Aktuální vydání

celé číslo

01

2017

Systémy pro řízení výroby v potravinářství a farmacii 

Snímače a regulátory tlaku

celé číslo
Kybernetická bezpečnost průmyslových řídicích systémů (část 1)

Mario Chiock, Del Rodillas   Článek popisuje, co hrozí průmyslovým řídicím systémům z hlediska kybernetické bezpečnosti a shrnuje, jak těmto hrozbám čelit. Uvádí devět základních funkcí, které by měla splňovat moderní platforma pro zabezpečení průmyslových řídicích systémů, aby zajistila maximální dostupnost zařízení a přitom je ochránila před existujícími i dosud neznámými hrozbami.   Článek je redakčně upravenou verzí studie Defining the 21st Century Cybersecurity Protection Platform for ICS společnosti Palo Alto Networks.   Průmyslová výroba přebírá mnohé postupy a nástroje ze světa informačních a komunikačních systémů (ICT – Information and Communication Technology), aby využila jejich pružnost, rychlost, propojitelnost a cenovou výhodnost. Do průmyslu začíná pronikat koncepce internetu věcí – v podobě IIoT (Industrial Internet of Things) již dnes pomáhá zajišťovat prediktivní údržbu a v budoucnu se může stát základem zcela nových multiagentních výrobních a podnikatelských modelů.   Tento vývoj ale zanáší do řízení průmyslové výroby také slabiny ICT. Hrozí nebezpečí, že tato slabá místa se stanou vstupní bránou pro nevítané návštěvníky, kyberzločince a kyberteroristy nebo že budou využita v kybernetické válce. Rizika s tím spojená jsou o to větší, že průmyslové řídicí systémy (ICS – Industrial Control System) a systémy SCADA jsou často součástí kritické infrastruktury.   V současné době jsme konfrontováni nejen se zvětšujícím se počtem kybernetických útoků, ale i s jejich rostoucí důmyslností a zacílením právě na kritickou infrastrukturu a průmyslové podniky. Existují případy, kdy byly nejen přerušeny technologické procesy, ale dokonce i zničeno zařízení. Potřeba zvyšovat zabezpečení průmyslových řídicích systémů, tzv. kybernetickou bezpečnost1), proto ještě nikdy nebyla tak velká jako teď. Zatímco pracovníci oddělení IT mohou nová opatření ke zvýšení kybernetické bezpečnosti zavádět velmi rychle, správci provozní techniky (OT – Operational Technology) musí být opatrnější, protože musí respektovat extrémní požadavky na zajištění dostupnosti zařízení a kontinuity technologických procesů. V oblasti procesní techniky není výjimkou, že zařízení musí nepřetržitě pracovat mnoho měsíců či několik let. Po tuto dobu je nepřípustné provádět jakékoliv změny a aktualizovat software, byť by šlo o zabezpečení slabých míst. Jindy se administrátoři OT záměrně vyhýbají antivirovým programům a službám IPS (Intrusion Prevention Service) z obavy ze zablokování funkce řídicího systému nebo snížení jeho funkční bezpečnosti a výkonnosti. Tyto programy a služby tedy operátoři buď spustí pouze v režimu detekce, nebo je nepoužívají vůbec. Dokonce i metody, které jsou ve světě ICT zcela běžné, např. skenování a vyhledávání slabých míst, mohou u průmyslových počítačů PLC způsobit selhání, protože tato zařízení na takové akce nejsou stavěna. Uvedená omezení způsobují, že zabezpečení ICS je obzvlášť unikátní a obtížné.   Výsledkem je, že mnohé výrobní podniky používají pro své ICS podivný souhrn obstarožních metod zabezpečení, které je obtížné udržovat, poskytují jen velmi omezený přehled o bezpečnostní situaci a lze je jen těžko využít k preventivním bezpečnostním úkonům. Právě takové podniky jsou často primárním cílem pro útočníky – někdy čistě jen proto, aby si na nich ověřili kvalitu svých kybernetických útoků. Bezbrannost průmyslových podniků proti stále důmyslnějším útokům je varující a naléhavě vyžaduje řešení.   Pro důkladné zabezpečení ICS proti novodobým hrozbám musí vzniknout nová bezpečnostní platforma, která sloučí různé bezpečnostní technologie tak, aby ICS ochránila i proti nejdůmyslnějším útokům. Platforma musí být schopna nejen upozorňovat na útoky, ale také automaticky vykonávat příslušné akce, a to prostřednictvím svých vlastních služeb, ale rovněž prostřednictvím jiných podpůrných prostředků. Musí ochránit informace uvnitř podniku i sdílené s jinými subjekty. Stejně jako „zlí hoši“ spolupracují na přípravě kybernetických útoků, musí spolupracovat i podniky na společné obraně.   1. Úvod   1.1 Vývoj průmyslových řídicích systémů Pro řízení technologických procesů na provozní úrovni, včetně kritické infrastruktury, např. elektrických rozvodných sítí nebo ropných rafinerií, se používají různé řídicí systémy: průmyslové řídicí systémy založené na programovatelných automatech (PLC) a průmyslových počítačích (IPC), systémy supervizního řízení a sběru dat SCADA nebo distribuované řídicí systémy DCS. V tomto článku budou pro zjednodušení souhrnně označovány jako průmyslové řídicí systémy – ICS. Tyto systémy se v posledních několika desetiletích dramaticky proměnily: od izolovaných proprietárních systémů se sériovými sběrnicemi k současným vysoce propojeným a geograficky rozsáhlým soustavám, které využívají běžně dostupné (COTS) produkty, Ethernet a internetový protokol (IP). Propojení dvou světů, informační a provozní techniky (IT a OT), umožňuje provozovatelům dosáhnout výrazného zvýšení produktivity a úspory nákladů. Další zvýšení produktivity je očekáváno s rostoucím uplatněním mobilních zařízení, virtualizace a cloudových služeb.   