TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA TEXTILNÍ
FAKULTA MECHATRONIKY A MEZIOBOROVÝCH INŽENÝRSKÝCH STUDIÍ
DIPLOMOVÁ PRÁCE
ZA Ř ÍZENÍ PRO M ĚŘ ENÍ PRODYŠNOSTI PLOŠNÝCH TEXTILIÍ
DANIELA LONKOVÁ
2004
Obor:
3106T005 Oděvní technologie
Zaměření:
Řízení technologických procesů
Katedra oděvnictví
Za ř ízení pro m ěř ení prodyšnosti plošných textilií Fabric air pearmeability measurement devices
Daniela Lonková
Vedoucí práce: Doc. Dr. Ing. Zdeněk Kůs
Počet stran textu: 68 Počet obrázků: 34 Počet tabulek: 5
TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI
FAKULTA TEXTILNÍ
FAKULTA MECHATRONIKY A MEZIOBOROVÝCH INŽENÝRSKÝCH STUDIÍ
Zadání
Anotace:
Prodyšnost textilií patří k jedné z nejdůležitějších užitných vlastností. Současné přístroje na měření prodyšnosti měří s konstantním tlakovým spádem. Přesné nastavení rozdílu tlaků je velice obtížné a subjektivní. Stanovení množství prošlého vzduchu textilií je tak zatíženo chybou.
V rámci této práce je navrženo zpřesnění standardního zařízení s užitím inteligentních snímačů. Snímače umožňují přesnější nastavení a odečet měřených hodnot. Je možný sběr dat a ukládání do počítače pro další zpracování.
Pro měření prodyšnosti řízené počítačem bylo navrženo nové zařízení, které využívá inteligentních snímačů rozdílu tlaků a průtoku. Data jsou dostupná v elektronické podobě a zpracovávána pomocí softwaru Matlab firmy The MathWorks.
Návrhy byly realizovány a byla ověřena jejich funkce.
Annotation:
Air permeability is one of the most important properties of textile materials.
Contemporary instruments use differential pressure air permeability measurement method. Such instrument's calibration is very complicated and subjective. Therefore there is a measurement error that affects the results.
This thesis designs and implements an instrument improvement by using intelligent sensors. These sensors provide higher setup and measurement accuracy. It also allows further computer data processing and collection.
A new air permeability tester instrument was designed which uses intelligent pressure and flow rate sensors. Processing algorithms and testing data are available in electronic form to be used in the Matlab suite by The MathWorks, Inc.
Different designs were implemented and their functionality was checked.
Místopřísežné prohlášení:
„Místopřísežně prohlašuji, že jsem diplomovou práci vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury.“
Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb. o právu autorském, zejména § 60 (školní dílo) a § 35 (o nevýdělečném užití díla k vnitřní potřebě školy).
Beru na vědomí, že TUL má právo na uzavření licenční smlouvy o užití mé práce a prohlašuji, že souhlasím s případným užitím mé práce (prodej, zapůjčení apod.).
Jsem si vědoma toho, že užít své diplomové práce či poskytnout licenci k jejímu využití mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne požadovat přiměřený příspěvek na úhradu nákladů, vynaložených univerzitou na vytvoření díla (až do jejich skutečné výše).
V Liberci dne 17.5.2004
Daniela Lonková
Poděkování:
Děkuji vedoucímu diplomové práce Doc. Dr. Ing. Zdeňku Kůsovi za ochotu, podnětné rady a za zodpovědné vedení při tvorbě diplomové práce.
Také bych chtěla poděkovat Ing. Jiřímu Neuhäuserovi z firmy SMC Industrial Automation CZ s.r.o. za pomoc při výběru prvků na realizaci návrhu měřícího zařízení.
Mé poděkování dále patří všem, kteří mi poskytli podnětné rady a pomohli při sestavování měřícího zařízení.
Obsah
Obsah ... 7
1. Úvod... 9
2. Prodyšnost textilie... 10
2.1. Propustnost... 10
2.2. Propustnost vzduchu – prodyšnost... 10
2.2.1. Definice prodyšnosti ... 10
2.2.2. Porosita ... 11
2.2.2.1. Teoretické modely porosity ... 11
2.2.2.2. Chování póru při prostupu vzduchu... 14
2.3. Měření prodyšnosti ... 15
2.3.1. Normou stanovené podmínky měření ... 15
2.3.2. Obecný princip měření prodyšnosti ... 16
2.3.3. Standardní zařízení pro měření prodyšnosti ... 16
2.3.4. Nevýhody standardních zařízení... 20
3. Návrh přesnějšího měření prodyšnosti... 21
3.1. Použité prvky ... 21
3.1.1. Senzory ... 21
3.1.1.1. Senzory průtoku tekutin... 22
3.1.1.2. Diferenciální snímače tlaku ... 27
3.1.1.3. Univerzální zařízení využité pro měření tlaku a průtoku... 30
3.1.2. Prvky pro výrobu a úpravu stlačeného vzduchu ... 31
3.1.2.1. Kompresory... 31
3.1.2.2. Filtry... 32
3.1.3. Akční prvky ... 35
3.1.3.1. Ventily... 35
3.1.4. Multifunkční zásuvné měřící desky ... 37
3.1.5. Upínací hlava pro zkoušený vzorek ... 40
3.2. Návrh přesnějšího měření na SDL M 021 S ... 41
3.2.1. Přesnější stanovení tlakového spádu... 41
3.2.2. Přesnější stanovení průtoku ... 42
3.3. Návrh zařízení řízeného PC ... 43
3.3.1. Konstrukční uspořádání ... 43
3.3.2. Princip činnosti ... 44
3.3.3. Programová podpora... 44
3.3.3.1. Programy pro řízení a snímání ... 45
3.3.3.2. Program na zpracování naměřených dat ... 48
3.3.4. Postup měření... 50
4. Ověření funkce navržených zařízení... 51
4.1. Použitý materiál ... 51
4.2. Měření na rozšířeném zařízení SDL M 021 S ... 52
4.2.1. Diskuse výsledků z měření na rozšířeném SDL M 021 S ... 55
4.2.2. Doporučení zpřesnění SDL M 021 S pro další vývoj ... 56
4.3. Ověření funkce nově navrženého zařízení řízeného PC ... 57
4.3.1. Diskuse výsledků z měření na nově navrženém zařízení... 61
4.3.2. Doporučení pro další vývoj... 62
5. Závěr ... 63
Literatura... 64
Použité symboly a zkratky ... 65
Seznam příloh ... 68
1. Úvod
Prodyšnost patří k jedné z nejdůležitějších užitných vlastností textilií. U textilií určených pro oděvní účely má vliv na příjemnost při užívání, ovlivňuje hygienickou složku. Textilie pro technické účely se také hodnotí podle prodyšnosti, u některých je tato vlastnost vyžadována, u jiných je považována za nežádoucí.
Prodyšnost je závislá nejen na druhu použitých vláken a konstrukci nitě, ale také na konstrukci a konečné úpravě plošné textilie.
U současných přístrojů na měření prodyšnosti je velmi malý rozsah vstupních parametrů (zejména nastavení rozsahu tlakového spádu). Tím se omezuje možnost měřit prodyšnost u všech textilií.
Přesnost měření prodyšnosti je závislá na mnoha faktorech, jako jsou způsob a postup měření. Současné přístroje vyžadují při měření prodyšnosti konstantní tlakový rozdíl.
