Tomáš Valníček - Odbor termomechaniky a techniky prostředí

Transkript

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ
FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ
ENERGETICKÝ ÚSTAV
ODBOR TERMOMECHANIKY A TECHNIKY PROSTŘEDÍ
DIPLOMOVÁ PRÁCE
MĚŘÍCÍ SYSTÉM
PRO DŮM S EKOLOGICKÝMI PRVKY
Vypracoval: Tomáš Valníček
Vedoucí diplomové práce: Ing. Josef Štětina
Číslo diplomové práce: VUT-EU-ODDI-3302-21-01
Celkový počet stran: 74
BRNO
červen 2001
Čestné prohlášení
Prohlašuji, že tuto diplomovou práci jsem vypracoval samostatně bez cizí pomoci.
Vycházel jsem při tom ze svých znalostí, odborných konzultací a doporučené literatury,
uvedené v seznamu.
V Brně dne
2001
……………………………………
podpis
Poděkování
Na tomto místě chci poděkovat především vedoucímu mé diplomové práce
Ing. Josefu Štětinovi za jeho trpělivost a ochotu při odborných konzultacích.
Rovněž děkuji RNDr. Vojtěchu Orlovi, CSc. za půjčení technické dokumentace
týkající se Eko-domu v Podolí.
VUT BRNO, FSI-EÚ
VUT-EU-ODDI-3302-21-01
OBSAH
Seznam použitých značek............................................................................................ 8
1. ÚVOD............................................................................................................................. 9
2. MOŽNOSTI VYUŽITÍ A REGULACE SOLÁRNÍCH SYSTÉMŮ ..................... 10
2.1. VŠEOBECNĚ O ENERGII ............................................................................................ 10
2.2. ENERGIE SLUNCE ..................................................................................................... 10
2.2.1. Význam slunečního záření pro život na Zemi .................................................. 11
2.2.2. Využití sluneční energie................................................................................... 13
Aktivní systémy......................................................................................................... 14
Pasivní systémy ......................................................................................................... 14
Hybridní systémy....................................................................................................... 14
2.3. MOŽNOSTI REGULACE VZDUCHOVÝCH SOLÁRNÍCH KOLEKTORŮ ............................. 18
2.3.1. Solární pohon .................................................................................................. 18
2.3.2. Řízení podle teplotního rozdílu........................................................................ 19
2.3.3. Regulace pomocí gravitace ............................................................................. 19
2.3.4. Výběr způsobu regulace .................................................................................. 19
2.4. POPIS SOLÁRNÍHO SYSTÉMU V EKODOMĚ VUES PODOLÍ ........................................ 19
3. NÁVRH MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU............................................................................. 23
3.1. ÚVOD DO MĚŘENÍ .................................................................................................... 23
3.2. SOFTWARE PRO MĚŘÍCÍ A ŘÍDICÍ SYSTÉMY .............................................................. 25
Seznámení s vývojovým prostředím LabVIEW........................................................ 26
Hardwarové a systémové požadavky LabVIEW 6i................................................... 28
Výběr operačního systému ........................................................................................ 28
3.3. ŘÍDICÍ POČÍTAČE MĚŘÍCÍCH SYSTÉMŮ ..................................................................... 29
3.3.1. Osobní počítače ............................................................................................... 29
Návrh počítače pro měřící systém v Eko-domě Podolí ............................................. 29
3.3.2. Průmyslové provedení řídicích počítačů měřících systémů ............................ 30
3.3.3. Mobilní měřící systémy.................................................................................... 31
3.4. ROZDĚLENÍ MĚŘÍCÍCH SYSTÉMŮ .............................................................................. 32
3.5. MĚŘÍCÍ SYSTÉMY SLOŽENÉ Z AUTOMATICKÝCH PŘÍSTROJŮ..................................... 33
3.5.1. Systémy se sběrnicí IEEE 488 ......................................................................... 33
3.5.2. Měřící systémy s propojením RS-232, RS-485 ................................................ 34
3.6. MĚŘÍCÍ MODULY ..................................................................................................... 40
Úvod .......................................................................................................................... 40
ADAM 4520/4522..................................................................................................... 41
ADAM 4018 .............................................................................................................. 42
ADAM – 4550 Radio modem ................................................................................... 43
3.7. SENZORY ................................................................................................................. 44
Technické parametry senzorů.................................................................................... 44
3.7.1. Teplotní senzor AD592 .................................................................................... 44
Charakteristické znaky: ............................................................................................. 44
Popis senzoru AD592 ................................................................................................ 45
3.7.2. Termoelektrické snímače teploty (termočlánky).............................................. 48
Princip termočlánků................................................................................................... 48
3.7.3. Srovnání senzoru AD592 a termočlánků ......................................................... 49
3.8. NÁVRH MĚŘÍCÍCH MODULŮ A SENZORŮ PRO EKO-DŮM VUES................................ 49
3.9. DOPLŇKY MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU ................................................................................ 52
6
VUT BRNO, FSI-EÚ
3.9.1. Zajištění přesného času pro měřící systém...................................................... 52
3.9.2. Dálková komunikace s měřícím systémem...................................................... 53
GSM síť ..................................................................................................................... 53
Pevná síť .................................................................................................................... 54
3.9.3. Záložní zdroje elektrické energie..................................................................... 54
Funkce UPS ............................................................................................................... 54
Záložní zdroje SMART-UPS společnosti APC......................................................... 57
4. POPIS PROGRAMU – VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE................... 59
4.1. ČELNÍ PANEL ........................................................................................................... 59
4.2. BLOKOVÉ SCHÉMA .................................................................................................. 62
5. VÝSLEDKY MĚŘENÍ A ROZBOR CHYB ............................................................ 65
5.1. VÝSLEDKY MĚŘENÍ ................................................................................................. 65
5.2. ZPRACOVÁNÍ NAMĚŘENÝCH DAT V EKO-DOMĚ VUES ........................................... 65
5.3. ROZBOR CHYB ......................................................................................................... 68
Chyby a nejistoty měření........................................................................................... 68
5.3.1. Přímá měření ................................................................................................... 69
5.3.2. Nepřímá měření ............................................................................................... 69
5.4. VÝPOČET CHYBY MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU PRO EKO-DŮM VUES PODOLÍ ..................... 69
6. ZÁVĚR ........................................................................................................................ 71
7. SOUHRN ..................................................................................................................... 72
8. PŘÍLOHY.................................................................................................................... 73
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
8.6.
ZÁKLADNÍ PARAMETRY SÉRIOVÝCH PŘENOSOVÝCH KANÁLŮ ................................. 73
AT PŘÍKAZY MODULŮ ADAM SÉRIE 4000 ............................................................. 73
TECHNICKÉ PARAMETRY SENZORŮ AD592 ............................................................. 74
ČELNÍ PANEL VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE PRO EKO-DŮM VUES ................ 74
BLOKOVÉ SCHÉMA VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE PRO EKO-DŮM VUES ....... 74
CD S TEXTEM TÉTO DIPLOMOVÉ PRÁCE A PROGRAMEM VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO
PŘÍSTROJE................................................................................................................ 74
9. SEZMAM ODBORNÉ LITERATURY.................................................................... 75
7
VUT BRNO, FSI-EÚ
Seznam použitých značek
Značka
Veličina
Značka jednotky
q
I
k
l
P
p(y)
R
r
T
U
ε
σ
Náboj elektronu
Proud
Boltzmannova konstanta
Délka
Pravděpodobnost výskytu hodnoty
Hustota pravděpodobnosti
Odpor
Proudová hustota
Absolutní teplota
Napětí
Odchylka
Směrodatná odchylka
1,6021.10-19 C
A
1,3806.10-23 J.K-1
m
Ω
Am-2
K
V
-
8
VUT BRNO, FSI-EÚ
1. ÚVOD
Člověk ve svém strachu o svoji existenci na Zemi začíná stále více přemýšlet o
využití obnovitelných zdrojů energie, kterých nám je nabízeno nemalé množství. Cena
zařízení, schopných efektivně tuto energii využít je však poměrně vysoká. Abychom mohli
vybrat nejpříznivější variantu využití (stanovit poměr cena/výkon) obnovitelných
energetických zdrojů, je nutno znát jejich principy a zákonitosti. Zde vyvstává otázka, jak
tyto principy a závislosti zjistit. Jedním ze základních způsobů, jak určit chování
sledovaného systému je použití experimentálních metod, jejichž nedílnou součástí je
měření sledovaných veličin.
Cílem této diplomové práce je navrhnout měřící systém pro ekologický rodinný
dům, využívající sluneční energii, který bude sloužit k optimalizaci nákladů na jeho
provoz. Nejprve se budu zabývat základními principy využití sluneční energie s cílem
pochopit je a navrhnout tak co možná nejspolehlivější a nejvariantnější měřící systém. Jsou
zde také uvedeny možné způsoby regulace solárních vzduchových kolektorů.
Součástí této diplomové práce je návrh měřících senzorů, převodníků a výpočetní
techniky, ale také umístění těchto měřících prvků v daném objektu. Měřící systém je
realizován v experimentálním domě VUES Podolí, kde je možné si ho prohlédnout.
Dále obsahuje vypracovaný program v prostředí LabVIEW pro měření a analýzu
měřených dat. CD-ROM, na které je zmíněný program uložen je přílohou (7.6) této
diplomové práce. Základní informace o funkci tohoto programu je možno nalézt
v následujícím textu. Zmínka je věnována možnosti řízení měření a regulace pomocí
mobilního telefonu GSM a dalším rychle se rozvíjejícím technologiím, jako je např.
Internet.
9
VUT BRNO, FSI-EÚ
2. MOŽNOSTI VYUŽITÍ A REGULACE SOLÁRNÍCH SYSTÉMŮ
2.1. Všeobecně o energii
Veškeré zdroje energie na Zemi můžeme rozdělit do dvou základních skupin:
•
•
zdroje neobnovitelné (tradiční)
zdroje obnovitelné a trvalé
Tradiční, vyčerpávající se zdroje jsou vázány na určitá místa. Jejich množství je
omezené a dosavadní zásoby se stálou těžbou nezadržitelně zmenšují. Do skupiny
tradičních zdrojů energie, kterým říkáme primární, patří tuhá, plynná a kapalná fosilní
paliva. Tato paliva v podstatě představují po tisíce let akumulovanou sluneční energii.
Současně jsou to sloučeniny uhlíku, proto je také někdy nazýváme uhlíkatá paliva. Právě
tato paliva jsou v současné době využívána v maximální možné míře pro zajištění
energetických potřeb lidstva. S jejich spalováním v motorech automobilů, elektrárnách,
domácnostech, atd. dochází k uvolňování škodlivých emisí, ale také oxidu uhličitého
(CO2), který je jedním z nejvýznamnějších skleníkových plynů. Skleníkový efekt vzniká
při průchodu krátkovlnného UV záření atmosférou, část tohoto záření se pohltí zemským
povrchem, část se přemění na jiné formy energie a část je zpět odražena do atmosféry.
Právě tato odražená složka se změnila na dlouhovlnné infračervené záření, pro které právě
skleníkové plyny vytváří jen obtížně prostupnou bariéru a z největší části ji reflektují zpět
k zemskému povrchu, čímž dochází ke globálnímu oteplování.
Prognostici však varují: „bude-li lidstvo plýtvat energií tak jako doposud, dosáhne
planeta maximálně možné hodnoty vyzařované tepelné energie už v roce 2100“. Tato
hodnota tvoří jakýsi strop, přes který již nelze jít a odpovídá hodnotě sluneční vyzařované
tepelné energie, která činí 0,72 x 1018 kWh/rok. K tomu nesmí nikdy dojít, proto je už nyní
proveden 1.regulační stupeň na hodnotě 1016 kWh/rok. Po vyčerpání fosilních paliv lidstvu
nezbude nic jiného než začít využívat energii alternativních zdrojů.
Typickým příkladem obnovujícího se zdroje energie je koloběh vody v přírodě.
Vodní zdroje jsou sice také vázány na určité místo jako zdroje tradiční a co do velikosti a
množství jsou omezeny, avšak neustále se doplňují a obnovují. Mezi trvalé zdroje patří
energie slunečního záření, větru, geotermální energie Země, energie z vesmíru,
termonukleární energie a energie moře – např. vlnění, příliv a odliv, tepelná energie oceánů
a moří. Blíže si všimneme možností, které nám v rámci navrhování energeticky úsporných
staveb může poskytnout sluneční energie.
2.2. Energie slunce
Slunce je středem planetární soustavy, do niž patří také naše Země. Je naší nejbližší
hvězdou a tedy ze všech hvězd pro nás nejdůležitější. Je zdrojem veškeré energie na naší
planetě.
Slunce má tvar koule o průměru přibližně 1 400 000 km (přesná hodnota je 139,2 .
104 km), tj. asi 109 krát větší, než je průměr Země. Skládá se převážně z atomárního
10
VUT BRNO, FSI-EÚ
vodíku s malou příměsí helia a z nepatrného množství ostatních prvků. Všechny tyto prvky
jsou ve hmotě Slunce obsaženy jako žhavé elektricky vodivé prvky, tj. ve skupenství
plazmy. Hmotnost Slunce je přibližně 2.1030 kg (přesná hodnota je 1,983 . 1030 kg),
tj. 330 000 krát větší, než je hmotnost Země. Hustota v nitru Slunce je 105 kg.m-3 , na
povrchu však jen 10-6 kg.m-3. Tlak v nitru Slunce dosahuje 2.106 MPa, teplota 13.106 K.
Teplota na povrchu Slunce je nižší, asi 6000 K. Celkový tepelný tok energie , který Slunce
vyzařuje do kosmického prostoru, je 3,85.1026 W. Měrný tok energie (intenzita záření) na
povrchu slunce je 6.107 W.m-2.
Zdrojem sluneční energie je přeměna vodíku na helium termonukleárními reakcemi
probíhajícími v jeho středových oblastech. Každou sekundu se přemění 3,6.1038 atomů
vodíku na 0,9. 1038 atomů helia. S dosavadním obrovským množstvím termonukleárního
paliva by podle propočtů mělo Slunce vystačit ještě po dobu 1011roků, tj. zhruba 100
miliard let. Tak by tomu bylo, kdyby Slunce mohlo využít všechen svůj vodík. Víme, že
termonukleární reakce probíhají jen v jeho jádře, přesto život Slunce potrvá ještě přibližně
15 miliard roků, přičemž má za sebou teprve jednu čtvrtinu života, tj. asi 5 miliard roků.
2.2.1. Význam slunečního záření pro život na Zemi
Sluneční záření na cestě k Zemi dlouhé 150 miliónů km není ničím pohlcováno a
přichází na hranici atmosféry v původní podobě, s níž opustilo Slunce, však při značně
zmenšené intenzitě tím, že se s rostoucí vzdáleností rozptýlí na větší plochu. Na plochu
kolmou ke slunečním paprskům dopadá na povrch zemské atmosféry měrný tok energie
1,4.103 W.m-2, což je tzv. sluneční konstanta (přesná hodnota je 1 360 W.m-2).
Z celkového výkonu, který Slunce vyzařuje, dopadne na naši planetu jen nepatrná
část, asi jedna dvoumiliardtina, tj. asi 1,8. 1014 kW. Pro porovnání uveďme, že světová
spotřeba energie je kryta výkonem 6,97. 1010 kW, což je přibližně 2 582 000krát méně, než
je energetický výkon dopadajícího slunečního záření.
Zemi do výšky přes 1000 km (to je asi šestina zemského poloměru) obklopuje
atmosféra, která je složena především z dusíku (78%), kyslíku (21%) a pouze 1% tvoří
další plyny. Ve výškách nad 60 km pohlcují tyto plyny ultra fialové (UV) a rentgenové
záření a jsou jím ionizovány, proto se také této vrstvě říká ionosféra. Níže v atmosféře, ve
výškách od 20 do 30 km, se zachycuje ionosférou proniklé UV záření ve vrstvě s velkým
obsahem ozónu O3, kterou nazýváme ozónosférou. Pohlceným ultrafialovým zářením se
ozonosféra zahřívá.
V ionosféře a ozónosféře se tedy zachycuje ta část slunečního záření, která je
nebezpečná životu na Zemi.
V nejnižších vrstvách atmosféry,v tzv. troposféře, kde je soustředěno více než 75 %
z celkové hmoty vzduchu, je sluneční záření pohlcováno vodní parou, oxidem uhličitým,
prachem a kapkami vody v mracích. Z celkového toku energie se v atmosféře pohltí 19 %
a 34 % se odrazí od mraků, vzdušného prachu a od zemského povrchu zpět do vesmíru.
Tato část energie je tedy pro Zemi ztracena a Země je pro ni pouze jakýmsi odrazným
zrcadlem.
Zbylých 47 % sluneční energie, která je pohlcena zemským povrchem, prochází
následujícími přeměnami:
•
Záření pohlcené zemským povrchem se mění na teplo. Teplo ze Země vyzařuje
jako infračervené záření o vlnové délce přibližně 10 µm. Pro toto infračervené
11
VUT BRNO, FSI-EÚ
•
•
•
záření je atmosféra z větší části neprostupná. Vyzářené teplo se ve vzduchu
absorbuje, a to pak vede k trvalému zvýšení teploty zemského povrchu
(hovoříme o tzv. skleníkovém efektu).
Množství energie, které dopadá na hladiny oceánů, se spotřebuje na vypařování
vody. Vzestupné proudy vodní páru vynášejí do chladnějších vyšších vrstev
atmosféry, kde kondenzuje, a tím předá své skupenské teplo okolnímu vzduchu.
Zahřátý vzduch z povrchu země stoupá vzhůru a na jeho místo proudí těžší
chladnější vzduch.Tím vznikají větry. Větry přenáší teplo z tropů a subtropů do
chladnějších oblastí a přenášejí vlhkost z oceánů na pevniny.
Sluneční záření dopadající na Zemi je nedílnou součástí procesů probíhajících
v biosféře – vrstvě při povrchu Země, kde existuje život. Z něj připadá na
biochemické reakce v biosféře pouze jedno promile, avšak toto promile je
nezbytně nutné pro existenci života na naší planetě.
Obr. 2.1 Přeměny energie slunečního záření dopadajícího na Zemi
Slunce je zdrojem dvou typů záření:
•
•
elektromagnetického, které je vlnového charakteru,
korpuskulárního, které nemá charakter vlnění, nýbrž proudu rychlých částic.
