BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta textilní

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

Automatizovaný sběr dat při elektrostatickém zvlákňování

Automatic data collecting at electrospinning

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Studijní program: B3942 – Nanotechnologie

Studijní obor: 3942R002 – Nanomateriály

Automatizovaný sběr dat při elektrostatickém zvlákňování

Automatic data collecting at electrospinning

Autor bakalářské práce: Tomáš Hřebíček

Vedoucí bakalářské práce: Ing. Pavel Pokorný Ph.D.

Konzultant bakalářské práce: Ing. Lubomír Slavík Ph.D.

Rozsah práce a příloh: 53

Počet stran: 47

Počet obrázků: 30

Počet tabulek: 2

Počet příloh: 3

Prohlášení

Byl jsem seznámen s tím, že na mou bakalářskou práci se plně vztahuje zákon č. 121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.

Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé bakalářské práce pro vnitřní potřebu TUL.

Užiji-li bakalářskou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědom povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.

Bakalářskou práci jsem vypracoval samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím bakalářské práce a konzultantem.

V Liberci, dne …...

Tomáš Hřebíček

Poděkování

Chtěl bych poděkovat vedoucímu práce Ing. Pavlu Pokornému, Ph.D. za velkou trpělivost při vedení mé práce, za cenné rady a připomínky k práci. Rád bych chtěl poděkovat za pomoc konzultantovi Ing. Lubomíru Slavíkovi Ph.D. v průběhu práce. Další poděkování bych rád věnoval Ing. Tomáši Martincovi za čas, který si na mě našel a poskytl odborné rady z praxe. V poslední řadě patří velké poděkování mým rodičům, že mi poskytli možnost studovat na univerzitě v Liberci.

ABSTRAKT

Bakalářská práce se zabývá návrhem pracoviště pro sběr dat z elektrického zvlákňování stejnosměrným vysokým napětím a ochranou měřících zařízení před přepětím. Pojednává o galvanickém oddělení signálu snímaného z odporového děliče.

Všechna měření byla prováděna s roztokem polyvinylakoholu ve vodě.

Klíčová slova: Elektrostatické zvlákňování, A/D převodníkem, Galvanické oddělení, RC člen, Napěťová ochrana

ABSTRACT

This thesis is focused on preparing a work place for data collecting from high voltage DC electrospinning. Protection of measuring circuit from destructive effects of this process. It contains galvanic problem solution of sending a measured. All measurements were measured on Poly-vinyl-alkohol.

Key words: Elekrospinning, A/D converter, Galvanic isolation, Voltage protection, RC member

Obsah

ABSTRAKT...7

ABSTRACT...8

Seznam symbolů, zkratek a značek...10

1. Úvod...11

2. Elektrické zvlákňování...12

2.1. Podmínky zvlákňování...12

2.2. Zvlákňovaný polymer...13

2.3. Obvod elektrického zvlákňovaní...13

2.4. Průběh elektrického zvlákňování...14

2.5. Koronový výboj...16

2.6. Electrospraying...16

2.7. Zapojení měřícího obvodu...17

2.8. Osciloskopický záznam...18

3. Řešení problematiky sběru dat...19

3.1. Zapojení obvodu s A/D převodníkem...19

3.2. Zapojení do měřícího obvodu (TEDIA) ...22

3.3. A/D Převod...24

3.3.1. Aliasing...24

3.3.2. Vzorkování...25

3.3.3. Kvantování...26

3.3.4. Toleranční pásma – šum...27

3.3.5. Kvalita převedeného signálu...28

3.4. Zkreslení a zpoždění signálu...29

4. Ochrana a oddělení měřícího obvodu...29

4.1. Ochrana vstupu měřících zařízení...29

4.1.1. Integrační článek RC ...30

4.1.2. Transil...32

4.2. Zkreslení na vstupech...33

4.2.1. Resistor v zapojení...34

4.2.2. Šumové napětí...34

4.3. Kapacita mezi elektrodami a důsledky pro snímání signálu ...35

4.4. Galvanické oddělení...37

4.4.1. RF přenos...38

4.4.2. WiFi přenos ...38

4.4.3. IR přenos...38

4.4.4. Bluetooth...39

4.4.5. Optočlen...39

4.5. Návrh řešení...39

5. Sběr dat ...40

5.1. TEDIA Recorder...40

5.2. Náhled vstupů...41

5.3. Vyhodnocovací prostředky ...43

5.3.1. MATLAB (MATrix LABoratory) ...43

5.3.2. Open Office ...44

5.4. Měření ...44

6. Závěr...46

Seznam symbolů, zkratek a značek

Symbol Jednotka Popis

A dB Útlum

A/D Analogo/ digitalní

AINX Vstup na A/ D převodníku

b Počet hladin

C F Kapacita

ƒs, ƒb Hz Frekvence

I A Proud

kSps, MSps Počet vzorků za sekundu

l m Délka

n Počet bitů

PVA Poly-vinyl-alkohol

R, R1, R2, R3 Ω Odpor

S Počet kvantizačních úrovní

t s Čas

U1, U2 V Napětí

VN kV Vysoké napětí

ε0 F/m Permitivita vakua

εr Permitivita vzduchu

Π Ludolfovo číslo

φ ° Fázový posuv

1. Úvod

Elektrické zvlákňování je děj, při kterém z polymerního roztoku získáváme submikronová vlákna. Jelikož se chceme poučit o vlastnostech výroby vláken a zdokonalit jeho účinnost musíme porozumnět dějům probíhajícím při elektrickém zvlákňování.

