Model vyt p їn іho domku C elektronika

´ˇ ˇedn´ı ˇ Vyˇ sˇ s´ı odborna skola, Str skola, ´ pr ˇ´ıpravy Centerum odborne

´ PRACE ´ ABSOLVENTSKA Model vyt´ apˇ en´ eho domku – elektronika

´ ı, 2014 Sezimovo Ust´

Autor: Petr Rabiˇ n´ ak

.

i

ii

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou absolventskou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

´ ı dne V Sezimovˇe Ust´ podpis

iii

Podˇ ekov´ an´ı Dˇekuji t´ımto vedouc´ımu absolventské práce Ing. Jiˇr´ımu Roubalovi, Ph.D. za jeho d˚ usledné veden´ı, podnˇetné rady, vstˇr´ıcnost a ˇcas, které vˇenoval mé práci. Podˇekován´ı patˇr´ı také Bc. Miroslavu Hospodáˇrskému za jeho ˇcas a v´ yznamnou pomoc s návrhem a realizac´ı elektroniky pro ˇr´ızen´ı laboratorn´ıho modelu. Nemalé podˇekován´ı patˇr´ı téˇz doc. Ing. Petru ˇ Huˇskovi, Ph.D. z FEL, CVUT v Praze za konzultace spojené s tvorbou rovnic popisuj´ıc´ı chován´ı modelu. Také dˇekuji Tomáˇsi Pechánkovi, Danielu Krˇzovi a Pavlu Zachovi za v´ yrobu konstrukce laboratorn´ıho modelu. V neposledn´ı ˇradˇe bych rád podˇekoval m´ ym bl´ızk´ ym za podporu bˇehem studia a také veden´ı ˇskoly za poskytnuté finanˇcn´ı prostˇredky na realizaci stavby modelu.

iv

Anotace Tato absolventská práce se zab´ yvá návrhem laboratorn´ıho Modelu vytápˇeného domku, kter´ y demonstruje tepelné dˇeje skuteˇcn´ ych budov. Nejprve jsou navrˇzeny konstrukˇcn´ı parametry pro jeho v´ yrobu na základˇe teoretick´ ych v´ ypoˇct˚ u a simulac´ı v programovém prostˇred´ı MATLAB/Simulink. Dále je navrˇzena elektronika pro komunikaci modelu s poˇc´ıtaˇcem. Elektronika umoˇzn ˇuje ovládat model pomoc´ı poˇc´ıtaˇce s mˇeˇric´ı kartou MF 624 v prostˇred´ı MATLAB/Simulink.

Kl´ıˇ cov´ a slova: Laboratorn´ı model, prostup tepla stˇenou, akumulace tepla, matematickofyzikáln´ı model, diferenciáln´ı rovnice, systém, simulace, MATLAB, Simulink, elektronika, mˇeˇric´ı karta MF 624.

Annotation This graduate thesis deals with the design of the laboratory Model heating house which demonstrates the heating action in the real building. As first the construction parameters for its production are designed based on theoretical calculations and simulations in the program environment MATLAB/Simulink. Next the electronics for communication of the model with a computer is designed. Electronics allows to control this model by a computer with the measuring card MF624 in environment MATLAB/Simulink.

Key words: Laboratory model, the heat transfer through the wall, accumulation of heat in the wall, mathematics-physical model, differential equation, system, simulations, MATLAB, Simulink, electronics, measuring card MF 624.

v

vi

Obsah Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u

ix

Seznam obr´ azk˚ u

xi

Seznam tabulek

xiii

´ 1 Uvod

1

2 Model vyt´ apˇ en´ eho domku

3

2.1

2.2

Matematick´ y model vytápˇeného domku . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.1

Model domku s ideáln´ı izolac´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.2

Model domku s prostupem tepla stˇenou . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.1.3

Model domku s prostupem tepla stˇenou a akumulac´ı tepla ve stˇenˇe

5

2.1.3.1

Simulinkov´ y model vytápˇeného domku . . . . . . . . . .

5

2.1.3.2

Simulaˇcn´ı ovˇeˇren´ı modelu vytápˇeného domku . . . . . .

6

Návrh laboratorn´ıho modelu vytápˇeného domeˇcku . . . . . . . . . . . . .

7

2.2.1

Parametry laboratorn´ıho domeˇcku pro jeho v´ yrobu . . . . . . . .

9

2.2.2

Porovnán´ı laboratorn´ıho domeˇcku s reáln´ ym domem

9

. . . . . . .

3 Elektronika pro ˇ r´ızen´ı a ovl´ ad´ an´ı

13

3.1

Poˇzadavky na elektroniku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.2

Senzory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.3

Akˇcn´ı ˇcleny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.3.1

Topné tˇeleso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15 15

3.4

3.3.2 Chladic´ı jednotka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıdic´ı jednotka a napájec´ı zdroj . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´

3.5

Bloková schémata funkˇcn´ıch blok˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

3.5.1

17

Blok pˇrevodn´ık˚ u pro teplotn´ı sn´ımaˇc Ni1000 (1K 021 571) . . . . vii

16

3.5.2

Blok napájen´ı (1K 021 031) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıdic´ı obvod pro topen´ı (1K 928 932) . . . . . . . . . . . . . . . . R´ ˇ ıdic´ı obvod pro chlazen´ı (1K 928 931) . . . . . . . . . . . . . . . R´

18

Elektronické zapojen´ı funkˇcn´ıch blok˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.6.1

20

3.5.3 3.5.4 3.6

3.6.2

3.7

Pˇrevodn´ık pro Ni1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Topn´ y ˇclánek

19

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.6.3

Stabilizátor +12 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.6.4

Stabilizátor +5 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.6.5

Stabilizátor −12 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.6.6

Indikace napájen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.6.7

PWM ˇr´ızen´ı chlazen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.6.8

PWM ˇr´ızen´ı topen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.6.9

Elektronick´ y sp´ınaˇc ventilátor˚ u . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.6.10 Elektronick´ y sp´ınaˇc topn´ ych a Peltierov´ ych ˇclánk˚ u. . . . . . . . .

28

V´ yvojové diagramy mikropoˇc´ıtaˇce ATMEL

. . . . . . . . . . . . . . . .

28

3.7.1

Algoritmus pro ˇr´ızen´ı topen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.7.2

Algoritmus pro ˇr´ızen´ı chlazen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4 Neˇ reˇ sen´ eu ´ lohy 4.1

18

33

Zadán´ı laboratorn´ıch u ´loh . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

5 Z´ avˇ er

37

Literatura

40

A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD/DVD

I

B Pouˇ zit´ y software

III

ˇ C Casov´ y pl´ an absolventsk´ e pr´ ace

V

D Tvorba modelu v ˇ case

VII

E Rozpoˇ cet projektu

IX

F Anal´ yza mˇ eˇ ric´ı karty MF 624

XI

viii

Seznam pouˇ zit´ ych symbol˚ u Symbol

V´ yznam

Jednotka

ca

mˇerná tepelná kapacita vzduchu

J kg−1 K−1

cw

mˇerná tepelná kapacita stˇen

J kg−1 K−1

Sw

plocha stˇen

m2

t

ˇcas

s

Ta

teplota vzduchu v m´ıstnosti

K

Tw

teplota stˇen

K

Tout

teplota vzduchu vnˇe domu

K

Va

objem vzduchu v domku

m3

Vw

m3

δw

objem stˇen tlouˇst’ka stˇen

λw

mˇerná tepelná vodivost stˇen

W m−1 K−1

ρa

hustota vzduchu

kg m−3

φs

tepeln´ y tok dodávan´ y topn´ ym tˇelesem

W

ρw

hustota stˇen

kg m−3

φw

tepeln´ y tok stˇenami

W

φwi

tepeln´ y tok mezi vzduchem v m´ıstnosti a stˇenami

W

φwo

tepeln´ y tok mezi stˇenami a okoln´ım vzduchem

W

m

ix

x

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Simulinkov´ y model vytápˇeného domku (2.1), (2.2) . . . . . . . . . . . . .

6

2.2

Odezva modelu vytápˇeného domu pro reálná data . . . . . . . . . . . . .

7

2.3

Odezva modelu vytápˇen´ı domeˇcku pˇri v´ ykonu topného tˇelesa 100 W . . .

8

2.4

Odezva modelu vytápˇen´ı domeˇcku – vliv v´ ykonu topného tˇelesa . . . . .

9

2.5

Odezvy modelu vytápˇen´ı laboratorn´ıho domeˇcku . . . . . . . . . . . . . .

10

3.1

Odporov´ y teplotn´ı sn´ımaˇc Ni1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

3.2

Topné tˇeleso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.3

Chladic´ı jednotka s Peltierov´ ym ˇclánkem . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.4

Mikropoˇc´ıtaˇc a napájec´ı zdroj +24 V . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

3.5

Blok pˇrevodn´ık˚ u pro teplotn´ı sn´ımaˇce Ni1000 (1K 021 571) . . . . . . . .

17

3.6

18

3.8

Blok napájen´ı (1K 021 031) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ˇ ıdic´ı obvod pro topen´ı (1K 928 932) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´ ˇ ıdic´ı obvod pro chlazen´ı (1K 928 931) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . R´

3.9

Pˇrevodn´ık pro Ni1000 (1F 021 571) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

3.10 Elektrické schéma topného ˇclánku (1F 001 181) . . . . . . . . . . . . . .

21

3.11 Stabilizátor +12 V (1F 021 051) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.12 Stabilizátor +5 V (1F 021 041) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.13 Stabilizátor −12 V (1F 021 052) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

23

3.14 Indikace napájen´ı (1F 001 001)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.15 PWM ˇr´ızen´ı chlazen´ı (1F 928 891) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

3.16 PWM ˇr´ızen´ı topen´ı (1F 928 892) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.17 Elektronick´ y sp´ınaˇc ventilátor˚ u (1F 001 821) . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.18 Elektronick´ y sp´ınaˇc topn´ ych a Peltierov´ ych ˇclánk˚ u (1F 001 171) . . . . .

28

3.19 Algoritmus pro ˇr´ızen´ı topen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

30

3.20 Algoritmus pro ˇr´ızen´ı chlazen´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

4.1

33

3.7

Poˇc´ıtaˇcov´ y model laboratorn´ıho domku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi

18 19

5.1

Stav modelu k datu 12.5.2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

F.1 Blokové schéma propojen´ı PC1 s PC2 pomoc´ı karet MF 624 . . . . . . .

XI

F.2 Simulinková schémata pro komunikaci mezi kartami v PC1 a PC2 . . . .

XII

F.3 Pr˚ ubˇehy signál˚ u pˇri vyp´ınán´ı PC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

XII

F.4 Pr˚ ubˇehy signál˚ u pˇri zap´ınán´ı PC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII

xii

Seznam tabulek 2.1

Parametry laboratorn´ıho domeˇcku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2

Srovnán´ı reálného domu a laboratorn´ıho domeˇcku . . . . . . . . . . . . .

11

3.1

Propojen´ı domku s PC kartou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.1

Data pro statickou pˇrevodn´ı charakteristiku senzoru . . . . . . . . . . . .

34

E.1 Finanˇcn´ı rozpoˇcet projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

IX

E.2 Hodinov´ y rozpoˇcet projektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

X

F.1 Kroky pˇri vyp´ınán´ı PC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIII F.2 Kroky pˇri zap´ınán´ı PC1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XIV

xiii

xiv

Kapitola 1 ´ Uvod Platby za vytápˇen´ı patˇr´ı k nejvyˇsˇs´ım poloˇzkám rodinn´ ych rozpoˇct˚ u. Ceny energi´ı jsou rok od roku vyˇsˇs´ı a proto lidé hledaj´ı cesty, jak sn´ıˇzit náklady na bydlen´ı. Otázkou je, jak´ ym zp˚ usobem m˚ uˇze rodina sn´ıˇzit roˇcn´ı náklady za energie? V souˇcasné dobˇe se nab´ız´ı napˇr´ıklad v´ ybˇer vhodného stavebn´ıho materiálu, v´ ymˇena oken nebo dostateˇcnˇe kvalitn´ı zateplen´ı. Dalˇs´ım moˇzn´ ym ˇreˇsen´ım je kva´ t, D., 2012). litn´ı regulace vytápˇen´ı (Charva Na Vyˇsˇs´ı odborné ˇskole, Stˇredn´ı ˇskole, Centru odborné pˇr´ıpravy (COP) v Sezimovˇe ´ Ust´ı hhttp://www.copsu.cz/i se nacház´ı Laboratoˇr aplikované informatiky a fyziky (Roubal, J., 2012). V´ yuka zab´ yvaj´ıc´ı se fyzikáln´ımi jevy by byla bez praktick´ ych pokus˚ u bezpochyby velice obt´ıˇzná a nudná. Z toho d˚ uvodu je laboratoˇr vybavena nˇekolika modely zastupuj´ıc´ı základn´ı fyzikáln´ı oblasti (proudˇen´ı kapalin, pˇr´ımoˇcar´ y pohyb, rotaˇcn´ı pohyb, elektˇrina) pro ovˇeˇren´ı teoretick´ ych poznatk˚ u pˇri praktick´ ych pokusech. Vyuˇzitelnost laboratoˇre sahá od stˇredoˇskolského (pozorován´ı dˇej˚ u a ovˇeˇrován´ı jednoduch´ ych fyzikáln´ıch zákon˚ u) aˇz po vyˇsˇs´ı a vysokoˇskolské vzdˇeláván´ı (modelován´ı dynamick´ ych systém˚ u a návrh ˇr´ızen´ı). Tato koncepce vycház´ı ze zkuˇsenost´ı vedouc´ıho této práce z´ıskan´ ych mimo jiné v Laboratoˇri teorie automatického ˇr´ızen´ı (Roubal, J. et al., 2009). C´ılem práce s názvem Model vytápˇeného domku je vytvoˇrit laboratorn´ı model, kter´ y obohat´ı Laboratoˇr aplikované informatiky a fyziky o uˇcebn´ı pom˚ ucku v oblasti tepeln´ ych dˇej˚ u. Práce je rozdˇelena na dvˇe ˇca´sti. C´ılem prvn´ı ˇca´sti a zároveˇ n c´ılem této práce je navrhnout konstrukˇcn´ı parametry pro v´ yrobu laboratorn´ıho modelu na základˇe teoretick´ ych v´ ypoˇct˚ u a simulac´ı v prostˇred´ı MATLAB/Simulink. Dalˇs´ım c´ılem této práce 1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

je navrhnout a vyrobit elektroniku pro komunikaci modelu s poˇc´ıtaˇcem. C´ılem druhé ˇca´sti práce na Modelu vytápˇeného domku je samotná v´ yroba laboratorn´ıho modelu dle navrˇzen´ ych parametr˚ u z prvn´ı ˇca´sti práce. Tato v´ yroba je souˇca´st´ı absolventské prá´ nek, T., 2014). ce (Pecha Struktura této práce, která je napsána v LATEX 2ε 1 (Schenk, C., 2014), je následuj´ıc´ı. Kapitola 2 se vˇenuje teoretické anal´ yze modelu vytápˇeného domku a návrhu jeho konstrukˇcn´ıch parametr˚ u. Kapitola 3 popisuje elektroniku pro komunikaci mezi poˇc´ıtaˇcem ych u ´loh pro práci student˚ u a laboratorn´ım modelem. Kapitola 4 obsahuje sadu neˇreˇsen´ na tomto modelu. Kapitola 5 shrnuje a hodnot´ı v´ ysledky této práce. V pˇr´ıloze je uveden obsah pˇriloˇzeného DVD, pouˇzit´ y software, ˇcasov´ y plán AP, tvorba laboratorn´ıho modelu v ˇcase, rozpoˇcet modelu a anal´ yza mˇeˇric´ı karty MF 624.

