SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY

Transcription

1 SLOVENSKÁ TECHNICKÁ UNIVERZITA V BRATISLAVE FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY MERANIE A RIADENIE VLHKOSTI V KLIMATIZOVANEJ KOMORE Diplomová práca Evidenčné číslo: FEI /011 Bc. Pavol Pípa

2 MERANIE A RIADENIE VLHKOSTI V KLIMATIZOVANEJ KOMORE Diplomová práca Evidenčné číslo: FEI Študijný program: Kybernetika Študijný odbor: 9..7 Kybernetika Školiace pracovisko: ÚRPI FEI STU Školiteľ: doc. Ing. Ján Šturcel, PhD. Konzultant: doc. Ing. Ján Šturcel, PhD. Bratislava 011 Bc. Pavol Pípa

3 Z A D A N I E Diplomovej práce Meno študenta: Študijný odbor: Študijný program: Bc. Pavol Pípa Kybernetika Kybernetika Miesto vypracovania diplomovej práce: Ústav riadenia a priemyselnej informatiky Názov diplomového projektu: : Meranie a riadenie vlhkosti v klimatizovanej komore Zadanie diplomového projektu: Experimentálne pracovisko merania a riadenia vlhkosti vzduchu v uzavretom priestore - klimatizovanej komore. Úlohy: 1. Naštudovať a spracovať problematiku merania vlhkosti plynov (vzduchu), kvapalín a pevných látok a metód vhodných na meranie vlhkosti vzduchu v danej laboratórnej klimatizovanej komore (KK). Oboznámiť sa s technickými prostriedkami KK, navrhnúť ich inováciu alebo rozšírenie (požadovaná zmena relatívnej vlhkosti vzduchu v komore 40% až 100%).. Navrhnúť a realizovať meranie vlhkosti vzduchu (absolútna, relatívna vlhkosť a rosný bod) v KK využitím kombinovaného snímača relatívnej vlhkosti a teploty NH a laboratórneho psychrometra. 3. Realizovať riadenie vlhkosti vzduchu v komore v rozsahu 40% až 80%, požadovaná minimálna presnosť ± 5%, tj. identifikovať objekt riadenia, navrhnúť a overiť viacero riadiacich algoritmov. 4. Vytvoriť podporné textové materiály vhodné na experimentálne práce študentov pri meraní a riadení vlhkosti vzduchu v KK. Zhodnotiť vytvorené pracovisko z hľadiska dosiahnutých vlastností automatizovaného pracoviska a prínosu v oblasti pedagogicky. 5. Vytvoriť systémovú a výkresovú dokumentáciu riešenej automatizačnej úlohy (norma STN ISO 3511) a vytvoriť prezentáciu pracoviska. 3

4 ANOTÁCIA DIPLOMOVEJ PRÁCE Slovenská technická univerzita v Bratislave FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A INFORMATIKY Študijný odbor: 9..7 Kybernetika Študijný program: Kybernetika Autor: Bc. Pavol Pípa Diplomová práca: Meranie a riadenie vlhkosti v klimatizovanej komore Vedúci diplomovej práce: doc. Ing. Ján Šturcel, PhD. Mesiac, rok odovzdania: Máj, 011 Kľúčové slová: regulácia, riadenie, vlhkosť, identifikácia V tejto práci sa pojednáva o meraní a riadení relatívnej vlhkosti v uzavretom priestore v experimentálnom laboratórnom pracovisku. Cieľom práce bolo najskôr sa oboznámiť s teóriou vlhkosti a jej základnými fyzikálnymi veličinami. Následne aplikovať tieto poznatky spolu s poznatkami z teórie riadenia na návrh regulácie relatívnej vlhkosti na reálnom objekte. Prv však bolo treba zrekonštruovať dané pracovisko, pôvodné nefunkčné alebo poškodené zariadenia nahradiť novými a následne toto pracovisko oživiť. Následne, keď bola technická stránka sfunkčnená, nasledovali prvé pokusy a merania na sústave, z ktorých boli experimentálne identifikované prenosy sústavy v rôznych pracovných bodoch. Z vypočítaných prenosových funkcií sme navrhli dva regulátory, jeden robustný PD, metódou optimálneho modulu a druhý ako -polohovú reguláciu s experimentálnym určením zosilnenia. Nakoniec som zhodnotil dosiahnuté výsledky a otvoril diskusiu o metódach, ako zlepšiť súčasnú kvalitu regulácie. Vypracoval som k tejto úlohe technickú dokumentáciu prístupnú na pracovisku a tri návody na cvičenie pre študentov, pretože táto práca má aj budúci pedagogický význam. 4

5 MASTER THESIS ANNOTACIO Slovak University of Technology in Bratislava FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERIG AND INFORMATION TECHNOLOGY Branch of Study: 9..7 Kybernetika Study Programme: Cybernetic Author: Bc. Pavol Pípa Master Thesis: Measurement And Control of humidity in a closed space Supervisor: doc. Ing. Ján Šturcel, PhD Year, Month: May, 011 Keywords: Regulation, Control, Humidity, Identification This work handles about measurement and control of relative humidity in a closed space in experimental laboratory Workstation. Point of this work is to study humudity theory and its physical parameters. After that i was suposed to aply this theory together with teory of control to create a control of relative humidity in a real object. At first I needed to reconstruct and inovate the laboratory Workstation and make it work. Then I started to make experiments and identified the functions of the system in a group of work points. From the functions are build two regulators. The first one is robust PD regulator build by optimal modul theory and the second one is a -point regulation with experimentaly finded gain. At the end are summrized all results and opened discusion about how can be perfect the quality of regulation. I created technical documentation of this Workstation, which is able in the laboratory. I also made three thesis for students, because this work has also a educative meaning 5

6 OBSAH Zoznam príloh 1. Úvod 3. Meranie vlhkosti 4.1 Vlhkostné veličiny plynov 4. Vlhkostné veličiny kvapalín 5.3 Vlhkostné veličiny tuhých materiálov 1.4 Metódy merania vlhkosti Psychrometrická metóda.4. Sorpčné metódy Oxidové senzory vlhkosti.4.. Polymérové senzory vlhkosti Nepriame metódy Metódy merania vlhkosti z praxe Meranie tlakového rosného bodu.4.4. Meranie vlhkosti vo výbušnom prostredí 1 3. Experimentálne pracovisko merania a riadenia vlhkosti Popis pracoviska ,1 Control panel , V/V komunikačná karta ACL 81PG Kombinovaný snímač teploty a vlhkosti Polovodičové spínacie relé Riadiaci obvod ventilátora 3. Oživovanie a oboznamovanie sa s pracoviskom a sústavou 4. Identifikácia klimatizovanej komory Statická charakteristika tepelného okruhu 6 4. Meranie a identifikácia prenosových funkcií 8 5. Riadenie relatívnej vlhkosti klimatizovanej komory Robustné riadenie Dvoj-polohová regulácia Diskusia 6.1 Zosumarizovanie dosiahnutých výsledkov 1 6. Návrh zlepšenia Prínos vo výučbe študentov 1 6

7 7. Prílohy Literatúra 55

8 1. ÚVOD Ako bakalársku prácu som spracoval tému inteligentných budov a navrhol detailný termodynamický model miestnosti aj s riadením. Neskôr som získal aj praktické a pracovné skúsenosti v tejto oblasti automatizácie budov. To bol hlavný dôvod, prečo som si zvolil pre diplomovú prácu túto tému, ktorou je meranie a riadenie vlhkosti v uzavretom priestore. Táto fyzikálna veličina patrí medzi riadené veličiny v budovách a nie len tam. Taktiež som doteraz nemal teoretické vedomosti z tejto oblasti. Okrem toho je v tejto práci vyvážená technická i praktická časť s teóriou. V prvej časti tejto práce nás najskôr čaká teoretická zásoba vedomostí potrebných k zvládnutiu a pochopeniu fyzikálnej podstaty vlhkosti. Potom prejdeme k technickejšej kapitole, kde si popíšeme laboratórne pracovisko s modelom, na ktorom bola vykonávaná táto práca a nakoniec sa dostaneme k hlavnej podstate tejto diplomovej práci a tou je návrh a overenie riadenia vlhkosti. 3

9 . MERANIE VLHKOSTI Vlhkosť patrí k najvýznamnejším fyzikálnym veličinám sledovaným v priemyselnej, alebo poľnohospodárskej výrobe. Príliš vlhké alebo príliš suché prostredie môže mať katastrofálny následok ako na kvalitu výrobkov, tak aj na funkčnosť technologických zariadení. Príklady procesov, pri ktorých zohráva vlhkosť dôležitú úlohu: spracovanie a výroba vo farmaceutickom priemysle uskladnenie sypkých materiálov dozrievanie, balenie, doprava a skladovanie potravín vzduchotechnika sterilných prostredí, lakovien a sušičiek výroba a rozvod priemyslových plynov meteorológia, predpovedanie vzniku námrazy múzeá a archívy, papierenská výroba a mnoho ďalších Vlhkosť sa dá vo všeobecnosti merať v plynoch, kvapalinách aj tuhých látkach. Sú zadefinované viaceré fyzikálne veličiny, ktoré nám dávajú informáciu o stave vlhkosti (v závislosti od tlaku a teploty) v danej látke. Pre vlhkostné veličiny sú dôležité tieto pravidlá: pojem hmotnostný alebo merný sa pripája k názvu veličiny pre označenie podielu tejto veličiny k hmotnosti pojem objemový alebo výraz hustota sa pripája k názvu veličiny pre označenie podielu tejto veličiny k objemu výraz molárny sa pripája k názvu veličiny pre označenie podielu tejto veličiny k látkovému množstvu výraz koncentrácia sa pripája k názvu veličiny, obvykle pre látku v zmesi pre označenie podielu tejto veličiny k celkovému objemu U vlhkostných veličín sa najčastejšie používajú jednotky a násobky jednotky v čitateli oproti menovateľu napr. (g/kg) a pod..1 Vlhkostné veličiny plynov Vlhkostné veličiny rôznym spôsobom vyjadrujú vzťah vodnej pary a okolitého vzduchu, alebo určitého plynu. U plynov sa merajú predovšetkým veličiny, ktoré určujú stav vodnej pary nezávisle na okolitom vzduchu, alebo inom plyne, napr. parciálny tlak vodnej pary, absolútna vlhkosť, relatívna vlhkosť a pod. Druhá skupina zahrňuje veličiny, ktoré vyjadrujú pomer vodnej pary v závislosti na plyne, ktorý je v danom objeme: zmiešavací pomer, merná vlhkosť, hmotnostná koncentrácia pary, atď. V tretej skupine sú veličiny odvodené z merania: teplota rosného bodu, teplota medzného adiabatického ochladenia atď. 4