Elektromagnetické vlny se v závislosti na vlnové délce a v souvislosti s jejich
charakteristickými vlastnostmi, účinky, způsobem využití nebo působení a podle
parametrů dělí na různé druhy, ke kterým v dlouhovlnné oblasti patří elektromagnetické
přenosové vlny v elektronice, rozhlasové a televizní technice, dále se jedná o tepelné vlny
a vlnění označované jako infračervené neviditelné záření, za kterým následuje oblast
viditelného záření, resp. světla, a dále na tuto oblast navazuje ultrafialové, rentgenové,
gama záření a záření kosmické. Všechny druhy elektromagnetických vln se šíří rychlostí
světla, tj. 299 780 km.s-1, resp. 2,9978.108 m.s-1. Platí pro ně pravidlo, podle kterého jsou
nosičem tím většího množství energie, čím mají kratší vlnovou délku.
12
VUT BRNO, FSI-EÚ
Infračervené záření v rozmezí 780 nm do 106 nm člověk na povrchu těla vnímá
jako působící teplo. Záření s vlnovou délkou 380 nm až 780 nm je registrováno okem a
nazýváme je zářením světelným. Záření s vlnovou délkou menší než 380 nm je ultrafialové
záření a na lidské kůži se projevuje zčervenáním, nebo zhnědnutím pokožky. Ultrafialové
záření o vlnové délce menší než 280 nm je pohlceno již ve vyšších vrstvách atmosféry.
2.2.2. Využití sluneční energie
V procesu hledání nových energetických zdrojů se v současné době stále více
pozornosti věnuje využití přímé energie slunečního záření.
Při přímém užívání solární sálavé energie pro pozemní stavby přicházejí v úvahu
především tři technologie:
•
•
aktivní využití (sluneční kolektory),
pasivní využití (okny a zasklenými přístavbami),
kapalinových
přeměna slunečního záření
na teplo pomocí kolektorů
vzduchových
aktivní
přeměna slunečního záření
na elektrickou energii
solárně
termická
Solární
systémy
pasivní
•
fotovoltaickými
články
Přeměna slunečního záření na teplo vhodným
architektonickým návrhem budovy
hybridní využití (tyto systémy využívají současně jak aktivních, tak i pasivních
principů, které se vzájemně kombinují a doplňují).
Zatímco zařízení k pasivnímu využití sluneční energie formálně patří ke
stavebnímu řešení budovy, patří zařízení pro hybridní a aktivní využití sluneční energie
k domovní technice (k systému TZB). Rozlišování technologií využívání sluneční energie
má ale i jinou dimenzi. Shromažďování solární energie je značně závislé na způsobu jejího
získávání. Zisky z pasivního využití se dají ukládat na několik hodin, zisky z hybridního
využití na několik dnů a zisky z aktivních systémů po několik týdnů nebo dokonce měsíců.
Druh využití solární energie má tedy vliv i na celkovou koncepci.
13
VUT BRNO, FSI-EÚ
Tabulka 2.1.
Energie slunečního záření dopadajícího na různě orientované svislé
plochy v ročním průměru a v zimě – ve srovnání s vodorovnou
plochou:
Orientace
Jih
Východ
Západ
Sever
osluněné plochy
Roční globální
záření na svislé
plochy ve
77 %
54 %
56 %
26 %
srovnání
s vodorovnou
plochou (100%)
Globální sluneční
záření v zimě ve
srovnání
155 %
60 %
69 %
32 %
s vodorovnou
plochou (100%)
Dalším aspektem je kombinovatelnost technologií. Velmi účelná je kombinace
pasivních resp. hybridních systémů se slunečními kolektory. Každá rozumná kombinace
bere ohled na volbu způsobu ukládání tepla.
Aktivní systémy
Aktivní systémy využívají speciální technická zařízení – sběrače sestavené
z kolektorů, rozvodů a zásobníků, které nepřímo, fototermální cestou, přeměňují energii
slunečního záření na teplo využívané k ohřevu vody nebo k vytápění. Energii slunečního
záření lze v rámci aktivních solárních systémů také přeměnit na energii elektrickou
s uplatněním fotovoltaických článků.
Pasivní systémy
Pasivní systémy jsou takové koncepce návrhu budov, které přímo sluneční záření
zachycují vlastní konstrukcí, přizpůsobenou pro daný účel svoji hmotou, tvarem, druhem
použitého materiálu a povrchovou úpravou. I když je zřejmé, že sluneční energii v určité
míře zachycuje každá budova, jedná se o pasivní solární systém tehdy, je-li objekt navržen
s tím záměrem, aby jeho tepelné zisky byly co nejvyšší.
Hybridní systémy
Pojmem hybridní systémy je míněno kombinované užití aktivních a pasivních
prvků. V tomto smyslu je hybridním prvkem i okenní kolektor. Zisk solární energie zde
probíhá „přímo“ (jižním oknem) a konvektivně – jako ve vzduchovém konvektoru.
Tento systém je hlavní náplní této diplomové práce, proto se jím budu zabývat
podrobněji.
14
VUT BRNO, FSI-EÚ
Okenní a vzduchové konvektory
V konvektivních systémech je získané teplo transportováno konvekcí, tedy
pohybem vzduchu.
Okenní konvektor konstrukčně odpovídá špaletovému oknu s celkovou hloubkou
20 až 30 cm. Teplý vzduch v prostoru mezi vnitřním a vnějším oknem je konvektivně
odváděn do zásobníku, například stropu, topné stěny, zásobníku s kamenivem. Ve
špaletovém okně bývají často umístěny žaluzie, které podle jejich nastavení ovlivňují
pohlcování slunečního záření. Pohyb vzduchového proudu může probíhat gravitačně
(termosifon) nebo pomocí malého nejlépe regulovatelného elektrického ventilátoru.
Okenní konvektor je nejužívanějším typem kolektoru pro konvektivní využití. Hodnoty
součinitele prostupu tepla k takových konstrukcí se pohybují mezi 0,5 až 1,0 W/m2K.
V případě vzduchového konvektoru je před stěnu budovy předsazena skleněná
konstrukce. V meziprostoru mezi zasklením a stěnou se vzduch za předpokladu
dostatečného oslunění Sluncem ohřívá a proudí vzhůru, odkud je systémem kanálů
odváděn do zásobníku.
Rozdíly mezi okenními a vzduchovými konvektory:
•
•
•
Okenní konvektor dává větší solární zisky, tzv. má vyšší účinnost, protože
kombinuje přímé a konvektivní využití. Při otevřených žaluziích může být
zhodnocena i část difúzního záření.
Vzduchový kolektor má přirozeně lepší hodnotu součinitele prostupu tepla k, má
tedy menší ztráty. Pokud porovnáváme podíl energie využitelné pro vytápění, je
rozdíl mezi okenními a vzduchovými konvektory malý.
Pří volbě konvektivního systému jsou důležité především stavebně konstrukční
souvislosti, půdorysné uspořádání a otázky fyziologie bydlení.
Energetické zisky
Předpokladem pro provoz konvektivního systému je dostatečně intenzivní přímé
sluneční záření. To znamená že konvektivní zisk roste v době, kdy je v domě beztak
dostatek tepla, například v důsledku přímého záření. Konvektivní zisk musí být tedy
akumulován, zpravidla v zásobníku s oblázky nebo s vodou. Při dostatečné kapacitě
zásobníku může nahromaděné teplo (v závislosti na stavu nabití a na vnějších teplotách)
v nízkoenergetickém domě „přemostit“ až osm dnů špatného počasí bez použití přídavného
vytápění.
Vertikální jižní plochy přijímají v topném období říjen až březen asi 250 kWh/m2
až 300 kWh/m2 sálavé energie. Účinnost okenních a vzduchových kolektorů je mezi 20 až
60 %, což vede k hrubým ziskům asi okolo 50 až 180 kWh/m2 za topné období. Využitelný
zisk je, mimo velikost a kvalitu zásobníku, i na charakteru nabíjení a vybíjení.
Velkoryse dimenzované zařízení okenních kolektorů by mohlo tedy pokrýt 50
až 80 % brutto tepelných ztrát nízkoenergetického domu. Ovšem i zde platí to, co má
obecnou platnost pro nízkoenergetické domy: Obtížnost a náklady rostou se zvyšováním
stupně krytí tepelných ztrát. Kdo se snaží o bezpečné a finančně výhodné zařízení nebude
chtít krýt 80 % potřeby konvektivními zisky.
15
VUT BRNO, FSI-EÚ
I úsporná provedení vzduchových a okenních kolektorů kombinovaná s dobrým
zásobníkem značně zkracují vytápěcí dny v okrajových měsících říjen, listopad a březen.
Za příznivých slunečních dnů lze dosáhnout pozoruhodných zisků dokonce i v lednu a
únoru.
Konstrukce
Vzduchové a okenní kolektory jsou nedílnou součástí budovy. Pokud se mezi sebou
kombinují, mělo by být v zájmu vzhledu budovy jednotné vnější zasklení (minimálně
dvojnásobné tepelně izolační zasklení). Jako materiál rámu je vhodné dřevo, případně také
kov s tepelně oddělenými profily. Okenní kolektory odebírají také teplo z místnosti a přes
noc se méně ochlazují než vzduchové kolektory. U kombinovaných řešení je proto vhodné
okenní kolektory umístit nad vzduchovými.
Jednoduché, relativně finančně výhodné a provozně bezpečné řešení okenních
kolektorů nabízí kombinace dvou běžných tepelně izolovaných dvojskel ve špaletovém
okně. Vnější zasklení by mělo být povrstveno. Podle rozměrů vzduchové vrstvy mezi skly
se dosahuje tímto čtyřnásobným zasklením hodnota součinitele prostupu tepla k okolo 0,8
W/m2K.
Okenní kolektor lze vylepšit pomocí žaluzií s různou povrchovou úpravou:
•
•
•
•
Reflektor - je-li žaluzie otočena směrem ven bílou nebo odrazivou plochou, je
sluneční záření částečně odraženo. Tato plocha žaluzií má smysl v létě při
velkém slunečním záření a v noci za nízkých vnějších teplot. Žaluzie pak odráží
„studené sálání“ z venku (sálavá výměna povrchu a oblohy).
Absorbér - je-li žaluzie otočena směrem ven černou plochou, je záření
pohlcováno, proměňováno v teplo a odváděno konvekcí.
Přímý zisk - při vytažení žaluzie může být záření využíváno přímo.
Zastínění – Světlou žaluzií vně zasklení může být kolektor velmi účinně zastíněn.
První tři uvedené funkce je možno realizovat pomocí jedné žaluzie s odpovídající
povrchovou úpravou. Pro důslednou tepelnou ochranu v létě jsou vnější žaluzie
nejvýhodnější, současně však nejdražší variantou. Provětrávání okenního kolektoru
směrem ven chrání obytný prostor před přehříváním jen málo. Dvě různé žaluzie na
jednom kolektoru nejsou ale rozumné z finančního a estetického hlediska. Okenní
kolektory by se měli otevírat pouze při jejich údržbě (čistění).Tato podmínka se musí
objevit již v úvodní fázi projektování, protože větrání musí být zajištěno jinými okny nebo
mechanickým větracím zařízením.
U okenních kolektorů se častěji vyskytuje kondenzát. Tento jev nemusí nutně
upozorňovat na špatnou konstrukci a nesnižuje energetický zisk konvektoru.
Pokud nejsou okenní kolektory pečlivě vyprojektovány, není jejich pozitivní
energetická bilance zajištěna. Mnoho systémů je nedostatečné z hlediska tepelně
izolačního (hodnota k), takže solární zisky vůbec nedokáží kompenzovat jejich ztráty.
Základem takových chyb v projektech je velmi často přecenění solárních zisků. Okenní
kolektory jsou většinou náhradou za jižní okna. Tuto skutečnost je třeba uvážit při
porovnávání variant řešení.
16
VUT BRNO, FSI-EÚ
Akumulace zisků
Teplý vzduch je zpravidla dopravován pomocí ventilátoru uzavřeným systémem
kanálů do zásobníku. Energeticky zvláště zajímavou variantou je pohyb vzduchu vlivem
gravitace, která se dá realizovat v konkrétním uspořádání jen výjimečně.
Jako orientační údaj pro dimenzování zásobníku můžou sloužit následující hodnoty:
kapacita 0,2 až 0,3 kWh na K a 1 m2 aktivní kolektorové plochy, což odpovídá 0,5 až 1,0
m3 oblázků nebo betonu. Oblázky a beton mají v zabudovaném stavu prakticky stejnou
kapacitu, protože o něco vyšší kapacita betonu je redukována v důsledku položených rour,
které slouží k transportu tepla.
Teploty zásobníků kolísají v praxi mezi 25 až 40°C. Jako akumulační materiál
mohou být použity následující hmoty:
•
•
•
•
•
oblázky případně vymytý hrubý štěrk,
beton s uloženými rourami pro výměnu tepla,
cihlové prvky „hurdis“, ve formě „hurdiskových“ stropů, případně také dutinové
cihly a podobné stavební prvky,
zásobníky latentního tepla (dostupné materiály bohužel stárnou při opakovaných
nabíjecích a vybíjecích cyklech a ztrácí tepelnou kapacitu),
zdivo z cihel nebo vápencových cihel.
Obr. 2.2 Možnosti uspořádání zásobníku s kamenivem.
Nahoře: jako oddělený zásobník.
Dole: zásobník integrovaný do nosné konstrukce
Předávání tepla
V mnoha realizovaných případech je teplo předáváno podlahou a stěnami do
vytápěných místností ve formě tepelné ztráty zásobníku. Z koncepčního pohledu má to
řešení řadu výhod, ale tepelný tok je obtížně regulovatelný.
Lépe regulovatelné je předávání tepla do obytných místností, pokud je teplý vzduch
ze zásobníku foukán za pomocí ventilátorů vzduchovými kanály správně dimenzovaných
otopných ploch (stěn a podlah). I při tomto konvektivním vybíjení zásobníků je jistá část
tepla předávána vedením. Při řešení otopných ploch se musí dbát na to, aby předávací
plochy měly co nejnižší tepelnou kapacitu. Tím lze zajistit pružné předávání tepla do
místnosti.
17
VUT BRNO, FSI-EÚ
Pokud je zásobník tepelně rozvrstven, pak má vybíjení probíhat v opačném směru
než nabíjení. Velké ztráty, které jsou přirozeně spojeny s akumulací tepla, by měl
projektant řešit sériovým uspořádáním více zásobníků na různých teplotních úrovních.
Při akumulaci konvektivních zisků do vodních nádrží jsou potřebné velkoplošné
výměníky vzduch-voda k nabití a vybití zásobníku.Předávání tepla zde zpravidla probíhá
ve vzduchovém okruhu, který přivádí teplo do místností dutými stěnovými nebo
podlahovými topnými plochami. Takové systémy se dají dobře kombinovat s přídavným
zdrojem tepla – kachlovými kamny, aktivními slunečními systémy apod. Náklady na
zařízení nelze ale podceňovat, a tím jsou jejich výhody trochu zpochybňovány.
Vedení vzduchu v kolektorových systémech
Vzduch se má obecně vést nízkou rychlostí, velkými průřezy a krátkými cestami
uzavřených systémů. Jako horní hranice rychlosti proudění vzduchu v kolektoru je uváděna
rychlost 1 m/s. Při této rychlosti je intenzitě slunečního záření 600 W/ m2 by na 1 m2
kolektorové plochy měl cirkulovat vzduch o objemu 80 m3/h.
V kanálech, v zásobníku a především ve zúžených místech jsou akceptovatelné
rychlosti vzduchu těsně pod 1,5 m/s. Protože potřebný výkon pro zajištění pohybu vzduchu
roste s druhou mocninou rychlosti vzduchu, je mírný pohyb vzduchu také základem pro
úsporu elektrické energie.
Průřez kanálu by měl být navržen nejméně jako 0,02 m2 na 1 m2 kolektorové
plochy, což vede k rychlosti vzduchu těsně pod 1,5 m/s. V kolektoru by měl být průřez pro
prodění 0,03 m2 na 1 m2 zasklené plochy (odpovídá rychlosti proudění 1 m/s). V rodinném
domě je potřebný průřez kanálu minimálně 0,4 m2 , pro rychlost proudění dokonce okolo
1,2 m2.
Z pravidla je zásobník umístěn níže než kolektor. Aby se zabránilo nočnímu
vybíjení v důsledku gravitační cirkulace, osazují se zpětné klapky. K zabránění nabíjení
zásobníků v létě, by měly být na horním a dolním konci okenního kolektoru instalovány
klapky pro zajištění možnosti odvětrávání a větrání směrem ven.
2.3. Možnosti regulace vzduchových solárních kolektorů
K regulaci se nabízejí tři možnosti:
2.3.1. Solární pohon
Dostatečnou regulací je v mnoha případech pohon ventilátorů proudem
z fotovoltaického panelu. Díky záření jsou kolektor i ventilátor uvedeny do pohybu
současně, nebo s cíleným zpožděním. Tento způsob je jednoduchý, relativně finančně
výhodný (zvláště v případě, že jsou kolektory již instalovány) a provozně spolehlivý. Aby
se za nevýhodných klimatických poměrů zabránilo vybíjení zásobníků je vhodná
kombinace s čidlem teplotního rozdílu.
Příklad: Po teplém slunečním období, které přineslo do zásobníku značné množství
tepla, následuje jeden chladnější den s mírným slunečním zářením, ale dostatečný pro to,
aby solární články uvedly do chodu ventilátor. Bez čidla teplotního rozdílu by se foukal do
zásobníku chladnější vzduch z okenního kolektoru a tím by ho částečně vybil (ochladil).
18
VUT BRNO, FSI-EÚ
2.3.2. Řízení podle teplotního rozdílu
Při dostatečném rozdílu teplot mezi kolektorem a zásobníkem se zapíná ventilátor.
Bude-li teplota v kolektoru nejméně o 15 K vyšší než v zásobníku, ventilátor se sepne; při
teplotním rozdílu pod 5 K by měl být ventilátor opět vypnut. Jedině tak se cirkulace
vzduchu „vyplatí“. U komplikovaných zařízení lze počítat s regulací řízenou
mikroprocesorem.
2.3.3. Regulace pomocí gravitace
Základním předpokladem je, že teplý vzduch je lehčí než studený. Sluneční záření
vyvolá tedy vztlak v prostoru kolektoru. Tato síla stačí k tomu, aby při správně navržených
polohách a hmotností klapek, ovládala klapky přívodu a odvodu vzduchu. Gravitační
princip je však vázán na dvě základní podmínky:
•
•
Zásobník musí ležet nad kolektorem (např. vodní nádrž v půdním prostoru).
Průřezy pro proudění vzduchu musí být velkoryse dimenzovány.