1 A LT

EX 2ε je rozˇs´ıˇren´ı systému LATEX, coˇz je kolekce maker pro TEX. TEX je ochranná známka American Mathematical Society.

Kapitola 2 Model vyt´ apˇ en´ eho domku Jeˇstˇe pˇredt´ım, neˇz bude pˇrikroˇceno k samotné v´ yrobˇe laboratorn´ıho modelu, je tˇreba provést teoretickou anal´ yzu tepeln´ ych jev˚ u ve vytápˇen´ ych budovách. Tato anal´ yza poskytne data pro návrh konstrukce laboratorn´ıho modelu. T´ımto se zamez´ı návrhu, kter´ y nebude odpov´ıdat poˇzadavk˚ um potˇrebn´ ym pro v´ yuku (doba odezvy systému v ˇra´du minut atd.). V této kapitole tedy bude vytvoˇren v prostˇred´ı MATLAB/Simulink (Kupka, L., 2007; Roubal, J. et al., 2011) teoretick´ y poˇc´ıtaˇcov´ y model vycházej´ıc´ı z matematicko-fyzikáln´ıch rovnic (Volf, I. et al., 2013; Lienhard, J. H. a Lienhard, J. H., 2003). Poté bude provedena jeho anal´ yza, tzn. budou zkoumány ˇcasové odezvy teplené energie ve stˇenˇe a uvnitˇr domku na typu materiálu, jeho tlouˇst’ce a v´ ykonu topného tˇelesa. V´ ysledky této kapitoly poskytnou nejen podklady pro v´ yrobu reálného systému, ale také model, kter´ y je opatˇren maskou, umoˇzn ˇuj´ıc´ı snadné ovládán´ı tohoto poˇc´ıtaˇcového modelu. Struktura této kapitoly je následuj´ıc´ı. Nejprve je popsán postup tvorby matematickofyzikáln´ıch rovnic modelu vytápˇeného domku (Volf, I. et al., 2013; Lienhard, J. H. a Lienhard, J. H., 2003). Poté je vysvˇetlen pˇrepis tˇechto rovnic do simulinkového schématu. Následnˇe je porovnáno chován´ı simulinkového modelu s namˇeˇren´ ymi daty na reálném domˇe. Dále jsou na základˇe simulac´ı poˇc´ıtaˇcového modelu (pˇri pouˇzit´ı r˚ uzn´ ych stavebn´ıch materiál˚ u a r˚ uzn´ ych v´ ykon˚ u topného tˇelesa) urˇceny parametry laboratorn´ıho modelu. V závˇeru této kapitoly je porovnán´ı laboratorn´ıho modelu domku s reáln´ ym domem pro ucelen´ı pˇredstavy o pomˇeru mezi tˇemito dvˇema systémy.

3

´ EN ˇ EHO ´ KAPITOLA 2. MODEL VYTAP DOMKU

4

2.1

Matematick´ y model vyt´ apˇ en´ eho domku

V této ˇcásti bude popsán matematicko-fyzikáln´ı model vytápˇeného domku. Bude uvaˇzován zjednoduˇsen´ y model, kter´ y má jednu m´ıstnost s jedn´ım topn´ ym tˇelesem, teplota vzduchu uvnitˇr domku je vˇsude stejná, teplota stˇeny (uvaˇzovaná uprostˇred stˇeny) je v celé ploˇse stˇeny stejná.

2.1.1

Model domku s ide´ aln´ı izolac´ı

Pokud je domek ideálnˇe tepelnˇe izolovan´ y (izolace na vnitˇrku stˇen), pak teplo nem˚ uˇze unikat stˇenami domku a dodaná energie topn´ ym tˇelesem se akumuluje ve vzduchu uvnitˇr domku podle vztahu

∆Ta (t) , ∆t kde φs [W] je tepeln´ y tok dodávan´ y topn´ ym tˇelesem, ρa [kg m−3 ] je hustota vzduchu, φs (t) = ρa ca Va

ca [J kg−1 K−1 ] je mˇerná tepelná kapacita vzduchu, Va [m3 ] je objem vzduchu v domku a Ta [K] je teplota vzduchu uvnitˇr m´ıstnosti (Volf, I. et al., 2013). Odtud je moˇzné pro nekoneˇcnˇe mal´ y ˇcasov´ y okamˇzik zapsat diferenciáln´ı rovnici popisuj´ıc´ı v´ yvoj teploty vzduchu uvnitˇr domku

2.1.2

dTa (t) 1 = φs (t) . dt ρa ca Va

Model domku s prostupem tepla stˇ enou

Pokud nen´ı domek ideálnˇe tepelnˇe izolovan´ y (teplo uniká stˇenami domku), pak je moˇzné tok stˇenami vyjádˇrit vztahem φw (t) = λw

¢ Sw ¡ Ta (t) − Tout (t) , δw

kde λw [W m−1 K−1 ] je mˇerná tepelná vodivost stˇen, Sw [m2 ] je plocha stˇen, δw [m] je tlouˇst’ka stˇen a Tout [K] je teplota vzduchu vnˇe domku (Volf, I. et al., 2013). Pak se ve vzduchu uvnitˇr m´ıstnosti akumuluje energie, která je dána rozd´ılem tepelného toku od zdroje tepla a tepelného toku unikaj´ıc´ıho stˇenami ∆Ta (t) . ∆t Odtud je moˇzné pro nekoneˇcnˇe mal´ y ˇcasov´ y okamˇzik zapsat diferenciáln´ı rovnici popisuj´ıc´ı φs (t) − φw (t) = ρa ca Va

v´ yvoj teploty vzduchu uvnitˇr domku i ¢ dTa (t) 1 h Sw ¡ = −λw Ta (t) − Tout (t) + φs (t) . dt ρa ca Va δw

´ MODEL VYTAP ´ EN ˇ EHO ´ 2.1. MATEMATICKY DOMKU

2.1.3

5

Model domku s prostupem tepla stˇ enou a akumulac´ı tepla ve stˇ enˇ e

Teplo se samozˇrejmˇe akumuluje nejv´ıce ve stˇenách domku. Pro jednoduchost bude poˇc´ıtána konstantn´ı teplota uprostˇred stˇen Tw [K]. Pak tok mezi vzduchem v m´ıstnosti a stˇenami je φwi (t) = λw

¢ Sw ¡ Ta (t) − Tw (t) δw /2

a tok mezi stˇenami a okoln´ım vzduchem je φwo (t) = λw

¢ Sw ¡ Tw (t) − Tout (t) . δw /2

Odtud je moˇzné pro nekoneˇcnˇe mal´ y ˇcasov´ y okamˇzik zapsat diferenciáln´ı rovnici popisuj´ıc´ı v´ yvoj teploty vzduchu uvnitˇr domku i ¢ dTa (t) 1 h Sw ¡ = −λw Ta (t) − Tw (t) + φs (t) dt ρa ca Va δw /2 a diferenciáln´ı rovnici popisuj´ıc´ı v´ yvoj teploty uvnitˇr stˇen domku h ¢ ¢i dTw (t) 1 Sw ¡ Sw ¡ = λw Ta (t) − Tw (t) −λw Tw (t) − Tout (t) , dt ρw cw Vw δw /2 δw /2

(2.1)

(2.2)

kde ρw [kg m−3 ] je hustota stˇen m´ıstnosti, cw [J kg−1 K−1 ] je mˇerná tepelná kapacita stˇen a Vw [m3 ] je objem stˇen. 2.1.3.1

Simulinkov´ y model vyt´ apˇ en´ eho domku

Tato ˇca´st práce popisuje tvorbu simulinkového modelu vytápˇeného domku z rovnic (2.1) a (2.2). Detailnˇe bude vysvˇetlen pˇrepis rovnice (2.1) do Simulinku. Stejn´ ym zp˚ usobem bude naprogramována rovnice (2.2). Jako prvn´ı je do schématu vloˇzen bloˇcek Integr´ ator, pˇredstavuj´ıc´ı teplotu vzduchu uvnitˇr m´ıstnosti, a oznaˇcen je Ta(t). Tato teplota je na v´ ystupu tohoto integrátoru, derivace této teploty je na jeho vstupu. Podle rovnice (2.1) je na vstup integrátoru pˇripojen bloˇcek Gain, ve kterém je zapsána konstanta 1/(roa*ca*Va). Protoˇze hranatá závorka v (2.1) obsahuje dva sˇc´ıtance, je vloˇzen bloˇcek Sum se vstupy + a -. Na záporn´ y vstup tohoto bloˇcku je pˇripojen dalˇs´ı bloˇcek Gain, ve kterém je zapsána konstanta lambdaw*Sw/(deltaw/2). Vstup tohoto bloˇcku je pˇriveden z rozd´ılu teplot vzduchu a stˇeny. Do bloˇcku Sum je jeˇstˇe na kladn´ y vstup pˇripojen vstup Fis pˇredstavuj´ıc´ı v´ ykon topného tˇelesa φs . Stejn´ ym zp˚ usobem je pˇrevedena rovnice (2.2). V´ ysledné schéma reprezentuj´ıc´ı model vytápˇeného domku je na následuj´ıc´ım obrázku.


6

1 Fis

−K−

−K−

1/(roa*ca*Va) 3600

1 s

1 Ta

Ta(t) −C− 273.15 −K− lambdaw...

−K− 1/(row*cw*Vw)

−K− 3600

1 s

2 Tw

Tw(t) −K− lambdaw...

−C− 273.15

2 Tout

Obrázek 2.1: Simulinkov´ y model vytápˇeného domku (2.1), (2.2)

Protoˇze rovnice popisuj´ıc´ı model domeˇcku pracuj´ı s teplotou v Kelvinovˇe stupnici, jsou teploty na v´ ystupu pˇrevedeny na pro nás pouˇz´ıvanˇejˇs´ı Celsiovu stupnici. Toto zajiˇst’uj´ı dalˇs´ı bloˇcky Sum, které od v´ ysledn´ ych teplot v Kelvinech odeˇctou konstantu 273,15, a t´ım signály pˇrevedou na stupnˇe Celsia. Dále jsou pˇred obˇema integrátory nav´ıc dalˇs´ı bloˇcky Gain, ve kter´ ych je konstanta 3600, d´ıky n´ıˇz pracuje simulinkov´ y model v hodinách nam´ısto sekund. Simulinkov´ y model vytápˇeného domku z obr. 2.1 se nacház´ı na pˇriloˇzeném DVD v souboru s názvem vytapeni_dum.mdl. Je opatˇren maskou, která slouˇz´ı pro pˇrehlednˇejˇs´ı zadáván´ı hodnot fyzikáln´ıch konstant. 2.1.3.2

Simulaˇ cn´ı ovˇ eˇ ren´ı modelu vyt´ apˇ en´ eho domku

Pro kvalitativn´ı ovˇeˇren´ı správnosti modelu z obr. 2.1 byla provedena simulace reprezentuj´ıc´ı reáln´ y d˚ um, kter´ y má p˚ udorys 8 × 8 m, vysok´ y je 6 m, tlouˇst’ka zdiva je 40 cm, podlaha a strop jsou dokonale“ izolovány. Konstanty modelu byly nastaveny podle tabulek: ” ρw = 870 kg m−3 , cw = 1000 J kg−1 K−1 , λw = 0,33 W m−1 K−1 , ρa = 1,2047 kg m−3 , ´ nek, T., 2001, Vlastnosti materiál˚ ca = 1003 J kg−1 K−1 (Laboutka, K. a Sucha ua látek) vlastnosti vzduchu (Bureˇ s, J., 2002, Vzduch). Na v´ ysledc´ıch této simulace bude ovˇeˇreno, zda se simulinkov´ y model chová pˇrimˇeˇrenˇe reálné situaci. Prvn´ı ˇca´st simulace byla provedena pro reálná data: dodávaná energie byla odeˇc´ıtána jednou dennˇe z elektromˇeru viz obr. 2.2(a), teplota vzduchu byla odeˇc´ıtána jednou dennˇe na teplomˇeru viz obr. 2.2(b), venkovn´ı teplota byla z´ıskána jako denn´ı pr˚ umˇerná teplo-

´ ´ EN ˇ EHO ´ ˇ 2.2. NAVRH LABORATORNÍHO MODELU VYTAP DOMECKU

7

ta z hwww.in-pocasi.czi, poˇcáteˇcn´ı teplota vzduchu uvnitˇr domku byla nastavena podle obr. 2.2(b) na hodnotu Ta (0) = Tareal (0) = 17,5◦ C. Odtud byla dopoˇc´ıtána poˇca´teˇcn´ı teplota ve stˇredu zdi Tw (0) =

1 2

[Ta (0) − Tout (0)] = 8,75◦ C. Druhá ˇcást simulace znázorˇ nu-

je v´ yvoj teplot pˇri vypnut´ı tepelného zdroje. Namˇeˇrené a odsimulované pr˚ ubˇehy jsou znázornˇeny na následuj´ıc´ım obrázku. 5 25

4

Ta Tw

20

T

[°C]

2

a

15

real

10

a

w

out

3

T ,T ,T

Φs [kW]

out

T

5

1 0

0 0

5

10

15 t [d]

(a) tepeln´ y v´ ykon zdroje φs

20

0

5

10

15

20

t [d]

(b) teploty Ta , Tw , Tout , Tareal

Obrázek 2.2: Odezva modelu vytápˇeného domu pro reáln´ a data

Z obr. 2.2 je patrné, ˇze se simulinkov´ y model chová rozumnˇe – odezva modelu sleduje reálná namˇeˇrená data (odsimulovaná veliˇcina Ta sleduje trend reálné teploty Tareal ). Také se potvrdil pˇredpoklad, ˇze se teplota vzduchu oproti teplotˇe stˇeny zvyˇsuje rychleji. Pˇri vypnut´ı zdroje naopak chladne stˇena pomaleji, zat´ımco vzduch ztrat´ı svoji energii opoznán´ı rychleji.

