Aktuální vydání

celé číslo

04

2017

Automatizace v chemii a petrochemii

Technika pro analýzu plynů a kapalin

celé číslo
Bezdotykové snímače provozních veličin – přednosti a omezení (část 2)

Karel Kadlec a Dušan Kopecký (dokončení z čísla 11/2016) 5. Bezdotykové snímače složení I mezi snímači složení lze nalézt snímače bezkontaktní. Jsou to např. snímače hustoty využívající radioaktivní záření a snímače vlhkosti pevných látek využívající absorpci a reflexi IČ záření nebo pracující na bázi mikrovlnné spektrometrie či detektory úniku hořlavých a dalších plynů. 5.1 Bezdotykové radiační snímače hustoty Při průchodu radioaktivního záření hmotným prostředím se zeslabuje tok záření a tento jev lze využít k měření hustoty kapalin. Pro zeslabení intenzity záření, které prošlo vrstvou kapaliny o tloušťce l a hustotě ρ, platí vztah:Φ = Φ0 e –μ l ρ          (1)  kde Φ0 je tok záření vystupující ze zdroje, Φ tok záření vystupují z měřeného prostředí, μ   součinitel zeslabení záření [5]. Měřicí zařízení používá stejné komponenty jako radioizotopové snímače hladiny. Podstatné součásti tvoří zdroj a detektor radioaktivního záření  Obr. 12. Radiační hustoměr Density Pro (upraveno podle [6]) (obr. 12). Protože intenzita záření se mění s časem, bývá zavedena automatická kompenzace jako funkce času anebo se provádí pravidelná korekce při kontrolním měření, kdy záření prochází mimo měřenou kapalinu [6]. Snímače hustoty s radioaktivním zářičem se nejčastěji vyrábějí jako průtočné a radioaktivní zářič a detektor procházejícího záření se montují na vnější stranu potrubí nebo provozní nádoby. Jde tedy o typické bezdotykové měření. Měří-li se na potrubí s velkým průměrem či na zásobníku, zářič a detektor se montují podle Obr. 13 Obr. 13. Instalace radiačních hustoměrů  Jestliže je třeba měřit na potrubí malého průměru (d < 150 mm), vzdálenost není pro dosažení požadované citlivosti a přesnosti měření dostatečná, a proto se zářič a detektor montují podle obr. 13b. Pouzdro zářiče bývá vybaveno uzavíracím mechanismem, který uzavírá otvor pro paprsky zářiče během montáže a údržby. Vzhledem k tomu, že cesta ionizačního záření zahrnuje stěny potrubí či nádoby, provádí se empirická kalibrace snímače s použitím roztoků o známé hustotě.  5.2 Snímače vlhkosti využívající infračervenou absorpci a reflexi Molekula vody se vyznačuje trvalým dipólovým momentem, který je příčinou schopnosti vody absorbovat elektromagnetické záření v infračervené části spektra. Voda se v IČ spektru projevuje charakteristickými absorpčními pásy, zejména v oblasti 1,4 až 1,45 µm a dále v rozmezí 1,9 až 1,94 µm. Přítomnost vody v materiálu je indikována na základě jejích absorpčních pásů a množství vody je zjišťováno z intenzit těchto pásů [7]. Při měření se používají zejména analyzátory vlhkosti pracující v blízké infračervené oblasti na vlnové délce 0,78 až 2,5 µm (Near-Infrared Region, NIR). Analyzátory mohou být jednoúčelové (pouze měření vlhkosti) či multifunkční, umožňující měřit i koncentrace dalších látek. Vzhledem k tomu, že u pevných látek je infračervené záření zcela pohlceno již v tenké povrchové vrstvě materiálu, používá se při měření zejména reflexní metoda. Absorpce se používá pouze výjimečně – při měření tenkých materiálů, jako je např. papír, kdy část záření vzorkem také prochází. Intenzita odraženého záření je nepřímo úměrná koncentraci vlhkosti ve vzorku, závislost je nelineár­ní. IČ analyzátor pro měření vlhkosti metodou reflexe je zobrazen v blokovém schématu na obr. 14a.  Obr. 14. Infračervený analyzátor vlhkosti pro měření metodou reflexe: a) blokové schéma, b) měření vlhkosti sypkého materiálu (zdroj: www.ndc.com ), c) měření vlhkosti masové směsi (zdroj: www.polz.cz)   Typické příklady použití zahrnují měření vlhkosti pekařských výrobků, pražené kávy, koření, oliv, sušených rajčat, cukru, soli, cereálií, sýru, obilovin, mouky, oříšků, instantních polévek, masových výrobků, sušeného ovoce a zeleniny a mnoha dalších. Na obr. 14b je provozní IČ analyzátor NDC (www.ndc.com) při měření vlhkosti sypkého materiálu a na obr. 14c je měření vlhkosti masové směsi IČ analyzátorem HK8 firmy Harrer Kassen (www.harrerkassen.com, v ČR dodává www.polz.cz) [8], [9]. 5.3 Snímače vlhkosti na bázi mikrovlnné spektroskopie Snímače vlhkosti na bázi mikrovlnné spektroskopie využívají vysokou relativní permitivitu vody (εr = 80), která velmi selektivně utlumuje mikrovlnné záření. Princip snímání je obdobný jako u infračervených analyzátorů vlhkosti. Mezi základní metody patří měření pomocí absorpce, transmise či reflexe mikrovlnného záření, navíc se zde uplatňují i rezonanční měření [7]. Při měření reflexe mikrovlnného záření se používají vlnovody, popř. koaxiální vedení, které jsou ukončeny dielektrickým materiálem, jehož vlhkost se měří. Na rozhraní ko­axiální vedení – dielektrický materiál se mění impedance, jež způsobuje odraz vysílané mikrovlny. Kombinace vysílaná vlna – odražená vlna vytváří stojaté vlnění, ze kterého lze pomocí jeho velikosti a pozice či pomocí velikosti a fáze odražené vlny vypočítat impedanci materiálu. Z impedance lze poté dopočítat jeho dielektrické vlastnosti. Tato metoda patří mezi měření využívající dvě veličiny. Přesnost měření ovlivňuje několik veličin, a to zejména hustota, iontová vodivost a teplota měřeného materiálu. Fluktuace hustoty vzorku hrají při měření velmi podstatnou roli, zatímco teplotu měřeného materiálu lze relativně snadno stanovit, udržovat konstantní či ovlivňovat. Velikost chyby způsobená iontovou vodivostí materiálu je v porovnání s již jmenovanými činiteli nepatrná. Výhodou mikrovlnného záření oproti záření infračervenému je zejména jeho schopnost pronikat do větší hloubky materiálu. Údaj o vlhkosti je tak získáván z většího objemu materiálu, což je důležité zejména tam, kde je měřen nehomogenní materiál. Konstrukce a nízké výkony snímačů umožňují nedestruktivní a neinvazivní měření, které je výhodné všude tam, kde je nutné dodržovat přísné hygienické normy a čistotu, zároveň jsou snímače bezpečné pro obsluhu. Měření navíc není ovlivňováno okolním prachem a vzdušnými parami. Je také velmi rychlé, a proto vhodné pro online analýzu vzorků na pásových dopravnících, násypkách či v potrubních systémech. Podobně jako IČ analyzátory vyžadují mikrovlnné přístroje specifickou kalibraci na daný vzorek, např. pomocí gravimetrických metod. Mikrovlnné metody se používají v mnoha případech. Například v potravinářském průmyslu jde o měření granulárních a sypkých materiálů (cukr) či tenkých plátů na pásových dopravnících, měření vlhkosti zrnin (obilí, kukuřice), mléčných výrobků (másla, sýrů) a masných výrobků (rybí či hovězí maso). Na obr. 15 je ukázka měření vlhkosti různých produktů na pásovém dopravníku mikrovlnným vlhkoměrem HK1 firmy Harrer Kassen (www.harrerkassen.com, v ČR dodává www.polz.cz) [8], [9].   a) měření vlhkosti sýrů                                                    b) měření vlhkosti sypkého materiálu   Obr. 15. Měření vlhkosti mikrovlnným vlhkoměrem (zdroj: www.polz.cz) 5.4 Bezdotykové detektory úniku plynů Při kontaktním měření úniku plynů se analyzuje vzorek atmosféry v místě měření. Bezdotykové detektory mají jednu základní přednost: umožňují únik detekovat z mnohem větší, bezpečné vzdálenosti. 5.4.1 Detekce úniku plynu laserovým IČ spektrometrem Pro efektivní vyhledávání úniku plynů byly vyvinuty přístroje s infračerveným laserovým spektrometrem. Přístroje založené na metodě TDLAS (Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy) využívají laditelný polovodičový laser ve spojení s absorpční spektroskopií v infračervené oblasti spektra a pracují v režimu reflexe. Při měření se využívá velmi úzké pásmo vlnových délek charakteristické pro sledovanou látku, ve kterém neabsorbuje žádná z vyskytujících se rušivých složek. Velkou předností metody TDLAS je velká citlivost, díky níž přístroje vykazují velmi nízké detekční limity, až v řádu dílů či částic na jeden milion (ppm). Laser je záření monochromatické, avšak u těchto přístrojů se využívá laditelný laser, který se přelaďuje v určitém pásmu, buď změnou teploty, nebo změnou napájecího proudu. Během přelaďování se získá jednak signál charakterizující koncentraci sledované látky, jednak signál charakterizující pozadí. Principiální uspořádání detektoru úniku plynu s laserovým IČ spektrometrem je na obr. 16a. Detekční zařízení může poskytovat údaj o koncentraci na číslicovém displeji nebo může být vybaveno videokamerou, která ve spojení s počítačem s vhodným softwarem poskytuje dokonalou informaci o lokalizaci místa úniku plynu. Hodnota signálu měřená detektorem je úměrná součinu koncentrace detekovaného plynu a vzdálenosti mezi měřicím přístrojem a místem odrazu laserového paprsku; měřicí rozsah a citlivost se proto uvádějí v jednotkách ppm·m. Detektor metanu ELLI firmy Esders [10] má měřicí rozsah 0 až 50 000 ppm·m metanu při rozsahu vzdálenosti snímání 30 m (až 50 m za dobrých podmínek odrazu). Přístroj umožňuje detekovat úniky i v obtížně přístupných místech, popř. v místech s potenciálním nebezpečím přístupu (obr. 16b).  Obr. 16. Detekce úniku plynu laserovým IČ spektrometrem (zdroj: www.esders.de ): a) principiál­ní schéma, b) měření laserovým detektorem ELLI, c) měření přístrojem GASCam SG  Přístroj GasCam SG [10] je velmi důmyslně řešený systém k detekci úniků metanu s citlivostí lepší než 50 ppm·m. Únik plynu je zobrazen v reál­ném čase na monitoru počítače v podobě barevného mraku plynu (obr. 16c) a přítomnost metanu může být spolehlivě indikována na vzdálenost až 100 m. Zobrazený oblak plynu může být znázorněn na různém pozadí reál­ných objektů. Při detekci však nelze využít takové pozadí, na kterém se neodráží laserový paprsek (např. oblohu). Stejný funkční princip používá přístroj SELMA (Street Evaluating Laser Methane Assessment) švýcarské firmy Pergam Suisse AG (www.pergam-suisse.ch, v ČR dodává www.spektravision.cz) [11], [12]. Přístroj je určen k detekci úniku zemního plynu v městské zástavbě nebo v otevřeném terénu  Obr. 17. Detekce úniku plynu (zdroj: Pergam Suisse AG) Laserová měřicí jednotka je umístěna na inspekčním automobilu a snímá přízemní koncentrace metanu nad terénem. Vlnová délka laserového paprsku 1,65 μm zajišťuje vysokou selektivitu měření koncentrace metanu (stanovení neruší uhlovodíky a další složky běžně obsažené ve výfukových plynech automobilů). Citlivost je 20 ppm·m a maximální vzdálenost detekovaného místa 50 m. 5.4.2 Detekce úniků plynu termokamerou Pro detekci a vizualizaci úniků plynů se používají termokamery vybavené chlazeným detektorem s vysokou citlivostí v určitém spektrálním pásmu. Využívá se přitom skutečnost, že při určitých vlnových délkách v infračerveném spektru jsou plyny buď částečně, nebo úplně netransparentní. Tyto plyny mají v dané oblasti spektra relativně malou propustnost (transmitanci) a naopak mají relativně velkou pohltivost (absorbanci). Plyny se pak na termogramu zobrazí jako pruh nebo oblak či mrak v místě výskytu nebo úniku daného plynu (obr. 18).  Obr. 18. Detekce úniku plynu termokamerou FLIR GF: a) zdroj: www.spektravision.cz , b) zdroj: www.tmvss.cz   Termokamera Flir GF 300 [13] je vybavena detektorem pro pásmo vlnových délek 3,2 až 3,4 μm a je schopna detekovat plyny nebo páry uhlovodíků a dalších těkavých organických látek, jako jsou např. metan, etan, propan, butan, pentan, hexan, heptan, oktan, etylen, propylen, izopren, benzen, etylbenzen, toluen, xylen, metanol, etanol, ketony a mnoho dalších. Termokamera FLIR GF306 [13] má detektor pro pásmo vlnových délek 10,3 až 10,7 μm a díky tomu může zobrazit např. čpavek nebo hexafluorid sírový (SF6), který se používá jako dielektrikum do transformátorů. Na trhu jsou k dispozici další typy termokamer s různou spektrální citlivostí pro detekci oxidu uhelnatého a uhličitého nebo pro detekci par různých organických látek vy­užívaných jako chladiva (např. R404A, R407C, R410A a další) [13]. Optické zobrazení úniků plynů při použití termokamer poskytuje spoustu výhod oproti klasickým detektorům úniku, které pracují kontaktními metodami, při nichž vzorek plynu do měřicí komory difunduje nebo se nasává. Termokamerou lze snadno sledovat i místa, která jsou pro kontaktní přístroje obtížně dostupná, a otestování sledovaných prostor a zařízení může být mnohem rychlejší.  (Článek vznikl na základě přednášky přednesené na konferenci ARaP 2016, www.arap.cz.)  Literatura: [5] KADLEC, Karel, Miloš KMÍNEK, Pavel KADLEC a kol. Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách. Ostrava: Key Publishing, 2015. ISBN 978-80--7418-232-7. [6] RMT. Density meter DENSITY PRO. [online]. Paskov: RMT 2005 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.rmt.cz/cz/produkty/procesni-instrumentace/mereni-hustoty-kapalin-VYPNUTO/137-hustomer-density-pro.html  [7] KOPECKÝ, Dušan a Karel KADLEC. Měření vlhkosti. In: Měření a řízení v potravinářských a biotechnologických výrobách. Ostrava: Key Publishing, 2015. ISBN 978-80-7418-232-7. [8] HARRER & KASSEN. Process Measurement Techniques: Catalog [online]. 2014, (Edition 9) [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.harrerkassen.com/pdfs/Katalog%20E.pdf  [9] POLZ INSTRUMENTS. Kontinuální měření vlhkosti [online]. Dvůr Králové nad Labem: Polz Instruments, s. r. o., 2011 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.polz.cz/userfiles/files/vlhkost/HK8-NIR-Cz.pdf  [10] ESDERS. Productvideo ELLI & GasCam [online]. Haselünne, Germany: Esders GmbH, 2013 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: https://youtu.be/3GAm-j_0B0Y  [11] PERGAM-SUISSE. Gas Leak Detection by SELMA [online]. Zuerich, Switzerland: Pergam-Suisse AG, 2014 [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.pergam-suisse.ch/fileadmin/medien/Selma/SELMA_CH_klein.pdf  [12] SPEKTRAVISION. Detekce úniku zemního plynu [online]. Nupaky: Spektravision, s. r. o., rok neuveden [cit. 2016-08-19]. Dostupné z: www.spektravision.cz/produkty/detekce-uniku-zemniho-plynu/  [13] FLIR. Optical Gas Imaging: Handheld GF Series Infrared Cameras [online]. Wilsonwille, USA: FLIR Systems, Inc., 2016 [cit. 2016-08--19]. Dostupné z: www.flirmedia.com/MMC/THG/Brochures/OGI_010/OGI_010_US.pdf    doc. Ing. Karel Kadlec, CSc., Ing. Dušan Kopecký, Ph.D., ústav fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha (karel.kadlec@vscht.cz) Tab. 8. Přednosti a omezení radiačních hustoměrů Přednosti Omezení a nevýhody –  bezkontaktní způsob měření (montáž vně potrubí), –  vykazují minimální poruchovost, –  uplatnění ve velmi těžkých provozních podmínkách, při kterých jiné metody nevyhovují, tj. při měření hustoty kapalin se značným obsahem nečistot, velmi agresivních kapalin a kapalin s velkou viskozitou, a to i při extrémních teplotách a tlacích včetně vakua, při vibracích technologického zařízení apod. –  měřené médium by nemělo obsahovat bubliny plynu; příčinou znatelných chyb jsou také usazeniny na stěnách, –  nevýhodou je nutnost chránit obsluhu před účinky radioaktivního ozáření a povinnost zajistit pravidelné kontroly zařízení předepsané zákonem   Tab. 9. Přednosti a omezení IČ senzorů při měření metodou reflexe Přednosti Omezení a nevýhody –  nedestruktivní, bezdotykové měření, –  schopnost měřit velkou rychlostí velmi malé hodnoty vlhkosti (asi do 10 %), –  měření vlhkosti výrobků přímo na pásových přepravnících –  vyžadují empirickou kalibraci pro daný typ materiálu, –  měří zejména povrchovou vlhkost, –  problémy se mohou vyskytnout při měření nehomogenních materiálů a materiálů tvořených částicemi o různých rozměrech   Tab. 10. Přednosti a omezení mikrovlnných reflexních vlhkoměrů Přednosti Omezení a nevýhody –  nedestruktivní, bezdotykové měření, –  schopnost pronikat do větší hloubky materiálu, –  velmi rychlá odezva, –  měření vlhkosti výrobků přímo na pásových přepravnících a v potrubí, –  možnost využití při vysokých požadavcích na čistotu a hygienu –  vyžadují empirickou kalibraci pro daný typ materiálu   Tab. 11. Přednosti a omezení bezdotykových detektorů úniku plynů Přednosti Omezení a nevýhody –  vysoká citlivost a selektivita stanovení, –  možnost detekovat malé úniky plynů i na velké vzdálenosti a na těžce dostupných místech, –  možnost snímat širokou oblast testovaného prostoru, –  rychlý a efektivní postup testování, –  potenciálně jedovaté či výbušné plyny lze odhalit z bezpečné vzdálenosti, –  možnost detekovat úniky v terénu z jedoucího vozidla –  s laserovými spektrofotometry nelze měřit proti obloze (vždy se musí měřit proti aparatuře či stavbě), –  vysoká cena       

