sborník

Přehlídka
studentských odborných prací na FEL
konaná dne 20. května 2005
pod záštitou
prorektora ZČU
doc. Ing. Jaromíra Horáka, CSc.
a
děkana FEL ZČU
doc. Ing. Jiřího Kotlana, CSc.
pořádaná v odborných sekcích
Elektrické stroje a elektroenergetika
Elektronika a měření
FEL, ZČU 2005
Slovo úvodem
Soutěž studentských prací je na Fakultě elektrotechnické Západočeské
univerzity v Plzni již tradiční akcí. Letošní přehlídky se však účastní pouze 24
prací, což je oproti předchozím ročníkům podstatný pokles. Připomeňme si
loňský ročník s 60 příspěvky. Potěšující je účast třetiny studentů z třetího
ročníku. To je však způsobeno tím, že letos poprvé končí studenti bakalářského
studia ve strukturovaném studiu.
Rád bych poděkoval všem autorům soutěžních prací za příspěvek do této
přehlídky a jejich lektorům za odborné vedení. Věřím, že spolupráce v rámci
odborné činnosti je pro obě strany vysoce přínosná. Také chci poděkovat všem
členům odborných komisí za jejich nezištnou práci, bez které by nebylo možno
přehlídku uskutečnit.
Soutěž vždy zvyšuje kvalitu, protože člověk je tvor soutěživý. Proto věřím,
že i tato přehlídka přispěje k nejen odbornému rozvoji každého ze zúčastněných.
Ing. Václav Boček, Ph.D.
organizační garant
Obsah
Sekce Elektrické stroje a elektroenergetika
Vývoj modelu asynchronního motoru vhodného pro mikroprocesor
8
Daniel Fořt - PE 5
Spínání zátěže dle průběhu amplitudy
9
Jan Frána - ELE 3
Vektorová pulzní šířková modulace
10
Tomáš Glasberger - PE 5
Unbundling vertikálně integrované energetické společnosti
11
Jarmila Hendrichová - KE 5
Návrh řídících obvodů pro řízení bezkontaktního spínání elektrického stroje 12
Petr Janeček - ELE 3
Vizualizace točivého magnetického pole
13
Vladimír Kindl - KOE 3
Problematika připojení indukčních zařízení 50 Hz na trojfázovou síť
14
Vlastimil Krauz - EE 5
Návrh tepelné elektrárny 10 MWel na využití biomasy
15
Stanislav Kůla - EE 5
Trakční systémy magnetické levitace - srovnávací studie
16
Jan Kvídera - KOE 3
Měření teplot asynchronních strojů
17
Jan Markvart - KE 5
Zásobování oprávněných zákazníků prostřednictvím sítě SUAS
18
Ondřej Pávek - EE 5
Řešení ustáleného chodu soustavy
19
Pavel Šilhán - EE 5
5
Sekce Elektronika a měření
Zesilovač pro snímače tenzometrických sil
22
Jiří Boleček - ES 5
Nejistoty měření
23
Stanislav Bugoš - KE 5
Návrh laboratorního modelu pro simulaci tlumení rezonančních kmitů
24
Jaroslav Burda - EAT 3
Programovatelná logická pole
25
Jaroslav Fait - ES 5
Mikroprocesorem řízené pyrometrické měření výkonu v předehřívací komoře
napařovacího zařízení Sigma firmy Trikon Ltd.
26
Zdeněk Ferus - ES 5
Přehled e-mailových antispamových filtrů a možnosti jejich nasazení
27
Jan Fišer - KOE 3
Vliv sníženého obsahu pojiva na vybrané vlastnosti laminátu
28
Petr Kazda - KE 5
Současné trendy v recyklaci plastů
29
Václav Krejčí - KOE 3
Distribuovaný systém měření meteorologických dat
30
Štěpán Květoň, Jaromír Nechanický, Pavel Tupec – SŠ 2
Kmitočtový předdělič k čítači
31
Richard Linhart - ES 5
Analýza systému jakosti v podniku VALUE Engineering Services s.r.o.
32
Zdeněk Novotný - KE 5
Zajištění návaznosti kapacitních etalonů
33
Josef Šoral - KE 5
6
Sekce Elektrické stroje a elektroenergetika
složení komise
předseda
prof. Ing. Václav Bartoš, CSc.
členové
doc. Ing. Luděk Piskač, CSc.
Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D.
Ing. Karel Noháč, Ph.D.
7
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Vývoj modelu asynchronního motoru vhodného pro mikroprocesor
Daniel Fořt - PE 5
lektor: Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV
Tato práce se zabývá vytvořením matematického (proudového) modelu asynchronního
motoru. Prvním krokem je výběr vhodné numerické metody, simulace jsou provedeny pro
tyto následující metody: klasická Eulerova metoda, 1. modifikace Eulerovy metody,
lichoběžníková metoda a metoda Adams-Bashforth. V závislosti na složitosti algoritmů a tím
i náročnosti na výpočetní výkon procesoru byla zvolena 1. modifikace Eulerovy metody.
Dále je simulován vliv výpočetního kroku, normalizace a formátu zobrazení na přesnost
modelu v reálných číslech. Tento krok vývoje modelu je důležitý pro odladění před
přechodem do celočíselného formátu, ve kterém pracuje mikroprocesor. Vhodnost volby
formátu zobrazení, vliv výpočetního kroku na přesnost modelu a volba normalizačních
konstant je zřejmý z výsledků simulací v celočíselném formátu zobrazení.
Algoritmus odladěný v celočíselném formátu je následně implementován do digitálního
signálového procesoru Texas Instruments TMS320F2812. Jako vstupy pro model slouží
fázové proudy motoru převedené pomocí dvou A/D převodníků a mechanické otáčky rotoru
načítané z inkrementálního čidla.
Funkčnost modelu byla ověřena na laboratorním pohonu s nepřímým měničem
kmitočtu. Regulace motoru byla realizována pomocí U/f řízení. Výsledky jsou shrnuty
v následujících grafech.
Hlavní přínos práce:
- Výběr vhodné metody pro matematický model motoru
- Simulace proudového modelu v reálných číslech
- Normalizace a simulace proudového modelu do formátu pro celočíselné zobrazení
- Realizace modelu pomocí digitálního signálového procesoru
- Ověření funkčnosti modelu na laboratorním pohonu
0 .8
ψr [Wb]
0 .7 8
s im u la c e
0 .7 6
0 .7 4
měřen
í
0 .7 2
0 .7
7
7 .5
8
t [s ]
porovnání ψr při Uc=560V, fs=41 Hz
fázový proud–osciloskop, Uc=150V, fs=15 Hz
15000
15000
10000
10000
5000
5000
0
0
-15000 -10000 -5000 0
-5000
5000 10000 15000
-15000 -10000 -5000 0
-5000
-10000
-10000
-15000
-15000
složky ψr – simulace, Uc=560V, fs=41 Hz
5000 10000 15000
složky ψr – měření, Uc=560V, fs=41 Hz
8
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Spínání zátěže dle průběhu amplitudy
Jan Frána - ELE 3
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Předmětem úkolu je zpracování návrhu silové části zařízení spínání zátěže dle průběhu
amplitudy a sestavení tohoto zařízení.
Ovládací část není předmětem tohoto návrhu. Její zpracování řeší jiný student (Petr
Janeček).
Požadavky na sepnutí zátěže jsou:
- sepnutí 3-f zátěže při průchodu nulou každé fáze
- sepnutí 3-f zátěže po určitém časovém intervalu od průchodu nulou první fáze
V návrhu zapojení je použit tyristorový blok W3C – SKUT 230 od fy. Semikron. Tento
blok obsahuje 3× dva antiparalelně zapojené tyristory na jmenovitý proud 215 A, špičkový
proud 1,95 kA po dobu 10 ms. Tyristorový blok je pasivně chlazen. Tyristory jsou ovládány
třemi spínacími moduly APTT841M – výrobek stejné fy. K modulům jsou přivedeny spínací
signály z ovládací části. Po sepnutí jsou tyristory přemostěny paralelně zapojeným stykačem
(V33c). Celý obvod je jištěn polovodičovými pojistkami.
Zařízení je umístěno v laboratoři a je používáno pro spínání asynchronních motorů.
Práce je podporována projektem FR VŠ č. 1303/2004/G1.
9
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Vektorová pulzní šířková modulace
Tomáš Glasberger - PE 5
lektor: Ing. Zdeněk Peroutka, Ph.D. - KEV
Napěťový střídač lze řídit různými způsoby, jedním z nich je modulace s prostorovým
vektorem. Prostorový vektor vyjadřuje stav veličin v trojfázovém systému.
Základem modulace je způsob, kdy se požadovaný prostorový vektor napětí pohybuje
po trajektorii, odpovídající maximálně
kružnici vepsané šestiúhelníku. Do této
hranice není v modulaci v podstatě žádný
problém.
Velkým regulačním problémem je
ovšem plynulý přechod z této lineární
oblasti na obdélníkové řízení. Řízení
střídače v oblasti přemodulování ještě není
řádně zpracováno, existuje několik metod
modulace v této oblasti, každá má své
výhody a nevýhody.
V této práci se ověřuje funkčnost
několika metod modulace ve formátu
plovoucí řádové čárky, funkčnost algoritmů
je ověřena při různých spínacích frekvencích
a požadovaných výstupních napětích. Je
provedena harmonická analýza a porovnán vliv spínacího kmitočtu na obsah harmonických a
na zvlnění proudu zátěží.
Vybraná metoda je převedena do formátu pevné řádové čárky a následně opět ověřena
funkčnost a provedena harmonická analýza fázového napětí zátěže. Jsou porovnány výsledky
algoritmů v pevné a plovoucí řádové čárce.
Protože existují digitální signálové
procesory využitelné právě pro řízení
elektrických pohonů, algoritmus je přenesen
na procesor firmy Texas Instruments
TMS320F2812. Funkce algoritmu je ověřena
nejprve na samostatném procesoru a
následně na laboratorním pohonu, kde
asynchronní motor byl napájen z napěťového
střídače, řízeným právě tímto procesorem.
Funkčnost algoritmu je ověřena při různých
spínacích kmitočtech a v různých oblastech
modulace, tzn. v lineární oblasti, v oblasti
přemodulování a při obdélníkovém řízení.
Motor je ovládán pomocí U/f řízení.
Odladěný algoritmus, zpracovaný v této práci, je možné použít pro realizaci kvalitního
moderního regulačního systému.
Hlavní přínosy práce:
- Ověření funkčnosti algoritmů jak v plovoucí, tak pevné řádové čárce;
- Zjištění vlivu spínacího kmitočtu na funkčnost algoritmů a na obsah
harmonických ve výstupním napětí;
- Realizace algoritmů PWM modulátoru na DSP;
- Ověření funkčnosti algoritmů na reálném pohonu pomocí U/f řízení.