2.2

N´ avrh laboratorn´ıho modelu vyt´ apˇ en´ eho domeˇ cku

V této podkapitole budou, na základˇe simulac´ı modelu z obr. 2.1, navrˇzeny parametry domeˇcku, jehoˇz následná mechanická konstrukce bude navrˇzena a vyrobena v rámci ´ nek, T., 2014). Podle v´ absolventské práce (Pecha ysledk˚ u simulac´ı bude rozhodnuto o v´ ykonu topného tˇelesa, o materiálu a rozmˇerech laboratorn´ıho domeˇcku. Pro potˇreby simulace byly rozmˇery domeˇcku zmenˇseny v pomˇeru 1:20, to je, p˚ udorys je 40 × 40 cm, v´ yˇska 30 cm. Na následuj´ıc´ıch pr˚ ubˇez´ıch je vidˇet srovnán´ı odezev modelu


8

domeˇcku pˇri r˚ uzn´ ych v´ yrobn´ıch materiálech. Vˇsechny tyto modely maj´ı stejné rozmˇery a v´ ykon topného tˇelesa je 100 W prvn´ıch 150 minut, poté je topné tˇeleso vypnuto. Materiály jsou simulovány ve tˇrech tlouˇst’kách stˇen. 80

a

40

50

100

150 200 t [min]

250

δw = 2 cm δw = 3 cm

40

20 0

50

100

150 200 t [min]

250

300


40

50

200

Tw [°C]

80

250

Ta [°C]

δw = 3 cm

40


40

50

100

150 t [min]

350

400

δw = 1 cm δw = 2 cm δw = 3 cm

50

100

150

200 t [min]

250

300

350

400

200

250

300


60

δw = 3 cm

40

20 0

300

50

100

150 t [min]

200

250

80

δw = 1 cm

60

20 0

300

80

Tw [°C]

Ta [°C]

δw = 2 cm

60

150 t [min]

250

40

20 0

350

δw = 1 cm

100

200 t [min]

(b) dˇrevotˇr´ıska

80

50

150

60

(a) plexisklo

20 0

100

80

δw = 1 cm

60

δw = 1 cm

60

20 0

350

w

T [°C]

80

300

Tw [°C]

T [°C]

δw = 3 cm

Ta [°C]

δw = 2 cm

60

20 0

80

δw = 1 cm

300


60

δw = 3 cm

40

20 0

(c) dˇrevo – mˇekké

50

100

150 t [min]

200

250

300

(d) OSB deska

Obrázek 2.3: Odezva modelu vytápˇen´ı domeˇcku pˇri v´ ykonu topného tˇelesa 100 W – vliv v´ yrobn´ıho materiálu

Ze simulac´ı na obr. 2.3 je vidˇet rozd´ıl v izolaˇcn´ıch a akumulaˇcn´ıch vlastnostech pouˇzit´ ych materiál˚ u. Model vytvoˇren´ y z plexiskla, d´ıky sv´ ym niˇzˇs´ım izolaˇcn´ım a akumulaˇcn´ım schopnostem, je moˇzné vytopit mnohem ménˇe neˇz ostatn´ı modely. Nejv´ıce se podaˇrilo natopit model z dˇrevotˇr´ısky. Protoˇze rozd´ıl mezi dˇrevotˇr´ıskov´ ym a OSB deskov´ ym modelem nen´ı tak zásadn´ı, bude pro stavbu domeˇcku vyuˇzita z pevnostn´ıch d˚ uvod˚ u OSB deska. V´ ykon topného tˇelesa o hodnotˇe 100 W se jev´ı téˇz jako dostateˇcn´ y pro potˇreby laboratorn´ıch experiment˚ u.


δw = 3 cm

40

50

100

150 t [min]

200

Tw [°C]

80

250


40

50

100

150 t [min]

200

250

(a) V´ ykon topného tˇelesa 80W

300


60

δw = 3 cm

40

20 0

300

50

100

150 t [min]

200

250

80

δw = 1 cm

60

20 0

Ta [°C]

δw = 2 cm

60

20 0

80

δw = 1 cm

Tw [°C]

Ta [°C]

80

9

300


60

δw = 3 cm

40

20 0

50

100

150 t [min]

200

250

300

(b) V´ ykon topného tˇelesa 100W

Obrázek 2.4: Odezva modelu vytápˇen´ı domeˇcku – vliv v´ ykonu topného tˇelesa

Na obr. 2.4 je vidˇet závislost chován´ı teplot v m´ıstnosti a ve stˇenˇe domeˇcku vyrobeného z OSB desky pˇri odliˇsn´ ych v´ ykonech topného tˇelesa. Tyto grafy potvrzuj´ı fakt, ˇze ˇc´ım vˇetˇs´ı je v´ ykon topného tˇelesa, t´ım kratˇs´ı bude doba natápˇen´ı m´ıstnosti i stˇeny na urˇcitou hodnotu. Zároveˇ n lze z graf˚ u vyˇc´ıst dalˇs´ı fakt, a to ten, ˇze ˇc´ım vˇetˇs´ı je v´ ykon topného tˇelesa, t´ım vˇetˇs´ı je i maximáln´ı teplota, na kterou je moˇzné model natopit.

2.2.1

Parametry laboratorn´ıho domeˇ cku pro jeho v´ yrobu

Na základˇe proveden´ ych simulac´ı je v´ yrobn´ım materiálem zvolena OSB deska o tlouˇst’ce 2,2 cm. Topná tˇelesa budou m´ıt maximáln´ı v´ ykon 100 W. Rozmˇery laboratorn´ıho modelu jsou 40 cm × 40 cm × 30 cm s ohledem na v´ ysledky simulac´ı a také s ohledem na instalaci do Laboratoˇre aplikované informatiky a fyziky. Tyto závˇery byly pˇredány ke zpracován´ı ´ nek, T., 2014). absolventské práce (Pecha

2.2.2

Porovn´ an´ı laboratorn´ıho domeˇ cku s re´ aln´ ym domem

V této ˇca´sti bude porovnán laboratorn´ı domeˇcek s reáln´ ym domem pro ucelen´ı pˇredstavy o pomˇeru mezi tˇemito dvˇema systémy. Odezvy skuteˇcného domu jsou na obr. 2.2, které reprezentuj´ı data poˇr´ızena za 12 prosincov´ ych dn˚ u roku 2013. Z tˇechto dat je urˇcen pr˚ umˇern´ y v´ ykon topného tˇelesa 3514 W a pr˚ umˇerná venkovn´ı teplota Tout (0) = −0,2◦ C. Stavebn´ı materiál pro model laboratorn´ıho domeˇcku nen´ı sestrojen z dut´ ych cihel (λw = 0,33 W m−1 K−1 ), ale z OSB desky, kde λw = 0,13 W m−1 K−1 . Tyto hodnoty


10

jsou pˇribliˇznˇe v pomˇeru 1:2,54. Rozmˇery p˚ udorys˚ u jsou v pomˇeru 1:20 a tlouˇst’ky stˇen v pomˇeru 1:18,2. Odtud, podle vztahu pro prostup tepla stˇenou φw (t), plyne 2,54

20 · 20 . = 55,8, 18,2

ˇze tepeln´ y tok stˇenou domu a domeˇcku je v pomˇeru 1:55,8. Pro laboratorn´ı model bude tedy pouˇzit v´ ykon tepelného zdroje 55,8-krát menˇs´ı neˇz u reálného domu, to je . φs = 62,95 W. V´ ysledky simulac´ı jsou na následuj´ıc´ım obrázku. Porovnán´ım obr. 2.2(b) a obr. 2.5(b) je patrno, ˇze jeden reáln´ y den odpov´ıdá pˇribliˇznˇe deseti minutám u laboratorn´ıho domeˇcku. Tato anal´ yza je shrnuta v následuj´ıc´ıch tabulkách. 80

25

T

a

70

Tw

20

T

60 Ta, Tw, Tout [°C]

out

Φs [W]

50 40 30

10

5

20 10 0 0

15

0

50

100 150 t [min]

200

0

(a) tepeln´ y v´ ykon zdroje φ

50

100 150 t [min]

(b) teploty Ta , Tw , Tout

Obrázek 2.5: Odezvy modelu vytápˇen´ı laboratorn´ıho domeˇcku

Tabulka 2.1: Parametry laboratorn´ıho domeˇcku

Parametr

Hodnota

Jednotka

λw

0,13

W m−1 K−1

ρw

580

kg m−3

cw

2100

J kg−1 K−1

ρa

1,2047

kg m−3

ca

1003

J kg−1 K−1

p˚ udorys

40×38

cm

v´ yˇska

30

cm

tlouˇst’ka stˇeny

2,2

cm

200


11

Tabulka 2.2: Srovn´ an´ı reálného domu a laboratorn´ıho domeˇcku

Parametr

´ era Umˇ

v´ ykon

1:55,8

ˇcas

10 minut ≈ 1 den

λw

1:2,54

p˚ udorys

1:20

v´ yˇska

1:20

tlouˇst’ka stˇeny

1:18,2

V této kapitole vznikl odvozen´ım matematicko-fyzikáln´ıch rovnic a následn´ ym pˇrepsán´ı tˇechto rovnic do prostˇred´ı MATLAB/Simulink poˇc´ıtaˇcov´ y model vytápˇeného domku. Tento simulinkov´ y model laboratorn´ıho domeˇcku se nacház´ı na pˇriloˇzeném DVD v souboru s názvem vytapeni_model.mdl. Porovnán´ım poˇc´ıtaˇcového modelu s reáln´ ym systémem bylo provedeno kvalitativn´ı ovˇeˇren´ı tohoto modelu. Na základˇe proveden´ ych simulac´ı byl stanoven v´ ykon topného tˇelesa a urˇceny parametry pro v´ yrobu mechanické konstrukce laboratorn´ıho modelu (rozmˇery, tlouˇst’ka stˇen a stavebn´ı materiál) nezbytné ´ nek, T., 2014). pro absolventskou práci (Pecha

12


Kapitola 3 Elektronika pro ˇ r´ızen´ı a ovl´ ad´ an´ı Model vytápˇeného domku se zab´ yvá problematikou prostupu tepla stˇenou a akumulac´ı tepla ve stˇenˇe. Pro zkoumán´ı této problematiky byla na základˇe matematicko-fyzikáln´ıch rovnic z kapitoly 2 vytvoˇrena taková konstrukce, na které bude moˇzno tyto fyzikáln´ı jevy pozorovat v laboratorn´ıch podm´ınkách. Tato konstrukce je vyrobena z OSB desky a obsahuje dvˇe stejnˇe velké m´ıstnosti. Kaˇzdá m´ıstnost obsahuje topné tˇeleso pln´ıc´ı funkci topen´ı a chladic´ı jednotku zastupuj´ıc´ı klimatizaci. Model je opatˇren teplotn´ımi sn´ımaˇci, rozm´ıstˇen´ ymi tak, aby poskytovaly informace o prob´ıhaj´ıc´ıch tepeln´ ych dˇej´ıch. Obˇe m´ıstnosti jsou od sebe oddˇeleny vyj´ımatelnou stˇenou. Konstrukce ´ nek, T., 2014). domku je popsána v (Pecha Tato kapitola popisuje návrh elektroniky, která pˇrenáˇs´ı signály mezi poˇc´ıtaˇcem a laboratorn´ım modelem. Model komunikuje s PC pomoc´ı vstupnˇe-v´ ystupn´ı karty MF 624 od firmy Humusoft (Humusoft, 2014). D´ıky této kartˇe lze model pohodlnˇe ovládat v programovém prostˇred´ı MATLAB/Simulink s Real Time toolboxem (Humusoft, 2014). Vlastn´ı elektronika byla navrˇzena v programu Eagle a pˇred v´ yrobou jeˇstˇe odsimulována v programu Multisim. Dále jsou popsány sn´ımaˇce, akˇcn´ı ˇcleny (topná tˇelesa, chladic´ı ˇclánky), napájec´ı zdroj modelu a jednotlivé funkˇcn´ı bloky. Jako sn´ımaˇce teploty jsou pouˇzita odporová ˇcidla Ni1000, topná tˇelesa se skládaj´ı z v´ ykonov´ ych keramick´ ych rezistor˚ u a chladic´ı jednotky jsou sestaveny z Peltierov´ ych ˇclánk˚ u, ventilátor˚ u a pasivn´ıch chladiˇc˚ u. V ˇr´ıdic´ım obvodu jsou pouˇzity mikropoˇc´ıtaˇce od firmy Atmel, coˇz cel´ y ˇr´ıdic´ı obvod podstatnˇe zjednoduˇsuje. 13

ˇ ÍZENÍ A OVLAD ´ AN ´ Í KAPITOLA 3. ELEKTRONIKA PRO R

14

3.1

Poˇ zadavky na elektroniku

Pˇred samotn´ ym návrhem a vytvoˇren´ım konstrukce modelu je tˇreba vznést poˇzadavky, které mus´ı model splˇ novat. Vycházej´ı z u ´ˇcelu vyuˇzit´ı modelu jako studijn´ı pom˚ ucky v Laboratoˇri aplikované informatiky a fyziky. Z tohoto d˚ uvodu je tˇreba model vyrobit z vhodného materiálu, opatˇrit odpov´ıdaj´ıc´ım ˇr´ıdic´ım obvodem, vybavit dostateˇcnˇe v´ ykonn´ ym topn´ ym tˇelesem, chladic´ı jednotkou a v neposledn´ı ˇradˇe odpov´ıdaj´ıc´ımi senzory.