Řídicí systém mobilního simulátoru deště

Ondřej Nývlt, Petr Kavka   Článek po úvodním popisu principů činnosti simulátoru deště a významu tohoto zařízení pro analýzu vodní eroze půdy podrobně informuje o výsledcích dosažených v první etapě modernizace mobilního simulátoru deště provozovaného Fakultou stavební ČVUT v Praze. Pozornost je věnována zejména novému řídicímu systému tohoto zařízení. Jsou uvedeny mj. první výsledky získané při ověřovacích zkouškách modernizovaného simulátoru v polních podmínkách a naznačeny směry dalšího rozvoje nového řídicího systému.   This paper describes in its first part a principle and an importance of a rainfall simulator for an analysis of soil erosion. In its main part the paper presents results which were achieved during the first phase of modernisation of the mobile rainfall simulator operated by Faculty of civil engineering at CTU in Prague. Attention is paid especially to a new control system of the simulator. The first results obtained at field tests of the modernised simulator as well as planned future extensions of its new control system are also included.   1. Úvod a motivace K vodní erozi půdy dochází v důsledku rozrušování povrchu půdy dešťovými kapkami a následného odnosu půdy povrchovým odtokem. Splavovaná svrchní a zároveň na živiny nejbohatší vrstva půdního krytu poté zanáší další části krajiny, včetně vodních toků či nádrží, a často tak poškozuje i lidská sídla a stavby. Jde o přírodní proces, který je obtížné sledovat, protože je závislý na příčinné dešťové srážce. Přirozeně se vyskytující intenzivní deště jsou velmi variabilní co do intenzity a vyskytují se náhodně. Proto je pro potřeby lokálních měřítek nahrazován přirozený déšť umělým s použitím simulátorů deště (jinak také dešťový simulátor – DS), využívaných po světě již déle než 50 let. Simulátory deště se využívají jak v laboratorních podmínkách, tak i přímo v terénu. Jejich hlavní předností je schopnost poměrně pohotově získat potřebné údaje (bez nutnosti čekat na přirozený déšť) za relativně stejných podmínek. Experimenty v laboratoři, při nichž lze detailně a opakovatelně sledovat mnoho půdních i odtokových charakteristik, lze při sledování vlivu vegetace využít jen omezeně [1].   Simulátory deště se kategorizují především podle svých rozměrů a způsobu použití a také podle principu tvorby kapek. Principů generování deště se používá mnoho, v základě se dělí na pulzní a kyvné.   Princip kyvných simulátorů spočívá v pohybu ramene, kdy je intenzita deště dána počtem kyvů ramene nad postřikovanou plochou. Předností je stabilní průtok, nedostatkem je větší spotřeba vody, která je u velkých zařízení a při použití v terénu limitující.   U pulzních simulátorů se požadované intenzity deště dosahuje otevíráním a zavíráním přívodu vody do trysek. Jde o systém náročnější na ovládání, neboť každou trysku je třeba ovládat zvlášť. Z hlediska udržení stálého tlaku vody v zařízení je nutné „spínat“ jednotlivé trysky v jejich těsné blízkosti. Při spínání po sekcích vzniká zpoždění a tlak vody v trysce nabíhá pomalu. Z hlediska generování umělého deště je důležité přesně udržovat kinetickou energii kapek, intenzitu a rovnoměrnost deště. Kinetická energie kapek, která je hlavním činitelem rozrušování půdních agregátů, je závislá na hmotnosti (velikosti) kapek a rychlosti jejich dopadu do půdy.   Katedra hydromeliorací a krajinného inženýrství Fakulty stavební ČVUT v Praze (FSv ČVUT) provozuje od roku 2001 halový simulátor deště [2] a následně také mobilní simulátor, který je využíván pro potřeby různých projektů od roku 2011 [3]. Hlavním úkolem mobilního simulátoru je provést erozní experiment, jehož základem je měření průběhu povrchového odtoku a množství erodovaného materiálu v čase. V roce 2015 bylo přijato rozhodnutí dosavadní mobilní simulátor kompletně zrenovovat a zmodernizovat, pokud jde o akční členy, pohon, rozvody vody a řídicí systém. Na realizaci nového řídicího systému se podílela firma Feramat Cybernetics, s. r. o. Jeho základem je modulární programovatelný automat WAGO-I/O-System 750, jehož jádrem je procesorová jednotka PFC 750-8202. Projekt modernizace simulátoru se skládá z několika etap – v první bylo renovováno zařízení a nainstalován nový řídicí systém, který umožňuje řídit a sledovat provozní veličiny simulátoru (průtok vody, sekvence otevírání trysek atd.) při použití bezdrátového uživatelského ovládání prostřednictvím PC, tabletu nebo inteligentního mobilního telefonu. Rozváděč řídicího systému byl záměrně naddimenzován, protože v dalších etapách bude sestava simulátoru deště rozšiřována o různé snímače hydrologických veličin, jejichž údaje se budou zaznamenávat do souborů na paměťovou kartu SD v procesorové jednotce PFC programovatelného automatu (PLC) pro pozdější zpracování. Do budoucna se např. připravuje přímé měření a kontinuální záznam průtoků v měrném žlabu, vlhkosti půdy a srážek.   2. Současný mobilní simulátor deště FSv ČVUT   2.1 Konstrukce simulátoru Samotné uspořádání mobilního simulátoru deště FSv ČVUT (dále jen „simulátor“, popř. „zařízení“) je podřízeno potřebám snadného ovládání a častého použití v terénu (obr. 1). Sada trysek je nesena na rozkládacím rameni z příhradové konstrukce s podporami. Délka ramene v rozloženém stavu je 10 m, takže je dosaženo rozměrů postřikované experimentální plochy 10 × 2 m. Experimentální plocha je po obvodu ohraničena plechovou bariérou dole ukončenou koncentračním plechovým sběračem ve tvaru trychtýře, který sbírá povrchový odtok se splaveninami do nádoby nebo jiného měřicího a vzorkovacího zařízení. Úkolem při modernizaci bylo mj. nastavit počet a vzdálenost postřikovacích trysek tak, aby experimentální plocha byla postřikována s co možná největší plošnou homogenitou. Tím nutně vznikají přestřiky do stran, kde je intenzita postřiku menší, což znamená větší požadavky na množství vody pro jednotlivý každý experiment, protože je jen zčásti využita k vlastnímu měření v mezích experimentální plochy.   Nejdůležitějším parametrem při měření s použitím simulátoru deště je, kinetická energie kapek, závisející jednak na pádové výšce kapek a jednak na jejich velikosti, která je dána typem trysky a zároveň tlakem vody v zařízení (dále jen „tlak“). Tlak je základním provozním parametrem každého simulátoru deště s tryskami, takže je důležité ho během měření udržovat konstantní a garantovat, že bude tentýž i při opakování měření. Nastavovat požadovanou intenzitu deště je vhodné nikoliv změnou tlaku v trysce, která by ovlivnila charakter deště, ale přerušováním výtoku z trysky při použití předřazeného elektromagnetického ventilu. Ventily u jednotlivých trysek jsou řídicím systémem otevírány a uzavírány v předem určeném naprogramovaném pořadí a intervalech. Za účelem minimalizovat rázy v rozvodu vody a udržet tak co možná homogenní výtok z trysek se u současných konstrukcí simulátorů používá střídavé otevírání a uzavírání stejně početných skupin trysek tak, aby průtokové poměry v rozvodu vody byly co možná stálé.   Vzhledem k potřebě garantovat stabilní charakteristiky vytvářeného deště byla provedena analýza dřívějších kalibračních měření jak z hlediska rovnoměrnosti postřiku, tak i z hlediska kinetické energie kapek. Výsledky analýz ukázaly potřebu poměrně zásadně obnovit dosavadní simulátor.   V původní sestavě simulátoru byly zapojeny čtyři trysky ve vzdálenostech 2,4 m od sebe. Ty byly v roce 2015 nahrazeny celkem devíti tryskami zapojenými ve skupinách po třech. Účelem je dosáhnout lepší rovnoměrnosti postřiku při menším provozním tlaku (při návrhových intenzitách deště okolo 60 mm/h) a také větší variability nastavení charakteristik deště (zejména prostorové i časové homogenity). Trysky jsou typu Spraying System WSQ 40 [4] a jejich vzájemný odstup je 1,2 m.   Standardní délka měřicí plochy byla stanovena na 8 m, zbylý postřikovaný prostor je využíván k umístění srážkoměru a k měření na menší postřikované ploše s rozměry 1 × 1 m, využívané k měření eroze působené výhradně plošným odtokem (tzv. mezirýžková eroze). Současnou konfiguraci trysek simulátoru a umístění experimentálních ploch vzhledem k tryskám ukazuje náčrtek na obr. 2, pohled na postřikovací rameno simulátoru připravované k měření je na obr. 3 (před zakrytím ochrannými plachtami).   Původní elektricky poháněné čerpadlo napájené z mobilní elektrocentrály bylo při modernizaci nahrazeno čerpadlem o výkonu 120 l/min poháněným zážehovým benzinovým motorem. Výkon tohoto čerpacího soustrojí je dostatečný k vyrovnání ztrát v potrubí i k dosažení maximální teoretické intenzity srážek 130 mm/h. Při standardním měření se předpokládá intenzita srážek 50 až 70 mm/h.   Celé zařízení je transportováno ve složeném stavu na přívěsném vozíku za automobil. Vedle konstrukce postřikovacího ramene jsou součástmi sestavy simulátoru nádrž na vodu o objemu 1 000 l, rozváděč s vlastní řídicí jednotkou a již zmíněné výkonné čerpací soustrojí.   2.2 Hardware řídicího systému Nový řídicí systém simulátoru se skládá z hardwarových komponent tří typů: akčních členů, snímačů a vlastního řídicího systému. Jako akční členy jsou použity: solenoidové ventily (jeden pro každou trysku, tj. devět kusů celkem, každý s proudovým odběrem 1,1 A), fyzicky propojené do tří skupin (1+4+7, 2+5+8, 3+6+9); přivedením napětí 12 V DC ventil otevírá přívod vody do trysky; najednou mohou být aktivované všechny ventily, a je tedy nutné dostatečně dimenzovat napájecí zdroj, regulační ventil značky Arag, udržující konstantní tlak v zařízení; ovládá se signálem ±12V DC, kdy polarita přivedeného signálu určuje směr pohybu kuželky ventilu, ventil hlavního obtoku, také značky Arag, přes který jde voda z čerpadla ke zmíněnému regulačnímu ventilu; ovládán je signálem ±12 V DC, kdy polarita určuje směr pohybu, při době přejezdu z úplného otevření do úplného zavření asi 1,2 s, dvoupolohový ventil značky Bragila, umístěný za regulačním ventilem a ovládající obtok přívodu vody do trysek; je ovládán připojením/odpojením napětí 12 V DC (obr. 4).   Ze snímačů je prozatím zapojen pouze snímač tlaku DMP 331 od firmy BD Sensors s proudovým výstupem, který měří tlak v hadicích na rameni u trysek a poskytuje základní údaj pro zpětnovazební regulaci.   Hardware vlastního řídicího systému tvoří jednotky modulárního systému WAGO-I/O-System 750 (PLC, karty I/O, napájecí zdroje) v sestavě: procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202 s ethernetovým portem Ethernet (obr. 5), karta DO (8×) WAGO 750-530 ke spínání relé a ovládání akčních členů, karta DI (8×) WAGO 750-430 s napojeným tlačítkem umístěným na dveřích rozváděče, karta AI 0 až 20 mA (4×) WAGO 750-453 s napojeným snímačem tlaku, zdroje napájení WAGO 787-1631 12 V DC (15 A) a WAGO 787-1606 24 V DC (2 A).   Vedle zmíněných komponent řídicí systém ještě obsahuje nutnou „bižuterii“ v podobě relé, jističů či ochran a také směrovač (router) WiFi, který vytváří malou lokální síť, do které je zapojena jednotka PFC, a díky němuž lze celé zařízení bezdrátově ovládat z tabletu/PC. Pohled na řídicí rozváděč simulátoru je na obr. 6.   2.3 Požadavky při simulování deště   2.3.1 Základní úlohy řídicího systému Z požadavků kladených v simulátoru na řídicí systém jsou nejdůležitější rychlost nastavení požadovaných parametrů deště a garance udržení provozních hodnot parametrů simulátoru v požadovaných mezích. Základní čtyři úlohy požadované od řídicího systému simulátoru lze formulovat takto: Udržovat během aktivního chodu simulátoru konstantní tlak v potrubí přivádějícím vodu z nádrže přes čerpadlo do trysek, z nichž proudí voda stále pod stejným tlakem nezávisle na počtu otevřených trysek. Zaručit bezpečné spuštění a ukončení činnosti zařízení tak, aby při uzavření trysek tlak vody nepoškodil přívodní hadice. Čerpací soustrojí vhánějící do potrubí vodu z nádrže lze totiž ovládat pouze manuálně a jeho výkon nelze řídit ani je nelze vypnout z PLC. Scénáře chodu trysek simulátoru musí být začleněny přímo do programu procesorové jednotky PFC. Zaručit automatický chod simulátoru tak, aby operátor nemusel složitě nastavovat parametry zařízení a aby ho stačilo jen rychle zaškolit. Operátor by měl simulátor ovládat bezdrátově z notebooku nebo tabletu. 2.3.2 Regulace tlaku vody (úloha ad 1) Udržovat tlak v potrubí vedoucím vodu od čerpadla ke tryskám na určité nastavené konstantní hodnotě je zcela zásadní požadavek.   Za tím účelem jsou v regulační smyčce zapojeny snímač tlaku, umístěný na postřikovacím rameni simulátoru, a regulační ventil. Nepříjemné na regulačním ventilu je, že je jednak ovládán polaritou (tj. pokud není přivedeno napětí, zůstává ve stálé poloze; je-li přivedeno +12 V, pohybuje se na jednu stranu, je-li přivedeno –12 V, pohybuje se na druhou), takže je třeba správně zapojit dvojici relé, a jednak neposkytuje žádnou zpětnou vazbu o poloze svého činného prvku či o dosažení konce rozsahu. Není tedy známo, nakolik je otevřený, a jeho otevření nelze nastavit na konkrétní hodnotu např. 25 %. Dopředná regulace tedy nemá smysl a je nutné využít zpětnou vazbu ze snímače tlaku. Vlastní regulační algoritmus využívá empiricky naladěnou strategii založenou na pravidlech (rule-based), kdy je ventil po krocích otevírán/zavírán podle vzdálenosti aktuální hodnoty tlaku od hodnoty požadované. Podle měření v terénu je tento regulátor tlaku zcela funkční, doba ustálení tlaku je přiměřeně krátká a hodnota tlaku setrvalá. Funkce regulace tlaku se zapíná pouze v okamžiku, kdy je otevřena alespoň jedna tryska. Jestliže jsou všechny trysky zavřeny, regulace se vypne (regulační ventil zůstane v poloze, kde právě skončil) a aktivují se obtoky (bypass).   