1.2 Nové kybernetické hrozby pro ICS Z ekonomického hlediska je integrace IT-OT pro mnoho podniků velmi výhodná. Ovšem spolu s ní přichází i větší ohrožení různými kybernetickými útoky, které mohou snížit dostupnost zařízení, bezpečnost technologických zařízení a integritu provozních dat. Podniky tedy musí hodnotit své řídicí systémy i z pohledu, jak jsou schopny se bránit kybernetickým hrozbám.   Některé z těchto hrozeb jsou specifické jen pro komponenty ICS, jiné jsou relevantní pro IT i OT. Některé mohou pocházet ze zdrojů uvnitř podniku, jiné přicházejí zvenčí. Mohou to být náhodné incidenty i záměrné útoky. Na obr. 1 jsou nejdůležitější vektory hrozeb podle průzkumu Institutu SANS z roku 2014 [1].   První veřejně známý virus zařaditelný do první skupiny externích útoků cílených na ICS byl Stuxnet. Využíval aplikace a soubory COTS a slabiny v softwaru určeném speciálně pro ICS. Cílem tohoto viru bylo vyřadit z provozu íránské zařízení na obohacování uranu. Skutečně se podařilo poškodit speciální odstředivky, jež jsou součástí tohoto zařízení, a poprvé tak došlo k útoku v průmyslovém kyberfyzickém prostoru. Ačkoliv Stuxnet byl již velmi důmyslný, profesionálně navržený virus, od té doby je možné pozorovat další růst propracovanosti útoků na ICS. Zpráva o útoku zvaném Energetic Bear hovoří o dvou nových metodách použitých k útoku na ICS [2]. První využívá malware ukrytý v balíčku softwaru pro ICS, který si uživatel stáhne z webové stránky dodavatele. Dále je využívána znalost protokolu ICS, aby útočník získal přehled o prostředí dotčené organizace. Nebezpečí tkví nejen v průmyslové špionáži, ale také v tom, že prostřednictvím takto získaných znalostí lze ICS na dálku sabotovat.   Další kategorií útoků jsou útoky typu phishing nebo obecněji útoky využívající sociální inženýrství. Patří sem jak útoky typu watering hole, kdy jsou infikovány stránky, jež jsou obětí útoku často navštěvovány, tak také např. zanechání lákavě vypadajícího infikovaného USB-sticku ve veřejně přístupných prostorách firmy, např. v recepci nebo na parkovišti. V podstatě všechny moderní útoky cílené na koncová zařízení využívají některé metody sociálního inženýrství. Například Stuxnet se šířil prostřednictvím USB-sticků, aby tak infikoval notebooky pracovníků inženýrských firem. Energetic Bear používal důmyslnější kombinaci cíleného phishingu (tzv. spearphishingu, kdy útočník pro zvýšení důvěryhodnosti používá informace, které shromáždil o své oběti), útoku watering hole a trojských koní. Například v rámci soustředěného spearphishingového útoku na petrochemické podniky v Norsku v srpnu 2014 [3] bylo potvrzeno padesát útoků na podniky, včetně největšího StatOil. To dokládá, že pro organizované hackery jde o základní metodu, jak se snaží proniknout do sítí provozovatelů kritické infrastruktury.   Kromě virů a phishingu je další velkou hrozbou průnik malwaru do ICS. K tomu může dojít i náhodně – stačí, když se osoba, která má k ICS přístup, připojí infikovaným mobilním zařízením nebo použije infikované přenosné paměťové zařízení. Zdrojem infekce počítačovými červy mohou být také stránky důvěryhodných dodavatelů či partnerů. Ať už jde o malware záměrný nebo nezamýšlený, může způsobit nákladné odstávky nebo bezpečnostní incidenty. Ztráty ve výrobě mohou být mnohamilionové, nehledě na možná zranění, ztráty na životech nebo poškození životního prostředí.   Velmi vážnou hrozbou se ukazuje být také využití exploitů navržených vlastními pracovníky – odborníky na ICS. Exploit je program, který využívá slabé místo softwaru nebo programátorskou chybu, a jeho účelem je, aby autor exploitu získal přístup do systému nebo vyšší uživatelská práva, než mu příslušejí. Veřejně známý je tzv. incident Maroochy Shire [4]. Nespokojený zaměstnanec dodavatele ICS, který řídí systém odvodu splaškových vod v rekreační oblasti Maroochy Shire v Austrálii, využil své hluboké znalosti řídicího systému a nezabezpečenou bezdrátovou síť a jako pomstu za jednání svého zaměstnavatele způsobil únik 800 000 litrů splaškových vod, která se rozlila po místních parcích, v okolí hotelů a pronikla i do řeky. Způsobil tak výraznou škodu na životním prostředí.   