Ke správnému dimenzování kanálů, velikosti klapek a dalších prvků je nutná
praktická zkušenost.
2.3.4. Výběr způsobu regulace
Za nejpříznivější způsob regulace považuji regulaci pomocí solárního pohonu.
Výhodná je kombinace solárního pohonu s čidlem teplotního rozdílu, které zamezuje
vybíjení akumulačních zásobníků za nepříznivých klimatických podmínek (viz. výše).
Tento způsob považuji pro případ Eko-domu VUES Podolí za nejpříznivější, protože
fotovoltaické články jsou zde již instalovány. Dále lze tento způsob považovat za vysoce
spolehlivý a relativně jednoduchý.
2.4. Popis solárního systému v ekodomě VUES Podolí
Tato diplomová práce vznikla na základě realizace měřícího a v budoucnu i
regulačního systému pro vzduchový kolektor v Eko-domě VUES Podolí.
Dům je situován v slunci otevřené krajině asi 10 km východně od města Brna
v obci Podolí. Jedná se o experimentální budovu, která byla postavena za účelem
demonstrace možnosti využití obnovitelných energetických zdrojů, především pak pro
různé způsoby využití sluneční energie. V budově je instalováno několik solárních
systémů, jako jsou fotovoltaické články, solární vzduchové kolektory se štěrkovými
zásobníky tepla, solární vodní kolektory s vodními zásobníky tepla, tepelná čerpadla apod.
Díky těmto systémům je budova téměř soběstačná z pohledu spotřeby energie.
Solární vzduchové kolektory byly instalovány teprve nedávno za účelem využití
sluneční energie pro předehřev ventilačního vzduchu a pro vytápění teplým vzduchem za
slunečných dnů na jaře a na podzim, případně pro ohřev vody pro nízkoteplotní
velkoplošné podlahové vytápění. Předehřátý vzduch může být, pomocí ventilátorů a
19
VUT BRNO, FSI-EÚ
vzduchovodů přiváděn přímo do větrané místnosti, do štěrkového zásobníků tepla nebo
k výměníkům tepla pro ohřev topné vody. Ventilátory jsou umístěny v technickém podlaží
nad vzduchovými konvektory. Zásobníky tepla umožňují využít naakumulované sluneční
teplo ve dnech, kdy přímého slunečního záření je nedostatek tj. za oblačných dnů.
Obr. 2.3 Pohled na jižní stěnu Eko-důmu VUES Podolí
Měřící systém byl sestaven za účelem zjištění rozložení teplot uvnitř solárních
vzduchových kolektorů při přirozené konvekci. Pozornost byla věnována vztahu mezi
globálním slunečním zářením (radiací) a teplotním rozdílem uvnitř a vně solárních
kolektorů.
Solární vzduchové kolektory představují relativně levný způsob využití sluneční
energie. Provedení solárního vzduchového kolektoru je závislé na globálním slunečním
záření a venkovní teplota vzduchu je velmi důležitá pro uspořádání a využití solárních
vzduchových systémů.
Štěrkový zásobník
tepla
Solární vzduchový
kolektor
Vodní zásobník
tepla
Obr. 2.4 Příčný řez (jih-sever) Eko-domem VUES Podolí
20
VUT BRNO, FSI-EÚ
Popis solárního vzduchového kolektoru
Část jižní fasády objektu Eko-domu je prosklená šestnácti okenními otvory a
vstupními dveřmi o celkové ploše cca 6x6 m. Konstrukce prosklení (okna) je v souladu
s plochou střechy skloněna v úhlu 60° od roviny podlahy, dveře jsou osazeny svisle
s trojúhelníkovým bočním přisklením. Okna jsou ve třech řadách nad sebou, dvě horní
řady po šesti oknech vedle sebe jsou výšky 2 m, spodní řada oken s dveřmi jsou rovněž
výšky 2 m. Zasklení je pevné trojsklem do rámů vsazených mezi lepené vazníky rozměru
100x250 mm. Tato konstrukce je doplněna ve dvou horních řadách zasklení v celé šířce
další sestavou okenních křídel ve dvou vrstvách (viz. obr. 2.6) tak, aby mezerami pod
spodní hranou této konstrukce mohl být nasáván vzduch z vnitřního prostoru objektu a po
jeho ohřátí ve dvou vytvořených mezivrstvách byl odváděn ventilátory umístěnými
v technickém podlaží nad okny. Střední zasklení tloušťky 5 mm je doplněno nalepenými
absorpčními fóliemi různých vlastností.
Obr. 2.5 Solární vzduchový kolektor v Eko-domě VUES Podolí
Obr. 2.6 Skladba oken sluneční stěny Eko-domu VUES Podolí
21
VUT BRNO, FSI-EÚ
Návrh měřícího systému umožňujícího měření teplot v meziprostoru v různých
výškách zasklení, a jejich zaznamenání na pevný disk řídicího počítače
pomocí programového prostředí LabVIEW a následná analýza naměřených dat je náplní
této diplomové práce.
Popis velkoplošné podlahové otopné soustavy
Eko-domě je na vrženo velkoplošné podlahové vytápění, využívající tepelné
energie vody v zásobníku tepla, která má nízký teplotní potenciál. Teplota vody vstupující
do topného systému je 40°C. Pro podlahový otopný systém je použito hadic z plastických
hmot (polyetylén, polyuretan) o průměru 10 až 20 mm.Trubky jsou kladeny ve tvaru
meandrů (popříp. spirály) na podlahu s tepelnou izolací. Meandry jsou zakryty vrstvou
betonu a podlahovou krytinou.
22
VUT BRNO, FSI-EÚ
3. NÁVRH MĚŘÍCÍHO SYSTÉMU
3.1. Úvod do měření
Měření je proces, a proto je pro jeho udržení zapotřebí určitý tok energie nebo
látkový tok. Je to nejdůležitější, nejpracnější a nejobsáhlejší část experimentální práce.
Měřící proces obvykle prostřednictvím čidla tuto energii více či méně ovlivňuje –
spotřebovává. Čidlo (snímač, senzor) pak danou energii transformuje a výsledkem je
informace o stavu nebo průběhu procesu ve sledovaném objektu. Nositelem této informace
je opět určitá forma energie nebo akumulace látky generované měřícím čidlem. Není-li
však tato forma energie vhodná pro další zpracování informace používají se převodníky
pro transformaci této energie na energii vhodnou pro další zpracování. Měření je
realizováno technickými měřícími prostředky, které společně tvoří buď měřící kanál nebo
celý měřící systém.
Přesnost a správnost měření
Objektivní hodnoty měření, tzv. přesné a správné hodnoty měření
zajišťují justáží, kalibrací, graduováním a v provozu také ověřováním měřidla.
•
•
•
•
se obecně
Justáž měřidla je jeho uvedení do stavu pohotovosti k použití s odpovídající
správností tak, aby byla dosažená stanovená přesnost měřidla.
Kalibrace je vyznačení polohy měřících značek nebo hlavních značek u měřidel,
odpovídajících určitým hodnotám měřené veličiny.
Graduování je vlastně zhotovení stupnice měřidla dle předem vyznačených
měřících značek kalibrací.
Ověřování je souhrn činností prováděných orgánem státní služby pro legální
metrologii, nebo právoplatně zvoleným orgánem, který zjistí a potvrdí, zda
měřidlo zcela vyhovuje požadavkům a předpisům pro ověřování (po provedení
zkoušky je měřidlo opatřeno ověřovací značkou). Kontrola měřidel vyžaduje
speciální laboratoř se stálou teplotou okolo 20° C, bez otřesů, prachu, s okny na
severní stranu, s dvojitými dveřmi apod.
Rozdělení měření
Měření lze členit podle několika hledisek. Rozdělujeme měření na přímá, kdy
požadovanou veličinu stanovíme přímo měřením pomocí její definice (viz. např. měření
délek) a nepřímá, kdy požadovanou veličinu určíme výpočtem ze známého fyzikálního
zákona či vztahu, a to ze známých naměřených veličin (viz.např. určení hustoty vzduchu ze
stavové rovnice pomocí naměřené teploty a tlaku). Dle způsobu měření rozeznáváme
měření absolutní, která poskytují absolutní hodnoty měřených veličin v jednotkách daných
definicí měřené veličiny a měření relativní, která poskytují relativní hodnotu měřené
veličiny vzhledem ke známe referenční hodnotě téže veličiny. Dle závislosti měřené
veličiny na jiných veličinách rozdělujeme měření veličin nezávislých na jiných veličinách
(např. měření délek pevných látek, které skutečně může ovlivnit o to jen minimálně pouze
teplota) a měření veličin závislých na jiných veličinách. Některé výsledky měření veličin
závislých mohou být zpracovány funkční závislostí měřené veličiny na jiné veličině
23
VUT BRNO, FSI-EÚ
(nezávislé veličině nastavované při měření na různé hodnoty), jiné mohou být zpracovány
pouze stochastickou závislostí. Pří vyjádření výsledků pomocí funkční závislosti je každé
nezávislé proměnné přiřazena pouze jedna závislá veličina (nejpravděpodobnější hodnota
z měření, která je vždy zatížena chybou měření). Při vyjádření výsledků stochastickou
závislostí je každé nezávislé proměnné přiřazen celý rozsah možných závislých veličin,
přičemž velikost tohoto rozsahu je kromě chyby měření dána skutečnou možnou variantou
závislé veličiny.
Vhodný princip měření se volí z hlediska žádaného rozsahu měření, přesnosti
měření, vhodnosti čidla pro dané prostředí a vhodnosti čidla pro zvolený systém
vyhodnocování měření (ruční měření, počítačové měření, laboratorní měření, měření pro
účely regulace apod.)
Proces počítačového měření a jeho fáze
Proces měření a zpracování naměřených dat lze rozdělit do tří základních fází:
Fáze sběru dat – k tomu se používají následující sběrnice dat:
• zásuvné multifunkční karty,
• přístroje vybavené rozhraním RS 232,
• přístroje vybavené rozhraním GPIB,
• VXI měřící systémy,
• PLC,
• průmyslové I/O systémy.
V této první fázi procesu sběru dat se jedná o získání tzv. surových dat – obvykle se
jedná o převod měřené veličiny, v měřícím systému, na číselnou hodnotu a její uložení do
paměti nebo zobrazení na displeji.
Fáze analýzy naměřených dat:
• digitální zpracování signálu,
• digitální filtrace,
• statistika,
• operace v poli.
V druhé fázi procesu měření obvykle nastává nutnost odstranění nežádoucích
složek naměřených signálů (odstranění rušení ), statického vyhodnocení, výpočet nepřímo
měřených veličin z naměřených.
Fáze prezentace naměřených dat:
• grafické znázornění,
• prezentování na síti,
• archivace v souborech,
• tisk.
24
VUT BRNO, FSI-EÚ
V poslední fázi je potřeba naměřené a analyzované hodnoty prezentovat ve tvaru
např. protokolu z měření, grafů, uložením do textových datových souborů apod.
3.2. Software pro měřící a řídicí systémy
Počítačový měřící systém si nelze představit bez vhodného softwaru.
V převážné většině dostupné literatury je volba softwarového vybavení měřícího
nebo řídicího systému řazena na poslední místo. Podle mého názoru by tomu mělo být
právě naopak. Zvolit si pro danou úlohu nejvhodnější a nejmodulárnější software a
s ohledem na jeho náročnost na hardwarové požadavky volit pro něj vhodný typ řídícího
počítače. Stejně tak volba operačního systému by měla být podřízena volbě měřícího nebo
regulačního softwarového nástroje a tím předejít nejrůznějším problémům, které jsou
způsobeny např. nedostatečným mikroprocesorem, nedostatkem operační paměti, malou
kapacitou pevného disku, v současné době i nevhodnou grafickou kartou apod.
Softwarovými nástroji pro měřící nebo řídící systém rozumíme programové
vybavení počítače, které umožňuje přímé měření nebo zajišťuje tvorbu vlastních měřících
(virtuálních) přístrojů.
Pro tento účel lze použít i standardních programovacích jazyků jako např.:
•
•
Basic – použitelnost tohoto programovacího jazyka je dnes již za svým vrcholem,
avšak ve znovuoživení je v nové podobě tzv. Visual Basic.
C jazyk – dnes nejpoužívanější jazyk v technické praxi.
Použití standardního programovacího jazyka pro vytvoření aplikace v oblasti
měření naráží na dvě základní úskalí:
•
•
Tvorba je časově náročná, syntaxe programovacího jazyka je složitá a výsledný
produkt může být těžko čitelný i pro samotného autora, vrátí-li se k němu po
delším čase od jeho tvorby.
Je zde velká náročnost na detailní znalost hardwarového řešení – musí se napsat
všechny funkce pro podporu protokolů na jednotlivých rozhraních, která obvykle
nejsou součástí implementace těchto programovacích jazyků (obsluha požadavků
na přerušení, přímý přístup do paměti apod.)
Tato úskalí pomáhají překonat dnes stále častěji používané produkty, které lze
zařadit do kategorie tzv.CASE (Computer Added Software Engineering) produktů.
Produkcí těchto softwarových systémů – vývojových prostředí, které v sobě obvykle
integrují mnoho pomocných nástrojů pro automatizaci tvorby softwarové aplikace – se
dnes zabývá na světovém trhu celá řada firem.
Softwarové prostředky, které se používají pro tuto oblast lze rozdělit:
•
•
podle fáze procesu měření, kterou podporují (sběr, analýza, prezentace),
podle funkcí, které uživateli nabízejí (otevřené systémy, uzavřené systémy).
25
VUT BRNO, FSI-EÚ
Ze standardních softwarových prostředků lze pro oblast měření použít např.
tabulkové procesory, které pokryjí fázi prezentace a částečně fázi analýzy měřených dat.
Dnes se však v této kategorii objevují i produkty s podporou zásuvných karet pro vstup dat
do tabulkového procesoru – např. Excel Measure od firmy National Instruments. Kromě
nich nabízí řada firem speciální programové balíky, poskytující jednu, dvě nebo všechny
tři fáze zpracování naměřených dat (např. knihovny funkcí podporující sběr dat ze
zásuvných multifunkčních karet).
Podle druhého hlediska lze na trhu softwarových prostředků nalézt uzavřené
systémy, které uživateli poskytují omezenou množinu funkcí, které naprogramoval jejich
tvůrce a kterou již nelze dále jednoduchým způsobem rozšiřovat (sem patří např. různé
nadstavby tabulkových procesorů nebo speciální softwarové balíky podpory některých
měřících karet). Kromě těchto systémů lze dnes již užít i tzv. otevřených systémů, které
poskytují uživateli celou řadu funkcí, aniž by ho omezovaly, neboť se dají jednoduchým
způsobem rozšiřovat podle potřeb uživatele – jsou to tedy tzv. vývojová prostředí
(Development Environment).
Na světovém trhu vývojových prostředí pro oblast měření lze nalézt mnoho
produktů, patřících do kategorie otevřených systémů:
•
•
•
•
•
•
•
HP VEE – od firmy Hewlett-Packard (grafické programování v prostředí
Windows).
Test Point – od firmy Keithley (grafické programování v prostředí Windows).
Dasy Lab – jednoduchý systém grafického programování.
Control Panel – Alcor Zlín – grafické programování v prostředí MS-DOSu
(systém vytvořen v jazyce Modula 2).
LabWindows for DOS – od firmy National Instruments – textově orientovaný
vývojový systém.
LabWindows – CVI – textově orientovaný vývojový systém pro platformu
Windows.
LabVIEW – grafické programování v prostředí Windows a na různých
platformách (MacIntosh, PC, Sun, HP Unix).
Seznámení s vývojovým prostředím LabVIEW
Filozofie a součásti vývojového systému LabVIEW
Filozofie virtuálních měřících přístrojů je velmi progresivní, neboť umožňuje při
zachování výkonnostních parametrů klasické měřící techniky vytvářet přístroje, jejichž
funkce přesně odpovídají požadavkům uživatele, neboť jsou tyto požadavky realizovány
softwarově. Navíc tato koncepce umožňuje doplňovat další funkce podle narůstajících a
měnících se požadavků koncového uživatele. Cena takto vytvářených měřících přístrojů
bývá nižší, než je cena klasické analogové měřící techniky. Navíc je možno kdykoliv
změnou programu vytvořit jiný měřící přístroj nebo upravit vlastnosti stávajícího.
Základním záměrem vývojových pracovníků firmy National Instruments bylo dát
do rukou inženýrů nástroj podobné efektivity, pružnosti a síly jako je tabulkový procesor
v rukou finančního manažera. Myšlenka, na níž stojí efektivita vývojového prostředí
26
VUT BRNO, FSI-EÚ
LabVIEW daného na trh v roce 1986 pro platformu počítačů Macintosh je jednoduchá a
vznikla původně na půdě Texaské univerzity pod vedením Jeffa Kodovského.
Vychází se zde z poznatku, že tím kdo ví co měřit, jak analyzovat a jak prezentovat
data, je technik. Své představy tedy předává programátorovi obvykle v podobě blokového
schématu. Programátor toto schéma potom převádí do syntaxe zvoleného programovacího
jazyka, což je činnost poměrně zdlouhavá a náročná na přesnost a nepřináší již do procesu
měření obvykle žádné další informace. Cílem vývojového prostředí LabVIEW je to , aby
blokové schéma bylo koncovým tvarem aplikace, který se již dále nebude převádět do
textové podoby.
LabVIEW (Laboratory Virtual Instruments Engineering Workbench) je obecný
vývojovým prostředím s bohatými knihovnami pro vytváření aplikací zaměřených do
oblasti měření ve všech fázích tohoto procesu - tj. sběru, analýzy a prezentace naměřených
dat. Podporuje všechny čtyři základní způsoby sběru dat do počítače z měřících přístrojů
přes rozhraní RS 232 nebo GPIB, ze zásuvných multifunkčních karet a ze systému na bázi
VXI sběrnice). Poskytuje uživateli plnohodnotný programovací jazyk se všemi
odpovídajícími datovými a programovými strukturami v grafické podobě v tzv. G jazyku
(Graphical language).
LabVIEW je tedy vývojovým prostředím na úrovni např. C jazyka, ale na rozdíl od
něj není orientován textově, nýbrž graficky.Výsledný produkt tohoto vývojového prostředí
se nazývá virtuálním přístrojem (Virtual Instrument), protože svými projevy a činností
připomíná klasický přístroj ve své fyzické podobě.