2.3.3 Bezpečné spuštění a ukončení činnosti simulátoru (úloha ad 2) Pro účel blokace vstupu vody do potrubí je simulátor opatřen dvěma obtoky. Prvním je hlavní ventil, který přivádí vodu k regulačnímu ventilu a který také může sloužit jako obtok. Jeho uzavřením se tedy zcela zamezí vstupu vody do zařízení. Druhým obtokem je ventil uzavírající vstup do ramene s tryskami. Tento obtok je nutné aktivovat v případě, že se všechny trysky uzavřou a voda pod tlakem by neměla kam odtékat. První z uvedených obtoků představoval stejný problém s přepínáním polarity napájení jako regulační ventil. Vzhledem k tomu, že řídicí systém není trvale napájen, obtoky se při zapnutí napájení, po dobu, než začne fungovat jednotka PFC, nacházejí v „bezpečném“ stavu, tj. zapojení relé při stavu „logická 0“ odpovídá aktivovaným obtokům. Navíc je na dveřích rozváděče spolu s hlavním vypínačem napájení celého zařízení i přepínač, který teprve po nastavení do polohy „zapnuto“ povolí zapnout regulaci. Při přepínači v poloze vypnuto jsou aktivovány všechny obtoky a trysky jsou zavřeny (tzn. bezpečný stav). Správný postup obsluhy je tedy takový, že před vypnutím napájení nejprve přepne přepínač do polohy vypnuto a počká, až se přestaví ventily. Obdobně je třeba při zapnutí napájení nejprve vyčkat, poté přepínač přepnout do polohy zapnuto a teprve následně lze spustit scénář chodu trysek. Stav přepínače je indikován na operátorském rozhraní simulátoru (viz obr. 7).   2.3.4 Scénáře chodu trysek (úloha ad 3) Pouze regulace na vybranou hodnotu tlaku pro správný chod simulátoru nestačí. To je jen základní funkce, bez které simulátor nemůže fungovat. Pro účely správného vedení experimentů je dále nutné realizovat patřičné scénáře chodu trysek, podle nichž se v závislosti na čase automaticky otevírají/zavírají příslušné postřikovací okruhy, takže operátor nemusí řídit experiment ručně za použití stopek. Experti z FSv ČVUT navrhli pět scénářů, které splňují jejich požadavky, a tyto scénáře byly zahrnuty do řídicího programu PLC PFC. Uživatel pouze zadá délku pauzy a dobu, po kterou mají být otevřeny trysky, a aktivuje vybraný scénář. Ten se pak se zadanou pauzou periodicky opakuje až do deaktivace obsluhou.   2.3.5 Automatický chod simulátoru (úloha ad 4) Ovládání simulátoru musí být intuitivní – uživatel musí být zbaven starostí o chod regulace. Proto byl přímo na webovém serveru jednotky PFC vytvořen jednoduchý vizualizační program, který je po připojení na síť WiFi řídicího systému dostupný z libovolného webového prohlížeče s podporou jazyka Java nebo při použití aplikace WAGO WebVisu-App pro operační systémy Android a iOS. Základní operátorské zobrazení funguje jako rozcestník s odkazy také na servisní okna, v nichž lze kompletně manuálně ovládat všechny akční členy simulátoru (obr. 7) nebo spravovat parametry jednotlivých funkcí, např. zpracování dat ze snímače, filtrace dat, záznamníku dat (datalogger), regulace atd. Servisní okna běžný operátor nepoužívá.   Nejdůležitějším zobrazením pro běžného operátora simulátoru je položka scénáře (obr. 8), kde vybere jeden z předem připravených scénářů, navolí délky úseků (tj. dobu otevření trysky a délku pauzy), zapne/vypne logování a aktivuje/deaktivuje chod scénáře. Nic víc nepotřebuje ovládat, ostatní se děje automaticky. Když zapne logování, jsou každou sekundu ukládány údaje o tlaku vody, aktivitě trysek (tj. otevřena/zavřena) a vybraném scénáři do souboru csv na kartě SD jednotky PFC. Data lze přímo prostřednictvím webového prohlížeče sledovat v programu Dataplotter, nainstalovaném v jednotce PFC, či si je stáhnout do PC.   3. Zkušenosti z praxe Modernizovaný simulátor, včetně nového řídicího systému, je od druhé poloviny roku 2015 využíván v rámci projektů výzkumu eroze a povrchové a podpovrchové hydrologie. Možnost rychle nastavit a korigovat hodnoty vstupních veličin, kterou nabízí, je důležitá především z hlediska výzkumu vlivu vegetace na erozi a povrchový odtok, kdy je základem metodiky porovnání měření vykonaného na vzorku s vegetací se vztažným měřením provedeným na udržovaném úhoru. Důležité pro obě měření je nastavit a v průběhu experimentu udržet konkrétní tlak vody. Možnost nastavit sekvenci srážek o různých intenzitách je důležitá jednak při replikaci přirozených srážek a jednak při ověřování odezev návrhových hydrogramů, což bude předmětem zájmu v budoucnu.   Možnost použít bezdrátové ovládání prostřednictvím tabletu nebo mobilního telefonu přes síť WiFi se ukázala jako velmi užitečná vzhledem k tomu, že je možné zároveň vizuálně sledovat průběh měření i ovládat zařízení, popř. na dálku sledovat a řídit jeho chod.   Inovovaný simulátor deště musel být vyzkoušen, aby se ověřilo, zda produkuje umělý déšť požadovaných parametrů s potřebnou přesností. Určujícím parametrem je přitom index rovnoměrnosti, tzv. CU-index [5]. Část výsledků rozšířených měření prostorového rozložení umělého deště při stabilním nastavením tlaku vody uskutečněných na hotovém zařízení je pro ilustraci uvedena v tab. 1.   Z údajů v tab. 1 je patrné, že jednotlaký scénář č. 3 (schéma trysek 3) s průměrnou intenzitou srážek 50 mm/h produkuje velmi vhodné a stabilní pokrytí deštěm (CU-index = 82,9 %) se směrodatnou odchylkou intenzity 16 %. Při zařazení pauzy do schématu lze při zachování rovnoměrnosti dosáhnout intenzity srážek 40 mm/h. Jednotlaký scénář č. 4 (schéma trysek 2) produkuje větší intenzity srážek, se kterými by bylo možné zařazením pauzy dosáhnout požadované intenzity od 50 do 100 mm/h. Rovnoměrnosti jsou stále na velmi dobré úrovni (CU-index nad hranicí 80 %). Relativní směrodatná odchylka intenzity je ve všech případech téměř stejná. Lze tedy konstatovat, že s novým zařízením je možné dosáhnout libovolné intenzity srážky od 20 do 150 mm/h s dostatečnou přesností a se zachováním uspokojivé rovnoměrnosti po ploše.   Uvedené tvrzení bylo prokázáno a ověřeno měřením průtoků jednotlivými tryskami a měřením na plachtě po celé pracovní ploše. K nastavení intenzity deště již není nutné měnit tlak v zařízení, což v minulosti negativně ovlivňovalo jeho další parametry. Změny je nyní dosaženo stanovením doby otevření jednotlivých sekcí trysek a délky vložené pauzy bez deště. Novým zařízením se dosahuje lepšího pokrytí okrajů plochy (v podélném směru) deštěm, jeho chod je stabilní a automatizovaný.   Stabilitu tlaku v zařízení a v rozložení intenzity deště v čase lze posoudit na záznamu z experimentu ověřujícího vlastnosti modernizovaného zařízení na obr. 9. Na začátku záznamu je patrný přechodový úsek, kdy se tlak v potrubí nastavuje na požadovanou hodnotu. Dále je během celé simulace tlak konstantní až po pokles hodnot zaznamenaný na závěr po vypnutí simulátoru. Z grafu na obr. 9 je rovněž patrný vyrovnaný průběh intenzity deště, přičemž záznam minutové intenzity deště H je velmi podrobný a nad rámec možností používaného člunkového srážkoměru.   Pro porovnání se současným stavem je na obr. 10 ukázán průběh tlaku před zavedením nového řídicího systému se zpětnou vazbou ze snímače tlaku. Hodnoty tlaků zde vykazují během měření značnou variabilitu a velmi kolísá i intenzita deště.   4. Závěr a další vývoj V současnosti je úspěšně završena první etapa projektu modernizace mobilního simulátoru deště FSv ČVUT, tj. návrh a realizace jeho základního řídicího systému po stránce jak hardwaru, tak i ovládacího softwaru, uživatelského rozhraní s použitím vizualizace a zpětnovazební regulace tlaku. Chod simulátoru je vyladěn, takže uživatel nemusí nastavovat žádné parametry. Operátor jen vybere schéma, nastaví doby trvání deště a pauzy a zapne/vypne logování. Systém je úspěšně vyzkoušen v praxi v polních podmínkách, přičemž se dostalo velkého uznání jeho vizualizaci fungující na jakémkoliv tabletu i inteligentním telefonu s operačním systémem Android. Hlavní přínos spojení řízení se zaznamenáváním dat spočívá v tom, že lze opustit dosavadní praxi, kdy bylo nutné zaznamenávat naměřené hodnoty ručně nebo s použitím autonomních záznamníků dat a následně srovnávat časy pořízení apod., tedy postupovat způsoby náchylnými ke vzniku chyb.   Projekt simulátoru není z pohledu automatizace a snímací techniky uzavřen a vstupuje do další etapy, kdy je plánováno přidání dalších čidel a převodníků. K tomuto má modernizovaný řídicí systém simulátoru velmi dobré předpoklady: dostatečně dimenzovaný rozváděč, možnost přidat další karty I/O ze systému WAGO-I/O-System 750, a především záznamník dat vestavěný v jednotce PFC, který poskytuje přesně tu integrující funkci, která předchozí verzi simulátoru chyběla. Po připojení nových snímačů k řídicímu systému se jejich výstupní údaje budou automaticky logovat synchronně s časem a s ostatními údaji, jako jsou tlak, vybraný scénář či aktivované trysky. Analytik si pak snadno stáhne soubor typu CSV z jednotky PFC prostřednictvím WiFi k následnému zpracování a vyhodnocení měření v kanceláři.   V plánu je především připojení ultrazvukového převodníku polohy hladiny Banner U-GAGE S18U, kdy z naměřených hodnot bude možné vypočítat průtok. Dále je v plánu připojení srážkoměru s funkcí ověření bodové hodnoty srážky a náhrada v současnosti využívané sondy vlhkosti půdy ThetaProbe ML2x se speciálním výstupním signálem 0 až 1 V novým snímačem vlhkosti se standardním výstupem na 0 až 20 mA, přímo připojitelným k dosavadní kartě I/O WAGO 750-453. Rovněž se uvažuje o integraci komunikačního standardu SDI-12, v tuzemsku nepříliš známého, což je speciální sériová komunikační sběrnice vyvinutá v USA koncem 80. let minulého století k současnému připojení až 62 různých snímačů parametrů okolního prostředí. K tomu bude nutný převodník SDI-12/RS-232, který umožní připojit sběrnici SDI-12 k řídicímu systému prostřednictvím portu RS-232 vestavěného v jednotce PFC.   Pokud jde o software, je naplánováno přidat další scénáře a dále pokročit v automatizaci chodu celého simulátoru tak, aby zaškolení obsluhy bylo co nejsnazší. Cílem je omezit roli obsluhy při výběru intenzity deště, popř. některé ze sekvencí dešťů v případě variabilní srážky (uživatel jen zadá, jakou chce intenzitu deště, a systém sám vybere scénář s potřebnými parametry).   Poděkování Příspěvek vznikl s podporou v rámci projektů NAZV QJ1520265 Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině a NAZV QJ1530181 Metodika stanovení hodnot C faktoru pomocí simulátoru deště.   Literatura: [1] ISERLOH, T. et al.: European small portable rainfall simulators: A comparison of rainfall characteristics. Catena, 2013, pp. 100–112. [2] KOLÁČKOVÁ, J. et al.: Výzkum půdní eroze pomocí laboratorního dešťového simulátoru. In: Sborník konference Workshop 2002 Extrémní hydrologické jevy v povodích, pp. 73–78. [3] KAVKA, P. et al.: Modernizace a kalibrace mobilního dešťového simulátoru. Stavební obzor, svazek 05/2013, pp. 137–142. [4] STRAUSS, P. et al.: Rainfall Simulation for Outdoor Experiments. In: Current research methods to assess the environmental fate of pesticides, 2000, pp. 329–333. [5] CHRISTIANSEN, J.: Irrigation by Sprinkling. California Agricultural Experiment Station, 1942, Bulletin No. 670.   Ing. Ondřej Nývlt, Ph.D. (nyvlt@feramat.com), Feramat Cybernetics s. r. o., Ing. Petr Kavka, Ph.D., Fakulta stavební ČVUT v Praze   Obr. 1. Mobilní simulátor deště FSv ČVUT v terénu Obr. 2. Schéma nového (2015) rozložení trysek při nejčastěji využívaném měření dvou postřikovaných ploch (1 × 1 m a 8 × 2 m) Obr. 3. Příprava mobilního simulátoru deště k měření Obr. 4. Ventily k řízení toku vody do postřikovacího ramene simulátoru – zleva: obtok trysek na rameni, regulační ventil, hlavní ventil Obr. 5. Procesorová jednotka WAGO PFC 750-8202 Obr. 6. Sestava řídicího rozváděče simulátoru Obr. 7. Operátorské rozhraní k manuálnímu ovládání simulátoru Obr. 8. Operátorské rozhraní k ovládání scénářů Obr. 9. Časový průběh tlaku vody a minutové intenzity deště v průběhu experimentu s novým řídicím systémem (9. 7. 2015) Obr. 10. Časový průběh tlaků v potrubí a kontrolní minutové intenzity naměřené srážkoměrem – stav před instalací nového řídicího systému   Tab. 1. Rozšířené měření prostorového rozložení umělého deště (červen 2015) Číslo zkoušky Schéma trysek Qmean1) (l) CU-index (%) Naměřená intenzita srážek (mm/h) Relativní směrodatná odchylka (%) 1 schéma 1 10,65 78,9 105,8 ± 22,6 ±21 2 schéma 3 2,77 78,8 53,4 ± 10,8 ±20 3 2,97 82,9 50,3 ± 7,8 ±16 4 schéma 2 5,78 82,4 102,1 ± 16,4 ±16 5 5,60 80,8 104,5 ± 18,6 ±18