3.2

Senzory

Model obsahuje pˇet odporov´ ych dvouvodiˇcov´ ych sn´ımaˇc˚ u Ni1000. Odporové sn´ımaˇce teplot mˇen´ı sv˚ uj odpor v závislosti na teplotˇe, a tak se hodnota odporu proporcioálnˇe mˇen´ı s teplotou. Pouˇzitá ˇcidla jsou cenovˇe nejdostupnˇejˇs´ı variantou z oblasti tenkovrstv´ ych teplotn´ıch ˇcidel. Teplotn´ı sn´ımaˇce jsou v modelu rozm´ıstˇeny tak, aby podávaly informace, ze kter´ ych lze následnˇe pozorovat tepelné jevy prob´ıhaj´ıc´ı v modelu. To znamená, ˇze kaˇzdá m´ıstnost obsahuje jeden teplotn´ı sn´ımaˇc um´ıstˇen uprostˇred m´ıstnosti a uprostˇred stˇeny. Posledn´ı sn´ımaˇc je um´ıstˇen mimo model, pro sn´ımán´ı teploty v jeho okol´ı. Na následuj´ıc´ım obrázku je znázornˇena statická pˇrevodn´ı charakteristika sn´ımaˇce Ni1000. Touto charakteristikou je proloˇzena pˇr´ımka, která znázorˇ nuje linearitu namˇeˇren´ ych dat. 1600

1500

R [Ω]

1400

1300

1200

1100 Data R = 5.55 T + 998.46 1000 0

20

40

60

80

T [°C]

(a) sn´ımaˇc Ni1000

(b) statická pˇrevodn´ı charakteristika

Obrázek 3.1: Odporov´ y teplotn´ı sn´ımaˇc Ni1000

100

ˇ Í CLENY ˇ 3.3. AKCN

3.3

15

Akˇ cn´ı ˇ cleny

Model reprezentuje prostup tepla stˇenou a akumulaci tepla ve stˇenˇe domu. Ke své funkci tedy potˇrebuje zdroj tepelné energie do kaˇzdé m´ıstnosti. Proto byla vyrobena dvˇe topná tˇelesa, která je moˇzné sp´ınat nezávisle na sobˇe. Teplotu v m´ıstnostech modelu je zapotˇreb´ı nejen zvyˇsovat, ale také sniˇzovat. Z toho d˚ uvodu je v kaˇzdé m´ıstnosti chladic´ı jednotka.

3.3.1

Topn´ e tˇ eleso

Topná tˇelesa jsou stˇeˇzejn´ım prvkem celého modelu. Slouˇz´ı jako zdroj teplené enerie a jsou vytvoˇrena z v´ ykonov´ ych keramick´ ych rezistor˚ u zapojen´ ych v sériové kobinaci. Napájena y v´ ykon kaˇzdého tˇelesa jsou napˇet´ım 24 V. Na základˇe simulac´ı z kapitoly 2 je jmenovit´ 100 W. Tato topná tˇelesa je moˇzno ovládat nezávisle na sobˇe, coˇz umoˇzn ˇuje vˇetˇs´ı variabilitu pˇri zkoumán´ı dané problematiky. Schéma zapojen´ı a bliˇzˇs´ı informace o topn´ ych tˇelesech jsou uvedeny v podkapitole 3.6.

Obr´ azek 3.2: Topné tˇeleso

3.3.2

Chladic´ı jednotka

Chladic´ı jednotky zastupuj´ı funkci klimatizace. Slouˇz´ı pro vˇetˇs´ı variabilitu u ´loh a rychlejˇs´ı ustálen´ı teploty modelu po pˇredchoz´ıch simulac´ıch. Tyto jednotky jsou zde realizovány pomoc´ı Peltierova ˇclánku. Pro maximáln´ı efektivitu studené strany Peltierova ˇclánku je tˇreba dostateˇcnˇe dobˇre odvést tepelnou energii z jeho teplé strany. Proto je na teplou stranu nanesena teplovodivá pasta a pˇripevnˇen pasivn´ı chladiˇc s vˇetráˇckem. Studená

16


strana Peltierova ˇclánku je rovnˇeˇz potˇrena teplovodivou pastou a pasivn´ım chladiˇcem s vˇetráˇckem. Cena jedné vyrobené chladic´ı jednotky se pohybuje okolo pˇeti set korun kv˚ uli vysoké cenˇe Peltierova ˇclánku.

Obrázek 3.3: Chladic´ı jednotka s Peltierov´ ym ˇcl´ ankem

3.4

ˇ ıdic´ı jednotka a nap´ R´ ajec´ı zdroj

ˇ ızen´ı v´ R´ ykonu topn´ ych tˇeles a Peltierov´ ych ˇclánk˚ u je ˇreˇseno pomoc´ı pulznˇe ˇs´ıˇrkové modulace (PWM). Jako ˇr´ıdic´ı jednotky jsou pouˇzity dva jednoˇcipové 8-bitové mikropoˇc´ıtaˇce ATtiny85-20PU zaloˇzené na Harvardské architektuˇre. Tento mikropoˇc´ıtaˇc obsahuje dva PWM konektory, a proto je pro toto ˇreˇsen´ı vhodn´ y. Napájec´ı zdroj má jmenovité stejnosmˇerné napˇet´ı +24 V a maximáln´ı proudov´ y v´ ystup 13 A (maximáln´ı v´ ykon 312 W) z d˚ uvodu velk´ ych proudov´ ych odbˇer˚ u topn´ ych tˇeles a Peltierov´ ych ˇclánk˚ u.

(a) mikropoˇc´ıtaˇc Atmel

(b) napájec´ı zdroj

Obrázek 3.4: Mikropoˇc´ıtaˇc a napájec´ı zdroj +24 V

´ SCHEMATA ´ ˇ ÍCH BLOKU ˚ 3.5. BLOKOVA FUNKCN

3.5

17

Blokov´ a sch´ emata funkˇ cn´ıch blok˚ u

V této ˇca´sti se nacház´ı struktura elektronické komunikace mezi poˇc´ıtaˇcem a laboratorn´ım modelem. Tato struktura je popsána blokov´ ymi schématy funkˇcn´ıch jednotek a napájec´ıch stabilizovan´ ych zdroj˚ u. Jednotlivé ˇr´ıdic´ı obvody, funkˇcn´ı jednotky, napájec´ı zdroje a komponenty maj´ı specifické oznaˇcen´ı pro usnadnˇen´ı orientace v obvodech elektronické komunikace. Kaˇzd´ y blok je opatˇren podrobn´ ym popisem jeho funkce a sloˇzen´ım. Kompletn´ı ˇr´ıdic´ı blok elektroniky laboratorn´ıho modelu je oznaˇcena jako 1X 928 771.

3.5.1

Blok pˇ revodn´ık˚ u pro teplotn´ı sn´ımaˇ c Ni1000 (1K 021 571)

Obrázek 3.5: Blok pˇrevodn´ık˚ u pro teplotn´ı sn´ımaˇce Ni1000 (1K 021 571)

Kombinovaná jednotka 1K 021 571 sestává z pˇeti samostatn´ ych, funkˇcnˇe nezávisl´ ych, základn´ıch jednotek pˇrevodn´ık˚ u pro sn´ımaˇce typu Ni1000 (jednotky 1F 021 571). Kaˇzdá ze základn´ıch jednotek je samostatnˇe donastavitelná z hlediska offsetu nulového potenciálu mˇeˇric´ıho m˚ ustku a napˇet’ového zisku sn´ımac´ıho zesilovaˇce. V´ ystupy z jednotek jsou vedeny do analogov´ ych vstup˚ u poˇc´ıtaˇcové mˇeˇric´ı karty MF 624.

18

3.5.2


Blok nap´ ajen´ı (1K 021 031)

Obrázek 3.6: Blok napájen´ı (1K 021 031); +24 V pˇrivedeno z extern´ıho zdroje obr. 3.4(b)

Kombinovaná jednotka 1K 021 031 z obr. 3.6 je sestava napájec´ıch zdroj˚ u s v´ ystupn´ımi napˇet´ımi +24 V, +12 V, +5 V, −12 V. Slouˇz´ı k napájen´ı veˇskeré elektroniky modelu. Jednotlivé zdroje jsou vnitˇrnˇe jiˇstˇeny proti proudovému pˇret´ıˇzen´ı v´ ystup˚ u a zkratech na vstupech. Sp´ınan´ y stabilizovan´ y zdroj +24 V je kv˚ uli velké v´ ykonové zátˇeˇzi ˇreˇsen jako extern´ı jednotka v pr˚ umyslovém proveden´ı. Jednotka 1K 021 031 je napájena jednofázov´ ym s´ıt’ov´ ym napˇet´ım 230 V/50 Hz. Diagnostika správné ˇcinnosti vˇsech blok˚ u je znázornˇena optickou indikac´ı pˇr´ıtomnosti vˇsech stabilizovan´ ych napˇet´ı pomoc´ı sv´ıtiv´ ych diod (um´ıstˇen´ ych v jednotce 1F 001 001).

3.5.3

ˇ ıdic´ı obvod pro topen´ı (1K 928 932) R´

ˇ ıdic´ı obvod pro topen´ı (1K 928 932) Obrázek 3.7: R´

´ SCHEMATA ´ ˇ ÍCH BLOKU ˚ 3.5. BLOKOVA FUNKCN

19

Jednotka 1K 928 932 realizuje funkci vytápˇen´ı. Zajiˇst’uje ovládán´ı dvou topn´ ych ˇclánk˚ u 1F 001 181, kaˇzd´ y o jmenovitém topném v´ ykonu 100 W. Pomoc´ı analogov´ ych napˇet’ov´ ych vstup˚ u DA1 a DA2 pˇriveden´ ych z mˇeˇric´ı karty MF 624 se ˇr´ıd´ı v´ ykon jednotliv´ ych topn´ ych ˇclánk˚ u. Vstupn´ımu napˇet´ı 0 V odpov´ıdá stˇr´ıda PWM signálu 0% (topn´ y v´ ykon pˇridruˇzeného ˇclánku 0 W), napˇet´ı +10 V poté odpov´ıdá stˇr´ıda PWM signálu 100% (topn´ y v´ ykon ˇclánku 100 W). Závislost stˇr´ıdy na vstupn´ım ˇr´ıdic´ım napˇet´ı je lineárn´ı a je ˇreˇsena programovˇe v jednotce 1F 928 892 jako dvojitá paraleln´ı impulsn´ı ˇs´ıˇrková modulace s pevn´ ym kmitoˇctem a promˇennou stˇr´ıdou.

3.5.4

ˇ ıdic´ı obvod pro chlazen´ı (1K 928 931) R´

ˇ ıdic´ı obvod pro chlazen´ı (1K 928 931) Obrázek 3.8: R´

Jednotka 1K 928 931 z obr. 3.8 realizuje funkci chlazen´ı. Analogov´ y napˇet’ov´ y vstup ˇ ıd´ı DA0 pˇriveden´ y z mˇeˇric´ı karty MF 624 pracuje s rozsahem napˇet´ı 0 V aˇz +10 V. R´ stˇr´ıdu PWM signálu, kter´ y prostˇrednictv´ım elektronického sp´ınaˇce 1F 001 171 ovládá dva kusy Peltierov´ ych chladic´ıch ˇclánk˚ u. Vstupn´ımu napˇet´ı 0 V odpov´ıdá stˇr´ıda napájec´ıho napˇet´ı Peltierov´ ych chladic´ıch ˇclánk˚ u 0 % a napˇet´ı +10 V odpov´ıdá stˇr´ıda 100 %. Závislost stˇr´ıdy na vstupn´ım ˇr´ıdic´ım napˇet´ı je lineárn´ı a je ˇreˇsena programovˇe v bloku 1F 928 891 s mikropoˇc´ıtaˇcem Atmel. Diskrétn´ı vstup TTL pracuje s logick´ ymi u ´rovnˇemi 0 V a +5 V. Indikuje mikropoˇc´ıtaˇcové jednotce 1F 928 891 stav pˇripojené poˇc´ıtaˇcové karty. Logická 0 na vstupu TTL indikuje odpojenou poˇc´ıtaˇcovou kartu (vypnut´ y poˇc´ıtaˇc). Pokud je na vstupu TTL stav logická 1, je programovˇe nastaven PWM reˇzim ˇcinnosti a vstupem DA0 je moˇzno regulovat chladic´ı v´ ykon Peltierov´ ych ˇclánk˚ u. Pˇri zmˇenˇe napˇet´ı vstupu TTL z u ´rovnˇe logická 1 na logická 0 (to znamená pˇri sestupné hranˇe napˇet´ı vstupu TTL) se vypne PWM reˇzim ˇcinnosti a spust´ı se programová smyˇcka

20


dochlazován´ı. Tato smyˇcka zajist´ı sepnut´ı Peltierov´ ych ˇclánk˚ u na pln´ y chladic´ı v´ ykon (bez ohledu na napˇet´ı vstupu DA0) a spuˇstˇen´ı vˇetráˇck˚ u na jmenovit´ y v´ ykon. Po programovˇe nastavené dobˇe dojde k vypnut´ı vˇsech jednotek.

3.6

Elektronick´ e zapojen´ı funkˇ cn´ıch blok˚ u

V této ˇca´sti jsou uvedena elektronická schémata zapojen´ı funkˇcn´ıch jednotek a stabilizovan´ ych zdroj˚ u napájen´ı. Kaˇzdá funkˇcn´ı jednotka i zdroj jsou zde podrobnˇe popsány jak jejich funkce, tak jejich sloˇzen´ı.