10
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Unbundling vertikálně integrované energetické společnosti
Jarmila Hendrichová - KE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
Otevření energetického trhu bylo jednou z podmínek přijetí České republiky do
Evropské unie. V souvislosti s tímto faktem se situace v oblasti elektroenergetiky velmi
změnila a můžeme říci, že ze statického odvětví průmyslu se stalo odvětví enormně
dynamické. V současné době dochází v energetice k zásadním změnám. Na trhu s elektřinou
působí typická vertikálně integrovaná energetická společnost zahrnující tři licencované
činnosti, jmenovitě výrobu elektřiny, obchod s elektřinou a distribuci elektřiny. Vertikálně
integrovaná energetická společnost je současně i dominantním hráčem na trhu s elektřinou.
V této diplomové práci se zaměřuji na změny v oblasti elektroenergetiky související
s oddělením regulovaných licencovaných činností od neregulovaných licencovaných činností,
tj. oddělení přenosu a distribuce od výroby elektřiny a obchodu s elektřinou. Pro efektivní
oddělení regulovaných činností od neregulovaných činností se používá termín unbundling.
Ve své práci nejdříve analyzuji legislativu v oblasti energetiky v České republice a
v Evropské unii. Uvádím zde jak přehled důležitých zákonů, vyhlášek, nařízení a směrnic, tak
i rozbor právních dokumentů, které přímo souvisí s touto prací.
Dále popisuji monopolní vazby a definuji přirozený, institucionální, horizontální a
vertikální monopol. Podrobněji zde analyzuji vertikálně integrovanou energetickou společnost
a obchodně-distribuční společnost.
Směrnice 2003/54/EC Evropského parlamentu a Rady ukládá energetickým
společnostem povinnost „unbundlingu“. V druhé části práce proto definuji klíčový termín
„unbundling“ a to jak z obecného tak i z konkrétního pohledu energetiky.
Směrnice EU a český Energetický zákon stanovují podmínky pro oddělení
provozovatelů přenosové a distribuční soustavy od zbylých Energetickým zákonem
definovaných licencovaných činností a definují čtyři části unbundlingu, kterými jsou
unbundling účetní, informační, manažerský a právní.
V práci navrhuji postup kroků, které vedou k optimálnímu účetnímu, právnímu,
informačnímu a v neposlední řadě manažerskému oddělení obchodně-distribuční společnosti.
V souvislosti se vznikem samostatných právních subjektů zde zmiňuji možné způsoby
založení jednotlivých společností a následně uvádím příklad efektivního sloučení podniků do
společnosti typu Holding.
S rozdělením obchodně-distribuční společnosti je nutné si uvědomit i případná rizika
oddělení společnosti. Proto v závěru své práce nejdříve identifikuji dominantní rizika, která
mohou ohrozit jednotlivé části unbundlované obchodně-distribuční společnosti a uvádím
návrh na jejich odstranění.
Hlavním cílem diplomové práce je dekomponovat klíčové změnové oblasti související
s unbundlingem, zmíněné v právních předpisech, a navrhnout optimální způsob provedení
unbundlingu.
11
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Návrh řídících obvodů pro řízení bezkontaktního spínání elektrického
stroje
Petr Janeček - ELE 3
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Požadavky:
1) Spínání obecné 3fázové zátěže dle amplitudy první fáze
a) Při průchodu „napěťovou nulou“
b) V určitém čase měřeném od průchodu napěťovou nulou
2) Spínání obecné 3fázové zátěže v napěťové nule dle průběhu amplitudy v každé fázi
Řešení řídících obvodů:
Vzhledem k předešlým zkušenostem jsem se rozhodl postavit logickou část na obvodech
CMOS, které jsou napájeny napětím 15 V DC. Tím do určité míry zvýším odolnost řídící
části proti rušení. Protože se jedná o experimentální zařízení, které se může dále rozvíjet, je
složeno z osmi modulů. Výhodou tohoto řešení je jednodušší údržba, oprava či výměna
vadného dílu. Vhodným doplněním dalších řídících obvodů, lze zařízení přizpůsobit jiným
požadavkům.
Napájecí zdroje:
Hlavní zdroj, který slouží k napájení logiky, je osazen integrovaným stabilizátorem 7815,
který je pasivně chlazen chladičem. Vstupní a výstupní napětí stabilizátoru je vyhlazeno
pomocí elektrolytických kondenzátorů. Vstupní stejnosměrná strana je chráněna impulsní
diodou proti případnému přepětí. Všechny tři drivery jsou napájeny samostatným zdrojem.
Tyto zdroje jsou osazeny stabilizátorem 7812 a jsou konstrukčně shodné s hlavním zdrojem.
Sonda:
Tento modul signalizuje průchod nulou každé fáze. Od sítě je modul galvanicky oddělen
třemi jednofázovými dvoukomorovými transformátory, které zároveň slouží pro napájení
zdrojů příslušných driverů. Modul sondy je osazen komparátorem TL 074 a obvodem CMOS
4093. Náběžná hrana výstupních signálů odpovídá průchodu nulou jednotlivých fází.
Výstupní signál lze negovat.
Čítač a Hlavní deska:
Tyto desky slouží ke zpracování signálů z čelního ovládacího panelu a sond. Hlavní deska
umožňuje připojení 3f zátěže každé fáze v napěťové nule. Při spolupráci s čítačem umožňuje
připnutí 3f zátěže v určitém čase od průchodu napěťovou nulou fáze L1. Požadovaný čas
zpoždění lze do čítače uložit manuálně nebo pomocí PC přes paralelní port. Výstupní signály
z obou desek jsou vyvedeny na čelní panel a desku Ovládání driverů.
Ovládání driverů:
Tato deska obsluhuje tři drivery a vysílá na jejich řídící svorku spínací signál. Dále obsahuje
šesti bitový převodník úrovní z pěti voltové logiky TTL na 15ti voltovou logiku CMOS.
Čelní ovládací panel:
Je sestaven ze dvou desek. Slouží k ovládání celého zařízení a signalizaci stavu řídící logiky.
Je osazen dvoumístným LED displejem, třemi páčkovými přepínači, dvěmi tlačítky, šesti páry
LED, hlavním vypínačem řídící logiky s kontrolkou, tlačítkem s kontrolkou a kontrolním relé
HRN – 51.
Práce je podporována projektem FR VŠ č. 1303/2004/G1.
12
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Vizualizace točivého magnetického pole
Vladimír Kindl - KOE 3
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Matematicky korektní a přehledná vizualizace točivého magnetického pole, nebo
kteréhokoli fyzikálního problému není tak snadným úkolem, jak se může na první pohled
zdát. Před započetím práce je vhodné utvořit si určitou představu o tom, čeho chci dosáhnout,
vytyčit si reálné cíle a jít schůdnou cestou. Hlavním krokem je interpretace matematického
modelu našeho problému. Ten se obvykle více, či méně přibližuje realitě v závislosti na
náročnosti potřebného matematického aparátu a také na našem technickém vybavení.
Při návrhu matematického modelu jsem uvažoval model stroje, vedoucí na obyčejné
algebraické rovnice. Jednotlivá vinutí lze pokládat za cívky se soustředěnými parametry,
nezávislými na kmitočtu. Vzájemné indukčnosti jsou obecně závislé na okamžité geometrické
poloze jednotlivých vinutí. Při formulaci rovnic točivého magnetického pole jsem zavedl
několik předpokladů, které zjednodušily jejich tvar a hlavně celé řešení. Je tedy zřejmé, že
vhodně vybraný výpočetní software může být výrazným pomocníkem při našem dalším
snažením. Pro tuto práci zvolený Matlab byl v mnohých směrech velmi vhodným nástrojem,
který svým výkonem umožňuje vizualizaci i na méně výkonných počítačích. Podívejme se
tedy na přibližnou topologii mého programu.
Jak je známo, Matlab jakožto „interpret“, je pro mnohé uživatele svým ovládáním
nepříliš poutavým. Pro možnost rozšíření této práce směrem k širší skupině uživatelů, bylo
nutností nejprve zpříjemnit způsob zadávání dat a vstupních parametrů programu. K tomu
slouží soubor „*.fig“, jenž tvoří grafickou kostru tzv. „engine“ programu, pomocí něhož jsme
schopni volat funkce pouhým výběrem myší počítače z nabízené menu. Přes tento „engine“
probíhá také veškerá komunikace a přenos dat jednotlivých funkcí programu. Ty jsou tvořeny
samostatnými soubory typu „*.m“, které mohou být považovány za jádro programu. Pracují
samostatně a zároveň využívají dat a výsledků předešlých výpočtů jiných m-files.
Mezi ty nejdůležitější bych zařadil možnost vyvolat animaci třífázového i
jednofázového magnetického pole, které je zobrazováno jako rotující fázorový diagram
dílčích statorových proudů společně s jejich časovým rozložením. Celý proces je znázorněn
v úseku 20 ms (reálného času), kdy se nám naskýtá pohled na rotující magnetické pole,
v závislosti na zadaných parametrech. Po skončení se vizualizace cyklicky opakuje a čeká na
ukončení uživatelem. Jako další bych rád uvedl možnost zobrazit reakci pole na případné
nedostatky sítě, jako např. nesymetrické napájení. Data pro výpočty jsou načítána z externích
datových souborů, čímž bych rád upozornil i na možnost vizualizace skutečného mag. pole
reálného napájení. Také výpadek, nebo případný pokles napětí některých z fází, je zde
zohledněn formou vizualizace s možností nastavit si potřebná omezení a stavy systému, se
kterými má být počítáno. Pro shrnutí:
V této práci je uveden matematický popis modelu třífázového a jednofázového
magnetického pole točivého stroje ve dvou variantách. Jednou je model konvenční, resp.
uváděný v mnohých odborných článcích a literatuře. Druhou je mnou odvozený popis, kterým
je toto pole modelováno.
Hlavním cílem bylo především přijatelně a pochopitelně „laikovi“ nastínit vzájemné
souvztažnosti, dějící se ve statoru točivého magnetického pole v určitých časových
okamžicích a znázornit i souvislost mezi elektrickým a prostorovým rozložení jednotlivých
částí (proudů a vinutí) stroje. Navíc způsob, jakým jsem program vytvořil přímo nabízí
prostor a možnosti pro další libovolné kreativní rozšiřování souboru funkcí dle aktuálního
přání, či požadavku uživatel bez výraznějších zásahů do zdrojového kódu. Je tedy možné
práci použít i jako pomůcku, či názornou ukázku budoucím studujícím.
13
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Problematika připojení indukčních zařízení 50 Hz na trojfázovou síť
Vlastimil Krauz - EE 5
lektor: prof. Ing. Jiří Kožený, CSc. - KEE
Tato práce se zabývá problematikou připojení indukčních zařízení, které pracují
s průmyslovým kmitočtem 50 Hz, k trojfázové síti. V první části se řeší obecná teorie
k tomuto problému. Indukční zařízení jsou zde rozděleny na nízkofrekvenční (50 Hz),
středofrekvenční a vysokofrekvenční. Problematika připojení středofrekvenčních a
vysokofrekvenčních zařízení je řešena společně. Popisují se zde různé principy frekvenčních
měničů od starších typů až po ty nejmodernější. Připojení nízkofrekvenčních zařízení je
řešeno samostatně, protože se jedná o specializaci této práce.