Nastavení tlakového spádu je u některých zařízení velice nepřesné. U starších zařízení také není možný sběr dat pro přímé zpracování pomocí výpočetní techniky, téměř celá zkouška je mechanického charakteru. Výsledek je zatížen nepřesností nastavení tlakové diference a odečtu množství prošlého vzduchu textilií.
Uvedeným chybám a omezením se dá předejít použitím inteligentních snímačů.
V této práci bude řešeno rozšíření standardního zařízení pro možnost přesnějšího měření. Současné snímače budou nahrazeny inteligentními snímači s větší přesností.
Také bude navrženo a realizováno nové zařízení. Toto zařízení bude využívat snímače a řídící prvky propojené s PC. Tak bude umožněn sběr dat v elektronické podobě a jejich zpracování pomocí softwaru.
2. Prodyšnost textilie
2.1. Propustnost
Jde o užitnou vlastnost textilie, která vyvolává u spotřebitele reakci subjektivního hodnocení. Jestliže je plošná textilie vystavena jinému fyzikálnímu prostředí na jedné straně (lícní) než na straně druhé (rubní), dochází k prostupu tohoto média na stranu s nižší intenzitou.
Rozlišujeme: [1]
− propustnost vzduchu
− propustnost vodní páry
− propustnost vody
− propustnost tepla
2.2. Propustnost vzduchu – prodyšnost
Prodyšnost je jednou z nejdůležitějších užitných vlastností plošných textilií. U textilií pro oděvní účely ovlivňuje příjemnost oděvu na pokožce, u technických textilií je prodyšnost žádána podle účelu použití, např. u filtračních textilií je jedním z nejdůležitějších faktorů.
Prodyšnost je ovlivněna nejen strukturou vláken, nití, plošné textilie, konečnou úpravou, vrstvením jednotlivých textilií, ale také obsahem vlhkosti a dalšími faktory.
K prostupu vzduchu plošnou textilií dojde tehdy, je-li na obou stranách rozdílný barometrický tlak a má-li textilie nenulovou hodnotu porosity. Porosita je tedy strukturálním ekvivalentem prodyšnosti. Rychlost prostupu vzduchu odpovídá velikosti rozdílu tlaků ∆p.
2.2.1. Definice prodyšnosti
Prodyšnost je definována normou ČSN EN ISO 9237 jako rychlost proudu vzduchu procházejícího kolmo na zkušební vzorek při specifikovaných podmínkách
2.2.2. Porosita
Porosita vyjadřuje podíl objemu vlákenného útvaru vyplněného vzduchem. Je definována jako: [2]
U VL U
V V
P=V − , (1)
kde:
P porezita[ - ]
VU celkový objem vlákenného útvaru [m3] VVL objem vláken v útvaru [m3]
2.2.2.1. Teoretické modely porosity
Při teoretickém hodnocení prodyšnosti se přijímá předpoklad, že nitě jsou neprodyšné.
Teoretické modely porosity jsou stanovovány nejčastěji pro tkaniny, neboť u nich lze předpokládat strukturu provázání.
Klasický 2-D model porosity tkaniny
Plocha póru je chápána jako kolmé promítnutí do roviny tkaniny: [3]
(
O O U U O U O u)
S 1 D d D d D D d d
P = − + − , (2)
kde:
PS plocha póru [-]
DO dostava osnovy [m-1] DU dostava útku [m-1] dO průměr osnovní nitě [m]
dU průměr útkové nitě [m]
Tento model zcela zanedbává třírozměrnou strukturu a tvarové odlišení pórů tkaniny.
V případě hustě dostavených tkanin z tohoto stanovení póru vyplývá nulová velikost průmětů pórů. Neuvažuje se obtékání nití.
Modifikovaný 2-D model porosity
Úvahami o šikmém prostupu proudu vzduchu přes póry v tkanině se zabýval Gooijer [4]. Vychází z Backerova rozdělení pórů v tkanině, obr.1.
Předpokládá šikmý průchod vzduchu těmito póry. Provedl průmět průřezů „šikmých“
pórů do roviny tkaniny, obr. 2.
typ 1 typ 2 typ 3 typ 4
Obr. 1: Typy jednotlivých pórových buněk ve tkanině podle Backera.
typ 1 typ2
typ 3 typ 4
Obr. 2: Průměty jednotkových pórových buněk podle Gooijera.
Porositu je možno stanovit jako:
SU U SO O
4 4 3 3 2 2 1 1 G
D n n 1 D
1
A m A m A m A
P = m + + + , (3)
kde:
PG porosita podle Gooijera [-]
m1 - m4 počet pórů typu 1 až 4 obsažených ve střídě [-]
A1 - A4 plochy průmětů jednotlivých typů pórů [m2] nSO počet vazných bodů ve střídě ve směru osnovy [-]
nSU počet vazných bodů ve střídě ve směru útku [-]
Zjednodušený 3-D model porosity tkaniny
U tohoto modelu je zanedbávaná porosita uvnitř příze. Model rovněž vychází z Backerova rozlišení 4 typů pórových buněk (obr. 1). Odvození porosity uvádí Havrdová [3], model navrhuje pro oděvní tkaniny ze staplových přízí (obr. 3).
Celkový objem VC [m3] libovolné pórové buňky:
(
O U)
U O
C d d
D 1 D
V = 1 + , (4)
celkový objem je však částečně vyplněn hmotou příze, která zaujímá objem VVB [m3]:
(
O U)
U O
VB d d d d
V = + . (5)
Část objemu pórové buňky vyplňuje polovina objemu VZO- [m3] nezakříženého spojovacího úseku osnovní nitě ve tvaru válce:
Obr. 3: Schéma zjednodušeného 3-D modelu.
−
− = U
U 2 O
ZO d
D 1 8
V πd
, (6)
Zakřížený spojovaný úsek osnovní nitě lze také modelovat válcem, polovina objemu tohoto válce je objem VZO+ [m3], který vyplňuje část celkového objemu pórové buňky:
O U 2 U
O
ZO cos
D d 1 8 V d
φ
π
−
+ = , (7)
kde:
φO úhel provázání osnovní nitě [°]
Obdobně stanovíme zaplňující objemy útkových nití.
Havrdová nově zavedla rozlišení orientace pórové buňky Backerova typu 3:
Pór 3A: 2 nezakřížené osnovní úseky a 2 zakřížené útkové úseky.
Pór 3B: 2 zakřížené osnovní úseky a 2 nezakřížené útkové úseky.
Z uvedených vztahů lze vypočíst pro jednotlivé pórové buňky objemy nevyplněné hmotou příze V1, V2, V3A, V3B a V4 [m3].
Porositu tkanin s libovolným typem vazby pak lze stanovit:
SU SO C
4 4 B 3 B 3 A 3 A 3 2 2 1 1
H V n n
V m V m V m V m V
P = m + + + + , (8)
kde:
PH porosita podle Havrdové [-]
m3A, m3B počty jednotlivých typů pórů obsažených ve střídě [-]
2.2.2.2. Chování póru při prostupu vzduchu
Při vložení textilie do proudu vzduchu dochází k hydraulickým odporům. To má za důsledek deformaci textilie.
Působením proudu vzduchu na upnutý vzorek v čelistech dochází vydutí vzorku ve proudění. V důsledku tohoto jevu se rozevírají póry. Dále se oddalují volně flotující vlákna a to má za následek nárůst tloušťky zkoušené textilie, vznikají přídavné póry. Je rozhrnována vnější vrstva příze, tím se mění struktura, ale u oděvních materiálů je tento vliv minimální.