10 Názvy a značky vlhkostných veličín nie sú ustálené a občas sa rôzne zamieňajú. Preto je nutné zistiť, akú definíciu má konkrétne daná veličina a aké jednotky sú v tomto prípade použité. Okrem okamžitej hodnoty vlhkosti, ktorá je v danom prostredí, má značný význam najvyššia možná hodnota tejto veličiny pri danej teplote. Hovoríme tomu nasýtený stav. Často sa vyskytuje úloha prevádzať navzájom vlhkostné veličiny medzi sebou. K tomu je nutné poznať vnútorné parametre: teplotu plynu, jeho tlak a chemické zloženie. Pri prevodoch sa dajú použiť vzťahy, ktoré využívajú stavovú rovnicu ideálneho plynu. Zmiešavací pomer r Považuje sa za základnú veličinu pre vyjadrenie vlhkosti reálnych plynov. Je to podiel hmotnosti m V vodnej pary a hmotnosti m A suchého vzduchu v danom objeme: mv r (1) m Zmiešavací pomer nasýteného vlhkého vzduchu nad hladinou vody sa značí r W a nad ľadom r i. Zmiešavací pomer vlhkého vzduchu nezávisí na teplote a tlaku vzduchu. Najčastejšie sa vyjadruje v jednotkách tisíckrát menších g.kg -1 alebo g.m -3. Merná vlhkosť q Je pomer hmotnosti vodnej pary m v k celkovej hmotnosti vlhkého vzduchu (m v + m A ), ktoré sú obsiahnuté v danom objeme vlhkého vzduchu. mv q () m m V A A Hustota vodnej pary, absolútna vlhkosť d v Je podiel hmotnosti pary m V k objemu vlhkého plynu (vzduchu) V. mv -3 dv kg m V (3) Parciálny tlak vodnej pary e Je to tlak, ktorý z celkového tlaku p, danej zmesi plynov, má vodná para. Je ho možné vyjadriť z celkového tlaku vlhkého vzduchu p a zmiešavacieho pomeru r. r p e' Pa (4) r ra kde je pomer merných plynových konštánt vzduchu r A a vodnej pary r V. rv Pre obvyklé zloženie vzduchu je ε = 0,601. K jednoznačnému vyjadreniu vlhkosti plynu pomocou parciálneho tlaku vodnej pary je treba vždy poznať údaj o teplote a celkovom tlaku plynu. Tlak nasýtenej vodnej pary v čistej fáze nad hladinou vody ε W, alebo nad ľadom ε i je len funkciou teploty. Hodnoty týchto tlakov slúžia pri prevodoch vlhkostných veličín. 5

11 Teplota rosného bodu T D Rosný bod vlhkého plynu teploty T pri tlaku p a zmiešavacom pomere r je teplota, pri ktorej sa vlhký plyn (vzduch), ochladený izobaricky, stane nasýtený. r p T rw p, TD, (5) Je to teda teplota, ktorou sa vlhký plyn, ak je izobaricky ochladený, dostane do stavu úplného nasýtenia vodnou parou, vzhľadom k rovnému povrchu vody. Pri teplotách menších ako 0 C sa môže voda z vlhkého plynu vylučovať v podobe ľadu (viď obr.1), alebo podchladenej vody. Ak poznáme rosný bod a teplotu plynu, môžeme podľa tabuľky maximálnych tenzií vypočítať parciálny tlak vodnej pary i relatívnu vlhkosť. Obr.1 Námraza na elektrickom vedení Relatívna vlhkosť U W Relatívna vlhkosť vlhkého plynu je podiel molového zlomku x v vodnej pary v plyne (vzduchu) pri danej teplote T a celkovom tlaku p vlhkého plynu (vzduchu), k molovému zlomku x vw vodnej pary, nasýtenej vzhľadom k vode pri rovnakých podmienkach. xv U W 100% (6) xw p, T Inými slovami povedané, je to relatívna vlhkosť daná pomerom absolútnej vlhkosti plynu k vlhkosti plynu s nasýtenými parami pri tej istej teplote a tlaku. Suchý plyn má teda relatívnu vlhkosť 0% a plyn v stave nasýtenia vodnou parou má relatívnu vlhkosť 100%. 6

12 Obr. Príklad vysokej relatívnej vlhkosti Molový zlomok vodnej pary x v Molový zlomok vodnej pary vlhkého plynu (vzduchu) je pomer látkového množstva n v vodnej pary obsiahnutého v plyne, k celkovému látkovému množstvu vlhkého plynu. nv xv (7) n n V A Objemová vlhkosť O w Je pomer vodnej pary k objemu suchého, alebo vlhkého plynu. Používa sa pre vyjadrenie malých koncentrácií v plyne pomocou ppm v (parts per milion). V tomto prípade 1 ppm v =10-4 % t.j. jeden objemový diel vodnej pary v milión objemových dieloch plynu. Vlhkostné veličiny je možné navzájom prepočítavať, ak sú známe fyzikálne a chemické vlastnosti daného prostredia. Je nutné poznať celkový tlak plynu p a jeho teplotu T. Za predpokladu použitia stavovej rovnice ideálneho plynu sa dopúšťame chyby asi 1%. Vlhkosť plynov je možné merať vo veľkom rozsahu. Ak vychádzame z teplôt rosného bodu, tak je od -100 až do 100 C. Tomu odpovedajú tlaky vodnej pary od 1,405 Pa do Pa. Teploty vzduchu (alebo iného plynu) sa pritom pohybujú v rozsahu od -40 C do 100 C.. Vlhkostné veličiny kvapalín K vyjadrovaniu koncentrácie vody v kvapalinách sa používajú bežné jednotky známe z chémie, ako sú objemové, hmotnostné alebo molové zlomky, poprípade vyjadrené v percentách alebo malých koncentráciách ppm, ktoré sa tu definujú ako jeden hmotnostný diel vody v 10 6 hmotnostných dieloch kvapaliny. 7

13 V cudzej literatúre sa objemový zlomok označuje ppm v a hmotnostný ppm w. U kvapalín obmedzene miešateľných s vodou sa taktiež používa pojem rosný bod v podobnom význame ako u plynov. Ak sa zväčšuje množstvo vody v kvapaline pri konštantnej teplote, dosiahne sa napokon koncentrácia, keď ďalší prípravok vody sa už nerozpustí - vznikne emulzia. Teploty nasýtenia je možné dosiahnuť nielen zväčšovaním množstva vody pri konštantnej teplote, ale aj znižovaním teploty pri konštantnej koncentrácii vody v kvapaline. Teplota, pri ktorej dôjde k vytvoreniu dvoch fáz, je rosný bod. Podobne ako u plynov sa i u kvapalín používa pojem relatívna vlhkosť, tj. stupeň nasýtenia vyjadrený v percentách vzťahom C 100 (8) C S kde C je koncentrácia vody v danej kvapaline a C s je maximálne dosiahnuteľná koncentrácia vody v danej kvapaline za rovnakej teploty..3 Vlhkostné veličiny tuhých materiálov Vlhkosť tuhých materiálov sa vyjadruje v kg vody na kg materiálu, pričom sa musí uviesť, či ide o obsah vody pripadajúci na 1 kg vlhkého materiálu (absolútna vlhkosť w), alebo na 1 kg suchého materiálu (relatívna vlhkosť w r ). mv w (8) m m V m S V wv (9) ms kde m v je hmotnosť vody obsiahnutej v materiály a m s je hmotnosť suchého materiálu. Hmotnostný zlomok udávajúci vlhkosť tuhých materiálov sa najčastejšie vyjadruje v percentách. Relatívna vlhkosť sa používa napr. k vyjadrovaniu vlhkosti dreva alebo silikónov, absolútna vlhkosť v prípade buničiny, uhlia, koksu atď. V niektorých oboroch sa ešte vyjadruje v kg vody pripadajúcej na objem v m 3 suchého alebo vlhkého materiálu (objemová vlhkosť), poprípade u listových materiálov na jednotku plochy v m (plošná vlhkosť). Pri pojme vlhkosť sa niekedy používa pojem suchosť, čo je pomer hmotnosti suchého materiálu k hmotnosti vlhkého materiálu..4 Metódy merania vlhkosti Napriek tomu, že má jednoduchú stavbu molekuly, tak má voda vo všetkých svojich stavoch množstvo anomálnych vlastností. Tieto javy tiež ovplyvňujú vlastnosti vlhkého materiálu (plyny, kvapaliny a tuhé látky). Preto sú metódy stanovenia vlhkosti materiálu, a tým aj druhu vyrábaných vlhkomerov veľmi rôzne. 8

14 Meracie metódy vlhkosti môžeme rozdeliť na: absolútne - t.j. také, ktorými sa zisťuje skutočný obsah vody po jej odstránení zo vzorky relatívne - nepriame - u ktorých sa usudzuje na obsah vody na základe merania inej veličiny (permitivity, vodivosti, absorpcie žiarenia a pod.), ktorej hodnota tesne súvisí s množstvom vody. pri ktorých sa meranie vlhkosti prevádza z jedného agregátneho stavu do druhého. Napríklad meranie vlhkosti tuhých látok alebo kvapalín sa prevedie na meranie vlhkosti plynu. Pre meranie vlhkosti plynov sú najviac používané tieto metódy: psychrometrická meranie rosného bodu sorpčné metódy metóda rovnovážneho elektrolytického vlhkomeru absorpcia infračerveného žiarenia a vf energie Pre tuhé látky a kvapaliny sú aplikovateľné najmä: vodivostné metódy dielektrické metódy rádiometrické metódy absorpcia a odraz infračerveného žiarenia gravimetrická metóda.4.1 Psychrometrická metóda Psychrometrická metóda funguje na nasledovnom princípe. Na meranie potrebujeme dva teplomery. Prvý, tzv. suchý teplomer je určený na meranie teploty okolia. Druhý, tzv. vlhký teplomer, je neustále zvlhčovaný tenkým prúžkom savej textílie, ktorá je namočená v nádobke s vodou. Odparovaním vody z povrchu vlhkého teplomera sa tento teplomer ochladzuje a ukazuje nižšiu teplotu ako suchý teplomer. Tento rozdiel teplôt (psychrometrický rozdiel) je priamoúmerný relatívnej vlhkosti okolia, pretože v prostredí s nižšou relatívnou vlhkosťou je intenzívnejšie odparovanie, teda aj ochladzovanie povrchu teplomera. Psychrometrický rozdiel okrem relatívnej vlhkosti okolia závisí aj od tlaku a najmä od rýchlosti prúdenia plynu v okolí vlhkého teplomera. Vplyv tlaku sa pri menej presných meraniach zvykne zanedbávať, pretože nemá výrazný vplyv. Naopak rýchlosť prúdenia vzduchu zvyšuje psychrometrický rozdiel, avšak pri rýchlosti asi,5 m.s - 1 sa psychrometrický rozdiel začne oveľa pomalšie zvyšovať, hovoríme o psychrometrickej saturácii. 9