Virtuální přístroj se vyznačuje a obsahuje:
•
•
•
Interaktivní grafické rozhraní (Graphical User Interface GUI) ke koncovému
uživateli tj. čelní panel (Front Panel), který simuluje čelní panel fyzického
přístroje. Obsahuje prvky pro ovládání a indikaci (spínače, přepínače, LED
indikátory, grafy…). Tento čelní panel ovládá uživatel myší nebo z klávesnice.
Činnost virtuálního přístroje je dána jeho blokovým schématem (Block
Diagram). Toto blokové schéma je vytvořeno ikonami reprezentující
v koncových blocích ovládací a indikační prvky čelního panelu a ve svých
uzlových blocích jsou to bloky zpracovávající procházející data. Tento blokový
diagram je zdrojovou podobou každé aplikace.
Virtuální přístroj má hierarchickou a modulární strukturu. Lze jej používat jako
celý program nebo jeho jednotlivé podprogramy, které se nazývají podřízenými
virtuálními přístroji (subVI). Součástí každého virtuálního přístroje je jeho ikona,
kterou je reprezentována v blokovém schématu a konektor s přípojnými místy
pro vstupní signály.
Těmito charakteristickými rysy naplňuje LabVIEW podmínky modulárního
programování. Svou aplikaci dělí uživatel na jednotlivé úlohy, pro které vytváří dílčí
virtuální přístroje (sub VI) a z nich potom buduje celou aplikaci jejím spojováním do
výsledného virtuálního přístroje. Na závěr lze celou aplikaci přeložit do EXE tvaru a
provozovat nezávisle na vývojovém prostředí.
Při spojení měřícího přístroje a počítače přes rozhraní nebo při vytváření virtuálních
měřících přístrojů hraje vedle hardwarových prostředků v podobě počítače a přídavných
karet čím dál významnější roli software – stává se klíčovým komponentem měřícího
systému.
27
VUT BRNO, FSI-EÚ
Novinky oproti předchozím verzím LabVIEW
Software pro měřící systémy zažívá prudký rozvoj. Současnou aktuální verzí
programového prostředí firmy Nacional Instrumens je LabVIEW 6i. Tato verze, oproti
předchozím, obsahuje možnost přímého ovládání a přímé prezentace dat přes Internet,
také nové grafické zpracování ovládacích prvků kontrolního panelu, ale především
zjednodušuje některé řídící a ovládací procedury.
S otevřeným vývojovým prostředím LabVIEW 6i se můžeme připojit k dalším
aplikacím přes ActiveX, Web, DLL, sdílené knihovny, SQL (pro databáze), DataSocket,
TCP/IP a další protokoly. LabVIEW 6i můžeme použít pro rychlé vytvoření síťových
měření a automatických systémů, které integrují nejmodernější technologie v síťovém
provedení a umožňují sdílení vzdálených dat.
Dále National Instruments nabízí k vývojovým systémům LabVIEW 6i celou řadu
přídavných modulů a nástrojů, které rozšiřují využití LabVIEW 6i.
Pro aplikace požadující využití reálného času National Instruments nabízí
LabVIEW Real-Time. LabVIEW Real-Time načitá standardní kód LabVIEW k určení
hardwarového cíle, přičemž pracuje operační systém reálného času nezávisle na Windows.
Hardwarové a systémové požadavky LabVIEW 6i
Firmou National Instrumens jsou doporučeny tyto parametry:
•
•
•
•
Operační systém: Windows 2000/NT/98.
Kapacita operační paměti: 16 MB RAM, doporučuje se však 32 MB RAM.
Požadovaný mikroprocesor: 486 DX procesor, doporučuje se Pentium.
Potřebný prostor na pevném disku 30 MB.
To jsou požadavky LabVIEW 6i, ale pozor! Nesmíme zapomenout na požadavky
operačního systému, který si za předpokladu bezproblémového provozu klade daleko vyšší
nároky. Především pak na možnosti použitého mikroprocesoru a kapacitu operační paměti.
Při použití operačního systému Windows 2000 nebo NT se doporučuje minimálně 128 MB
RAM.
Výběr operačního systému
V současné době je MS Windows nejrozšířenějším operačním systémem
provozovaným na osobních počítačích standardu IBM PC. Zatím co 16-bitové verze
Windows používané na počítačích s procesory Intel 80386 a 80486 jsou již technicky i
morálně zastaralé, 32-bitové verze patří mezi moderní operační systémy, vhodné i pro
použití v měřící technice. Pro běžného uživatele je nejpřitažlivější především grafické
rozhraní, umožňující jednoduché ovládání programu. Velmi důležité jsou však technické
parametry systému: spolehlivost , robustnost, převoditelnost na jiné HW platformy, úroveň
zabezpečení ( ve smyslu ochrany systémových zdrojů nebo zdrojů konkrétního uživatele,
např. dat před jiným uživatelem). Z tohoto pohledu představují především Windows NT
verze 4.0 poměrně kvalitní operační systém, který lze doporučit pro řešení úloh
vyžadujících automatizovaný měřící systém používaný více uživateli.
28
VUT BRNO, FSI-EÚ
Z hlediska programátora je důležitá základní charakteristika 32-bitových Windows
jako preemptivního víceúlohového operačního systému, který umožňuje současné
zpracování více procesů a jejich synchronizaci. Windows NT mohou fungovat dokonce
jako více procesorový systém.
3.3. Řídicí počítače měřících systémů
3.3.1. Osobní počítače
Osobní počítače třídy PC jsou osazeny 16-bitovými mikroprocesory Intel 8088
(PC/XT), 80286 (PC/AT) a 32-bitovými 80386, 80386SX, 08486 a dnešní době převážně
mikroprocesory Pentium, Pentium Pro, Pentium MMX nebo vyššími (Celeron, Pentium II,
Pentium III), případně jsou použity jim odpovídající mikroprocesory od firem AMD,
CYRIX.
Jako řídící počítače měřících systémů jsou používány osobní počítače třídy IBM
PC (sběrnice ISA pro PC/AT nebo sběrnice PCI). Tak jako v jiných oborech se i
v aplikacích pro měřící techniku staly počítače firmy IBM – PC/XT (8-bitová sběrnice) a
zejména PC/AT (16 bitů) faktickým standardem včetně sběrnice ISA (Industrial Standard
Architekture).
Osobní počítače třídy PC mají tzv. otevřenou architekturu – jejich technické
vybavení lze rozšiřovat dalšími obvody (bloky) na zásuvných deskách (adaptérech),
zasunutých v konektorech expanzivních slotů. Sloty jsou na základní desce PC simulovány
tak, že čelní panel zásuvné desky tvoří součásti zadní stěny skříně počítače.
Návrh počítače pro měřící systém v Eko-domě Podolí
Vzhledem k tomu, že se jedná o experimentální použití měřícího systému je zvolen
standardní počítač třídy IBM PC. Výhodou tohoto standardu je především jeho široká
dostupnost.
Softwarové požadavky na vybavení počítače byly zmíněny již dříve. Nyní tedy
doporučení, jaké vybavení počítače volit.
Pro bezproblémový provoz měřícího systému bych doporučil počítač
s mikroprocesorem Intel Pentium II případně vyšší (Intel Pentium III). V případě, že se na
tomto počítači bude provádět zpracování naměřených dat je vhodné počítač osadit větší
operační pamětí a to minimálně 128 MB (pro provoz produktů firmy Microsoft – Windows
NT 4,0/2000 a MS Office 2000). Co se týče monitoru, pro běžná měření je postačující 15“
monitor s rozlišením alespoň 800x600. Toto rozlišení je uspokojivé i pro chod virtuálního
měřícího přístroje, vytvořeného v programovém prostředí LabVIEW. S ohledem na to, že
měření je nepřetržité a monitor je používán pouze krátkodobě, není nutné na něj klást příliš
vysoké nároky. Velikost pevného disku musí korespondovat s objemu měřených dat. Je
možné použít standardně instalovaných pevných disků do dnešních počítačových sestav o
velikosti 10 GB. Tato velikost je více než postačující zvláště když uvážíme, že v Eko-domě
VUES je velikost datového souboru, do kterého se ukládá každou minutu po celý den cca
800 kB což odpovídá 292 MB za rok. Cenově nejefektivnější, pro tento případ, je velikost
pevného disku o kapacitě asi 3,2 GB. Klávesnice a spolehlivé polohovací zařízení
(počítačová myš) je samozřejmostí.
29
VUT BRNO, FSI-EÚ
Pro vyšší bezpečnost provozu je vhodné použít záložního napájení pro případ
výpadku elektrické energie. Funkce záložních zdrojů elektrické energie je popsána
v kapitole 2.8. Doplňky měřícího systému.
V oblasti nabídky počítačových sestav je na trhu řada spolehlivých firem (např.
Autocont), které dodávají kvalitní počítačové sestavy s využitím vysoce spolehlivých
komponentů od renovovaných výrobců hardwaru (Asus, Aopen – základní desky, Intel
jako tradiční dodavatel kvalitních a spolehlivých mikroprocesorů, ATI – grafické karty
atd.). Výběr dodavatelské firmy, by měl být vždy podřízen tomu, zda firma poskytuje a
v jaké kvalitě je poskytován záruční a pozáruční servis.
Obr. 3.1 Řídicí počítač v Eko-domě VUES Podolí
3.3.2. Průmyslové provedení řídicích počítačů měřících systémů
Osobní počítače jsou navrženy a vyráběny především pro kancelářské prostředí. Pro
průmyslové aplikace je potřeba PC zpevnit (robustní kovová skříň), utěsnit proti vnikání
prachových částic. Je také nutné dostatečné chlazení filtrovaným vzduchem. Srovnatelným
způsobem je třeba upravit zobrazovací displej, diskové jednotky, klávesnici a počítačovou
myš bez které se dnes již jen stěží obejdeme (v případě, že nepoužíváme dotykový displej).
Běžný osobní počítač je konstrukčně řešen tak, že do základní desky s několika sloty se
vkládá většina technického vybavení počítače. Jen výjimečně se některé jeho části vkládají
do zásuvných desek. Speciální průmyslové počítače jsou řešeny modulárně tj. užitím
pasivní sběrnice a veškeré technické vybavení je ve formě zásuvných desek. Diskové
jednotky z důvodu jejich malé odolnosti vůči otřesům a prachu jsou nahrazovány
polovodičovými pamětmi tzv. RAM a ROM disky. Tato náhrada není omezujícím
faktorem, protože při průmyslovém nasazení se obvykle používají již vyvinuté aplikační
programy uložené na CD-ROM disku.
Pro výběr vhodného průmyslového počítače lze doporučit katalog firmy
Advantech, ve které nalezneme širokou škálu počítačů, měřících karet a dalšího
příslušenství, jako např. panelové provedení PC s dotykovým displejem nebo průmyslovou
30
VUT BRNO, FSI-EÚ
klávesnici a myš. Průmyslová klávesnice a myš jsou vyrobeny na bázi průmyslové pryže
do které jsou zality veškeré součástky. Od běžných zařízení tohoto typu se liší vysokým
stupněm krytí (IP68) a možností užití v širokém rozsahu teplot (0 °C – 50°C). Viz obr. 3.3.
Obr. 3.2 Průmyslová aplikace měřícího systému.
Obr. 3.3 Klávesnice a myš pro průmyslové aplikace.
3.3.3. Mobilní měřící systémy
Mobilní měřící systémy se používají při oživování stabilních průmyslových
systémů, při diagnostice závad zařízení apod.
Mobilní počítačový systém lze řešit různými způsoby:
•
•
•
•
•
Datalogery: přístroje , které měřená data ukládají do své vnitřní paměti, odtud je
lze převést do počítače (obvykle po RS 232, ale dnes i přes USB) a tam
zpracovat.
Měřící ústředny: jsou to procesorové přístroje, které umožňují měřit, ukládat,
případně i zobrazovat měřené veličiny.
Autonomní měřící přístroje: zařízení, které lze spojit s přenosným PC pomocí
sběrnice IEEE 488 nebo RS-232C.
Portable PC neboli kufříkové provedení počítače PC, do kterého lze zasunout
měřící ISA karty.
Notebook s měřící PC-card dříve označovány jako PCMCIA karty jsou speciální
zásuvné karty přibližně velikosti kreditní karty, které jsou uzavřeny v pouzdru.
Sběrnice PC-card je co do signálu kompatibilní s ISA sběrnicí, ale výhodou je že
karty je možné zasunout při zapnutém počítači. Běžné notebooky bývají
vybaveny dvěma sloty pro síťové karty, faxmodemové a síťové karty, ale dnes
také pro multifunkční případně i další měřící karty v provedení PC-card.
31
VUT BRNO, FSI-EÚ
Obr. 3.4 Příklad přenosného počítače
3.4. Rozdělení měřících systémů
Úvod
Měřící systémy jsou oborem historicky poměrně novým. První číslicové měřící
systémy vznikly na přelomu šedesátých a sedmdesátých let v souvislosti s rozvojem
programovatelných kalkulátorů. S využitím moderní procesorové techniky se měřící
systémy postupně specializovaly podle požadavků na rychlost přenosu dat, kapacitu
zpracování a délku přenosové cesty.
Pod pojmem číslicový měřící systém rozumíme takovou sestavu zařízení a jejich
propojení, která umožňuje komplexní řešení měřící úlohy včetně jejího automatického
provedení. Může jít tedy jak o nejjednodušší sestavu složenou z číslicového měřícího
přístroje a řídícího počítače, umožňující pouze automatický odměr měřené veličiny, přenos
výsledků měření do počítače a následné číslicové zpracování včetně prezentace výsledků,
tak o složitý systém vhodný např. pro úplné testování komplikovaných zařízení, kdy se
jedná o řízení komplexního měřícího postupu včetně natavování potřebných akčních
veličin na základě již naměřených hodnot. S požadavky které na měřící systém klademe,
úzce souvisí i výběr jeho vhodného typu a struktury.
Pro laboratorní měřící systémy je typická snadná rekonfigurovatelnost, nižší nároky
na odolnost vůči vnějším vlivům (jak klimatickým vlivům, tak i rušivým
elektromagnetickým polím), krátké komunikační vzdálenosti a v řadě případů vyšší nároky
z hlediska dynamiky měřených veličin. S tím souvisí i požadovaná struktura systému –
v nejjednodušším případě hvězdicová (viz. obr, 3.6a), kdy jsou jednotlivé funkční jednotky
připojeny sériovými linkami RS-232 k samostatným sériovým portům počítače
označených obvykle COM1, COM2, … . To výrazně omezuje jak možný počet
připojených funkčních jednotek, tak i možnou rychlost přenosu dat. Pro připojení
číslicových měřících přístrojů k počítači se proto častěji používá sběrnicová struktura (viz.
obr. 3.6b) s normalizovanou paralelní sběrnicí IEEE 488 (označována též IEC 625,GP-IB,
HP-IB), umožňující jak připojení většího počtu funkčních jednotek, tak i vyšší rychlost
32
VUT BRNO, FSI-EÚ
přenosu dat. Výše uvedené způsoby propojení (RS-232, IEEE 488) budou v současné
době postupně nahrazovány novými rozhraními se sériovým přenosem dat, které byly
původně navrženy a dosud jsou vesměs používány pro jiné aplikace. To se týká zejména
rozhraní USB (Universal serial bus) pro přenosové rychlosti srovnatelné s IEEE 488, které
se v poslední době začínají používat i pro jednoduché měřící systémy využívající
stromovou strukturu (viz. obr. 3.6c). Pro vysoké přenosové rychlosti lze očekávat použití
propojení dle standardu IEEE 1394 – Fire-wire, jež užívají např. firmy Agilent
Technologies a National Instruments pro připojení VXI systému k externímu řídícímu
počítači. Kruhová struktura (viz. obr. 3.6.d) se používá u některých typů průmyslových
sběrnic.
Obr. 3.6 Základní uspořádání měřících systémů
Vnější sběrnice pro propojení jednotlivých funkčních jednotek může být
v některých případech nahrazena vnitřní sběrnicí modulárního systému nebo dokonce
vnitřní sběrnicí řídícího počítače. Funkční jednotky pak mají podobu zásuvných měřících
karet či modulů. Do volných kolektorů vnitřní sběrnice počítače lze zasunout karty
obsahující
např.
analogově-číslicové
nebo
číslicově-analogové
převodníky,
čítače/časovače, filtry apod. s příslušnými obvody rozhraní a tak vytvořit jednoduchý
měřící systém. Pro přenosné měřící systémy využívající notebooků byly vyvinuty karty
typu PC Card. Pokud použijeme průmyslové provedení PC, lze po doplnění systému
vhodným příslušenstvím (oddělovacími předzesilovači, obvody pro připojení senzorů
apod.) takovýto systém použít i jako jednoduchý řídící systém v průmyslových
podmínkách.
3.5. Měřící systémy složené z automatických přístrojů
3.5.1. Systémy se sběrnicí IEEE 488
Systémy složené z autonomních měřících přístrojů propojených standardizovanou
sběrnicí IEEE 488 jsou v současné době nejrozšířenějšími laboratorními systémy vůbec.
Sběrnice byla navržena koncem šedesátých let firmou Hewlett Packard s označením HPIB. V roce 1975 byla publikována americkou standardizační institucí IEEE (Institute of
Electrical and Electronics Engineers) jako standard IEEE 488. V průběhu sedmdesátých a
33
VUT BRNO, FSI-EÚ
osmdesátých let byl tento standard převzat dalšími standardizačními a normalizačními
institucemi. K důležité změně došlo v roce 1987, kdy byly publikovány standardy IEEE
488.1 a IEEE 488.2. Zatímco IEEE 488.1 je pouze revidovaný původní standard z roku
1975, IEEE 488.2 je zcela novým standardem, který detailně definuje funkční a operační
vlastnosti přístrojů s rozhraním IEEE 488.1 (např. požadované funkce rozhraní,
komunikační protokoly včetně ošetřování chybových stavů, syntaxi správ, formáty správ,
formáty dat, strukturu sestavování registrů apod.).
Základní technické parametry sběrnice
Měřící systém podle standardu IEEE 488.1 se skládá z funkčně samostatných
zařízení (přístrojů, počítačů apod.) propojených standardizovanou paralelní sběrnicí.
Základní vlastnosti systému IEEE 488.1 mohou být shrnuty do následujících bodů:
•
•
•
•
•
•
•
celkový počet funkčních jednotek zapojených v systému je maximálně 15;
celková maximální délka sběrnice je 20 m;
maximální vzdálenost mezi dvěma funkčními jednotkami – 2 m;
počet vodičů sběrnice je 24 ( 8 datových DIO1 až DIO8; 3 pro řízení přenosu dat
– DAV,NRFD, NDAC; 5 pro vysílání jednovodičových zpráv – ATN, IFC, REN,
SRQ, EOI; 8 zemnících vodičů);
maximální přenosová rychlost – 1 MB/s (prakticky podstatně nižší 250 až 500
kB/s);
elektrické úrovně signálu – TTL; L (< 0,8 V); H (2,0 V);
logické úrovně signálu – log.1 (TRUE) ~ L; log.0 (FALSE) ~ H.