K sledování dějů v obvodu s elektrickým zvlákňováním využíváme osciloskopu.

Osciloskopy nám poskytují krátký časový záznam průběhu 2-3 minut při zvlákňování. Starší typy osciloskopů zobrazovaly záznam pouze na obrazovku.

Modernější typy osciloskopů mají možnost nahrát požadovaný záznam do paměti a později lze záznam zpětně získat do obrázkové formy v PC. Obrázkový záznam slouží spíše jako orientační pohled na průběh zvlákňování a nelze s ním později dále pracovat.

Tato situace je pro podrobnější analýzu naměřeného signálu nevyhovující a musí se hledat jiné řešení.

Dnešní doba nám však poskytuje mnoho možností řešení a jednou z těchto možností je přímý sběr naměřených dat z elektrického zvlákňování do numerického záznamu. K vyhodocení získaného numerického záznamu je zapotřebí převádět analogový signál na srozumitelnou formu pro numericky pracující systémy. K převodu analogového signálu slouží analogo/digitální převodníky, které nám poskytnou numerický záznam analogového signálu v binární formě. S takto převedenou formou signálu v podobě jedniček a nul jsou schopné pracovat počítače, různé vysílače a příjímače.

Numerický signál lze později analyzovat a vyhodnocovat pomocí databázových či analytických programů. Velkou nevýhodou sběru dat na PC jsou dvě věci. Zaprvé při zaznamenávání signálu nedosáhneme stejné vzorkovací frekvence jako u oscilokopu.

Však i při nižších hodnotách vzorkovací frekvence oproti osciloskopu, který má řádově Msps zaznamenávací rychlosti, získáváme velký počet dat, které je zapotřebí uschovat.

To vede k druhému problému, jenž je velký počet numerických hodnot nasbíraných při procesu elektrického zvlákňování. Množství dat se násobí s počtem zapojených měřících vstupů na A/D převodníku. V neposlední řadě, můžeme díky numerické formě do obvodu zařadit i regulátor, který bude určovat napětí ve zvlákňovacím obvodě dle potřeby k lepšímu a dokonalejšímu zvlákňování.

Při elektrickém zvlákňování hrozí přístrojům spoustu rizik zničení vlivem parazitních vlivů. Musíme se tedy postarat o věrný záznam signálu (použití kvalitních

2. Elektrické zvlákňování

Elektrické zvlákňování existuje již několik desítek let. Vzniklo na začátku 20. století. Princip elektrostatického zvlákňování je v podstatě jednoduchý. Je zapotřebí generátoru stejnosměrného vysokého napětí, dvou elektrod, kabelu a kapalného polymeru.

Mezi elektrodami se vytvoří silné elektrostatické pole, které vytáhne polymerní vlákno ke kolektoru. Při podrobnějším studiu elektrostatického zvlákňování docházíme k novým poznatkům. Určení optimální vzdálenosti elektrod, ideálního poměru polymer/rozpouštědlo (teplota taveniny), jevy spojené se zvlákňováním, např. Taylorův kužel, polymerní rozprašování “spraying”, koronové výboje a další.

Jednoduchost elektrického zvlákňovaní za běžných podmínek umožňuje masovou výrobu submikronových vláken. V roce 2005 byla kolektivem prof. Jirsáka z Technické univerzity v Liberci patentována technologie průmyslové výroby nanovláken z volné hladiny NANOSPIDER^TM [5].

2.1. Podmínky zvlákňování

Zvlákňováním nazýváme formování vláken z polymerního materiálu za jistých podmínek. Nejčastější rozdělení dějů ovlivňující elektrické zvlákňování je na systémové nebo procesní.

Procesní charakteristiky, které ovlivňují elektrické zvlákňování, jsou například elektrická vodivost, dielektrické vlastnosti polymeru, intenzita elektrického pole, elektrický proud, vzdálenost kolektor – zvlákňovací elektroda. Ovlivnění procesu též dochází vlivem teploty, tlaku, vlhkosti atd. [16].

Parametry systémových vlastností se týkají zvlákňovaného materiálu. Patří mezi ně molekulová hmotnost polymeru, distribuce molekulové hmotnosti polymeru a jeho struktura (rozvětvený, lineární atd.), koncentrace polymerního roztoku (zvlákňování polymerních roztoků) viskozita, hustota, povrchové napětí a viskoelasticita roztoku, dále také teplota zvlákňování, rychlost odpařování rozpouštědla u roztoků a rychlost tuhnutí polymerní taveniny [2].