15 Obr.3 Náčrt psychrometra Obr.4 Reálne psychrometrické snímače vlhkosti 10

16 Pre stanovenie výslednej hodnoty relatívnej vlhkosti sú vypracované psychrometrické tabuľky (príloha P1). Táto hodnota je funkciou teploty suchého teplomera a psychrometrického rozdielu. H REL, T T 1 1 f T (10) Psychrometrické tabuľky sú vypracované pre úplný pokoj, slabé a silné prúdenie vzduchu. Najvyššiu presnosť dosiahne táto metóda pri silnom prúdení vzduchu, spravidla nad,5 m.s - 1. Vtedy nastáva už spomínaná psychrometrická saturácia a na rozdiel od iných prípadov, tu sa nevyžaduje stabilizované prúdenie vzduchu. Psychrometrická metóda patrí k najpresnejším metódam merania vlhkosti (presnosť 1,5-3%). Používa sa na kalibráciu automatizačných vlhkomerov. Nevýhodou psychrometra je komplikovaná mechanická konštrukcia. Okrem dvoch teplomerov, obsahuje aj nádobku s vodou a malý ventilátor. V prevádzke je prakticky nepoužiteľný, a preto sa v automatizácii nepoužíva. Jeho výhodou je ešte aj ľahká reprodukovateľnosť..4. Sorpčné metódy Sorpčné metódy merania vlhkosti využívajú zmeny fyzikálno-chemických vlastností (napr. zmena vodivosti alebo relatívnej permitivity) rôznych materiálov, ktoré nastávajú pri zmene adsorbovanej, alebo absorbovanej vody. A presne tieto fyzikálne javy sa využívajú pri konštrukcii senzorov vlhkosti sorpčného typu. Použijeme teda vhodný materiál a pripojíme k nemu plošné elektródy. U takéhoto vlhkomerného systému dochádza k zmene impedancie, a to v závislosti na sorbovanej vlhkosti. Záleží len na tom, ktorá zložka prevláda. Potom sa vyhodnocuje odpor (resp. vodivosť) alebo kapacita poprípade impedancia (admitancia). Nároky na sorpčné senzory sú nasledovné: čo najrýchlejšia odozva v smere sorpcie aj desorpcie s čo najmenšou hysteréziou. čo najväčšia a najlineárnejšia zmena meranej veličiny v závislosti na relatívnej vlhkosti čo najstálejšie kalibračné krivky v bežných prevádzkových podmienkach (v prašnom prostredí a pri kolísaní vlhkosti a teploty) a ľahko čistiteľná citlivá vrstva čo najväčší teplotný interval merania a zanedbateľný vplyv teploty na výstupnú hodnotu Rýchlu odozvu dosiahneme tenkou citlivou vrstvou senzora, ktorá reaguje na vlhkosť okolitého prostredia. Ostatné požadované vlastnosti sa dosahujú výberom vhodného sorpčného materiálu. Najstarším používaným sorpčným materiálom bol odmastený ľudský vlas (vlasové hygromery). Neskoršie sa začali používať roztoky hygroskopických solí (najčastejšie roztok LiCl), ktoré sa nanášali na pórovitú podložku. V súčasnosti najpoužívanejšími sorpčnými materiálmi sú oxidy kovov a polymérne látky, ktoré sa používajú pri výrobe a konštrukcii moderných sorpčných senzorov vlhkosti. 11

17 Meranie kapacity a impedancie je zložitejšie ako meranie odporu (vodivosti), ale má aj svoje výhody, pre ktoré sa tieto kapacitné a impedančné senzory u vlhkomerov značne rozšírili. Sú to najmä vysoká citlivosť, menší vplyv povrchového znečistenia na kapacitu vlhkomerného čipu ako na odpor a možnosť merať okrem vlhkosti plynov aj vlhkosť kvapalín. K rozšíreniu senzorov vlhkosti kapacitného typu prispel aj pokrok v technológiach nanášania tenkých vrstiev. Teda princípom každého sorpčného senzoru vlhkosti je v podstate kondenzátor, ktorého dielektrikum tvorí tenká vrstva materiálu, vratne sorbujúca vlhkosť z okolitého prostredia. Dielektrikom takéhoto vlhkomerného kondenzátora je tenká vrstva kovového oxidu, alebo tenká vrstva polymérnej látky Oxidové senzory vlhkosti Senzory vlhkosti s dielektrikom na báze kovového oxidu sa používajú hlavne na meranie veľmi nízkych koncentrácií vlhkosti 0,5 až 1000 ppm v. Ako dielektrikum sa väčšinou používa oxid hlinitý Al O 3. Vhodným technologickým postupom sa vytvorí tenká vrstva pórovitého oxidu hlinitého, napr. na hliníkovom valčeku, doštičke, alebo hliníkovej vrstve na keramickom substráte. Jednu elektródu kondenzátora tvorí vlastný hliník, druhú vrstva zlata naparená na dielektrikum z oxidu hlinitého. Vrstva zlata je tak tenká, že prepúšťa molekuly vodnej pary, ktoré adsorbujú na vnútorných stenách pórov dielektrika. d b 3 Obr.5 Impedančný sorpčný snímač s oxidovým dielektrikom - rez vrstvami 1 - priepustná Au elektróda - porézna vrstva Al O základná Al elektróda 4 - podložka 1 4 R1 Co Ro R C1 Obr.6 Náhradná el. schéma snímača s oxidovým dielektrikom 1

18 Na obrázku 5 je zjednodušene znázornený rez takýmto vlhkomerným kondenzátorom s pórovitým dielektrikom z kovového oxidu. Elektrický náhradný obvod, ktorý dobre vystihuje skutočné správanie systému podľa obr. 5 je znázornený na obr. 6. Kapacita medzi oboma vonkajšími elektródami, oddelenými dielektrikom s efektívnou hrúbkou d je C o. Zvodový odpor kondenzátora, daný vodivosťou oxidovej vrstvy s hrúbkou d je R o. Zvyšujúca časť náhradnej schémy vyjadruje vlastnosti pórov. Kapacita medzi dnom pórov a spodnou hliníkovou elektródou je C 1. R 1 je odpor steny pórov medzi zlatou elektródou a dnom pórov. R je zvodový odpor oxidu hlinitého medzi dnom pórov a spodnou hliníkovou elektródou (hrúbka b). Množstvo adsorbovaných molekúl vody ovplyvňuje predovšetkým hodnotu R 1. Táto veličina je dominantná hlavne v oblasti väčších vlhkostí. V oblasti nízkych vlhkostí prevažuje vplyv adsorbovaných molekúl vody (jej vysoké permitivity na kapacity Co a C 1 ). Celková kapacita C e meraná medzi elektródami vlhkomerného čipu sa podľa náhradnej schémy rovná C E R R R R C 1 C R C 0 (11) a celková vodivosť G e medzi elektródami je G E R1 R R1 R C1 1 R R R R C R (1) kde ɷ = πf. f je frekvencia, pri ktorej sa obe veličiny merajú. Dielektrická vrstva je charakterizovaná počtom a veľkosťou pórov a hrúbkou oddeľujúcej bariéry b, čo sú parametre ovplyvňované technologickým postupom vytvárania tejto vrstvy. Charakter vrstvy teda ovplyvňuje priebeh sorpčných a desorpčných izoterm, čas odozvy a statickú charakteristiku senzora. Vyššie popísané impedančné senzory vlhkosti s oxidovým dielektrikom umožňujú merať rosný bod od -80 do 60 poprípade 80 C, alebo i relatívnu vlhkosť v intervale 0 až 100%, poprípade merať obsah vody v kvapalinách a práškových alebo granulovaných materiáloch. Tieto senzory môžu byť umiestnené priamo v potrubí, alebo môžu pracovať i v nehybnom prostredí. Najvhodnejší režim je za atmosferického tlaku, ale merať možno i pod tlakom, bez poškodenia senzora (rosný bod je funkciou tlaku)..4.. Polymérové senzory vlhkosti Ak použijeme pre zostavenie sorpčného senzoru vlhkosti ako dielektrikum polymérnu látku, napr. vhodný polyamid, dostaneme kapacitný senzor pre meranie relatívnej vlhkosti. Princíp práce kapacitných polymérnych senzorov spočíva v tom, že ich kapacita závisí na sorpcii vlhkosti z okolitého vzduchu polymérnou vrstvou tvoriacu dielektrikum kondenzátora. Konštrukcie meracích členov sú rôzne a vytvárajú sa technikou nanášania tenkých vrstiev (obr. 7). 13

19 Obr.7 Kapacitný sorpčný snímač s polymérovým dielektrikom rez vrstvami 1 - priepustná horná elektróda - polymérový film, 3 - vrstva oxidu kovu 4 - základná elektróda 5 - podložka. Vlastný merací člen má väčšinou tvar obdĺžnikovej doštičky zo skla, či keramiky s rozmermi 4x4mm až 5x16mm a s hrúbkou od 0,4 až do 0,6mm. O kvalite senzora rozhoduje predovšetkým kvalita a vlastnosti polymérnej vrstvy. Z uskutočnených meraní vyplýva, že povrch senzoru obvyklých rozmerov pri zmene relatívnej vlhkosti o 1% (pri 0 C) príjme asi 1,5 ng vody. V praxi je dôležité, aby procesy sorpcie a desorpcie, ktoré sa pri činnosti senzoru nepretržite opakujú, boli presne definované a umožňovali: meranie relatívnej vlhkosti v čo najširšom rozsahu, reprodukovateľnosť nameraných hodnôt vrátane malej hysterézie, vysokú citlivosť, tj. vysokú zmenu kapacity vztiahnutú k zmene vlhkosti, rýchlu reakciu na zmenu vlhkosti, tj. krátku dobu odozvy t gt, použitie pre požadovaný teplotný interval vo vzťahu k maximálnej vlhkosti. Obr.8 Kapacitný sorpčný snímač s polymérovým dielektrikom šírka 1,5 mm Pri výbere snímača vlhkosti je nutné pozorne posúdiť jeho údaje charakterizujúce jeho činnosť a kvalitu. Jedným z najdôležitejších informácií je pracovný diagram znázorňujúci operačný rozsah použitého snímača. 14

20 Ďalšie dôležité údaje charakterizujúce polymérne kapacitné snímače sú: linearita, v praxi ±% relatívnej vlhkosti v rozsahu 0 až 90 % dlhodobá stabilita lepšia ako 1 až % r.v. za rok doba odozvy t gt lepšia ako 10 až 15s hysterézia menšia ako 0,5 až 1,5 % r.v. (cyklus 10 až 80 % r.v.) základná kapacita 00 až 1000 pf citlivosť lepšia ako 0,5 až,5 pf/% r.v. teplotný rozsah -40 až 160 C stratový činiteľ (tg) lepší ako 0,01 pri 95% r.v.a 100Hz.4.3 Nepriame metódy merania vlhkosti Pod pojmom nepriame metódy merania vlhkosti tu rozumieme také metódy, pri ktorých sa na vlhkosť tuhého materiálu, vrátane sypkej a granulovanej formy, usudzuje z výsledkov merania látky v inej forme, obvykle plynnej, v priestore priamo obklopujúci daný materiál. Ak je tuhý materiál vložený do prostredia, pohlcuje vlhkosť, v prípade suchého naopak vlhkosť uvoľňuje, a to tak dlho, pokiaľ sa nedosiahne rovnováha s tlakom vodnej pary v okolí. Naopak, tlak vodnej pary v priamej blízkosti vlhkého materiálu bude závisieť od jeho vlhkosti. Ak je materiál suchý, bude tlak vodnej pary nulový. Ak je vodou nasýtený, bude tlak vodnej pary rovný tlaku vodnej pary nad vodou pri danej teplote. Medzi týmito krajnými stavmi môže tlak vodnej pary slúžiť ako miera vlhkosti. V praxi sa miesto tlaku vodnej pary meria relatívna vlhkosť obklopujúceho plynu. Ak vynesieme do grafu množstvo vody absorbovanej tuhým materiálom v závislosti na relatívnej vlhkosti plynného prostredia (vzduchu) bezprostredne obklopujúceho daný materiál, dostaneme tzv. sorpčnú izotermu (obr.9). Táto izoterma má iný tvar, keď vlhkosť okolitého prostredia postupne vzrastá, ako keď sa postupne zmenšuje. Tento jav nazývame sorpčná hysterézia a je spôsobený prítomnosťou vzduchu v mikrokapilárach materiálu. Izotermy majú obvyklý tvar pripomínajúci písmeno S a pre dané konkrétne materiály sa stanovujú gravimetrickou metódou (stanovenie vlhkosti sušením). Obr.9 Sorpčná izoterma 15