Obr.3.7 Konektor IEEE 488 a IEC-625
3.5.2. Měřící systémy s propojením RS-232, RS-485
Měřící systémy využívající rozhraní RS-232-C
Sériové rozhraní RS-232-C (standardizované Electronic Industries Association
EIA) bylo původně určeno ke spojení koncového datového zařízení ( Data Terminal
Equipment DTE – např. terminálu a počítače) s komunikačním datovým zařízením (Data
34
VUT BRNO, FSI-EÚ
Communication Equipment DCE – modemem). V průběhu doby se rozhraní RS-232-C
začalo používat i mimo obor telekomunikační techniky. K výraznému rozšíření přispělo
zejména jeho užití v osobních počítačích standardu IBM PC. V současnosti přes všechny
jeho nedostatky (dvoubodové spojení, nízká přenosová rychlost a malá odolnost proti
rušení) má toto rozhraní velmi výrazné postavení v měřící technice, kde je aplikováno
především u levnějších měřících přístrojů, speciálních modulů, inteligentních snímačů
apod.
Elektrické parametry rozhraní
Při sériové komunikaci jsou data vysílána jako posloupnosti jednotlivých bitů,
přičemž v jednom časovém okamžiku je předáván vždy jediný bit. Přenášené bity nabývají
logických hodnot 0 nebo 1. V případě RS-232-C odpovídá logická 1 napěťové úrovni –3
až –15 V, logická 0 úrovni +3 až +15 V. Obvody rozhraní jsou nesymetrické, proto se
uvedené úrovně vztahují k potenciálu nulového signálového vodiče. Odpor zátěže se může
pohybovat v rozmezí 3 až 7 kW , kapacita zátěže nesmí být větší než 2500 pF.
Signály rozhraní RS-232-C
Standard definuje celkem 20 signálů rozhraní a přiřazuje je konkrétním pozicím na
konektoru s 25 kontakty. Typ konektoru není specifikován, prakticky se především
používají konektory Cannon (”D” – shell connector) s 25 nebo 9 kontakty (norma ISO
připouští i 15 a 37 kontaktů) . V případě měřících přístrojů a osobních počítačů se používá
pouze 9 základních signálů (viz. tab. 3.1)
Tab. 3.1 Popis nejdůležitějších 9 signálů rozhraní RS-232-C
Signál
Protective
Ground
Transmitend
Data
Received Data
Request To
Send
Symbol
Číslo kontaktu
konektoru
25
9
kontaktů
kontaktů
Funkce
-
1
-
Ochranný zemnící vodič.
TxD
2
3
Data vysílaná z DTE.
RxD
3
2
RTS
4
7
Clear To Send
CTS
5
8
Data Set Read
DSR
6
6
7
5
Data přijímaná do DTE.
Signál vysílaný z DTE; sděluje DCE,
že DTE je připraveno přijímat data.
Signál vysílaný z DCE; sděluje DTE,
že DCE je připraveno přijímat data od
DTE a vysílat je do komunikačního
kanálu.
že DCE je funkční a připraveno
komunikovat.
Signálový zemnící vodič.
Signal Ground
-
35
VUT BRNO, FSI-EÚ
Data Carrier
Detected
DCD
8
1
že byl detekován signál vysílaný
modemem na opačném konci
komunikačního kanálu.
Data Terminal
Ready
DTR
20
4
Signál vyslaný z DTE; sděluje DCE, že
DTE je funkční.
9
Signál vysílaný z DCE; indikuje
„vyzváněcí“ signál v komunikačním
kanálu (např. telefonní lince).
Ring Indicator
RI
2
Blokové zapojení dvou přístrojů při standardní modemové komunikaci je na
obr.3.8.
Obr. 3.8 Blokové zapojení přístrojů při standardní modemové komunikaci
Parametry sériového asynchronního přenosu
Při asynchronním sériovém přenosu je naprosto nezbytné shodně nastavit formát
přenosu dat a přenosovou rychlost u komunikujících zařízení. Přenosová rychlost se volí
z řady 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, nebo 19200 bit/s. Formát přenosu dat je
zobrazen na obr. 3.9. Skládá se z 1 start bitu, 5 až 8 datových bitů (obvykle 7 nebo 8),
z maximálně 1paritního bitu (může být vynechán) a 1 nebo 2 stop bitů.
Obr. 3.9 Formát přenosu dat RS-232
Komunikace mezi dvěma zařízeními DTE
V převážné většině aplikací RS-232-C v měřící technice jsou propojena dvě
zařízení typu DTE (zpravidla osobní počítač a měřící přístroj nebo měřící přístroj a
36
VUT BRNO, FSI-EÚ
tiskárna) na krátkou vzdálenost (řádově jednotky až desítky metrů). V těchto případech se
používá bez modemového připojení, v němž se přenosový kabel (modem + přenosová
linka, např. telefonní) nahrazuje speciálně zapojeným kabelem (null modem cable), který
zajišťuje vhodné propojení výstupních a vstupních signálů obou zařízení a simuluje tak do
jisté míry činnost modemů. Situace je komplikovaná tím, že výrobci u přístrojů často
používají jen některé z devíti výše uvedených signálů a mimo to jim přidělují jiný funkční
význam.
Příklady bezmodemových propojení jsou na obr. 3.10 a obr. 3.11. Nejjednodušší je
tzv. třívodičové zapojení (obr. 3.10a), ve kterém je použito pouze datových vodičů a
signálové země. Řízení přenosu dat je v tomto zapojení možné pouze programově
(software handshaking). Častou užívanou metodou programového řízení je tzv. protokol
Xon/Xoff, kdy přístroj přijímající data ovládá komunikaci vysíláním speciálních řídicích
znaků. Jestliže je na příjem připraven, vyšle signál Xon (ASCII 19). Přístroj na opačném
konci rozhraní signál identifikuje a začne vysílat. V okamžiku, kdy přijímací přístroj není
schopen data zpracovat, vyšle signál Xoff (ASCII 17), na který druhý přístroj reaguje
přerušením vysílání. Činnost se muže libovolně dlouho opakovat. Nevýhodou uvedené
metody je její omezení na data kódovaná v ASCII kódu a relativně dlouhá reakční doba
(závisí na konkrétním řešení přístroje), po kterou musí přijímací přístroj zachytit vysílaná
data, jinak by došlo k jejich ztrátě.
Obr. 3.10 Bezmodemové propojení: a) třívodičové, b) pětivodičové
Obr.3.11 Bezmodemové propojení - sedmivodičového propojení
Hardwarově řízený přenos dat (hardware handshaking) umožňují zapojení na obr.
3.10b a obr. 3.11. V konkrétní aplikaci je vždy nutné prostudovat dokumentaci obou
zařízení a teprve pak použít vhodné propojení. Výrobci přístrojů obvykle používají buď
dvojici signálů RTS, CTS nebo DTR, DSR (tzv. protokol DTR), případně v kombinaci se
signálem DCD. Signál RI se používá výjimečně.
37
VUT BRNO, FSI-EÚ
Kódování dat
Formát přenosu dat u RS-232-C umožňuje použít různých způsobů kódování dat.
V měřící technice je to zejména kódování ASCII (znaky vysílané v 7-bitovém formátu,
zpravidla s paritou), binární (datové bajty vysílány bez jakékoli úpravy v 8-bitovém
formátu bez parity) nebo Hex (každý znak vysílán v podobě dvou znaků reprezentující
hexadecimální číslice v 7- bitovém formátu s paritou). Tzv. XMODEM protokol, při němž
jsou vysílány pakety po 128 binárně kódovaných bajtech s kontrolní sumou na konci, je
využíván především v telekomunikačních zařízeních.
Způsoby programování RS-232C
U programování systémů s rozhraním RS-232C je důležité důkladné seznámení
s množinou instrukcí měřícího přístroje, který chceme ovládat. Instrukce mají vždy podobu
ASCII řetězců. Moderní přístroje jsou z hlediska programového vybavení navrhovány
podle standardu SCPI, který přispívá k unifikaci programátorského přístupu bez ohledu na
typ rozhraní. Metody programování výrazně závisí na použité řídící jednotce a na výběru
programovacích prostředků.V případě počítačů standardu PC a běžných programovacích
jazyků (C, Pascal, BASIC) lze aplikovat některou z uvedených programovacích technik:
Distribuované měřící systémy
V případě, že jednotlivá měřící místa jsou značně vzdálená jak od řídicího počítače,
tak od sebe navzájem, není vhodné zejména s ohledem na rušení přenášet ze senzorů do
řídícího počítače analogový signál. Pro takovýto případ není tedy použití předchozích
systémů příliš vhodné. Podstatně vhodnější je převést analogový signál na číslicový co
nejblíže senzoru, vhodně jej zakódovat a na větší vzdálenost přenášet v číslicové formě. To
umožňují distribuované průmyslové systémy se sériovou sběrnicí RS – 485 (v některých
případech s možností mezipřevodu na optické vlákno).
V případě měření či regulace rychle se měnících veličin s nutností rychlejšího
vzorkování či kratší reakční doby je nutné použít autonomní měřící či regulační jednotku
s následnou kompresí, či jiným předzpracováním dat. Z této autonomní jednotky se pak do
řídicího počítače přenáší pouze zpracované výsledky měření či zpět pokyny pro ovládání
akčních jednotek, regulátorů atd. ve formě komplexních zpráv na tzv. komunikační úrovni.
V takovémto případě již nemusí být zaručeno rychlé a časově ekvidistantní obnovování
informace a tudíž i délka těchto zpráv nemusí být konstantní, což je výhodné z hlediska
využití komunikační kapacity sběrnice. Zato však musí být zaručen bezchybný přenos
zprávy a na rozdíl od běžných lokálních datových sítí i mechanismus rychlé obsluhy
přerušení v případě žádosti některé jednotky o obsluhu (rychlá reakce na havarijní stavy).
Sběrnice RS-485 a zařízení pro tuto sběrnici
Pro distribuované měřící, řídící a informační systémy je nutnou podmínkou pro
splnění požadované funkce systému vhodné propojení všech prvků. Za prvky systému
považujeme řídicí jednotky, periférie, akční členy, inteligentní senzory.
Vzájemné fyzické propojení několika prvků systému zajišťuje sběrnice. Sběrnicí
rozumíme fyzickou část komunikační cesty mezi prvky systému nebo jeho částmi. Proto
dělíme sběrnice na vnitřní a vnější.
38
VUT BRNO, FSI-EÚ
Vnitřními sběrnicemi rozumíme např. sběrnice počítačů, které jsou nutné pro
funkci daného počítače. Uživatel se s nimi běžně nesetkává. Znalost jejich funkce je nutná
pro analýzu mezních stavů, např. z hlediska spolehlivosti, využití maximální hranice
rychlosti přenosu dat, zálohování dat, diagnostiku poruch a podobně.
Základní vlastnosti sběrnice RS-485
Sběrnice RS-485 je jednou z dalších velmi rozšířených, v současné době
nejpoužívanějších přenosových kanálů se sériovým přenosem dat. Je odvozena od méně
používaného propojení RS-422A, což je stejně jako RS-232 propojení bod-bod, avšak
s diferenčním zapojením vysílačů a přijímačů a s jinými paměťovými úrovněmi (viz.
příloha 7.1.). Jako přenosové médium je zde použit normou blíže nespecifikovaný
dvojdrát. Pro zvýšení odolnosti proti rušení bývá většinou zkroucen popř. i stíněn. Ke
sběrnici může být připojen libovolný počet vysílačů s třístavovým výstupem (samozřejmě
pouze jeden může být aktivní, ostatní musí být uvedeny do stavu vysoké impedance), počet
přijímačů je omezen na 32.
Blokové připojení jednotlivých funkčních jednotek ke sběrnici je uvedeno na obr.
3.12. Jedná se o diferenciální uspořádání, což jednak umožňuje dosažení přenosové
rychlosti až v = 10 Mb/s, jednak zvyšuje odolnost proti rušení. Maximální přenosová
rychlost je pochopitelně omezena též skutečnou délkou sběrnice l (jež může dosahovat dle
8
normy až 1200 m), tedy součinem v.l, pro který v tomto případě platí vl < 10 b.m/s. Další
parametry jsou uvedeny v příloze 7.1. současně s porovnáním s parametry ostatních
rozhraní se sériovým přenosem.
Obr. 3.12 Blokové schéma sběrnice RS-485
Jednotky pro sběrnici RS-485
Jako příklad měřících jednotek uveďme moduly firmy ADAM řady 4000 od
firmy Advantech.
39
VUT BRNO, FSI-EÚ
3.6. Měřící moduly
Úvod
V řadě případů při laboratorním měření a v převážné většině průmyslových aplikací
nelze připojit vstupy řídicího počítače přímo k zařízení, jehož parametry chceme měřit.
V těchto případech je nutné, doplnit zapojení o obvody či moduly pro přizpůsobení a
úpravu signálu. Stejně tak pro galvanické oddělení vstupů a výstupů řídicího počítače se
používají moduly, které mimo oddělovačů často obsahují také zdroj referenčního napětí
resp. proudu pro napájení senzorů a filtry pro filtraci signálu. Řada modulů je vyráběna
s galvanickým oddělením vstupu a výstupu, které fungují jako předzesilovače, filtry, zdroje
proudu resp. převodníky pro přímé připojení řady senzorů neelektrických veličin.
Mezi tyto moduly patří právě moduly ADAM série 4000 od firmy Advantech.
Moduly byly jako první v hromadné výrobě a jimi se inspirovala řada další výrobců.
Modulová řada ADAM 4000 se vyznačuje malými rozměry vlastních jednotek (60
mm x112 mm), malou spotřebou elektrické energie (1 až 3) W a možností montáže na
standardní DIN lištu.
Obr. 3.13 Montážní rozměry modulu ADAM série 4000
Moduly používají komunikační protokol EIA RS-485, to znamená, že použito
pouze dvou drátů pro komunikaci s řídicím počítačem a dalších dvou pro připojení
elektrické energie. Tento protokol je v průmyslové oblasti nejrozšířenější a využívá
dvousměrné standardní přenosové linky (RS-485). RS-485 byly vyvinuty speciálně pro
průmyslové aplikace k vysílání a přijímání dat za vysoké rychlosti a na velké vzdálenosti
(až 1200 m).
40
VUT BRNO, FSI-EÚ
K vysílání a přijímání dat je tedy použito pouze zkrouceného dvoudrátu. Speciální
soustava obvodů zajišťuje čistou a spolehlivou komunikaci potlačováním šumů, které
vznikají na komunikačních cestách. Dvoudrátová technologie RS-485 pro ADAMy
udržuje počet kabelů, konektorů a přídavných komunikačních prostředků ( jako jsou
opakovače a filtry ) na minimální úrovni, zjednodušuje instalaci a snižuje celkové náklady
sítě.
Moduly série ADAM 4000 mají vnitřní vysokonapěťovou ochranu svých datových
linek až 3000 V. Jsou izolovány pomocí optického převodu uvnitř modulu.
Použitím těchto modulů není třeba nastavovat žádné přepínače. Lze je
konfigurovat pro jednotlivé typy senzorů a rozsah vstupu a výstupu pouze zadáním příkazů
z řídicího počítače. Všechny konfigurační parametry (typ senzoru, rozsah, adresa,
přenosová rychlost, chybové hodnoty, atd.) jsou uloženy v paměti EPROM přímo
v modulu.
Všechny příkazy pro ADAMy jsou založeny na ASCII formátu. Toto umožňuje
psát aplikace pro ADAMy v jazyku na jakékoliv úrovni, jako je C, PASCAL, BASIC nebo
LabVIEW. Podpora ASCII znamená, že můžeme použít prakticky jakýkoliv počítač pro
ovládání měřícího systému.
Většina průmyslových počítačových systémů pracuje standardně se sériovým
portem RS-232. Přestože tento široce akceptovaný RS-232 má limitovánu přenosovou
rychlost, rozsah a síťové schopnosti. Standard RS-485 překonává tato omezení použitím
různého napětí linek pro datové a řídící signály. Konverze z RS-232 na RS-485 je zajištěna
pomocí převaděče označeného jako ADAM 4520 nebo 4522.
ADAM 4520/4522
Umožňuje využívat výhody RS-485 i u systémů původně vybavených RS-232.
Tento převaděč konvertuje signál RS-232 na samostatný signál RS-485. To znamená, že
není třeba měnit počítačový hardware ani software. ADAM-4520 umožňuje jednoduše
vybudovat dálkový komunikační systém na průmyslové úrovni se standardním
počítačovým hardwarem.
ADAM-4520 je vybaven konektorem RS-232 DB-9. Tento konektor umožňuje
jednoduché propojení s téměř každým počítačem, který podporuje RS-232.
Spojení RS-485 je uskutečňováno přes šroubovací terminály, které jsou
uzpůsobeny pro zapojení krouceného páru drátů. Kroucený pár drátů umožní posílat RS485 signál přes celou EIA standardní vzdálenost (1200 m). Šroubovací snadno
výjmutelné konektory umožňují vypojení modulu i bez narušení elektroinstalace.
Obr. 3.14 Převodník 232/485 ADAM 4520
41
VUT BRNO, FSI-EÚ
Obr. 3.15 Schéma převodu ADAM 4520 RS-232/RS-485
Případné rozšíření sítě (na vzdálenosti větší než 1200 m) lze zajistit pomocí tzv.
opakovačů.
Opakovače ADAM-4510 RS-485 pouze podporují existující signály a umožňují jim
přenos na větší vzdálenosti.
Každý opakovač ADAM-4510 umožňuje přidat do sítě 32 modulů série ADAM
4000, nebo rozšířit síť o dalších 1200 m. Do jedné sítě RS-485 můžete zapojit až 256
modulů série ADAM 4000.
ADAM 4018
ADAM-4018 je šestnáctibitový, osmikanálový analogový vstupní modul, který
zabezpečuje programovatelnost vstupních rozsahů na všech kanálech. Tyto moduly jsou
cenově výhodným řešením pro průmyslové měření a monitorování aplikací. Zajišťují
převod analogového neelektrického signálu na číslicový signál, který je pak posílán po
sběrnici RS-485 k řídicímu počítači.