Jestliže se provozovatel technologického zařízení sám nebojí kybernetických útoků, může mu ochranu před nimi nařídit stát. V mnoha státech (pozn. red.: včetně ČR) již existují zákony o kybernetické bezpečnosti, které stanovují postihy pro ty organizace z oblasti kritické infrastruktury, které nesplňují regulatorní požadavky. Například v USA a Kanadě se v oboru elektrických rozvodných sítí používají standardy NERC CIP (North American Electric Reliability Corporation – Critical Infrastructure Protection). Chemické podniky v USA zase používají standardy CFATS (Chemical Facility Anti-Terrorism Standards). Jedním z nejnovějších standardů je NIST CSF (National Institute of Standards and Technology – Cyber-Security Framework), kterému podléhají vládní agentury, ale současně je i dobrovolným referenčním standardem pro posuzování kybernetické bezpečnosti v průmyslových podnicích.   1.3 Jaká je připravenost podniků na kybernetické hrozby? V souvislosti s diskusí o kybernetických hrozbách se objevuje velmi důležitá otázka, kterou si musí průmyslové firmy položit: jak je jejich ICS proti těmto hrozbám chráněn? Je třeba se zamyslet nad těmito otázkami: – Je komunikace v síti dostatečně transparentní, aby bylo možné co nejdříve detekovat podezřelé akce? Jak snadné je získat informace o provozu na síti? – Používá se dostatečně silný systém pro kontrolu přístupu, který efektivně omezuje vnější i vnitřní vektory útoků, a přitom nemá negativní vliv na výkonnost ICS? Jak jednoduché je spravovat přístupová práva? – Jak je stávající ICS, který pravděpodobně nelze aktualizovat, chráněn před exploity a malwarem a jak jsou zajištěna jeho slabá místa? Lze nějak omezit doby odstávek způsobených kybernetickými incidenty nebo nutností aktualizovat software? Je podnik připraven čelit kybernetickému útoku, který využívá zatím neznámé viry a malware? Jsou systémy ochrany koncových zařízení a komunikační sítě oddělené, nebo spolupracují, aby lépe ochránily podnik před útoky? Splňuje systém kybernetické bezpečnosti příslušné standardy, nebo je dokonce překračuje? Jestliže se používají moderní prvky jako mobilní zařízení nebo virtualizace, je zajištěna jejich kybernetická bezpečnost, nebo jsou slabým místem obrany?   1.4 Slabá místa ICS z hlediska bezpečnosti Řídicí systémy používané podniky působícími v kritické infrastruktuře již nyní mají určitou úroveň kybernetické bezpečnosti. Je ovšem ještě mnoho podniků, zvláště v těch oblastech průmyslu, kde není silný tlak regulatorních orgánů, jejichž dosavadní ICS jsou proti současným kybernetickým nebezpečím chráněny velmi slabě. Na obr. 2. je ukázána typická konfigurace zabezpečení, používaná mnoha současnými podniky.   Z hlediska zabezpečení sítě používají stávající systémy stavové firewally, tj. firewally se stavovými paketovými filtry, které pracují na síťové a transportní vrstvě, ale nevidí do vrstvy aplikační a neumožňují uživatelsky řízenou kontrolu přístupu, která je nezbytná pro efektivní detekci anomálií v komunikaci. Firmy se snaží slabá místa upravit četnými, ale vzájemně oddělenými řešeními, jako jsou systémy pro prevenci průniku (IPS – Intrusion Prevention Systems) nebo antivirové programy. Je zde ovšem značné riziko špatné konfigurace jednotlivých systémů, nekonzistence informací, snížení výkonnosti ICS a zvýšení nákladů, a to jak pořizovacích, tak provozních. Ke všem těmto nevýhodám přibývá ještě to, že existující systémy pro ochranu koncových zařízení nespolupracují se systémy pro zabezpečení sítě a zpravidla si poradí jen s těmi útoky, které už jsou známé a mají typické projevy. Nejsou schopny zařízení ochránit před dosud neznámými exploity nebo před napadením dosud neznámým malwarem. Systémy kybernetického zabezpečení ICS by si však měly poradit i s útoky typu zero day. Postupné doplňování a aktualizace takovýchto systémů skládajících se z oddělených komponent jsou nesmírně organizačně náročné, a zabezpečení ICS se proto stává velmi složitým úkolem. (pokračování příště)   Literatura: [1] LUALLEN, M.: Survey on Industrial Control Systems Security [on-line]. SANS Institute, 2014. Advisor: Harp, D. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <http://ics.sans.org/media/sans-ics-security-survey-2014.pdf> [2] HENTUNEN, D. – TIKKANEN, A: Havex Hunts for ICS/SCADA Systems [on-line]. F-Secure, 2014. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <www.f-secure.com/weblog/archives/00002718.html> [3] BERGLUND, N.: Oil Industry Under Attack by Hackers [on-line]. NewsInEnglish.no, 2014. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <www.newsinenglish.no/2014/08/27/oil-industry-under-attack-by-hackers> [4] WEISS, J. – ABRAMS, M.: Malicious Control System Cyber Security Attack Case Study – Maroochy Water Services, Australia [on-line]. CSRC NIST, 2008. [cit. 27. 1. 2016]. Dostupné z: <http://csrc.nist.gov/groups/SMA/fisma/ics/documents/Maroochy-Water-Services-Case-Study_report.pdf>   Mario Chiock, American Petroleum Institute, Del Rodillas, Palo Alto Networks   Obr. 1. Nejdůležitější vektory hrozeb pro ICS (SANS ICS Survey 2014) Obr. 2. Typická konfigurace zabezpečení ICS   1) Pozn. red.: Pro odlišení funkční bezpečnosti a bezpečnosti strojů a zařízení (safety) od zabezpečení systémů (security, popř. cyber security) používáme pro security termíny zabezpečení, popř. kybernetická bezpečnost.

