobený dynamickými vlastnostmi nazýváme dynamická chyba. Vlastnosti popisujeme lineárními diferenciálními rovnicemi a konstantními koeficienty. Grafickým zobrazením dynamických vlastností jsou dynamické charakteristiky: - přechodová charakteristika - odezva na skokovou změnu vstupní veličiny - odečítáme z ní zpoždění a velikost chyby před ustálením - popsána přechodovou funkcí
Obr.4 Přechodová charakteristika
- lineární (rychlostní) charakteristika - odezva na změnu vstupní veličiny měnící se konstantní rychlostí - popsána rychlostní funkcí - frekvenční charakteristika - popisuje chování při harmonické změně vstupní veličiny - informace o tlumení a fázovém posunu - popsána frekvenční přenosovou funkcí
Strana 21
Obr.5 Frekvenční charakteristika Základem dynamických charakteristik a vlastností je přechodová charakteristika. Získává se jako odezva systému na skokovou změnu. Obecné znění diferenciální rovnice: (3.9) an – a0 koeficienty diferenciální rovnice y vstupní veličina x výstupní veličina
3.3
Informační vlastnosti
Měřící přístroj slouží nejen k samotnému měření, ale zpravidla i k dopravě získané informace. Velmi často je určen k transformaci veličiny na měronosný signál, jenž se pak dopravuje k zobrazovací jednotce, do regulátoru apod. Proto je důležité znát, kolik informací nám poskytne a jakou přenosovou rychlostí.
Informační obsah (3.10) m
počet úrovní výstupního signálu
Podělením informačního obsahu časem přenosu informace dostaneme informační tok. Mnohem důležitější je však tzv. informační kapacita.
Strana 22
Informační kapacita - maximální velikost informace poskytovaná přístrojem
(3.11)
3.4
Ostatní vlastnosti
Mnohé vlastnosti se podílejí na celém komplexu dalších vlastností a parametrů, nebo s nimi bezprostředně souvisí. Nelze je jednoznačně zařadit do předchozích třech skupin. - Materiálové nároky - Cena - Energetické nároky - Ergonometrické vlastnosti - Další
Strana 23
4
MĚŘENÍ TLAKU
Tlak patří mezi nejčastěji měřené veličiny. Měření tlaku je používáno např. v oblasti automatizovaných systémů, dopravních prostředků, různých zařízení v domácnosti atd. Měření tlaku se stále rozvíjí, ale většina základních principů využívaných ve snímačích tlaku je neměnná. V současné době rozvoje počítačů a počítačových sítí nastává automatizace sběru dat a jejich vyhodnocování. Přechází se od analogové technologie k digitální s velkými výhodami s tím spojenými.
4.1
Základní pojmy a jednotky tlaku
Tlak je jednou ze základních fyzikálních vlastností. Podle normy STN ISO 31-3 se tlak definuje jako podíl síly a plošného obsahu. V technické praxi se nejčastěji měří tlak v tekutinách. Základní jednotkou tlaku podle SI je 1Pa, což je tlak síly 1N na plochu 1m2. 1Pa = 1N.m-2 = 1kg.m-1.s-2 V praxi se často setkáváme s násobky této jednotky kPa a MPa. Další jednotkou plně konzistentní s jednotkami SI je bar. 1bar = 100kPa Při udávání tlaku v barech se méně chybuje, protože bar je přibližně stejně velký jako atmosféra. 0,981bar = 1atm Atmosféra je jednotka známá a tradiční avšak neodpovídá soustavě SI. V běžné technické praxi definujeme tlak jako poměr elementární síly dF působící ve směru normály na element plochy dS. p = dF/dS
(Pa)
(4.1)
Vztah vyhovuje pro definici tlaku u plynů a kapalin. U tuhých těles používáme z důvodu hladkosti styčných ploch střední hodnotu tlaku nazývanou měrný tlak. Hydrostatický tlak se využívá u tekutin; je úměrný výšce hladiny. p = ρ.g.h
(Pa)
(4.2)
ρ hustota kapaliny (kg.m-3) g tíhové zrychlení (m.s-2) h výška hladiny od měřeného místa (m) V proudící tekutině rozlišujeme tlak kinematický pk , dynamický pd, statický p a celkový pc.
Strana 24
Kinematický tlak je funkce rychlosti proudění v a hustoty proudící kapaliny ρ pk = ½.ρ.v2 (Pa) (4.3) Dynamický tlak zahrnuje vliv stlačitelnosti tekutin. Součinitel stlačitelnosti s je pro nestlačitelné kapaliny roven 1 a pak pd = pk pd = pk.s (Pa) (4.4) Celkový tlak pc v proudící kapalině pc = ps + pd (4.5) Absolutní tlak je tlak měřený od absolutní tlakové nuly, tedy od vakua. Má vždy kladnou hodnotu. Přetlak a podtlak se měří od okamžitého barometrického tlaku pb (tlaku v okolní zemské atmosféře). Podtlak je tlak menší než barometrický. Přetlakem tedy rozumíme kladný rozdíl zjištěného tlaku a tlaku barometrického.
Obr.6 Pojmy z oblasti měření tlaku
4.2
Tlakoměrné přístroje
K měření tlaku lze používat jakéhokoliv fyzikálního děje, který je tlakem ovlivňován. Většinou se neměří přímo tlak, ale jeho silový účinek projevující se deformací pružného členu nebo v podobě mechanického napětí. Výjimku tvoří některé vakuometry. Přístroje pro měření tlaku se nazývají tlakoměry. Snímačem tlaku je označován tlakoměr pracující jako automatizační prvek (měřící člen). Skládají se obvykle z čidla reagujícího na příslušný fyzikální děj a indikátoru převádějícího chování čidla na děj pozorovatelný zrakem. Mezi čidlo a indikátor se někdy zařazuje převodový člen, který reakci čidla zesiluje, přenáší na dálku nebo transformuje. V technické praxi je velmi důležitá správná volba měřícího přístroje z hlediska velikosti měřeného tlaku. V praxi je potřeba měřit tlaky od 10-12 až do 1014. Celý rozsah nelze měřit jedním měřícím přístrojem. Tlakoměrné přístroje můžeme rozdělit: 1) podle jejich použití: - manometry – pro měření přetlaku - barometry – pro měření barometrického tlaku - vakuometry – pro měření podtlaku - mano-vakuometry – pro měření podtlaku i přetlaku
Strana 25
2) podle principu měření: - pístové - kapalinové - deformační - elektrické
Obr.7 Rozdělení tlakoměrů podle měřícího rozsahu
4.3
Pístové tlakoměry
Pístové tlakoměry pracují na principu přivádění tlaku na jednu stranu pístu a vykompenzování tohoto tlaku na straně druhé vnější silou (závaží nebo pružina). Podstatnou součástí je píst přesného průřezu umístěný ve válci. Tlak se na píst přenáší kapalinou nebo plynem, kterým je celý systém tlakoměru vyplněn. Rovnováhy sil se dosáhne v okamžiku nepohybujícího se pístu ve směru osy. Pro rovnovážný stav platí:
(4.6)
∆p mz mp g S k x
tlakový rozdíl hmotnost závaží hmotnost pístu tíhové zrychlení čelní plocha pístu tuhost pružiny stlačení pružiny
Strana 26
Obr.8 Princip pístového tlakoměru Přesnost pístových tlakoměrů je závislá na tuhosti a těsnosti pístu ve válci a na stanovení účinné čelní plochy pístu. Při vysokých tlacích používají vestavěné multiplikátory. Využívají se ve speciálních laboratořích jako etalony pro ověřování tlaku a kalibraci deformačních tlakoměrů. Přímé zatěžování závažími je vhodné jen pro nižší tlaky; vysoké tlaky zatěžujeme pákovým mechanismem nebo multiplikátorem. Pro vyšší tlaky lze těsnost pístu vyřešit rotací a tím i snížit tření pístu o válec.