21 Pre technické účely nie je mnohokrát nutná znalosť izotermy a k charakteristike materiálu stačí, ak poznáme parciálny tlak vodnej pary nad materiálom, prípadne hodnotu teploty rosného bodu, čo je jednoduchšie. Pri meraní granulovaného alebo vláknitého materiálu sa používajú zápichové sondy, v ktorých je uložený snímač vlhkosti a prípadne aj teploty. Pre odhad vlhkosti materiálu pohybujúceho sa v potrubí, alebo na bežiacom páse, stačí umiestniť čidlo do potrubia poprípade do vrstvy vzduchu nad materiálom..4.4 Metódy merania vlhkosti plynov z praxe Tak ako vždy, na jednej strane je teória a na druhej strane je prax, kde sa vyskytujú rôzne, či už technické, alebo ekonomické problémy a obmedzenia. Vtedy sa uplatňuje inžinierska zručnosť, ktorá sa dokáže preniesť cez tieto problémy a nájsť riešenia, ktoré aplikujú teóriu v konkrétnych sťažených podmienkach. Inak tomu nie je ani pri praktických aplikáciách merania vlhkosti. Či už sa jedná o meranie vlhkosti papiera a iných vláknitých materiálov, z ktorých každý má iné vlastnosti a treba k nim pristupovať individuálne. Alebo ide o kvapaliny ako sú palivá, oleje, mazivá, kde sa meria zvlášť obsah rozpustenej a zvlášť voľnej vody. Najzložitejšie sú však meranie vlhkosti sypkých látok. V nasledovnom sa zameriame na dva špeciálne prípady merania vlhkosti plynov z praxe Meranie tlakového rosného bodu Pri výrobe stlačeného vzduchu alebo stlačených technických plynov je často potrebné po kompresii a ochladení plynu tento plyn odvlhčiť, aby nevznikal kondenzát vodnej pary, ktorý je nežiaduci v ďalšom spracovaní. Je potrebné merať tzv. tlakový rosný bod. Používa sa sorpčný typ snímača a najviac sú zaužívané tieto dve metódy: priame meranie v tlakovom obvode meranie po odpustení tlakového plynu na hodnotu barometrického tlaku a následný výpočet Priame meranie tlakového rosného bodu je možné uskutočniť vtedy, ak nehrozí poškodenie snímača prevádzkovým tlakom a presnosť aj stabilita budú trvale overované (obr.10). 16

22 Obr.10 Priame meranie tlakového rosného bodu. K meraniu tlakového rosného bodu odpúšťaním tlakového plynu na barometrický tlak cez škrtiaci ventil je potrebné zistiť teplotu odpusteného plynu, rosný bod odpusteného plynu a absolútny tlak pv tlakového plynu (obr.11). Potom prichádza na rad výpočet tlakového rosného bodu. Na takéto meranie sa obvykle používa sorpčný oxidový snímač. Pri každom kalibračnom zariadení sa individuálne zisťuje nelineárna závislosť výstupného signálu. Táto závislosť sa ukladá v linearizátore, ktorý na displeji zobrazuje priamo teplotu rosného bodu meraného plynu. Snímač sa kalibruje pri tlaku 100 kpa a teplote 1 C, nakoľko je nemožné kalibrovať snímač vlhkosti pri tlaku napr kpa (stlačený vzduch) alebo 4000 kpa (stlačený zemný plyn). Teplota rosného bodu sa prepočíta z kalibračného tlaku na teplotu tlakového rosného bodu. Pri expanzii tlakového plynu sa parciálny tlak vodnej pary zmení v pomere týchto tlakov. Zmena teploty plynu voči kalibračnej teplote je tiež zohľadnená vo výpočtovej rovnici (1). P PV TKAL PTT (1) P T Pv tlak plynu (pretlak zvýšený o 100 kpa) Ptt je parciálny tlak vodnej pary pri tlaku Pv Pb tlak plynu po expanzii Pp parciálny tlak vodnej pary pri tlaku Pb Ts teplota plynu. Tkal teplota pri kalibrácii snímača Teplota rosného bodu sa odčíta z tabuľky podľa vypočítaného tlaku Ptt. B S 17

23 Obr.11 Meranie tlakového rosného bodu po expanzii ts - teplota expandovaného vzduchu ta - teplota okolia t - teplota stlačeného vzduchu.4.4. Metódy merania vlhkosti vo výbušnom prostredí V praxi sa vyskytujú aj aplikácie, kde je potrebné merať vlhkosť výbušných plynov alebo vzduchu, u ktorého je riziko, že môže obsahovať nebezpečnú koncentráciu výbušného plynu. Hovoríme o meraní v nebezpečných zónach. Takýmto meraním môže byť napr. určenie teploty rosného bodu acetylénu, vodíka a propán-butánu pri plnení tlakových fliaš. Alebo meranie vlhkosti zemného plynu v podzemných zásobníkoch. Pri snímaní vlhkosti v takomto prostredí sa vyhodnocovacia elektronika meracieho kanála umiestni mimo nebezpečnej zóny. V tej býva len samotný senzor. Taktiež je nutné vytvoriť elektrické oddelenie obvodov bezpečnej a nebezpečnej zóny tzv. Zenerovou bariérou (obr.1). Senzor môžeme umiestniť do nebezpečnej zóny, ak negeneruje napätie vyžšie ako 1,V, prúd väčší ako 0,1A, výkon 5mW a zostatková energia je menšia ako 0J. Obr.1 Elektrická schéma Zenerovej bariéry. 18

24 3. EXPERIMENTÁLNE PRACOVISKO,MERANIA A RIADENIA VLHKOSTI Hlavnou náplňou tejto práce je regulácia vlhkosti v experimentálnom laboratórnom pracovisku merania a riadenia vlhkosti v uzavretom priestore, čiže klimatizovanej komore (ďalej len KK). Toto pracovisko bolo sfunkčnené pred viac ako desiatimi rokmi a viaceré technické zariadenia sú dnes už nefunkčné, preto bola potrebná pred začatím práce najskôr inovácia týchto zariadení a následné opätovné oživenie pracoviska. Teraz si popíšeme toto pracovisko aj so stručnou charakteristikou jednotlivých prvkov. 3.1 Popis pracoviska Centrom tohto pracoviska je KK, ktorá plní funkciu priestoru, kde sa vytvára špecifická vlhkosť. Vyrobená je z dvoch kusov plexiskla hrúbky 6 mm, ktoré spolu tvoria kocku s objemom 0, m 3. Ak chceme riadiť vlhkosť, potrebujeme prostriedok, tak ako na zvyšovanie, tak aj na znižovanie vlhkosti v KK. Na zvyšovanie vlhkosti je vo vnútri KK umiestnená malá nádobka s vodou. Táto nádobka je spojená (spojenie má dobrú tepelnú vodivosť) s vyhrievacou elektrickou špirálou. Riadením napätia tejto špirály môžeme zvyšovať intenzitu odparovania vody v nádobke a tým zvyšovať vlhkosť v KK. Naopak, znižovanie vlhkosti je vyriešené prefukovaním vzduchu z okolia cez KK. Aby to bolo možné, sú na KK vyrobené dva otvory. Jeden v strope s priemerom 10 mm, kde je navyše osadený komín s výškou 400 mm. Druhý otvor je v bočnej časti a je v ňom osadený ventilátor, ktorý zabezpečuje vnútené vetranie. Riadením jeho otáčok znižujeme vlhkosť v KK. Pre oba otvory boli zvolené čo najvhodnejšie pozície tak, aby vzduch prúdil cez uhlopriečku KK. Komín je v ľavej zadnej časti stropu a ventilátor je v pravej prednej časti. Oba otvory sú samozrejme opatrené uzatváracími klapkami, kedy sa priestor v KK stáva dokonale oddelený od okolia. Ak chceme vlhkosť regulovať, potrebujeme samozrejme získavať informácie o stave regulovanej veličiny, t.j. vlhkosti a pre lepší prehľad o sústave je vhodné poznať aj teplotu. K tomuto slúži kombinovaný snímač teploty a relatívnej vlhkosti umiestnený približne v strede KK. Výstupný signál snímača ako aj riadiace signály pre akčné členy (ventilátor a špirála) sú pripojené na vstupno-výstupnú komunikačnú kartu, ktorá je pripojená k počítaču. Ten obsahuje riadiaci algoritmus aj užívateľské rozhranie. Pre lepšie predstavenie si kompletného zapojenia slúži obr.13, na ktorom je jasne zobrazené zapojenie všetkých použitých prvkov. 19

25 U R 0-10V U R1 0-10V D/A A/D PC V/V Výstup 1 4-0mA Výstup 4-0mA =0V KSTV SSR RV =4V OT 110/30 =5V 30V Obr.13 Schematické znázornenie pracoviska SSR - Polovodičové spínacie relé (Solid State Relay) OT - Oddeľovací transformátor RV - Riadenie ventilátora KSTV-Kombinovaný snímač teploty a vlhkosti PC - Počítač s program Control Panel Control Panel Je to starší softvér od českej firmy Alcor-Moravské prístroje a.s. Pracuje v reálnom čase, je založený na objektovom programovaní a užívateľ má možnosť vytvárať program v textovom aj grafickom editore a plynule medzi nimi prechádzať. V Control Panely je vytvorená aplikácia, ktorá spracúva informácie z komunikačnej karty, hodnoty relatívnej vlhkosti a teploty v KK a z týchto hodnôt, podľa navrhnutého algoritmu riadenia, vypočíta hodnoty akčných zásahov U R1 (napätie na ventilátore) a U R (napätie na špirále). Ďalej dopočíta hodnoty absolútnej vlhkosti a teploty rosného bodu. Užívateľské rozhranie nám ponúka číselné zobrazenie aktuálnych hodnôt už spomínaných veličín a taktiež vykresľuje ich priebeh do grafu. Zobrazený interval na časovej osi 0

26 je voliteľný, čo je veľmi praktické. Ak je zapnutá automatická regulácia, môžme meniť žiadanú hodnotu relatívnej vlhkosti, ak je vypnutá, môžeme manuálne nadstavovať napätie U R1 i U R. Aplikácia obsahuje aj funkciu pre archivovanie dát do dátového súboru vo formáte dbf (data base file). Tento formát, bohužiaľ, nie je podporovaný programom Matlab, avšak dá sa otvoriť v programe Microsoft Excel a následne importovať do matlabovského workspaceu. Mimochodom, program Control Panel bol vyvinutý v roku 1999 a podľa môjho názoru bol na tú dobu na veľmi vysokej úrovni V/V komunikačná karta ACL 81PG Slúži na duplexnú komunikáciu programu Control Panel s meracími a riadiacimi kanálmi. Disponuje 16 vstupnými A/D kanálmi s parametrami: rozsah vstupného napätia ±0,315, ±0,65, ±1,5, ±,5, ±5 alebo ±10V maximálne dovolené krátkodobé prekročenie napätia ±30V prevod metódou postupnej aproximácie s rozlíšením 1 bitov maximálna rýchlosť prevodu s frekvenciou 90kHz spúšťanie prevodu programom, hodinovým impulzom alebo externým signálom. Karta ďalej obsahuje dva výstupné D/A kanály: s rozlíšením 1 bitov dobou ustálenia 30 µs linearitou ±0,5 bitu výstupné napätie v závislosti od referenčného signálu 0-5 alebo 0-10V Karta je schopná dodať maximálny prúd ±5 ma. Obr.14 Komunikačná PC karta ACL81PG 1