2.3. M ěř ení prodyšnosti
2.3.1. Normou stanovené podmínky měření
Norma ČSN EN ISO 9237 [5] stanovuje metodu pro měření prodyšnosti plošných textilií. Je použitelná pro většinu typů plošných textilií, které jsou prodyšné, včetně průmyslových textilií pro technické účely, netkané textilie a textilní oděvní výrobky.
Podstatou zkoušky je měření rychlosti proudu vzduchu procházejícího kolmo danou plochou plošné textilie při stanoveném tlakovém spádu.
Vzorky se odebírají buď podle postupu uvedeného v materiálové specifikaci pro plošnou textilii nebo podle dohody mezi zúčastněnými stranami.
Ovzduší pro klimatizování a zkoušení musí odpovídat požadavkům ISO 139.
Zkušební zařízení musí být složeno z:
− Kruhového držáku zkušebních vzorků s otvorem o ploše 5 cm2, 20 cm2, 50 cm2 nebo 100 cm2. Odchylka velikosti plochy nesmí překročit
± 0,5%.
− Upínacího zařízení, které zajistí bezpečné upnutí zkušebního vzorku, zejména pro velké zkušební plochy.
− Ochranného prstence, který brání pronikání vzduchu okraji vzorku, jedná se o doplňující pomůcku k upínacímu zařízení.
− Zařízení pro měření tlaku, spojené ve zkušební hlavici, s rozsahem 50 Pa, 100 Pa, 200 Pa nebo 500 Pa s přesností minimálně 2% pro měření tlakového spádu.
− Zařízení k dosažení konstantního průtoku vzduchu o stanovené teplotě a vlhkosti a pro seřízení rychlosti průtoku zkušebním vzorkem k vytvoření tlakového spádu mezi 50 Pa a 500 Pa.
− Průtokoměru, měřiče objemu nebo měřící clonky, které měří rychlost průtoku vzduchu v decimetrech krychlových za minutu s přesností minimálně ± 2%.
Norma stanovuje také postup zkoušky:
Upnutí vzorku do kruhových držáků s využitím dostatečného napětí, postup nastavení tlakového spádu a dobu odečtu měřených hodnot, uvedeno v [5].
Vyjádření a výpočet výsledků je také stanoven normou ČSN EN ISO 9237.
Obr. 4: Schéma přístroje na měření prodyšnosti.
2.3.2. Obecný princip měření prodyšnosti
Měření prodyšnosti je založeno na určení rychlosti proudu vzduchu procházejícího kolmo určitou plochou plošné textilie při stanoveném tlakovém spádu.
Měření prodyšnosti se realizuje na přístroji, který zajistí tlakový rozdíl – tlakový spád (obr. 4). Jeho základem je vzduchové čerpadlo (1), které potrubím (2) nasává vzduch.
Tím se vytvoří tlakový rozdíl ∆p měřitelný manometrem (3), kterým nasávaný vzduch prochází. Měřená hodnota je v určitých mezích a její přesné nastavení se provádí regulačním ventilem (4). Na konci potrubí se upíná zkušební vzorek do vyměnitelných kruhových čelistí (5) definované plochy. Zde je vystaven kolmo procházejícímu vzduchu. Množství takto prošlého vzduchu je měřeno rotametrem (6). [1]
Z naměřených hodnot množství prošlého vzduchu textilií a z velikosti zkoušené plochy se vypočte prodyšnost, výpočet vyplývá z použitého zařízení, jak je uvedeno níže.
2.3.3. Standardní zařízení pro měření prodyšnosti
METEFEM FF-12/A
Přístroj je určen k měření prodyšnosti plošných textilií pro oděvní a technické účely.
Všechny ovládací a měřící prvky jsou na čelní části stroje (obr. 5). Ventilátor a sací hlava se nachází v zadní části pod krytem. Na přední části se na sací hlavu umístí tkanina a shora se stiskne sacím košem. Přes upnutou textilii saje ventilátor vzduch.
Nasávaný vzduch prochází měřícím zařízením, rotametr ukazuje množství prošlého
Velikosti zkoušených ploch můžeme volit: 10 cm2, 20 cm2, 50 cm2, 100 cm2. Rozsahy tlakoměrů pro určení tlakového spádu:
tlakoměr 1 0 - 294 Pa
tlakoměr 2 294 - 980 Pa
tlakoměr 3 980 - 1960 Pa
Rozsahy průtokoměrů:
průtokoměr 1 4 - 40 l.hod-1
průtokoměr 2 20 - 200 l.hod-1
průtokoměr 3 120 - 1200 l.hod-1
průtokoměr 4 800 - 8000 l.hod-1
Popis zkoušky:
Zapneme přístroj. Nastavíme tlakový spád na hodnotu „nula“. Upneme zkoušený vzorek do kruhového držáku. Otevřeme ventil rotametru s největším rozsahem a pomocí otočení škrtícího ventilu nastavíme doporučený tlakový spád. Jestliže nevyhovuje rozsah rotametru (plovák se nezvedne), uzavřeme jeho ventil a otevřeme ventil rotametru s menším rozsahem. Necháme plovák ustálit a odečteme hodnotu průtoku vzduchu.
Obr. 5: Přístroj METEFEM.
Po odečtení množství prošlého vzduchu na rotametru provedeme přepočet na prodyšnost dle vztahu:
A 36 , 0
R= qM , (9)
kde:
R prodyšnost [mm.s-1]
qM množství vzduchu prošlého zkoušenou plochou textilie [l.hod-1] A zkoušená plocha [cm2]
SDL M 021S
Toto zařízení slouží k měření propustnosti vzduchu plošných textilií (obr. 6).
Přístroj má oddělené vakuové čerpadlo ovládané pedálem. Pomocí čerpadla se přes vzorek upnutý v čelistech nasává vzduch. Objem průtoku vzduchu se měří zvoleným průtokoměrem při specifikovaném tlakovém rozdílu. Rozsah nastavitelného tlakového spádu je 100 Pa, 500 Pa, 1 kPa, 2 kPa. Přístroj má 4 průtokoměry pokrývající rozsah průtoku vzduchu 0,05 - 415 ml.s-1. Průtokoměry se volí přepínačem na předním panelu.
Obr. 6: Přístroj SDL M 012 S.
Rozsahy:
průtokoměr 1 0,1 – 1,0 ml.s-1
průtokoměr 2 0,4 – 5,8 ml.s-1
průtokoměr 3 4,0 – 40 ml.s-1
průtokoměr 4 40 – 400 ml.s-1
U standardní měřící komory je zkoušená plocha 508 ± 1,0 mm2, doporučená měřící komora má plochu 20 ± 0,1 cm2. [7]
Popis zkoušky:
Nejprve nastavíme tlakový spád na hodnotu „nula“, zkontrolujeme správnost uzavření a otevření příslušných ventilů, aby nedošlo k poškození přístroje. Upneme zkoušený vzorek do kruhového držáku vzorku s použitím dostatečného napětí. Otevřeme ventil rotametru s největším rozsahem a pomocí sešlápnutí pedálu nastavíme doporučený tlakový spád. Jestliže nevyhovuje rozsah rotametru (plovák se nezvedne), uzavřeme jeho ventil a otevřeme ventil rotametru s menším rozsahem. Necháme plovák po dobu 1 min ustálit a odečteme hodnotu průtoku vzduchu na rotametru.
Vypočítá se prodyšnost R ze vztahu:
10 A .
R= qV , (10)
kde:
R prodyšnost [mm.s-1]
q V aritmetický průměr rychlosti průtoku vzduchu [ml.s-1] A zkoušená plocha textilie [cm2]
FX 3300 firmy TEXTEST
Přístroj FX 3300 (obr.7) slouží k přesnému, rychlému a jednoduchému určení prodyšnosti plošných textilií. Je vhodný jak pro laboratorní měření, tak pro testování přímo hotových výrobků.