Integrační vyhledávání v prvočíslech

Petr Klán   Integrační složka (I) patří k základu regulace procesů s dynamikou. Samostatně ji však lze použít i v případě procesů, které jsou plně statické a nedochází v nich k žádným časovým změnám. Příkladem je vyhledávání v tabulkách prvočísel. Dále je ukázáno, že i při vyhledávání prvočísel lze využít obvyklé postupy známé z PID regulace a že dobře nastavený I algoritmus pracuje velmi efektivně – podobně jako v případě dynamických procesů. Integral term (I) belongs to the basics terms of dynamic system control. However it is possible to use it separately for fully static processes, without any time changes. One example is a looking up in prime tables. Hereby it is shown that it is possible to use common methods known from PID control in case of primes searching too and that properly tuned I algorithm works very effective similar to dynamic processes.   1. Úvod Integrační složka PID regulátoru náleží vzhledem ke své schopnosti odstraňovat regulační odchylku k nejčastěji používané složce v regulaci. Velká pozornost je proto věnována také jejímu nastavení. Činnost podobnou I algoritmu vyvíjí např. lidský mozek při řízení automobilu. Integrační algoritmus sám je zároveň modelem dynamického systému. V případě samotné I složky PID regulátoru lze říci, že jeden dynamický systém reguluje jiný dynamický systém. Dokáže však dynamický systém „regulovat“ (nastavit) systém statický?   Z principu by to neměl být problém. Opačně je to možné částečně. Jde o případ, kdy statický systém (P regulátor) reguluje dynamický systém. V případě neintegračních procesů je známo, že P regulátor sice zmenšuje regulační odchylku, její úplné odstranění je ale možné pouze v singulárním případě nekonečného zesílení regulátoru. Podobnou funkci plní i tzv. signálové sledovače. Když se však postaví I regulátor proti statickému procesu, může při dobrém nastavení rychle odstranit jakoukoliv regulační odchylku.   Prvočíslem je číslo větší než jedna, které nemá žádné dělitele kromě jedné a sebe samého. Například číslo 17 je prvočíslo, protože má pouze dva dělitele: čísla 1 a 17. Tabulek známých prvočísel existuje velmi mnoho. Dobře dostupné jsou např. The Prime Pages [4], kde lze kromě tabulek s prvními 50 miliony prvočísel získat i mnoho výsledků výzkumu z oboru teorie čísel.   K pokusům s I algoritmem bude dále použita tabulka s prvními 30 miliony prvočísel. „Regulační“ úlohou bude možné co nejrychleji a s minimem energie nalézt pořadí libovolně vybraného prvočísla.   2. Prvočíselný proces Prvočísla jsou uspořádána do indexovatelného pole tvaru   y = p(u)          (1)   kde u je vstupní index pořadí prvočísla od počátku (u = 1; 2... 30 000 000), y prvočíslo s pořadím u.   Například platí, že 2 = p(1), 29 = p(10), 541 = p(100), 7 919 = p(1 000), 15 485 863 = p(1 000 000) atd. Pole y = p(u) bude v dalším nazýváno prvočíselným procesem.   V PID (nejen) regulaci je obvyklé nejprve se zabývat zesílením procesu K. Při zběžném pohledu na statickou charakteristiku prvočíselného procesu na obr. 1 se zdá, že jde o téměř lineární proces. Analýza uvedených hodnot však prokáže, že jde o omyl, neboť např. p(1)/1 = 2, p(10)/10 = 2,9, p(100)/100 = 5,41, p(1 000)/1 000 = 7,919, p(1 000 000)/1 000 000 = 15,485 863 atd. Zesílení trvale roste, i když od jednoho milionu velmi mírně. Skutečný průběh zesílení pro prvních 20 milionů prvočísel (další růst je nepatrný) ukazuje obr. 2.   Průměrné zesílení prvočíselného procesu je přibližně K = 18.   Z teorie čísel je zřejmé [5], že pro určité prvočíslo p(u) platí, že p(u) ~ u ln(u), a pro odpovídající zesílení tedy K(u) ~ ln(u), kde notace ~ představuje asymptotickou rovnost, tj.   vztah          (2)   Jinými slovy, pro velká u je možné zaměnit K(u) za odhad ln(u). V případě u = 30 000 000 je hodnota   vztah          (2a)   a ln(30 000 000) = 17,2, což představuje přibližně desetiprocentní chybu.   Podle zpřesněného asymptotického odhadu p(u) ~ u ln(u) + u(ln(ln(u)) – 1           (3) je   K(u) ~ ln(u) + ln(ln(u)) – 1          (3a)   a tomu odpovídá zpřesněný odhad pro K(30 000 000)   K(30 000 000) = ln(30 000 000) + ln(ln(30 000 000)) – 1 = 19,06          (3b)   Dalším obvyklým a potřebným parametrem procesu je časová konstanta procesu. Prvočíselný proces je statický, a proto je časová konstanta nulová.   3. Použití I algoritmu Úloha je prostá: k dopředu známému prvočíslu potřebujeme co nejrychleji a s co nejmenším množstvím úsilí nalézt jeho pořadí. Pro ověření, že nejde o triviální úlohu, je možné vyzkoušet i ruční hledání. Buď známým prvočíslem, např. y = 141 661 147 = p(ux). Ručním řešením může být např. následující posloupnost deseti kroků (počátek představuje stav u0 = 1 a y0 = 2): u1 = 10 000 000, y1 = 179 424 673 u2 = 9 000 000, y2 = 160 481 183 u3 = 8 000 000, y3 = 141 650 939 u4 = 8 000 200, y4 = 141 654 581 u5 = 8 000 400, y5 = 141 658 373 u6 = 8 000 500, y6 = 141 660 191 u7 = 8 000 550, y7 = 141 661 081 u8 = 8 000 553, y8 = 141 661 129 u9 = 8 000 554, y9 = 141 661 139 u10 = 8 000 555, y10 = 141 661 147   Výsledek hledání ukazuje, že dané prvočíslo má pořadí u = 8 000 555, platí tedy, že 141 661 147 = p(8 000 555). Ruční hledání je namáhavé již jen porovnáváním velkých čísel a velmi záleží na prvním odhadu pořadí u1. Jistě, lze tady využít i informaci o průměrném zesílení v prvočíselném procesu K = 18.   