Obr.9 Pístový tlakoměr Stilo
Strana 27
4.4
Kapalinové tlakoměry Pracují na principu účinků hydrostatického tlaku.
p=h.ρ.q p h ρ q
(4.7)
tlak výška kapaliny hustota kapaliny tíhové zrychlení
Nejdůležitější částí měřícího přístroje je tlakoměrná kapalina. Nejčastěji používanou tekutinou bývá rtuť, voda, líh, popř. vhodná organická kapalina, která splňuje vlastnosti kapilární aktivity. Pro snadnou viditelnost se kapaliny dobarvují. Trubice (kapiláry) se vyrábějí v maximální délce 1,5 m; tím je dán i měřicí rozsah (0,2 MPa pro rtuť, 15 kPa pro vodu). Přesnost čtení polohy hladiny kapaliny lze zajistit až na 0,05 mm. Kapilára bývá zhotovována ze skla, což omezuje použití pro velké tlaky.
4.4.1 Kapalinové manometry U-manometr Jeden z nejčastěji používaných. Tvoří ho skleněná trubice tvaru písmene U z poloviny naplněná tlakoměrnou kapalinou. Nádobkový manometr má jedno rameno rozšířené v nádobku. Poloha hladiny se odečítá v užším rameni.
Obr.10 Princip U-manometru a nádobkového manometru Mikromanometr vznikne sklopením měřící trubice nádobkového tlakoměru. Dosahuje lepší citlivosti a přesnosti, ale má malý rozsah. Dvounádobkový dvoukapalinový U-manometr Plovákový tlakoměr Prstencový manometr Zvonový manometr
Strana 28
Většina přístrojů je jednoduchá, spolehlivá a přesná. Je možno s nimi měřit nejen přetlak, ale i podtlak.
4.4.2
Kapalinové barometry Tvoří samostatnou skupinu měřidel tlaku. Gay-Lussacův barometr - nevýhoda dvojího odečítání - kapilární nepřesnost Fortinův barometr - jednoduché odečítání - kapilární nepřesnost Staniční barometr Barometr přesný dvoutrubicový - jednoduché odečítání - nekorigují se kapilární vlastnosti Jedinou použitelnou kapalinou barometrů je rtuť. Při měření je nutno dbát na potřebu korekce a přepočtu barometrického tlaku.
4.4.3 Kapalinové vakuometry Tvoří speciální skupinu tlakoměrných přístrojů. Bývají odvozené principiálně od tzv. kompresního vakuometru. Měří podtlaky na úrovni technického vakua.
Obr.11 Princip kompresního vakuometru
4.5
Deformační tlakoměry
Využívají k měření tlaku pružné deformace určitého prvku. Nejčastěji používané deformační prvky: Bourdonova trubice, membrána, krabice a vlnovec. Vyrábějí se z uhlíkových a niklových ocelí, mosazi, bronzu atd. Patří mezi nejrozšířenější v běžné technické praxi. Konstrukčně jsou jednoduché; dosahují přesnosti 0,5 až 2,5%. Lze s nimi měřit přetlak, podtlak i tlak barometrický. Často se deformační tlakoměry osazují převodníky deformace na elektrický signál. Nacházejí moderní uplatnění v automatizaci, dálkovém přenosu dat atd. (viz další kapitola).
Strana 29
Obr.12 Základní deformační prvky
4.5.1 Trubicové tlakoměry Využívají jako deformačního prvku Bourdonovy trubice, která má nejčastěji oválný nebo eliptický průřez stočený do kruhového oblouku o středovém úhlu 270°. Při působení tlaku se mění oválný průřez trubice na kruhový. Dochází k napřímení trubice. Volný konec je spojen přes mechanický převod s ukazatelem na stupnici nebo se výchylka převádí na elektrický signál (viz další kapitola). Trubicové tlakoměry se vyrábějí s různými průřezy trubice a zakřivením „C“, „U“, spirála či šroubovice. Měřící rozsah bývá od 0 až 0,5 MPa do 2GPa. Lze měřit i podtlak.
Obr.13 Trubicový manometr se spodním vývodem
4.5.2 Membránové tlakoměry Využívají jako deformačního prvku různé druhy membrán: - s vlastní tuhostí - kovové - bez vlastní tuhosti - pryžové Membrána je sevřena mezi dvěma přírubami. Z jedné se přivádí měřený tlak, který vyvolá průhyb membrány a ten se přenáší na ukazatel nebo převodníkem na elektrický signál. Závislost zdvihu na tlaku je přibližně lineární. Výhodou je větší citlivost než u trubicových tlakoměrů. Jsou určeny pro malé a střední tlaky do 4 MPa. Je nutné chránit membránu před protržením nebo proti jinému poškození. Ochranu lze realizovat ventilem, dosedacím lůžkem atd. Pro přenos průhybu je možno použít tenzometry (viz další kapitola).
Strana 30
Obr.14 Membránový manometr se spodním vývodem
4.5.3 Krabicové tlakoměry Krabicové tlakoměry tvoří dvě zvlněné membrány o průměru 50 až 100 mm. Měřený tlak bývá přiváděn dovnitř nebo vně krabice. Používají se pro měření malých přetlaků, podtlaků či rozdílů tlaku v rozsazích do 10 až 1000 Pa. Ke zvýšení citlivosti se spojuje více krabic v jeden celek. Pro měření atmosférického nebo absolutního tlaku se používají aneroidní tlakoměry. Základem je tlakoměrná krabice neprodyšně uzavřená s vysokým vakuem uvnitř. Měřený tlak působí na krabici zvnějšku.
Obr. 15 Krabicový tlakoměr
4.5.4 Vlnovcové tlakoměry Základním prvkem je tenkostěnný kovový měch zvaný vlnovec, který je umístěn v pouzdru s přivádějícím měřeným tlakem. Vlnovec je navrhnut rozměrově a tvarově tak, aby závislost mezi tlakem a posunutím dna byla lineární. Lepší deformační vlastnosti zajišťuje vložená pružina. Uplatnění nalezly vlnovcové tlakoměry v pneumatické regulační technice.
Obr.16 Princip vlnovkového tlakoměru
Strana 31
4.6
Elektromechanické tlakoměry (elektrické převodníky tlaku)
Jsou sem zařazeny snímače tlaku s elektrickým výstupem. Jedná se o moderní a perspektivní snímače vybavené vesměs moderními elektronickými vyhodnocovacími obvody. Snímače tlaku tvoří konstrukční celek jehož součástí je čidlo. Základem čidla je membrána, Bourdonova trubice atd. Deformace členu se převádí na elektrický signál bez mechanického pohybového ústrojí pomocí piezoelektrických, magnetických nebo indukčních senzorů na elektrický impuls odpovídající naměřené hodnotě tlaku.
Obr.17 Druhy převodových členů
4.6.1 Snímače s odporovými tenzometry Odporový tenzometr (senzor) využívá piezorestivního jevu. Při mechanickém namáhání v oblasti pružných deformací dochází u kovových vodičů nebo polovodičů ke změnám jejich elektrického odporu. Při takovém namáhání se zvětšuje délka drátu; při zachování objemu se zmenšuje průřez. Odpor vodiče roste. Tenzometr reaguje změnou odporu na mechanickou deformaci vyvolanou působící silou. Siloměrný prvek tvoří vetknutý nosník s nalepenými tenzometry. Povrchová vlákna jsou namáhána tahem i tlakem. Tenzometr A se natahuje, tenzometr B se smršťuje. Pro lepší citlivost měření, potlačení nelinearity a vlivů teploty se používají 4 tenzometry. Pro vyhodnocení se zapojují do Wheatstoneova můstku.