Je automatizován a digitalizován, je výkonný, má vyměnitelnou upínací hlavu.
Zkoušený vzorek se položí na čelisti hlavy a napne, tím se automaticky zapne ventilátor. Potřebný zkušební tlak je automaticky seřízen. Na několik sekund se na displeji zobrazí hodnota prodyšnosti měřeného vzorku v předvolených jednotkách. Poté se ventilátor vypne, uvolní se rameno svírající vzorek. Před zapnutím ventilátoru je vzorek zvýšením tlaku fixován, to umožňuje snadnější manipulaci se zařízením.
Tlak je digitálně předvolen, jeho konstantnost se zajišťuje elektronicky. Pomocí diferenciálního snímače je přesně měřen tlak i pro vysoké hodnoty prodyšnosti. Přístroj komunikuje přes rozhraní RS 232 s počítačem, kde je možné číselné zpracování, zápis a vyhodnocení. [8]
Rozsahy:
Průtok vzduchu je v celkovém rozsahu od 7 až 100000 l.hod-1 v závislosti na měřené ploše. Plocha je 5 cm2 až 100 cm2. Zkušební tlak je v rozsahu 98 až 2500 Pa.
2.3.4. Nevýhody standardních zařízení
Standardní přístroje pro měření prodyšnosti (dostupné na textilní fakultě SDL M 012 S a METEFEM) nezajišťují možnost využití širšího rozsahu měření mimo definované hodnoty. Stanovení tlakového spádu a odečet množství prošlého vzduchu tkaninou je subjektivní. Stupnice na jednotlivých rotametrech mají velmi malou přesnost. (Stanovení tlakového spádu mimo přesně definovanou a na stupnici nevyznačenou hodnotu musí být odhadováno.) Nelze získávat data v elektronické podobě pro další zpracování. Vše je ovládáno manuálně.
Obr. 7: Přístroj na měření prodyšnosti FX 3300 firmy TEXTEST.
3. Návrh p ř esn ě jšího m ěř ení prodyšnosti
Současně používaná standardní zařízení dostupná na textilní fakultě (SDL M 021 S a METEFEM) ne vždy vyhovují a jsou použitelná pro měřený typ textilie, jak je uvedeno v kapitole 2.3.4.
Pro odstranění nepřesností, zvýšení rozsahu měření a možnosti získávání dat v elektronické podobě bylo navrženo:
1. Nahrazení současných nepřesných snímačů na standardním zařízení přesnějšími senzory. Použijeme inteligentní senzory s datovým výstupem pro sběr dat k dalšímu zpracování pomocí PC.
2. Pro přesnější měření tlakového rozdílu a množství procházejícího vzduchu textilií a zpracování naměřených hodnot je navrženo zařízení řízené pomocí PC.
Využívá elektronicky ovládané akční prvky pro nastavení tlakového rozdílu, uplatňují se tu snímače diferenciálního tlaku a snímače průtoku vzduchu.
Snímače jsou s napěťovým výstupem pro možnost sběru dat pro další zpracování.
3.1. Použité prvky
3.1.1. Senzory
Pro zjištění velikosti fyzikální veličiny (průtoku tekutiny a tlaku) používáme senzory.
Senzory jsou funkční prvky tvořící vstupní blok měřícího řetězce. Senzor snímá sledovanou fyzikální, chemickou nebo biologickou veličinu a převádí ji na měřitelnou veličinu (nejčastěji na veličinu elektrickou). Jsou v přímém styku s měřeným prostředím. Pojem senzor je ekvivalentní k pojmu snímač, převodník nebo detektor [9].
Citlivá část senzoru se označuje jako čidlo.
Rozdělení senzorů podle různých hledisek: [9]
1. podle transformace signálu
− aktivní
− pasivní
2. podle styku senzoru s měřeným prostředím
− bezdotykové
− dotykové
3. podle měřené veličiny
(senzory teploty, tlaku, průtoku, mechanických veličin, radiačních veličin, senzory analýzy látek, kapalin a plynů, senzory elektrických veličin aj.) 4. podle fyzikálního principů
(senzory odporové, indukčnostní, indukční, kapacitní, magnetické, piezoelektrické, optoelektrické, chemické aj.)
5. podle výrobní technologie
(elektromechanické, mechanické, pneumatické, elektrické, elektrochemické, elektronické, polovodičové, optoelektrické aj.)
Pro stanovení průtoku je použit snímač průtoku tekutiny a pro stanovení rozdílu tlaků je vhodný diferenciální snímač.
3.1.1.1. Senzory průtoku tekutin
Jde o senzory mechanických veličin. Měří množství protečené tekutiny (kapalin nebo plynů) daným průřezem za časovou jednotku.
Určení množství tekutiny: [9]
1. objemové množství : S t v QV V = .
∆
= ∆ , (11)
2. hmotnostní množství : S t v
Qm m =ρ. .
∆
= ∆ , (12)
kde:
QV objemové množství protečené tekutiny [m3.s-1]
∆V přírůstek objemu [m3]
∆t přírůstek času [s]
v průměrná rychlost tekutiny [m.s-1] S plocha průřezu [m2]
QM hmotnostní množství protečené tekutiny [kg.s-1]
∆m přírůstek hmotnosti [kg]
ρ měrná hmotnost tekutiny [kg.m-3]
Senzory průtoku dělíme dle obr. 8:
Základní metody měření průtoku jsou definovány podle vztahů: [9]
1. objemové
t
QV =V , (13)
t ρ
Qm =V , (14)
2. hmotnostní
t
Qm = m , (15)
3. rychlostní S v
QV = . , (16)
ρ . .S v
Qm = , (17)
kde:
V objemové množství proteklé tekutiny [m3] m hmotnost proteklé tekutiny [kg]
t čas [s]
Senzory průtoku přímé
nepřímé
uzavřené kanály otevřené kanály přepady
hráze
objemové hmotnostní
plováčkové rychlostní
turbínové vírové indukční ultrazvukové
značkovací škrtící orgány
dávkovací
rotující píst ozubená kola
bubnové
Coriolisova síla
U-trubice přímé gyroskop
tepelné
kalorimetrické anemometry
Obr. 8:. Přehled senzorů průtoku.
Střední rychlost tekutiny protékající vedením závisí na rychlostním profilu, který je charakterizován tzv. Reynoldsovým číslem. Toto číslo vyjadřuje poměr mezi setrvačnými a třecími silami v proudící tekutině. Při proudění tekutiny může docházet k laminárnímu nebo turbulentnímu proudění (obr. 9).
Kritická hodnota Reynoldsova čísla je závislá na stavu povrchu obtékaného tělesa, tvarovém faktoru a dalších. Pro kruhové potrubí je teoretická hranice Re = 2320.
K laminárnímu proudění představovanému pohybem rovnoběžných proudových vláken dochází při Reynoldsově čísle Re < 2320 a je charakteristické parabolickým profilem.
Turbulentní proudění nastává při Re > 2320 a profil se blíží obdélníku, je plnější [9].
Reynoldsovo číslo: [11]
v
Re= wd , (18)
kde:
Re Reynoldsovo číslo [-]
w rychlost proudění vzduchu ve vedení [m.s-1] d průměr vedení [m]
v viskozita vzduchu [m2.s-1]
Obr. 9: Rychlostní profil
a. laminárního proudění b. turbulentního proudění
a. b.