27 3.1.3 Kombinovaný snímač teploty a vlhkosti Tento prvok je jedným z tých, ktoré bolo potrebné nahradiť, pretože pôvodný snímač NH mal už za svoju dobu používania výrazne zhoršené parametre. Tento typ mal výstupný signál oboch meracích kanálov 4 0mA a podľa toho som hľadal ekvivalentnú náhradu. Z ponuky na trhu som podľa ceny a dodacej doby vybral snímač T3110 od firmy Comet so senzorom vlhkosti sorpčného typu s polymérnym dielektrikom. Na rozdiel od predchádzajúceho modelu, tento je vybavený LCD displejom a viacerými možnosťami užívateľských nastavení a programovateľných funkcií. Z meraných veličín dokáže sám dopočítať teplotu rosného bodu, absolútnu vlhkosť, mernú vlhkosť, zmiešavací pomer a špecifickú entalpiu. Na prvom riadku zobrazuje teplotu, veličinu zobrazenú na druhom riadku je možné meniť medzi relatívnou vlhkosťou, alebo jednou z dopočítaných veličín, alebo je tu aj režim cyklického prepínania druhého riadku s intervalom 4s. Merané i dopočítané veličiny je tiež možné programovo priradiť k jednotlivým výstupom. Taktiež je možné tento snímač programovo justovať. T3110 je schopný sám poskytovať rôzne chybové hlásenia, či už na displeji, alebo vo výstupnom signáli. Snímač sa do obvodu pripája dvojvodičovým vedením, viď obr.15. Pre činnosť snímača je nutné zapojenie kanála I1, pretože je z neho napájaná elektronika. Pri inštalácii je nutné zvoliť napájacie napätie Uss podľa vzťahu: Uss MIN Uo I R (1) MIN Poznáme: Uo MIN = 9V a I MAX = 0mA. Pre pripojenie pôvodného snímača boli ako odpor použité dva paralélne zapojené rezistory 1K, t.z. hodnota odporu R Z = 500Ω. Z rovnice (1) potom vychádza, že Uss MIN > 19V. Použil som teda napájacie napätie 0V. Na výstupe I1 je nastavená relatívna vlhkosť a na karte je privedená na svorky 1,. Na výstupe I je teplota a vedenie tohto výstupu je privedené na svorky 3,4 (prvé číslo je vždy kladný pól). Výstup 4 0mA zodpovedá hodnotám meraných veličín relatívnej vlhkosti 0 100% a teplote C. Pri spracovaní týchto informácii v Control Panely si je treba uvedomiť, že na V/V karte má síce A/D kanál vstup 0-10V, ale signál zo snímača sa na odpore R Z prevedie do intervalu 10V. MAX Z Obr.15 Pripojenie kanálov snímača

28 Z parametrov ešte vyberiem presnosť, pre meranie teploty je to ±0,4 C a pre meranie relatívnej vlhkosti ±,5%, čo je pomerne vysoké číslo, ale ako je spomenuté v kapitole o meraní vlhkosti, lepšia presnosť sa ťažko získava. Ďalšie informácie o snímači sú v prílohách P Polovodičové spínacie relé Toto je ďalší prvok, ktorý bolo potrebné nahradiť, pretože pôvodné zariadenie Noconta BS1,F001 bolo už nefunkčné. Bolo pomenované ako riadený tyristorový zdroj a jeho funkcia spočívala v tom, že na základe riadiaceho napätia U R z karty (svorky 15, 16), privádzal napätie 0 0V na elektrickú vyhrievaciu špirálu. Dnes sú podobné zariadenia pomenované ako Solid State Relay, čo je v preklade polovodičové spínacie relé. S potrebnými parametrami a najvhodnejší pre naše účely sa našiel len jeden typ a to RJ1P48V50E od firmy Carlo Gavazzi. Zapojenie je na obrázku 16 a na rozdiel od Noconty, ktorá bola napájaná striedavým napätím 0V, SSR stačí 4V jednosmerných. V závislosti od jednosmerného riadiaceho napätia na svorkách 5A3 a 3A1 spínajú tyristory v antiparalélnom zapojení pripojené napätie na záťaži. Obr.16 Zapojenie kontaktov SSR Existuje možnosť zvolenia jedného z piatich módov spínania (viď obr.17). Ďalšie informácie sú uvedené v prílohách P6, P7 a P8. 3

29 Obr.17 Priebeh napätia na záťaži pri móde 1, a 3,4, Riadiaci obvod ventilátora Ako ventilátor je použitý klasický 1V ventilátor (jednosmerný motor) z počítačového zdroja. Na riadenie otáčok takýchto typov motorov sa v praxi najčastejšie používa zapojenie s integrovaným obvodom NE555. Ide o časovač, ale v tomto zapojení slúži ako generátor pravouhlých impulzov, ktorých stredná hodnota je úmerná napätiu U R1, čiže sa vlastne jedná o šírkovú moduláciu. Tieto impulzy sa potom zosilnia výkonovým tranzistorom a kondenzátor zapojený paralélne k motoru stlmí skokové zmeny, aby otáčky motora neboli trhané. Trimer vo vstupnej časti slúži na reguláciu amplitúdy a frekvencie impulzov na výstupe časovača. Riadiace napätie U R1 sa nachádza na karte na svorkách 13 a Oživovanie a oboznamovanie sa s pracoviskom a sústavou Pred zahájením prvých meraní alebo akýchkoľvek experimentov bolo potrebné zoznámiť sa s prostredím programu Control panel. Tento softvér nepracuje pod operačným systémom Windows, takže prvé kroky boli v celku ťažkopádne. Výmena snímača vlhkosti a teploty prebehla hladko, nakoľko dokumentácia pripojenia predchádzajúceho modelu bola podrobne spracovaná a taktiež k novému snímaču bol prehľadný manuál (pripojenie snímača je v kapitole 3.1.3). Horšie to už bolo v prípade hľadania náhrady za riadený tyristorový zdroj pre napájanie špirály a aj keď sa zdá, že na trhu je kvantum elektrických a automatizačných prístrojov rôzneho typu, tak zohnať takéto zariadenie sa ukázalo ako problém. Nakoniec sa však našťastie našlo pár výrobcov a dodávateľov (zariadenie treba hľadať pod názvom Solid State Relay), ale takmer všetky tieto zdroje boli určené pre vyššie riadiace napätie, najčastejšie 0 36V, alebo boli riadené prúdom. Našiel sa jeden jediný výrobca, Carlo Gavazzi, u ktorého som našiel Solid State Relay s parametrami vhodnými pre našu aplikáciu. Výstup tohto zariadenia nám stačil pre maximálne napätie 30V, ale keďže český dodávateľ, cez ktorého sme toto SSR objednávali, mal priamo 4

30 na sklade požadovaný typ s výstupným napätím do 480V, pre urýchlenie dodávky sme sa rozhodli pre túto verziu. Ku skompletizovaniu vybavenia pracoviska chýbal ešte riadiaci obvod ventilátora. Ako je napísané v kap. 3.1, jedná sa o menič pre 1V jednosmerný motor. Rozhodol som sa použiť teda klasický obvod pre riadenie otáčok motorov takéhoto typu, a tým je zapojenie s časovačom NE555. Na internete som našiel niekoľko schém zapojenia, no ani v jednej nebol navrhnutý riadiaci vstup, ale boli to schémy určené pre pevné nastavenie otáčok potenciometrom. Nakoniec som tento obvod vyrobil podľa schémy (viď obr.18), podľa ktorej bol vyrobený aj pôvodný obvod v tomto modely. Avšak chcel by som upozorniť na chybné zapojenie výkonového tranzistora na výstupe, emitor treba zapojiť na zem a kolektor na napájanie. Taktiež si treba uvedomiť, že ventilátor predstavuje indukčnú záťaž a k tranzistoru je potrebné ešte pripojiť antiparalélne tzv. ochrannú diódu, ktorá ho chráni pred záverným prúdom z primárneho vynutia motora. Návrh plošného spoja sa nachádza v prílohách P9. Tieto chyby v zapojení je pravdepodobne dôvod, prečo tento menič v laboratóriu chýbal, pretože mal odpálený tranzistor. Obr.18 Schéma zapojenia obvodu riadenia otáčok JM s časovačom 555 Posledným prvkom, ktorý bolo treba ešte vymeniť bol aj ventilátor, pretože starý bol nefunkčný, možno to malo tiež niečo spoločné s chybnou schémou meniča. Pri prvých experimentoch na KK som si všimol občasné výrazné zakmitanie a zašumenie výstupnej relatívnej vlhkosti. Pokúsil som sa zistiť, čo spôsobuje tento poruchový jav. Pokiaľ bol vypnutý ventilátor, čiže U R1 =0 a riadili sme len výkon špirály (U R ), bol šum a kmitanie zanedbateľné, dokonca pri zavretých vetracích klapkách sa prekmity vôbec nevyskytli. Pri roztočenom ventilátore sa opäť objavili poruchy signálu a aj v nasledujúcej kapitole bude z grafov jasne viditeľné, že intenzita kmitania a zašumenia výstupu je priamoúmerná riadiacemu napätiu UR 1, teda otáčkam ventilátora. Tento jav však nie je vôbec záhadou a dá sa ľahko vysvetliť. Predstavme si šálku s horúcim čajom vonku pri nízkej teplote, ako sa z neho odparuje voda do okolia. Podobná situácia nastáva aj vo vnútri KK, keď sa z misky s vodou táto voda odparuje a prúdenie vzduchu vyvolané ventilátorom spôsobuje, že vodná para vytvára v KK víry, teda jedná sa o sústavu s rozloženými parametrami a odmerať presnú vlhkosť v takejto sústave jedným samostatným snímačom je nemožné. Tento jav určite zhoršuje šancu na nadchádzajúcu presnú identifikáciu a v neposlednom rade aj na kvalitné 5