Obr.18 Princip a zapojení tenzometru
Strana 32
Kovové odporové tenzometry Vyrábějí se z odporových drátků průměru 0,02 až 0,05 mm, které se nalepují na tenký podklad z papíru nebo umělé hmoty. Pro lepší vlastnosti se dnes vyrábějí odleptáváním tenké odporové folie. (4.8) k – koeficient deformační citlivosti ε – rovnoměrná deformace R – odpor tenzometru
Obr.19 Kovové tenzometry Polovodičové tenzometry Zhotovují se řezáním, broušením či leptáním monokrystalu nebo planární technologií z křemíku. Mechanickým namáháním v krystalografické ose nebo difúzní vrstvě polovodiče dochází ke změně vodivosti.
(4.9)
Obr.20 Polovodičové tenzometry Snímače tlaku s difundovanými polovodičovými tenzometry Na povrchu křemíkové membrány vetknuté do válcového pouzdra jsou difúzní technologií vytvořeny polovodičové tenzometry. Membrána je pružným elementem pro snímání tlaku. Používá se k měření přetlaku, absolutního tlaku, podtlaku i tlakové diference v rozsahu 0 – 0,16 MPa nebo 0 – 3 MPa.
Strana 33
Obr.21 Princip snímače s křemíkovou membránou
4.6.2 Piezoelektrické snímače Jsou založeny na principu tzv. piezoelektrického jevu. Při mechanické deformaci některých krystalů dochází ke vzniku dielektrické polarizace, při které vzniká elektrický náboj. Mechanické rozkmitávání krystalu nastává přiložením střídavého elektrického pole. V praxi nejvyužívanější jsou SiO2 a BaTiO3. Piezoelektrický element se vytváří z výbrusu krystalu křemene v podobě vyřezané destičky. Piezoelektrický jev závisí na směru deformace vzhledem k osám krystalu (X – osa elektrická, Y – osa mechanická, Z – osa optická). Elektrický náboj se objevuje na plochách kolmých na osu elektrickou. Podélný piezoelektrický jev: Q = K p . Fx Q KP FX
(4.10)
velikost náboje piezoelektrický modul (C . N-1) síla působící ve směru osy X
Příčný piezoelektrický jev: (4.11) FY a,b
síla působící ve směru osy Y rozměry destičky
Strana 34
Obr.22 Podélný a příčný piezoelektrický jev Piezoelektrický snímač tlaku Krystalový výbrus je opatřen vodivými elektrodami. Snímač se chová jako generátor náboje při působení neelektrické veličiny. Představuje zdroj napětí s velkým vnitřním odporem. Náboj se převádí na napětí: (4.12) U – výstupní napětí snímače C – kapacita čidla včetně přívodů Mezi měřící přístroj a snímač se zařazuje zesilovač s velkým vstupním odporem. Piezoelektrické snímače mají velmi rychlou odezvu, malé rozměry. Používají se k měření tlaku, tlakové síly, zrychlení, výchylky a mechanického napětí.
Obr.23 Princip piezoelektrického snímače
Strana 35
4.6.3 Kapacitní snímače tlaku Základ tvoří dvou nebo několika elektrodový systém. Jedna elektroda kondenzátoru je pevná, druhou tvoří membrána, jejíž poloha se mění vlivem působení měřeného tlaku. Působením měřené neelektrické veličiny se mění parametry. Změnu kapacity lze způsobit změnou vzdálenosti elektrod kondenzátoru.
(4.13)
ε0 εr S d
permitivita vakua relativní permitivita plocha elektrod vzdálenost elektrod
Obr.24 Princip a charakteristika kapacitního snímače Diferenční kapacitní snímač tlaku Membrána tvoří střední pohyblivou elektrodu. Na izolantu, kterým je sklo, jsou umístěny pevné elektrody. Vnitřní prostor je vyplněn silikonovým olejem a od vnějšího prostředí ho izolují kovové oddělovací membrány. Na oddělovací membrány působí tlak, který se prostřednictvím kapalné náplně přenáší na měřící membránu. Použití pro měření tlakové diference o měřícím rozsahu 100 Pa až 40 MPa.
Obr.25 Diferenční kapacitní snímač
Strana 36
4.6.4 Rezonanční snímače tlaku Princip využívá závislosti rezonanční frekvence mechanického kmitání rezonančního elementu na jeho mechanickém napětí. Působením měřeného tlaku vzniká v rezonátoru deformace projevující se změnou rezonančního kmitočtu. Konstrukční provedení rezonátoru - s kmitající strunou, válcem nebo membránou - s kmitajícím krystalem - s povrchovými akustickými vlnami - s křemíkovým vibračním členem
Obr.26 Schéma činnosti rezonančního snímače K výhodám patří binární výstupní signál, vysoká přesnost, časová stálost, spolehlivost, odolnost vůči rušení. Do nevýhod lze zahrnout závislost na teplotě a náročnou výrobu.
Snímač tlaku s rezonující strunou
Obr.27 Princip snímače s rezonující strunou
Strana 37
Mikromechanický snímač tlaku Mikromechanický křemíkový rezonanční element je vytvořený litografickou technikou z monokrystalu křemíku. Rezonátor je rozkmitáván elektromechanickým měničem. Změna tlaku vyvolá změnu mechanického napětí v rezonančním elementu a tím i změnu frekvence vlastních kmitů rezonátoru.
Obr.28 Princip mikromechanického snímače
4.6.5 Optické snímače Využívají jiného typu nosiče než ostatní snímače tlaku. Jedná se o fotony. Nejčastěji využívají optických vláken nebo volného světelného svazku. K charakteristickým vlastnostem patří vysoká citlivost, linearita a odolnost vůči rušení. Hlavními nevýhodami jsou náročná konstrukce a cena. Optický vláknový snímač (OVS) Využívá mikroohybů v optickém vláknu vznikajících mezi hroty vlivem měřeného tlaku. Následkem změny polohy horní pohyblivé desky o hodnotu X dochází ke konverzi vyšších vidů v mnohavidovém optickém vláknu. Vstupní optický výkon se zmenší z P0 na hodnotu P1 za snímačem.
Obr.29 Optický vláknový snímač Reflexní optický vláknový snímač Vlivem měřeného tlaku na membránu dochází ke změně vzdálenosti mezi koncem optického vlákna a vnitřní stranou membrány s reflexní vrstvou. Nastává změna intenzity výstupního optického toku.
Strana 38
Obr.30 Princip uspořádání reflexního OVS
4.7
Elektrické tlakoměry
Měří se s nimi velké přetlaky a extrémní vakua. Využívají různých elektrických vlastností.
4.7.1 Odporové tlakoměry Pracují na principu změny průměru vodiče (odporu) vlivem vysokého tlaku. Zhotovují se ze silnostěnné nádoby. Ve vnitřku je uložena cívka z odporového drátu v olejové lázni. Stlačováním cívky se deformuje krystalická mřížka drátu, tím pádem roste vodivost a klesá elektrický odpor cívky.