3.6.1

Pˇ revodn´ık pro Ni1000

Obrázek 3.9: Pˇrevodn´ık pro Ni1000 (1F 021 571)

Funkˇcn´ı jednotka pˇrevodn´ıku 1F 021 571 je sestavou 5 kus˚ u jednotek pˇrevodn´ık˚ u tvoˇr´ıc´ıch sestavu 1K 021 571. Vlastn´ı obvod pˇrevodn´ıku je tvoˇren odporov´ ym sn´ımaˇcem tep-

´ ZAPOJENÍ FUNKCN ˇ ÍCH BLOKU ˚ 3.6. ELEKTRONICKE

21

loty typu Ni1000 zapojen´ ym v jedné vˇetvi mˇeˇric´ıho m˚ ustku. V sousedn´ı vˇetvi je zapojen odporov´ y trimr 2k2/N, kter´ ym se dostavuje posun nulového potenciálu. Protilehlé rezistory R30, R31 s odpory 10 k slouˇz´ı pro základn´ı nastaven´ı rozsahu. Cel´ y mˇeˇric´ı m˚ ustek je napájen ze zdroje stabilizovaného napˇet´ı +24 V. Elektrolytick´ y kondenzátor 22 µF/80 V slouˇz´ı jako filtr blokuj´ıc´ı pˇrenos neˇzádouc´ıch sloˇzek impulsn´ıho ruˇsen´ı od sp´ınaˇc˚ u do obvodu m˚ ustku. V horizontáln´ı uhlopˇr´ıˇcce mˇeˇric´ıho m˚ ustku je zapojen operaˇcn´ı zesilovaˇc v invertuj´ıc´ım zapojen´ı. Tento zesilovaˇc slouˇz´ı k impedanˇcn´ımu oddˇelen´ı m˚ ustku od PC karty a k pˇrevodu napˇet´ı mˇeˇric´ıho m˚ ustku na u ´roveˇ n vhodnou pro dalˇs´ı zpracován´ı. Zes´ılen´ı je moˇzno dostavit odporov´ ym trimrem 1k5/N v rozsahu od 15,6 do 18,0. Keramické destiˇckové kondenzátory 100 nF/25 V slouˇz´ı jako vysokofrekvenˇcn´ı blokován´ı operaˇcn´ıho zesilovaˇce.

3.6.2

Topn´ yˇ cl´ anek

Obrázek 3.10: Elektrické schéma topného ˇcl´ anku (1F 001 181)

Funkˇcn´ı jednotka je sloˇzena z 10 sériovˇe zapojen´ ych keramick´ ych v´ ykonov´ ych rezistor˚ u 0,56/10 W. Celkov´ y odpor zapojen´ı je 5,6 Ω a mezn´ı trval´ y ztrátov´ y v´ ykon je 100 W. Topn´ y ˇclánek je navrˇzen pro mezn´ı napájec´ı napˇet´ı 24 V. Pˇri tomto napˇet´ı je odeb´ıran´ y proud cca 4,3 A, ztrátov´ y v´ ykon je cca 103 W. Z d˚ uvodu vˇetˇs´ıho proudového odbˇeru jsou napájec´ı svorky zdvojeny.

22

3.6.3


Stabiliz´ ator +12 V

Obrázek 3.11: Stabiliz´ ator +12 V (1F 021 051)

Celé zapojen´ı je kompletn´ı stabilizovan´ y napájec´ı zdroj +12 V/max. 500 mA jiˇstˇen´ y rychlou tavnou pojistkou 630 mA. Zapojen´ı se skládá z transformátoru 230 V/12 V/6 VA urˇceného k zabudován´ı do ploˇsného spoje, jednofázového dvoucestného m˚ ustkového usmˇern ˇovaˇce (Graetz˚ uv m˚ ustek) tvoˇreného 4 diodami KY 133, nárazového (filtraˇcn´ıho) elektrolytického hlin´ıkového kondenzátoru 1 mF/40 V a integrovaného stabilizátoru typu 7812. Obvod 7812 je zapojen v doporuˇceném zapojen´ı. Vstup i v´ ystup integrovaného stabilizátoru 7812 jsou zablokovány keramick´ ymi kondenzátory 100 nF proti parazitn´ım vysokofrekvenˇcn´ım oscilac´ım. Na v´ ystupu stabilizátoru je zapojen hlin´ıkov´ y elektrolytick´ y kondenzátor 22 µF/80 V pro zlepˇsen´ı dynamické odezvy celého obvodu. Zpˇetnˇe polarizovaná dioda KY 133 chrán´ı integrovan´ y obvod proti zkratu na vstupu. Obvod 7812 v pouzdˇre TO-220 je pro lepˇs´ı odvod tepla namontován na chladiˇc.

3.6.4

Stabiliz´ ator +5 V

Na obr. 3.12 je lineárn´ı stabilizátor +5 V/max. 1 A s integrovan´ ym obvodem 7805 zapojen´ ym v klasickém zapojen´ı. Vstup i v´ ystup integrovaného stabilizátoru 7805 jsou zablokovány keramick´ ymi kondenzátory 100 nF proti parazitn´ım vysokofrekvenˇcn´ım oscilac´ım. Na v´ ystupu stabilizátoru je zapojen hlin´ıkov´ y elektrolytick´ y kondenzátor 22 µF/80 V pro zlepˇsen´ı dynamické odezvy celého obvodu. Zpˇetnˇe polarizovaná dioda KY 133 chrán´ı in-


23

tegrovan´ y obvod proti zkratu na vstupu. Vstupn´ı napˇet´ı se uvaˇzuje +12 V, ale m˚ uˇze b´ yt aˇz +35 V. Obvod 7805 v pouzdˇre TO-220 je pro lepˇs´ı odvod tepla namontován na chladiˇc.

Obrázek 3.12: Stabilizátor +5 V (1F 021 041)

3.6.5

Stabiliz´ ator −12 V

Obrázek 3.13: Stabilizátor −12 V (1F 021 052)

Celé zapojen´ı je kompletn´ı stabilizovan´ y napájec´ı zdroj −12 V/max. 250 mA jiˇstˇen´ y rychlou tavnou pojistkou 315 mA. Zapojen´ı sestává z transformátoru 230 V/12 V/3 VA urˇceného k zabudován´ı do ploˇsného spoje, jednofázového dvoucestného m˚ ustkového usmˇerˇ novaˇce (Graetz˚ uv m˚ ustek) tvoˇreného 4 diodami KY 133, nárazového (filtraˇcn´ıho) elektrolytického hlin´ıkového kondenzátoru 1 mF/40 V a integrovaného stabilizátoru typu 7912.


24

Obvod 7912 je zapojen v doporuˇceném zapojen´ı. Vstup i v´ ystup integrovaného stabilizátoru 7912 jsou zablokovány keramick´ ymi kondenzátory 100 nF proti parazitn´ım vysokofrekvenˇcn´ım oscilac´ım. Na v´ ystupu stabilizátoru je zapojen hlin´ıkov´ y elektrolytick´ y kondenzátor 22 µF/80 V pro zlepˇsen´ı dynamické odezvy celého obvodu. Zpˇetnˇe polarizovaná dioda KY 133 chrán´ı integrovan´ y obvod proti zkratu na vstupu. Obvod 7912 v pouzdˇre TO-220 je pro lepˇs´ı odvod tepla namontován na chladiˇc.

3.6.6

Indikace nap´ ajen´ı

Obrázek 3.14: Indikace napájen´ı (1F 001 001)

Obvod slouˇz´ı pro indikaci funkce napájec´ıch jednotek stabilizovan´ ych zdroj˚ u +24 V, +12 V, +5 V a −12 V. Indikace jednotliv´ ych napˇet´ı je odliˇsena pouˇzit´ım r˚ uznobarevn´ ych sv´ıtiv´ ych diod (+24 V . . . ˇcervená, +12 V . . . ˇzlutá, +5 V . . . oranˇzová, −12 V . . . zelená). Elektrolytické hlin´ıkové kondenzátory 6,8 mF/35 V a 22 µF/80 V slouˇz´ı k blokován´ı napájec´ı vˇetve +24 V. Vˇetev +24 V je jiˇstˇena tavnou pojistkou 10 A se zpomalenou charakteristikou. Jiˇstˇen´ı napájec´ıch napˇet´ı +12 V, +5 V a −12 V je provedeno v pˇr´ısluˇsn´ ych stabilizovan´ ych napájeˇc´ıch.

3.6.7

PWM ˇ r´ızen´ı chlazen´ı

Funkˇcn´ı jednotka 1F 928 891 ˇr´ıd´ı Peltierovy ˇclánky, které zajiˇst’uj´ı funkci chlazen´ı a vˇetráˇcky. Toto ˇr´ızen´ı Peltierov´ ych ˇclánk˚ u je navrˇzeno pro provoz v reˇzimu ˇs´ıˇrkové pulsn´ı


25

Obrázek 3.15: PWM ˇr´ızen´ı chlazen´ı (1F 928 891)

ˇ ızen´ı je modulace. Je souˇca´st´ı vyˇsˇs´ı jednotky PWM smyˇcky chlazen´ı 1K 928 931. R´ zajiˇstˇeno analogov´ ym stejnosmˇern´ ym napˇet´ım 0 aˇz +10 V dodávan´ ym z pˇripojené poˇc´ıtaˇcové mˇeˇric´ı karty. Odporov´ y dˇeliˇc zapojen´ y na vstupu má nastaven dˇelic´ı pomˇer 1:1 a upravuje ˇr´ıdic´ı napˇet´ı na hodnotu 0 aˇz +5 V, která je vhodná pro zpracován´ı mikropoˇc´ıtaˇcovou jednotkou. Toto upravené ˇr´ıdic´ı napˇet´ı je vedeno na analogov´ y vstup PB5. Vlastn´ı PWM regulace je ˇreˇsena programovˇe uvnitˇr jednoˇcipového mikropoˇc´ıtaˇce Atmel ATtiny 85-20PU (verze programu 1P 928 891 V1). Diskrétn´ı v´ ystupy PB0, PB1 vedou do jednotek elektronick´ ych sp´ınaˇc˚ u 1F 001 171 a 1F 001 821 ovládaj´ıc´ıch Peltierovy chladic´ı ˇclánky a ventilátorky. Vstup TTL indikuje ˇr´ıdic´ı jednotce zapnut´ı/vypnut´ı spolupracuj´ıc´ı poˇc´ıtaˇcové karty. Tantalov´ y kapkov´ y kondenzátor 1 µF slouˇz´ı k vysokofrekvenˇcn´ımu blokován´ı napájen´ı mikropoˇc´ıtaˇcové jednotky.

3.6.8

PWM ˇ r´ızen´ı topen´ı

Funkˇcn´ı jednotka 1F 928 892 slouˇz´ı pro ˇr´ızen´ı dvou odporov´ ych topn´ ych ˇclánk˚ u. Toto ˇr´ızen´ı je navrˇzeno pro provoz v reˇzimu ˇs´ıˇrkové pulsn´ı modulace. Je souˇca´st´ı vyˇsˇs´ı jedˇ ızen´ı je zajiˇstˇeno analogov´ notky PWM smyˇcky topen´ı 1K 928 932. R´ ymi stejnosmˇern´ ymi napˇet´ımi 0 aˇz +10 V dodávan´ ymi z pˇripojené poˇc´ıtaˇcové mˇeˇric´ı karty. Odporové dˇeliˇce 1k2/1k2 zapojené na analogov´ ych vstupech PB2 a PB5 mikropoˇc´ıtaˇcové jednotky maj´ı

26


Obrázek 3.16: PWM ˇr´ızen´ı topen´ı (1F 928 892)

nastaven dˇelic´ı pomˇer 1:1 a upravuj´ı ˇr´ıdic´ı napˇet´ı na hodnotu 0 aˇz +5 V, která je vhodná pro zpracován´ı mikropoˇc´ıtaˇcovou jednotkou. Vlastn´ı dvojité paraleln´ı PWM ˇr´ızen´ı je ˇreˇseno programovˇe uvnitˇr jednoˇcipového mikropoˇc´ıtaˇce Atmel ATtiny 85-20PU (verze programu 1P 928 892 V1). Diskrétn´ı v´ ystupy PB0, PB1 vedou do jednotek elektronick´ ych sp´ınaˇc˚ u 1F 001 171 ovládaj´ıc´ıch topné ˇclánky 1F 001 181. Tantalov´ y kapkov´ y kondenzátor 1 µF slouˇz´ı k vysokofrekvenˇcn´ımu blokován´ı napájen´ı mikropoˇc´ıtaˇcové jednotky.


3.6.9

27

Elektronick´ y sp´ınaˇ c ventil´ ator˚ u

Obrázek 3.17: Elektronick´ y sp´ınaˇc ventil´ ator˚ u (1F 001 821)

Základn´ı funkˇcn´ı jednotka 1F 001 821 je reléov´ y elektronick´ y sp´ınaˇc a je souˇcást´ı kombinované jednotky PWM smyˇcky chlazen´ı 1K 928 931. Slouˇz´ı ke sp´ınán´ı 4 kus˚ u ventilátork˚ u um´ıstˇen´ ych na chladiˇc´ıch Peltierov´ ych ˇclánk˚ u. Tranzistor NPN typu BC 337-25 slouˇz´ı ke zv´ yˇsen´ı proudové citlivosti relé typu JZC-33F. Odporov´ y dˇeliˇc 1k2/100k zapojen´ y v bázi tohoto tranzistoru slouˇz´ı k nastaven´ı definovan´ ych u ´rovn´ı v rozepnutém a sepnutém stavu sp´ınaˇce. Rezistory 150R a 180R jsou zapojeny jako pˇredˇradné sráˇzec´ı rezistory pro u ´pravu napˇet’ové u ´rovnˇe pro pouˇzité miniaturn´ı relé. Rychlé kˇrem´ıkové usmˇerˇ novac´ı diody D6, D7 typu KY 196 pln´ı funkci komutaˇcn´ı pˇrepˇet’ové ochrany bipolárn´ıho tranzistoru a filtraˇcn´ıho elektrolytického kondenzátoru. Indikace sepnut´ı ventilátor˚ u je provedena sv´ıtivou diodou LED3. Elektrolytick´ y kondenzátor 22 µF/80 V slouˇz´ı k zamezen´ı pˇrenosu ruˇsiv´ ych kmitoˇctov´ ych sloˇzek zp˚ usoben´ ych provozem ventilátor˚ u zpˇet do obvodu napájen´ı.