Stejnou úlohu je možné řešit automaticky s použitím I algoritmu. Základní uspořádání ukazuje obr. 3. Schematicky jde o obdobu klasické zpětnovazební regulace s procesem a regulátorem. Žádanou hodnotou w je prvočíslo, jehož pořadí se zjišťuje. Výstupem I regulátoru bude v případě rovnosti y = w přímo pořadí prvočísla.   Vzhledem k tomu, že výstupem I regulátoru mohou být reálná čísla a vstupem procesu jsou přirozená čísla, je na výstupu regulátoru použito zaokrouhlení známé jako u = floor(x), které x zaokrouhluje k nejbližšímu přirozenému číslu, které je nižší nebo rovné x. Například floor(3,71) = 3 apod. V matematické sazbě se funkce floor značí také jako └x┘.   Použití I regulátoru vychází ze spojitého případu [1]. Jestliže má statický proces zesílení K a integrační regulátor je určen přenosem Kc/(TIs), kde Kc je zesílení regulátoru a TI integrační časová konstanta, přenos zpětnovazebního uspořádání podle obr. 3 bude   vztah         (4)   s žádoucím zesílením 1 a možností urychlit proces vyhledání prvočísel snižováním integrační konstanty TI (pro zjednodušení Kc = 1). Integrační algoritmus je použit v běžném přírůstkovém tvaru   vztah          (5)   kde e(k) = w – y(k) a k označuje krok. Vstupem prvočíselného procesu je └u(k) ┘, výstupem   y = p└u(k) ┘   v každém kroku k. Úloha je vyřešena v případě, že y(k) = w, kdy výstup regulátoru └u(k) ┘ určuje pořadí prvočísla.   V programu Matlab (obdobně Scilab) může být odpovídající kód jednoho kroku: y = p(floor(u)); e = w – y; u = u + (1/TI)*e;   Při přetečení výstupu integračního regulátoru u je nutné vypnout integraci (tzv. antiwindup). To zabezpečí následující jednoduché omezení pro případ práce se souborem s 30 miliony prvočísel: if (u > 30000000) u = 30000000; end if (u < 1) u = 1; end     4. Nastavení I algoritmu Přirozeným nastavením integrační časové konstanty (něco jako vyvážené nastavení v případě PI regulátoru [2]) je   TI = K          (6)   Nastavení zabezpečuje vyhledání pořadí prvočísla v podstatě ve třech krocích, jak lze ověřit na obr. 4 pro různá prvočísla: w = 86 028 121, w = 141 650 939 a w = 533 000 389. Označení vodorovné osy k znamená krok. Dynamika průběhu se mírně liší vzhledem k měnícímu se zesílení. Odpovídající průběh vývoje prvočíselného pořadí u je na obr. 5. Při porovnání s ručním vyhledáváním autora tu je zřejmé více než trojnásobné zrychlení vyhledávacího procesu. Navíc jde o předvídatelné průběhy s ohledem na počet kroků, což je v případě ručního vyhledávání téměř nedosažitelné. V případě uvedeného odhadu a pro velká prvočísla lze s výhodou použít nastavení integrační časové konstanty ve tvaru   TI = ln w          (7),   neboť w = p(u) je hledané u-té prvočíslo a vzhledem k ln w = ln u + ln ln u   tedy odhad K(u) plus malé číslo dané dvojitým logaritmem, který roste velmi pomalu, bude odhad integrační časové konstanty vždy o něco málo vyšší než skutečné zesílení, což zlepšuje bezpečnost I algoritmu vzhledem k nestabilitě a přitom zpomaluje vyhledávání v prvočíselném procesu jen nepatrně.   5. Závěr Článek ukazuje, jak je možné použít integrační algoritmus k řešení problému tak vzdáleného běžné regulaci, jakým je vyhledávání v prvočíslech nebo relačních databázích. Takové vyhledávání přitom funguje efektivně a s minimálním množstvím úsilí. Odpovídá tzv. dobrému nastavení regulátoru [3].   Názorně je zde ukázán přínos automatického vyhledávání, kdy velmi jednoduchý gradientní algoritmus, na rozdíl od ručního vyhledávání, poskytuje předvídatelné výsledky bez ohledu na velikost prvočísel, a to v rozsahu použitých velikostí.   Článek navrhuje nastavení použitého regulátoru. Z teorie čísel je známo, že předpovědi, které se týkají prvočísel, bývají zrádné.   Určitá vlastnost např. platí pro prvních n prvočísel a potom náhle ztratí platnost. Vyvstává tady proto otázka: funguje navržený I regulátor s nastavením (7) pro každé prvočíslo větší než 30 milionů?   Literatura: [1] KLÁN, P. – GOREZ, R.: Process Control. Praha, FCC Public, 2011. [2] KLÁN, P. – GOREZ, R.: Nastavení regulátorů chránící akční členy. Automa, 2005, č. 2, s. 50–52. [3] KLÁN, P.: PI regulátory s dobrým nastavením. Automa, 2005, č. 6, s. 50–51. [4] CALDWELL, CH.: The Prime Pages (The First 50 000 000 Primes) [online]. [cit. 2. 1. 2016]. Dostupné z: <primes.utm.edu>. [5] KLÁN, P.: Čísla: Vztahy, vhledy a věčné inspirace. Praha, Academia, 2014.   Petr Klán, VŠE v Praze (petr.klan@vse.cz)     Obr. 1. Statická charakteristika prvočíselného procesu Obr. 2. Průběh zesílení prvočíselného procesu Obr. 3. Vyhledávání v prvočíslech s použitím I algoritmu Obr. 4. Průběh automatického vyhledávání prvočísel y pro w = 86 028 121, w = 141 650 939 a w = 533 000 389 Obr. 5. Vývoj prvočíselného pořadí u při vyhledávání prvočísel pro w = 86 028 121, w = 141 650 939 a w = 533 000 389