Domácí automatizace – hračka, spotřební elektronika, nebo seriózní disciplína?

Pojem domácí automatizace může u čtenářů časopisu Automa vyvolávat dojem něčeho, co v porovnání s průmyslovou praxí není tak náročné teoreticky ani realizačně. Dojem něčeho, čím se zabývají doma nadšenci, pro něž je to koníček, nebo dojem něčeho, co se stává spotřební elektronikou, kterou je možné koupit v e-shopu, zasunout do zásuvky, nainstalovat aplikaci do telefonu a bezdrátově propojit. Vše je vyřešeno a složité programování lze vynechat. Tento dojem je vyvolán i tím, že o výhodách a jednoduchosti takové automatizace se píše především v populárních časopisech o bydlení a jim podobných. Tam je předpokládán (a to správně) čtenář jako laik, kterému je třeba podat informaci maximálně zjednodušenou na elementární funkce, často až naivně. Nevyděsit ho nějakou složitostí.   Úvod Jak to ale vypadá v praxi? Stačí dnes do rodinného domu nebo bytu nakoupit a vlastními silami poskládat vedle sebe několik technických zařízení ve špičkovém provedení, pro každé si nainstalovat samostatnou aplikaci do mobilního telefonu a pak vše zvládnout „pouhým“ dálkovým ovládáním? Projděme si genezi jednoho případu, který není až tak hypotetický. Soustřeďme se pro zjednodušení na energetiku domu, na volbu zdrojů, spotřebičů, na toky energií a jejich akumulaci (obr. 1).   Vše s cílem uspořit provozní náklady a pro někoho i s cílem zajistit si pocit ekologického chování a příspěvku k záchraně planety.   Tepelná regulace domu ve všech ročních obdobích V našich zeměpisných šířkách vlastníka domu primárně zajímají zdroje tepla pro vytápění v zimních měsících. Na ně připadá největší podíl z celoročních nákladů. Jako první krok tedy co nejvíce zateplí dům. Jako druhý dokonale utěsní okna. Jako zdroj tepla nainstaluje tepelné čerpadlo. Po chvíli pobytu v takovém prostředí zjistí, že v bytě vzrůstá vlhkost a roste nebezpečí vzniku plísní. Vzduch je vydýchaný a zvyšuje se koncentrace CO2. Takže potřebuje větrat. Když otevře okno, energie a peníze, za které ohřál vzduch uvnitř, „vyletí“ oknem ven. Zavede řízené větrání s rekuperací. Rekuperace ale vzduch zejména v zimě vysušuje. Zavede tedy vlhčení vzduchu. Možná doplní i ionizátor vzduchu. Aby úbytek tepla nebyl tak velký, zavede zónovou regulaci topení a nastaví v každé místnosti jinou požadovanou maximální teplotu. Už nyní má poměrně dost zařízení, která je nutné koordinovat a řídit.   Přijde léto a vlastník domu zjistí, že díky teplu od osob, od chladničky, od vaření, od televize nebo od počítače roste uvnitř teplota, kterou zateplený dům nepustí ven, přičemž pouhým větráním při venkovních teplotách +30 °C se teplota uvnitř nesníží. Zavede tedy chlazení a klimatizaci. Rekuperační jednotka šetří i v létě, kdy odběrem tepla vzduch uvnitř domu ochlazuje (obr. 2). Potom zjistí, že klimatizační jednotka obzvláště ve slunné dny pracuje téměř neustále. To proto, že přes prosklené plochy dovnitř dopadají sluneční paprsky a zahřívají interiér. Nainstaluje venkovní žaluzie a ve slunečných dnech je zatáhne. Interiér se tak zbytečně neohřívá a klimatizace nemusí pracovat tak dlouho. Zatažené žaluzie ovšem do místnosti nepustí denní světlo, takže zapne umělé osvětlení – řízené chytrou elektroinstalací. Tedy stmívané a spínané ve skupinách podle scén a scénářů nebo řízené na konstantní hodnotu osvětlení na pracovním stole.   Řešení energetické náročnosti domácnosti V moderním domě je běžné měření energií, resp. přenos hodnot z elektroměrů, vodoměrů a plynoměrů do centra, a jejich zobrazení tak, aby byly neustále na očích. Pohled na vývoj hodnot spotřeby s nainstalovanými zařízeními však nikoho neuklidní. Pohony ventilátorů a čerpadel, osvětlení, byť úsporné, vlhčení, chlazení, klimatizace atd. si svůj díl elektřiny vezmou. Ve snaze dosáhnout peněžních úspor vlastník domu hledá, jak snížit platby za elektřinu. Zkusí tedy řídit spotřebiče a spotřebu tak, aby se přesunula do oblasti nízkého tarifu. Paralelně zkusí změnit dodavatele elektřiny. Po kolečku přechodů k levnějším obchodníkům se vrátí k původnímu, protože i ten začne nabízet podobné výhody jako jiní. A jde dál. Začne uvažovat o vlastní elektrárně a o soběstačnosti, alespoň částečné.   Nakoupí fotovoltaické panely (obr. 3). Podle nové legislativy může vlastník domu nainstalovat špičkový výkon až 10 kW, tj. přibližně čtyřicet panelů, aniž by se musel stát podnikatelem, ale nesmí do sítě pustit žádné přetoky. Vše si musí spotřebovat doma za vlastním elektroměrem. Použije tedy řízení okamžité spotřeby podle okamžité výroby vlastní energie, která se stala plně závislou na počasí. Která zařízení v domě takové řízení vůbec umožní? Pračka, lednička, žehlička, vařič nebo televize to jistě nebudou. Nelze je zapínat a vypínat podle toho, jak zrovna plynou mraky nad domem, ale tehdy, když jsou třeba. Brzy zjistí, že když slunce svítí, jsou všichni mimo dům a spotřeba je minimální. Reálná spotřeba domu nastává ráno a večer, tedy v době, kdy slunce ještě nebo již nesvítí naplno. Zkusí přebytky z fotovoltaické soustavy přeměnit zpět na teplo a začne ho akumulovat v bojleru. Velmi dobře lze v létě trvale puštěnou klimatizací akumulovat chladný vzduch, má-li dům vůbec konstrukci, která nějakou akumulaci dovolí. I tak ale má přebytky, které přes den nemá kde uplatnit. Buď nastaví měnič tak, aby nedodával tolik elektřiny, nebo si pořídí bateriové úložiště (obr. 4). A začne přemýšlet, jak ho vlastně využít. Ke snížení špiček v odběru ze sítě a použití jističe pro menší jmenovitý proud? K zajištění elektřiny i v době výpadku sítě? Pak potřebuje vybavení schopné udržet ostrovní provoz. Začne sledovat předpověď počasí. Podle toho může přes noc vybít nebo si ponechat více energie na následující den pod mrakem, kdy by mohl nastat výpadek sítě.   Další zařízení, která směřují do domů a do správy hospodaření s energiemi (managementu energií) v nich, jsou elektromobily. Mohou za určitých okolností sloužit podobně jako stacionární baterie, lze je nabíjet přes noc doma ze sítě nebo přes den i z fotovoltaické soustavy. Jejich primárním účelem je být na cestách, a tak se často nabíjejí mimo vlastní dům. Někdy mohou přivézt domů i přebytek energie, která může být využita třeba i jako záloha při výpadku sítě. Řízení nabíjení a využití elektromobilů je dalším tématem pro využití předpovědi, tentokrát nejen počasí, ale i plánovaných cest na nejrůznější vzdálenosti.   Srovnání domácí a průmyslové automatizace Naznačený scénář je jeden z mnoha možných. I při volbě stejných typů zdroje energií a spotřebičů se budou dvě domovní instalace lišit přinejmenším velikostí, a tedy jinou mírou potřeb zdrojů, jinými prioritami uživatelů, jinou strategií řízení, a tudíž i jinou mírou dosažitelných úspor. Do komplexu domácí automatizace vstupují i další systémy, které s domácí automatizací bezprostředně souvisejí: zabezpečovací systém, kamerový systém a interkom, přístupový systém, ovládání vrat (i těch garážových), zavlažovací systém, bazény, meteostanice, ozvučovací systém, videopřehrávač, asistenční technika pro handicapované.   Každý z nainstalovaných systémů dnes jistě má svoji vlastní aplikaci ke stažení do mobilního telefonu, aby jej bylo možné dálkově ovládat. Zvládne však člověk vše každý den ze svého telefonu ovládat, řídit, natož optimalizovat? Má každý člověk, tedy i většina laiků v populaci, optimální intuici a dost času během dne, aby vše prostřednictvím svého mobilu nastavil podle měnícího se počasí, podle aktuálních tarifů nebo podle topného faktoru tepelného čerpadla, měnícího se v závislosti na venkovní teplotě?   V domě vše souvisí se vším a nalézt optimum nemusí být vždy jednoduché. Snese domácí automatizace nějaké srovnání s průmyslovou? Je to jednodušší disciplína? Je v moderních domech stále ještě méně instalovaných řídicích systémů než v průmyslu nebo ve velkých budovách? Nebo jejich míra už dosáhla takové úrovně složitosti, že praktik i teoretik s průmyslovou praxí mají co dělat, aby našli v takové vícerozměrné soustavě optimum pro všechny obyvatele domu?   Uvedená úvaha vychází z poznatků a ze zpětných vazeb od zákazníků, kteří v domech používají volně programovatelný systém Tecomat Foxtrot. Ten je známý čtenářům časopisu Automa jako průmyslové PLC. Firma Teco jej doplnila a průběžně doplňuje o softwarové funkce a hardwarové moduly, které jsou využitelné jak v průmyslové, tak i v domácí automatizaci. Dává tak praktikům v průmyslu do ruky nástroj, s nímž se mohou pustit i do projektů domácí automatizace bez překonání bariéry přechodu na jiný systém. Foxtrot je přímo napojitelný na internet, má svůj vlastní webový server, komunikační službu TecoRoute a schopnost přímo zapisovat do cloudových databází, jakou je třeba Microsoft Azure, i číst z nich. Stává se tak užitečným nástrojem i pro firmy a odborníky z oboru informatiky, kteří vedeni kampaní IoT (Internet of Things – internet věcí) se začínají poohlížet po zdrojích dat, resp. obousměrných zařízeních komunikujících v reálném čase, nad jejichž daty by uplatnili své zkušenosti z „business inteligence“ provozované nad databázemi v cloudu.   Závěr Uvažujete-li o rozšíření svých aktivit z průmyslové automatizace i do oblasti automatizace domácí, vězte, že i zde naleznete mnoho složitých technických výzev k řešení. I výzev, které jsou nové a zatím neřešené. Vězte, že je na trhu systém Tecomat Foxtrot vycházející z norem a zvyklostí průmyslové automatizace, který zároveň nabízí plnou podporu pro specifické systémy a instalace v domech. Systém, který je nejflexibilnější na trhu, protože si neklade omezení z předurčenosti pouze pro domácí nebo pouze pro průmyslovou automatizaci. Uvažujete-li o přesahu do domácí automatizace, připravte se však na jiný typ zákazníků. Budou to na rozdíl od průmyslových zákazníků, kteří jsou schopni předem zformulovat zadání, většinou laici, s nimiž musíte mít trpělivost při specifikaci požadavků, dále při průběžných změnách zadání i při dlouhodobém poprodejním vztahu. Při úpravách či rozšiřování instalace v domácnosti podle toho, jak se v čase mění život obyvatel domu. Vězte, že se můžete stát i něčím podobným, jako byl dříve rodinný lékař, který znal všechny členy rodiny, všechny jejich neduhy a byl schopen se podívat na zdraví celé rodiny jako na celek. I správa a údržba moderního chytrého domu vyžadují podobný celostní pohled. Odborníci firmy Teco to vědí a svými produkty vás v tom trvale podporují. Fotovoltaika na střeše rodinného domu si vynucuje další specifické řídicí algoritmy. Zvládne je každý laik? Nebo je to úloha pro profesionály? Ing. Jaromír Klaban, Teco a. s.  Obr. 1. Chytrý dům je nejen elegantní, ale i plný technických zařízení, která se vzájemně o4vlivňují Obr. 2. Vnitřní prostředí je třeba udržovat zdravé – jedno ze zařízení pro řízenou výměnu vzduchu s rekuperací se v nízkoenergetických domech stalo nutností Obr. 3. Fotovoltaické panely na střeše rodinného domu si vynucují další specifické řídicí algoritmy – zvládne je každý laik, nebo je to úloha pro profesionály? Obr. 4. Na veletrhu Amper bylo ve stánku Teco předvedeno kompletní bateriové uložiště Homegrid s hybridním měničem Studer firmy Solární panely.cz, řízené PLC Foxtrot nabitým pokročilou řídicí technikou