Obr. 3.16 ADAM 4018
42
VUT BRNO, FSI-EÚ
Technické parametry ADAMu 4018:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Možnost připojení termočlánků typu J, K, T, E, R, S a B
Vstupní rozsah napětí a proudu: ± 15 mV, ± 50 mV, ± 100 mV, ± 500 mV, ± 1
V, ± 2,5 V a ± 20 mA
Komunikační sběrnice: RS-485.
Rychlost přenosu dat v b/s: 1200; 2400; 4800; 9600; 19,2k; 38,4k.
Max. komunikační vzdálenost: 1200 m.
Izolační pevnost: 3000 V
Přesnost: ± 0,1 %
Výstupní impedance: 1,8 M Ω
Napájecí napětí: +10 až +30 Vs
Spotřeba elektrické energie: 0,8 W
Obr. 3.17 Vnitřní zapojení modulu ADAM 4018
ADAM – 4550 Radio modem
ADAM 4550 je nový radio modem, který pracuje s přímosekvenčním šířením
radiového spektra. Komunikuje na frekvenci 2,4 GHz pásma ISM, což umožňuje jeho
volné použití, tj. vyhovuje evropským telekomunikačním standardům pro nelicenční šíření
radiového spektra.
V základním vybavení má dosah 150 m , což zajišťuje malá anténa na zadní straně
modulu, viz. následující obr. 3.18.
43
VUT BRNO, FSI-EÚ
Obr. 3.18 ADAM 4550 Radio modem s možností jeho zapojení.
Ve volném prostoru s použitím velké externí antény lze zvětšit dosah až na 20 km.
Komunikace s řídícím počítačem je zajišťována přes rozhraní RS-232 i RS-485
rychlostí 1200 b/s až 115,2 kb/s.
3.7. Senzory
Technické parametry senzorů
Typické vlastnosti charakterizující základní statické a dynamické vlastnosti senzorů
lze shrnout do následujícího přehledu:
Statické parametry:
• Citlivost
• Práh citlivosti
• Dynamický rozsah
• Reprodukovatelnost
• Rozlišitelnost
• Aditivní a multiplikativní chyby
• Linearita
• Parametry výstupu
Dynamické parametry:
• Parametry časové odezvy
• Časová konstanta
• Šíře frekvenčního pásma
• Frekvenční rozsah
• Rychlost číslicového přenosu
• Parametry šumu
3.7.1. Teplotní senzor AD592
Charakteristické znaky:
•
•
•
•
•
•
•
•
Vysoká předkalibrovaná přesnost: 0,5°C max. +25°C.
Výborná linearita 0,15 max. v oblasti teplot od 0°C do 70°C
Široký teplotní rozsah: -25°C až +105°C.
Rozsah napájecího napětí +4 až +30 V
Výborná opakovatelnost a stálost.
Vysoká hladina výstupu: 1 µA/K.
Dvoukoncovkový monolitický integrovaný obvod (IO): teplota na vstupu /proud
na výstupu.
Minimální chyba způsobená vlastním ohřevem.
44
VUT BRNO, FSI-EÚ
Obr. 3.19 Rozměry senzoru AD 592
Popis senzoru AD592
AD592 je dvousvorkový monolitický integrovaný obvod - „teplotní převodník“,
který na výstupu poskytuje proud úměrný absolutní teplotě. Díky širokému rozsahu napětí
slouží snímač jako vysoce impedanční, na teplotě závislý zdroj proudu o hodnotě 1 µA/K.
Obr. 3.20 Znázornění závislosti absolutní teploty na výstupním proudu
Oproti předchozím verzím, vylepšený design a laserem vrstvené odpory
integrovaného obvodu, dovolují AD592 dosáhnout vysoké úrovně přesnosti a nízké
nelinearity chyb dříve nedosažitelné v této cenové hladině.
AD592 může být použit v teplotním rozsahu od –25°C až do +105°C. V tomto
teplotním rozsahu jsou obvykle používána teplotní čidla jako např. termistor, RTD,
termočlánek, dioda, které jsou při stejných parametrech nesrovnatelně dražší především
proto, že je nutné použít pro jejich funkci dalších nákladných prvků jako jsou např. lineární
obvody, přesné napěťové odkazy, můstky, odporové měřící obvody, kompenzátory
studených konců, atd. To však není potřeba při použití AD592, a právě to zněj dělá cenově
velice efektivní teplotní snímač.
Typické oblasti použití AD592
AD592 se používají např. jako teplotní senzory, pro automatická měření a řízení
teploty, pro systémy monitorující topení, klimatizace a ventilace, pro průmyslové řízení
45
VUT BRNO, FSI-EÚ
teploty, kompenzace studeného spoje termočlánku. Obzvláště vhodné jsou v zařízeních
snímajících dálkově. AD592 je totiž odolný proti náhlému poklesu napětí a napěťovému
úbytku na dlouhém vedení a to díky jeho vysokoimpedančnímu napěťovému výstupu.
AD592 je uloženo v plastovém obalu TO-92 dimenzovaného pro teploty od -45°C
do +125°C. Použití je však v rozsahu od –25°C do +105°C.
Teorie provozu
AD592 využívá základních vlastností křemíkových tranzistorů, kterou je schopnost
zjistit teplotu úměrně k proudovému výstupu. Pokud dva stejné tranzistory pracují při
konstantním poměru kolektorových proudových hustot – r, pak rozdíl základního zdroje
napětí bude:
∆U =
kT
. ln r
q
Pokud Boltzmannova konstanta i náboj elektronu (q) jsou konstantní, výsledné
napětí je přímo úměrné absolutní teplotě (PTAT). AD592 převádí toto rozdílné napětí na
PTAT proud pomocí nízkoteplotního koeficientu tenké vrstvy odporů. Tento PTAT proud
je pak použit k tomu, aby celkový výsledný proud byl přímo úměrný stupňům Kelvina.
Výsledkem je zdroj proudu s výstupem, který je roven násobku převodního faktoru a
teploty senzoru. Obr. 3.21 znázorňuje průběh napětí a proudu v obvodu při 25°C a při
extrémních teplotách (-25°C, +105°C).
Obr. 3.21 Průběh napětí a proudu v obvodu při 25°C a při extrémních teplotách
(-25°C, +105°C)
Tovární nastavení převodního faktoru na 1 µA/K je upraveno vrstvenou úrovní tak,
aby načítané teploty AD592 korespondovaly s aktuální teplotou. Během laserové úpravy
má IC teplotu kolem 25°C a je napájeno napětím o hodnotě 5V. Zařízení je pak baleno a
automaticky teplotně testováno.
Faktory ovlivňující přesnost
Limity přesnosti uvedené v příloze 7.3. usnadňují použití AD592 v různých
aplikacích. Pro výpočet celkové chyby v daném systému je důležité správně interpretovat
charakteristiky přesnosti, chyby nelinearity, reakce obvodu na změny napětí a vliv okolní
46
VUT BRNO, FSI-EÚ
teploty. Stejně jako u jiných elektronických provedení bude mít hlavní vliv na přesnost
výběr externích komponentů.
Chyba nastavení, absolutní přesnost a charakteristiky nelinearity
Pro AD592 jsou dány tři základní chybové limity, které umožňují vybrat správný
stupeň pro jakoukoliv aplikaci při jakékoliv úrovni přesnosti. Je to nastavitelná přesnost při
25°C, teplotní chyba od 0°C do 70°C a teplotní chyba od –25°C do 105°C. Tyto tři
charakteristiky mají vztah k aktuální chybě, kterou uživatel zjistí, pokud proudový výstup
AD592 byl přeměněn na napětí přesným odporem. Všimněme si, že maximální chyba při
pokojové teplotě, přes komerční IC rozsah teplot nebo rozšířené teplotní pásmo zahrnující
bod varu vody, může být vyčtena přímo z tabulky charakteristik.Všechny tři chybové
limity jsou kombinací počáteční chyby, změn převodního faktoru a nelineární odchylky od
ideálního výstupu 1 µA/K. Obr. 3.22 znázorňuje garantovanou přesnost pro AD592 CN
(pro nejpřesnější ze tří AD592 viz. příloha 7.3.).
Obr. 3.22 Graf garantované přesnosti pro AD 592 CN.
AD592 má vysoce lineární výstup v porovnání se starší technologií senzorů (např.
termistory, RTD a termočlánky), proto je chyba nelinearity určována odděleně od absolutní
přesnosti, která je dána teplotou. Jako maximální odchylku od přímky tato charakteristika
představuje jedinou chybu, která nemůže být odstraněna. Obr. 3.23 zachycuje průběh
typické nelinearity AD592 CN v rozsahu celého teplotního pásma.
Obr. 3.23 Odchylka od linearity.
47
VUT BRNO, FSI-EÚ
3.7.2. Termoelektrické snímače teploty (termočlánky)
Princip termočlánků
Zahříváním spoje dvou různých elektricky vodivých látek vzniká potenciální
rozdíl, ze kterého lze usuzovat na teplotu spoje. Termoelektrické teploměry jsou vybaveny
termoelektrickými čidly – termočlánky. Termočlánek představuje dva různé vodiče, které
jsou na jednom konci vzájemně spojeny, nejlépe svařením nebo pájením a na druhém
konci jsou připojeny na svorkovnici viz. obr. 3.24. Vzhledem k relativně malému rozměru
termočlánkového spoje lze termočlánky využít i pro dynamická měření teplot nebo
k měření teplot povrchů. Příklady vhodných dvojic kovů pro zhotovení termočlánků a
teplotní rozsahy jsou uvedeny v následující tabulce.
Tab. 3.2 Typy termočlánků podle ČSN EN 25 8304
Značení
Materiály
Barevné značení
T
J
L
E
K
S
R
B
A
Cu – CuNi
Fe – CuNi
Fe – ko
NiCr – CuNi
NiCr – NiAl
PtRh10 – Pt
PtRh13 – Pt
PtRh30 – PtRh6
WRe5 – Wre20
Oranžová
Černá
Hnědá
Žlutá
Zelená
Zelená
Fialová
-
Rozsah teplot
[°C]
-200 až 400
-200 až 900
-200 až 900
-200 až 1300
0 až 1600
0 až 1600
300 až 1800
0 až 2500
Norma ČSN EN 25 8304 obsahuje tabulky základních hodnot termoelektrického
napětí jednotlivých termočlánků a polynomy pro výpočet jejich charakteristik
Plášťové termočlánky mají plášť z nerezavějící oceli, inconelu apod.Vodiče mohou
být v plášti izolovány stlačeným MgO nebo Al2O3. Spoje termočlánků mohou být
propojené s pláštěm (uzemněné) nebo izolované, popřípadě otevřené – termočlánek bez
pláště a izolace. Krajní náhodné chyby termočlánků mohou být u laboratorních měření od
0,2 K a u provozních měření se pohybují v jednotkách kelvina, přičemž větší chyba je při
měření vyšších teplot.
Vlastní zapojení termočlánků muže být různé. Přímé zapojení (obr. 3.24a) obsahuje
pouze jeden termočlánkový spoj ts, který je umístěn v měřeném prostředí. Napětí U
měřené na volných koncích termočlánku (svorkách) je úměrné teplotní diferenci mezi
termočlánkovým spojem ts a teplotou na svorkách rs, které se chovají jako referenční –
studené spoje. Pokud měříme teplotu referenčních spojů, nebo pokud měřící přístroj
udržuje referenční spoje na známé teplotě, lze určit absolutní teplotu termočlánkového
spoje ts tj. v místě měření. V laboratorních podmínkách, ale i v provozních měřeních se
používá nejvhodnější zapojení podle obr. 3.24b, kde referenční studený spoj (zde druhý
termočlánkový spoj) je umístěn ve zvláštním prostoru s konstantní teplotou ( směs vody
s ledovou tříští, termostat pro udržování teplot referenčních spojů termočlánků apod.) Pro
zesílení výstupního napětí lze termočlánky řadit sériově podle obr. 3.24c.
48
VUT BRNO, FSI-EÚ
a) přímé
b) diferenční
c) sériové
Obr. 3.24 Zapojení termočlánků
3.7.3. Srovnání senzoru AD592 a termočlánků
Výhodou AD592 oproti termočlánkům je
především jejich jednoduchost
v zapojení a nízká cena. AD592 nevyžaduje žádné kompenzátory studených konců ani jiná
přídavná zařízení, a právě to zněj dělá cenově velice efektivní teplotní snímač. Chyby
měření jsou srovnatelné s nejpřesnější verzí AD592CN, u kterého je chyba měření
dokonce menší než u termočlánků. AD592 dosahují vysoké úrovně přesnosti a nízké
nelinearity chyb dříve nedosažitelné v této cenové hladině. Obzvláště vhodné jsou pro
měření na dlouhých měřících trasách. AD592 je totiž odolný proti náhlému poklesu napětí
a napěťovému úbytku na dlouhém vedení, a to díky jeho vysokoimpedančnímu
napěťovému výstupu.
Výhodou termočlánků oproti AD592 je možnost použití ve větším rozsahu teplot .
Pro aplikaci v Eko-domě VUES je však teplotní rozsah –25 až +105°C postačující.
3.8. Návrh měřících modulů a senzorů pro Eko-dům VUES
Systém sběru dat v Eko-domě VUES byl nainstalován za účelem výzkumu
charakteristik solárních vzduchových kolektorů. Tento sytém zahrnuje tři moduly
ADAM 4018 (Advantech), z nichž každý má osm napěťových vstupů. Moduly jsou
propojeny s počítačem přes RS-485 sériový port a komunikační modul ADAM 4520.
Pro měření teploty jsou použity, teplotní senzory AD592 (Analog Devices).
Umístění senzorů je zachyceno na obr. 3.25. V současnosti je na slunečních vzduchových
kolektorech nainstalováno 15 teplotních čidel. V budoucnu je naplánováno rozšíření na
další tři sekce vzduchového kolektoru, kde bude měřena pouze vstupní a výstupní teplota
z kolektoru.
Teplotní senzory jsou umístěny na vnější části každé sekce s odlišnou absorpční
fólií. Kromě vstupní a výstupní teploty je také sledována teplota ve třech mezipozicích.
49
VUT BRNO, FSI-EÚ
Obr. 3.25 Rozmístění senzorů AD592 v solárním vzduchovém kolektoru.
Povětrnostní podmínky (globální sluneční záření, venkovní teplota vzduchu)
v oblasti umístění Eko-domu byly monitorovány pomocí systému sběru dat VÚES Brno.
Pro měření globálního slunečního záření byl použit pyranometr Kipp&Zonen CM 05. Oba
systémy sběru dat obsahují časovou synchronizaci pomocí přijímače přesného času
DFC-77.
Zdroj
stejnosměrného
napětí 24 V pro
síť ADAMů.
Obr. 3.26 Síť modulů ADAM 4000 - zapojení v Eko-domě VUES Podolí
Díky dobré konstrukci modulů ADAM série 4000 je jejich montáž velice snadná.
Lze je připevnit na jakoukoli stěnu pomocí dvou šroubů. V Eko-domě VUES jsou moduly
ADAM 4018 přišroubovány na rámu špaletového okna pod každým ze čtyř měřených
sektorů viz. obr. 3.27.
50
VUT BRNO, FSI-EÚ
Obr. 3.27 Umístění modulu ADAM 4018 v Eko-domě VUES Podolí.
Zapojení modulu ADAM 4018 a senzoru AD592
Zapojení je nutno věnovat dostatečnou pozornost, aby nedošlo k chybě která by
mohla vést k poškození číslicových modulů. Především je nutno dát pozor na připojení
zdroje stejnosměrného napětí (24V).
Popis kontaktů modulu ADAM 4018:
(Y) DATA +
datová linka RS-485 …žlutý drát
(G) DATA -
datová linka RS-485 …černý drát
(R) + Vs
kladný vodič napájení …červený drát
(B) GND
záporný vodič napájení (společné uzemnění) …bílý drát
Vin0 + až Vin7+
připojení senzorů – kladný pól
Vin0 - až Vin7 -
připojení senzorů – záporný pól
Popis kontaktů senzoru AD592:
Obr. 3.28 Kontakty senzorů AD592
PIN 3 (-)
připojení zdroje stejnosměrného napětí – záporný pól.
PIN 2 (NC)
nevyužito
PIN 1 (+)
připojení zdroje stejnosměrného napětí – kladný pól.
51
VUT BRNO, FSI-EÚ
k ADAM 4520 - 485/232
k dalšímu ADAM 4018
Obr. 3.29 Schéma zapojení modulu ADAM 4018 a senzoru AD592.
3.9. Doplňky měřícího systému
3.9.1. Zajištění přesného času pro měřící systém
Každé quarzové hodiny, tedy i systémové hodiny v PC resp. v serveru se z
fyzikální podstaty věci trvale odchylují od úředního a tedy správného času, v našem
případě SEČ.
Moderní fyzika poskytuje možnost generovat tento čas, tzv. časový normál UTC, s
přesností větší než jedna nanosekunda a to rozpadem např. Cesia v tzv. atomových
hodinách. Moderní radiotechnika pak dokáže šířit stavy těchto hodin, tzv. časové a
kalendářní značky, na kterékoliv jiné hodiny, opatřené přijímačem signálu DCF'77 a trvale
je dálkově seřizovat včetně změn na letní a zimní čas.
Dosah vysílaného signálu je spolehlivě v okruhu 1500 km od vysílače, tj.
Frankfurtu n/M. Provoz hodin a vysílacího systému je hrazen ze státního rozpočtu SRN,
příjem signálů je pro ČR a SR bezplatný. Tím mohou všechny Vaše nástěnné, náramkové,
počítačové, věžní aj. hodiny jít trvale správně a shodně, pokud mají zabudován přijímač
DCF'77, resp. pokud je k PC nebo serveru připojen tzv. RPC-DCF modul. Ten navíc
dovede v PC zobrazit všechny požadavky z hlediska Y2K, tj. opravit případný chybný
52
VUT BRNO, FSI-EÚ
výstup systémem vykazovaného dosavadního i nového letopočtu na správný čtyřmístný
údaj o tisíciletí.
Obr. 3.30 Přijímač a ovladač času DCF´77
Ovladačem času DCF´77 rozumíme zařízení, zabezpečující průběžné
synchronizování systémových hodin v našem počítači s atomovými hodinami PTB v
Braunschweigu a to prostřednictvím časového radiosignálu 77,5kHz.