Objemový průtokoměr firmy Omega FVL-1609A
Tento průtokoměr byl zvolen pro realizaci nového zařízení na měření prodyšnosti.
Jeho funkce vychází ze dvou nejdůležitějších fyzikálních vlastností plynů: tlaku a viskozity. Skládá se z deskového laminárního průtokového elementu, diferenciálního snímače tlaku a elektronické části, které zajišťují přesnost měření.
Vychází z poklesu tlaku - rozdílu na protějších stranách desek (laminárních průtočných elementů) (obr. 10). Rozdíl tlaku měří diferenciální snímač tlaku.
Je navržen tak, aby molekuly plynu procházely v jednotlivých paralelních cestách po celé délce desek.
Narozdíl od ostatních průtokoměrů je vztah v laminárním způsobu měření proudění mezi poklesem tlaku a průtoku lineární. [12]
Obr. 10: Princip měření průtoku na FVL-1609A.
Základní vztah pro měření průtoku vychází z Poiseuillovy rovnosti:
( )
L 8
r P Q P
4 2 1
O η
π
= − . (19)
kde:
QO objemový průtok [m3.s-1] P1 tlak na vstupu [Pa]
P2 tlak na výstupu [Pa]
r poloměr laminárních průtočných elementů [m]
η absolutní viskozita měřeného média [Pa.s]
L délka vedení laminárních průtočných elementů [m]
Protože r a L jsou konstantní, vztah (19) můžeme upravit:
( )
η 2
1 O
P K P
Q = − , (20)
kde:
K faktor určený geometrií laminárních průtočných elementů [m3]
Hodnota průtoku je zobrazována na displeji ve zvolených jednotkách a současně je v elektronické podobě ukládána do PC nebo jiného zařízení pro další zpracování.
Objemový průtokoměr FVL1609A měří v rozsahu 0,05 ml.min-1 až 50 l.min-1. Základní parametry průtokoměru jsou uvedeny v příloze 1.
Byl vybrán pro jednoduchost ovládání, výstupu v elektronické podobě ve více formách (proudový, napěťový), přesnost měření, které není ovlivněno typem proudění ve vedení před a za snímacím elementem.
Hmotnostní průtokoměr firmy Omega série FMA-1609
Měří hmotnostní průtok na stejném principu jako FVL-1609A. Využívají měření diferenčního tlaku, absolutního tlaku a teploty v prostoru laminárního proudění.
Zabudovaný mikroprocesor a uživatelský software provádí tlakovou a teplotní kompenzaci na normální podmínky (101,3 kPa, 25 °C). [12]
Měří v rozsahu 0,05 ml.min-1 až 50 l.min-1. Je vhodný pro měření v prostředí kde neznáme přesné podmínky měření (tlak a teplotu měřeného média). Má stejné základní parametry jako FVL-1609A. Byl doporučen pro rozšíření standardního zařízení.
3.1.1.2. Diferenciální snímače tlaku
Snímače tlakové diference slouží, jak je z názvu patrné, k určení rozdílu dvou tlaků.
Tlak je odvozen od síly, je definován podílem síly působící kolmo k dané ploše a velikosti této plochy:
S
p= F , (21)
kde:
p tlak [Pa]
F působící síla [N]
S plocha průřezu [m2] Rozlišujeme:
− absolutní tlak – tlak naměřený od nulové hodnoty (vakuum), je vždy kladný
− atmosférický (barometrický) tlak – absolutní statický tlak zemského ovzduší měřený u zemského povrchu, je proměnlivý v čase
− přetlak a podtlak – rozdíly od barometrického tlaku
− rozdílový (diferenční) tlak – rozdíl dvou současně působících tlaků
− dynamický tlak – tlak vyplývající z pohybu tekutiny; je dán součinem druhé mocniny rychlosti a poloviční hustoty tekutiny
− statický tlak – tlak tekutiny v klidovém stavu daný tíhou jejích částic, a případně vnějšími silami
− celkový tlak – součet tlaku dynamického a statického, a další.
Některé tlaky jsou pro představu graficky znázorněny na obr. 11.
Tlak [Pa]
Absolutní tlak
Přetlak Podtlak
Absolutní tlak
Tlaková diference
Absolutní nula Atmosférický tlak
Obr. 11: Grafické znázornění tlaků. [11]
Pro zjišťování tlakové diference u měření, kde není potřeba transformace signálu, se využívají kapalinové snímače, tj. U-trubice s plovákem a jiné. U měření rozdílu tlaků, kde je požadován přenos signálu, se téměř výhradně používá membrána. Uplatňuje se také kapacitní princip měření a další.
Princip měření tlaku pomocí membrány: [9]
Při deformaci membrány rovnoměrně rozloženým tlakem ∆p = p1 - p2 ve vzdálenosti r od středu zjistíme radiální σr a tangenciální σt složku napětí. Neutrální rovinu proložíme středem tloušťky membrány.
Pro malé výchylky membrány platí:
( ) ( )
+ − +
= 2
m 2 m 3
m 2 m
r R
3 r h 1
pzR 4
3∆ µ µ
σ , (22)
( ) ( )
+ − +
= 2
m 2 m 3
m 2 m
t R
1 r 3 1
h pzR 4
3∆ µ µ
σ , (23)
kde:
σr radiální složka napětí [Pa]
σt tangenciální složka napětí [Pa]
∆p rozdíl působících tlaků [Pa]
z neutrální rovina [m]
Rm poloměr membrány [m]
hm tloušťka membrány [m]
rm vzdálenost působiště tlaku od středu membrány [m]
µ Poissonova konstanta [-]
Teoreticky pro z = 0 je tangenciální a radiální složka nulová. Pro horní plochu 2 z = hm
jsou obě napětí úměrná
2
m m
h R
. Z funkčních závislostí
=
m m r
r R
f r
σ a
=
m m t
t R
f r σ
(obr. 12) plyne možnost využití výhod plného můstku s použitím čtyř aktivních tenzometrů s dobrou směrovou citlivostí.
Tenzometrické snímače vyhodnocují změnu odporu způsobenou změnou geometrických rozměrů nebo krystalografické orientace snímacího prvku (tenzometru) vlivem deformace pružícího měřeného prvku, se kterým je tenzometr pevně spojen. [10]
Ideálním tenzometrem pro membrány je fóliová rozeta se dvěma senzory na okraji pro radiální a dvěma uprostřed pro tangenciální složku napětí. V každém bodě působí dvě složky napětí a jsou vázány Poissonovou konstantou, to je nutné zohlednit při výpočtu deformace a citlivosti můstku.
Diferenciální snímač Omega „PX163 −−−− 2.5BD5V (163PC01D75)“
Jde o diferenciální tlakový snímač s napěťovým výstupem. Základem snímače je membrána, na které jsou připevněny čtyři tenzometry zapojené do můstku (obr.13).
Obr. 13: Zapojení tenzometrů do můstku.
-1
σr σt
σ
1
m m
R r
Obr. 12: Rozdělení tangenciálního a radiálního napětí v membráně při tlakové deformaci.
Snímač je konstruován pro diferenci tlaků ± 2,5 palce vodního sloupce (přibližně
± 622,7 Pa). Technická dokumentace snímače je v příloze 2.
Tento snímač tlaku byl vybrán pro citlivost, napěťový výstup, a odpovídající požadovaný rozsah tlaků.
Snímač tlakové diference „FDA602M1K“ firmy Alhborn
Je součástí programovatelného konektoru (obr. 14) k univerzálnímu zařízení nazývanému Almemo (toto zařízení je popsáno níže). Měří rozdíl tlaků na vstupech.