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.     

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       

Optický snímač O8 – novinka roku 2017 od ifm electronic

Společnost ifm electronic uvedla na trh nový optický snímač O8. Mimořádně malý optický senzor řady O8 je předurčen pro aplikace s omezeným prostorem, v manipulační technice a v robotice. I přes velmi malé rozměry 8 × 28 × 14 mm dosahuje senzor snímací vzdálenosti 80 mm. To vše bez ohledu na barvu a lesk povrchu, který má být detekován. Kromě toho používá velmi přesný a spolehlivý způsob potlačení pozadí. Roli nehraje ani materiál detekovaného předmětu nebo neustále se měnící pozadí např. při použití na robotických pažích. Složité nastavení vzdálenosti od snímače k objektu již není zapotřebí. Pomocí IO-Link lze nastavit snímací vzdálenost s přesností na milimetr. Senzor řady O8 má zesílené kompaktní pouzdro se zvláště robustní kovovou úpravou v oblasti fixačních otvorů. Je osazen jasně viditelnou LED diodou indikující spínací stav. Vstup kabelu pod úhlem 45° je praktickým řešením zvláště ve stísněných prostorách. Nové senzory jsou k dispozici také s přednastavenými rozsahy. Díky jejich spolehlivosti a přesnosti dosahují daleko lepších výsledků než běžné snímače.                ifm electronic, spol. s r. o., tel.: +420 267 990 211, Inof.cz@ifm.com, https://www.ifm.com/ifmcz