Obr.31 Odporový tlakoměr 4.7.2 Elektrické vakuometry Penningův vakuometr Používá systém elektrod vložených do magnetického pole. Anoda se skládá z obdélníkového rámečku nacházejícího se kolmo k magnetickým siločarám. Tento rámeček je s deskami katod rovnoběžný. Vzniká kmitavý pohyb elektronů ve šroubovici. Vakuometr je velmi citlivý. Využívá se v rozmezí 10-1 až 10-6 Pa.
Strana 39
Obr.32 Princip Penningova vakuometru Ionizační vakuometr Do otevřené elektronky (triody) se přivádí měřené vakuum. V triodě dochází ke srážení elektronů s molekulami vzduchu. Tím se z molekul vyrážejí ionty a ionizovaná molekula je přitahována na mřížku triody. Mřížkový proud Ig je přímo úměrný počtu molekul zbytkového plynu, u kterých dochází ke kolizi s elektrony emitovanými ze žhavé katody. Měří se extrémní vakua 10-6 až 10-12 Pa.
Obr.33 Ionizační vakuometr
4.8
Zabudování a ochrana tlakoměrů
Při připojování měřících přístrojů je nutné zvolit vhodné místo, aby byla dosažena dostatečná vzdálenost od rušivého vlivu armatur a ovládacích prvků. Pro měření tlaku kapalin se umisťuje tlakoměr pod úroveň nejnižší možné hladiny. U měření plynů se pro změnu umisťuje na nejvyšší místo v oběhu.
Ochrana snímačů proti přetížení - předimenzování deformačního členu - oddělovací membrána – agresivní látky, vysoká teplota kapaliny
Strana 40
- oddělení kapalinou – agresivní látky - oddělení plynem – agresivní látky - kondenzační smyčka – vysoká teplota - kondenzační nádobka – vysoká teplota - tlumič tlakových pulzů
Obr.34 Znázornění ochran snímačů proti přetížení
Strana 41
5
MĚŘÍCÍ KARTY
Pro využívání osobních počítačů (dále PC) v technické praxi jsou nedílnou součástí měřící karty. Již déle než patnáct let jsou důležitým prostředkem měřící a automatizační techniky. Slouží ke sběru dat a řízení technologií nebo v laboratorní technice pro vytváření měřících systémů. Měřící karty do PC jsou univerzální měřící zásuvné desky, které se připojují k různým sběrnicím. Mezi osobními počítači je nejrozšířenější PCI sběrnice. Stále se používají i měřící karty s ISA sběrnicí, převážně pro PC v průmyslovém provedení. Výkonnější systémy si vyžadují sběrnici PXI, která umožňuje synchronizaci několika měřících karet pomocí zvláštních vodičů pro přenos časování. Pro připojení k notebooku se používá sběrnice PCMCIA. Mezi stále oblíbenější připojování externích zařízení patří sběrnice USB nebo FireWire.
Obr.35 Měřící karty pro sběrnice PCI, ISA, USB
5.1
Rozdělení Dle účelu lze měřící karty rozdělit do kategorií:
Karty pro informační měření Patří sem desky pro nenáročná informativní měření statických nebo pomalu se měnících napěťových úrovní. Tyto karty jsou zjednodušené o vzorkovací obvod S/H a obvod vyrovnávací paměti FIFO. Vzorkování a měření se provádí pomocí softwaru.
Strana 42
Karty pro standardní měření v nenáročných podmínkách Nacházejí využití pro všechna standardní měření v laboratorních nebo nenáročných průmyslových podmínkách. Pro těžší podmínky se doplňují externími adaptéry pro úpravu nebo galvanické oddělení signálu. Karty pro měření v průmyslovém prostředí Konstruktéři u těchto desek berou ohled na náročnější měření. Obsahují obvody pro potlačení rušivých signálů, obvody proti přepětí, vestavují se galvanická oddělení, někdy i dohlížecí obvody. Karty pro měření se zvýšenou citlivostí a přesností V tomto případě se velká pozornost věnuje citlivosti a kvalitě vstupních obvodů. Používají se pro měření nízkých napěťových úrovní a to pro zpracování signálu z termoelektrických článků, nízkých potenciálů na výstupu chemických a biologických čidel. Do desek se vestavuje výpočetní jednotka (signálový procesor) pro adaptivní předzpracování signálů. Karty pro měření rychlých dějů Rychlým vzorkováním jsou určeny pro rychlé napěťové průběhy. Obsahují vyrovnávací paměť FIFO o vyšší kvalitě. Přímý přenos digitalizovaných hodnot je řešen prostřednictvím DMA. Rozšiřují se o možnosti spouštění měření vlivem měřeného napětí, realizované volbou předsunutí nebo odsunutí spouštění měření spouštěcí události. Vestavuje se předzpracování naměřených průběhů. Karty pro přímé připojování převodníků neelektrických veličin Nejčastěji se umožňuje přímé připojení termoelektrických článků, odporových teploměrů nebo tenzometrických můstků. Doplňují se pomocné a napájecí obvody pro činnost těchto převodníků.
5.2
Hlavní části
A/D převodník Analogový digitální převodník je elektrická součástka sloužící k převodu spojitého signálu na diskrétní signál. Počítače zpracovávají číslicové údaje, proto je nutné analogový signál transformovat na číslicový údaj. Na jakosti A/D převodníku závisí kvalita měření. Kvalita rastru převodníku zvyšuje relativní přesnost. Rastr 8-bitového převodníku je rozdělen na 256 stupňů, 9-bitový převodník na 512 stupňů, 12-bitový převodník na 4096 stupňů atd. Platí vztah 2n; tato vlastnost se nazývá „Rozlišení A/D převodníku“, kde n je počet bitů, takže 10-bitový A/D, 12-bitový atd. V současnosti se nejčastěji k transformaci užívají digitální signální procesory DSP. Signály v digitální podobě je možno kvalitněji zaznamenávat a přenášet. Převod analogového signálu na digitální pracuje ve dvou fázích. V první fázi se provádí vzorkování signálu a dále následuje kvantování. Vzorkování slouží k získání nezbytně nutného množství vzorků pro převod. Ve druhé fázi se převádí vzorky kvantováním na číslicový tvar.
Strana 43
A/D převodník s postupnou aproximací Hlavní část tvoří D/A převodník. Jeho výstupní signál se porovnává se vstupním signálem. Dále obsahuje napěťový komparátor, aproximační a výstupní registr. Při převodu se provádí postupné kroky od nejvýznamnějšího bitu až po bit s nejmenší váhou. Zkusí se hodnota bitu nastavit na hodnotu 1, je-li vstupní napětí UX větší než napětí referenční UR, nechá se uchována v registru 1. V opačném případě 0. Převod pokračuje dále postupně nastavováním nižších hodnot bitů. Převodník dosahuje střední rychlosti a přesnosti; mají menší odolnost proti rušení. Po dobu převodu je nutné konstantní vstupní napětí. Vstup
Výstup
Logické obvody Aproximace
Komparátor
Registr čísla
D/A převodník
Obr.36 Schéma aproximačního A/D převodníku A/D převodník s dvojitou integrací Převod se uskutečňuje ve dvou fázích. V první fázi probíhá integrace vstupního napětí UX Z doby integrace TK vyplívá, že koncové napětí je přímo úměrné vstupnímu napětí UX. V druhé fázi nastává integrace referenčního napětí UR. Měří se doba TM potřebná k dosažení hodnoty počáteční. Převodník dosahuje vysoké přesnosti.K nevýhodám patří malá rychlost převodu. TK
TM t
0
Integrace UX
Integrace UR
Obr.37 Průběh převodu a schéma integračního A/D převodníku Paralelní A/D převodník Na vstupy komparátorů se přivádí vstupní napětí UX, kde se porovnává s referenčním napětím UR. Výstup z komparátorů je překlápěn v závislosti UX ≥ UR. Dekodér převádí výstupy z komparátorů do požadovaného výstupního kódu.