Spolu s rozdílem tlaků určuje rychlost proudění. Rozdíl tlaků je ±1250 Pa. Byl vybrán pro zpřesnění měření na standardním zařízení SDL M 021 S.
Jeho technické parametry jsou uvedeny v příloze 3.
3.1.1.3. Univerzální zařízení využité pro měření tlaku a průtoku Univerzální zařízení Almemo firmy Alhborn je novou generací přístrojů s programovatelnými konektory pro připojení různých snímačů, které měří fyzikální veličiny bez komplikovaného programování a složité obsluhy.
Vše je založeno na kombinaci mikroprocesorem řízeného indikačního přístroje o vysoké rozlišovací schopnosti s inteligentními konektory. Vstupní konektory jsou vybaveny pamětí, do které jsou uloženy parametry snímače, jako např. měřící rozsah, linearizace, kompenzace srovnávacího místa, označení čidla atd. Pomocí těchto konektorů je možno připojit k přístroji rozdílná čidla. Přístroj si načte z paměti příslušné funkce, které souvisí s připojeným snímačem, např. výpočet průtočného množství z měřené rychlosti proudění aj. Funkce jsou aktivovány automaticky, připojením odpovídajícího čidla. Měřící zařízení má 5 vstupních zásuvek, kterým jsou
Obr.14: Smínač tlaku s programovatelným konektorem.
Přístroj umožňuje kontinuální řešení měření na zvoleném vstupním kanálu. U každého vstupního kanálu jsou průběžně zjišťovány maximální a minimální hodnoty a ukládány do paměti.
Všechna data jsou zobrazována na displeji (u některých typů), lze je ukládat do paměti Almema. Můžeme se také připojit pomocí příslušného kabelu na PC a zapisovat výstup do jeho paměti. Výstup je analogový-napěťový nebo digitální přes rozhraní RS 232.
Přes sériové rozhraní lze vyvolat téměř všechny funkce dosažitelné z klávesnice.
Almemo přímo vyhodnocuje minimální, maximální hodnoty a průměrnou hodnotu.
Je možné měřit např. teplotu, tlak, proudění tekutiny, vlhkost, elektrické napětí a proud aj. pomocí připojení konektorů s: termočlánky, Pt-čidly, termistory, infrasnímačem teploty, kapacitními snímači vlhkosti, psychrometrickými snímači, anemometrickými vrtulkovými snímači, tlakovými snímači [13].
Almemo 2290-8 je spolu se snímači dostupné na katedře oděvnictví. Bylo použito pro zpřesnění standardního zařízení SDL M 021 S. Základní parametry Almema 2290-8 jsou uvedeny v příloze 4.
3.1.2. Prvky pro výrobu a úpravu stlačeného vzduchu
3.1.2.1. Kompresory
Kompresor je zdrojem energie stlačeného vzduchu. Mezi hlavní technické parametry patří výkonnost, výtlačný tlak, tlakový poměr a efektivní příkon.
Podle principu činnosti je dělíme na:
− objemové - pístové, lamelové, šroubové
− rychlostní - odstředivé - radiální, axiální
Kompresory lze dále dělit na stacionární, přenosné, pojízdné, chlazené vodou nebo vzduchem, s přímým pohonem nebo s pohonem přes převod řemenový, ozubenými koly, hydrostatický či hydrodynamický převod. Hnacím motorem může být elektromotor nebo spalovací motor. [11]
Pro výrobu stlačeného vzduchu pro navržené zařízení byl použit kompresor Silent 50, dostupný na katedře oděvnictví.
Kompresor Silent 50
Silent 50 je olejový kompresor vhodný pro výrobu stlačeného vzduchu. Pracuje v přerušovaném provozu. Po dosažení maximálního tlaku se vypíná. Pokud se tlak v zásobníku sníží na spouštěný tlak, tak sepne. Tento průběh je řízen automaticky.
Hnací motor je společně postavený s kompresorovým agregátem do kompresorového bloku. Přes sací filtr je nasáván čerstvý vzduch a je stlačován ve válci. Stlačený vzduch se dostává přes hlavu válce a vestavěný ventil do tlakové trubky a proudí pak přes zpětný ventil do zásobníku.
Je vybaven automatickým odvzdušňováním. Pro jednoduchý a bezproblémový odběr stlačeného vzduchu je opatřen redukčním ventilem s filtrem, manometrem provozního tlaku a rychlospojkou. Provozní tlak se nastavuje pomocí redukčního ventilu. [14]
Technické parametry jsou uvedeny v příloze 5.
3.1.2.2. Filtry
Při úpravě a rozvodu vzduchu dochází k jeho znečištění mechanickými nečistotami, olejem a nežádoucí vlhkostí. Takto znečištěný vzduch může poškodit prvky, kterými prochází. Vlhkost vzduchu je závislá na relativní vlhkosti ovzduší. Při zvýšené vlhkosti je třeba vzduch vysušovat, protože může způsobovat korozi. Další nutnou úpravou stlačeného vzduchu je čištění. Pro odstranění pevných nečistot se používají jednoduché průtočné filtry. Na zachycení částeček vody a oleje se používají filtry s jemnější filtrací mikrofiltry.
Uvedené filtry byly vybrány pro filtraci vzduchu k navrženému zařízení.
Filtr EAF3000 firmy SMC
Filtr EAF3000-F03 slouží k filtraci stlačeného vzduchu, zachycuje hrubé mechanické nečistoty. [15]
Princip (obr.15): Na vstup filtru je přiveden vzduch. Odtud je veden na deflektor (1) s o-kroužkem (2), který jej rozmetá pomocí odstředivé síly na stěny jímky s ochranným košem (3). Zde se částečky nečistot zachycují a stékají na dno jímky. Odrazný kotouč (4) usměrňuje vzduch a čistý vzduch bez hrubých nečistot postupuje přes
Vypouštění kondenzátu z jímky se provádí automaticky nebo mechanicky.
Při filtraci vzduchu dochází k tlakové ztrátě v závislosti na protečeném objemu vzduchu (obr. 16). (Jednotka Nl.min-1 – normální litr za minutu, tzn. při 20 °C a 65%
relativní vlhkosti vzduchu.)
Technické parametry filtru jsou uvedeny v příloze 6.
Obr. 15: Řez filtrem EAF3000-F03.
Obr. 16: Tlaková ztráta EAF3000-F03.
Filtr EAFM3000 firmy SMC
Pro odstranění malých částeček ze vzduchu se používají mikrofiltry. Slouží hlavně k zachycení oleje. Pro tento účel byl vybrán filtr EAFM3000-F03. [15]
Princip: (obr. 17) Na vstup z hliníkového tlakového odlitku (1) je přiveden vzduch. Ten jde středem filtru přes filtrační plastovou vložku (2), která zachycuje částečky oleje.
Zachycený olej stéká do jímky (3) a vzduch proudí přes o-kroužek (4) na výstup.
Vypouštění kondenzátu je možno mechanicky nebo automaticky.
Během této filtrace dochází ke tlakové ztrátě v závislosti na průtočném objemu a čistotě filtrační vložky (obr. 18).Technické parametry jsou uvedeny v příloze 6.
Obr. 17: Řez filtrem EAFM3000-F03.
3.1.3. Akční prvky
Jde o prvky, které zasahují do probíhajícího děje, nastavují velikost akční veličiny.