Plováčkové průtokoměry – průtokoměry s proměnlivým průřezem

Plováčkový průtokoměr se poměrně často používá k měření objemového průtoku plynů nebo kapalin jak při laboratorním, tak při provozním měření. Jde o jednoduché a spolehlivé měřidlo, které může poskytovat výstupní údaj i bez dodávání pomocné energie. Tento článek, který doprovází přehled trhu plováčkových průtokoměrů, popisuje funkční princip měřidla, jeho základní vlastnosti, přednosti a nedostatky i možnosti využití. Zmíněna je historie měřidla a diskutováno je i pojmenování tohoto průtokoměru. Princip funkcePlováčkové průtokoměry patří do skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem [3], u nichž se s měnícím se průtokem mění průtočná plocha při přibližně stálém tlakovém spádu na zúženém průřezu. Na obr. 1 jsou znázorněny základní typy měřidel s proměnlivým průřezem. Na obr. 1a je plováčkový průtokoměr, který je tvořen kónickou trubicí, v níž je umístěn plováček, který tekutina nadnáší při proudění směrem vzhůru. U dalších typů je použita válcová trubice a v ní je umístěn buď vedený kuželovitý trn (plovák) zapadající do clony (obr. 1b), nebo píst pohybující se v perforovaném válci (obr. 1c), anebo otočná klapka (obr. 1d). U všech těchto měřidel se mění průtočný průřez při změně průtoku; u měřidla s pístem se mění průtočná plocha otvorů ve stěně perforovaného válce. Plováček či jiný prvek je udržován v základní poloze gravitací a měřidlo musí být umístěno ve svislé poloze. Obr. 1. Základní typy průtokoměrů s proměnlivým průřezem (upraveno podle [4]): a) průtokoměr plováčkový, b) se clonou a plovákem, c) s perforovaným válcem, d) s klapkou Plováčkový průtokoměr patří mezi nejrozšířenější průtokoměry ze skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem. Hlavní funkční částí měřidla je svisle umístěná měřicí trubice mírně kuželovitého tvaru, nahoru se rozšiřující (úhel kužele je ve skutečnosti menší než 2°). Měřená tekutina proudí trubicí směrem vzhůru a v jejím proudu se vznáší rotační tělísko (obr. 2). Tělísko se obvykle označuje jako plováček, přestože označení neodpovídá fyzikální podstatě měřicí metody, protože tělísko pro svou hmotnost neplave. Podle velikosti průtoku zaujme rotační tělísko vyšší nebo nižší polohu, čímž se změní průřez, kterým tekutina protéká. Tlakový spád a rychlost proudu v místě zúžení zůstávají konstantní. Měřítkem průtoku je vertikální poloha tělíska h. Stupnice bývá vyznačena přímo na trubici zhotovené z průhledného materiálu. Na horním okraji tělíska jsou šikmé zářezy, takže účinkem proudícího prostředí se uvede tělísko do rotačního pohybu, čímž se stabilizuje jeho poloha v trubici. Tělíska mívají i jiný tvar a někdy bývají vedena na lanku nebo na tyči. Při určitém konstantním průtoku zaujme tělísko určitou polohu a v té setrvá, dokud se průtok nezmění. Za tohoto stavu jsou v rovnováze všechny síly působící na tělísko. Směrem dolů působí tíha tělíska Fg a směrem nahoru vztlak Fv a síla proudícího média Fm, skládající se z tlakové síly Fp a ze třecí síly Ft. Síla Fp je dána součinem plochy tělíska s a rozdílu tlaků Δp před tělískem a za ním. Na velikost tlakové a třecí síly má vliv způsob obtékání tělíska, který lze měnit změnou tvaru tělíska. Při velkých hodnotách Reynoldsovačísla Re převládají síly setrvačné; uplatňuje se hlavně hustota a neuplatňuje se viskozita média. Při malých hodnotách Re převládají síly třecí a uplatňuje se zde zejména viskozita média. Obr. 2. Princip plováčkového průtokoměru Rovnováha sil v těžišti tělíska T je obecně dána vztahem Fg = Fv + Fp + Ft      (1) Za předpokladu turbulentního obtékání je možné třecí sílu Ft zanedbat a po dosazeníFg = Vt ρt gFv = Vt ρt gFp = A2 Δplze po úpravě vyjádřit tlakový spád na tělísku Δp vztahem rovnice 2 kdeVt je objem tělíska,ρt hustota tělíska,ρm hustota média,g gravitační zrychlení,A2 plocha největšího příčného řezu tělíska. Protože všechny veličiny na pravé straně rovnice (2) jsou konstantní, je konstantní i Δp a tělísko stoupá, popř. klesá tak dlouho, dokud není změnou průtočného průřezu dosaženo rovnovážného stavu. Průtočným průřezem je mezikruží o ploše ΔA = (A1 – A2), kde  A1 = π (D2/4); A2 = π (d2/4). Plocha mezikruží je funkcí polohy h rotačního tělíska. Má-li být stupnice průtoku lineární, měla by mít trubice tvar rotačního paraboloidu. Při menších požadavcích na přesnost vyhovuje trubice kuželovitého tvaru. Bude-li mít měřicí trubice velmi malý vrcholový úhel, bude poloha plováku téměř lineárně závislá na objemovém průtoku. Průtokovou rovnici pro plováčkový průtokoměr je možné odvodit z analogické rovnice, která platí obecně pro průřezová měřidla, např. pro clonu: rovnice 3 kdeC je průtokový součinitel měřidla,β poměr průměru clony a světlosti potrubí,A průřez clony. Bude-li výraz 3a nahrazen průtokovým součinitelem plováčkového průtokoměru Ct, místo průtočného průřezu clony A bude uvažována plocha mezikruží ΔA a za Δp bude dosazeno ze vztahu (2), získá se: rovnice 4 kde průtokový součinitel Ct je funkcí tvaru tělíska a hodnoty Re a značně závisí na viskozitě tekutiny. Pro laminární proudění se hodnota součinitele značně mění s rychlostí, při turbulentním proudění je přibližně stálá. Pro každou hodnotu průtoku QV se tělísko ustálí v takové poloze, aby plocha mezikruží ΔA odpovídala vztahu (4). Hodnota součinitele Ct závisí na tvaru plováku. Pro rotující plováček a tekutinu s malou viskozitou při turbulentním toku je hodnota téměř konstantní. Pro trubice s malým vrcholovým úhlem je průtočný průřez ΔA lineární funkcí polohy h a všechny ostatní veličiny v rovnici (4) jsou při měření konstantní. Z toho plyne, že stupnice rotametru je přibližně lineární a je možné napsat kalibrační rovnici ve tvaru Qv = a ΔA + b     (5) kde a, b jsou empirické konstanty. Několik odkazů na videosoubory popisující princip funkce plováčkových průtokoměrů je v tab. 1. Tab. 1. Odkazy na videosoubory: princip činnosti plováčkových průtokoměrůNázev   Odkaz  Krohne: Variable area flowmeters  https://www.youtube.com/watch?v=DVLBDm9c8ak  Krohne: Principle of Variable Area Flowmeters https://www.youtube.com/watch?v=Pz-Mvdc6nf4  ABB: FlowMaster Flow Tutorials – Variable area flowmetershttps://www.youtube.com/watch?v=ulb8jCttq5A  Brooks Instrument: MT3809G Metal Tube Variable Area Flowmeter – Principle of Operationhttps://www.youtube.com/watch?v=ImdQ2kUOrJo   Závislost údaje na hustotěZ průtokové rovnice je zřejmé, že údaj přístroje závisí na hustotě měřené látky. Je-li třeba měřit plováčkovým průtokoměrem jinou látku, než na kterou byl kalibrován, je nutné provést přepočet. Pro stejné postavení tělíska pro různé tekutiny platí rovnice 6 U plynů, kde lze předpokládat, že hustota tělíska ρt je mnohem větší než hustota média ρm, je možné pro přepočet použít přibližný vztah rovnice 7 Závislost na hustotě kapaliny lze potlačit vhodnou volbou hustoty tělíska tak, aby platilo ρt = 2ρm; za tohoto předpokladu bude výraz v závorce v rovnici (4) roven 1. Obr. 3. Základní tvary plováčků: a) rotační, b) kulovitý, c), d) vedené Závislost údaje na viskozitěVliv viskozity lze zanedbat při turbulentním charakteru obtékání tělíska tekutinou s malou viskozitou. Při nižších hodnotách Re a větší viskozitě tekutiny je možné vliv viskozity potlačit vhodnou volbou tvaru plováku. Aby změna viskozity neovlivňovala údaj o průtoku, musí být třecí síla Ft co nejmenší. Toho se dosahuje zejména minimalizováním třecí plochy v místě největšího zúžení průtočného průřezu. Plovák má v tomto případě ostré hrany, jako např. na obr. 3d. Pro značně viskózní média není použití plováčkového průtokoměru vhodné. Konstrukční provedení PlováčkyPlováčky se vyrábějí z materiálů odolných proti korozi (korizovzdorná ocel, titan, safír, tantal, hliník aj.). Různé materiály se využívají také z důvodu možné úpravy měřicího rozsahu prostřednictvím změny hmotnosti plováku. Tvary plováčků a jejich materiál se liší podle druhu měřené tekutiny a velikosti průtoku. Vybrané základní tvary plováčků jsou znázorněny na obr. 3. Obecně lze plováčky rozdělit do dvou skupin:rotační: opatřené např. šikmými zářezy, které při průtoku tekutiny uvedou plováček do rotace a tím se stabilizuje jeho poloha,vedené: plovák je veden na tyči nebo na struně, popř. je veden pomocí tří žeber vytvořených na vnitřní straně měřicí trubice. Charakteristickým znakem plováčků je ostrý okraj, který usnadňuje čtení polohy. Poloha kulovitých plováčků se odečítá ve středu kuličky (způsob odečítání polohy je v obr. 3 vyznačen čárkovanou čárou). Kulovité plováčky jsou často používány v měřicích trubicích s malým průměrem. Složitější geometrie plováčku může snížit citlivost na viskozitu kapaliny. Obr. 4. Provozní plováčkové průtokoměry: a) rotametr RAGN se skleněnou trubicí, b) RAKD s kovovou trubicí (oba viz www.yokogawa.com), c) H250-M9 s kovovou trubicí pro potravinářství a farmacii (www.krohne.cz), d) celokovový rotametr FAM540 s alarmovými signály a proudovým výstupem (www.abb.cz/mar) Měřicí trubiceMěřicí trubice jsou nejčastěji skleněné, vyrobené z borosilikátového skla, a jsou chráněné proti poškození. Ke zhotovení průhledných trubic se používají také plastové trubky z PVC, polyamidu aj. Provozní snímače mají trubice z kovových a plastových materiálů. Kovové měřicí trubice se používají při měření za vysokého tlaku a teploty nebo při měření nebezpečných látek. Bývají vyrobené z korozivzdorné oceli, která je nemagnetická a umožňuje magnetické snímání polohyplováčku. Průtokoměry pro chemický, potravinářský a farmaceutický průmysl mají trubice vyrobené z korozivzdorného materiálu a všechny části přicházející do styku s měřeným médiem jsou opracovány tak, aby se nevytvářely nežádoucí usazeniny. Takové přístroje jsou vhodné např. pro měření průtoku mléka, smetany, jedlého oleje, velmi čisté vody apod. Pro měření agresivních médií jsou k dispozici měřicí trubice s keramickou nebo teflonovou výstelkou. Ukázky provedení provozních plováčkových průtokoměrů jsou na obr. 4. U skleněných trubic se poloha plováčku odečítá vizuálně, u neprůhledných trubic lze polohu snímat magneticky, pneumaticky, fotoelektricky, pomocí indukčního vysílače apod., což umožňuje získat např. proudový signál 0/4 až 20 mA vhodný k dalšímu zpracování. Při použití magnetické spojky může provozní přístroj pracovat čistě mechanicky, bez elektrického napájení. Měřicí trubice může být vybavena magnetickými či jinými snímači mezních hodnot polohy plováčku. Obr. 5. Tlakové poměry při zapojení plováčkového průtokoměru a ventilu (p – provozní tlak v průtokoměru): a) ventil na výstupu, b) ventil na vstupu, c) ventil na vstupu i výstupu Speciální konstrukční provedeníExistují i plováčkové průtokoměry se dvěma plováky (jeden je citlivý na rychlost a druhý na hustotu), které lze využít k přibližnému měření hmotnostního průtoku. K měření průtoků ve velkém rozsahu se používají rotametry se dvěma kulovitými plováčky s různou hmotností. Při narůstajícím průtoku se nejprve odečítá poloha lehčího plováku a po dosažení hranice stupnice se odečítá poloha těžšího plováku [5]. Instalace průtokoměruPlováčkové průtokoměry musí být instalovány do potrubí ve svislé poloze, přičemž velikost průtokoměru by měla odpovídat velikosti potrubí. Průtokoměry se obvykle nepoužívají pro potrubí s průměrem přesahujícím 100 mm. Připojení plováčkového průtokoměru nevyžaduje rovné úseky potrubí ani v přívodní, ani ve výstupní části. Průtokoměr by neměl být vystaven silnějším vibracím ani vlivu silného magnetického pole. Pro nastavení průtoku média měřeného plováčkovým průtokoměrem se často používají jehlové ventily. Na obr. 5 jsou znázorněny tlakové poměry při různém připojení jehlového ventilu (p označuje provozní tlak v plováčkovém průtokoměru). Pokles tlaku v průtokoměru je obvykle zanedbatelný. Při měření průtoku plynů a par se doporučuje s ohledem na stlačitelnost média, aby ventil byl umístěn na výstupu z průtokoměru. Při tomto uspořádání bude tlak v průtokoměru přibližně konstantní a nezávislý na kolísání tlaku p2 v aparatuře po proudu (obr. 5a). Je-li plyn z průtokoměru odváděn do prostoru s atmosférickým tlakem, lze ventil umístit před průtokoměr (obr. 5b). Při měření plynu se doporučuje, aby minimální provozní tlak byl roven asi pětinásobku tlakové ztráty měřidla. Při měření plynů nebo par se obecně doporučuje volit uspořádání ventilů tak, aby tlak uvnitř měřidla byl pokud možno konstantní a odpovídal hodnotám při kalibraci průtokoměru [2], [7]. Při měření kapalných médií není objem ovlivněn změnami tlaku, a proto je možné ventil připojit libovolně. Obr. 6. Instalace plováčkových průtokoměrů v průmyslových provozech (foto: M. Kmínek): a) rotametr Krohne H255 M9 (www.krohne.cz), b) rotametr ABB-FAM 540 (www.abb.cz/mar) – oba při měření průtoku etanolu v lihovaru Dobrovice, Tereos TTD, a. s., c) regulace průtoku mléka s využitím rotametru Krohne H255, d) ukazovací skleněný rotametr v provozu mlékárny Na obr. 6 jsou příklady instalace provozních plováčkových průtokoměrů používaných k měření a regulaci průtoku etanolu při destilaci v lihovaru a při měření průtoku v mlékárně. VlastnostiNejistota u laboratorních plováčkových průtokoměrů bývá ±0,4 % z měřené hodnoty, u průmyslových provozních přístrojů ±1 až ±4 % z rozsahu při poměru maximálního a minimálního průtoku 10 : 1 [10]. Nejistota při provozním měření je významně ovlivňována konkrétními provozními podmínkami. Zatímco při měření plynů má rozhodující vliv na polohu plováku hustota, při měření kapalin je to vedle hustoty i viskozita média. Vzhledem k tomu, že hustota i viskozita kapalin závisejí na teplotě a u plynů i na tlaku, je vliv provozních podmínek na údaj průtokoměru zřejmý. Při změně druhu měřeného média (jeho hustoty, popř. viskozity) nebo i jen při změně podmínek (teploty a tlaku) je nutné přístroj rekalibrovat nebo přepočítat měřené údaje. Plováčkové průtokoměry pro měření průtoku kapalin bývají kalibrovány při průtoku vody, průtokoměry pro měření plynu se kalibrují vzduchem. K přepočtu údaje pro další tekutiny jsou od výrobců k dispozici tabulky, nomogramy či počítačové programy. U přístrojů pro univerzální použití může být stupnice značena v milimetrech a pro určení průtoku konkrétní tekutiny je k dispozici přepočítávací faktor v závislosti na parametrech měřicí trubice, plováčku, tlaku a teplotě. U provozních průtokoměrů je výhodnější, aby byla stupnice přístroje vyznačena přímo v jednotkách průtoku konkrétní tekutiny za stanovených provozních podmínek. Plováčkový průtokoměr lze použít k měření průtoku plynů i kapalin, patří mezi levná měřidla a přímo ukazující přístroje nevyžadují žádnou pomocnou energii (napájení). Tlaková ztráta na měřidle je přibližně konstantní a obvykle bývá menší než 7 kPa [4]. Přednosti a nevýhody plováčkových průtokoměrů jsou shrnuty v tab. 2. Tab. 2. Přednosti a nedostatky plováčkových průtokoměrůPřednosti:Přednosti:jednoduché měřidlo,nízké investiční náklady,nízké náklady na instalaci,použitelné pro kapaliny, plyny, páru,malá tlaková ztráta měřidla,také pro agresivní média,přímo ukazující přístroje nepotřebují napájení, dlouhá životnost.nelze použít pro znečištěné a viskózní tekutiny,nelze použít pro pulzující průtok,větší nejistota údaje,provoz pouze ve svislé poloze,nutná kalibrace pro danou hustotu a viskozitu média. PoužitíPlováčkové průtokoměry se používají k měření průtoku homogenních tekutin s nejrůznějšími fyzikálními a chemickými vlastnostmi. Průměry trubic se pohybují v rozmezí 15 až 100 mm. Měřidla se skleněnými trubicemi mohou pracovat při teplotě do 200 °C a tlaku 1 MPa, s kovovými trubicemi až 540 °C a tlaku až 5 MPa [5]. Měřicí rozsahy pro měření průtoku vody jsou od 0,04 l/h do 150 m3/h a vzduchu od 0,5 l/h do 3 000 m3/h [10]. Plováčkové průtokoměry lze s výhodou využít jako záložní provozní měřidla, protože nepotřebují žádné externí napájení. Vhodné jsou tam, kde je zapotřebí orientačně vizuálně sledovat průtok pro informativní měření v laboratorních i provozních aparaturách. V těchto případech bývá do sestavy s průtokoměrem začleněn jehlový ventil, který slouží k nastavení požadovaného průtoku, popř. může být do sestavy integrován i vhodný regulátor průtoku. Moderní přístroje jsou vybaveny převodníky signálu a poskytují analogový výstup např. 4 až 20 mA, umožňují číslicovou komunikaci např. HART, Profibus, Foundation Fieldbus aj. a jsou opatřeny nastavitelnými mezními spínači. Průtokoměry nacházejí uplatnění v chemickém a petrochemickém průmyslu, a to často pro použití v prostředí s nebezpečím výbuchu. Přístroji s kovovými trubicemi lze měřit horkou vodu, páru, kyselé i zásadité látky. Existují však i omezení v možnostech použití. Průtokoměry tohoto typu jsou vhodné převážně pro čisté tekutiny. Při měření znečištěných tekutin mohou usazeniny na plováku významně ovlivnit přesnost (až ±4 % plného rozsahu stupnice); bubliny plynu v kapalině se mohou rovněž zadržovat na plováku a ovlivnit tak přesnost. Nepřípustné jsou i tlakové rázy v potrubí, které mohou být příčinou mechanického poškození plováku. S plováčkovými průtokoměry se lze setkat v téměř každém průmyslovém procesu v chemickém, petrochemickém, farmaceutickém a potravinářském průmyslu, ve strojírenství a v mnoha dalších odvětvích. Často se používají jako indikátory průtoku, jako měřidla při odběru vzorků pro analýzu, jako měřidla průtoku při provzdušňování, probublávání nebo inertizaci aparatur apod. Obr. 7. Pružinový průtokoměr s proměnlivým průřezem i tlakovým spádem Pružinové průtokoměryNevýhodu montáže plováčkového průtokoměru jen do svislé polohy odstraňuje pružinový průtokoměr, který rovněž patří do skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem. Zatímco u plováčkového průtokoměru je direktivní silou působící na plováček gravitace a vztlak, u pružinového průtokoměru je direktivní síla vyvolávána pružinou. Průtokoměry tak mohou pracovat i v horizontální poloze. Síla pružiny působí na pohyblivé těleso vhodného tvaru, které při nulovém průtoku uzavírá otvor clony (obr. 7). Při průtoku tekutiny působí na těleso proti síle pružiny tlaková síla proudícího média. Jako výstupní informaci lze využít buď změnu polohy pohyblivého tělesa, nebo změnu rozdílu tlaků. Změnu polohy tělesa lze snímat podobně jako u plováčkových průtokoměrů např. magneticky a měřidlo může být vybaveno spínači pro indikaci mezních stavů průtoku. Průtokoměr může být provozován v libovolné poloze a direktivní silou pružiny lze upravit měřicí rozsah. Pro zachování přijatelné nejistoty jsou kladeny mimořádné požadavky na stálost vlastností pružiny [5]. Těmto průtokoměrům se podrobně věnuje článek na str. 20. Další velkou výhodou, kromě možnosti montáže s vodorovnou trubicí, je také možnost kompenzovat viskozitu média. Literatura:[1] DOBRATZ, Andreas. 100 Years of Rota Yokogawa [online]. Wehr: Rota Yokogawa GmbH & Co KG, 2011 [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: https://www.yokogawa.com/rota-en/unternehmen/pdf/rota.pdf[2] Variable Area Flowmeters [online]. Duisburg: KROHNE Messtechnik GmbH [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: https://academy-online.krohne.com/elearning/en/courses/variable-area-flowmeters/[3] ČSN EN 24006. Měření průtoku tekutin v uzavřených profilech: Terminologie. Praha: ÚNMZ, 1994.[4] LIPTÁK, Béla G. Instrument engineers‘ handbook. 4th ed. Boca Raton, FL: CRC Press, 2012. ISBN 978-143-9817-766.[5] ĎAĎO, Stanislav, Ludvík BEJČEK a Antonín PLATIL. Měření průtoku a výšky hladiny. 1. vyd. Praha: BEN – technická literatura, 2005. Senzory neelektrických veličin. ISBN 80-730-0156-X.[6] VOLF, Jaromír a Josef JENČÍK. Technická měření. Vyd. 2. Praha: Vydavatelství ČVUT, 2003. ISBN 80-010-2138-6.[7] Handbook for Variable Area Flowmeters [online]. ABB Automation Products GmbH, 2008 [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: https://library.e.abb.com/public/9c725ef7137df817c12574240039c4d8/03_VA-FLOW-ENA-06_2011_secure.pdf[8] Plovákové průtokoměry a snímače [online]. Hofheim: Kobold Messring, rok vydání neuveden [cit. 2016-10-15]. Dostupné z: http://www.kobold.com/dynamic/dlFile/7b25bd87bc28d6066e2da8c24d9f7947.dl/s2cz_dsv.pdf[9] MCMILLAN, Gregory K. a Douglas M. CONSIDINE. Process/industrial instruments and controls handbook. 5th ed. New York: McGraw Hill, c1999. ISBN 00-701-2582-1.[10] EDITED BY JOHN G. WEBSTER AND HALIT EREN. The measurement, instrumentation, and sensors handbook: two-volume set. Boca Raton: CRC Press, 2014. ISBN 978-143-9848-838. doc. Ing. Karel Kadlec, CSc.,Ústav fyziky a měřicí techniky,VŠCHT Praha(karel.kadlec@vscht.cz) Historie měřidla a jeho pojmenováníPočátek historie plováčkových průtokoměrů je možné datovat rokem 1868, kdy Američan Edmund Chameroy popsal v patentovém spisu princip průtokoměru s kónickou trubicí, ve které byl umístěn pohyblivý plovák [1], [2]. V roce 1908 si Karl Küppers nechal patentovat průtokoměr s rotujícím plovákem, který byl opatřen drážkami a při průtoku tekutiny se otáčel. V odborných pojednáních se již tehdy poukazovalo na skutečnost, že průtokoměr může správně fungovat pouze v tom případě, že hustota plováku je větší než hustota měřeného média, a že tedy nejde o plovák v pravém slova smyslu. O realizaci a výrobu průtokoměru s rotujícím plovákem se zasloužil německý vynálezce a podnikatel Felix Meyer, který založil v roce 1909 v Cáchách továrnu Deutsche Rotawerke GmbH. Od názvu firmy bylo odvozeno i pojmenování průtokoměru – rotametr. I toto pojmenování průtokoměru není bezchybné, protože název svádí k domněnce, že by to mohl být přístroj k měření rotace (otáčení). V roce 1921 začala výroba plováčkových průtokoměrů ve firmě Krohne [2]. V současné době vyrábí plováčkové průtokoměry mnoho výrobců; mezi významné patří nástupce firmy Rotawerke, společnost Rota Yokogawa GmbH & Co. KG, a dále společnosti Krohne Messtechnik GmbH, ABB Ltd, Kobold Messring GmbH, Siemens AG a další. V anglicky psané literatuře se pro tento typ průtokoměru nejčastěji používá označení variable area flowmeter – průtokoměr s proměnlivým průřezem, méně často float flowmeter. V německé literatuře se průtokoměr tohoto typu označuje termínem Schwebekörper Durchflussmessgerät, což lze přeložit jako průtokoměr s tělískem ve vznosu. Německé označení zřejmě nejlépe vystihuje princip činnosti průtokoměru. V ČSN EN 24006 [3] je uvedeno označení plováčkový průtokoměr a přístroj je zařazen do skupiny průtokoměrů s proměnlivým průřezem. Termín rotametr není uveden v žádné názvoslovné normě, ale lze se s ním setkat poměrně často jak v české, tak i v cizojazyčné odborné a firemní literatuře.     