Strana 44
Převodník dosahuje vysoké rychlosti převodu. Nevýhodou je použití většího množství komparátorů pro vícebitový převodník.
Obr.38 Schéma paralelního A/D převodníku
D/A převodník Digitálně analogový převodník sloužící k převodu digitálního signálu na signál analogový. Výstupní signál je schodový, nabývá jen diskrétních hodnot.
Obr. 39 Výstupní signál z D/A převodníku Analogové vstupy Mezi nejdůležitější parametry analogových vstupů lze zařadit počet vstupů, rozlišení, maximální vzorkovací frekvenci a napěťové rozsahy. Rozlišení určuje A/D převodník, ale zařazené obvody mohou zlepšit nebo zhoršit vlastnosti. Ke špičkovým kartám se dodává kalibrační certifikát. Vzorkovací frekvence udává maximální rychlost A/D převodníku. U levných karet se setkáváme s přepínáním všech vstupů do jednoho převodníku. Napěťové rozsahy jsou u některých karet osmi i více softwarově přepínatelné. Analogové výstupy Hodnotíme stejné parametry jako u vstupů. Rozlišení se pohybuje mezi 12 a 16 bity, speciálně i 24 bitů. Nejpoužívanějším rozsahem je +/-10V, v průmyslu se používá proudový výstup 0 – 20 nebo 4 – 20 mA.
Strana 45
Digitální linky Používají se linky obousměrné pro vstup i výstup nebo zejména u galvanicky oddělených linek je směr signálu pevně dán. Multifunkční karty se dodávají většinou s osmi digitálními linkami, speciální jich mohou nabídnout 96 a více. Čítače/časovače Slouží k počítání impulsů, dělení frekvencí nebo vytváření signálu s určitou frekvencí. Pro čítače je nejdůležitějším parametrem délka registru, která se pohybuje od 24 do 32 bitů.
Obr.40 Blokové schéma měřící karty
Strana 47
6
MĚŘÍCÍ A REGULAČNÍ SOFTWARE
V dnešní době neslouží počítače jen k matematickým operacím, kancelářským pracím a osobnímu využití, ale využívají se stále více k automatizaci různých průmyslových procesů. Výrobní technologie se stávají čím dál více složitější a vyžadují sledování velkého počtu měřených veličin. Získané informace slouží k vyhodnocování technologických a ekonomických analýz, k bezpečnostním opatřením, které vedou ke zvýšení produktivity provozu, zlepšení kvality, snížení nákladů na výrobu atd. Softwary pro využívání počítače v aplikacích měření a regulace umožňují přesunutí měřené fyzikální veličiny do počítače, kde je lze sledovat, archivovat, vyhodnocovat a zpracovávat. Základní principy a způsob práce se softwary jsou podobné. Hlavní odlišnosti se nachází v nabízeném komfortu. Ten ovlivňuje zátěž a produktivitu práce programátora a také spokojenost konečného uživatele. Pomocí jednotlivých oken a obrazovek lze tvořit a umisťovat potřebné grafické objekty pro schematické znázornění přístrojů, definování vstupních, výstupních a vnitřních proměnných, definování vztahů a souvislostí mezi nimi. Nabídka měřících softwarů je různorodá od jednostranně zaměřených až po univerzální. Mezi nejrozšířenější patří prostředí LabVIEW a Control Web, dále jsou to Dewesoft, Flukeview, Matlab atd. Většina výrobců měřících karet dodává k produktům i měřící softwary. Jako příklad lze uvést Adventech Genie.
Obr.41 Ukázka vývojového prostředí Adventech Genie
Strana 48
6.1
LabVIEW
Grafické vývojové prostředí LabVIEW patří ve světě měřící techniky k nejpoužívanějším. Prostředí slouží k vývoji kompletního systému, který zajišťuje řízení procesu sběru dat, analýze a grafické prezentaci. LabVIEW nachází uplatnění především pro získávání dat a ovládání přístrojů. K tomu účelu obsahuje speciální vývojové nástroje a knihovny funkcí. Pomocí velké palety dalších knihoven a funkcí lze používat i pro obecné programovací úlohy.
Obr.42 Ukázka vývojového prostředí LabVIEW
6.2
Control Web
Systém Control Web je vyvíjen společností Moravské přístroje a.s. Předchůdcem tohoto softwaru byl Control Panel. Používal se pro operační systém Windows 3.1. Control Web je otevřený průmyslový řídící a informační systém reálného času pro systémy Windows NT/ME/XP. Slouží jako univerzální nástroj pro vývoj, vizualizaci a řízení aplikací, k sběru ,ukládání a vyhodnocování dat. Nachází široké uplatnění od levné realizace řízení strojů až po celopodnikový informační systém, nebo může pracovat jako programový most mezi SQL databází, WWW prohlížeči a GSM sítí. K tvorbě aplikací se používají různé komponenty – zobrazovací a ovládací prvky, alarmy a archivy, historické trendy atd. Virtuální přístroje nejsou pevně dány a zabudovány v systému, lze je libovolně rozšiřovat Integrované vývojové prostředí umožňuje přecházet
Strana 49
mezi textovým a grafickým editorem návrhu. Programuje se pomocí pohybu myší. Podporuje Real-time a vizualizační mód. Tento software využívá řada předních českých společností a firem např. Škoda Mladá Boleslav pro řízení energetiky, Škoda Plzeň pro multifunkční zobrazovací přístroj v tramvaji Škoda 14T, JME Dukovany, VPRO Šumperk v optickém testeru výrobků atd.
Obr.43 Ukázka vývojového prostředí Control Web
Strana 51
7
NÁVRH A ŘEŠENÍ LABORATORNÍ ÚLOHY
Laboratorní úloha využívající počítačovou podporu měření tlaku, po dohodě na katedře, řeší dynamické vlastnosti tlaku. Princip spočívá ve spuštění závaží na tlakoměr z malé výšky, který předá naměřené hodnoty přes měřící kartu do počítače. Ve vývojovém prostředí Control Web 5 se tyto hodnoty zpracují a vyhodnotí. Výsledek je zobrazen v grafu v podobě přechodové charakteristiky.
tlakoměr
svorkovnice PCLD - 8115
měřící karta PCL – 818L
PC se software Control Web 5
Obr.44 Schéma návrhu
7.1
Pístový tlakoměr
Pro realizaci laboratorní úlohy měření tlaku byl k dispozici pístový tlakoměr se snímačem tlaku DMP 331. Snímač je napájen zdrojem RZ 12 a výstupní signál je dán v rozmezí 0 – 10 V lineárně. Základ tlakoměru tvoří duté těleso tvaru kvádru naplněné hydraulickým olejem, na které je připevněn válec s pohyblivým pístem, snímač tlaku DMP 331 a šroub nastavení zdvihu pístu. Na píst působí vnější tlaková síla, která je pomocí oleje přenášena na tlakový snímač převádějící tlak na elektrický signál.