Nejčastějšími představiteli jsou pohony a na ně navazující regulační orgány (řídící prvky). Ne vždy můžeme rozdělit akční člen na pohon a regulační orgán. V případě ovládání toku některých energií se většinou používají regulační orgány, které nejsou ovládány pohybem.
Pohony jsou zařízení, která převádějí signály z ústředních členů regulačního obvodu (členů pro zpracování informace) na výchylku konající požadovanou práci s požadovaným výkonem. [10]
Regulačními orgány jsou myšlena zařízení pro ovládání toku hmoty nebo energie systému. Slouží pro hrazení nebo řízení průtoku, pro řízení tlaků.
Regulační orgány můžeme rozdělit na dva hlavní druhy: [11]
1. speciální regulační orgány – konstruovány výhradně pro jeden účel použití
2. regulační orgány pro všeobecné použití – pro ovládání průtoku plynů, par, kapalin
− ventily (prvky pro řízení průtoku a tlaku)
− kohouty (uzavírají se pootočením otočné části o 90°)
− šoupátka (uzavíracím orgánem je klínová deska, která je vedená kolmo k ose potrubí)
− klapky (klapka je otočně umístěná deska v průřezu potrubí)
− žaluzie (žaluziové klapky jsou tvořeny více listy, umístěnými vedle sebe v průřezu potrubí, otáčí se souběžně)
3.1.3.1. Ventily
Ventily jsou prvky pro řízení průtoku a tlaku. Mohou být ovládány manuálně, mechanicky, pneumaticky, elektronicky nebo kombinací těchto způsobů.
Při elektronickém ovládání se využívá stejnosměrných nebo střídavých magnetů, které jsou impulsní nebo proporcionální. Řídícím signálem je proud nebo napětí z koncových spínačů, potenciometrů, elektrických řídících systémů apod.
Ventily jsou tvořeny tělesem ventilu, sedlem, kuželkou, dříkem ventilu a těsněním.
Při průtoku tekutiny ventilem dochází k významné změně směru tekutiny. U některých typů ventilů může být sedlo s kuželkou nahrazeno válcovou kuželkou – šoupátkovým rozvodem. [10]
Rozlišujeme (podle funkce):
− uzavírací - jejich hlavní vlastností je těsnost při uzavření
− regulační – používají se k regulaci průtoku nebo tlaku, je u nich připuštěna netěsnost v uzavřeném stavu
− více-cestné - směšovací nebo rozdělovací
− pojistné – slouží k omezení maximálního tlaku v systému pro zachování bezpečnosti
− zpětné – v jednom směru propouští téměř bez odporu, ve druhém jsou těsné, v kombinaci se škrtícím ventilem v druhém směru propouští podle nastaveného škrtícího odporu.
− škrtící – je škrcen průtok media
− redukční – udržují nastavený výstupní tlak konstantní nezávisle na vstupním tlaku
Elektropneumatický regulátor ITV2030-31F3N firmy SMC
Regulační ventily ITV2030-31F3N jsou určeny pro řízení tlaku. Řídícím signálem je napětí. [15]
Princip (obr.19): Do regulátoru je přiváděn filtrem vyčištěný vzduch. Vzduch prochází pod tlakem přes elektromagnetický ventil (1) a je veden do řídící komory (3). Zde se zvyšuje tlak a působí na horní plochu membrány (4). Při dosažení požadované hodnoty tlaku se otevře ventil (5) připojený k membráně a část vzduchu přejde na výstup. Zde prochází přes řídící obvod (8) a snímač tlaku (7). Snímaná hodnota tlaku je porovnávána se vstupním signálem (požadovanou hodnotou), tím je vytvořena zpětná vazba (obr.20). Když je hodnota tlaku na výstupu větší než požadovaná hodnota, otevře se výfukový elektromagnetický ventil (2) a část vzduchu se přes výfukový ventil (6) odfoukne.
Regulátor je opatřen displejem, na kterém se zobrazují nastavené hodnoty minimálního a maximálního tlaku na výstupu a aktuální tlak vzduchu na výstupu.
Byl vybrán pro řízení a regulaci tlaku v nově navrženém zařízení. Technické parametry jsou uvedeny v příloze 7.
3.1.4. Multifunkční zásuvné měřící desky
Multifunkční zásuvné měřící desky jsou karty standardu ISA nebo PCI. Jsou nejrozšířenějším typem zásuvných měřících desek do PC. Zasouvají se přímo do sběrnice PC a tím rozšiřují klasický PC o možnost měřit a ovládat technologická zařízení.
Sdružují v sobě více funkcí: analogové vstupy a výstupy, číslicové vstupy a výstupy, čítače a časovače atd. Blokové schéma typické multifunkční desky je na obr. 21.
Obr. 20: Blokové schéma ITV2030-31F3N.
Vstupní multiplexor (MUX) umožňuje připojení ke vstupu více zdrojů měřeného signálu. Je výhybkou, která přepíná více jak dva vstupy. Vzorkovací obvod s pamětí (S/H) definuje okamžik odběru vzorku vstupního napětí a zajišťuje, aby během převodu bylo konstantní napětí na vstupu analogově-číslicového převodníku (AČP). Variabilita napětí závisí na použitém analogově-číslicovém převodníku, na typu PC a způsobu přenosu dat do paměti počítače. Analogově-číslicový převodník slouží pro měření napětí na vstupu. Čítač / časovač zajišťuje časování všech vstupních a výstupních kanálů multifunkční karty, umožňuje generovat signál úrovně TTL s definovaným kmitočtem a měření kmitočtu TTL signálu. Pro generování analogových signálů stejnosměrného napětí nebo časově proměnného napětí schodovitých průběhů jsou na multifunkční desce k dispozici číslicově-analogové převodníky (ČAP). Při generování jednorázových nebo periodických průběhů je zápis dat na vstup převodníku řízen interním čítačem / časovačem. Kanál číslicových vstupů a výstupů (DIO) umožňuje zpracovávat signály TTL úrovní, dále může sloužit pro řízení dalších externích
Číslicové I/O Analogové výstupy
S B Ě R N I C E
DIO ČAP
f0 R O Z H R A N Í
ČÍTAČ / ČASOVAČ Analogové
vstupy
ŘÍDÍCÍ REGISTR
AČP FIFO
MUX S/H
ČAP
Obr. 21: Blokové schéma typické multifunkční karty. [16]
ZESILO- VAČ
K zásuvným měřícím deskám je dodávána široká řada příslušenství, jedná se o: [17]
− galvanicky oddělené předzesilovače
− nízkoúrovňové předzesilovače
− převodníky pro připojení snímačů fyzikálních veličin
− převodníky efektivní hodnoty
− převodníky kmitočtu
− opticky oddělené výkonové spínače atd.
Nedílnou součástí multifunkčních karet je programové vybavení, které umožňuje řízení veškerých činností desky. Předává naměřené hodnoty pomocí příkazů vstup / výstup přes vnitřní sběrnici PC.
Multifunkční karta MF 614 Jde o kartu s PCI sběrnicí.
Karta má 8 jednoduchých 12-ti bitových analogových vstupů, 4 12-ti bitové analogové výstupy. Vzorkovací frekvence je 100 kHz. Také má 8 digitálních vstupů a výstupů, 4 vstupy inkrementálních snímačů, 5 čítačů / časovačů. Vstupní rozsahy A/D převodníku jsou programovatelné.
Kartu lze ovládat pomocí programů Extended Real Time Toolbox pro MATLAB, Real- Time Windows Target, xPC Target, má také ovladače pro operační systém Windows.