31 riadenie. Existuje viac spôsobov, ako tento problém odstrániť. Prvý a v praxi často používaný spôsob, je filtrácia daného zašumeného signálu. Je to lacný a pomerne jednoduchý spôsob, otázkou však zostáva, akú časovú konštantu nadstaviť na takomto filtri, pretože sa nejedná o vysoko frekvenčný šum a okrem toho má veľmi ťažko špecifikovateľnú frekvenciu a ďalšou otázkou zostáva, nakoľko by tento filter deformoval aj užitočný signál. Použitím vhodného dolnopriepustného filtra by sme však určite dosiahli značný úspech. Taktiež tu je možnosť použiť mechanický filter, akúsi zábranu, ktorá by v okolí snímača udržovala konštantnú vlhkosť. Ďalším spôsobom je použitie ďalšieho ventilátora, ktorý by túto vlhkosť vo vnútri KK rozfúkaval, avšak je možné, že by to malo ešte horší efekt. Možno by sa dalo uvažovať nad kombináciou mechanickej zábrany s ventilátorom. Podľa môjho názoru najefektívnejším, najpresnejším a zároveň aj najdrahším riešením je aplikácia s viacerými snímačmi vlhkosti vhodne umiestnenými, z ktorých by sme ako výslednú hodnotu brali aritmetický priemer ich výstupov. Podmienkou však je, aby to boli rovnaké snímače, resp. s rovnakou dobou odozvy. Týmto spôsobom by sme minimalizovali prekmity, nedeformovali užitočný signál a nepríjemné vírenie vlhkosti vo vnútri KK by nás ďalej nemuselo trápiť. Po týchto informáciách o problémoch, ktoré nastávajú pri riadení sústavy ventilátorom, sa ešte vráťme k obvodu riadenia otáčok s NE555. Toto zapojenie pravdepodobne nie je v absolútnom poriadku, predpokladám, že ide o akúsi upravenú verziu iného zapojenia určeného na riadenie otáčok potenciometrom, pretože pri stanovenom napájaní 1V, sa na výstupe objaví napätie 3,3V, ktoré roztočí ventilátor, a to aj napriek tomu, že riadiace napätie U R1 = 0V. Otáčky ventilátora potom začnú reagovať až na U R1 > 3,3V. Toto však nie jediný problém. Zdroj napájacieho napätia, ktorý napája tento menič začne pri U R1 > 6V pípať z dôvodu vysokého odberu prúdu a so zrastajúcim U R1 sa pípanie zintenzívňuje, a to i napriek tomu, že ventilátor odoberá pri maximálnom napätí 0,1A a na zdroji je prúdová poistka nastavená na 4A. Po pripojení výstupu tohto riadiaceho obvodu na osciloskop som odhalil príčinu, a tou sú obrovské prekmity impulzov šírkovej modulácie. Na výstupe zo samotného obvodu NE555 je všetko v poriadku, avšak na výstupe tranzistora má každý impulz pri svojom nábehu výraznú špičku a to je príčina pípania prúdovej poistky napájacieho zdroja, čím sa okrem iného potvrdilo konštatovanie, že táto schéma nie je práve najlepšia a to bol dôvod, prečo pôvodný menič chýbal a ventilátor bol nefunkčný, nevydržali dlhodobejšie namáhanie krátkodobými prúdovými špičkami. Tento problém som sa rozhodol vyriešiť zvýšením hodnoty kondenzátora na výstupe z 500 na 1000µF a znížením napájacieho napätia. Okrem odstránenia špičiek to malo za efekt aj plynulejšie otáčky ventilátora a rieši to aj z časti problém vytvárania vírov vlhkosti v KK. Nižšie napájanie nám pri tom neuberie na kvalite regulácie, pretože aj tak malo U R1 niekoľkonásobne väčší a hlavne rýchlejší vplyv na výstupnú vlhkosť ako U R a teraz budú aspoň tieto oba vstupy v rovnováhe. Negatívom zníženia napájacieho napätia je zhoršenie linearity otáčok voči U R1. Neoveril som to žiadnym meraním, ale je to zjavné podľa odberu prúdu, hlučnosti a aj okom viditeľné. Túto nelinearitu akčného členu však obetujem za už spomínané nedostatky. Konečné napájacie napätie som zvolil 5V. Ventilátor sa sám neroztočí od nuly, ale pri postupnom zvyšovaní U R1 pri,9v a pri skokovej zmene z 0 pri,5v. Pri znižovaní U R1 sa začne pri 1,5V sekano otáčať a úplne sa zastaví pri 1,V. Opätovne sa roztočí aj pri nižšom U R1, záleží nakoľko pred tým toto napätie pokleslo. 6

32 Ešte by som chcel spomenúť nevýhodu používania starého počítača a tou je problém s prenosom nameraných dát, pretože počítač na tomto pracovisku disponuje len disketovou mechanikou, eventuálne je tu možnosť pripojenia na internet a preposlať si dáta touto cestou. 7

33 4. IDENTIFIKÁCIA KLIMATIZOVANEJ KOMORY V predchádzajúcich častiach sme si popísali náš model z funkčnej stránky a zosumarizovali jeho technické parametre. Teraz si skúsme našu sústavu charakterizovať z matematického hľadiska. Na prvý pohľad sa môže zdať, že riadenie vlhkosti v uzavretom priestore je jednoduchá záležitosť, ale nie je to tak, pretože sa jedná o mnohorozmerný, nelineárny systém s dopravným oneskorením a pri pôsobení len jednej akčnej veličiny dostáva sústava astatizmus, takže navrhnúť regulátor pre takúto sústavu vôbec nie je banálny problém. Navyše, keď pripočítame charakter sústavy s rozloženými parametrami a kmitanie výstupného signálu, zistíme, že stojíme pred zložitým problémom. Podľa môjho názoru, pri takýchto praktických aplikáciách je dôležité vedieť intuitívne odhadnúť(treba k tomu veľa praktických skúseností s riadením), ktoré vlastnosti systému možno zanedbať a na ktoré treba klásť dôraz pri návrhu riadenia. Týmto úvahám sa budeme venovať neskôr, najprv si poďme meraniami získať potrebné informácie o sústave. 4.1 Statická charakteristika tepelného okruhu Statická, resp. prevodová charakteristika nám poskytuje základnú informáciu o zosilnení sústavy a predstavu o linearite, vďaka čomu si vieme vhodne zvoliť pracovnú oblasť alebo pracovný bod. V našom prípade sme zvolili meranie iba akčných členov, pretože vlastnosti snímača sú popísané už v katalógu a merať prevodovú charakteristiku KK by bolo príliš zdĺhavé. Z akčných členov budeme merať len charakteristiku tepelného okruhu (hodnota z PC=>prevod karty=>prevod SSR=>výkon špirály), pretože pre ventilátor nie je otáčkomer ani prietokomer k dispozícii. 10 U,I,W špirály U [V] I [10mA] 60 W Ur [V] Obr.19 Statická charakteristika tepelného okruhu 8

34 4. Meranie a identifikácia prenosových funkcií Po odmeraní statických charakteristík prichádza na rad meranie dynamických vlastností sústavy. Na identifikáciu budeme merať prechodové charakteristiky, z ktorých následne zistíme prenosovú funkciu. Ako bolo spomenuté, sústava je zo svojej fyzikálnej podstaty nelineárna, pretože, čím je vo vzduchu vyššia vlhkosť, tým je odparovanie vodnej pary pomalšie a naopak, ak je vlhkosť okolia blízka relatívnej vlhkosti okolia, má ventilátor menší vplyv. Okrem toho nelinearitu vnáša taktiež riadiaci obvod ventilátora (nelineárne otáčky k riadiacemu napätiu). Pre kvalitné identifikovanie vlastností je treba uskutočniť viacero meraní v celom pracovnom rozsahu. Najskôr sme merali takým spôsobom, že sme nadstavili konštantné otáčky ventilátora a vykonali sme skoky napätia na špirále v celom pracovnom rozsahu, potom sme zmenili otáčky ventilátora na inú konštantnú hodnoty a vykonali sme rovnaké skoky napätia U R. Rovnaký postup sme zopakovali opačne so skokovými zmenami U R1 pri rôznych konštantných hodnotách U R. Nakoniec sme urobili meranie sústavy s astatizmom, pri aktívnej len jednej akčnej veličine. Každý experiment bol vykonaný v okamihu, keď bola sústava v ustálenom stave, za ktorý som pokladal taký stav, ak sa relatívna vlhkosť v priebehu 3 minút nezmenila o viac ako 1 %. Ako bolo spomínané a je to vidno aj na nasledujúcich grafoch, signál je postihnutý zjavne veľkým šumom. Pri prvých grafoch to nie je až také hrozné, ale pri niektorých meraniach to je skutočne katastrofálne, príklad obr.5, a pri tom sú to výsledky až identifikácie, pretože pri predchádzajúcich dvoch som pracoval s vyšším napájacím napätím meniča ventilátora a vykonával väčšie skoky U R1. V niektorých prípadoch sa dalo dokonca okom ťažko určiť skutočný priebeh. Všetky pokusy som vykonal viac krát a vybral som tie najlepšie priebehy. Namerané prechodové charakteristiky som skúšal identifikovať rôznymi metódami a to metódou najmenších štvorcov modelom ARMAX, IV4, OE, ale vo väčšine prípadov tieto metódy zlyhávali a nedávali uspokojivý výsledok. Nakoľko ľudský mozog je ešte stále dokonalejší nástroj ako akákoľvek metóda, či genetický algoritmus, rozhodol som sa pristúpiť k experimentálnej metóde identifikácie, ktorá bola síce pracná a zdĺhavá, ale dala uspokojivé výsledky. Všetky priebehy som rukou do grafu prekreslil, ako som predpokladal, že by mali vyzerať bez šumu. Následne som odčítal hodnoty z týchto prekreslených grafov a vytvoril som náhradné prechodové charakteristiky. Tieto som potom zidentifikoval už spomínanými metódami a vybral vždy najlepší výsledok. Prenosovú funkciu som hľadal v nasledovnom tvare: K Ds G( s) e (13) a s a s 1 Sústava je s dopravným oneskorením, a preto pre budúci návrh regulátora je vhodné upraviť tento tvar Padeho rozvojom: D 1 s e Ds (14) D 1 s Teda ako výsledný tvar prenosových funkcií dostaneme: 1 9

35 D 1 s K Ds K G( s) e (15) a s a s 1 a s a s 1 D s V nasledujúcich grafoch sú jednotlivé prechodové charakteristiky. Modrou farbou sú vykreslené namerané priebehy a červenou sú priebehy jednotlivých zidentifikovaných sústav. Ešte netreba zabudnúť na dôležitú informáciu a tou sú atmosferické podmienky, pri akých bola sústava zidentifikovaná. Priebehy na obrázkoch 0 až 5 boli namerané pri relatívnej vlhkosti okolia 30% a teplote 3,5 C a ostatné priebehy na obrázkoch 6 až 31 boli namerané pri rovnakej teplote 3,5 C ale relatívna vlhkosť sa v priebehu merania zmenila z 37 na 3%. Atmosferický tlak som nesledoval. Meranie č.1: U R1 = 1,7V U R = 1V 3V H REL = 40% 57% Prenos: 8,35 G s) e 38010s 303s 1 83s ( s 8,35s 0,01 119s 8,301s 0,041 H [%] Obr.0 Meranie č.1 t [s] 30

36 Meranie č.: U R1 = 1,7V U R = 3V 5,5V H REL = 56% 66% Prenos: 9,9 G s) e 3000s 50s 1 68s ( s 9,9s 0,91 96,5s 8,353s 0, H [%] t [s] Obr.1 Meranie č. Meranie č.3: U R1 = 1,7V U R = 5,5V 8,5V H REL = 65% 73% Prenos: 3,15 G s) e 16000s 40s 1 1s ( s 3,15s 0,55 907s 41s 0,1667 H [%] Obr. Meranie č.3 t [s] 31

37 Meranie č.4: U R1 = 3V U R = 1V 3V H REL = 36% 48% Prenos: G s) 48000s 6 e 35s 1 70s ( s 6s 0, s 10,9s 0,0857 H [%] Obr.3 Meranie č.4 t [s] Meranie č.5: U R1 = 3V U R = 3V 5,5V H REL = 48% 56% Prenos: 7,45 G s) e 3000s 40s 1 93s ( s 7,45s 0,16 735s 6,s 0,0 H [%] t [s] Obr.4 Meranie č.5 3

38 Meranie č.6: U R1 = 3V U R = 5,5V 8,5V H REL = 55% 60% Prenos: G s) 7000s 5 e 140s 1 50s ( s 5s 0, 40s 6,6s 0,04 H [%] Obr.5 Meranie č.6 t [s] Meranie č.7: U R1 = 1,7V 3V U R = 8,5V H REL = 85% 68% Prenos: 17,5 G s) e 850s 100s 1 10s ( 3 850s 17,5s 3,5 70s 1s 0, H [%] Obr.6 Meranie č.7 t [s] 33

39 Meranie č.8: U R1 = 1,7V 3V U R = 5,5V H REL = 70% 57% Prenos: 13,7 G s) e 600s 70s 1 10s ( 3 600s 13,7s,74 190s 15s 0, H [%] Obr.7 Meranie č.8 t [s] Meranie č.9: U R1 = 1,7V 3V U R = 3V H REL = 56,5% 48% Prenos: G s) 8s 8,7 e 58s 1 0s ( 3 8s 8,7s 0,87 58,8s 6,8s 0,1 H [%] Obr.8 Meranie č.9 t [s] 34