Snímače tlaku s čelní membránou

K měření tlaku ve specifických provozech, jako je výroba potravin, léků, chemikálií apod., se používají speciální snímače tlaku, jejichž přehled je uveden v tabulkách na str. 37 až 39. Tento článek přibližuje způsoby připojení těchto snímačů k potrubí, nádobě nebo zařízení. Při měření tlaku v průmyslu je v některých případech třeba senzorický systém měřidla oddělit, aby nebyl v kontaktu s měřeným médiem. To je nutné např. tam, kde se vyskytují: –   agresivní tekutiny, –   silně viskózní kapaliny, –   tekutiny s pevnými částicemi, např. sedimentující kaly, –   horké tekutiny, které tuhnou nebo krystalizují při poklesu teploty, –   požadavky na dokonalé pročištění systému. V praxi se oddělení obvykle řeší použitím membrány, která je umístěna v čele procesního připojení, tedy čelní membrány. Procesním připojením se rozumí konstrukční celek, který slouží k připojení měřidla k potrubí nebo nádobě. Z hlediska použitých principů bývá čelní membrána koncipována buď jako měřicí, anebo jako oddělovací – ta společně s procesním připojením a pracovní kapalinou vytváří funkční celek zvaný membránový oddělovač. Měřicí čelní membrána Měřicí čelní membrána je nejen určena k oddělení měřeného média od vnitřního prostoru snímače, ale sama je zároveň i funkčním deformačním členem. Na lícovou stranu membrány působí měřené médium, zatímco na její rubové straně je vytvořen měřicí systém, který převádí výchylku membrány na vhodnou elektrickou veličinu. Toto uspořádání se zpravidla využívá u keramických měřicích membrán, na jejichž rubové straně jsou vytvořeny tenzometrické nebo kapacitní snímací obvody (obr. 1). Limitujícím faktorem je utěsnění keramického senzoru, které musí být dost měkké, aby kompenzovalo rozdílnou teplotní roztažnost materiálů, a zároveň musí být řešeno tak, aby ve styčných spárách nemohl ulpívat produkt. Materiál těsnění musí mít vyhovující životnost a chemickou odolnost, a to s ohledem na rozsah provozních teplot. Dalším limitujícím faktorem je materiál keramické měřicí destičky. Keramické materiály mají sice vysokou chemickou odolnost i při vysokých teplotách, ale jsou porézní. Proto je třeba pro některá média volit materiály s vysokou hutností. Nejčastěji používaný oxid hlinitý (Al2O3) má pro běžné účely hutnost 96 %, pro některá média je třeba sáhnout po membráně z kvalitnějšího materiálu s hutností 99,9 %. Existují i měřidla s čelní měřicí membránou z korozivzdorné oceli. Jejich výhodou je skutečnost, že membrána může být přivařena k tělu procesního připojení. Příkladem je přímoukazující mechanický tlakoměr typu PG43SA-S od firmy WIKA. U elektronických převodníků tlaku je však tato koncepce málo obvyklá. Oddělovací membrány a jejich vlastnosti Oddělovací membrána slouží k oddělení dvou tekutých médií. Z jedné strany na ni působí kapalina nebo plyn, jejichž tlak se měří, a na druhé straně je pracovní kapalina, která tlak přenáší do měřicího ústrojí tlakoměru. Membránový oddělovač je buď koncipován jako nedílná součást tlakoměru či převodníku tlaku, anebo je to samostatný konstrukční prvek, který může být namontován k měřidlu tlaku jako přídavné zařízení. Pro membránový oddělovač (anglicky chemical seal, německy Druckmittler) se někdy používá termín přenašeč tlaku. Materiály oddělovacích membrán a procesního připojení Z hlediska odolnosti má rozhodující význam materiál, z něhož je vytvořena membrána a další součásti procesního připojení, které jsou ve styku s měřeným médiem (wetted parts neboli smáčené součásti). Nejčastěji se využívá korozivzdorná ocel jakosti podle ČSN 17349 (AISI 316L, resp. 1.4404 nebo 1.4435) nebo podle ČSN 17347 (AISI 316Ti, resp. 1.4571). Tyto ušlechtilé oceli obsahují molybden, který však není vhodný při měření tlaku určitých látek (např. kyseliny dusičné), a proto jsou někdy nahrazovány jinými typy korozivzdorných ocelí jakosti podle ČSN 17240 (AISI 304, resp. 1.4301) anebo ČSN 17247 (AISI 321, resp. 1.4541). Membrány bývají zhotoveny i z dalších materiálů, jako jsou tantal, titan, nikl a slitiny Hastelloy C-276, Inconel, Monel aj. Kromě toho se používají kovové membrány s různými povlaky: nejčastěji povlak PTFE, ale i povlaky ze zlata, tvrdých nitridů apod. Pro měření tlaku agresivních kyselin a louhů se v konstrukci procesního připojení s výhodou využívají plasty. Limitujícím faktorem je ovšem jejich mechanická odolnost, která strmě klesá nejen se zvyšující se teplotou, ale i s mrazem. Proto by výrobci měli v katalogu uvádět i pokles pevnosti v závislosti na teplotě. Vzdálené oddělovače Důležitou roli pro uživatele může hrát i vzdálenost mezi procesním připojením (resp. místem, v němž se tlak měří) a umístěním samotného snímače. Někdy se proto volí uspořádání zvané vzdálený oddělovač (remote chemical seal). V tomto případě je membránový oddělovač spojen se snímačem tlaku kapilárou. Snímač pak může být umístěn mimo dosah nepříznivých vlivů a tím je chráněn např. před vysokou teplotou či vibracemi. Vzdálené oddělovače se používají také při měření rozdílů tlaků, kdy je třeba hodnoty obou dvou měřených tlaků přenášet do snímače ze dvou vzájemně odlehlých míst. Pracovní kapaliny a přípustná teplota použití Při použití snímačů s oddělovací membránou může být důležitý i druh pracovní kapaliny, která přenáší tlak od oddělovací membrány do měřicího ústrojí snímače. Jako pracovní kapaliny se nejčastěji používají silikonové oleje: běžné typy olejů jsou určeny pro po­užití v teplotách od –40 do přibližně +200 °C, zatímco speciální silikonové oleje snášejí teploty –90 až +400 °C. Do potravinářských provozů jsou vhodné speciální druhy oleje, např. olej NEOBEE M20, který je schválen FDA jako syntetická přísada do potravin. Pro zařízení pracující s kyslíkem a chlorem se používá speciální kapalina halokarbon. Prostor, který je vyplněn pracovní kapalinou, musí být před zaplněním dokonale odplyněn, a proto se zaplnění provádí ve vakuu; stejně důležité je i předchozí odplynění pracovní kapaliny. Z tohoto důvodu se musí systém kompletovat a zaplnit na pracovišti se speciálním vybavením. Zvláště přísné požadavky jsou kladeny na měřicí systémy určené do oblasti podtlaků. Jaká je přípustná provozní teplota? Výrobce většinou uvádí přípustnou teplotu okolí, zákazník v zadání zase obvykle uvádí teplotu média. Pro provoz snímače je limitující skutečná teplota na oddělovací anebo měřicí membráně snímače, která leží v rozmezí mezi teplotou média a teplotou okolí. Tuto teplotu musí odhadnout uživatel či projektant a je na nich, aby zvolili vhodný typ procesního připojení – protože právě procesní připojení je faktor, který nejvíce ovlivní přenos tepla mezi technologickým zařízením a tělesem snímače. Nejpoužívanější typy procesního připojení Existuje široká nabídka různých procesních připojení. Většina z nich vychází z konstrukce spojovacích dílů potrubí. Výběr připojení je dán konstrukčními zvyklostmi, kterými se řídí výrobce daného strojního zařízení: určité typy např. převládají v pivovarech a s jinými se lze setkat v petrochemickém průmyslu. Některé typy procesních připojení vycházejí z obecně platných norem, jiné byly zavedeny jako standard dominantními výrobci a po nich se také jmenují (např. APV), ale kromě toho existují i procesní připojení, u nichž žádný standard neexistuje a každý výrobce používá vlastní konstrukci. U většiny typů procesního připojení je k dispozici několik rozměrů (jmenovitých velikostí). Při volbě velikosti je třeba mít na zřeteli, že čím má být měření citlivější a stabilnější, tím větší membránu je vhodné použít. U malých membrán výrobce nenabízí měření nízkých tlaků anebo je nabízí jen se sníženou přesností. Samostatnou skupinu tvoří procesní připojení určená do potravinářských a farmaceutických provozů, která musí vyhovovat specifickým požadavkům. Tato připojení mají být konstruována tak, aby produkt, jehož tlak se měří, neulpíval ani na membráně nebo okolo ní, ani v jednotlivých součástech procesního připojení a aby bylo možné připojení čistit stejným postupem, kterým se pročišťuje celé výrobní zařízení. Zpravidla jde o tzv. sanitaci, čisticí postup označovaný zkratkami CIP (cleaning in place) nebo SIP (sterilization in place). Je to postupné proplachování systému zředěnou kyselinou dusičnou a následně zředěným hydroxidem sodným, a to obvykle při teplotě blížící 100 °C. Jiným rozšířeným způsobem čištění je dezinfekce horkou párou. Těmto způsobům čištění musí odpovídat po­užité materiály i konstrukční řešení. Zásady pro konstrukci, provoz a montáž přístrojů určených pro styk s potravinami a s léčivy určují standardy sdružení 3-A SSI (Sanitary Standard Incorporation). Procesní připojení používaná v potravinářství vycházejí vesměs z konstrukce spojovacích dílů potrubí a jsou s nimi kompatibilní. Potravinářské šroubení podle DIN EN 11851 Jde zřejmě o nejobvyklejší druh procesního připojení (obr. 2). Sestavu tvoří závitové hrdlo s kuželovým vybráním, do něhož se jako protikus vkládá kuželové hrdlo s převlečnou maticí. Závit je oblý podle DIN 405, resp. ČSN 01 4037 a jeho průměr je kótován v milimetrech s označením Rd. Stoupání tohoto závitu je udáváno počtem závitů na palec. Těsnění se vkládá do drážky ve dně kuželového vybrání. Membránový oddělovač bývá zpravidla umístěn v kuželovém hrdle tohoto připojení, a patří k němu tudíž převlečná matice. Někdy bývá konfigurace opačná a membránový oddělovač má podobu závitového hrdla; převlečná matice pak náleží k protikusu. Velikost šroubení se udává v milimetrech a obvyklé rozměry jsou DN25, DN32, DN40 a DN50. Rozměry DN15, DN65 a větší jsou pro měření tlaku málo obvyklé. Tri-Clamp podle DIN 32676, resp. Clamp podle ISO 2852 Je to oddělovač, jehož tvar je odvozen od tvaru potrubních hrdel, která se spojují rychloupínacím třmenem (Clamp) – viz sestava na obr. 3 vpravo. Velikost oddělovače se většinou popisuje rozměrem trubky, k níž hrdla náležejí. Trubky se vyrábějí podle několika norem, což vnáší do označování velikosti procesního připojení nejednoznačnost. Porovnání norem a interpretace rozměrů jsou uvedeny v tab. 1. V tomto článku bude pro tento oddělovač používán název Clamp. Vnější rozměry oddělovačů o velikosti DN25, DN32 a DN40 (tj. 1" a 1/2") jsou totožné, a tak jsou procesní připojení těchto rozměrů vzájemně zaměnitelná, je však třeba dbát na správnou velikost membrány. Průměr membrány Dm by neměl být větší než vnitřní průměr protilehlého hrdla dTR, resp. než průměr otvoru v těsnění (obr. 3 vlevo). Clamp a šroubení podle DIN EN 11851 jsou v potravinářství nejrozšířenějšími typy procesního připojení. Šroubení podle SMS 1145 V některých detailech je šroubení podle švédské normy SMS (Swedish Manufacturing Standard) (obr. 4) podobné potravinářskému šroubení DIN EN 11851: závitové spojení s převlečnou maticí rovněž obsahuje oblý závit Rd, ale rozměrová řada závitu je jiná, takže převlečné matice nejsou vzájemně zaměnitelné. Dosedací plochy závitového dílu a příslušného protikusu jsou ploché. Těsnění je uloženo v drážce obdélníkového průřezu a má na sobě výběžek, který vyplňuje prostor mezi dosedacími plochami. Velikost šroubení se udává v palcích: 1", 1 1/2", 2"; větší rozměry jsou u snímačů tlaku málo obvyklé. Potravinářská šroubení IDF/ISS a APV-RJT Potravinářská šroubení typů IDF/ISS a APV-RJT se skládají se závitového dílu a dílu s převlečnou maticí. Podobně jako u šroubení výše uvedených může být membrána umístěna jak na dílu s převlečnou maticí (female), tak na dílu s vnějším závitem (male). Těsnění je tvarováno tak, aby mezi dosedacími plochami a těsněním nezůstávaly kouty, v nichž by ulpíval produkt. Převlečné matice jsou šestihranné. V případě šroubení IDF/ISS je použit nestandardní závit IDF (velikost se udává v palcích), ve šroubení APV-RJT je závit Whit­worthův. Aseptické připojení podle DIN 11864 Byla to nejspíš snaha vyhnout se speciálně tvarovanému těsnění a dosáhnout spoje bez koutů a skulin kolem těsnění, která vedla ke vzniku tohoto procesního připojení a k jeho vzrůstající oblibě. Těsnicím prvkem je O-kroužek. Tvar navazujících dosedacích ploch je zvolen tak, aby při plném dotažení spoje O-kroužek mírně vyhřezl z drážky, takže nevznikne skulina ani kout, v nichž by mohl ulpívat produkt. Těsnicí plochy jsou popsány normou DIN 11864/A, což odpovídá tvaru pro O-kroužek. Podle způsobu spojení se rozlišují tři typy (viz obr. 5): –   tvar 1 – šroubení s převlečnou maticí s oblým závitem; rozměrová řada závitů Rd je stejná jako u šroubení DIN EN 11851, –   tvar 2 – dvojice kruhových přírub spojených svorníky, –   tvar 3 – spojení podle standardu Clamp, tj. s rychloupínacím třmenem; vnější rozměry jsou shodné jako u připojení Clamp, takže lze použít shodné upínací třmeny, avšak tvar dosedacích ploch je úplně odlišný. U všech tří zmíněných typů se rozlišuje mezi dvěma protikusy odlišného tvaru: jeden díl má drážku (grove), druhý díl má výstupek (notch). Membrána se častěji umísťuje na díl s drážkou. Aseptické připojení NEUMO BioControl®, Varivent®, DRD, APV-In Line Připojení na obr. 6 až obr. 9 mají jednu společnou vlastnost: jsou konstruována tak, aby membrána ležela v jedné rovině s vnitřním povrchem potrubí nebo nádoby. Cílem je, aby nevznikal žádný mrtvý prostor (výduť nebo kout), který by při pročišťování nebyl dostatečně oplachovaný. Pro toto připojení se používají příruby s tubusem v různém provedení. Čelní plocha tubusu je na obvodu těsněna O-kroužkem, jenž se opírá o přesně tvarovaný břit vytvořený na hraně protikusu. U typu Varivent (obr. 7) je spojení zajištěno pomocí rychloupínacích třmenů (clamp), ostatní jsou obměnami přírubového spojení. Součástmi připojení typů NEUMO BioControl a Vari­vent jsou speciálně tvarované potrubní díly, které umožňují vsadit procesní připojení většího rozměru (průměry 50 a 65 mm) do potrubí relativně malého průřezu při zachování spolehlivé sanitovatelnosti. Univerzální adaptéry Zatímco většinu procesních připojení vymysleli výrobci potrubí a jeho příslušenství, firma Endress+Hauser přišla v 80. letech 20. století na trh se snímači Deltapilot s vlastním plně sanitovatelným „univerzálním adaptérem“ (obr. 10). Tělo procesního připojení v podobě válcového dříku o průměru 44 mm je na čelní straně zakončeno kuželovým zúžením a membránou o průměru 38 mm. Kuželová plocha se vsazuje do shodně tvarovaného vybrání v protikusu a utěsňuje se tvarovým pryžovým kroužkem. Tvar těsnění a dosedacích ploch je volen tak, že membrána dokonale lícuje v ploše protikusu. Spojení je zajištěno převlečnou maticí s potravinářským šroubením DN40. Univerzálnost adaptéru spočívá v tom, že protikus je dodáván buď jako díl určený k přivaření do stěny potrubí či nádoby, nebo jako přechodový díl (redukce) na několik typů potravinářských připojení: Clamp 2", Varivent N, šroubení DIN11851 DN40 a DN50 anebo přírubu DRD. Toto řešení umožnilo uživatelům snížit množství skladových zásob a obsáhnout mnoho procesních připojení jedním snímačem a několika adaptéry. V současné době se používá v podstatě pouze s navařovacími protikusy, i když přechodové díly pro jiná připojení jsou stále k dispozici. S podobným řešením posléze přišli výrobci Krohne (procesní připojení F40), ifm (Aseptoflex Vario) a WIKA (typ 910.1). Procesní připojení pro homogenizéry Charakteristickými znaky připojení pro homogenizéry jsou delší válcový dřík s membránou poměrně malého průměru (obvykle do 25 mm) a větší měřicí rozsah, zpravidla v řádu desítek megapascalů. Nápadným znakem je i masivní upevňovací trámec se dvěma otvory pro šrouby (obr. 11); některé varianty používají i kruhové příruby. Trámec bývá na oddělovači obvykle navlečen bez možnosti sejmutí, protože se opírá o nákružek na dříku. Důmyslnější varianty jsou řešeny tak, že se nákružek podkládá dělenou podložkou, která zapadá do osazení v otvoru tvořícím průchod v trámci, takže trámec lze sejmout. Některé membránové oddělovače pro homogenizéry obsahují i hydraulický tlumič s kataraktem, který zajišťuje ochranu měřidla před tlakovými rázy. Rozměry procesního připojení pro homo­genizéry nejsou upraveny žádnou národní nebo mezinárodní normou a jejich vzájemnou kompatibilitu je nutné vždy prověřit.   Ostatní procesní připojení Procesní připojení se závitovým dříkem a čelní membránou Tato procesní připojení spoří místo i náklady, protože protikusem je nátrubek s vnitřním závitem, tedy jeden z nejlevnějších potrubářských dílů. K nejžádanějším patří závit G1/2" (obr. 12). Na čelo závitového dříku G1/2" se však vejde membrána o průměru maximálně 18 mm. Tak malou membránu lze použít jenom pro větší rozsahy měřeného tlaku – bez podstatné ztráty přesnosti přibližně od 0,2 MPa. Lepšího výsledku se dosáhne použitím membrán z velmi tenkých fólií; nejtenčí používané membrány z korozivzdorné oceli mají tloušťku 0,02 mm, ale ty se snadno poškodí třeba i pouhým dotekem prstu. Připojení se závitovým dříkem je používáno v rozměrech od G1/2" do G2". Lze se setkat i s metrickými závity s jemným stoupáním: obvykle od M20×1,2 („manometrový závit“) až po M36×3. Z hlediska provozu je důležitý způsob utěsnění (obr. 13). Časté je utěsnění vně závitu: obvykle podle DIN 3852. Nevýhodou je, že měřené médium (produkt) se dostává do závitu, kde může zatuhnout. Proto se závit utěsňuje, a to buď těsnicí páskou navinutou v závitu, nebo tmelem pro těsnění závitů. Nejčistším řešením je utěsnit spojení v blízkosti membrány, např. okolo čelní plochy závitového dříku. K tomu je třeba, aby tvar protikusu korespondoval s tvarem procesního připojení na snímači. V tomto ohledu neexistují obecně platné standardy, a proto je třeba používat protikusy (návarky) nabízené výrobcem snímače. Přírubové spojení Rozměry přírub používaných u procesních připojení snímačů tlaku se řídí buď normou EN 1092-1 (dříve DIN 2501, resp. ČSN 13 1160), která udává rozměry v milimetrech a tlakovou třídu v megapascalech (popř. v barech), anebo normou ANSI B16.2, kde se rozměry udávají v palcích a tlaková třída v librách na čtvereční palec. Nejčastější úpravou těsnicích ploch je „hrubá těsnicí lišta“ (RF), méně obvyklé jsou příruby s perem či drážkou. Pro menší jmenovité průměry a nižší tlakové třídy jsou rozměry přírub shodné nezávisle na tlakové třídě (např. při průměru DN50 se pro tlakové třídy od PN10 do PN40 používají příruby stejných rozměrů), ale u větších průměrů už k tak široké shodě rozměrů přírub nedochází. Přírubové procesní připojení umožňuje vy­užít větší rozměr membrán. To je zapotřebí, má-li se dosáhnout co nejmenšího zkreslení tlaku na oddělovací membráně, jako je tomu např. při měření rozdílů tlaků, anebo má-li být membrána opatřena povlaky, které zvyšují její korozní odolnost. Povlaky a přidané vrstvy zvětšují tuhost membrány, takže se správné funkce dosahuje větším průměrem. Jestliže se z důvodu zvláštní korozní odolnosti používají membrány ze speciálních a drahých materiálů, jako je tantal, titan, nikl, Hatselloy, Monel apod., membránou se pokryje i těsnicí plocha, díky čemuž jediným materiálem ve styku s médiem zůstane materiál membrány (obr. 14). Kvůli úspoře dražších materiálů se někdy místo plných přírub používají tzv. sendviče (v angličtině známé pod označením cell, pancake nebo wafer type), viz obr. 15. Sendviče se k potrubí upevňují pomocí přítlačné příruby. Aby se dosáhlo lepšího omývání membrán měřeným médiem a aby se zabránilo vzniku mrtvého prostoru, v němž by se médium mohlo usazovat či v něm zatuhnout, umísťují se někdy membrány na tzv. tubusy; v angličtině se používá termín extended diaphragm (obr. 16). Nestandardní příruby s tubusy (papírenské oddělovače, oddělovač IDSF) Snaha šetřit místem a materiálem vedla k používání nestandardních přírub, a to hlavně v těch případech, kde membrána musí být umístěna do blízkosti protékajícího produktu, podobně jako je to provedeno u standardních přírub s tubusem. To je třeba např. při měření tuhnoucích produktů v papírenských provozech. Jako protikus membránového oddělovače slouží atypický přivařovací protikus (špalek), k němuž se membránový oddělovač upevňuje věncem šroubů zašroubovaných v neprůchozích závitových dírách. Aby nemusel být protikus příliš masivní a tubus dlouhý, je třeba použít větší množství šroubů malého průměru (obr. 16). Oddělovač IDSF má membránu umístěnou co nejblíže k vnitřnímu povrchu potrubí a těsnění co nejblíže membráně. Dosedací plocha přivařovacího protikusu je upravena tak, aby lícovala s vnějškem potrubí. Průtočné oddělovače trubkové (flow-thru, in-line) U této kategorie se rozlišují dvě koncepce. U první je oddělovač s trubkovou membránou zhotoven tak, že membrána tvoří výstelku celého vnitřního povrchu v jistém úseku trubky. Je to řešení z hlediska výroby velmi náročné, ale v oddělovači nevzniká žádný kout a průtok média nic neruší. Membrána má velkou plochu a tím i zcela bezkonkurenční pracovní objem. Uvedené oddělovače se vyrábějí s nejrůznější úpravou konců pro vřazení do potrubí: mohou být použity příruby, potravinářské šroubení, Clamp aj. (obr. 19). Druhá koncepce (typ IDBF či WFW) využívá oddělovače s kruhovou membránou podobně jako typ IDSF, popsaný v předchozím odstavci, ale tvar protikusu je specificky upraven, takže tvoří komůrku, do níž ústí trubky menšího průměru. K trubce může být přidán i vnější plášť z důvodu otápění (jacket pipe, obr. 20). Jazýčkové oddělovače Jazýčkové oddělovače (finger type) jsou tvořeny dříkem oválného průřezu, okolo něhož je ovinuta membrána. Oddělovač je vysunutý do průtočného profilu potrubí a je obtékán proudící tekutinou (obr. 21). Chladicí nástavce Téměř všechny již uvedené membránové oddělovače, resp. procesní připojení mohou být s vlastním převodníkem spojeny buď přímo, anebo prostřednictvím kapiláry. Další variantou je spojení přes chladicí nástavec (cooling tower). Ten buď může mít podobu válcového dříku z plného materiálu s chladicími žebry, anebo je tvořen trubkou s větracími otvory, v níž je vedena spojovací kapilára (obr. 22). Předpokladem účinného fungování ovšem je, aby chladicí nástavec nebyl obklopen izolací a aby okolo něj dostatečně proudil vzduch. Chladicí nástavce a kapilárová připojení umožňují oddělovačům snášet teploty do 400 °C. Snímače pro taveniny V některých zřízeních (např. na extrudérech) je třeba, aby procesní připojení mělo malý rozměr a bylo umístěno na dlouhém dříku (obr. 23). Membrána na čelní ploše dříku mívá průměr přibližně 8 mm a je úplně hladká, aby se tavenina po případném zatuhnutí snadněji odlepila. Bývá opatřena tvrdým povlakem ze speciální slitiny, aby se zvýšila její odolnost proti otěru. K měření tlaku bývá přidruženo i měření teploty. Tyto snímače s extrémně malou membránou se vyrábějí pro větší tlakové rozsahy (od 1,7 do 200 MPa) při teplotě do 400 °C. Jako pracovní kapalina se používá rtuť; některé novější typy se vyrábějí již jako bezrtuťové. Procesní připojení z odolných plastů K dosažení vysoké korozní odolnosti proti agresivním kyselinám a louhům je někdy vhodné využít plasty. Plastové díly se obvykle kombinují s měřicí membránou z Al2O3 anebo s oddělovací membránou z tantalu, popř. z korozivzdorné oceli s povlakem PTFE. Používají se i pryžové membrány (obr. 24).  Ing. Jan Vaculík, BHV senzory s. r. o. Obr. 1. Snímač LMK457 s keramickou měřicí čelní membránou vsazenou do příruby DN25 (BD sensors) Obr. 2. Šroubení DIN11851 (BHV senzory) Obr. 3. Sestava spojení Tri-Clamp: a) řez oddělovačem, b) schéma sestavy (BHV senzory) Obr. 4. Čelní membrána na dílech šroubení SMS: a) vnější závit, b) vnitřní závit (BHV senzory) Obr. 5. Čelní membrány podle DIN 11864 – zleva doprava: tvar 1, tvar 2, tvar 3 (WIKA) Obr. 6. Procesní připojení NEUMO BioControl (WIKA) Obr. 7. Procesní připojení Varivent, v pozadí potrubní díl (BHV senzory) Obr. 8. Procesní připojení DRD (BHV senzory) Obr. 9. Procesní připojení APV-In Line (WIKA) Obr. 10. Univerzální adaptér od firmy En­dress+Hauser (Endress+Hauser) Obr. 11. Membránový oddělovač pro homogenizéry (BHV senzory) Obr. 12. Oddělovací membrány na čele závitového připojení G1/2" (BHV senzory, snímek z výroby) Obr. 13. Různé způsoby utěsnění závitového připojení a) měkké těsnění poblíž čela závitového dříku, b) utěsnění vně závitu, c) utěsnění na kužel v čele závitového dříku (Baumer) Obr. 14. Příruba s čelní membránou z tantalu (BHV senzory) Obr. 15. Sendvič, někdy označovaný jako pan - cake, cell-type nebo wafer-type (BHV senzory) Obr. 16. Příruba s tubusem namontovaná na převodník Sitrans DSIII (BHV senzory/Siemens) Obr. 17. Papírenský membránový oddělovač, vlevo oddělovač s přítlačnou přírubou, vpravo výkres protikusu (BHV senzory) Obr. 18. Oddělovač IDSF: a) detail navařovacího protikusu s vloženým oddělovačem, b) detail navařovacího protikusu přiloženého na potrubí (BHV senzory) Obr. 19. Oddělovač s trubkovou membránou (in line, flow thru) s potravinářským šroubením DN50 (STIKO) Obr. 20. Průtočný oddělovač pro potrubí s dvojitou stěnou (BHV senzory) Obr. 21. Jazýčkový membránový oddělovač (BHV senzory) Obr. 22. Čelní membrána na závitovém čepu G1/2" s chladicím nástavcem (BHV senzory) Obr. 23. Procesní připojení snímače pro taveniny (vpravo detail membrány o průměru 7,8 mm) (Dynisco) Obr. 24. Příklady plastového procesního připojení z PVDF: a) závitové připojení MDM 902 od firmy Stübbe, b) průtočný snímač Hydra-Line od firmy WIK Tab. 1.: Rozměry oddělovačů Clamp podle obr. 3 a jejich přiřazení k různým normám 