Měření polohy pomocí vyhodnocení difrakčního obrazce apertury vhodně zvoleného tvaru

Ing. Otto Havle, ředitel společnosti FCC Průmyslové systémy a člen redakčního kruhu našeho časopisu, nám napsal, že jako stálý oponent dizertačních prací a recenzent diplomek na katedře měření FEL ČVUT v Praze se občas dostane k zajímavým výsledkům výzkumu. Například v poslední době byla tématem jedné dizertace a dvou diplomových prací v laboratoři videometrie vedené doc. Ing. Janem Fischerem, CSc., originální metoda měření polohy pomocí vyhodnocení difrakčního obrazce apertury vhodně zvoleného tvaru. Přesnost metody je srovnatelná s laserovou interferometrií, měřicí zařízení je však jednoduché a levné – skládá se pouze z laserové diody a běžné kamery. Výzkum v současné době ověřuje nejistoty měření a v rámci diplomové práce byla provedena implementace algoritmu do signálového procesoru. Tím se otvírá cesta ke zhotovení funkčního vzorku malého, přenosného a kompaktního měřicího zařízení. Otto Havle jako recenzent a oponent uvedených prací souhlasí s názorem vedoucího výzkumu, že metoda by mohla mít značný komerční potenciál ve strojírenství pro provozní měření odchylek polohy či amplitudy vibrací nebo ve stavebnictví pro monitorování pohybu konstrukcí a stavebních celků, objemových změn a dalších velmi malých pohybů do řádu mikrometrů, jak ukazuje přiložený výsledek měření linearity z diplomové práce Bc. Martina Hubíka. (ed)

Společnost Siemens uvádí na trh zařízení pro operátorské řízení v náročných provozních prostředích

Operátorský panel Simatic Inox Pro má krytí IP66K a je vhodný pro provozy v potravinářském, farmaceutickém nebo kosmetickém průmyslu a v lehkém chemickém průmyslu. Má odporovou dotykovou obrazovku o úhlopříčce 19" pokrytou souvislou vrstvou chemicky odolné krycí fólie. Displej je rovněž opatřen těsněním vhodným pro potravinářské provozy a ochranou proti rozbití. Rám je z broušené korozivzdorné oceli. Zařízení je dodáváno jako průmyslové PC IPC277D Inox Pro nebo displej IFP1900 Inox Pro Ethernet. Lze je instalovat na stojan nebo kloubové rameno.Panelové PC Simatic Ex OG je určeno pro chemický a petrochemický průmysl a pro použití v plynárenství. Má krytí IP66 a rozsah pracovních teplot –40 až +65 °C. Lze je použít v zónách s nebezpečím výbuchu 1/21 a 2/22. Nabízeno je buď ve formátu 4:3 a rozměru 15", nebo ve formátu 16:9 a rozměru 22". Kapacitní dotyková skleněná obrazovka s automatickou regulací jasu je dobře čitelná i na přímém slunci a ovladatelná i v tenkých rukavicích. Průmyslové PC má procesor Intel Core i7, paměť o velikosti 8 GB a 300GB disk SSD. Panelové PC Simatic Ex OG lze montovat na nosné rameno i stojan. Volitelné příslušenství zahrnuje kameru, rozhraní Bluetooth nebo WLAN a čtečku RFID. Siemens, s. r. o., tel.: 800 122 552, e-mail: iadtprodej.cz@siemens.com, www.siemens.cz

Nová verze systému pro navrhování kabelových svazků Eplan Harness proD

Novinkou společnosti Eplan na SPS IPC Drives 2016 v Norimberku byla nová verze programu Eplan Harness proD pro návrh vedení kabelů a kabelových svazků. Program Eplan Harness proD 2.6 umožňuje na základě prostorového (3D) modelu mechanické konstrukce a elektrotechnického zapojení navrhnout kabelový svazek intuitivní způsobem. Program generuje data, která jsou předávána do výroby ve formě 2D výkresů vedení kabelů. Obr. 1. V programu Eplan Harness proD 2.6 lze předem definovat délku kabelů a během konstruování ji upřesnit Ve výkresech jsou specifikovány rozměry, vedení a zapojení kabelů. Ve fázi návrhu mohou být nyní definovány odizolované úseky a ochranné potahy drátů Při práci s programem Eplan Harness proD 2.6 se postupuje jiným způsobem než s běžnými systémy pro výpočet délky kabelů: uživatelé mohou předem definovat pevné délky kabelů. Až během konstruování se délka kabelu upřesní, protože konstruktér jasně vidí, kudy kabel povede. Program Harness proD 2.6 umožní snadno seskupit kabely do svazů a očíslovat je. Na veletrhu SPS IPC Drives seznámila společnost Eplan společně se svou dceřinou firmou Cideon také s koncepcí House of Mechatronics, která prostřednictvím mechatronické struktury propojuje systémy MCAD pro návrh mechanické konstrukce, ECAD pro návrh elektrotechnických zařízení a software pro PLC. Propojení umožňuje mechatronická komunikační a informační platforma Syngineer uvedená na jaře 2016. (ev)