Ovladač času pro počítač sestává z:
•
•
hardwaru, tj. vlastního modulu RPC (Radio Precision Clock) včetně
integrovaného přijímače s anténou, LED indikátorem aktuálního příjmu signálu a
přívodního kabelu 180 cm se zástrčkou RS232 9pin,
příslušného software podle druhu operačního systému, pod kterým chceme
instalaci provádět.
3.9.2. Dálková komunikace s měřícím systémem
GSM síť
Současný dynamický rozvoj GSM sítě a také telefonních přístrojů, které se nejen
stále více zmenšují, ale především, k odivu nás všech, umožňují stále širší využití. Již
neslouží pouze k telefonování, ale mohou se stát například jakýmsi dálkovým ovládáním,
které samozřejmě ve spojení s počítačem umožňuje řídit nejrozličnější operace
každodenního života. Této technologie lze využít např. k přenosu naměřených dat,
k regulačním zásahům, k hlášení případných poruch na měřícím nebo výkonovém zařízení
a jejich případné odstranění, nebo v případě nutnosti vyřazení zařízení z provozu apod.
Aby toto všechno fungovat je nutné, aby telefonní přístroj byl vybaven funkcí
fax/datového přenosu, která se v současné době již stala samozřejmostí. Pomocí této
funkce je možné odesílat i přijímat fax, přenášet všechny druhy počítačových dat a také
používat databázové aplikace přes mobilní síť tj. připojení sítě INTERNET apod.
Komunikaci mezi mobilním telefonem a počítačem lze realizovat pomocí AT
příkazů přes IR (infračervený) port nebo připojením přes sériový kabel (RS-232 9-pin).
Toto vybavení je dnes běžně k dostání.
Jistou nevýhodou stále zůstává fakt, že ceny nejen za tyto služby, ale i technické
vybavení jsou stále vysoké, což brání širšímu využití. Použitelnost této technologie se tedy
omezuje pouze na zasílání krátkých textových zpráv o stavu měření nebo případných
poruchách na straně měřícího systému a na případné zasílání krátkých textových zpráv
z mobilního telefonu k jejich odstranění.
53
VUT BRNO, FSI-EÚ
Pevná síť
Pevná síť je pro dálkový přenos dat a ovládání měřícího systému přijatelnější
variantou. Nejen díky nižším cenám, ale také vyšším přenosovým rychlostem. Nevýhodou
muže být pouze to, že jsme vázáni na jedno místo.
Pro dálkovou komunikaci se vzdáleným systémem je na trhu řada softwaru, který
umožňuje nejen stahování naměřených dat, ale i správu celého systému (samozřejmě je
nutné znát příslušné přístupové kódy).
V současné době u nás přichází na trh nová komunikační technologie ISDN, která
umožňuje připojení na Internet garantovanou rychlostí 64 kb/s a v blízké budoucnosti
slibuje dvojnásobné zvýšení rychlosti na 128 kb/s. Výhodou linky ISDN je možnost na
jedné lince provozovat dvě nezávislé činnosti (např. surfovat a telefonovat současně). To
vše umožňuje kvalitnější a rychlejší správu vzdáleného měřícího systému.
3.9.3. Záložní zdroje elektrické energie
Proč nezávislý zdroj energie?
Za tři měsíce mají data uložená na počítači obvykle vyšší hodnotu než vlastní
počítač. Na síťovém serveru souborů může hodnota těchto dat přesáhnout hodnotu počítače
za několik dní. Když dojde k výpadku vaší sítě, rozpracovaná práce okamžitě zmizí. Svá
data a produktivitu své pracovní skupiny lze nejlépe ochránit pomocí záložních jednotek
elektrické energie. Např. jednotky Smart-UPS společnosti APC.
Funkce UPS
UPS, z anglické zkratky Uninterruptible Power Supply (zdroje nepřetržitého
napájení), jsou zařízení jejichž funkcí je zpravidla krátkodobá dodávka energie (minuty až
hodiny) v případě nestability vstupního napětí či úplném výpadku sítě. Úlohou UPS je
chránit data a citlivá zařízení před poškozením vlivem nepředvídaných událostí na síti,
jako jsou šumy, rázy, napěťové špičky, poklesy napětí nebo úplné výpadky. Dojde-li k
výpadku elektrické energie, záložní zdroj dodává spotřebiči energii ze svých akumulátorů.
Vzhledem k ceně elektronických zařízení a přenášených dat jsou UPS nezbytným
vybavením všech informačních systémů. Záložní zdroje však pracují také na místech, kde
výpadek elektrické energie může znamenat ohrožení zdraví a života, nebo značné
materiální ztráty. Takovými oblastmi jsou např. zdravotnictví, doprava, ozbrojené sbory,
zabezpečovací a měřící technika.
Princip činnosti
Záložní zdroje nepřetržitého napájení jsou v zásadě rozděleny do dvou skupin a to
podle technologie, kterou využívají:
- UPS kategorie on-line napájí spotřebič prostřednictvím měniče trvale z
akumulátorů, které jsou současně dobíjeny ze sítě. UPS provádí stabilizaci a filtraci napětí.
54
VUT BRNO, FSI-EÚ
V případě výpadku či poklesu napětí dodávají akumulátory energii bez jakéhokoliv
přerušení.
Obr. 3.31 On-line uspořádání UPS pří dodávce elektrické energie ze sítě.
Výhody:
•
•
•
možnost bezproblémového napájení ze slabých a nestálých zdrojů elektrického
napětí
velmi spolehlivá dodávka energie
vyrovnané napětí pro aplikaci
Nevýhody:
•
•
průměrná účinnost
ve své podstatě drahá technologie
Obr. 3.32 Line-interaktivní uspořádání UPS pří dodávce elektrické energie ze sítě.
V průběhu bezporuchové dodávky elektrické energie je dobíjena baterie a
připojené zařízení je napájeno přímo ze sítě. V případě výpku dodávky elektrické energie
ze sítě dojde k přepnutí přepínače (switch) a zařízení je napájeno ze záložní baterie.
55
VUT BRNO, FSI-EÚ
Výhody:
•
•
•
•
spolehlivá dodávka energie
vyrovnané napětí pro aplikaci
levnější než on-line
vysoká výkonnost
Nevýhody:
•
•
nemůže pracovat ze slabých nebo nestálých zdrojů
neobsahuje frekvenční stabilizaci
- UPS kategorie off-line přepíná v případě výpadku energie ze sítě přepíná pomocí
relé odběr na záložní měnič napájený z akumulátorů. Dochází tedy ke krátkodobému
(zhruba 4ms) výpadku.
Obr. 3.33 Off-line uspořádání UPS pří dodávce elektrické energie ze sítě.
Výhody:
•
•
v podstatě levná technologie
spolehlivá dodávka energie
Nevýhody:
•
•
nemůže pracovat ze slabých a nestálých zdrojů
dodávaná energie není filtrovaná
56
VUT BRNO, FSI-EÚ
Záložní zdroje SMART-UPS společnosti APC
Obr. 3.34. Záložní zdroje SMART-UPS společnosti APC
Smart-UPS chrání data pomocí zálohovací baterie pro síť pro případ výpadku
napájení. Pomocí softwaru PowerChute plus, zdroj nepřerušitelného napájení (UPS)
bezpečně uloží data a uzavře operační systém před tím než se baterie plně vybije.
Potlačení rázů a filtrování šumů
Hardware je chráněn a životnost systému prodloužena pomocí konstantního
několikastupňového systému pro potlačení rázů v síti a filtrování šumů.
Inteligentní správa baterií CellGuard jejich životnost prodlužuje
Software PowerChute plus zajišťuje rozsáhlé řízení napájení a diagnostiku UPS.
Uživatelem vyměnitelný systém baterií QuickSwap umožňuje vyměnit na místě baterie při
spuštěném systému.
Line-interaktivní design zajišťuje vynikající výkonnost a spolehlivost
Moderní line-interaktivní design používá během normálního chodu “reverzně”
měnič stejnosměrného proudu na střídavý proud, čímž zajišťuje lepší výkonnost, filtrování
a efektivnost. Menší počet méně namáhaných komponent zajišťuje větší spolehlivost než
neefektivní online jednotky UPS s dvojitou konverzí. Line-interaktivní topologie je
efektivní přibližně z 98%, což zajišťuje velmi vysokou spolehlivost. Většina systémů
online má naopak efektivnost přibližně 70%, což znamená o 30% větší náklady na cyklus
životnosti. Navíc přebytečná energie z on-line UPS se převede na teplo, které poškozuje
baterie a snižuje spolehlivost.
Port rozhraní sítě zajišťuje automatické bezpečné uzavření systému
Po instalaci je systém Smart-UPS APC připojen k síti přes rozhraní sériového
portu, aby mohl provést automatické uzavření. K výpadkům napájení může dojít v noci, o
víkendech nebo v době, kdy je správce systému mimo budovu, z tohoto důvodu je
57
VUT BRNO, FSI-EÚ
bezpečné automatické uzavření systému zásadně důležité. Komunikační port Smart-UPS
umožňuje bezpečné uzavření v kombinaci s většinou populárních operačních systémů
Microsoft, Novell, IBM, Banyan, UNIX a dalšími systémy. Pomocí softwaru APC
PowerChute plus můžete řídit napájení UPS a diagnostikovat problémy s napájením.
Diagnostika
Varování o potřebě výměny baterie snižuje prostoje.
Systém Smart-UPS společnosti APC automaticky provádí autotest každé dva týdny.
Tím je zajištěno, že budeme upozorněni o docházejících bateriích před jejich vybitím.
Tento autotest můžeme provést kdykoli prostřednictvím softwaru nebo stisknutím tlačítka.
Měřič zatížení a voltmetr zajišťuje vaši kontrolu
Měřič zatížení vám zabrání v překročení kapacity UPS. Voltmetr ukazuje napětí v
síti a kapacitu baterie, aby bylo zřejmé, kolik času zbývá před vybitím baterií. Při snížení
náboje baterií zazní varovný signál, v dostatečném předstihu aby bylo možno uložit data a
uzavřít systém.
58
VUT BRNO, FSI-EÚ
4. POPIS PROGRAMU – VIRTUÁLNÍHO MĚŘÍCÍHO PŘÍSTROJE
V této části budou zběžně vysvětleny základní části z niž sestává virtuální měřící
přístroj v Eko-domě.
4.1. Čelní panel
Grafické rozhraní plní k uživateli tutéž úlohu jako čelní panel fyzického měřícího
přístroje. Pro vytváření čelního panelu je v prostředí LabVIEW k dispozici samostatné
okno, ze kterého si uživatel vybírá požadované komponenty.
Na čelním panelu se nacházejí dva typy objektů:
•
•
Ovládací (controls) - signalizují vstupní zařízení (v blokovém schématu jsou
reprezentovány vstupními bloky) a slouží pro ovládání virtuálního přístroje –
zprostředkovávají tedy vstup informací od uživatele do aplikace.
Indikační (indicators) – signalizují výstupní zařízení ( v blokovém schématu
jsou reprezentovány výstupními bloky) a slouží k indikaci stavu virtuálního
přístroje a výstupu výsledků měření – zprostředkují tedy předávání informací
k uživateli.
Příklad toho, jak může vypadat čelní panel virtuálního přístroje je předveden na
aplikaci měřícího systému v Eko-domě VUES Podolí. Celkový pohled na čelní panel je
uveden v příloze 7.4.
Panely základního nastavení měřícího systému
Obr. 4.1 Panely základního nastavení virtuálního měřícího přístroje v Eko-domě VUES.
OVLÁDACÍ PRVKY PANELŮ ZÁKLADNÍHO NASTAVENÍ
Panely jsou umístěny v horní části čelního panelu měřícího virtuálního přístroje
v barvách odpovídajících danému měřenému sektoru viz. obr. 4.1. Hodnoty v bílých
polích těchto tří panelů (adresa, rozsah časové osy, interval odčítání , výběr cesty pro
ukládání dat) jsou předdefinovány v základním programu, ale jejich hodnotu (řetězec) lze
59
VUT BRNO, FSI-EÚ
měnit v průběhu měření (změna se projeví až po uplynutí nastaveného „Intervalu
odčítání“). Změnu hodnot lze provést pomocí polohovacího zařízení (myš) a klávesnice
nebo jen pomocí polohovacího zařízení. Toto nastavení pak platí jen do doby zastavení
(vypnutí) měření. Pokud je potřeba tyto hodnoty trvale změnit je nutný zásah do
základního programu.
Popis jednotlivých ovládacích polí
•
•
•
•
Adresa - zde zadáváme adresu měřeného sektoru, respektive adresu ADAMu
4018, který přísluší danému měřenému sektoru. Tímto příkazem ( jedná se ve své
podstatě o jeden ze sady AT příkazů pro ADAM série 4000) je vyvolávaná
adresa nastavena v příslušném ADAMu již při prvotní instalaci měřícího
systému. Možnost nastavení adresy je jednou ze základních funkcí modulů
ADAM série 4000.
Rozsah časové osy – standardně je osa x grafů průběhu teplot nastavena na
viditelné pásmo 60-ti minut.
Interval odčítání - časový interval, po jehož uplynutí dojde k načtení hodnot
právě předaných ze senzorů AD592 do modulů ADAM 4018.
Výběr cesty pro ukládání dat – cesta pro uložení dat je sestavena ze dvou částí a
to z pevné cesty, která je nastavena v základním programu (program si vytvoří
adresář DATA na pevném disku počítače tj. C:\DATA) a proměnné části, která
se mění v závislosti na aktuálním datu (vytvoří se např. adresář 16_5_2001) a
v závislosti na označení měřícího ADAMu ( vytvoří se např. soubor #01.xls).
Konečná cesta má pak následující tvar: C:\DATA\16_5_2001\#01.xls.
INDIKAČNÍ PRVKY PANELU ZÁKLADNÍHO NASTAVENÍ
Zbývající dvě šedá pole (chybová zpráva, přesné umístění dat) pouze indikují stav
základního nastavení, nelze je tedy nijak měnit.
Popis jednotlivých indikačních polí
•
•
Chybová zpráva - indikuje případné chyby vzniklé při komunikaci po sběrnici
RS-232 tj. s převodníkem ADAM 4520.
Přesné umístění dat - zobrazuje kam se naměřená data ukládají na pevném disku
řídicího počítače.
Nastavení komunikačního portu
Při spuštění měřícího programu je nejprve spuštěn panel pro nastavení
komunikačního portu měřícího systému obr. 4.2). Na tomto panelu nastavujeme použitý
komunikační port a jeho základní parametry, jako je:
•
•
Označení portu (ComPort): vybereme port ke kterému je připojen měřící systém
např. COM1, COM2,…
Přenosová rychlost dat (BaudRate): doporučuje se komunikační rychlost 9600
bit/s.
60
VUT BRNO, FSI-EÚ
Formát přenosu dat:
• Parita (Parity): paritní bit je vynechán tj. nastavená hodnota „NONE“.
• Počet datových bitů (DataBits): standardně nastaven 8 datových bitů.
• Stop bit (StopBits): standardně nastaven 1 stop bit.
• Typ přenosové sběrnice (TxMode): komunikace s ADAM 4520 je přes RS-232
(sériový port)
• Adresa připojení portu k základní desce počítače (PortAdr): při standardním
zapojení je hodnota 3F8
Obr. 4.2 Nastavení komunikačního portu
Monitorovací panel měřícího systému
Tento panel obsahuje pouze indikační pole a je umístěn ve středové části čelního
panelu. Zobrazují se zde hodnoty právě odečtených teplot. Hodnoty jsou umístěny na
fotografii skutečného objektu, přibližně v místech kde se nachází měřící senzory. Je zde
také umístěn indikátor vnější teploty. Ten v současné době není z technických důvodů
funkční. Hodnoty pro tento teploměr jsou v programu pro demonstraci generovány pomocí
náhodných čísel. Grafy znázorňují průběh teplot v reálném čase. Barvy grafů opět
odpovídají barvám hodnot v daném sektoru. Monitorovací panel je znázorněn na obr. 4.3.
Obr. 4.3 Monitorující panel virtuálního měřícího přístroje v Eko-domě VUES.
61
VUT BRNO, FSI-EÚ
4.2. Blokové schéma
Blokové schéma je grafickým vyjádřením zdrojového kódu virtuálního přístroje.
Konstruuje se propojováním jednotlivých bloků signálovými cestami. Bloky jsou tvořeny
jednak koncovými bloky (zdrojovými a cílovými), které jsou na panel blokového
schématu umísťovány automaticky při konstrukci čelního panelu a jednak uzlovými
bloky, které reprezentují bloky zpracování signálu. Ty je možno vybírat z paletového
menu Functions, reprezentujícího vlastně knihovnu funkcí.
Příklad toho, jak může vypadat blokové schéma virtuálního přístroje, je předveden
na aplikaci měřícího systému v Eko-domě VUES Podolí, celkový pohled na blokové
schéma je uvedeno v příloze 7.5.
Načítání dat
Popis k obr. 4.4. Data jsou načítána z modulů přes sběrnici RS-232 jako řetězec
znaků známé délky. Ten je následně rozdělen na části (5 částí po 7 znacích) příslušející
daným teplotám. Takto získané nové řetězce (v podstatě to jsou čísla v nečíselném
formátu) jsou převáděny na číselný formát. Tato číselná hodnota odpovídá velikosti napětí
zjištěném pomocí měřícího modulu na odporu viz. odstavec „Zapojení modulu ADAM
4018 a senzoru AD592“ obr.3.29. Protože víme, že senzor AD592 dává na výstupu proud
přímo úměrný absolutní teplotě, vypočteme pro toto napětí pomocí Ohmova zákona
hodnotu elektrického proudu. Jak bylo již řečeno, hodnota proudu odpovídá absolutní
teplotě. Po odečtení hodnoty 273,15 tedy získáme reálnou teplotu ve °C. Hodnota teploty
je poslána pro zobrazení na čelním panelu přístroje ve formě čísel a grafu. Dále je také
posílána k uložení na pevný disk řídicího počítače.
Obr. 4.4 Výřez z blokového schématu virtuálního přístroje – načítání dat.
62
VUT BRNO, FSI-EÚ
Ukládání dat
Načtená data se ukládají do adresáře na pevném disku (C:\DATA). Protože nás
zajímá teplotní průběh během dne, jsou data ukládána do dalšího podadresáře, který
získává svůj název podle aktuálního datumu daného dne. Změní-li se tedy datum, vytvoří
se nový adresář a do něj se ukládají teploty dalšího dne. Data se ukládají jako soubory
Microsoft Excel pod názvem modulu, který je do řídícího počítače zaslal (např.#01.xls).
V programu Microsoft Excel se data dále zpracovávají do grafů. Blokové schéma viz.
obr.4.5.