Společnost Omron představila nové průmyslové mobilní roboty

Společnost Omron představila svou první produktovou řadu průmyslových mobilních robotů – LD Platform. Mobilní roboty LD jsou efektivní a cenově výhodný prostředek pro manipulaci se zbožím v rozlehlých výrobních provozech. Jedinečné mobilní roboty této řady jsou navrženy tak, aby nepřetržitě a spolehlivě přepravovaly materiál, a rovněž se umí samy navigovat i ve velmi dynamicky se měnícím prostředí.  Mobilní robotické platformy LD (obr. 1), ideální pro manipulaci se zbožím ve skladištích, distribučních centrech a výrobních závodech, zvládnou přepravu kusů o hmotnosti až 130 kg. V porovnání s tradičními automaticky naváděnými vozidly se mobilní roboty Omron umí samy navigovat v přirozeném prostředí podniku. Nejsou nutné žádné cenově a časově náročné úpravy infrastruktury, nejsou třeba podlahové magnety, naváděcí pásy nebo laserové závory, které se vyskytují u klasických automaticky naváděných vozidel. Body doručení lze u mobilních robotů LD snadno měnit a dosáhnout tím flexibilního rozvržení závodu. Mobilní roboty LD od firmy Omron tak doplňují tradiční automatizaci, např. dopravníkové pásy, a umožňují dosáhnout podstatně větší flexibility. Mobilní roboty LD jsou opatřeny systémem samočinné navigace, který spolehlivě pracuje i v prostředích, kde se nepřetržitě pohybují lidé, palety, vozíky či vysokozdvižné vozíky a jsou stále vyprazdňovány a přemisťovány regály. Platforma robotu je vybavena senzory a vestavěným řídicím systémem, které jí dovolují vyhnout se překážkám a zvolit si nejlepší cestu. To také umožňuje bezpečný provoz mezi lidmi, popř. i spolupráci s nimi. Z robotů lze vytvářet skupiny (až sto robotů na jednu skupinu), které jsou centrálně řízeny softwarem Enterprise Manager 1100, jenž spolupracuje se systémy pro správu závodu nebo skladu (např. MES nebo WMS). Součástí nové řady je LD Cart Transporter (obr. 2), autonomní tahač vozíků. Cart Transporter obsahuje zařízení pro automatické zapojení vozíku a dokáže přizpůsobit svou příjezdovou cestu tak, aby se vozík automaticky připojil k tahači. Díky tomu je Cart Transporter ideálním řešením pro doplňování zásob u výrobních a montážních linek nebo pro vyřizování objednávek e-shopů v distribučních centrech. Další informace: https://industrial.omron.cz/cs/products/mobile-robot. [Tisková zpráva Omron Electronics spol. s r. o. Leden 2017.] (Bk) Slovníček Platforma LD: základní část mobilního robotu. Skládá se z podvozku s koly, pohonů, nosných prvků pro upevnění nástavby, baterie, laserových a ultrazvukových snímačů, gyroskopu a řídicího systému LD Core, který obsahuje veškerý software potřebný k navigaci a konektory pro připojení signálů i napájení nástavby. Nástavba: cokoliv, co je neseno platformou. Může to být krabice nebo paleta, zařízení pro automatické připojení transportního vozíku (u zařízení LD Cart Transporter) nebo robotické rameno určené k manipulaci s transportovaným materiálem. Nástavba často zahrnuje také operátorský panel. Transportní vozík: mechanický čtyřkolový vozík (cart) určený k přepravě krabic a palet s materiálem. LD Core: průmyslový počítač vestavěný do platformy LD. Běží na něm software ARAM (Advanced Robotics Automation Management), který zpracovává údaje ze všech snímačů platformy, SetNetGo, který komunikuje s aplikací řídící celou flotilu robotů (Enterprise Manager), a MARC (Mobile Adept Robot Controller), který zpracovává údaje z gyroskopu a snímačů polohy v pohonech, komunikuje se systémem ARAM, určuje polohu robotu a řídí pohony, včetně bezpečnostního zastavení před překážkou. Autonomní inteligentní vozidlo: (AIV – Autonomous Intelligent Vehicle); v tomto případě platforma s nástavbou, tedy kompletní mobilní robot, který může přemisťovat materiál, polotovary, zboží apod. Enterprise Manager 1100: software, který řídí provoz celé flotily (až stovky) mobilních robotů. Obr. 1. Platforma mobilního robotu LD od firmy Omron Obr. 2. LD Cart Transporter, autonomní tahač manipulačních vozíků  

Nejrychlejší značení na světě pomocí JET3up RAPID

Vysoký stupeň automatizace má za následek zvýšenou produktivitu výroby. Avšak značicí systémy někdy nedokážou s touto rychlostí držet krok a celý proces zpomalují. Proto firma Leonardo technology uvedla na trh tiskárnu Leibinger JET3up RAPID (obr. 1). Je to jediná průmyslová inkoustová vysokorychlostní tiskárna na světě pracující na hranici fyzických možností: rychlost značení je až 1 000 m/min (60 km/h). To je víc, než kdybyste jeli v obci autem a tiskli přitom na obrubník souvislý text. Značení mimořádnou rychlostí 1 000 m/min Tato mimořádná rychlost je důležitá především při značení kabelů, hadiček, trubek apod. Tisk je přitom jasně čitelný na různých površích materiálů (obr. 2). JET3up RAPID dokáže zvýšit efektivitu produkce o až 40 % ve srovnání s jinými vysokorychlostními inkoustovými tiskárnami dostupnými na světovém trhu a zvýšit tak zisky výrobním společnostem – o to přece jde.        Proč je tisk s JET3up RAPID na hranici fyzických možností Tisk s JET3up RAPID je na hranici fyzických možností jak v oblasti mechaniky tekutin, tak v oblasti elektroniky. Musí se vypořádat s vlivem elektrostatického pole i turbulencí vzduchu. Nabíjecí matrice pro kapičky inkoustu totiž nejenže generuje napětí odpovídající poloze kapičky, ale za pomoci vysokorychlostní kamery snímající průlet kapičky vzduchem toto napětí ještě i dolaďuje. Kompenzuje totiž turbulence vznikající průletem kapičky vzduchem, které ovlivňují pohyb kapičky letící za ní. Je to, jako když jede cyklista z kopce za druhým cyklistou: vzhledem k menšímu odporu vzduchu ve vzduchovém úplavu jej dojíždí, až jej předjede. Proto se kompenzuje let kapiček správným načasováním a nabíjením. JET3up RAPID pracuje na limitu ne technických možností, ale fyzických vlastností omezujících maximální rychlost tisku, proto je tak výjimečná a světově jedinečná. Zájemci se o tom mohou přesvědčit na vlastní oči. Tiskárna bude značit na veletrhu Amper 2017 ve stánku firmy Leonardo technology č. 7.12 v hale V. Kontakt na firmu je v inzerátu na str. 1. (Leonardo technology s. r. o.)www.LT.cz Obr. 1. Vysokorychlostní inkoustová tiskárna Leibinger JET3up RAPID Obr. 2. Ukázky značení tiskárnou Leibinger JET3up RAPID 