Platforma EPLAN 2.6 je již k dispozici

S novou verzí platformy Eplan 2.6 mohou uživatelé využívat rozsáhlé inženýrské funkce, které jsou schopni snadno integrovat do svých každodenních pracovních procesů, včetně nových funkcí pro návrh svorkovnic a správu projektových dat, návrh trubkových a hadicových rozvodů a optimalizované integrace s informačními systémy. Další významná novinka: platforma Eplan 2.6 je nyní dostupná i v turečtině, a v současné době je tak k dispozici celkem v osmnácti jazycích. Obr. 1. V rozšířeném editoru lze zobrazit aktuální stav svorky, identifikovat automaticky nebo manuálně specifikované propojovací můstky a v grafické podobě zobrazit použité příslušenství   Software Eplan dosud „mluvil“ sedmnácti jazyky včetně češtiny. V nové verzi 2.6 byla k jazykovým mutacím přidána turečtina – Eplan má svou vlastní dceřinou firmu v Istanbulu už od roku 2014. V nejnovější verzi je také mnoho technických vylepšení. Při navrhování svorkovnic (obr. 1) nyní může být snadno zobrazeno použité příslušenství. Navíc mohou být jednoduše identifikovány automaticky nebo manuálně specifikované propojovací můstky. Uživatelé také mají možnost zobrazit aktuální stav svorky stejně jako v navigátoru. A další vylepšení: nové zobrazení orientované na zapojení poskytuje rychlý přehled o tom, které svorky jsou stále volné a k dispozici. Kromě toho, že tyto funkce usnadňují projektování, také výrazně urychlují vývoj produktů prostřednictvím standardizovaných procesů.   Obr. 2. Funkčně orientovaný návrh s využitím platformy Eplan je zdrojem pro zvyšování efektivity projektování Správa projektů a projektových dat Zpracování a správu projektů a projektových dat (obr. 2) ještě více usnadňuje použití funkce přímého zadání filtrovaného kritéria. K dílčím projektům lze libovolně určovat jejich adresářové umístění, čímž je zajištěna větší flexibilita při jejich pojmenování. Uživatel tak může např. změnit jen hlavní projekt místo ukládání jednotlivých podprojektů s cílem aktualizovat hlavní projekt. Ve správě projektů mohou být vyhledávány určité struktury a revidovány najednou v celém projektu, což výrazně zjednodušuje dohled nad projektem. Výrazně vylepšena byla také možnost určovat pořadí stránek pro tisk nebo uložení ve formátu PDF – a uživatelé ocení také rychlejší dosažení výsledků v této oblasti.   Trubkové a hadicové rozvody ve 3D Hydraulika a pneumatika, chlazení a mazání – tyto a další aplikace využívají pro rozvod vzduchu či oleje hadice a trubky. Eplan Fluid Professional s modulem Eplan Pro Panel nyní nabízí možnost návrhu vedení trubek a hydraulických hadic přímo ve 3D. Konstruktéři tak teď mohou kontrolovat návrh v prostoru nebo např. odměřovat délku hadic. K dispozici je také funkce exportu, jež umožňuje přenášet výkresy trubek do externího výrobního softwaru pro ohýbačku.   Obr. 3. Eplan Preplanning nyní umožňuje importovat data z externích zdrojů; funkce náhledu dovoluje přicházející data verifikovat ještě před jejich importem Od návrhu k detailnímu projektu Mnohé nové funkce byly optimalizovány tak, aby zjednodušily integraci platformy Eplan do existujících zákaznických procesů. Eplan Preplanning nyní umožňuje importovat data z externích zdrojů (obr. 3). Funkce náhledu dovolují přicházející data prověřit ještě před jejich importem. Snadno se hledají rozdíly, a dokonce lze při opakovaném importu dat (měřicích bodů, spotřebičů apod.) zabránit importu objektů, které byly v projektu v průběhu předběžného i detailního plánování odstraněny. To jsou další krok k větší konzistenci dat a jejich kontinuitě v procesu projektování.    Lepší integrace s informačními systémy Také správa uživatelů se zjednodušila: namísto zavádění nového uživatele může být existující uživatelský profil snadno importován z infrastruktury IT. Správa oprávnění uživatelů Eplan byla rozšířena o podporu služeb Active Directory. Zjednodušeno bylo rovněž použití databází SQL – k dispozici je seznam dostupných databází SQL, z něhož lze vybrat tu správnou. (EPLAN ENGINEERING CZ, s. r. o.)