Obr.45 Pístový tlakoměr
Strana 52
Snímač tlaku DMP 331 Nachází univerzální využití od pneumatických a hydraulických zařízení až po obecná měření tlaku. Používá se pro měření nízkých tlaků od 0,06 baru do 600 baru a to statických i dynamických tlaků. Jádro snímače tvoří čidlo tlaku DSP 401 připevněné k nerezovému pouzdru. Čidlo je oddělené pomocí přivařené membrány od inertní olejové lázně. Vstupní signál polovodičového čidla je 100 mV při napájení konstantním proudem. Výstupní signál je pomocí vestavěné elektroniky uvnitř pouzdra teplotně kompenzován, zesílen a normován. DMP 331 vyniká vysokou přesností, provozní spolehlivostí a životností, robustním provedením, rychlou odezvou na změny tlaku a velkou linearitou.
Obr.46 Snímač tlaku DMP 331
7.2
Měřící karta Adventech PCL – 818L
Pomocí multifunkční měřící karty Adventech PCL – 818L jsou přenášeny naměřené hodnoty z tlakoměru do počítače. Karta se zasouvá v PC do sběrnice ISA.
Obr.47 Karta Adventech PCL – 818L
Strana 53
Obecné vlastnosti: • 16 uzemněných nebo 8 diferenciálních analogových vstupů • 12-bitový A/D převodník • Programovatelný zdroj pro každý vstupní kanál • Automatické sledování kanál/zdroj přes DMA • 16 digitálních vstupů a 16 digitálních výstupů • Jeden 12-bitový analogový výstupní kanál • Programovatelný časovač/čítač • Obsahuje ovládače pro DOS, DLL knihovny pro Windows 95/98/Me/2000/XP • Softwarová podpora pro GENIE, AktiveDAQ, LabWiew, Windows 95/98/Me/2000/XP Technická data: Analogový vstup • Kanály: 16 uzemněných nebo 8 diferenciálních • Rozlišení: 12-bitů • A/D, D/A převodník: DB-37 • Doba převodu: 25 msec. • Maximální prostupnost dat: 40kHz pro všechny vstupní rozsahy • Přepínání vstupních rozsahů: softwarově ovládané • Spouštění: softwarově, napěťovou úrovní nebo externě • Vstupní impedance: 10 MΩ • Vstupní přepětí: ±30 Vssmax • Vstupní rozsah (V): Bipolar: ±10, ±5, ±2.5, ±1.25, ±0.625 Analogový výstup • Kanály: jeden 12-bitový • Výstupní rozsah: 0 ~ +5 V nebo 0 ~ +10 V u vnitřní reference 0 ~ +10 V nebo 0 ~ -10 V u externí reference Digitální vstup/výstup • Kanály: 16 vstupů, 16 výstupů • Vstupní napětí: dolní: 0 ~ +0.8 V horní: min. +2.0 V • Vstupní čtení: dolní: +0.5 V @ 0.4 mA max. horní: +2.7 V @ 0.05 mA max. • Výstupní napětí: dolní: 0 ~ +0.4 V horní: min. +2.4 V • Ovládací kapacity: dolní: 8 mA @ 0.5 V horní: -0.4 mA @ 2.4 V A/D časovač / čítač (8254) • A/D časovač: 32-bitový s 10 MHz nebo 1MHz časovou základnou • Max. a min. rychlost: 2,5MHz do 0,00023 Hz
Strana 54
• Čítač: jeden 16-bitový čítač se 100 kHz časovou základnou Ostatní: • Spotřeba energie: 5V @ 180 mA max +12 V @ 100 mA max -12 V @ 14 mA max < 1.4W • Rozměry: 155 x 100 mm • A/D, D/A konektor: DB 37 • I/O port: 16 konsekutivních bytů • Operační teplota: 0 ~ 50 ºC • Operační vlhkost prostředí: 5 ~ 95% RH
7.3
Svorkovnice PCLD - 8115
Tvoří příslušenství k měřící kartě výrobce Adventech, pomocí kterého jsou připojovány vodiče od snímače. Svorkovnice je propojena pomocí datového kabelu PCL 10137 s měřící kartou na interní konektor DB – 37.
Obr.48 Svorkovnice PCLD – 8115
7.4
Tvorba laboratorní úlohy v Control Webu
Pro usnadnění práce ve vývojovém prostředí systému Control Web je k dispozici mnoho různých průvodců a nápověd. Jedná se např. o Průvodce novou aplikací, Průvodce přidáním nového přístroje, Průvodce archivací a zálohováním, Průvodce přidáním a konfigurací ovladačů atd. Před zahájením tvorby je důležité rozhodnout, zda se bude jednat o aplikaci v reálném čase nebo datově řízenou. V Real-time módu je pod kontrolou časování systému umožňující realizovat téměř veškeré úlohy od regulací spojitých soustav, řízení strojů a výrobních linek, realizace složitějších algoritmů, simulací až po ovládání komunikací se V/V zařízením. Výrobce uvádí: „V módu reálného času můžete vytvářet skutečné programy, tedy algoritmy v nejobecnějším slova smyslu složené ze sekvencí, selekcí a
Strana 55
interakcí, přiřazení, skoků a volání apod.“[16] K datově řízené aplikaci píše: „Na druhé straně v systémech řízených změnou dat nelze žádný program napsat, pouze lze konfigurovat a parametrizovat existující struktury.“ [16] Datově řízené aplikace reagují na změny datových elementů. Používají se pro vizualizaci a rozhraní člověk – stroj. V systému je možno pracovat dvěma způsoby. Pomocí grafického nebo textového režimu. Přechod mezi režimy je snadný, nazývá se překlápění. Textový editor je určen pro zápis aplikací. Při přechodu do grafického režimu se přikládá, v opačném případě se generuje. Zdrojový tvar aplikace je v textové podobě. Využívají ho programátoři, pro které je základním editorem. V grafickém režimu se pracuje nejčastěji. Je rozdělen do částí navzájem funkčně propojených. Datové inspektory mají vyhrazenou, stejně jako textový a grafický editor, hlavní vodorovnou záložku. Obsahují veškerou informaci týkající se dat aplikace. Ve svislých záložkách, které mají podobu tabulky s hodnotami, lze nalézt Nastavení aplikace, Adresáře, Datové elementy, Konstanty, Proměnné, Ovladače, Kanály atd. Grafický editor tvoří hlavní část vývojového prostředí. Slouží k vytváření vizuálního návrhu a řízení běhu aplikace. Rozděluje se na editor vzhledu aplikace a na stromy viditelnosti, časování a vybraného přístroje. Kliknutím pravého tlačítka myši se otvírá kontextové menu obsahující seznam operací pro daný objekt. Nedílnou součást grafického editoru tvoří Paleta přístrojů a Inspektor přístroje. V Paletě přístrojů se nalézají všechny dostupné přístroje, které lze přetahovat myší do grafického editoru. Inspektor přístroje slouží k úpravě parametrů vybraného přístroje. Otvírá se pravým tlačítkem myši přes kontextové menu nebo přímo okno inspektoru. Umožňuje definovat lokální data, parametry, procedury, barvy a vzhled jednotlivých přístrojů. Stručný popis řešení: Pomocí menu Soubor > Nový jsem otevřel Průvodce novou aplikací. Ten se ptá, zda se bude jednat o aplikaci v reálném čase nebo datově řízenou. V mém případě volím možnost Aplikace pracující v reálném čase. Dále zadávám název a složku pro uložení aplikace. Po stisknutí tlačítka Dokončit se založí prázdný soubor aplikace.