40 Meranie č.10: U R1 = 0V U R = 0V 10V H REL = 34% 96,5% Prenos: G s) 8000s 6,1 e 140s 1 160s ( s 6,1s 0,076 40s,75s 0,013 H [%] Obr.9 Meranie č.10 t [s] Meranie č.11: U R1 = 0 10V U R = 0V H REL = 97% 34% H [%] Obr.30 Meranie č.11 t [s] 35

41 Meranie č.1: Rovnaký experiment ako meranie č.11, pretože z nevysvetliteľných dôvodov začala v sústave vlhkosť stúpať. Jediná možná príčina je, že ventilátor začal spätne nasávať vlhkosť, ktorá bola pred tým odstránená z KK, no v laboratóriu som pri každom meraní zabezpečil dostatočnú výmenu vzduchu. Prenos: G s) 50s 6,3 e 30s 1 150s ( 3 50s 6,3s 0,08 31s 4s 0, H [%] T [ C] t [s] Obr.31 Meranie č.1 36

42 Ako vidno z priebehov meraní č.10, 11 a 1, pri ktorých pôsobila na sústavu len jedna akčná veličina, tak sa nepotvrdil predpoklad, že sústava bude mať pri takomto meraní astatizmus, respektíve určitý fyzikálny astatizmus sa tam určite nachádza, ale v medzných hodnotách je relatívna vlhkosť saturovaná. Pri maximálnej hodnote je to okrem neschopnosti snímača nemarať hodnoty blízke 100% (výrobca garantuje presnosť len do 95%), pomalšie odparovanie pri vysokej vlhkosti a nesmieme zabúdať ani na možné netesnosti KK. V dolných hodnotách je to zase slabší vetrací vplyv okolitého vzduchu. Celý čas som zatiaľ ešte nespomenul teplotu. Pri dokonalejšom riadení, by ju bolo určite potrebné brať do úvahy ako druhý výstup, ale nakoľko má pomalšiu časovú konštantu a oveľa slabšie zosilnenie ako vlhkosť (pri vetraní viac ako pri ohreve vody) budeme ju zanedbávať a označíme ju ako poruchu. V priebehoch ju neuvádzam, pretože na jej priebehu v podstate nie je čo pozorovať. Jediné čo som si všimol, je jav, ktorý nastal pri odvetrávaní KK z maximálnej vlhkosti, viď meranie č.1, kedy reakcia relatívnej vlhkosti na maximálnu skokovú zmenu U R1 nastala až po 150s. No treba si všimnúť, že teplota reagovala okamžite a za tú dobu 150s klesla o,5 C. Pri reakcii vlhkosti začala opätovne rásť a po chvíly opätovne klesá. Treba si uvedomiť, že relatívna vlhkosť nie je hmota, ani energia, ale je to len akási vlastnosť, respektíve stav hmoty. V skutočnosti pod tým treba vidieť množstvo molekúl vody (pary) v objeme vzduchu pri určitej tlaku, ale najmä teplote. Ak teplota klesne, klesne schopnosť vzduchu viazať na seba molekuly vody, teda stúpne relatívna vlhkosť a to sa presne deje i tu. Absolútna vlhkosť klesá, ale relatívna je konštantná. Takže sústavu sme zidentifikovali v 11 pracovných bodoch, poznáme všetky potrebné vlastnosti a dokonale sme si osvojili jej správanie, teraz môžeme pristúpiť k návrhu riadenia. 37

43 5. RIADENIE RELATÍVNEJ VLHKOSTI V KK Zopakujme si, čo vieme o sústave a aké sú požiadavky na reguláciu. Jedná sa o systém s dvomi vstupmi a jedným výstupom, jedná sa o nelineárnu sústavu s dopravným oneskorením a výrazným šumom. Úlohou je regulácia relatívnej vlhkosti v rozsahu 40 až 80% s presnosťou 5%. Treba povedať, že úloha nie je splniteľná za každých podmienok, pretože, často sa stáva, že vlhkosť okolia je vyššia ako 40% a vtedy nie je možné dosiahnuť túto hodnotu. Taktiež presnosť 5% je pomerne prísna požiadavka, nakoľko len samotný snímač má odchýlku,5% a nehovoriac o kmitaní výstupného signálu. 5.1 Robustné riadenie Keďže sme zidentifikovali sústavu vo viacerých pracovných bodoch, skúsme podiskutovať o návrhu robustného regulátora. Naše prechodové funkcie majú v skutočnosti určite vyšší rád ako druhý, nakoľko ide o sústavu s rozloženými parametrami, pravdepodobne sa bude jednať o nekonečný rád, ale z identifikovanych prenosových funkcií vidno, že sa dajú uspokojivo aproximovať aj sústavou radu. Na základe tejto úvahy budeme predpokladať iba štruktúrovanú neurčitosť, t.z. uvažujeme len neurčitosť parametrov a nie štruktúry. Koeficienty sa s určitosťou navzájom ovplyvňujú, preto sa jedná o afinný polytopický model neurčitostí. Stabilita sa v tomto prípade vyšetruje Charitonovou vetou o stabilite na hrane kvádra neurčitosti (Edge Theorem). Zosumarizujme si prenosové funkcie, len pri súčasnom pôsobení oboch akčných veličín. 8,35 83s 8,35s 0,01 G1 ( s) e s 303s s 119s 8,301s 0,041 9,9 68s 9,9s 0,91 G ( s) e s 50s s 96,5s 8,353s 0,0941 3,15 1s 3,15s 0,55 G3( s) e s 40s s 907s 41s 0, s 6s 0,1714 G4 ( s) e s 35s s 1697s 10,9s 0,0857 7,45 93s 7,45s 0,16 G5 ( s) e s 40s s 735s 6,s 0,0 5 50s 5s 0, G6 ( s) e s 140s s 40s 6,6s 0,04 Prenos v intervalovom tvare s minimálnou a maximálnou hodnotou jednotlivých koeficientov vyzerá nasledovne: 38

44 G( s) s 3,15 9,9 e s s 1 3 9,9 3,15 s 0,16 0, s 1 93 s 6, 41 s 0,0 0,1667 Ako vidno koeficienty tohto modelu sa pohybujú vo veľkom intervale, a preto návrh robustného regulátora pre takéto široké hranice je veľmi náročná úloha, hlavne, keď máme na pamäti možnú nepresnosť identifikácie. Zoberme preto pre jednotlivé koeficienty strednú hodnotu z uvedených intervalov a vytvorme nominálny model. Z neho potom znovu vypočítajme náhradu dopravného oneskorenia Padeho rozvojom. 6,55 5,5s 6,55s 0,5 G( s) e s 3,5s s 180s 9,9s 0,038 Navrhnime pre uvedenú sústavu regulátor metódou optimálneho modulu. Túto metódu som volím pre jej vhodné použitie pre sústavy s dopravným oneskorením. Štruktúru regulátora určím PD, pretože v sústave predpokladám určitý stupeň astatizmu a taktiež absolútny člen v menovateli je o niekoľko rádov menší ako ostatné. Integračná zložka by v kombinácii s dopravným oneskorením mohla negatívne pôsobiť na stabilitu. D zložka by zase mohla mať pozitívny vplyv na zníženie kmitavosti sústavy, no uvidíme, ako bude reagovať na šum. Vypočítané parametre regulátora metódou optimálneho modulu sú: r1 = 0,687 a r D = 39. Prenosová funkcia regulátora je potom: G R ( s) 0,687 39s 0, s V nasledujúcom grafe je odsimulovaný priebeh regulácie v simulky s použitým vypočítaným regulátorom a sústavou s nominálnym modelom. 39

45 Y T Obr.3 PCH URO s nominálnym modelom pre U R a PD regulátorom Rovnaký postup zvolíme aj pre riadenie ventilátora. Na riadenie motorov sa taktiež s obľubou používa derivačný člen. Výsledný priebeh regulácie je na obr.33. Zelenou je zobrazená žiadaná hodnota aj s pásmom regulácie 5%. Vykonal som tri skoky, najskôr nábeh z vychladnutého stavu na 60%, potom menší skok na 70% a nakoniec skok opačným smerom na 50%. 40

46 H [%] Obr.33 Priebeh regulácie s PD regulátorom t [s] Výsledný uzavretý regulačný obvod je síce stabilný, ale s navrhnutým riadením nie som spokojný, pretože som nesplnil požiadavku na odchýlku 5%. Hlavne pri prechode z jedného stavu do druhého má priebeh vysoké prereguľovanie a druhý, či tretí prekmit je dokonca väčší ako prvý, z čoho je zrejmé, že regulátor nezachytáva dlhšie trvanie odparovania. Postupom času sa však priebehy ustália v okolí želanej hodnoty a v dlhšom čase spĺňame regulačnú požiadavku. Nakoniec treba však podotknúť, že pri návrhu robustného regulátora sme zanedbali a zjednodušili príliš veľa faktov a tento regulátor by som nazval iba pokusom o návrh robustného riadenia. Je možné, že k horšej kvalite prispeli aj z časti zmenené okolné podmienky a to, že kým pri identifikácii bola relatívna vlhkosť okolia, len niečo nad 30%, tak pri regulácii to bolo až 44%. 5. Dvoj-polohová regulácia Najstaršia a najjednoduchšia regulácia a v mnoho prípadoch nedáva oveľa horšie výsledky ako PID regulátory a v praxi sa často aplikuje na riadenie podobných typov sústav. Hodnoty zosilnenia K pre jednotlivé slučky som zvolil experimentálne na viac pokusov a najlepší výsledok som dosiahol pri hodnotách 1,5 pre ventilátor a 0,4 pre špirálu. Skoky žiadanej hodnoty som volil rovnako ako v predchádzajúcom prípade. Nameraný priebeh je na obrázku

47 H [%] Obr.34 Priebeh -polohovej regulácie t [s] Ako vidno z priebehu uzavretého regulačného obvodu s navrhnutým -polohovým regulátorom, priebeh je značne rozkmitaný. V porovnaní s PD regulátorom má o polovicu pomalší nábeh, porovnateľné maximálne preregulovanie, no horšiu dobu ustálenia. 4