V následující kapitole je popsáno vytvoření náhradního obvodu obecného indukčního
zařízení a jeho převedení na čistě odporovou zátěž. Toto se provádí tzv. kompenzací, jejíž
proces je detailně uveden. Po získání čisté jednofázové odporové zátěže, řešíme možnosti její
symetrizace. Proces symetrizace je úkol, jak převést obecnou nesymetrickou zátěž na stav,
kdy bude zatěžovat síť symetricky a bude odebírat stejný činný i jalový výkon jako před tímto
procesem. Změna jalového výkonu je žádoucí v případě, že chceme měnit účiník cosϕ. Pro
čistě odporovou zátěž lze pro návrh symetrizačního zařízení použít metodu, která je založena
na odvození z fázorových diagramu. Tuto metodu lze však použít pouze pro některé případy.
V případě, že chceme řešit problém obecné nesymetrické zátěže, používáme metodu
založenou na odvození z rovnosti činných a jalových výkonů. Obě tyto metody jsou detailně
popsány a vzájemně porovnány.
Na základě těchto teoretických úvah je pak v další části provedena analýza fyzikálního
modelu procesu symetrizace, který slouží k měření v rámci předmětů KEE/ET a KEE/ETT.
Z výsledků této analýzy jsou popsány nevýhody tohoto modelu. Dále je proveden návrh
nového fyzikálního modelu, jeho realizace a výsledky provedených měření. Na konci této
části nalezneme srovnání obou modelů. Nový model umožňuje studentům postupovat jako při
skutečném praktickém návrhu těchto zařízení. Je dána zátěž, kterou lze volit z široké řady, a
pro ni lze navrhnout příslušné symetrizační členy. Dále se tento návrh ověří měřením na
fyzikálním modelu a zhodnotí se jeho úspěšnost. Tento proces je velmi citlivý na sled fází a
při špatném sledu se stav ještě zhorší, i když jsou symetrizační členy dobře vypočtené. Tento
stav lze také na nově vytvořeném modelu simulovat. K novému modelu je vytvořen i nový
návod pro laboratorní měření, který opět vychází z nedostatků původního. Je zde i
přepracovaná teorie, která by měla sloužit studentům k lepšímu pochopení této problematiky
a bude používaná jako příloha k návodu.
Navržený návod stejně jako diplomová práce jsou doprovozeny názornou schématickou
a obrazovou dokumentací vnitřního i vnějšího provedení nové symetrizační jednotky. Pro
srovnání jsou zde i obrázky původních symetrizačních členů, kterých byla celá řada a museli
se pracně spojovat.
Dále následuje zhodnocení naměřených hodnot na novém fyzikálním modelu.
Vysvětlují se důvody vzniku odchylek naměřených hodnot od teoretických předpokladů.
V následující části jsou popsány možnosti využití tohoto fyzikálního modelu nejen pro
výuku, ale též pro simulace návrhu skutečného symetrizačního zařízení, protože na tomto
modelu lze snadno měnit nastavení indukčností a kapacit, což na původním nebylo možné.
V závěrečné části jsou uvedeny možnosti použití symetrizačních zařízení v praxi.
Můžeme zde nalézt detailní popis těchto zařízení, které jsou v provozu ve firmě Siemens
Mohelnice. Na uvedených schématech je pak patrné, že teoretický rozbor se plně shoduje se
skutečným provedením těchto zařízení.
V závěru je pak uvedeno zhodnocení významu celé práce jak pro výukové účely tak pro
praktické použití v průmyslu.
14
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Návrh tepelné elektrárny 10 MWel na využití biomasy
Stanislav Kůla - EE 5
lektor: doc. Ing. Zbyněk Martínek, CSc. - KEE
V práci jsem se zabýval návrhem elektrárny na využití biomasy s parní kondenzační
turbinou a parní protitlakou turbinou. Cílem řešení bylo posoudit možnosti uplatnění biomasy
pro výrobu elektrické energie v parní elektrárně o instalovaném výkonu 10 MWel a navrhnout
možnosti získávání paliva. Dále bylo nutné navrhnout parní oběh elektrárny. U elektrárny
s kondenzační turbínou je výpočet parního oběhu důležitý pro stanovení účinnosti výroby
elektrické energie. U elektrárny s protitlakou turbinou jsem provedl výpočet parního oběhu
s cílem vyčíslení modulu teplárenské výroby. Modul teplárenské výroby charakterizuje
množství tepelné energie, která vzniká během výroby elektřiny. Vypočítané parametry,
účinnost elektrárny a modul teplárenské výroby jsou nezbytné pro stanovení potřebného
objemu paliva, následně určení velikosti plantáže a u elektrárny s protitlakou turbínou
k návrhu uplatnění tepelné energie a v neposlední řadě k vyčíslení nákladů na výrobu
elektrické a tepelné energie. Dále jsem provedl ekonomické hodnocení obou variant návrhu
elektrárny.
Pro základní určení ekonomické efektivity elektrárny jsem použil výpočtu čisté
současné hodnoty cash flow za 30 letou dobu provozu elektrárny. Výslednou veličinou
výpočtu cash flow je hodnota kumulovaného cash flow za dobu 30 let provozu elektrárny. Při
výpočtu bylo kalkulováno s financováním výstavby elektrárny pomocí úvěru. Metoda
splácení úvěru postupným umořováním vyšla oproti metodě anuitního umořování výhodněji.
V případě kondenzační elektrárny jsem počítal cash flow pro 3 hodnoty doby využití maxima
instalovaného výkonu. V případě elektrárny s protitlakou turbínou jsem vypočítal výši
produkce a cash flow na základě uplatnění tepelného výkonu pro ohřev TV a TUV. Pro tento
způsob uplatnění tepelného výkonu vyšla doba využití maximálního instalovaného
elektrického výkonu 4268 h/rok. Základní výsledky výpočtu cash flow jsou následující:
Pro elektrárnu s kondenzační turbínou:
Doba využití maxima
[h/rok]
8 760 7 000 3 500
Kumulované cash flow za 30 let provozu
[mil. Kč]
307 87,51 -408
Pro elektrárnu s protitlakou turbínou:
Doba využití maxima
[h/rok]
4 268
Kumulované cash flow za 30 let provozu
[mil. Kč]
440
Z výpočtu cash flow vyplývá, že elektrárna s protitlakou turbinou je ekonomicky
výhodnější. Důvodem je využití kondenzačního tepla páry u elektrárny s protitlakou turbínou,
u elektrárny s kondenzační turbinou je kondenzační teplo páry nevyužito.
V rámci ekonomického hodnocení jsem provedl výpočet doby vyrovnání nákladů. Doba
vyrovnání nákladů je období (počet let), za které kumulované cash flow přinese hodnotu
rovnající se nákladům na investici. V cash flow pro výpočet doby vyrovnání nákladů
nefigurují položky úroků a splátek úvěru, jde o cash flow odpovídající případu financování
investice na výstavbu a uvedení do provozu elektrárny z vlastních kapitálových zdrojů. Doba
vyrovnání nákladů vyšla pro kondenzační elektrárnu (při době využití maxima 7000 h/rok)
15 let, pro elektrárnu s protitlakou turbinou (při době využití maxima 4268 h/rok) 9 let.
V závěrečné kapitole práce jsem se věnoval citlivostní analýze. Sledoval jsem vliv ceny
paliva, velikosti investičních nákladů, účinnosti elektrárny, modulu teplárenské výroby, doby
využití maxima instalovaného výkonu a ceny vykupované energie na velikost výrobních
nákladů a kumulovaného cash flow za dobu provozu elektrárny 30 let. Důležitým výsledkem
citlivostní analýzy jsou velikosti změny jednotlivých vstupních parametrů oproti
předpokládané hodnotě, které vyvolají pokles kumulovaného diskontovaného cash flow za
sledované období 30 let provozu na nulu.
15
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Trakční systémy magnetické levitace - srovnávací studie
Jan Kvídera - KOE 3
lektor: prof. Ing. Daniel Mayer, DrSc. - KTE
Vysokorychlostní železnice zažívá v Evropě renesanci, kdy jsou staré železniční tratě
modernizovány tak, aby je bylo možné projíždět vyššími rychlostmi nebo jsou budovány nové
vysokorychlostní koridory. Postupně je zvyšována provozní rychlost, která dnes dosahuje
350 km.h-1. Ačkoliv rekord klasické vysokorychlostní železnice z 18. května 1990 speciálně
připravenou jednotkou TGV Atlantique č. 325 má hodnotu 515,3 km.h-1, není možné tuto
rychlost využívat v běžném provozu. Problém zde činní styk mezi kolem a kolejnicí a mezi
trakčním vedením a sběračem.
Trakční systémy využívající magnetické levitace jsou vhodným řešením jak dále
zvyšovat maximální provozní rychlosti. V současnosti jediným systémem, který se dostal do
skutečného provozu je systém využívající elektromagnetické levitace – EMS. Tento systém je
vyvíjen a vyráběn konsorciem firem Thyseen Krupp a Siemens pod názvem Transrapid.
Cílem této práce je provést srovnání investičních a provozních nákladů a návratnost
vložených investic mezi klasickou železnicí a systémem Transrapid. Pro účely srovnání byly
zvoleny dvě varianty provozu, dálkový vysokorychlostní koridor a příměstská dráha.
V obou případech byly vypočteny investiční náklady na výstavbu drážního tělesa,
přestupních terminálů a servisního zázemí. Ze zvoleného dopravního taktu byla určena
turnusová potřeba vozidel a počet záložních vozidel. Z těchto údajů byly spočteny provozní
náklady, které se skládají z nákladů spojených s elektrickou energií, náklady na údržbu
vozidel a drážního tělesa. Výše jízdného vychází z cen Deutsche Bahn A.G.
Výsledné porovnání je příznivější pro klasickou železnici ať již jako vysokorychlostní
koridor, tak i příměstskou dráhu. V současnosti brání rozšíření Transrapidu vysoké pořizovací
náklady, které lze kompenzovat vyšší cenou jízdného. Jízdné nemůže být výrazně vyšší než
konkurenční dopravní systémy, což je v případě výstavby vysokorychlostního koridoru
doprava letecká, u příměstké dopravy doprava individuální. Pořizovací náklady lze docílit až
při větších výrobních sériích vozidel a tím i snížení podílu vývojových nákladů na jedno
vozidlo, tak jako se povedlo u některých kolejových vozidel.
Trakční systém Transrapid je perspektivní k možnostem jeho dalšího vývoje a rozvoje.