28

3.6.10


Elektronick´ y sp´ınaˇ c topn´ ych a Peltierov´ ych ˇ cl´ ank˚ u

Obrázek 3.18: Elektronick´ y sp´ınaˇc topn´ ych a Peltierov´ ych ˇcl´ ank˚ u (1F 001 171)

Funkˇcn´ı jednotka 1F 001 171 je elektronick´ y bezkontaktn´ı sp´ınaˇc vyuˇz´ıvaj´ıc´ı unipolárn´ı tranzistor HEXFET typu IRFZ 44N v zapojen´ı se spoleˇcnou zdrojovou elektrodou. Tranzistor má v kolektoru zapojenu zátˇeˇz (topné ˇclánky typu 1F 001 181, Peltierovy ˇclánky) napájenou ze zdroje +24 V a tuto zátˇeˇz sp´ıná proti nulovému potenciálu. Odporov´ y dˇeliˇc R7, R9 slouˇz´ı k nastaven´ı definovan´ ych u ´rovn´ı ˇr´ıdic´ıch napˇet´ı hradla pˇri sepnutém a rozepnutém stavu sp´ınaˇce. Indikace sepnut´ı sp´ınaˇce je provedena sv´ıtivou diodou LED1. Dioda D1 typu KY 133 je zapojena ve funkci komutaˇcn´ı pˇrepˇet’ové ochrany.

3.7

V´ yvojov´ e diagramy mikropoˇ c´ıtaˇ ce ATMEL

V této ˇca´sti jsou uvedeny a popsány v´ yvojové diagramy program˚ u (topen´ı 1P 928 892 V1, chlazen´ı 1P 928 891 V1) obsaˇzen´ ych v mikropoˇc´ıtaˇc´ıch Atmel. Programy jsou vytvoˇreny v programovém prostˇred´ı Bascom. Mikropoˇc´ıtaˇce v obvodu slouˇz´ı k ˇr´ızen´ı stˇr´ıdy

´ ´ DIAGRAMY MIKROPOC ˇ ÍTACE ˇ ATMEL 3.7. VYVOJOV E

29

PWM signálu ovládaj´ıc´ıho prostˇrednictv´ım elektronického sp´ınaˇce dva kusy Peltierov´ ych chladic´ıch ˇclánk˚ u a dvˇe topná tˇelesa. Dále jeˇstˇe ovládaj´ı sp´ınán´ı ventilátor˚ u obsaˇzen´ ych v chladic´ıch jednotkách. Generace PWM signálu je ˇreˇsena jako dvojitá paraleln´ı impulsn´ı ˇs´ıˇrková modulace s pevn´ ym kmitoˇctem a promˇennou stˇr´ıdou. Struktura obou algoritm˚ u, která je znázornˇena na obr. 3.19 a obr. 3.20, je následuj´ıc´ı. Na samotném zaˇca´tku se nacház´ı inicializace. Tato inicializace zahrnuje konfiguraci mikropoˇc´ıtaˇce, kde je nastaven typ obvodu, kmitoˇcet, velikost vyuˇzit´ ych pamˇet´ı a zabezpeˇcen´ı programu. Dále se nacház´ı deklarace konstant a promˇenn´ ych, názv˚ u a orientace V/V linek a konfigurace A/D pˇrevodn´ıku. Souˇca´st´ı inicializace je i nastaven´ı v´ ystupn´ıch promˇenn´ ych do poˇcáteˇcn´ıho stavu nula. Následuje hlavn´ı tˇela program˚ u.

3.7.1

Algoritmus pro ˇ r´ızen´ı topen´ı

Na obr. 3.19 je pomoc´ı v´ yvojového diagramu znázornˇen algoritmus, kter´ ym ˇr´ıd´ı mikropoˇc´ıtaˇc vytápˇen´ı laboratorn´ıho modelu. Postup algoritmu je následuj´ıc´ı. Na samotném zaˇca´tku jsou naˇcteny hodnoty z analogov´ ych vstup˚ u PB2 a PB5, které jsou pˇrivedeny z poˇc´ıtaˇcové karty a zastupuj´ı poˇzadované v´ ykony topn´ ych ˇclánk˚ u. Následuje rozhodován´ı PB5 > PB2? • Pokud nen´ı podm´ınka splnˇena, je testována rovnost vstupn´ıch hodnot PB5 = PB2. Je-li tato podm´ınka rovnosti splnˇena, jsou vypoˇc´ıtány odpov´ıdaj´ıc´ı stˇr´ıdy impuls˚ u PWM signál˚ u pro obˇe topná tˇelesa. Následnˇe jsou topná tˇelesa sepnuta dle vypoˇc´ıtané stˇr´ıdy. Poté se algoritmus vrac´ı na zaˇca´tek, kde se naˇc´ıtaj´ı vstupn´ı hodnoty z poˇc´ıtaˇce. Nen´ı-li podm´ınka rovnosti splnˇena, jsou vypoˇc´ıtány (jin´ y v´ ypoˇcet) odpov´ıdaj´ıc´ı stˇr´ıdy impuls˚ u PWM signál˚ u pro obˇe topná tˇelesa. Následnˇe jsou topná tˇelesa sepnuta dle vypoˇc´ıtané stˇr´ıdy. Poté se algoritmus vrac´ı na zaˇca´tek, kde se naˇc´ıtaj´ı vstupn´ı hodnoty z poˇc´ıtaˇce. • Je-li podm´ınka PB5 > PB2 splnˇena, jsou vypoˇcteny (jin´ y v´ ypoˇcet) odpov´ıdaj´ıc´ı stˇr´ıdy impuls˚ u PWM signál˚ u pro obˇe topná tˇelesa. Následnˇe jsou topná tˇelesa sepnuta dle vypoˇc´ıtané stˇr´ıdy. Poté se algoritmus vrac´ı na zaˇca´tek, kde se naˇc´ıtaj´ı vstupn´ı hodnoty z poˇc´ıtaˇce. Zp˚ usob v´ ypoˇctu stˇr´ıdy PWM signál v jednotliv´ ych vˇetv´ ych algoritmu je podrobnˇe popsán (okomentován) ve vlastn´ım programu.

30


Obrázek 3.19: Algoritmus pro ˇr´ızen´ı topen´ı

´ ´ DIAGRAMY MIKROPOC ˇ ÍTACE ˇ ATMEL 3.7. VYVOJOV E

3.7.2

Algoritmus pro ˇ r´ızen´ı chlazen´ı

Obrázek 3.20: Algoritmus pro ˇr´ızen´ı chlazen´ı

31


32

Na obr. 3.20 je pomoc´ı v´ yvojového diagramu znázornˇen algoritmus, kter´ ym mikropoˇc´ıtaˇc ˇr´ıd´ı chlazen´ı laboratorn´ıho modelu. Postup algoritmu je následuj´ıc´ı. Na samotném zaˇcátku je testováno, zdali je zapnut´ y poˇc´ıtaˇc. • Pokud podm´ınka nen´ı splnˇena, algoritmus se vrac´ı zpˇet na zaˇca´tek a testuje zdali je zapnut´ y poˇc´ıtaˇc, dokud nebude podm´ınka splnˇena. • Pokud je podm´ınka splnˇena. Je naˇctena hodnot z analogového vstupu PB5, která je pˇrivedena z poˇc´ıtaˇcové karty a zastupuje poˇzadované v´ ykony obou chladic´ıch Peltierov´ ych ˇclánk˚ u. Jsou vypoˇc´ıtány odpov´ıdaj´ıc´ı stˇr´ıdy impuls˚ u PWM signál˚ u pro Peltierovy ˇclánky. Následnˇe jsou zapnuty ventilátory a ˇclánky jsou sepnuty dle vypoˇc´ıtané stˇr´ıdy. Následnˇe je opˇet testováno, zdali je zapnut´ y poˇc´ıtaˇc. Pokud je poˇc´ıtaˇc vypnut´ y, je spuˇstˇeno dochlazen´ı modelu po pˇrednastavenou dobu. Pokud je poˇc´ıtaˇc zapnut´ y, algoritmus se vrac´ı na zaˇca´tek, kde se naˇc´ıtaj´ı vstupn´ı hodnoty. Následuj´ıc´ı tabulka obsahuje informace o propojen´ı mezi laboratorn´ım modelem a mˇeˇric´ı kartou MF 624. Tabulka 3.1: Propojen´ı domku s PC kartou

Komponenta

MF 624 (pin)

MF 624 (sign´ al)

Chladic´ı jednotky

20

DA0

Topné tˇeleso v pravé m´ıstnosti

21

DA1

Topné tˇeleso v levé m´ıstnosti

22

DA2

Indikace zapnut´ı PC pro chlazen´ı

28

+5 V (TTL)

Senzor ve stˇenˇe pravé m´ıstnosti

1

AD0

Senzor uvnitˇr pravé m´ıstnosti

2

AD1

Senzor ve stˇenˇe levé m´ıstnosti

3

AD2

Senzor uvnitˇr levé m´ıstnosti

4

AD3

Senzor venkovn´ı

5

AD4

GND silová ˇca´st

9

AGND

GND senzory

29

GND

Kapitola 4 Neˇ reˇ sen´ eu ´ lohy Tato kapitola obsahuje nˇekolik u ´loh t´ ykaj´ıc´ıch se studentské práce na laboratorn´ım modelu. Tyto u ´lohy maj´ı stejnou strukturu jako (Roubal, J., 2012, kapitola 4).

Obrázek 4.1: Poˇc´ıtaˇcov´ y model laboratorn´ıho domku

4.1

Zad´ an´ı laboratorn´ıch u ´ loh

Pˇ r´ıklad 4.1: Urˇcete vstupy a v´ ystupy Modelu vytápˇeného domku. Pˇ r´ıklad 4.2: Ovˇeˇrte chován´ı tohoto modelu a jeho komunikaci s poˇc´ıtaˇcem (zjistˇete, v jak´ ych rozsaz´ıch se pohybuj´ı vstupn´ı a v´ ystupn´ı veliˇciny). Dále si naˇcrtnˇete schématicky tento laboratorn´ı model a vyznaˇcte do tohoto nákresu vˇsechny veliˇciny (vˇcetnˇe vstupn´ıch veliˇcin). 33

ˇ SEN ˇ E ´ ULOHY ´ KAPITOLA 4. NERE

34

Pˇ r´ıklad 4.3: Urˇcete statickou pˇrevodn´ı charakteristiku senzor˚ u teploty U [V] → T [◦ C]. Tabulka 4.1: Data pro statickou pˇrevodn´ı charakteristiku senzoru

T [◦ C] U [V] Pˇ r´ıklad 4.4: Vytvoˇrte simulinkov´ y model reprezentuj´ıc´ı laboratorn´ı model bez stˇredn´ı pˇrepáˇzky, kter´ y lze popsat rovnicemi i ¢ dTa (t) 1 h Sw ¡ = Ta (t) − Tw (t) + φs (t) , −λw dt ρa ca Va δw /2 h ¢ ¢i dTw (t) 1 Sw ¡ Sw ¡ = λw Ta (t) − Tw (t) −λw Tw (t) − Tout (t) , dt ρw cw Vw δw /2 δw /2

(4.1)

(4.2)

kde ca , cw [J kg−1 K−1 ] jsou mˇerné tepelné kapacity vzduch a stˇen, Sw [m2 ] je plocha stˇen, Ta , Tw , Tout [K] je teplota vzduchu v m´ıstnosti, teplota stˇen a venkovn´ı teplota, Vw [m3 ] je objem stˇen, δw [m] je tlouˇst’ka stˇen, λw [W m−1 K−1 ] je mˇerná tepelná vodivost stˇen, ρa , ρw [kg m−3 ] jsou hustoty vzduchu a stˇen, φs [W] je tepeln´ y tok dodávan´ y topn´ ym tˇelesem. V tˇechto rovnic´ıch nen´ı uvaˇzován prostup tepla okny, kter´ y je podstatn´ y pro pˇresnost simulace. Z tohoto d˚ uvodu si studenti musej´ı tyto rovnice upravit sami. Pˇ r´ıklad 4.5: Vytvoˇrte simulinkov´ y model reprezentuj´ıc´ı laboratorn´ı model se stˇredn´ı pˇrepáˇzkou, kter´ y lze popsat rovnicemi i ¢ ¢ dTal (t) 1 h Swl ¡ Swi ¡ = −λw Tal (t)−Twl (t) −λwi Tal (t)−Twi (t) +φsl (t) , dt ρa ca Val δw /2 δwi /2

(4.3)

h ¢ ¢i dTwl (t) Swl ¡ 1 Swl ¡ +λw = Tal (t)−Twl (t) −λw Twl (t)−Tout (t) , dt ρw cw Vwl δw /2 δw /2

(4.4)

h ¢ ¢i Swi ¡ Swi ¡ dTwi (t) 1 +λwi Tal (t)−Twi (t) +λwi Tar (t)−Twi (t) , = dt ρwi cwi Vwi δwi /2 δwi /2

(4.5)

h ¢ ¢i 1 Swr ¡ Swr ¡ dTwr (t) = +λw Tar (t)−Twr (t) −λw Twr (t)−Tout (t) , dt ρw cw Vwr δw /2 δw /2

(4.6)

i ¢ ¢ 1 h Swr ¡ Swi ¡ dTar (t) Tar (t)−Twi (t) +φsr (t) , = −λw Tar (t)−Twr (t) −λwi dt ρa ca Var δw /2 δwi /2

(4.7)

ych stˇen a pˇrekde ca , cw , cwi [J kg−1 K−1 ] jsou mˇerné tepelné kapacity vzduch, obvodov´ páˇzky, Swi , Swl , Swr [m2 ] jsou plochy pˇrepáˇzky, stˇen levé a pravé m´ıstnosti, Tal , Tar [K] jsou