Mico Pro – maximálně modulární kontrola proudu

Mico Pro je nový systém od společnosti Murrelektronik pro sledování elektrického proudu. Modulární konstrukce umožňuje přizpůsobit systémy přesně konkrétním požadavkům, což poskytuje příznivý poměr nákladů a užitných funkcí při maximální úspoře prostoru k instalaci. Patentované vypínací chování zajišťuje co největší možnou disponibilitu stroje. Další výhodou je integrovaná distribuce potenciálů, která výrazně omezuje požadavky na instalaci v rozváděči.  Napájecí systémy jsou jádrem strojů a zařízení. Zajišťují potřebnou energii, a proto nesmí být snadno ochromeny přetížením nebo zkratem – jinak hrozí zastavení strojů, výpadky výroby a vysoké náklady. Spolehlivost systémů elektrického napájení musí být vždy maximální. Mico Pro od společnosti Murrelektronik (obr. 1 Modulární systém Mico Pro pro sledování proudu v napájecích obvodech) zvyšuje spolehlivosti napájení. Inteligentní systém monitorování proudu důsledně sleduje všechny zátěžové a řídicí proudy a včas rozpozná kritické momenty. Mico Pro signalizuje mezní zátěže a cíleně vypíná chybové kanály, aby se zabránilo úplnému výpadku a zajistila se vysoká disponibilita stroje. Jeho vypínací chování je patentované a řídí se zásadou: „co nejpozději, jak je to možné, co nejdříve, když je to zapotřebí“. Mico Pro také rozpoznává přechodné chyby; např. když k přerušení vedení ve vlečném řetězu dochází pouze v určitých úhlech dráhy. Rozeznává kapacitní spotřebiče a spouští je kontrolovaně. Modulární konstrukce s úsporou prostoru Mico Pro je modulární systém pro provozní napětí 12 nebo 24 V DC. Z mnoha jeho modulů lze pro každý případ vybrat vhodné komponenty a zkompletovat je bez nářadí spolu s napájecím modulem do uceleného systému. Vybírat je přitom možné mezi moduly s jedním, dvěma nebo čtyřmi výstupními kanály. Jejich šířka je pouhých 8, 12 nebo 24 mm, a proto výrazně spoří místo. Jestliže uživatel použije např. systém s osmi kanály, je zapotřebí až o 65 % méně místa než při použití běžných jističů. Se zvětšujícím se počtem kanálů poměrná úspora místa dále roste. U fixních modulů jsou vypínací proudy (2, 4, 6, 8, 10 a 16 A) pevně nastavené, takže jde o řešení odolné proti nedovolené manipulaci. U flexibilních modulů lze nastavit vypínací proud stisknutím tlačítka od 1 do 10 A, popř. od 11 do 20 A. To je výhodné např. pro výrobce strojů a zařízení s přídavnými rozšířeními; současně se tak zmenšuje počet potřebných variant. Pro každou úlohu lze Mico Pro nakonfigurovat přesně na míru, systém je neustále flexibilní. Je-li třeba vyměnit jen jeden modul, např. protože po úpravě stroje je zapotřebí jiný proud, lze výměnu provést rychle a bez nástrojů. Díky tomu se dosahuje příznivého poměru nákladů a užitných vlastností.  Výrazné zjednodušení elektroinstalace v rozváděči Mico Pro má integrovanou distribuci potenciálů pro +24 V (popř. +12 V) a 0 V, čímž se výrazně zjednodušuje instalace kabelů v rozváděči. Na každém kanálu jsou možnosti připojení pro +24 a 0 V. Externí svorky 0 V tím mají „odslouženo“, protože nulový potenciál je možné připojit přímo přes Mico Pro. To zjednodušuje instalaci, výrazně omezuje počet kabelových propojení, šetří prostor v rozváděči a v konečném důsledku snižuje náklady. S rozšiřujícím potenciálovým modulem lze na každý kanál Mico připojit až dvakrát dvanáct potenciálů. Praktická manipulace Inovovaný systém můstků, kterým se jednotlivé komponenty propojí do jednoho celku, je charakteristický snadnou instalací. Dvě lišty se běžnými „štípačkami“ zkrátí přesně na správnou délku, jedním pohybem se zepředu zasunou do připravených úchytů (obr. 2 Systém Mico Pro v rozváděči https://www.youtube.com/watch?v=ay3kW69iPxo ) – a systém dimenzovaný na celkový proud až 40 A je hotov. Diagnostické a řídicí signály se připojí pomocí pružinových kontaktů po straně modulu. Jednotlivé vodiče lze připojit bez použití nástrojů, neboť všechny vstupy a výstupy systému jsou vybaveny pružinovými svorkami push-in. Montáž tak trvá jen krátce a v běžícím provozu není nutná odstávka na údržbu. Přední strana modulů Mico Pro není nikdy zakryta kabely nebo vodiči; operátor tak vždy vidí popisky a stavové LED. Diagnostika na místě nebo prostřednictvím řídicí jednotky Diagnostické funkce jsou v Mico Pro velmi důležité. Každý kanál je vybaven LED pro zobrazení stavu na přístroji a dále je možné předávat diagnostické signály do řídicí jednotky. Napájecí modul Mico Pro poskytuje hromadnou diagnostiku pro celý systém, nastavitelné flexibilní moduly navíc dodávají diagnostické signály k jednotlivým kanálům. Pro stavové LED platí: dokud je vše v pořádku, svítí zeleně. Dostane-li se hodnota na 90 % nastaveného vypínacího proudu, signalizuje LED blikáním v zelené barvě dosažení mezní oblasti. Taková situace může nastat, připojí-li se další spotřebiče nebo vzroste-li spotřeba energie již připojených spotřebičů, např. v důsledku opotřebení. Při uvádění do provozu může toto včasné varování pomoci okamžitě identifikovat nesprávně dimenzované proudové obvody. Mico Pro v takovém případě vyšle navíc diagnostický signál. Je-li překročen vypínací proud, Mico Pro vypne obratem a cíleně postižený kanál. LED bude blikat červeně a bude vyslán diagnostický signál. Operátor může kanál znovu aktivovat buď stisknutím tlačítka na místě, nebo signálem z řídicí jednotky. Pro účely údržby lze kanály vypnout také ručně. LED potom trvale svítí červeně a možnost dálkového zapnutí je během této doby deaktivována. Integrovaná spínací funkce Spínací funkce umožňuje cíleně pro konkrétní kanál prostřednictvím signálu z řídicí jednotky (PLC) u flexibilních modulů zapínat a vypínat části zařízení. Je možné realizovat jak vysoké spínací frekvence (až 10 Hz), tak i dlouhé doby spínání; např. pro vypnutí určitých úseků stroje během neprodukční doby. LED příslušného kanálu v průběhu této doby svítí oranžově. Mico Pro lze instalovat kaskádovitě, tzn. že na jeden kanál Mico s vypínacím proudem více než 10 A lze připojit další stanici Mico Pro. Je-li na jejích kanálech vypínací proud výhradně do 10 A, je zajištěna plná selektivita a nadále jsou vypínány pouze kanály postižené zkratem nebo přetížením. Zejména pro úlohy s decentralizovanou koncepcí rozváděče jde o významnou výhodu, která snižuje poměrné náklady na instalaci – už jen z toho důvodu, že není zapotřebí žádný dodatečný napájecí zdroj.  (Murrelektronik CZ spol. s r. o.)www.murrelektronik.cz Přehled výhod systému Mico Pro: -         sledování proudu v kanálech až do 20 A v modulárním systému – to je inovace v modulárních systémech pro sledování proudu, -         optimální možnosti značení pro přehledný rozváděč, -         integrovaný měřící bod pro pohodlné měření, -         napěťově nezávislá paměť závad: ideální pro hledání závad po obnovení napájení, -         zapínací kapacity až 30 mF na kanál, a to i při plném zatížení, -         provoz i s napájecími zdroji 5 A – dosud byly nutné zdroje 10 A, -         minimální vnitřní odpor, téměř žádný ztrátový výkon, -         nezávislost na teplotě, -         časově zpožděné zapnutí jednotlivých kanálů u vícekanálových modulů pro omezení proudových špiček. 

Strategické partnerství Comau a B&R dalo vzniknout unikátnímu konceptu openRobotics

Roboty Comau (www.comau.com/cz) s řídicími systémy B&R (www.br-automation.com) otevírají cestu do nové éry v používání robotů v průmyslové výrobě. OpenRobotics (http://bit.ly/2m13iq7) je koncept od společností B&R a Comau, který umožňuje zákazníkům získat všechny výhody celistvého přístupu k provozu, diagnostice a údržbě díky plné integraci řídicího systému robotu s řídicím systémem stroje.  Obr. 1. Walter Burgstaller, obchodní ředitel B&R pro Evropu (vlevo), a Tobias Daniel, vedoucí prodeje a marketingu společnosti Comau Robotics, představili openRobotics na veletrhu SPS IPC Drives v Norimberku v roce 2015 (foto: B&R)  „S openRobotics je možné použít stejný řídicí systém jak pro stroje, tak pro roboty automatizované linky,“ říká Walter Burgstaller, obchodní ředitel B&R pro Evropu. „Tímto způsobem se výrazně zvyšuje výkon závodů, protože stroje a roboty jsou dokonale integrovány a řízeny jediným řídicím systémem. V integrovaném systému jsou obsaženy i bezpečnostní funkce – systém SafeMotion řídí pohybové osy zařízení i robotu. V důsledku toho je možné zmenšit bezpečnostní zóny, což má značné výhody, co se týče zástavbové plochy. OpenRobotics je výhodný jak pro výrobce, tak pro obsluhu automatizovaných strojů.“ V této konfiguraci již není třeba rozváděč s řídicím systémem robotu, který je běžně součástí jeho dodávky. Řídicí systém robotu je totiž umístěn ve stejném rozváděči jako řídicí systém stroje. Toto spojení zjednodušuje kabeláž a sdílené napájení celý systém zlevňuje. Další výhodou použití jednoho řídicího systému je zmenšení počtu náhradních dílů potřebných pro údržbu, čímž se zjednodušuje řízení zásob náhradních dílů. O konceptu openRobotics si mohou zájemci pohovořit s odborníky z firmy Comau ve stánku B&R na veletrhu Amper ve dnech 21. až 24. března 2017.  (Comau Czech s.r.o.)  

Sběrnicový systém Cube – diagnostika hračkou

Sběrnicový systém Cube od společnosti Murrelektronik (www.murrelektronik.cz) nabízí rozsáhlé diagnostické možnosti. Nová diagnostická brána (gateway) Cube67 nyní ještě více usnadňuje přístup k diagnostickým datům. Tato brána se snadno implementuje, zajišťuje jasná hlášení při poruše a díky rychlejšímu odstranění poruch pomáhá zajistit vysokou disponibilitu strojů a zařízení. Systém Cube společnosti Murrelektronik je výkonný decentralizovaný sběrnicový systém, který se používá v mnoha strojích a zařízeních. Má modulární strukturu a díky množství vstupních, výstupních a multifunkčních modulů a široké škále komunikačních modulů (např. IO-Link, RS-485 atd.) mohou být instalace přizpůsobeny přesně na míru konkrétním požadavkům daného projektu. Systémovým kabelem jsou přenášena komunikační data i napájecí napětí, přičemž ke čtyřem větvím každého sběrnicového uzlu lze připojit až 32 modulů. Rozhodující výhody systému Cube jsou konektorové připojení, kompletně zalitý plášť modulů, charakteristické multifunkční kanály a rozsáhlé diagnostické možnosti.  Diagnostická data Vyhodnocení diagnostických dat a jejich využití pro programátora dosud znamenalo spoustu práce. Tuto práci bylo často nutné vykonávat pro každé zařízení zvlášť, protože různé řídicí systémy vyžadují různé diagnostické koncepce. U některých řídicích systémů nemohl být doposud dokonale využit kompletní rozsah diagnostických možností. Důsledek: chyby nebylo možné dostatečně rychle lokalizovat, v nejhorším případě vznikaly dlouhé provozní výpadky. S novou diagnostickou bránou Cube67 (obr. 1) má zákazník k dispozici nástroj, který ze systému Cube velmi jednoduše a rychle získá diagnostická data a poskytne je dále. Díky své robustní konstrukci a osvědčenému pouzdru je tato diagnostická brána předurčena pro použití v drsném průmyslovém prostředí. Zapojuje se do vedení mezi sběrnicovým uzlem Cube a až čtyřmi větvemi. Prostřednictvím běžného ethernetového rozhraní je diagnostická brána propojena s nadřazenou komunikační rovinou. Kompletní schéma topologie Když se spustí systém Cube, načte diagnostická brána celou topologii a následně celou provozní komunikaci a všechna diagnostická hlášení. Modul tato data vizuálně upraví a znázorní všechny informace – bez ohledu na systém řízení a platformu a bez jakéhokoliv dalšího softwaru, v libovolném prohlížeči a vždy stejným způsobem. Každý, kdo má přístup ke komunikační síti, může přistupovat k těmto datům, např. z terminálu HMI, tabletu nebo počítače v kanceláři (obr. 2). Na obrazovce se automaticky zobrazí uspořádání modulů jako přehledné schéma topologie a rovněž v podobě tabulky. Jsou zde vidět veškerá provozní data, např. stavy jednotlivých vstupů a výstupů. Diagnostická hlášení systému se zobrazí jak graficky ve schématu topologie, tak i v přehledné tabulkové podobě. Velkou výhodou tohoto nástroje je paměť diagnostických hlášení. V ní se zaznamenávají přechodné chyby, tj. chyby, které se vyskytují pouze dočasně, např. dochází-li při porušení kabelu v určitém úhlu na dráze vlečného řetězu k přerušení kontaktu nebo přehřívá-li se některý senzor vždy v určitou denní dobu, protože na něj svítí slunce. „Přechodná chyba“, která již není akutní, se v řídicím systému již nezobrazuje. Je v podstatě „odstraněna“. To je však špatně, protože taková chyba je často předzvěstí počínajícího většího problému. Označení modulů a chybová hlášení ve formátu prostého textu Nástroj poskytuje ke stažení přehlednou tabulku ve formátu CSV, která obsahuje přehled modulů, komponent a také všech vstupů a výstupů daného systému. V této tabulce je možné přiřadit jednotlivým komponentám název a spravovat označení pro všechny možné chyby ve formátu prostého textu. Zmíněná tabulka se zpětně importuje a nástroj potom používá uživatelem přiřazené názvy a označení. Uživatel tak neuvidí – ani ve schématu topologie, ani v tabulkovém seznamu – žádná „zakódovaná“ chybová hlášení, ale jasná oznámení jako „zkrat na hydraulickém agregátu“ nebo „přerušení vodiče na analogovém snímači, port dva čerpací jednotky“. S takovými informacemi se závady najdou rychle. Aby je bylo možné také rychle odstranit, lze prostřednictvím souboru CSV do systému importovat dokonce i pokyny pro postup opravy s konkrétními návrhy řešení, např. „zavřít ventil“ nebo „vyměnit kabel“. Do tabulky je možné uložit i identifikační číslo dílu, který je třeba vyměnit, a tím se odstranění závad ještě více urychlí. Data diagnostické brány Cube67 je možné uložit pro export nebo pro statistické průzkumy. Nabízí se tak např. možnost počítat cykly spínání vstupů a výstupů a tyto informace využít pro prediktivní údržbu v nepravidelných intervalech podle potřeby. Prostřednictvím vhodného formátu výměny dat lze data použít i pro jiné systémy a integrovat je přímo do různých aplikací, např. do systémů ERP a cloudových systémů. Nejrůznější možnosti využití Výhody diagnostické brány Cube67 využijí nejrůznější osoby podílející se na životním cyklu strojů a zařízení. Technik uvádějící zařízení do provozu může pomocí diagnostické brány prohlížet topologii a včas odhalit slabá místa, jako jsou zkraty nebo chyby zapojení (tj. rozdíly mezi požadovanou a skutečnou konfigurací). Cube67 mu také pomůže při testování vstupů a výstupů. Servisní technik výrobce stroje nebo zařízení může dočasnou integrací diagnostické brány lokalizovat chyby a rychle je opravit, aby byla zajištěna vysoká disponibilita stroje. Také dlouhodobá integrace je zajímavá, protože prostřednictvím vzdáleného přístupu poskytuje pohled na stroj nebo zařízení a umožňuje např. na dálku instruovat elektrikáře při opravě na místě. Operátor stroje nebo zařízení může včas díky Cube67 reagovat na hrozící problémové situace. Do systému je rovněž možné začlenit pokyny pro konkrétní závady, a je-li součástí pokynů i číslo položky náhradního dílu, může jej servisní pracovník vyzvednout ve skladu již po cestě do provozu.  (Murrelektronik CZ spol. s r. o.)  Obr. 1. Diagnostická brána Cube67 Obr. 2. Diagnostické informace je možné zobrazovat v libovolném webovém prohlížeči, např. na tabletu