48 6. Diskusia Teoretická aj praktická časť tejto práce je naplnená, zostáva už len na záver sumarizovať, diskutovať a zhodnotiť v úvode stanovené ciele z môjho pohľadu. Najskôr si zhrnieme dosiahnuté výsledky v tejto práci, skúsime navrhnúť nové a lepšie riešenia danej úlohy, otvoriť otázky do budúcnosti a nakoniec podiskutujeme o možnosti využitia tohto pracoviska pre pedagogické účely. 6.1 Zosumarizovanie dosiahnutých výsledkov Nebudem sa tajiť tým, že spočiatku som podcenil zložitosť a náročnosť tejto práce. Po technických komplikáciách, popísaných v kapitole 3., považujem za malý úspech už len to, že sa celé pracovisko podarilo sfunkčniť a všetko pracuje tak, ako má bez ďalších problémov. Po vykonaní prvých meraní som si však uvedomil, že mám pred sebou ešte ďalšiu neľahkú úlohu a tou je vysporiadať sa so zákernosťami, ktoré v sebe skrýva táto meraná sústava. Na druhej strane, čím by ma táto práca obohatila, ak by všetko od začiatku išlo hladko a bez aditívnych komplikácií, ktoré sa vyskytujú pri väčšine projektoch v skutočnom živote? My inžinieri sme tu nato, aby sme problémy neodsúvali, neobchádzali, ale vyriešili a následne sa neuspokojili s výsledkom, ale skúsili nájsť ešte lepšie, dokonalejšie a lacnejšie riešenia. Rovnako tomu je aj v tomto prípade. Zašumený signál sa podarilo, myslím si, slušne identifikovať alternatívnou metódou. Ale každá metóda, ktorá dá dobrý výsledok, je dobrá metóda. Lenže, keď sme z identifikovaných prenosov navrhli (aj keď teoreticky nie úplne správne) robustný regulátor, zistili sme, že kvalita regulácie nespĺňa zadané požiadavky (v ustálenom stave síce áno, ale v prechodnom nie), prichádza na rad otázka, kde sme urobili chybu a čo sme mohli urobiť lepšie. 6. Návrh zlepšenia Veci, v ktorých vidím zlepšenie sú ako technického, tak aj teoretického charakteru. Ako prvé treba určite inovovať softvér, tým je Control Panel a nahradiť ho napr. Matlabom, s čím súvisí aj výmena počítača a V/V karty. Pre zlepšenie postupov pri identifikácii a riadení je toto nevyhnutnou podmienkou a okrem toho to pomôže progresívnejšej analýze nameraných dát. Druhým bodom technickej inovácie by mohlo byť lineárnejšie riadenie otáčok ventilátora a odstránenie ich hysterézie. Ďalej sa môžeme zaoberať tým, ako by bolo možné zlepšiť kvalitu regulácie. V prvom rade treba začať pri identifikácii, kde vidím dva problémy. Prvý je zašumenie signálu, ktorého riešenie som už popísal v kap. 3.. Ideálna by bola kombinácia s viac snímačmi, ale úplne bude postačovať aj rozumne zvolená filtrácia signálu. Ďalej si myslím, že akýkoľvek PD, P, či PID regulátor nie je správna cesta, pretože takýmto regulačným pochodom sa pravdepodobne nedá vyhnúť prekmitom pri prechodových dejoch, jedine za cenu veľmi pomalej regulácie. Vylepšením doterajšieho návrhu by mohlo byť obmedzenie minimálneho riadiaceho napätia ventilátora na 1,4V, aby sa úplne nezastavil 43

49 a nemusela sústava čakať, kým sa znova rozbehne pri vyššom napätí, hysterézia regulácii viditeľne škodila. Jednou z možných ciest k podstatne lepšej regulácii by mohol byť určite napríklad genetický algoritmus. Najlepšie možnosti však vidím v adaptívnom fuzzy regulátore. Po bližšom spoznaní sústavy nie je problém určiť bázu pravidiel a priestor pre adaptáciu vidím v zmene relatívnej vlhkosti okolia. Skúsme však teraz nachvíľu zabudnúť na všetky možné teórie a rôzne algoritmy riadenia a zamyslime sa nad otázkou riadenia vlhkosti viac z fyzikálnej podstaty tejto veličiny. Viete si predstaviť ideálne riadenie, kedy v priebehu pár sekúnd zvýšili relatívnu vlhkosť v uzavretom priestore z pôvodnej hodnoty na želanú bez preregulovania a s nulovou regulačnou odchýlkou? Ja áno. Viac krát som už spomínal, čo je to vlastne relatívna vlhkosť. Je to stupeň nasýtenia vzduchu množstvom vody (pary), respektíve hmotnosť vody vo vzduchu pri určitej teplote. Ak poznám parametre objektu, t.j. objem, momentálnu relatívnu vlhkosť, tlak a teplotu, viem presne určiť koľko gramov vody treba pridať do priestoru, aby sa zvýšila jeho relatívna vlhkosť na stanovenú hodnotu. Teda, ak by sme mali zásobník vzduchu so 100% vlhkosťou a udržovali by sme konštantnú teplotu v ňom aj v objekte, nemalo by nám nič brániť k takejto regulácii. Otázkou však ostáva, ako vyriešiť znižovanie vlhkosti. Prínos vo výučbe študentov Táto diplomová práca bola v podstate zadaná s cieľom vytvorenia funkčného experimentálneho laboratórneho pracoviska na pedagogické účely, kde by sa mohli študenti obohacovať svoje praktické zručnosti. Už z mojej práce je jasné, že toto pracovisko je veľmi vhodným cvičebným nástrojom, pretože v sebe zahŕňa ako technickú časť, tak aj teoretické znalosti. Pre študentov je vždy prospešné, ak môžu v reále vidieť praktické aplikácie, kde sa vyskytuje viacero prvkov, ktoré spolupracujú, snímač vlhkosti a teploty, jeho dvoj-vodičové pripojenie, dva akčné členy, riadiaci obvod otáčok jednosmerného motora a tyristorové spínacie relé. Okrem toho, že pri meraní na tomto pracovisku si môžu dokonale osvojiť pojmy a definície vlhkostných veličín. Pre náročnejšie úlohy tu je možné definovanie vstupných, výstupných a poruchových veličín, sledovanie a analýza správania sa sústavy, poprípade navrhovanie vlastných regulátorov. Cvičiaci môžu so študentami diskutovať v skupine na uvedené témy, alebo im môžu zadať samostatné úlohy, pretože sa tu dá experimentovať a vymýšlať rôzne zadania. 44

50 7. PRÍLOHY Obr. P1. Psychrometrický diagram 45

51 Obr.P. Schéma pôvodného laboratórneho pracoviska Obr.P3. Rozmerový náčrt snímača T

52 Obr.P4. Zapojenie svoriek pod krytkou snímača T3110 P5. Katalógové parametre snímača Analogové výstupy: Dva vzájemně galvanicky oddělené kanály, rozsah 4 až 0 ma Proudový výstup v případě chyby: <3,8 ma nebo >4 ma Napájení: 9 až 30 V ss, max. zvlnění 0,5 % Parametry měření: Teplota okolí (interní odporový snímač Pt1000/3850ppm): Rozsah měření: -30 až +80 C Rozlišení displeje: 0,1 C Přesnost: ± 0,4 C Relativní vlhkost (údaj je teplotně kompenzován v celém teplotním rozsahu): Rozsah měření: 0 až 100 %RV (viz instalace snímače) Rozlišení displeje: 0,1 %RV Přesnost: ±,5 %RV v rozsahu 5 až 95 %RV při 3 C Veličiny počítané z měřené teploty a vlhkosti: Rozlišení displeje: 0,1 C Snímač umožňuje zvolit si jednu z těchto veličin. Teplota rosného bodu Přesnost: ±1,5 C při okolní teplotě T < 5 C a RV>30% Rozsah: -60 až +80 C Absolutní vlhkost Přesnost: ±3g/m3 při okolní teplotě T < 40 C Rozsah: 0 až 400 g/m3 6 I-SNC-T Měrná vlhkost1 Přesnost: ±g/kg při okolní teplotě T < 35 C Rozsah: 0 až 550 g/kg Směšovací poměr1 Přesnost: ±g/kg při okolní teplotě T < 35 C Rozsah: 0 až 995 g/kg Specifická entalpie1 Přesnost: ± 3kJ/kg při okolní teplotě T < 5 C Rozsah: 0 až 995 kj/kg Doba odezvy (proudění vzduchu cca 1 m/s): teplota: s krytkou čidel s nerezovou tkaninou (F500) t90 < 7 min (teplotní skok 0 C) s bronzovou krytkou čidel (F volitelné příslušenství) t90 < 9 min relativní vlhkost: t90 < 30 s (vlhkostní skok 65 %RV, konstantní teplota) Doporučený interval kalibrace: 1 rok Interval měření a obnovování měřených hodnot na LCD displeji: 0,5 s Komunikace s počítačem: přes USB port pomocí USB komunikačního kabelu SP003 47

53 Krytí: elektronika IP65, senzory jsou umístěny za krytkou s krytím IP40 Prachový filtr senzorů: filtrační schopnost 0,05 mm Provozní podmínky: Rozsah provozní teploty přístroje: -30 až +80 C, nad 70 C vypnout LCD displej. Rozsah provozní vlhkosti přístroje: 0 až 100 %RV Stanovení vnějších charakteristik dle ČSN : prostředí normální dle přílohy NM s těmito upřesněními: AE1, AN1, BE1 Pracovní poloha: měřicím stonkem směrem dolů Elektromagnetická kompatibilita: vyhovuje ČSN EN Zakázané manipulace: není dovoleno bezdůvodně snímat krytku senzorů a provádět činnosti vedoucí k jakémukoli mechanickému poškození senzorů pod krytkou. Senzory teploty a vlhkosti nesmí přijít do přímého styku s vodou nebo jinými kapalinami. V odůvodněných případech je možno velmi opatrně krytku odšroubovat a vyměnit za novou resp. vyčištěnou. Snímač se nesmí provozovat ani skladovat bez krytky senzorů. Skladovací podmínky: teplota -30 až +80 C, vlhkost 0 až 100 %RV bez kondenzace Rozměry: viz Rozměrové náčrty Hmotnost: cca 150 g Materiál skříňky: ABS Chybové stavy snímače Při provozu snímač neustále provádí kontrolu svého stavu, v případě zjištění chyby zobrazí na LCD displeji odpovídající chybový kód: Error 0 Na prvním řádku displeje zobrazeno Err0. Chyba kontrolního součtu uloženého nastavení ve snímače. Hodnota proudového výstupu je <3.8 ma. K této chybě může dojít při nekorektním zápisu do paměti snímače při nastavování, nebo při poškození kalibračních dat. V tomto stavu snímač neměří a ani se nepočítají následné veličiny. Jedná se o závažnou chybu, pro její odstranění kontaktuje distributora přístroje. Error 1 Měřená (vypočtená) veličina je nad horní hranicí povoleného rozsahu. Na řádku displeje určeného pro zobrazení veličiny je zobrazeno Err1. Hodnota proudového výstupu je cca 4.5 ma. Tento stav nastane v případě že: Měřená teplota je větší než cca 600 C (tzn. velký neměřitelný odpor teplotního čidla, pravděpodobně je rozpojeno). Relativní vlhkost je větší než 100%, tzn. zničené čidlo vlhkosti, nebo nelze vlhkost spočítat (z důvodu chyby při měření teploty). Počítaná veličina výsledek nelze spočítat (chyba při měření teploty nebo relativní vlhkosti, případně překročen maximální rozsah ). Error Na řádku displeje určeného pro zobrazení veličiny zobrazeno Err. Měřená (vypočtená) veličina je pod spodní hranicí povoleného rozsahu. Hodnota proudového výstupu je cca 3.8 ma. Tento stav nastane v případě že: Měřená teplota je menší než cca -10 C (tzn. malý odpor teplotního čidla, pravděpodobně zkrat). Relativní vlhkost je menší než 0%, tzn. poškození čidla pro měření relativní vlhkosti, nebo nelze vlhkost spočítat (z důvodu chyby při měření teploty). Počítaná veličina - výsledek nelze spočítat (chyba při měření teploty nebo relativní vlhkosti). Error 3 Na prvním řádku displeje zobrazeno Err3. Jde o chybu vnitřního A/D převodníku (převodník neodpovídá, pravděpodobně došlo k jeho poškození). Neměří se a ani se nepočítají následné veličiny. Hodnota proudového výstupu je cca 3.8 ma. Jedná se o závažnou chybu, pro její odstranění kontaktuje distributora přístroje. 48

54 Obr.P6. Náčrt SSR ObrP7. Vnútorná schéma a módy spínanie SSR 49

55 Obr.P8. Funkčný diagram SSR Obr.P9. Náčrt pločného spoja pôvodného a opraveného 50