Výhodou systému Transrapid je snadné zvýšení provozní rychlosti bez vysokých investičních
nákladů. Nesporným přínosem je i šetrnost k životnímu prostředí, nízká hladina hluku,
absence trakčního vedení, nižší spotřeba elektrické energie a nadzemní drážní těleso, které
nepřerušuje migrační cesty zvěře.Maximální rychlost, kterou je Transrapid v současnosti
provozován je 430 km.h-1. Této rychlosti je dosahováno na dráze v Šanghaji, která je
celosvětově první dráha využívající magnetické levitace v běžném provozu.
Tabulka 1. Ekonomické porovnání
Výstavba tratě [mil € / km]
Délka tratě [km]
Pořizovací cena vozidla [mil €]
Celkové investice [mld €]
-1
V max [kmh ]
Provozní náklady / rok [mil €]
Cena jízdného [€]
Příijmy [mil € / rok]
Doba návratnosti investic [roky]
Příměstská dráha
Transrapid
Železnice
8, 3
40
40
8,5
122
0,71
3,7
3,1
160
200
350
4
3,1
5,1
2,5
3
4
93
115
150
11
45
30
16
3,1
450
7,8
5
185
20
Vysokorychlostní koridor
Transrapid
Železnice
16
40
350
22,5
96,4
6
15,1
15
350
350
450
12,3
7,9
12,1
70
70
100
400
375
540
15
37
30
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Měření teplot asynchronních strojů
Jan Markvart - KE 5
lektor: Ing. Bohumil Skala, Ph.D. - KEV
Pro účely měření teplot v různých částech asynchronního stroje byl upraven čtyřpólový
asynchronní stroj s vinutou kotvou. Jmenovitý příkon stroje je 5, 5 kW.
Do statorového vinutí a statorového železa bylo pro snímání teploty založeno sedm
termistorů s NTC-charakteristikou (tj. nepřímou závislostí odporu na teplotě). Do čtyřech
cívek 1. fáze po jednom termistoru, do 1. cívky 2. a 3. fáze po jednom termistoru a jeden
termistor do železa statoru. Vývody termistorů jsou připojeny na konektor CANON 15, který
je připevněn na zvláštní svorkovnici motoru.
Aby bylo možno změny teploty vyhodnocovat, je zapotřebí převést změnu odporu
termistoru na napětí, což je elektrická veličina, která je přijatelná pro elektronické měřící
přístroje a pro měřící kartu počítače.
Převodník teplota - napětí vychází z neinvertujícího zapojení operačního zesilovače.
Vstupu do zesilovače je předřazen odporový dělič. Odporová síť byla nastavena s ohledem na
vhodný teplotní rozsah převodníku.
Pro vyhodnocení měření byla použita osmikanálová měřící karta do počítače PCI 1248.
Programová podpora měřícího systému byla zajištěna programem ScopeWin.
Vzhledem k tomu, že sledovaných částí asynchronního stroje je sedm a karta má osm
kanálů, lze konstatovat, že každý měřící bod je možno připojit na jeden kanál karty. Avšak
s ohledem na fakt, že při takovémto způsobu zapojení by pro měření dalších veličin (jakožto
např. napětí, proudy, otáčky nebo točivý moment) zůstal volný pouze jeden měřící kanál, bylo
zvoleno řešení s použitím přepínače měřících míst tzv. multiplexeru.
Jak již bylo uvedeno, pro
vyšetřování teplot v různých
částech asynchronního stroje
byl uzpůsoben asynchronní
stroj s kroužkovou kotvou o
výkonu 5,5 kW.
Zkoušený stroj nemá
spojen hřídel s jiným strojem,
kterým by jej bylo možno
zatížit. Z tohoto důvodu nebyla
zkouška provedena důsledně
podle normy, ale bylo zvoleno
řešení, které jmenovité zatížení
přibližně nahradilo.
Vinutí jednotlivých fází
byla spojena do série a připojena na stabilizovaný zdroj stejnosměrného proudu. Aby bylo
dosaženo stejných tepelných účinků jako při napájení střídavým proudem, byla hodnota
stejnosměrného proudu nastavena právě na efektivní hodnotu jmenovitého proudu střídavého
(jak plyne z definice efektivní hodnoty střídavého proudu).
Cejchování převodníku bylo provedeno ohřevem termistoru v olejové lázni a to
v rozsahu teplot 20 ÷ 140 °C. Olej byl použit pro vysokou teplotu varu a pro výborné izolační
vlastnosti.
Výstupní napětí převodníku bylo sledováno voltmetrem, teplota lázně pak pomocí dvou
teploměrů. V celém rozsahu byla teplota olejové lázně kontrolována digitálním multimetrem
s teplotním čidlem. V omezeném rozsahu (50 ÷ 100 °C) byla ještě teplota sledována rtuťovým
teploměrem. Velikost výstupního napětí převodníku byla sledována digitálním voltmetrem.
17
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Zásobování oprávněných zákazníků prostřednictvím sítě SUAS
Ondřej Pávek - EE 5
lektor: Ing. Pavla Hejtmánková, Ph.D. - KEE
V této práci se zabývám možnostmi napojení nových oprávněných zákazníků na síť
Sokolovské uhelné, a. s. SU, a. s. je velký palivoenergetický závod, zabývající se především
těžbou uhlí v Sokolovské hnědouhelné pánvi, jeho prodejem a transformací na jiné druhy
energií (elektrická energie, energoplyn, brikety, karbochemické produkty, aj.). Výrobny
elektrické energie SU, a. s. – teplárna Vřesová a paroplynová elektrárna (PPC) Vřesová
s celkovým instalovaným výkonem 620 MWe patří na našem trhu mezi významné výrobce
elektrické energie. Výkon z PPC Vřesová je vyveden 220 kV vedením do rozvodny Vítkov,
tudíž do přenosové soustavy (PS) České republiky. Elektrická energie z teplárny Vřesová je
převážně určena pro konečné zákazníky SU, a.s. a pro vlastní spotřebu závodu.
Možnosti napojení oprávněných zákazníků na síť Sokolovské uhelné, a. s. se přímo
odvíjí od současného uspořádání sítě SU, a. s., do které je nyní napojeno přes 200 odběratelů
elektrické energie. Z toho 48 je oprávněných zákazníků, zbývající odběratelé jsou
domácnosti, které ještě v roce 2005 nepatří mezi oprávněné zákazníky. Mezi velké oprávněné
zákazníky s odběrem nad 1000 MWh za rok patří především strojírny v Sokolově a Svatavě,
dále velké průmyslové a stavební podniky.
Současný stav sítě SU, a.s. dovoluje takřka ihned a bez zásadních úprav napojit dalšího
nového oprávněného zákazníka, který by měl příkon do 150 kW na kteroukoliv z rozvoden
6 kV. Napojení oprávněných zákazníků s větším příkonem je limitováno počtem volných polí
v rozvodnách a výkonovou rezervou.
V současné době se jako nejvýhodnější jeví napojení nového oprávněného zákazníka firmy, zabývající se výrobou technických plynů (zejména kyslíku) z atmosférického vzduchu
(nová kyslíkárna), která zvítězila ve výběrovém řízení pro dodávku technických plynů pro
Sokolovskou uhelnou, a. s. A to vzhledem k uzavření stávajícího provozu kyslíkárny.
Požadavek na výstavbu nové kyslíkárny vyústil z vyšších kvalitativních i
kvantitativních potřeb kyslíku v SU, a. s. Nová kyslíkárna bude tedy náhradou stávajícího
provozu kyslíkárny SU, a. s. Vzhledem k uvolnění kapacity elektrické energie i pozemků SU,
a. s. ve Vřesové, je vhodné umožnit výstavbu nové kyslíkárny v areálu SU, a. s. ve Vřesové.
Ze vztahu Sokolovská uhelná, a.s. a provozovatel závodu na výrobu technických plynů
z atmosférického vzduchu plyne řada nesporných výhod na obou stranách. V prvé řadě to je
oboustranný obchod. Nová kyslíkárna bude napojena na síť SU, a. s., bude tedy odebírat
elektrickou energii, chladící vodu a páru od SU, a. s. a zároveň bude dodávat technologické
plyny, zejména kyslík a dusík. Na těch je v SU, a. s. závislá výroba dalších technických
plynů, zejména energoplynu a elektrické energie. Oba subjekty tedy budou mít stálý odběr i
dodávku. Nová kyslíkárna bude mít stabilizovaný odběr elektrické energie, který budou
zejména zajišťovat její dva největší pohony - kompresor kyslíku 19 MVA a kompresor dusíku
19 MVA. Výroba technických plynů bude probíhat v nepřetržitém provozu a převážná část
výrobního zařízení bude vytížena. Další výhodou vztahu je tranzit plynů potrubím na krátkou
vzdálenost, minimální úpravy sítě a minimální provozní náklady. Je také zřejmé, že provoz
nové kyslíkárny již nebude představovat pro SU, a. s. vlastní spotřebu (jako je to u stávající
kyslíkárny - součásti SU, a.s.), ale nového oprávněného zákazníka. Pro Sokolovskou uhelnou,
a. s. tedy odpadnou vysoké náklady na provoz staré kyslíkárny.
Ekonomická výhodnost tohoto vztahu je zřejmá. Sokolovská uhelná, a.s. bude výrobci
technických plynů platit cenu za práci a cenu za množství odebraných plynů, bude však také
inkasovat platby za elektrickou energii.
18
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Řešení ustáleného chodu soustavy
Pavel Šilhán - EE 5
lektor: Ing. Miloslava Tesařová, Ph.D. - KEE
Tato práce se zabývá vývojem aplikace pro výpočet ustáleného chodu v elektrizační
soustavě. Program je vytvořen jako nadstavbový modul k výukovému programu vyvíjeného
katedrou elektroenergetiky na FEL ZČU.
V teoretické části je popsáno sestavení náhradního schématu elektrizační soustavy
vytvořením náhradních dvojbranů jednotlivých prvků sítě, rozebrána metoda modelování
elektrizační soustavy pomocí uzlové admitanční matice a základem celé práce je popis
numerických metod, které se nejčastěji používají pro řešení ustáleného chodu soustavy,
rozbor jejich vlastností a posouzena vhodnost jejich použití.
Je známa celá řada způsobů popisujících elektrickou síť, metoda smyčkových proudů,
metoda uzlových napětí, metoda napětí větví stromu a další. Všechny ale mají jedno společné.
Jejich podstatou jsou Kirchhoffovy zákony pro proud a napětí. Protože základem této práce je
využití výpočetní techniky při řešení stavu elektrické sítě je na místě zabývat se metodou
uzlových napětí, protože ta přináší pro řešení pomocí počítačů několik výhod. Aby tato
metoda mohla být s úspěchem použita je nutné znát alespoň minimum požadovaných dat pro
začátek řešení (tzn. impedance všech prvků sítě, dodávaný resp. odebíraný činný a jalový
výkon v příslušných uzlech sítě, umístění referenčního uzlu a fázor napětí v tomto uzlu).