Obr.49 Průvodce novou aplikací
Strana 56
V grafickém módu přes ikonu v hlavní nástrojové liště jsem otevřel okno Paleta přístrojů. Z tohoto okna postupně myší přetahuji na plochu Grafického editoru jednotlivé přístroje. Přístroj panel slouží k seskupování 2D přístrojů a tvorby 2D obrazovek. Užil jsem ho k vytvoření panelu nazvaného Panel_Ovládání. Na tento panel postupně vkládám další přístroje control, switch, multi_switch, string_control, label, draw, indicator. Přístroj control se užívá pro nastavení číselné hodnoty do datového elementu. V mém případě jsem volil nastavení pomocí editačního řádku (edit_box) a slouží k zadávání hodnoty Vzorkovací periody a Doby měření. Přístroj switch nastavuje logické hodnoty do výstupního datového elementu. Vytvořil jsem mu podobu tlačítka s nápisem Start a slouží ke spouštění jednotlivých měření. Přístroj multi_switch nastavuje logické hodnoty do řady logických výstupních datových elementů. Pomocí jednoduchého přepínače lze volit v laboratorní úloze číslo měření, které chceme provádět. Přístroj string_control zadává text do výstupního datového elementu prostřednictvím editačního řádku. Užívám ho k zadávání jména a skupiny do protokolu. Přístroj label zobrazuje libovolné ikony nebo texty. Za pomoci tohoto přístroje jsem vytvořil tlačítka Vložit, Uložit protokol, Tisk protokolu, Konec. Přístroj draw slouží k zobrazení vektorové kresby složené ze základních geometrických prvků; lze animovat zobrazení jenž nelze realizovat standardními přístroji. Takto vytvářím jednotlivé popisky k přístrojům pro zadávání hodnot. Jedná se např. o Jméno:, Skupina:, Doba měřeni:, Vzorkovací perioda:. (Popisky šly vytvořit pomocí přístroje label, ale nelíbily se mi možnosti zobrazení). Přístroj indicator zobrazuje logické veličiny nebo výsledky logického výrazu s možností přiřazení výsledku do výstupního datového elementu. Zelená dioda při rozsvícení signalizuje probíhající zápis naměřených hodnot. Přístroj table, neboli tabulkový přístroj, slouží k přímému zapisování dat do buněk tabulky, vyvolávaní přepočtu tabulky a zpětnému čtení dat z buněk do systému atd. Umožňuje přímou vazbu na tabulkový kalkulátor InCalc ,používaný k tvorbě protokolů. V InCalcu jsem vytvořil šablonu protokolu s definovaným vzhledem tabulky a grafy. Přístroj table jsem umístil na volnou plochu grafického editoru, nazval „Protokol_měření“ a pomocí Inspektor přístroje > table_description > template_file připojím předem vytvořenou šablonu.
Obr.50 Vytvořený vzhled aplikace v Grafickém editoru
Strana 57
V dalším kroku je důležité definovat proměnné pro zvolené přístroje, se kterými budou pracovat. Otevřu záložku Datové inspektory, v podstromu v levé části plochy kliknu na položku Datové elementy > var > Skalární a vytvořím jednotlivé Globální proměnné. Používám tyto datové typy: pro logické hodnoty vyjadřující stav zapnuto/vypnuto boolean, pro číselné hodnoty k uložení a získáváni real, pro řetězce znaků obsahující písmena string (boolean (1 byte), rozsah false…true (binárně 0…1); real (8 byte), rozsah ±2.3E308…1.7E+308; string (256 byte), znak 0 řetězec ukončí).
Obr.51 Definování proměnných Pro zápis textu (jméno, skupina) do protokolu, uložení a tisku protokolu, k ukončení spuštěné aplikace musím zapsat procedury k vytvořeným tlačítkům, které tyto činnosti mají vykonávat. Definuji procedury OnMouseUp. Tlačítko Vložit zapisuje jméno, skupinu a datum do protokolu: Protokol_měření.SetStringValue(1,5,5,jmeno,false,true); Protokol_měření.SetStringValue(1,4,5,date.TodayToString(),false,true); Protokol_měření.SetStringValue(1,6,5,skupina,false,true); Tlačítko Uložit protokol ukládá protokol Měření tlaku: Protokol_měření.SaveTable('Protokol Měření tlaku'); Tlačítko Tisk protokolu obstarává odeslání protokolu do tiskárny: Protokol_měření.PrintTable(); Tlačítko Konec zastavuje spuštěnou aplikaci: core.StopApplication();
Strana 58
Zápis naměřených hodnot z tlakoměru do tabulky protokolu řeším pomocí přístroje program. Definuji proceduru OnActivate, která se spouští přístrojem swStart a má za úkol zapisovat hodnoty do příslušných sloupců dle čísla měření vybraného pomocí multi_switche, po dobu času zvolené Doby měření v časových intervalech podle zadané Vzorkovací periody. Vypadá následovně: Tělo procedury pro zápis uvozené klíčovým slovem begin a ukončené klíčovým slovem end_procedure, je vytvořené pomocí příkazů if. Výrobce je definuje takto: „Příkaz if slouží k podmíněnému vykonávání určitých částí programu .Za klíčovým slovem if musí být uveden logický výraz a klíčové slovo then .Následující blok příkazů je vykonáván jen pokud vyhodnocení logického výrazu vrátí hodnotu true. Blok příkazů může být ukončen třemi způsoby: • Klíčovým slovem end. V případě nesplnění podmínky program pokračuje příkazem za tímto klíčovým slovem. • Klíčovým slovem else. Za else následuje blok příkazů, který bude vykonáván pouze v případě nesplnění podmínky. Tento blok příkazů musí být ukončen klíčovým slovem end. • Klíčovým slovem elsif . Za tímto slovem následuje podmínka a klíčové slovo then a blok příkazů stejně jako if. Tato kombinace umožňuje realizovat výběr jediné varianty v závislosti na různých podmínkách. Platí tedy, že je vykonán blok příkazů za první splněnou podmínkou následující za if nebo elsif a případně zbylé podmínky za elsif nejsou testovány. Není-li splněna žádná podmínka, je vykonán blok příkazů za klíčovým slovem else, pokud je přítomno. Není-li na konci podmíněného příkazu else, program pokračuje za klíčovým slovem end.“ [16]
Obr.52 Procedura zápisu
Strana 59
Princip spočívá: čas s přesností na tisíciny sekundy poskytuje procedura date. GetDateTimeJD(), která vrací aktuální Juliánské datum. Definuji dobu běhu činnosti pomocí příkazu if, kde jsou proměnné FRun (logický výraz pro spuštění), StopTime (doba zastavení běhu), TimeStop (volená doba měření po kterou se mají hodnoty zapisovat). if FRun then FRun = StopTime >= date.GetDateTimeJD(); else StopTime = date.GetDateTimeJD() + TimeStop / 86400; FRun = true; end; Pokud se splní podmínka >= dochází k zastavení. Před samostatným zápisem je důležité vymazání hodnot z tabulky při opakování měření a uložení zvolené Vzorkovací periody do protokolu při zápisu. Toto řeší další příkaz if. if mereni1 then s=3; Protokol_měření.DeleteArea( 5,10,2,8192,3 ); Protokol_měření.SetRealValue(1,11,5,Period,false,true); elsif mereni2 then s=5; Protokol_měření.DeleteArea( 5,10,4,8192,5 ); Protokol_měření.SetRealValue(2,7,5,Period,false,true); elsif mereni3 then s=7; Protokol_měření.DeleteArea( 5,10,6,8192,7 ); Protokol_měření.SetRealValue(3,7,5,Period,false,true); elsif mereni4 then s=9; Protokol_měření.DeleteArea( 5,10,8,8192,9 ); Protokol_měření.SetRealValue(4,7,5,Period,false,true); end; Samotný zápis naměřených hodnot ze snímače do tabulkového kalkulátoru InCalc řeším takto: if FRun then Row = Row + 1; TimeDiff = (run_time_msec - Time1) / 1000; Protokol_měření.SetStringValue( 5, Row, s-1, TimeDiff:value_string, false, false ); Protokol_měření.SetRealValue( 5, Row, s, hodnota, false, false ); pause Period; send self; end;
Strana 60
Zápis času řeším rozdílem volání procedur run_time_msec, který se chová jako stopky.