´ Í LABORATORNÍCH ULOH ´ 4.1. ZADAN

35

teploty vzduchu v levé a pravé m´ıstnosti, Twi , Twl , Twr [K] jsou teploty pˇrepáˇzky, stˇen levé a pravé m´ıstnosti, Tout [K] je venkovn´ı teplota, Val , Var [m3 ] jsou objemy vzduch˚ u v levé a pravé m´ıstnosti, Vwi , Vwl , Vwr [m3 ] jsou objemy pˇrepáˇzky, stˇen levé a pravé m´ıstnosti, δw , δwi [m] jsou tlouˇst’ky obvodov´ ych stˇen a pˇrepáˇzky, λw , λwi [W m−1 K−1 ] jsou mˇerné tepelné vodivosti obvodov´ ych stˇen a pˇrepáˇzky, ρa , ρw , ρwi [kg m−3 ] jsou hustoty vzduchu, obvodov´ ych stˇen stˇen a pˇrepáˇzky, φsl , φsr [W] jsou tepelné toky dodávané topn´ ymi tˇelesy v levé a pravé m´ıstnosti. V tˇechto rovnic´ıch nen´ı uvaˇzován prostup tepla okny, kter´ y je podstatn´ y pro pˇresnost simulace. Z tohoto d˚ uvodu si studenti musej´ı tyto rovnice upravit sami. Pˇ r´ıklad 4.6: Proved’te identifikaci laboratorn´ıho modelu. Navrhnˇete experimenty, ze kter´ ych urˇc´ıte neznáme parametry. Ovˇeˇrte shodu modelu se systémem pro r˚ uzné vstupn´ı signály. Pˇ r´ıklad 4.7: Vytvoˇrte stavov´ y model laboratorn´ıho modelu. Pˇ r´ıklad 4.8: Pokuste se linearizovat ve vhodném pracovn´ım bodˇe model systému. Urˇcete stavové matice A, B, C, D a pˇrenosy v Laplaceovˇe transformaci P (s) mezi jednotliv´ ymi vstupy a v´ ystupy systém˚ u. Pˇ r´ıklad 4.9: Urˇcete ˇrád, póly, stabilitu, statické zes´ılen´ı a ˇrád astatismu linearizovan´ ych stavov´ ych model˚ u z pˇredchoz´ıho pˇr´ıkladu. Postupujte dle (Roubal, J. et al., 2011, kapitola 3). Pro v´ ypoˇcty vyuˇzijte prostˇred´ı Matlab. Pˇ r´ıklad 4.10: Urˇcete ˇra´d, póly, nuly, stabilitu, statické zes´ılen´ı a ˇrád astatismu linearizovan´ ych pˇrenosov´ ych model˚ u z pˇr´ıkladu 4.8. Postupujte dle (Roubal, J. et al., 2011, kapitola 3). Pro v´ ypoˇcty vyuˇzijte prostˇred´ı Matlab. Pˇ r´ıklad 4.11: Navrhnˇete PID regulátor pro ˇr´ızen´ı laboratorn´ıho modelu pro • ˇr´ızen´ı teploty v pravé m´ıstnosti topn´ ym tˇelesem pˇri vypnutém topen´ı v levé m´ıstnosti; • ˇr´ızen´ı teploty v levé m´ıstnosti topn´ ym tˇelesem pˇri vypnutém topen´ı v pravé m´ıstnosti; • ˇr´ızen´ı teploty v celém domeˇcku pomoc´ı obou topn´ ych tˇeles. Ovˇeˇrte funkci PID regulátoru simulacemi uzavˇrené regulaˇcn´ı smyˇcky s linearizovan´ ym modelem.

36

ˇ SEN ˇ E ´ ULOHY ´ KAPITOLA 4. NERE

Pˇ r´ıklad 4.12: Ovˇeˇrte funkci PID regulátor˚ u navrˇzen´ ych v pˇredchoz´ım pˇr´ıkladˇe simulacemi uzavˇren´ ych regulaˇcn´ıch smyˇcek s nelineárn´ımi modely. Porovnejte odezvy regulaˇcn´ıch smyˇcek s linearizovan´ ymi a nelineárn´ımi modely. Zvláˇstn´ı pozornost dbejte na velikosti akˇcn´ıch zásah˚ u do model˚ u. Pˇ r´ıklad 4.13: Pokud vˇse pracuje správnˇe v pˇredeˇslém pˇr´ıkladu, aplikujte PID regulátory na laboratorn´ı model.

Kapitola 5 Z´ avˇ er V této absolventské práci byly splnˇeny vˇsechny poˇzadavky zadán´ı. Z matematicko-fyzikáln´ıch diferenciáln´ıch rovnic pro prostup tepla a akumulaci tepla ve stˇenˇe byl nejprve vytvoˇren v programovém prostˇred´ı MATLAB/Simulink poˇc´ıtaˇcov´ y model. Na základˇe teoretick´ ych v´ ypoˇct˚ u a simulac´ı byly navrˇzeny parametry, které byly dne 10.02.2014 pˇredány ´ nek, T., pro v´ yrobu laboratorn´ıho modelu, jeˇz je souˇcást´ı absolventské práce (Pecha 2014). Následnˇe byla navrˇzena a vyrobena elektronika pro komunikaci mezi modelem ˇ ızen´ı moa poˇc´ıtaˇcem s mˇeˇric´ı kartou MF 624 od firmy Humusoft (Humusoft, 2014). R´ delu je moˇzné pouze pomoc´ı poˇc´ıtaˇce. Komunikaˇcn´ı simulinkov´ y soubor je uloˇzen na pˇriloˇzeném DVD. Vytvoˇren´ y poˇc´ıtaˇcov´ y model v kapitole 2 simuluje budovu o jedné m´ıstnosti bez oken, která jsou pro izolaˇcn´ı vlastnosti budov kl´ıˇcová. Z tohoto d˚ uvodu v´ ysledky simulac´ı pˇresnˇe neodpov´ıdaj´ı reáln´ ym namˇeˇren´ ym dat˚ um, ale pouze pˇribliˇznˇe kop´ıruj´ı namˇeˇrené hodnoty, viz obr. 2.2. V´ ysledky simulac´ı vytvoˇreného poˇc´ıtaˇcového modelu ovˇsem postaˇcly pro pˇribliˇzné urˇcen´ı rozmˇer˚ u a v´ yrobn´ıho materiálu na realizaci laboratorn´ıho modelu. Pˇri tˇechto experimentech bylo nutné zadat do masky modelu pˇresné parametry. D´ıky souˇcasnému stavu informac´ı na internetu je nutné patˇriˇcné parametry ovˇeˇrit z nˇekolika nezávisl´ ych a ovˇeˇren´ ych zdroj˚ u. Nad rámec této absolventské práce byla provedena anal´ yza multifunkˇcn´ı mˇeˇric´ı karty MF 624 (Humusoft, 2014). Tato anal´ yza se zab´ yvá chován´ım karty pˇri vyp´ınán´ı a zap´ınán´ı PC. Samotn´ y experiment spoˇc´ıvá v pozorován´ı chován´ı digitáln´ıch a analogov´ ych vstup˚ u a v´ ystup˚ u. V pˇr´ıloze F je popsán podrobn´ y postup toho mˇeˇren´ı, z jehoˇz v´ ysledk˚ u také vycház´ı návrh komunikaˇcn´ı elektroniky (dochlazován´ı modelu). Pˇri návrhu elektroniky byly jako senzory teploty zvolena odporová ˇcidla typu Ni1000. Protoˇze mˇeˇric´ı karta MF 624 (Humusoft, 2014) neobsahuje odporové vstupy, bylo nutné 37

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

38

vytvoˇrit pˇrevodn´ıky (odpor-napˇet´ı) s operaˇcn´ımi zesilovaˇci. Jejich tvorbou oproti koupi vhodn´ ych pˇrevodn´ık˚ u byla vytvoˇrena finanˇcn´ı u ´spora v ˇrádech tis´ıc˚ u korun. Ke dni odevzdán´ı této absolventské práce nen´ı bohuˇzel mechanická konstrukce do´ nek, T., 2014), kompletnˇe dokonˇcena. Na modelu meˇcku, která vzniká v rámci (Pecha chyb´ı stˇrecha a povrchové u ´pravy stˇen. Aktuáln´ı stav modelu je na následuj´ıc´ım obrázku. Dále je tˇreba uvézt, ˇze teoretické v´ ypoˇcty a simulace provedené pro návrh konstrukˇcn´ıch parametr˚ u laboratorn´ıho modelu odpov´ıdaj´ı parametr˚ um p˚ udorysu 40 × 40 cm. ´ nek, T., 2014), ale vyrobená konstrukce Tyto parametry byly pˇredány k v´ yrobˇe (Pecha ovˇsem disponuje p˚ udorysem 40 × 38 cm. Tato odliˇsnost je zp˚ usobena nerespektován´ım ´ nek, T., 2014). navrˇzen´ ych parametr˚ u v (Pecha

Obrázek 5.1: Stav modelu k datu 12.5.2014

V matematicko-fyzikáln´ı rovnic´ıch popisuj´ı model domeˇcku v kapitole 4 nen´ı uvaˇzován prostup tepla okny, kter´ y je podstatn´ y pro pˇresnost simulace. Z tohoto d˚ uvodu si studenti musej´ı tyto rovnice upravit sami, aˇz budou s t´ımto modelem pracovat v Laboratoˇri aplikované informatiky a fyziky.

Literatura Bureˇ s, J. (2002), conVERTER [online]. [cit. 2014-01-12], hhttp://www.converter.cz/tabulky/vzduch.htmi. ˇ ızen´ı vytápˇen´ı rodinného domu, (Diplomová práce), CVUT ˇ ´ t, D. (2012), R´ Charva v Praze, Praha. Humusoft (2014), Humusoft s.r.o. [online]. [cit. 2014-04-07], hhttp://www.humusoft.cz/i. Kupka, L. (2007), MATLAB & Simulink u ´vod do pouˇzit´ı, Lanˇskroun: JSPRINT CZ s.r.o. ISBN 978-80-239-8871-0. ´ nek, T. (2001), Hodnoty fyzikáln´ıch veliˇcin vybran´ Laboutka, K. a Sucha ych stavebn´ıch materiál˚ u [online]. [cit. 2014-01-02], hhttp://stavba.tzb-info.cz/tabulky-a-vypoctyi. Lienhard, J. H. a Lienhard, J. H. (2003), A Heat Transfer Textbook, 3rd edn, Phlogiston Press. ISBN 0971383529. ´ nek, T. (2014), Konstrukce model˚ Pecha u vytápˇeného domku a vodn´ı elektrárny, (Abˇ SS, ˇ COP Sezimovo Ust´ ´ ı, Sezimovo Ust´ ´ ı. solventská práce), VOS, ˇ Roubal, J. (2012), V´ yukové materiály pro Laboratoˇr aplikované informatiky na VOS, ˇ (Bakaláˇrská práce), CVUT v Praze, MUVS, Praha. ˇek, J. a Ha ´ jek, J. (2009), Laboratoˇr teorie automatického ˇr´ızen´ı Roubal, J., Holec [online]. [cit. 2014-04-14], hhttp://support.dce.felk.cvut.cz/lab26/i. Roubal, J., Huˇ sek, P. a kol. (2011), Regulaˇcn´ı technika v pˇr´ıkladech, Praha: BEN – technická literatura. ISBN 978-80-7300-260-2. Schenk, C. (2014), MiKTeX [online]. [cit. 2014-04-07], hhttp://www.miktex.org/i. 39

40

LITERATURA

ˇ y ´r ˇ, T. (2011), Model vodn´ıho hospodáˇrst´ı – laboratorn´ı model, (Absolventská práce), Sik ˇ SS, ˇ COP Sezimovo Ust´ ´ ı, Sezimovo Ust´ ´ ı. VOS, ´ , M. a Ouhrabka, M. (2013), Pˇrenos tepla, Studijn´ı text pro Volf, I., Jareˇ sova ˇreˇsitele FO a ostatn´ı zájemce o fyziku [online]. [cit. 2013-11-27], hwww.fyzikalniolympiada.czi.

Pˇ r´ıloha A Obsah pˇ riloˇ zen´ eho CD/DVD K této práci je pˇriloˇzeno CD/DVD s následuj´ıc´ı adresáˇrovou strukturou. • Absolventsk´ a pr´ ace v LATEX2e • Elektronika modelu – Atmel: ˇr´ıdic´ı programy – Eagle: schéma zapojen´ı a ploˇsné spoje • Fotodokumentace: fotografie laboratorn´ıho modelu • Informaˇ cn´ ı ˇ st´ ıtek modelu • Matlab: zdrojové kódy z Matlabu a schémata ze Simulinku pro tvorbu graf˚ u – Karta MF624: (um´ıstˇeno v adresáˇri A_Appendices) ∗ MF624 mereni in.mdl: pˇrij´ımán´ı signálu ∗ MF624 mereni in data.m: vykreslen´ı graf˚ u mˇeˇren´ ych signál˚ u ∗ MF624 mereni out.mdl: vys´ılán´ı signálu – Simulinkov´ e modely: (um´ıstˇeno v adresáˇri 02_Chapter2) ∗ vytapeni dum.mdl: model rodinného domu ∗ vytapeni dum grafy.m: vykreslen´ı graf˚ u pro reáln´ y d˚ um ∗ vytapeni model.mdl: model laboratorn´ıho systému ∗ vytapeni model grafy.m: vykreslen´ı graf˚ u pro laboratorn´ı model ∗ model tloustka sten.mdl: model laboratorn´ıho systému – anal´ yza tlouˇst’ky stˇen I

ˇ ÍLOHA A. OBSAH PRILO ˇ ˇ EHO ´ PR ZEN CD/DVD

II

– model tloustka sten dr.m: vykreslen´ı graf˚ u zmˇeny tlouˇst’ky stˇeny pro dˇrevotˇr´ısku – model tloustka sten drevo.m: vykreslen´ı graf˚ u zmˇeny tlouˇst’ky stˇeny pro mˇekké dˇrevo – model tloustka sten OSB.m: vykreslen´ı graf˚ u zmˇeny tlouˇst’ky stˇeny pro OSB desku – model tloustka sten plexi.m: vykreslen´ı graf˚ u zmˇeny tlouˇst’ky stˇeny pro plexisklo – model vykon 80W.m: vykreslen´ı graf˚ u pˇri v´ ykonu topného tˇelesa 80W – model vykon 100W.m: vykreslen´ı graf˚ u pˇri v´ ykonu topného tˇelesa 100W • Namˇ er ˇen´ a data rodinn´ eho domu • Objedn´ avky a faktury • Simulinkov´ y komunikaˇ cn´ ı soubor • Rabinak AP 2014.pdf: absolventská práce ve formátu PDF

Pˇ r´ıloha B Pouˇ zit´ y software Adobe Photoshop hhttp://www.adobe.com/i Bascom AVR 2.0.7.1 hhttp://www.softadvice.com/i Diagram Designer 1.26 hhttp://www.slunecnice.cz/i Eagle 5.11.01 hhttp://www.solidedge.com/i LATEX hhttp://www.miktex.org/i MATLAB/Simulink R2006b hhttp://www.mathworks.com/i Multisim hhttp://www.multisim.com/i WinEdt 6.0 hhttp://www.winedt.com/i Zoner Callisto 5 hhttp://www.callisto.cz/i Software z v´ yˇse uvedeného seznamu je bud’ volnˇe dostupn´ y, nebo je toho ˇcasu jeho ´ ı, vlastn´ıkem Vyˇsˇs´ı odborná ˇskola, Stˇredn´ı ˇskola, Centrum odborné pˇr´ıpravy, Sezimovo Ust´ Budˇejovická 421, kde autor téhoˇz ˇcasu studoval a vytvoˇril tuto absolventskou práci.