Základem řešení soustavy uzlových rovnic popisujících elektrizační soustavu je jejich správné
sestavení, vypuštění rovnice referenčního uzlu a následně získání (n-1) rovnic, vyřešení
soustavy (n-1) rovnic a dopočtení neznámé z rovnice pro referenční uzel. Pro řešení
jakéhokoli stavu sítě (ustálený chod nebo např. zkratové poměry) jsou důležité zjednodušující
předpoklady, z kterých vychází i tato práce. Jsou to: souměrnost prvků sítě, sinusový průběh
napětí a proudu, znalost náhradního schématu, přepočet prvků na jednu napěťovou úroveň a
uvažování tzv. fiktivního převodu transformátorů.
Po výše uvedeném rozboru byla jako nejvhodnější metoda pro řešení ustáleného chodu
soustavy zvolena Newton-Raphsonova iterační metoda, vytvořen její algoritmus a prvky sítě
namodelovány dvojbranem typu pí-článek. Pro řešení soustavy lineárních algebraických
rovnic je použit algoritmus Gaussovy eliminace s využitím celkové pivotace.
Program byl vyvinut ve vývojovém prostředí Borland Delphi pro operační systémy
Windows. Program počítá v rovině komplexních čísel a v poměrných jednotkách veličin
popisujících soustavu z hlediska ustáleného chodu. Aplikace je sestavena objektově
s ohledem na návaznost na stávající výukový program a také na budoucí rozšiřitelnost. Při
vývoji prostředí byl kladen důraz na jednoduchost ovládání a přehlednost výsledků. Celý
modul programu je realizován jednou knihovnou DLL (Dynamic Link Library) a několika
jednotkami, popisující strukturu formulářů aplikace. Knihovna DLL byla s výhodou použita
pro schopnost exportovat svoje funkce a procedury okolním aplikacím a načítat je do paměti
až v okamžiku, kdy je to zapotřebí.
Program je schopen ze vstupních hodnot, charakterizujících sestavenou elektrizační
soustavu, vypočítat uzlová napětí a určit směr a velikost toku proudu a také činného a
jalového výkonu ve větvích sítě. Funkčnost programu byla ověřena řadou kontrolních výpočtů
a také porovnáním výstupních hodnot s výsledky jiného výpočtového programu řešící
ustálený chod soustavy, který je plně funkční není však kompatibilní s operačním systémem
Windows.
19
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
20
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Sekce Elektronika a měření
složení komise
předseda
doc. Dr. Ing. Vjačeslav Georgiev
členové
doc. Ing. Olga Tůmová, CSc.
Ing. Aleš Voborník, Ph.D.
Ing. Petr Krist
21
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Zesilovač pro snímače tenzometrických sil
Jiří Boleček - ES 5
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Předmětem této práce je zařízení, které zpracovává diferenční signály ze tří
můstkových tenzometrických snímačů. Jeho úkolem je pak tyto signály sečíst a převést do
číslicové podoby s rozlišením 12 bitů. Zařízení pak komunikuje s nadřazeným počítačem
pomocí asynchronní sériové linky standardu RS485. Další výstup je v podobě analogové
proudové smyčky 0 až 20 mA. Zařízení je dále vybaveno vstupem pro impulsní čidlo
rychlosti. Primárně je tato konfigurace určena pro dynamické vážení, kdy jsou tenzometrické
snímače zatěžovány váženým materiálem, který se pohybuje po dopravníkovém pásu a
impulsní čidlo pak snímá rychlost pohybu pásu.
Cílem této práce bylo navrhnout a odzkoušet obvodové řešení, včetně napájecích
zdrojů. Byla zvolena varianta, kdy se vstupní signály sčítají v analogové podobě. Číslicová
část včetně AD a DA převodníků je postavena na bázi jednočipového mikropočítače
ADuC831. Jedná se o mikropočítač s jádrem kompatibilním s INTEL8052.
V zařízení má tento mikropočítač na starosti AD převod, filtraci naměřených dat,
komunikaci s nadřazeným počítačem, zpracování impulsního signálu, analogový výstup pro
obvody proudové smyčky, dále pak nastavuje zesílení součtového signálu a jeho napěťový
posun a to tak, aby byl co nejlépe využit rozsah AD převodníku.
Celé zařízení se ovládá pomocí příkazů předávaných po lince RS485, základní
nastavení je pak také možné pomocí osmi zkratovacích propojek.
Blokové schéma je uvedeno na obr. 1.
obr. 1:
Blokové schéma
22
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Nejistoty měření
Stanislav Bugoš - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
Cílem měření je numericky charakterizovat stav, výkon fyzického procesu. Klíčové je
správné pochopení získaných dat z měření, aby bylo možno tyto získané údaje využít. Při
každém měření vznikají chyb, které jsou dány nedokonalostí obsluhy, nepřesností měřicích
přístrojů a metodiky.
Chyba je definována jako rozdíl mezi pravou hodnotou parametru měřeného a
výsledku získaném měřením. Vzhledem k tomu, že nikdy neznáme „skutečnou“ pravou
hodnotu, nikdy neznáme chybu. Výskyt chyb nám experimentálně potvrzují výsledky
opakovaných měření při stejných podmínkách měření tím, že nikdy nedosáhneme úplně
stejných výsledků. Odlišnost výsledků lze vysvětlit růzností chyb, které při měření působí. Je
nutno podotknout, že nikdy, i při opakovaném měření, nejsou podmínky měření zcela stejné.
Při vyjadřovaní výsledků měřené fyzikální veličiny je nezbytné užití nějakých
kvantitativních ukazatelů kvality zjištěných výsledků, které nám umožní odhadnout jejich
spolehlivost. Bez těchto údajů není možné výsledky měření porovnat ani vzájemně mezi
sebou, ani s referenčními údaji ve specifikacích či normách. Kvalitu výsledku měření
umožňují nástroje pro určení a vyjádření nejistot měření.
Nejistotou měření je parametr, který souvisí bezprostředně s výsledkem měření a
charakterizuje interval hodnot kolem výsledku měření, v němž lze s určitou pravděpodobností
předpokládat výskyt skutečné měřené veličiny při množině podmínek, které jsou součástí
měřicího procesu. Nejistota není chyba, protože chyba je aktuální rozdíl mezi naměřenou a
skutečnou hodnotou. Nikdy neznáme skutečnou hodnotu nebo skutečnou chybu, ale jen odhad
jejich mezí, který nazýváme nejistotou. Nejistota se netýká jen výsledku měření, ale i hodnot
odečítaných na použitých přístrojích, hodnot použitých konstant, korekci apod.
Jako zdroje nejistot můžeme označit jevy, které nějakým způsobem ovlivní neurčitost
stanovení výsledku měření, a tím vzdalují naměřenou hodnotu od hodnoty skutečné.
Důležitou roli hraje i skutečnost, zda se jedná o měření přímé nebo nepřímé.
Při hodnocení nejistot jsou jejich složky seskupeny do dvou skupin – nejistota typu A
a nejistota typu B. Nejistota typu A zahrnuje složky nejistot stanovené statistickým rozborem
série měření, nejistota typu B pak všechny složky nejistot stanovené jinými metodami, tj.
údaje z certifikátů, kalibračních listů, ověřovacích listů, předcházející měření a jejich
výsledky atd. Z těchto základních typů nejistot se prostřednictvím odmocniny součtu jejich
čtverců, určí výsledná nejistota kombinovaná uC. Standardní kombinovaná nejistota určuje
interval, který má poměrně velkou pravděpodobnost překročení, tzn. definuje skutečnou
hodnotu měřené veličiny s pravděpodobností přibližně 60 %. Tato pravděpodobnost je
většinou nedostatečná. Proto se v praxi využívá interval, ve kterém se hodnota nachází
s pravděpodobností blížící se 100 %. Nejistota charakterizující tento interval se nazývá
rozšířená nejistota, která se označuje U. Rozšířenou nejistotu získáme rozšířením nejistoty uC
koeficientem rozšíření kU. Výsledek měřené veličiny se udává ve tvaru Y = (y ± U).
K výsledku měření se udává jednotka veličiny a nejistoty, hodnota koeficientu rozšíření kU
nebo procentuální pravděpodobnost výsledku.
Tato práce se zabývá vyjadřováním nejistot měření pro přímé měření jedné veličiny a
nepřímé měření jedné a více veličin. Práce obsahuje příklady uvedených metod.
23
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Návrh laboratorního modelu pro simulaci tlumení rezonančních kmitů
Jaroslav Burda - EAT 3
lektor: Ing. Petr Kašpar - KAE
Příspěvek, který předkládám je velmi stručný souhrn mé bakalářské práce s názvem:
„Návrh a realizace laboratorní pomůcky pro výuku automatického řízení“, ve které se
zabývám návrhem a sestrojením laboratorního modelu pro praktickou výuku tlumení
rezonančních kmitů strojních soustav.
Při vybuzení nedostatečně tlumených systémů minimálně druhého řádu dochází ke
vzniku kmitů. Matematicky řečeno, systém bude kmitavý pokud budou mít kořeny
charakteristického polynomu (póly) nenulovou imaginární složku:
F (s) =
b1 s + b0
s 2 + 2ξΩs + Ω 2
, kde ξ je tlumení a Ω je vlastní frekvence systému.
Tlumení kmitů lze rozdělit na:
pasivní, kdy využíváme pouze elastického odporu přídavných prvků a kinetickou
energii kmitů přeměňujeme na teplo,
poloaktivní, kdy energii do soustavy sice nepřivádíme, ale vhodným způsobem ji
„přesouváme“,
aktivní tlumení, kdy na řízenou soustavu působíme vnější silou proti smyslu vektoru
kmitání a tím dochází k utlumení kmitů.
Mnou navržený model je určen pro demonstraci aktivního tlumení. Jako kmitající
element je využita deska 0,8 mm silného pozinkovaného plechu o rozměrech 200 × 285 mm.
Akčním členem je reproduktor TVM ARN 226-03/8 napájený zesilovačem na bázi obvodu
LM3886. Kmitání desky je měřeno indukčním snímačem vytvořeným z elektromagnetického
sluchátka po odstranění membrány. Všechny komponenty jsou z důvodu zamezení parazitních
rezonancí přidělány k masivní železné desce v uspořádání dle obr.
Zařízení se připojuje pomocí laboratorní karty MF604 k PC na kterém běží řídicí systém
MATLAB s nadstavbou SIMULINK a knihovnou RT-toolbox.
Bližší informace a detaily technického návrhu lze najít ve výše zmiňované bakalářské
práci, či na Katedře kybernetiky FAV ZČU, pro jejíž potřeby byl vytvořen.