Obr.53 Výsledná podoba aplikace
Strana 61
8
METODIKA PRÁCE S LABORATORNÍ ÚLOHOU •
Překontrolovat zapojení měřícího pracoviště dle schéma
tlakoměr
svorkovnice PCLD - 8115 zdroj RZ12
počítač + měřící karta PCL 818L
Obr.54 Schéma zapojení pracoviště
• • • • •
8.1
Zapnout zdroj napětí RZ 12 Zapnout počítač Otevřít aplikaci v prostředí Control Web 5 s názvem Měření tlaku.cw Spustit aplikaci klávesou F5 Provést vlastní měření podle instrukcí (vis. kapitola 8.1)
Instrukce pro měření 1) Zapsat základní údaje pro měření (jméno, skupina) a stisknout „Vložit“. Tím proběhne zápis údajů do protokolu, datum se vkládá automaticky. 2) Zvolit vzorkovací periodu, která určuje po jakých časových intervalech se budou ukládat naměřené hodnoty. Periodu lze volit v intervalu od 0.01 do 1 sekund. 3) Zvolit dobu měření, která udává celkový čas ukládání hodnot. Dobu měření volíme v rozmezí 1-4 sekund. 4) Zvolit číslo prováděného měření pomocí přepínače „Měření 1-4“. 5) Stisknutím tlačítka „Start“ se spustí samotné měření. Takto provedeme čtyři měření, kde si můžeme měnit vzorkovací periodu. 6) Tlačítko „Uložit protokol“ ukládá protokol do souboru Protokol Měření tlaku. TBW, který lze otevřít v tabulkovém kalkulátoru InCalc. 7) Tlačítko „Tisk protokolu“ provádí tisk. 8) Aplikaci ukončíme tlačítkem „Konec“.
Strana 63
9
ZÁVĚR
Cílem této bakalářské práce bylo vytvoření jednodušší laboratorní úlohy, která by studentům přiblížila počítačovou podporu při měření tlaku s využitím programovacího prostředí Control Web 5. V práci jsem na úvod seznámil s druhy měřících přístrojů pro měření tlaku a jejich základními vlastnostmi, dále s měřícími kartami, které převádějí signál ze snímače do počítače a softwary pro měření a regulaci. Hlavní náplní mé práce však bylo navržení a realizování laboratorní úlohy, která se zabývá dynamickými vlastnostmi měření tlaku. Vytvoření této úlohy bylo omezeno dostupným zařízením laboratoře. Jedná se např. o pístový tlakoměr, měřící kartu, software a hardware počítače. Výsledkem práce bylo odzkoušení správné funkčnosti celé laboratorní úlohy s vytvořením vzorového protokolu měření. Domnívám se,že jsem splnil cil bakalářské práce a navržený model poslouží studentům k názorné ukázce. Vytvořená aplikace je otevřena,je možno ji do budoucna dále upravovat a doplňovat o další funkce. Kdyby bylo více času a neomezené prostředky dala by se rozšířit laboratorní úloha také o měření statických vlastností, které by byly vyhodnocovány do grafu v podobě statické charakteristiky doplněné vyhodnocováním nejistot. Dále by se dala zlepšit možnost volit uložení protokolu měření do adresáře atd.
Strana 65
SEZNAM POUŽITÉ LITERATURA: [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7]
[8]
Vdoleček, F.: Technická měření, Brno 2002. [PDF dokument]. Vysoká škola technická v Brně, Fakulta strojního inženýrství, [cit. 11.8.2007]. Dostupné z: http://autnt.fme.vutbr.cz/Lab/A1-731a/ETC.pdf Sládek, Z.; Vdoleček, F.: Technická měření. VUT Brno, 1992 Chudý, V.; Palenčár, R.; Kurková, E.; Halaj, M.: Meranie technických veličín, Vydavatelstvo STU, 1999 Bejček, L; Vaculík, J. Snímače tlaku – přehled trhu. Automatizace [online].2006. leden [cit. 18.8.2007] Dostupné z: http://www.automatizace.cz/ Kadlec, K.: Měřící technika. [PDF dokument]. Vysoká škola chemickotechnologická v Praze, Ústav fyziky a měřicí techniky, [cit. 18.8.2007]. Dostupné z: http://web.vscht.cz/kadleck/aktual/mt_ji/prednasky/MT-JI_05_Tlak.pdf Kadlec, K.: Snímače tlaku – principy, vlastnosti. a použití. Automa [online]. 2007, č. 2 [cit.18.8.2007]. Dostupné z: www.odbornecasopisy.cz/ Kadlec, K.: Měřicí technika pro chemické inženýry. [PDF dokument]. Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, Ústav fyziky a měřicí techniky, [cit. 18.8.2007]. Dostupné z: http://web.vscht.cz/kadleck/aktual/mt_chi/prednasky/MT- CHI_06_Tlak.pdf Elektrické tlakoměry. [online]. 2007, [cit. 18.8.2007]. Dostupné z: http://e-automatizace.vsb.cz/ebooks/mmv/tlak/tlak_tlakomery_elektricke.htm
[9] [10]
[11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18]
Havle, Otto. Zásuvné desky do PC pro automatizaci a řízení – přehled trhu. Automatizace [online]. 2006. říjen [cit. 25.8.2007]. Dostupné z: http://www.automatizace.cz/article.php?a=1456 Němec, Z.: Prostředky automatického řízení elektrické, Brno 2002. [PDF dokument]. Vysoká škola technická v Brně, Fakulta strojního inženýrství, [cit. 26.8.2007]. Dostupné z: http://autnt.fme.vutbr.cz/Lab/A4-603/opory/DPA.pdf Štefan, Radim.: Měřicí karty – jak správně vybírat. Automa [online]. 2004, č. 7 [cit. 25.8.2007]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/automa/ A/D a D/A převodníky. [PDF dokument]. Technická univerzita v Liberci. Katedra Mikroelektroniky a zpracování signálů. [cit. 25.8.2007]. Dostupné z: www.ite.tul.cz/data/prevodniky.pdf Vojáček, A.: Měření notebookem aneb různé PCMCIA měřící karty [online] 27.1.2006, [cit. 25.8.2007]. Dostupné z: http://automatizace.hw.cz/ Český metrologický institut [online]. 2007, [cit. 10.8.2007]. Dostupné z: http://www.cmi.cz Moravské přístroje, a.s. [online]. 2007, [cit. 30.8.2007]. Dostupné z: http://www.mii.cz Moravské přístroje a.s.. Dokumentace. Control Web 5. [cit. 5.9.2007] Bílý, R.; Cagaš, P.; Cagaš, R.; Hladovka, D.; Kolařík, M.; Sobotík, J.; Zálešák, M.; Zgarba, Z.: Control Web 2000, Computer Press, Praha 1999 National Instruments Corporation [online]. 2007, [cit. 3.9.2007]. Dostupné z: http://www.ni.com
Strana 66
[19]
Dewetron-Praha, spol. s.r.o. [online]. 2007, [cit. 3.9.2007]. Dostupné z: http://www.dewetron.cz
Strana 67
PŘÍLOHA – Protokol měření
Strana 68
Strana 69
Strana 70
Strana 71
Strana 72