III

IV

ˇ ÍLOHA B. POUZIT ˇ Y ´ SOFTWARE PR

Pˇ r´ıloha C ˇ Casov´ y pl´ an absolventsk´ e pr´ ace ˇ Cinnost tvorba simulinkového modelu popisuj´ıc´ıho

ˇ Casov´ a

Term´ın

n´ aroˇ cnost

ukonˇ cen´ı

Splnˇ eno

1 t´ yden

25.03.2013

05.03.2013

2 hodiny

30.04.2013

20.04.2013

tepelné jevy v domeˇcku nalezen´ı materiálov´ ych konstant stavebn´ıch prvk˚ u cw , ... urˇcen´ı geometrick´ ych parametr˚ u pro v´ yrobu

2 mˇes´ıce

01.12.2013

15.01.2014

v´ ybˇer sn´ımaˇc˚ u a akˇcn´ıch ˇclen˚ u)

1 mˇes´ıc

03.01.2014

20.01.2014

návrh ploˇsn´ ych spoj˚ u

2 t´ ydny

01.02.2014

25.02.2014

napsán´ı objednávky na elektronické kompo-

1 t´ yden

15.02.2014

27.02.2014

domeˇcku na základˇe simulac´ı

nenty a souˇcástky v´ yroba domeˇcku – zajiˇst’uje T. Pechánek

30.02.2014

návrh elektroniky pro komunikaci domeˇcku

2 t´ ydny

30.02.2014

21.03.2014

v´ yroba ploˇsn´ ych spoj˚ u

1 mˇes´ıc

20.03.2014

25.03.2014

instalace elektroniky a elektro komponent do

2 t´ ydny

30.03.2014

26.03.2014

2 t´ ydny

10.04.2014

12.04.2014

20.04.2014

12.05.2014

s PC

domeˇcku popis laboratorn´ıho modelu AP: kompletn´ı text

V

VI

ˇ ÍLOHA C. CASOV ˇ ´ PLAN ´ ABSOLVENTSKE ´ PRACE ´ PR Y

Pˇ r´ıloha D Tvorba modelu v ˇ case 29.11.2012 Odvozeny matematicko/fyzikáln´ı rovnice 05.03.2013 Rovnice naprogramovány do Simulinku 28.01.2014 Anal´ yza mˇeˇric´ı karty MF 624 10.02.2014 Dokonˇcena anal´ yza simulinkového modelu (srovnán´ı s reáln´ ymi daty) ´ nek, T., 2014) 10.02.2014 Pˇredán´ı parametr˚ u pro konstrukci modelu (Pecha 17.02.2014 Zakoupena OSB deska a dalˇs´ı stavebn´ı materiál 25.02.2014 Navrˇzena elektronika pro komunikaci s PC 27.02.2014 Sepsána objednávka elektro materiálu 04.03.2014 Sestavena základna domeˇcku 04.03.2014 Objednány elektronické souˇca´stky pro ˇr´ızen´ı modelu 07.03.2014 Dokonˇceny základny a obvodové zdi domeˇcku 07.03.2014 Dorazily elektronické souˇcástky 13.03.2014 Dokonˇcena hrubá stavba domeˇcku 17.03.2014 Vyrobena topná tˇelesa pro domeˇcek 19.03.2014 Sestaveny chladic´ı jednotky 19.03.2014 Dokonˇcen text v kapitole 2 VII

VIII

ˇ ÍLOHA D. TVORBA MODELU V CASE ˇ PR

25.03.2014 Vyrobena elektronika modelu 08.04.2014 Dokonˇcen text v kapitole 4 25.04.2014 Kompletn´ı zapojen´ı elektroniky na modelu 12.05.2014 Kompletn´ı text AP

Pˇ r´ıloha E Rozpoˇ cet projektu Následuj´ıc´ı tabulka uvád´ı finanˇcn´ı rozpoˇcet modelu zahrnuj´ıc´ı nákupy jednotliv´ ych souˇcást´ı a zakázky realizované mimo ˇskolu. Ceny jsou uvedeny vˇcetnˇe DPH a obvykle vˇcetnˇe poˇstovného a balného. Tabulka E.1: Finanˇcn´ı rozpoˇcet projektu

Komponenta

Kus˚ u Cena za kus

Cena celkem

OSB deska

1

63,-

63,-

Drobn´ y materiál (hˇreb´ıˇcky, ˇsroubky)

-

-

300,-

Plexisklo na v´ yrobu oken

1

1065,-

1065,-

Polystyrén XPS

1

40,-

40,-

Polystyrén EPS

1

7,-

7,-

Sololitová deska

3

110,-

330,-

Naˇrezán´ı sololitové desky

-

-

160,-

Lepidlo, tmel

-

-

320,-

Komponenty elektroniky

-

-

5200,-

Celkem

-

-

7485,-

Následuj´ıc´ı tabulka uvád´ı hodinov´ y rozpoˇcet práce na v´ yrobˇe modelu realizované v rámci ˇskoly. Tabulka obsahuje zkratky, které znamenaj´ı: AP – absolventská práce, OV – u ´sek odborného v´ ycviku, E – u ´sek elektro.

IX

ˇ ÍLOHA E. ROZPOCET ˇ PR PROJEKTU

X

Tabulka E.2: Hodinov´ y rozpoˇcet projektu

Pr´ ace

ˇ Clovˇ eko-

Pracovn´ık

hodin Simulinkov´ y model + anal´ yza

90

autor AP, vedouc´ı AP

V´ ykresové dokumentace

20

autor AP

Obrábˇen´ı

15

autor AP, uˇcitelé OV

Lepen´ı a montáˇz

21


Návrh elektroniky

25

autor AP, uˇcitel E

Realizace elektroniky

45

autor AP, vedouc´ı AP, uˇcitel E

Programován´ı mikroprocesoru

10

autor AP, uˇcitel E

Text AP

200


Celkem

426

-

Jen pro ilustraci pˇredpokládejme taxu 150 Kˇc za hodinu, poté je celková cena práce 63 900 Kˇc. Laboratorn´ı model tedy celkovˇe vyjde na 71 385 Kˇc. Jen pro srovnán´ı kalkulace ˇ y ´r ˇ, T., 2011), modely stavby Modelu vodn´ıho hospodáˇrstv´ı vycházela na 220 000 Kˇc (Sik zakoupené do laboratoˇre se pohybuj´ı od 164 816 Kˇc do 217 620 Kˇc. Tato kalkulace je poˇc´ıtána k 12.5.2014, kdy jeˇstˇe nen´ı kompletnˇe hotova mecha´ nek, T., nická konstrukce laboratorn´ıho modelu. Pˇresn´ y rozpoˇcet bude uveden v (Pecha 2014).

Pˇ r´ıloha F Anal´ yza mˇ eˇ ric´ı karty MF 624 Tato pˇr´ıloha se zab´ yvá chován´ım multifunkˇcn´ı mˇeˇric´ı karty MF 624 od firmy Humusoft (Humusoft, 2014) pˇri zap´ınán´ı a vyp´ınán´ı PC. Prvn´ı krok je vzájemné propojen´ı dvou PC pˇres katry MF 624 pomoc´ı komunikaˇcn´ıho konektoru vyrobeného studentem Jiˇr´ım Boˇstiˇckou. Blokové schéma propojen´ı obou PC je znázornˇeno na obr. F.1

Obrázek F.1: Blokové schéma propojen´ı PC1 s PC2 pomoc´ı karet MF 624

Jako dalˇs´ı krok je vytvoˇren´ı schémat pro komunikaci v prostˇred´ı Simulink, které je na následuj´ıc´ım obrázku. Schéma pro vys´ılán´ı analogového a digitáln´ıho signálu z karty um´ıstˇené v PC1 je na obr. F.2(a). Toto schéma obsahuje blok Adapter, kter´ y je základn´ım prvkem pro komunikaci s mˇeˇric´ı kartou. Dále schéma obsahuje bloky RT Out pro ovládán´ı analogového a digitáln´ıho v´ ystupu karty a bloˇcky Constant obsahuj´ıc´ı hodnoty 0, 1 a 10. Schéma pro pˇrij´ımán´ı a zobrazen´ı signál˚ u z karty um´ıstˇené v PC2 je na obr. F.2(b). Toto schéma obsahuje blok Adapter a bloky RT In, které slouˇz´ı pro mˇeˇren´ı jednotliv´ ych typ˚ u signál˚ u (analogové/digitáln´ı v´ ystupy). Pro jejich zobrazen´ı jsou zde dva bloky Scope. Bloˇcek Scope AD 6-7 zobrazuje pr˚ ubˇehy analogového vstupu karty v ˇcase a blok Scope Din 7 zobrazuje pr˚ ubˇeh vstupu digitáln´ıho. XI

ˇ ÍLOHA F. ANALYZA ´ ˇ RIC ˇ Í KARTY MF 624 PR ME

XII

(a) PC1 – vys´ılán´ı signál˚ u

(b) PC2 – pˇrij´ımán´ı signál˚ u

Obrázek F.2: Simulinková schémata pro komunikaci mezi kartami v PC1 a PC2

Pˇred spuˇstˇen´ım obou simulac´ı a samotn´ ym experimentem vyp´ınán´ı a zap´ınán´ı PC je nutné správné nastaven´ı blok˚ u RT Out a RT In ve shématu na obr. F.2. Toto nastaven´ı je na pˇriloˇzeném DVD v simulinkov´ ych komunikaˇcn´ıch souborech MF624_mereni_in.mdl a MF624_mereni_out.mdl. Samotn´ y experiment spoˇc´ıvá v pozorován´ı chován´ı analogov´ ych a digitáln´ıch v´ ystup˚ u karty MF624 um´ıstˇené v PC1 v závislosti na procesu zap´ınán´ı a vyp´ınán´ı. Prvn´ı mˇeˇren´ı se t´ yká pozorován´ı vyp´ınán´ı zapnutého PC1. Namˇeˇrené pr˚ ubˇehy pˇri tomto procesu jsou na obr. F.3. Tabulka F.1 popisuje jednotlivé kroky pˇri mˇeˇren´ı.

AD 6−7

10

PC1: DA6 PC1: 5V

5

0 0

10

20

30

40 t [s]

50

60

70

80

30

40 t [s]

50

60

70

80

1.5

DIN 7

PC1: DOUT7 1 0.5 0 0

10

20

Obrázek F.3: Pr˚ ubˇehy signál˚ u pˇri vyp´ın´ an´ı PC1

XIII

Tabulka F.1: Kroky pˇri vyp´ın´ an´ı PC1

Krok

ˇ [s] Cas

´ Ukon

1

10

2

do 20

3

30

vypnut´ı Simulinku (pˇri aktivn´ıch v´ ystupech DA6 a DOUT7)

4

40

vypnut´ı Matlabu

5

50

vypnut´ı PC

6

71,5

PC vypnuto

zapnut´ı simulace zapnut´ı DA, DOUT

Pˇri vyp´ınán´ı PC bylo zjiˇstˇeno: • Napájec´ı piny ±12 V a 5 V se deaktivuj´ı aˇz pˇri vypnut´ı PC. • Pˇri vypnut´ı Simulinku (Matlabu) z˚ ustávaj´ı na analogov´ ych a digitáln´ıch v´ ystupech karty Simulinkem posledn´ı nastavené hodnoty, které se vynuluj´ı aˇz s vypnut´ım PC. • Z tohoto d˚ uvodu je vhodné v simulinkov´ ych bloˇcc´ıch RT OUT nastavit poloˇzky Final output value na hodnotu 0. Druhé mˇeˇren´ı je zamˇeˇrené na opaˇcn´ y postup – zap´ınán´ı PC1. V tab. F.2 jsou zobrazeny jednotlivé kroky zap´ınán´ı PC1. Digitáln´ı a analogové pr˚ ubˇehy jsou na obr. F.4.

AD 6−7

10

PC1: DA6 PC1: 5V

5

0 0

20

40

60

80 t [s]

100

120

140

160

60

80 t [s]

100

120

140

160

1.5

DIN 7

PC1: DOUT7 1 0.5 0 0

20

40

Obrázek F.4: Pr˚ ubˇehy signál˚ u pˇri zap´ın´ an´ı PC1

ˇ ÍLOHA F. ANALYZA ´ ˇ RIC ˇ Í KARTY MF 624 PR ME

XIV

Tabulka F.2: Kroky pˇri zap´ın´ an´ı PC1

Krok

ˇ [s] Cas

´ Ukon

1

10

zapnuto PC

2

52

naˇctené pˇrihlaˇsovac´ı okno OS

3

95

uˇzivatel pˇrihláˇsen

4

100

zapnut Matlab

5

115

zapnut Simulink

6

130

otevˇren simulinkov´ y soubor

7

140

zapnuta simulace

8

160

vypnuta simulace

Pˇri zap´ınán´ı PC bylo zjiˇstˇeno: • Napájec´ı piny ±12 V a 5 V se aktivuj´ı okamˇzitˇe pˇri zapnut´ı PC. • Analogové a digitáln´ı v´ ystupy karty jsou na hodnotˇe 0. Jen pˇri zapnut´ı PC se na digitáln´ım v´ ystupu karty objev´ı na mal´ y okamˇzik logická jedniˇcka a na analogovém vstup cca hodnota −0,5 V.

Model vyt p їn іho domku C elektronika

Recommend Documents