24
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Programovatelná logická pole
Jaroslav Fait - ES 5
lektor: Ing. Václav Koucký, CSc. - KAE
Práce si kladla za cíl vytvořit vývojovou desku umožňující analýzu průmyslových
sběrnic a umožnit připojení periferních obvodů s 5V logikou. Proto se deska skládá ze dvou
částí. Hlavní desku lze tak snadno využít i k výukovým či testovacím účelům. První deska
nazvaná TORNADO ver. 1.0 obsahuje obvod FPGA CYCLONE EP1C6 (ALTERA), paměť
CMOS SRAM 512k × 16b K6X8016T3B (Samsung) a 10 bitové obousměrné posouvače
úrovně tzv. level shifter GTL2010 (Philips). Tyto posouvače nepotřebují řízení směru a
dovolují na pinech téhož pouzdra posouvání mezi různými úrovněmi
FPGA obvod EP1C6 umožňuje implementovat velmi rozsáhlou logiku, což dovoluje cca
6000 logických elementů a 20 bloků RAM paměti s konfigurací 128×36 bitů. Obvod také
obsahuje dva analogové fázové závěsy umožňující vytvořit z frekvence oscilátoru o
minimální hodnotě 24 MHz frekvenci až cca 380 MHz, což je velice výhodné pro vzorkování
rychlých sběrnic jako je například sběrnice USB nebo CAN. Obvod FPGA je možné
konfigurovat přímo v systému nebo z předem naprogramované sériové paměti EPCS4 z PC
přes paralelní port a kabel BYTEBLASTER II. Pro možnost ukládání většího objemu dat,
deska obsahuje dvě pozice pro již výše uvedenou CMOS SRAM paměť.
Pro vývoj syntézu je k dispozici program Quartus II Web edition, který je volně
dostupný na www stránkách ALTERY. Pro simulaci se nabízí například produkt VHDL
Simili od Symphony EDA, který je také volně dostupný, ovšem při simulaci podstatně
zpomaluje výpočetní rutiny.
Druhá deska nazvaná INTERFACE slouží pro zkoumání USB protokolu. Obsahuje
také linku RS 232C pro komunikaci s PC a přenos dat uložených v paměti. K této desce lze
připojit displej nebo klávesnici 4×4.
obr. 1:
Blokové schéma vývojové desky TORNADO
25
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Mikroprocesorem řízené pyrometrické měření výkonu v předehřívací
komoře napařovacího zařízení Sigma firmy Trikon Ltd.
Zdeněk Ferus - ES 5
lektor: prof. Ing. Jiří Pinker, CSc. - KAE
Úkolem práce je implementace nové metody pro měření vyzářeného tepelného výkonu
žhavicí žárovky v předehřívací komoře na napařovacím zařízení Sigma vyrobeného firmou
Trikon Ltd. Toto zařízení slouží k napařování tenkých vrstev různých kovů a sloučenin na
křemíkový substrát. Předehřívací komora, která je též součástí tohoto zařízení, slouží
k odstranění různých nečistot z povrchu křemíkové destičky, na kterou je posléze nanášena
daná vrstva. Toto odstranění probíhá pomocí ohřátí destičky na určitou teplotu ve vakuu a
následném spontánním ochlazení. Nečistoty se z povrchu vypaří a poté jsou i odčerpány
z předehřívací komory. K ohřátí křemíkové destičky je použita halogenová žárovka nejčastěji
s výkonem 3 kW, která je umístěna na spodku předehřívací komory.
Křemíková destička musí být ohřána na minimální určitou teplotu, aby se podařilo
odstranit z povrchu veškeré nečistoty. Zároveň nesmí teplota přesáhnout určitou maximální
hodnotu, aby např. nebyly porušeny nějaké z předchozích nanesených vrstev. Při konstantním
výkonu halogenové žárovky a přesně daném čase provozu této žárovky se teplota zvýší na
požadovanou hodnotu. Dlouhodobě se však nedá zaručit, že je výkon žárovky konstantní. Je
tedy potřeba pravidelně kontrolovat, zda tento leží v požadovaných empiricky zjištěných
mezích.
K tomuto monitorování vyzářeného výkonu je u firmy Infineon Technologies AG.
v Regensburgu využívána metoda Therma-Probe, která byla vyvinuta firmou Therma-Wave
Ltd. Tato metoda spočívá v měření poškození krystalické mřížky u křemíkové destičky
s implantovanou vrstvou Bóru pomocí dvou laserů. Tedy, u takto upravené destičky je
změřeno poškození krystalické mřížky a následně je ohřána v předehřívací komoře. Poškození
krystalické mřížky má tu vlastnost, že se proporcionálně k přivedenému teplu snižuje. Po
ukončení procesu v předehřívací komoře, je destička opět změřena a změna poškození
krystalické mřížky je poté veličinou, která je přímo úměrná přivedenému teplu. Tato metoda
má však mnoho nedostatků. Křemíková destička s poškozenou krystalickou mřížkou je
poměrně drahá a lze ji použít pouze jednou. Zařízení na měření poškození krystalické mřížky
(Opti-Therm) představuje též výraznou investici. Měření je též nepřímé a tudíž závislé na
mnoha rozlišných aspektech a vyžaduje zásah operátora.
Z těchto důvodů, jsem byl pověřen prozkoumat možnost měření výkonu žárovky
pomocí pyrometru připevněného na víku komory a snímajícího infračervené záření
z křemíkové destičky. K tomuto účelu bylo zhotoveno měřící zařízení ovládané
mikroprocesorem a naprogramován uživatelský program pro PC. K měření byly použity
nestrukturované křemíkové destičky s tenkou vrstvou Ti a TiN, které mají poměrně vysokou
emisivitu. Princip měření spočívá v snímání infračerveného záření z destičky během celého
procesu v předehřívací komoře pomocí pyrometru. Analogový signál z pyrometru je poté
digitalizován v A/D převodníku, mikroprocesorem dále zpracován a posléze poslán přes
sériové rozhraní počítači, který výsledek zpracování zobrazí na monitoru. Výsledkem celého
měření je křivka, která má několik fází. Nejdůležitější je fáze ohřívání destičky, která je
charakterizována strmým skoro lineárním průběhem. Sklon křivky v této fázi koresponduje
plně s vyzářeným výkonem žárovky, který je požadovanou měřenou veličinou. Tato metoda
má nesporně mnoho výhod oproti Therma-Probe. Je poměrně levná, protože destičky se
mohou používat vícekrát a jsou též o mnoho levnější než destičky používané pro ThermaProbe. Odpadá i drahé vyhodnocovací zařízení. Měření se provádí prakticky bez zásahu
operátora, což opět šetří peníze, a výsledky jsou k dispozici ihned po skončení měření
v elektronické formě.
26
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Přehled e-mailových antispamových filtrů a možnosti jejich nasazení
Jan Fišer - KOE 3
lektor: Ing. Roman Hamar, Ph.D. - KTE
V dnešním světě plném moderních forem komunikace hraje emailová pošta čím dál
větší roli. Pro běžnou komunikaci se k ní uchyluje stále větší množství lidí a ta „klasická,
papírová“ pošta ustupuje do pozadí. A stejně jako se u papírové pošty rozvinul do dokonalé
formy systém různých letáků, inzerátů a nabídek, tak se i u pošty elektronické rozvinul systém
podobný, v některých ohledech i shodný. Říká se mu SPAM.
U papírové pošty se lidé snaží předejít nevyžádaným reklamním letákům pomocí
různých nálepek stylu: „Žádnou reklamu!!!” a podobně. U pošty elektronické se tato ochrana
vyvinula do mnohem kvalitnější a efektivnější formy. Do formy tzv. antispamových filtrů.
Abychom však co nejlépe porozuměli problematice spamu, je nutné podívat se do její
historie. K tomuto účelu poslouží stručný přehled: Historie spamu, která čtenáře seznámí
s daty, jež jsou spjaty s jeho vznikem.
Slovo spam má dnes zcela nepochybně pejorativní nádech. Proč tomu tak je, snadno
zjistíme, podíváme-li se na základní znaky spamu, kterými jsou neznámá adresa, předmět a
obsah e-mailu, či na konkrétní znaky jeho škodlivosti – obtěžuje uživatele a zbytečně zatěžuje
počítačové linky a poštovní servery.
Ochranu proti spamu (v širším slova smyslu) můžeme realizovat i řadou jiných cest.
Zejména z dlouhodobého a preventivního hlediska bereme v potaz cestu právní či cestu
osvěty.
Jak se tedy bránit spamu, který neustále klepe na bránu naší e-mailové schránky? Dnes
skutečně existuje celá řada antispamových filtrů, které využívají jednu či více antispamových
metod. Většina z nejrozšířenějších antispamových metod se může pochlubit poměrně značnou
efektivitou, a přestože jsou založeny na různých postupech, dosahují velmi dobrých výsledků.
Je tedy zcela na vůli uživatele, rozhodne-li se pro metodu Whitelist/Blacklist, která si zakládá
na seznamech tzv. povolených a zakázaných adres, jež jsou denně aktualizovány, nebo se
rozhodne důvěřovat metodě Challenge-Response používanou zejména v kombinaci
s předchozí metodou Whitelist/Blacklist a založené na faktu, že za většinou legitimně
odeslaných e-mailů sedí člověk, nebo zvolí složitější metodu, metodu analýzy obsahu
e-mailu, která využívá Bayesovský filtr – jedná se o statistickou metodu, kterou navrhl
Thomas Bayes v 18. stol. Výhoda antispamových metod spočívá rovněž v možnosti jejich
vzájemné kombinace.
Volba antispamové metody předurčuje výběr konkrétního antispamového programu.
Z těch nejrozšířenějších si můžeme vybrat z následujících: Spampal, 602LAN SUITE 2004,
SpamBully, MailWasher a Mozilla Thunderbird. Téměř všechny uvedené programy využívají
metodu Whitelist/Blacklist v kombinaci s “učícím se“ Bayesovským filtrem.
Každý program je v práci popsán, ovšem nikoliv dopodrobna. Je uvedeno, pod jakým
systémem program funguje, z jaké internetové adresy lze program stáhnout, jestli je v češtině
či angličtině, a jaký je princip jeho antispamového filtru. Dále je rozepsáno, jakým způsobem
lze filtr nastavit. Prostou metodou je tedy prezentováno pět programů, které by mohly být pro
běžného uživatele jednoduché a srozumitelné.
Spamová problematika je značně rozsáhlá a práce se dotýká pouze špičky ledovce.
Jejím účelem je seznámení s problémem spamu, ne jeho fundovaný rozbor nebo snad návrhy
řešení. Potenciálnímu čtenáři snad srozumitelně objasní některé klíčové pojmy a termíny a
nabídne několik základních postupů, jak se proti spamu bránit, případně může pomoci
s výběrem některého z antispamových filtrů či programů. Rovněž může posloužit jako
odrazový můstek pro širší studium spamové problematiky.