Je široce využitelná v mnoha aplikacích, např. měření stejnosměrných napětí, připojení převodníků a snímačů, simulace v reálném čase [18].
Technické parametry jsou v příloze 8.
Tato karta byla použita v realizaci návrhu nového zařízení řízeného pomocí PC.
3.1.5. Upínací hlava pro zkoušený vzorek
Pro upnutí zkoušeného vzorku byla použita upínací hlava (obr. 22), která je opatřena pojistným ventilem.Ventil zajišťuje bezpečnost při upnutí textilie s malou prodyšností, aby nedošlo k poškození snímače tlaku.
Upínací hlava má v horní části upínací čelisti s otvorem o ploše 4,524 cm2. Do těchto čelistí se vloží vzorek a jeho stabilita se zajistí utažením matice čelistí.
Obr. 22: Hlava s upínacími čelistmi pro zkoušený vzorek.
3.2. Návrh p ř esn ě jšího m ěř ení na SDL M 021 S
Zařízení SDL M 021 S je dostupné na Katedře oděvnictví, slouží k měření prodyšnosti textilií. Schéma přístroje je na obr. 23.
Pomocí manometru (3) určujeme rozdíl tlaků, a to tlaku vzduchu vytvořeného čerpadlem a tlaku atmosférického. Stupnice je však definována jen pro normou stanovené tlakové diference, čímž je omezen rozsah a přesnost měření. Odečet hodnot je subjektivní. Stupnice na plováčkových průtokoměrech (4) má hrubé dělení, které způsobuje nepřesnost stanovení průtoku vzduchu, a u některých textilií nevyhovuje její rozsah.
3.2.1. Přesnější stanovení tlakového spádu
Pro zvýšení přesnosti lze nahradit tlakoměr pro určení tlakového spádu přesnějším snímačem. Pro tento účel je výhodné použít Almemo 2290 – 8 (kapitola 3.1.1.3).
K Almemu použijeme konektor s tlakovým snímačem FDA602M1K (kapitola 3.1.1.2), který je vhodný pro měření diferenčního tlaku. Jeden z výstupů snímače připojíme na vstup k tlakoměru určujícímu diferenciální rozdíl. Schéma připojení je na obr. 24.
Snímač připojený k Almemu určuje rozdíl tlaku nad a pod zkoušenou textilií.
Obr. 23 : Schéma přístroje SDL M 021 S.
1. nulovací tlakový šroub 2. hladina vody
3. manometr pro určení tlakového spádu 4. plováčkové průtokoměry
5. nádrž s vodou 6. směr k čerpadlu 7. ovládací ventily 8. upínací zařízení
Konektor zapojíme na některý ze vstupů M0 až M4, zapneme přístroj a nastavíme přepínač do polohy Messwert, tlačítkem M zvolíme měřící kanál. Pomocí sešlápnutí pedálu ventilátoru vytvoříme tlakový rozdíl. Přesnou hodnotu tlakové diference odečteme na displeji Almema.
3.2.2. Přesnější stanovení průtoku
Pro přesnější měření průtoku vzduchu textilií lze použít hmotnostní snímač průtoku FMA 1609. Tento snímač zobrazuje průtočné množství na displeji a umožňuje ukládání dat do paměti PC. Princip měření a parametry jsou uvedeny v kapitole 3.1.1.1. Snímač lze umístit do vedení k čerpadlu, které nasává vzduch procházející přes textilii.
Obr. 24: Připojení Almema k SDL M 021 S.
1 – upínací zařízení
2 – vedení k průtokoměrům 3 – Almemo
4 – snímač tlaku
3.3. Návrh za ř ízení ř ízeného PC
Pro automatizaci a měření mimo rozsah standardních zařízení bylo navrženo nové zařízení ovládané PC. Je využíván software Matlab firmy The MathWorks. Sběr dat a ovládání je řešeno programově, je možná dynamická změna tlakového rozdílu během měření a plynulé snímání množství prošlého vzduchu textilií v závislosti na této změně.
Programy vytvořené v prostředí Matlab umožňují výpočet prodyšnosti R a statistické zpracování dat pomocí softwaru.
Podstatou automatizovaného zařízení je ovládání řídících prvků přes PC a snímání hodnot inteligentními snímači s možností uložení dat do paměti PC pro následné zpracování. Měří se množství prošlého vzduchu textilií při daném tlakovém rozdílu.
Vzduch přes zkoušenou textilii není nasáván, ale je „vytlačován“ z komory přes tuto textilii.
3.3.1. Konstrukční uspořádání
Konstrukční uspořádání zařízení pro měření prodyšnosti je schématicky znázorněno na obr. 25.
Popis:
Pomocí kompresoru (1) je vzduch stlačen na provozní tlak a je veden k ručně ovládanému redukční ventilu (2). Zde je pracovní tlak snížen na nastavenou hodnotu.
Vzduch prochází filtrem EAF3000-F03 (3) pro odstranění hrubých nečistot
ZDROJ
9
Obr. 25: Blokové schéma uspořádání jednotlivých prvků.
1
2 3 4
5
6 8
7
PC
11
10
a mikrofiltrem EAFM3000-F03 (4) pro zachycení malých mechanických částeček a oleje. Vyčištěný vzduch je přiveden na vstup elektropneumatického regulátoru ITV2030-31F3N (5), kde je podle řídícího signálu regulována výstupní hodnota tlaku.
Před přívodem vzduchu do upínacího zařízení (8) zkoušeného vzorku je měřen průtok vzduchu objemovým průtokoměrem FVL-1609A (6). Diferenciální snímač PX163 − 2.5BD5V (7) zjišťuje rozdíl mezi tlakem pod zkoušeným vzorkem a atmosférickým tlakem.
Mezi jednotlivými prvky je vzduch veden polyuretanovými trubicemi.
Elektropneumatický regulátor je řízen pomocí PC. Je napájen ze zdroje 24 V stejnosměrného napětí.Vstupní řídící signál je připojen na D/A výstup sběrnice (9) multifunkční karty umístěné v PC. Na A/D vstupy sběrnice multifunkční karty jsou přivedeny snímané signály diferenciálního snímače PX163 − 2.5BD5V a průtokoměru FVL-1609A. Výstupní signál senzoru průtoku a senzoru rozdílu tlaků je upraven napěťovým sledovačem (10) (zesilovač s napěťovým zesílením 1). Diferenciální snímač tlaku je napájen 8 V stejnosměrného napětí přes stabilizátor (11) ze zdroje.
Průtokoměr je napájen 9 – 30 V stejnosměrného napětí (nebo pomocí adaptéru na 12 V). Přesné zapojení elektronických součástí je v příloze 9.
Všechny prvky jsou podrobněji popsány v kapitole 3.1.
Vstupní a výstupní kanály karty jsou ovládány programově.
3.3.2. Princip činnosti
Stlačený a filtry vyčištěný vzduch je přiveden na elektropneumatický regulátor řady ITV2030. Regulátor nastaví výstupní tlak podle požadované hodnoty, která je zadána pomocí řídícího programu v PC. Vzduch stlačený na požadovanou hodnotu prochází průtokoměrem, kde je zjišťováno objemové množství prošlého vzduchu. Z upínací hlavy vzduch prostupuje přes zkoušenou textilii. Zde je zjišťována hodnota tlaku pod textilií a je porovnávána s tlakem atmosférickým. Hodnoty množství prošlého vzduchu a rozdílu tlaků jsou uloženy do paměti PC, odtud jsou pomocí programu vytvořeného v softwaru Matlab přepočteny a znázorněny graficky.
3.3.3. Programová podpora