Obr. 4.5 Výřez z blokového schématu virtuálního přístroje – ukládání dat.
Změna pevně nastavených hodnot
Program umožňuje dvojí způsob zadávání následujících hodnot - adresa, rozsah
časové osy, interval odčítání, výběr cesty pro ukládání dat. Prvním z nich je základní
nastavení uvedených hodnot přímo v programu, které nabíhá při každém spuštění. Druhým
způsobem je změna těchto hodnot v průběhu měření. Jedná se však o nastavení dočasné,
které mizí při ukončení programu nebo při nastavení jiných dočasných hodnot. Na obr. 4.6
je zobrazeno blokové schéma výše popsaného nastavení.
63
VUT BRNO, FSI-EÚ
Obr. 4.6 Výřez z blokového schématu virtuálního měřícího přístroje – změna pevně
nastavených dat.
Jedná se především o tyto hodnoty (na obr. 4.6 od shora dolů):
•
•
•
•
•
Adresa požadovaného ADAMU 4018 – adresu je nutno měnit v závislosti na
základním nastavení modulu.
Rozsah časové osy: určuje jak velký časový úsek bude zobrazen v grafů průběhu
teplot v „Monitorovacím panelu“. Čas se nastavuje v minutách. Standardně je
nastavena hodnota 60 minut.
Interval odčítání teplot: stanovuje interval, po jehož uplynutí bude načtena právě
aktuální teplota. Tato hodnota je zadávána v sekundách a nastavena v základní
verzi na 60 sekund.
Hodnota odporu – je hodnota přesného odporu, který převání proud vystupující
ze senzoru na napětí, které je načteno modulem. Pro senzor AD592AN je
předepsán odpor 125 Ω.
Výběr adresáře pro ukládání dat: v základním nastavení je vytvořen adresář
DATA na pevném disku C:\. To lze změnit zadáním jiného názvu adresáře,
případně i disku pro ukládání měřených dat.
Upozornění
Všechna výše uvedená nastavení se provádějí pro každý z měřících modulů ADAM
4018 zvlášť.
64
VUT BRNO, FSI-EÚ
5. VÝSLEDKY MĚŘENÍ A ROZBOR CHYB
5.1. Výsledky měření
Zpracování výsledků měření
Výsledkem každého měření jsou informace o stavu či ději sledovaného objektu a to
ve formě souboru naměřených hodnot zaznamenaných tabelárně v protokolu o měření, ve
formě grafické (např. záznamy ze zapisovače), ve formě obrazů (např. výsledky měření
z vizualizačních metod), nebo ve formě dat uložených v počítačových souborech.
Výsledné hodnoty se pak uvádějí opět nejlépe pomocí tabulek, ale u měření závislých
veličin je žádoucí uvést výsledky také graficky nebo pomocí rovnic. U složitějších měření
se při jejich zpracování, obdobně jako u počítačových měření, s výhodou používají
počítače, a to včetně řady komerčních programů pro zpracování měření. Při zpracování na
počítači je celé vyhodnocování pojaté komplexněji, jelikož výstupem jsou tabulky
naměřených hodnot, ze kterých lze přímo vykreslit požadované grafy.
Zpracování měřených nezávislých veličin
Výsledky měření mohou být zpracovány ve formě tabulek, v grafické podobě nebo
pomocí rovnic.
Zpracování výsledků měření ve formě tabulek
Tento způsob zpracování výsledků měření je nejjednodušší a dává konkrétní
informace o hodnotách výsledných veličin měření.
Zpracování výsledků ve formě grafické
Grafické zpracování výsledků měření závislých veličin je nejpřehlednější, a proto
také nejobvyklejší formou zpracování dat.
5.2. Zpracování naměřených dat v Eko-domě VUES
Jak již bylo řečeno, naměřená data jsou ukládána do souboru Microsoft Excel. Zde
jsou zpracována do grafů. Protože se jedná o velké množství dat uložených ve stejném
tvaru (1440 zaznamenaných řádků v 63 sloupcích denně) je vhodné k tomuto zpracování
využít tzv. maker. Makra, nahráním určitého postupu zpracování dat (sledů příkazů
zadávaných myší nebo klávesnicí), umožňují rychlé a snadné zpracování dat např. ve
formě grafické. Jednou nahrané a uložené makro je možno spouštět opakovaně v různých
souborech. Toto zpracování může být spouštěno přímo z prostředí LabVIEW. Je tedy
možné, aby jej nastavil programátor přímo v měřícím programu. To pak umožňuje
běžnému uživateli provádět zpracování dat pouhým stisknutím tlačítka na virtuálním
měřícím přístroji.
65
VUT BRNO, FSI-EÚ
Nyní si uvedeme příklady průběhů teplot na vstupu a výstupu ze solárního
vzduchového kolektoru v různých dnech při jiných intenzitách slunečního záření
působících na plochu kolektoru.
Grafu 1. ze dne 24.11.2000, zaznamenávající průběh teplot vzduchu na vstupu a
výstupu ze solárního kolektoru, je typickým příkladem slunečného podzimního dne.
Zatímco v nočních a časných ranních hodinách se teplota vzduchu v kolektoru pohybovala
kolem hodnoty 10-ti °C zhruba v 11 hodin vzduch vystupující z kolektoru dosahuje svého
denního maxima hodnoty 25,9 °C.
K nárůstu teploty dochází zhruba okolo 8 hodiny, kdy intenzita slunečního záření
na plochu kolektoru postupně narůstá, až do jejího maxima zhruba okolo 11. hodiny.
V tomto okamžiku se rozdíl teplot vzduchu na vstupu a výstupu ze solárního kolektoru
pohyboval okolo 10-ti °C. Po jedenácté hodině dopolední, za snižující se intenzity
slunečního záření dochází k relativně pozvolnému poklesu teplot a před půlnocí dosahuje
teplota na výstupu ze solárního kolektoru hodnoty okolo 13 °C.
Náhlé poklesy teploty jsou způsobeny zastíněním slunce krátkou oblačností.
Průběh teplot na vstupu a výstupu - solárního vzduchového kolektoru během dne 24.11.2000
30
25
Teplota [°C]
20
Vstupní teplota
Výstupní teplota
15
10
5
0
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
0:00
Čas [hod]
Oproti tomu průběh teplot ze dne 4.12.2000, znázorněný grafem 2., je opakem
předchozího dne. Je zde zobrazen chladný den s velmi hustou oblačností. Výstupní teplota
v době denního teplotního maxima se zvýšila pouze minimálně – jen o necelý 1°C. Rodíl
teplot na výstupu a vstupu ze solárního kolektoru se v průběhu celého dne pohyboval okolo
2 °C. Tento teplotní rozdíl je pro systém vytápění neefektivní.
66
VUT BRNO, FSI-EÚ
Průběh vtupní a výstupní teploty - solarního vzduchového kolektoru dne 4.12.2000
16,00
14,00
12,00
Teplota [°C]
10,00
Vstupní teplota
Výstupní teplota
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
0:00
Čas [hod]
Graf 3. představuje den se střídavou oblačností. V okamžicích kdy je slunce
zastíněno mraky dochází k náhlému poklesu teplot.
Průběh vstupní a výstupní teploty během dne 24.12.2000
16,00
14,00
12,00
Teplota [°C]
10,00
Vstupní teplota
Výstupní teplota
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00
10:00
12:00
Čas [hod]
67
14:00
16:00
18:00
20:00
22:00
0:00
VUT BRNO, FSI-EÚ
5.3. Rozbor chyb
Chyby a nejistoty měření
Při každém měření je potřeba počítat s tím, že naměřené údaje jsou zatíženy
chybami. Patří k nim chyby čidel, chyby přístrojů, chyby převodníků signálů, chyby
obsluhy, chyby zvolené metody, chyby umístění čidel, chyby způsobené okolním
prostředím, chyby zpracování naměřených dat apod.
Z pohledu matematické definice chyby rozlišujeme chyby absolutní a relativní.
Absolutní chyba se nazývá odchylka ε naměřené hodnoty y od předpokládané správné
hodnoty y* a je dána vztahem:
ε = y – y*.
Rozměr absolutní chyby je stejný jako rozměr měřené hodnoty. Správnou hodnotu
měření nelze vlastně nikdy určit, a proto jí nahrazujeme nejpravděpodobnější hodnotou
(konvenčně pravou hodnotou), určenou např. u měření nezávislých veličin jako střední
hodnotu (aritmetický průměr). Relativní chyba je bezrozměrná, a často se uvádí
v procentech, a lze jí definovat poměrem:
ε
y*
Z hlediska možnosti odstranění chyb můžeme dělit chyby na hrubé, symetrické a
nahodilé.
Hrubé chyby jsou způsobené omyly nebo nepozorností obsluhy, neznalostí metod
měření, nebo poškozením měřícího zařízení. Tyto chyby se vyznačují především tím, že se
vymykají trendu ostatních naměřených hodnot, a proto je můžeme obvykle snadno
identifikovat a z dalšího statistického zpracování vyloučit.
Systematické chyby mohou být způsobeny nevhodně zvolenou měřící metodou,
chybnou měřící aparaturou, neznalostí nebo nedostatečnými schopnostmi obsluhy apod.
Tyto chyby lze identifikovat porovnáním naměřených hodnot s výsledky měření jinou
metodou, odhalením chování měřícího zařízení (cejchováním přístroje, rozborem principu
práce přístroje – statických a dynamických charakteristik, digitalizace, volbou vzorkovací
frekvence apod.), nebo rozborem zvolené metody měření či přístupu obsluhy k měření. Po
odhalení lze systematické chyby korigovat. Korekční hodnoty se přičítají k nekorigovaným
výsledným hodnotám měření, čímž se systematické chyby kompenzují.
Nahodilé chyby vznikají především nekontrolovatelným působením celé řady vlivů.
Těmto chybám nelze obvykle vzhledem k jejich charakteru čelit, ani je nelze korigovat.
Někdy však po rozboru měření lze nalézt zdroj těchto chyb (nahodilé vlivy okolí,
nekvalitní příprava na průběh měření) a jejich vliv minimalizovat. Výsledky měření budou
proto po vyloučení hrubých chyb a po korigování systematických chyb stále zatíženy
jistými nahodilými chybami.
68
VUT BRNO, FSI-EÚ
5.3.1. Přímá měření
Nahodilé chyby přímých měření nezávislých veličin se snažíme vyjádřit pomocí
zákonů matematické statistiky. Lze očekávat, že naměřená hodnota bude ležet v intervalu
α až β možných hodnot y (obecně by mohla hodnota y ležet v intervalu − ∞ až + ∞ ).
Pravděpodobnost P výsledku hodnoty y v intervalu α až β je dána vztahem
β
P = ∫ p ( y )dy,
α
kde p ( y ) je hustota pravděpodobnosti, kterou lze vyjádřit normálním zákonem
rozložení
− ( y − y *)
1
exp
.
2σ 2
σ 2π
2
p( y) =
kde σ je výběrová směrodatná odchylka a σ 2 je rozptyl možných hodnot y kolem
nejpravděpodobnější hodnoty y * .
5.3.2. Nepřímá měření
Odchylky či nejistoty nepřímých měření nezávislých veličin jsou funkcí odchylek
či nejistot jednotlivých veličin, ze kterých se výsledná veličina počítá. Je-li výsledná
veličina y funkcí veličin a, b, c…,
y = f (a, b, c...),
lze z teorie chyb určit směrodatnou odchylku (nejistotu) veličiny y ve tvaru
2
2
2
  ∂f
  ∂f

 ∂f
σ y =  σ a  +  σ b  +  σ c  + ......,
 ∂a   ∂b   ∂c 
kde σ a ,σ b ,σ c ... jsou směrodatné odchylky veličin a, b, c... mohou být jednak námi
naměřené veličiny, ale mohou se zde vyskytnout i hodnoty převzaté z literatury (konstanty
a fyzikální vlastnosti látek z tabulek, z převzatých rovnic apod.), u kterých je rovněž nutné
znát jejich reálné odchylky či nejistoty.
5.4. Výpočet chyby měřícího systému pro Eko-dům VUES Podolí
Jedná se o nepřímé měření hodnot a tedy celková odchylka měření je funkcí
odchylek jednotlivých veličin:
•
•
•
Chyba 16-ti bitového číslicového převodníku je oproti ostatním chybám velice
malá a proto jí v následujícím výpočtu nebudeme uvažovat.
Max. chyba senzoru AD592 pro rozsah teplot 0 až 70 °C je podle výrobce 3 °C.
Chyba vzniklá zaokrouhlením naměřených hodnot na dvě desetinná místa je
0,005 při měřeném rozsahu ± 50mV .
69
VUT BRNO, FSI-EÚ
Výpočet celkové chyby měření:
2
2
 3   0,005 
δ =   +
 = 0,04286
 70   50 
Celková chyba měření tedy je 4,286 %.
Největší vliv na celkovou chybu má především analogový senzor AD592AN. Pro
snížení nepřesnosti měření by bylo vhodné použít senzor této řady s vyšší třídou přesnosti,
např. AD592BN nebo lépe AD592CN, který má maximální chybu udávanou výrobcem
v rozsahu teplot 0 až 70 °C 0,8 °C. Další podrobnosti týkající se senzorů AD592 jsou
uvedeny v příloze 7.3.
70
VUT BRNO, FSI-EÚ
6. ZÁVĚR
V současné době umožňuje měřící systém instalovaný Eko-domě VUES v Podolí,
měření teplotního rozložení po výšce solární vzduchového kolektoru na třech sektorech.
Měření vstupní a výstupní teploty je instalováno ve všech šesti sektorech solárního
kolektoru. K měření teplot vzduchu je tedy použito 27 analogových polovodičových
senzorů AD592AN. Signál s těchto čidel je sveden k analogově-číslicovým převodníkům
ADAM 4018.
Celý měřící systém složený z distribuovaných měřících modulů a měřícího
počítače, spolu s původním software naprogramovaným ve vývojovém prostředí LabVIEW
bude sloužit ke komplexní optimalizaci pasivních solárních systémů. Naměřená data budou
sloužit k nastavování a regulaci, vlastního vytápění v Eko-domě, ale zejména budou sloužit
pro získaní zkušeností, pro návrh a provozování podobných solárních systémů v běžných
obytných budovách.
Měřící systém by bylo vhodné doplnit o některá další měřící místa, jako je teplota
venkovního vzduchu, nebo intenzita slunečního záření. Teplota venkovního vzduchu je
v současném programu virtuálního měřícího přístroje generována pomocí generátoru
náhodných čísel. K měření intenzity slunečního záření je vhodné použít pyranometr, který
je možno připojit k měřícímu systému tak, aby bylo možno porovnávat hodnoty intenzity
slunečního záření s naměřenými teplotami v solárním vzduchovém kolektoru přímo na
monitoru virtuálního měřícího přístroje. Dále pak pro regulaci ventilátoru, odvádějícího
ohřátý vzduch z kolektoru, bude nutno systém doplnit o reléový výstupní modul ADAM
4060, který je schopen ovládat až 4 relé.
Přesnost měření, jak již bylo zmíněno je možné zvýšit použitím přesnějších
senzorů, např. senzoru AD592CN nebo výběrem a kalibrací stávajících.
Naměřená data prezentovaná v kap. 5 ukazují, že zvolená čidla, měřící moduly a
software plně vyhovují a lze je doporučit pro dlouhodobá měření techniky prostředí
v budovách. Uvedený měřící systém byl uveden do provozu v listopadu roku 2000 a měří
až doposud bez závad.
71
VUT BRNO, FSI-EÚ
7. SOUHRN
Ve své diplomové práci jsem se zaměřil na návrh měřícího systému pro rodinný
dům využívající ekologické prvky vytápění. Uvedený měřící systém obsahuje soustavu
čidel, měřících modulů a výpočetní techniky s doplňujícími prvky, jako jsou záložní zdroje
elektrické energie a možnosti dálkové komunikace s měřícím systémem pomocí
mobilního telefonu GSM nebo celosvětové komunikační sítě Internet. Součástí této práce
je také program vypracovaný v prostředí LabVIEW, který umožňuje potřebná měření nejen
provádět, ale také získaná data ukládat a vyhodnocovat tak, aby naměřené hodnoty mohly
být použity pro optimalizaci nákladů na energetický provoz domu.
72
VUT BRNO, FSI-EÚ
8. PŘÍLOHY
8.1. Základní parametry sériových přenosových kanálů
8.2. AT příkazy modulů ADAM série 4000
#AA: čti analogový vstup dat
$AA0: nastav kalibraci zesílení
$AA1: nastav kalibraci posuvu
$AA2: čti konfiguraci
@AADI: čti alarm/digitální výstup
@AADO: nastav digitální výstup
@AAHI: nastav horní limit alarmu
@AALO: nastav spodní limit alarmu
@AAEAT: zapni hlídaní alarmů
@AARE: čti hodnotu čítače
73
VUT BRNO, FSI-EÚ
8.3. Technické parametry senzorů AD592
8.4. Čelní panel virtuálního měřícího přístroje pro Eko-dům VUES
Tato příloha je vložena a připevněna na vnitřní straně zadních desek této diplomové
práce.
8.5. Blokové schéma virtuálního měřícího přístroje pro Eko-dům VUES
práce.
8.6. CD s textem této diplomové práce a programem virtuálního měřícího
přístroje.
práce.
74
VUT BRNO, FSI-EÚ
9. SEZMAM ODBORNÉ LITERATURY
[1] Cihelka,J. a kol.: Vytápění, větrání a klimatizace. SNTL Praha 1985.
[2] Cihelka,J.: Solární tepelná technika. T. Malina, Praha 1994.
[3] Firemní literatura firem ADVANTECH a National Instrument
[4] Haasz,V.-Roztočil,J.-Novák,J.: Číslicové měřící systémy.ČVUT, Praha 2000.
[5] Humm,O.: Nízkoenergické domy. Grada Pudlishing, spol. s r.o., Praha 1999.
[6] Pavelek,M.-Štětina,J.: Experimentální metody v technice prostředí. VUT Brno 1997.
[7] Technická dokumentace VUES Brno k Ekodomu v Podolí.
75

Tomáš Valníček - Odbor termomechaniky a techniky prostředí

Transkript

Podobné dokumenty

David Novák - Odbor termomechaniky a techniky prostředí

Elektromagnetické spektrum - honsoft

Kmitání-a-vlnění—Fyzika

Měření v informačních a komunikačních technologiích pro

desatero domácí ekologie

sborník

FK80 - Enthalpy

Vzdělávací obsah předmětu