352lab

Senzorová technika

Předmět je určen pro studenty třetího ročníku bakalářského studia fakulty strojní. Student by měl mít po absolvování tohoto předmětu základní znalosti o vybraných technických prostředcích potřebných pro realizaci řídicích systémů. Jsou to základní znalosti z oblasti snímačů a senzorů hlavně principů založených na fyzikálních zákonech, řídicích systémů, a akčních členů a pohonů.

Na cvičeních se studenti seznamují s vybranými fyzikálními proncipy senzorů, se základními vlastnostmi senzorů a akčních členů formou měření přechodových a statických charakteristik s následným vyhodnocením naměřených dat s využitím výpočetní techniky a softwarové podpory (výstupem je 8 protokolů). Protokoly musí odevzdat do konce aktuálního semestru, jinak je nutné celý předmět absolvovat znovu.

Zkouška obsahuje vstupní test, ve kterém je nutno získat více než 50 %. Test obsahuje otázky, kde student musí prokázat aplikační schopnosti nabytých znalostí (otázky nejsou známy předem, nejsou to jen definice). Pak následuje ústní zkouška (2 ot. – základní osnova ke všem otázkám nutná).

Témata předmětu

1. Seznámení s problematikou a obsahem studovaného předmětu, systémy řízení, měřicí obvod, měřicí řetězec, regulační a řídicí obvod, řídicí a diagnostický systém. Příklady a metodika návrhů měřicích a řídicích systémů.
2. Statické a dynamické vlastnosti členů měřicích a řídicích obvodů (statická charakteristika, citlivost, přesnost, spolehlivost, přechodová a frekvenční charakteristika, dynamická chyba, identifikace dynamických vlastností, důvody identifikace, …).
3. Snímače, senzory, čidla a převodníky (struktura, vlastnosti, rozdělení, pasivní a aktivní snímače). Převodníky A/Č a Č/A – rozdělení, vlastnosti, zapojení, využití, porovnání, převodníky v inteligentních senzorech, převodníky PWM.
4. Principy snímačů – příklady pasivních snímačů: odporové, kapacitní, fotoelektrické, indukční, … . Měřicí a vyhodnocovací obvody pro zpracování signálů ze snímačů.
5. Měření mechanicko-silových statických a dynamických veličin (poloha, rozměr, posunutí, otáčky, rychlost, zrychlení, síla, chvění, …).
6. Měření tlaku a průtoků plynů a kapalin. Měření výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů a ostatních vybraných veličin.
7. Měření tepelných veličin a tepla (principy, vlastnosti, kontaktní a bezkontaktní snímače, provedení, aplikace).
8. Akční členy v řídicích obvodech. DC/AC motory, krokové motory, lineární motory, synchronní a asynchronní motory, magnety a další.
9. Řídicí systémy PLC (programovatelné logické automaty), regulátory, IPC (průmyslové počítače) a jejich specifika.
10. Vizualizace a nadřazené řízení. SCADA/MMI systémy (Supervisory Control and Data Acquisition / Man-Machine Interface).

CZ (přednášky podpora): P1, P2, P3, P4, P5, P6, Návrh řetězce,

EN (přednášky podpora): P1, P2, P3, P4, P5, P6,

Cvičení

1. Bezpečnost.
2. Nástroje pro zpracování naměřených dat z reálných úloh.
3. Předvedení praktických úloh (funkce, požadavky, …) .
4. Protokol č. 1 Náhodné chyby - nejistoty, podpora pro zpracování dat m-file nebo Měření otáček pomocí MM-0024.
5. Protokol č. 2 Fotoelektrické snímače.
6. Protokol č. 3 Bezkontaktní měření teploty - rezistory nebo Bezkontaktní měření teploty - posuv.
7. Protokol č. 4 IRC snímač.
8. Protokol č. 5 Dynamické vlastnosti snímačů teploty.
9. Protokol č. 6 Zapojení odporových snímačů.
10. Protokol č. 7 Teplovzdušný model TVM.
11. Návrh měřicího řetězce.
12. Práce na projektu, konzultace.
13. Práce na projektu, konzultace.
14. Odevzdání a konzultace k projektu.

Návrh měřicího řetězce

Vyberte si veličinu, pro kterou budete řetězec navrhovat a specifikujte jeho nasazení v technologii (definice rozsahů, přesnosti, citlivosti apod.). Určete výslednou přesnost Vámi realizovaného měřicího řetězce. Rozsah semestrální práce: 5 –10 stran.