27
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Vliv sníženého obsahu pojiva na vybrané vlastnosti laminátu
Petr Kazda - KE 5
lektor: doc. Ing. Eva Kučerová, CSc. - KET
Cílem práce bylo posoudit vliv obsahu pojiva na výsledné vlastnosti laminátu. Firma
Lamitec, s.r.o., Pardubice, která se zabývá výrobou laminátů pro desky plošných spojů,
požadovala snížení nákladů na výrobu a zlepšení některých mechanických vlastností
skloepoxidového laminátu Lamplex FR-4 při zachování dobrých elektrických vlastností
použitím nižšího obsahu pojiva. Proto dodala tři varianty tohoto materiálu lišící se obsahem
pryskyřice - materiál A (40 % pojiva), materiál B (34,5 % pojiva) a materiál C (30,7 %
pojiva). Mým cílem bylo posoudit, jak se snížený obsah pojiva projeví na vybraných
vlastnostech laminátu.
Porovnání jednotlivých materiálů jsem provedl na základě měření vybraných
elektrických a mechanických vlastností (ztrátový činitel a relativní permitivita při 50 Hz a
1 MHz, elektrická pevnost kolmo na vrstvy a podél vrstev laminátu, pevnost v ohybu, modul
pružnosti v ohybu a teplota skelného přechodu). Měření elektrických vlastností proběhlo jak
za výchozího stavu, tak po 24, 48 a 72 hodinové expozici materiálu v destilované vodě o
teplotě 50 °C. V případě měření mechanických vlastností jsem zkoumal, jak se na mechanické
odolnosti materiálů projeví zvýšená teplota. Vzorky materiálů jsem zahříval po 25 °C až na
teplotu 125 °C. Dále jsem provedl u všech materiálů měření teploty skelného přechodu.
Nejlepší elektrické vlastnosti vykazoval materiál A. Měl nejvyšší elektrickou pevnost,
nejnižší hodnotu ztrátového činitele při 50 Hz, nejnižší hodnoty relativní permitivity pro
50 Hz i 1 MHz. Materiály B a C se chovaly při elektrických zkouškách přibližně stejně a
nebyl mezi nimi výraznější rozdíl. U těchto materiálů se projevila vyšší navlhavost
způsobující zhoršení jejich elektrických vlastností. Z hlediska mechanických vlastností se jeví
podle předpokladu jako nejlepší materiál s nejnižším obsahem pojiva, tedy s nejvyšším
procentuálním zastoupením skelné tkaniny, materiál C. Vykazoval nejvyšší hodnoty pevnosti
v ohybu ve směru osnovy i útku a to pro všechny teploty. Materiál B byl sice mechanicky
odolnější než A, avšak kvalit materiálu C nedosahoval. Nejvyšší teplotní odolnost měl
materiál A, jehož teplota skelného přechodu byla nejvyšší.
Jedním z cílů práce bylo zjistit, který materiál se jeví jako nejvhodnější pro výrobu jak
z hlediska jeho vlastností, tak i z hlediska ekonomického. Snížení výrobních nákladů by
přinesla oproti materiálu A produkce materiálů B i C díky jejich sníženému obsahu pojiva.
Lze spíše doporučit materiál C. Nejenže by byla finanční úspora vyšší, ale B i C jsou
z hlediska elektrických vlastností téměř rovnocenné a C navíc vykazuje lepší vybrané
mechanické vlastnosti.
Z výše uvedeného nelze jednoznačně určit, který materiál se obecně jeví pro výrobu
jako nejlepší. Záleží na konkrétní aplikaci. Pokud odběratel bude klást důraz na mechanickou
odolnost materiálu i při vyšších teplotách, na úkor mírného zhoršení jeho elektrických
vlastností, lze jednoznačně doporučit materiál označený jako C. Tento materiál sice vlivem
nižšího obsahu pryskyřice vykazuje horší elektrické vlastnosti než materiál A, nicméně tento
materiál lze označit jako dobrý izolant z hlediska elektrického i mechanického. Pokud
odběratel bude mít zvýšené požadavky na vybrané elektrické vlastnosti materiálu, lze
doporučit materiál A.
28
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Současné trendy v recyklaci plastů
Václav Krejčí - KOE 3
lektor: Ing. Tomáš Řeřicha - KET
Plasty se staly ve 30. letech 20. století základem obrovského množství používaných
materiálů a prakticky nenahraditelnými v celé řadě odvětví. Různé způsoby aplikace plastů
využívají jejich snadné zpracovatelnosti, nízké měrné hmotnosti, odolnosti proti korozi,
dobrých tepelně izolačních i elektroizolačních vlastností a také ekonomické výhodnosti.
Přinášejí s sebou ale i řadu ekologických problémů. Vysoká odolnost proti přirozenému
rozkladu má za následek hromadění odpadu na skládkách, které jsou zatím nejpoužívanějším
způsobem ukládání odpadu. Prostředkem k minimalizaci toku plastového odpadu je jeho
druhotné využití (recyklace, energetické zhodnocení aj.).
Na znovuvyužití plastového odpadu existuje několik různých názorů, jedním z nich je
jeho recyklace či energetické zhodnocení. Při posuzování znovuvyužití plastů je brán ohled
zejména na takové faktory jako jsou zákonnost, ekonomika, vliv na životní prostředí,
dostupné prostředky apod. Likvidace plastového odpadu je možná recyklací, energetickým
zhodnocením či skládkováním.
Recyklace plastu představuje proces, při kterém je plastový odpad sbírán, tříděn a
upravován na materiál, z něhož vzniká výrobek vracející se k dalšímu využívání.
Technologie recyklace rozdělujeme na fyzikální a chemickou. Fyzikální recyklace je
proces využívající k dosažení recyklace fyzikální síly. Chemická recyklace je proces,
při kterém dochází k chemickému či tepelnému rozkladu plastového odpadu na jednoduché
složky, z nichž se chemicky vyrobí nový materiál nebo výrobek. Mezi postupy tepelné a
chemické recyklace patří depolymerace, hydrolýza a metanolýza. Depolymerace představuje
proces, při němž probíhá štěpení některých polymerů na monomery působením vysokých
teplot či tepla a kondenzátorů bez přístupu kyslíku. Při hydrolýze dochází k rozkladu
polymerů ve vodném prostředí za vyšších teplot a tlaků. Metanolýza se velmi podobá
hydrolýze, ale místo vodního prostředí je použito metanu.
Metody používané při energetickém zhodnocení plastu jsou založeny na využití
vysokého spalného tepla plastů. Snažíme se těmito metodami zachytit energeticky kvalitní
zdroj, který by skládkováním nebyl využit. Mezi metody energetického zhodnocení patří
spalování. Při této metodě se uvolňuje energie štěpením chemických vazeb makromolekul
plastu. Dalším způsobem je pyrolýza, což je proces, při kterém je organický materiál
rozkládán výhradně vlivem vysoké teploty bez přístupu zplyňovacích medií jako je kyslík,
vzduch, oxid uhličitý a vodní pára. Posledním způsobem je zplyňování. Při tomto procesu se
převede pevný odpad na plynné palivo. To nám umožňuje účinněji využít obsaženou energii.
Mezi novější postupy likvidace patří zkracování životnosti plastů již při výrobě. Ty se
díky složení rychleji rozkládají při fyzikálním, biologickým či chemickém procesu. Měly by
do budoucna nahradit stávající plasty hlavně v obalovém průmyslu, který je z hlediska použití
plastů nejrozšířenější.
Problematikou plastových odpadů se zabývá výzkum spolu s příslušnou legislativou.
Směrnice Evropského parlamentu a Rady 94/62/ES o obalech a odpadech z obalů a novely
2004/12/CE říká, že členské státy EU mají přijmout opatření, aby zajistily recyklací 22,5 %
hmotnosti plastového odpadu. Pro přijetí směrnice 2004/12/CE je v ČR přechodné období
stanoveno do roku 2012.
V ČR nyní platí zákon č. 7/2005 Sb. o odpadech a zákon č.94/2004 Sb. o obalech
definující státní politiku dle směrnic a nařízení Evropské komise. Původní zákon o odpadech
byl kompatibilní zhruba z 65 % s předpisy Evropské unie.
29
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Distribuovaný systém měření meteorologických dat
Štěpán Květoň, Jaromír Nechanický, Pavel Tupec – SŠ 2
lektor: Ing. Pavel Čáp
ÚVOD
Naše práce řeší problém snímání veličin potřebných pro analýzu aktuálního počasí
(teplota, tlak, vlhkost, rychlost a směr větru atd.), jejich odesílání do PC a následné
zpracování pro další využití těchto informací.
ŘEŠENÍ
Pro měření teploty jsme použili čidlo SHT75, pro tlak MPX411. Data pro tlak jsou
periodicky měřena pomocí 11 bitového A/D převodníku mikrokontroléru PIC 16F877. Pro
komunikaci s čidlem teploty a vlhkosti jsme použili hardwarovou podporu I2C sběrnice
mikroprocesoru. Jako periferie mikroprocesoru je připojena paměť se sériovým přenosem dat
a display s vlastním řadičem. Pro komunikaci s nadřízeným PC je použita sériová sběrnice RS
232C. Pro komunikaci s PC je vytvořen jednoduchý komunikační protokol zabezpečení na
bitové úrovni paritním bitem. Po přijetí dat do PC jsou data odeslána na SQL server (je-li
k dispozici internetové připojení), nebo uložena do souboru pro pozdější odeslání. Data z SQL
serveru jsou přístupná přes software, který jsme naprogramovali. Software umožňuje
zobrazení průměrných hodnot měřených veličin jak v grafické tak textové podobě. PC
software je doplněn webovým rozhraní, které umožňuje přístup ke všem naměřeným
hodnotám přes internet.
Pro komplexnost řešení se mi námi programovaný software podařilo propojit
s předpovědí počasí, což zajisté dále zpříjemňuje používání a rozšiřuje možnosti celé práce.
Software je přenositelný i na platformu Pocket PC, která je hojně využívána
v moderních mobilních telefonech a PDA. Má-li zařízení přímý přístup k síti internet, jsou
data stahována přímo ze serveru, v opačném případě se při synchronizaci nahrají
nejaktuálnější data.
PC 2
TCP/IP
SERVER
paměť
RS23
TCP/IP
I2C
PC 1
I2C*
ČIDLA
PIC
DISPLAY
HD44780
*Protokol velice podobný standartu I2C,ale není zcela kompatibilní
**Více informací na http://www.cmail.cz/doveda/lcd/hd44780u.pdf
30
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Kmitočtový předdělič k čítači
Richard Linhart - ES 5
lektor: Ing. Aleš Voborník, Ph.D. - KET
V technické praxi se občas můžeme setkat s požadavkem, změřit frekvenci střídavého
signálu v řádech stovek až tisíců MHz. Jedná se například o ladění a nastavování lokálních
oscilátorů přijímačů, kontrolu funkce malých vysílačů, apod.. Za tímto účelem existuje dnes
na trhu řada speciálních měřících přístrojů - VF a mikrovlnných čítačů, ovšem jedná se
vesměs o velmi drahá zařízení, běžně nedostupná.