Osnova semestrální práce:

1. Zadání.
2. Teoretický úvod.
3. Označení měřicího místa dle normy.
4. Blokové schéma.
5. Specifikace použitých prostředků – základní technická data.
6. Popis vazeb.
7. Určení výsledné přesnosti.
8. Závěr.
9. Seznam použité literatury, na kterou jsou v práci odkazy.

Otázky

1. Měřicí a regulační obvod, systém řízení (struktura, veličiny, značení, princip funkce, …).
2. Základní pojmy teorie systémů a jejich aplikace v systémech řízení (prvek, systém, vazba, dekompozice, rozlišovací úroveň, …).
3. Statická charakteristika (vlastnosti) měřicího členu, její nelinearity, měření a vyhodnocování, význam.
4. Aproximace statické charakteristiky (regresní přímka, korelační koeficient, grafická metoda linearizace, …).
5. Nejistoty měření (chyby měření – statické, dynamické, absolutní relativní, výsledné, třída přesnosti).
6. Dynamické vlastnosti členů řídicích obvodů (způsob popisu, typy, …).
7. Přechodová charakteristika senzoru a její identifikace (způsoby měření, parametry, příklady, …).
8. Kmitočtová charakteristika měřicího členu a její význam (měření, příklady, …).
9. I/O rozhraní řídicích systémů v průmyslu (typy vstupních/výstupních signálů, struktura a vlastnosti I/O rozhraní, analogové a diskrétní vstupní/výstupní kanály, příklad použití).
10. Převodníky a digitalizace signálů (A/D, D/A, typy převodníků). Popis funkce způsobu převodů, přesnost, zpoždění převodu, … .
11. Členy pro získání informace – rozdělení, struktura snímače, příklady.
12. Jednoduché a vícenásobné měřicí členy (struktura, vlastnosti, mechanicko-deformační členy, kineticko-kinematické členy , příklady,…).
13. Pasivní a aktivní snímače – rozdělení, vlastnosti, příklady.
14. Snímače odporové – principy, rozdělení, vlastnosti, způsoby vyhodnocení, zapojení.
15. Snímače indukční a indukčnostní – principy, rozdělení, vlastnosti, způsoby vyhodnocení, zapojení.
16. Snímače fotoelektrické – principy, rozdělení, vlastnosti, způsoby vyhodnocení, zapojení.
17. Snímače termoelektrické – principy, rozdělení, vlastnosti, způsoby vyhodnocení, zapojení.
18. Metody a snímače pro měření rozměrů, posunutí a deformací.
19. Metody a snímače pro měření teploty (plynů, kapalin, povrchové teploty těles).
20. Metody a snímače pro měření tlaku (plynů, kapalin).
21. Metody a snímače pro měření průtoků a rychlosti proudění.
22. Metody a snímače pro měření výšky hladiny (kapalin, sypkých hmot).
23. Metody a snímače pro měření rychlosti, zrychlení, otáček.
24. Metody a snímače pro měření sil a krouticích momentů (statické, dynamické).
25. Komunikační rozhraní (sériové, paralelní, obecný popis protokolu, RS232, RS485, ILAN, model ISO/OSI, … ).
26. Rozdělení pohonů pro akční členy (vnitřní uspořádání, vysvětlení principu funkce, … ).
27. Počítačová podpora při zpracování experimentálních měření (obecné uživatelské a speciální aplikační programy, příklady).
28. Jednočipové počítače řady PIC (vnitřní uspořádání, příkazy, příklad aplikace).
29. Inteligentní senzory (vnitřní struktura, funkce, komunikační rozhraní, …).

Literatura

SCHMID, Dietmar. Řízení a regulace pro strojírenství a mechatroniku. Přeložil Jiří HANDLÍŘ. Praha: Europa-Sobotáles cz., 2005. ISBN 80-86706-10-9.

FRANK, Randy. Understanding smart sensors. 3rd ed. Artech House integrated microsystems series. Boston: Artech House, c2013. ISBN 978-1-60807-507-2.

MARTINEK, Radislav. Senzory v průmyslové praxi. CD-ROM. Praha: BEN - technická literatura, [2012?], c2004. ISBN 978-80-7300-354-8.

Obecná podpora