Pro měření nižších frekvencí se v laboratořích běžně používají univerzální čítače,
přístroje schopné velmi přesně změřit kmitočet do přibližně 200 - 300 MHz. Nabízí se
možnost vybavit takovýto přístroj předřadnou jednotkou, předděličem, který sníží vstupní
kmitočet tak, aby ho bylo možno snadno univerzálním čítačem změřit. Některé čítače mají
možnost rozšířit o přídavný modul (kanál C), který umožňuje měřit třeba do 1,3 GHz, ovšem
s omezenou citlivostí. Univerzální (externí) předděliče se téměř nevyskytují.
Uvedený předdělič pracuje jako předřadná jednotka pro měření frekvence od 100 MHz
do 1600 MHz, s citlivostí 5 mV k čítači HP53131A, který jinak měří do 225 MHz. Jádrem
přístroje je monolytický dělič kmitočtu MC12093A fy. Motorola vyrobený technologií ECL
se sníženým příkonem. Vysoké citlivosti je dosaženo zařazením RFIC zesilovače. Aby
nedošlo k přebuzení vstupu děliče při silných vstupních signálech, obsahuje přístroj dále
napětím řízený útlumový článek a detektor síly signálu, které spolu s PI regulátorem tvoří
smyčku ALC, tedy automatické řízení (stabilizaci) úrovně VF signálu. Stav regulační smyčky
je indikován třemi LED diodami s významem „bez signálu“, „regulace“ a „přebuzení“. Dělící
poměr lze volit nastavením DIP přepínače v krocích 2, 4 a 8.
Činnost přístroje byla testována na signály do 1 V což je dáno k použitými zdroji
signálu. Vyšší napětí než asi 3,5 V způsobí již nepřípustné výkonové zatížení vstupního
útlumového článku. Celý přístroj je sestaven ve stínícím krytu o velikosti 5 × 7 cm
s konektory, tak aby se dal přímo nasadit na vstupní konektor čítače. Vyžaduje jediné napájecí
napětí, přes síťový adaptér 12 V .
stav
IND
level
DET
REG.Z
+9V
+5V
VSTUP
DC 12 V
VÝSTUP
ATN
ZES
DIV
50 Ω
5-1000 mV
3,5 V max!
Rz
poměr
1 MΩ
35 pF
Blokové schéma předděliče kmitočtu
ATN - útlumový článek řízený napětím
ZES - RFIC zesilovač VF signálu
DET - detektor síly signálu
31
REG.Z - regulační zesilovač
IND
- indikátor stavu
DIV
- dělič kmitočtu
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Analýza systému jakosti v podniku VALUE Engineering Services s.r.o.
Zdeněk Novotný - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
Práce se zabývá problematikou řízení jakosti ve firmě VALUE Engineering Services
s.r.o.. Jde především o praktické využití znalostí získaných v předmětech vyučovaných na
Katedře technologií a měření Fakulty elektrotechnické v Plzni jako: Řízení jakosti a technická
diagnostika, Metrologie, Teorie měření a experimentu a Elektrická měření.
Krátký úvod je věnován představení firmy, její historii, současnosti, nabízeným službám
a budoucnosti.
Druhá část se zabývá systémem řízení jakosti ve firmě VALUE Engineering
Services s.r.o. a popisem spolupráce na jeho vytvoření. Je zde stručně uveden obecný přehled
řízení jakosti: základní i nové nástroje a metody řízení jakosti, matematické typy znaků
jakosti, identifikace znaků jakosti. Požadavky na systém řízení jakosti podle norem řady ČSN
EN ISO 9000:2001 Systémy managementu jakosti, zejména pak osm vyplývajících zásad
managementu jakosti.
V praktické části jsou zde aplikovány uvedené požadavky na řízení monitorovacích
měřicích zařízení norem ČSN EN ISO 9001:2001 Systémy managementu jakosti – Požadavky
a ČSN ISO/TS 16949:2002 Systémy managementu jakosti – Zvláštní požadavky na používání
ISO 9001:2000 v organizacích zajišťujících sériovou výrobu a výrobu náhradních dílů
v automobilovém průmyslu v souladu s normami ISO 10012:2003 Systém managementu
měření – Požadavky na proces měření a měřicí vybavení a Zákona o metrologii č. 505/1997
Sb. ve znění pozdějších předpisů. Je zde uveden přehled základních použitých termínů podle
ČSN 01 0115 Mezinárodní slovník základních a všeobecných termínů v metrologii.
Dále práce obsahuje stávající směrnice a jejich nové návrhy. Směrnice metrologie,
zabývající se problematikou nákupu a požadavků na měřidla, užití, úschovy, kontroly
způsobilosti a řízení neshodných měřidel. Směrnice interní kalibrace popisující doporučený
obecný postup interní kalibrace, důležité termíny, referenční prostředí, přehled podnikových
etalonů. Směrnice postup pro kalibraci posuvných měřidel a hloubkoměru obsahuje seznam
potřebných etalonů, schéma posuvného měřidla s popisem, postup při kontrole posuvného
měřidla, popis kalibrace a hodnoty pro kalibraci dané zákonem č. 505/1997 Sb. ve znění
pozdějších předpisů a ČSN 25 1202 Posuvná měřidla – Technické požadavky, návod na závěr
kalibrace. Směrnice postup pro kalibraci třmenových mikrometrů obsahuje seznam
potřebných etalonů, schéma třmenového mikrometru s popisem, postup při kontrole, popis
kalibrace a hodnoty pro kalibraci dané zákonem č. 505/1997 Sb. ve znění pozdějších
předpisů, návod na závěr kalibrace. Dále je zde uveden návrh na směrnici kalibrační list,
evidenční list měřidla, současná kapitola 7.6 z příručky jakosti týkající se řízení měřicích a
monitorovacích zařízení a návrh na její úpravu.
Třetí část práce je věnována problematice zavedení prvků jakosti do systému měření. Je
zde uvedena základní terminologie a definice systému měření jako procesu. Dále porovnání
požadavků na systém měření dle VDA 5 a QS 9000 – MSA (Measurement Systems Analysis),
zejména pak problematika nejistot. Je zde vypracována koncepce zavedení MSA, vzorový
příklad na aplikaci MSA, návrh směrnice MSA a součástí práce je jako příloha vypracované
školení MSA v programu Microsoft PowerPoint.
Závěrečná část práce se zabývá perspektivou dalšího rozvoje systému řízení jakosti,
možnosti další certifikace dle ISO/TS 16949:2002. Je zde uveden stručný přehled software
pro řízení jakosti a návrh na vhodné řešení pro firmu VALU Engineering Services s.r.o.
Perspektiva rozvoje a certifikace laboratoře a návrh zavedení sytému virtuální laboratoře LMS
Virtual.Lab a LMS Test.Lab.
32
Přehlídka studentských odborných prací na FEL ZČU - 2005
Zajištění návaznosti kapacitních etalonů
Josef Šoral - KE 5
lektor: doc. Ing. Olga Tůmová, CSc. - KET
Nepřetržitá posloupnost přenosu hodnoty veličiny, která začíná etalonem nejvyšší
metrologické kvality v daném místě a pro daný účel je principem návaznosti měřidel, a
zpravidla se definuje schématem návaznosti. Při mezinárodním navazování etalonů rozhodují
o schématu návaznosti zpravidla mezinárodní dokumenty, jako např. International Document
OIML D 5. Státní schéma pak může stanovit Úřad pro normalizaci , metrologii a zkušebnictví
ÚNMZ, zatím co způsob navazování pracovních měřidel používaných v organizaci si určí
organizace sama. Metrologická návaznost ve státě je zajišťována prostřednictvím státních
etalonů. Připomenu zde, že v mezinárodním slovníku základní a obecné terminologie je
definován státní etalon jako etalon, který je uznán vnitrostátním rozhodnutím za základ pro
ověřování jiných etalonů (téže veličiny) v daném státě. Není přitom rozhodující, zda je etalon
klasifikován jako primární nebo sekundární. V případě ČR uchovává většinu státních etalonů
Český metrologický institut ČMI. Primární etalon je definován jako etalon, který je určen,
nebo všeobecně uznáván, za etalon s nejvyššími metrologickými charakteristikami a jehož
hodnota veličiny je přijímána bez odvození z jiného etalonu téže veličiny. Sekundární etalon
je etalon, jehož hodnota je stanovena na základě porovnání s primárním etalonem téže
veličiny.
Jako primárních etalonů elektrické kapacity se využívají etalony realizované na základě
Thompsonova – Lampardova teorému u nichž lze změnou aktivní délky elektrod dosáhnout
přesně známých změn kapacity. K výpočtu těchto změn stačí znát pouze permitivitu vakua a
změnu jediného rozměru - aktivní délky elektrod. Ta je měřena pomocí interferometru
s helium-neonovým laserem. Kapacitu na jednotku délky C' lze stanovit s přesností na
libovolný počet míst. V praxi se obvykle vystačí s hodnotou C' = 1,953 549 043 pF/m.
Jako sekundárních etalonů elektrické kapacity se využívá různých vesměs deskových
etylénových kondenzátorů, a to buď vzduchové, nebo plněné interním plynem. Pro větší
hodnoty kapacity se používají etalony s křemenným, slídovým nebo keramickým
dielektrikem.
Základním prostředkem při zajišťování návaznosti měření je kalibrace měřidel. Tato
kalibrace zahrnuje určení metrologických charakteristik přístroje. To se provádí pomocí
přímého srovnání s etalony. Hodnota veličiny se mezi etalony navzájem nebo mezi etalony a
měřidly přenáší různými měřicími metodami. Pro měření elektrické kapacity rozeznáváme
absolutní měřicí metody, kde se měřené kapacita odvozuje od jiných fyzikálních veličin a
srovnávací metody, kde se měřená veličina porovnává s jinou, přesně známou kapacitou.
Ze srovnávacích metod jsou pro metrologické práce nejdůležitější můstkové měřící metody.
I když se při přesných měřeních elektrické kapacity stále ještě používají můstky
Wheatstoneova typu, ke vzájemnému navazování kapacitních etalonů se dnes nejčastěji
používají měřící můstky transformátorového typu.
Při měření v laboratoři firmy ENERGIZE GROUP s. r. o. byla měřena sada kapacitních
dekád pomocí přímého měření automatickým mostem TESLA BM 559. Přístroj udával
automaticky hodnotu a rozměr neznámé měřené veličiny na svorkách a to číslicově na dvou
displejích ve tvaru imaginární a reálné složky. Byly naměřeny hodnoty kapacity a ztrátového
činitele pro všechny rozsahy kapacitních dekád. Při vyhodnocení měření se používá nejistot.
Standardní nejistotu typu A nebylo třeba počítat, protože jsme hodnotu měřené kapacity
měřili vždy jen jednou. Z chyb měřícího mostu, nejistoty kalibrace a teplotní závislosti
etalonů byla spočítána standardní nejistota typu B. Výsledná kombinovaná nejistota byla
rozšířena koeficientem rozšíření 2, tedy skutečná hodnota leží v intervalu udané touto
nejistotou s pravděpodobností 95 %. Pro jednotlivé dekády byly vystaveny kalibrační listy.
33