Jelikož polymerní roztoky nemají stejné vlastnosti, je zapotřebí pro každý roztok hledat ideální podmínky elektrického zvlákňování. Pro naše potřeby jsem měřili s polymerem PVA, pro které již známe ideální podmínky pro proces elektrického zvlákňování.

2.2. Zvlákňovaný polymer

Pro naše potřeby a zkoušky s elektrickým zvlákňováním využíváme vodného 5-15% hm roztok polyvinylalkoholu ve vodě ( dále jen PVA) obr. 2.1. Musíme brát v potaz projevy viskozity, povrchového napětí, vodivosti. Pak lze ze zkušeností předvídat ochotu polymerního roztoku zvlákňovat.

Obrázek 2.1. Chemický vzorec PVA [31]

PVA lze zvlákňovat například při napětí mezi 25-35 kV při elektrodové vzdálenosti 7 cm. PVA je relativně neškodný polymerní materiál široce používaný v technické praxi.

Roztok je čirý, bezbarvý, bez zápachu a chuti. Je rozpustný v kyselinách, fenolech, ale především ve vodě.

2.3. Obvod elektrického zvlákňovaní

V obvodu je zapojený vysokonapěťový zdroj, který je schopen generovat stejnosměrné napětí 0 – 100 kV do zvlákňovacího obvodu (malý elektrický proud).

Kladná elektroda nazývaná “zvlákňovací elektroda” hraje roli nosiče pro polymerní kapalinu. Mívá vzhled kulaté vodivé elektrody, dutého válce či rotačního válce. Pro naší problematiku využíváme kovovou tyčku o průměru 4 mm jako zvlákňovací elektrodu, na kterou nanášíme pomocí tyčinky polymerní roztok PVA.

Kolektor (záporná elektroda) je obvykle plochá deska o větších rozměrech než elektroda zvlákňovací. Kolektor je přikryt sběrnou látkou nosičem, na které se tvoří tenká vrstva submikronových polymerních vláken.

Obrázek 2.2 Schéma zapojení elektrického obvodu

2.4. Průběh elektrického zvlákňování

O první popis v historii se pokusil před rokem 1912 Zeleny, americký meteorolog.

Jeho pozorování byla zaměřena především na chování a vývoj kapalinové trysky v elektrickém poli. Zdokumentováním chování kapalinové trysky se stal prvním zakladatelem této techniky.

Elektrické zvlákňování vytváří submikronová vlákna (pod 1μm v průměru), která jsou vlivem elektrických sil vytaženy od kapiláry ke kolektoru. Na kapiláru se nanese kapička polymerního roztoku. Pomocí silného elektrického pole dochází k uspořádání náboje na povrchu i uvnitř polymerního roztoku. Elektrické síly postupem času překonají síly držící pohromadě roztok a s narůstajícím elektrickým napětím je vytaženo jemné vlákno. Roztok, nanesený na kapiláru, zaujme polokulovitý tvar obr. 2.2.a. tedy energeticky nejméně náročný.

Po zapnutí generátoru vysokého napětí se začnou při vyšších napětích projevovat síly elektrické na daném roztoku. Vlivem elektrických sil se roztok z kulovitého tvaru na něž nepůsobila žádná elektrická síla, začne přetvářet na kuželovitý tvar nazývaný Tayorův kužel směrem ke kolektoru, obr. 2.2.b. Tvar kapaliny se vlivem elektrických sil začíná deformovat, směrem ke kolektoru do špičky.

Obrázek 2.2. Tvorba Taylorova kuželu na hladině kapaliny v silném elektrickém poli

Při zvyšování elektrického napětí se dostaneme ke kritické hodnotě intenzity elektrického pole [9]. Obr. 2.2.c Když elektrostatické síly začnou převažovat nad povrchovým napětím a viskozitou kapaliny, tak směrem ke kolektoru vytryskne nabitá kapalina. Nestabilní vlákno tažené směrem ke kolektoru se prodlužuje a zužuje (v této fázi dochází vlivem velkého povrchu vlákna k odpařování rozpouštědla nebo též ochlazování polymerního vlákna). Vlivem tření prostředí dochází k bičování kapalinové trysky.

Na kolektor dopadá submikronové vlákno.

2.3. Vysokorychlostní záběr procesu elektrostatického zvlákňovani [31]

2.5. Koronový výboj

Koronový výboj se vyskytuje vždy na hranách a hrotech při dostatečnémě velké intenzitě elektrického pole. Koronový výboj je předstupeň elektrického zvlákňování, který dle pozorování a literatury vytváří ionizovanou cestu ve vzduchu pro kapalinovou trysku. [18]. Malý proud vysokonapěťového generátoru nedovoluje zapálení elektrického oblouku ve vzduchu a vyšší elektrický odpor kapaliny má též tlumící vlastnosti. Odpor kapalinové trysky se pohybuje v rozmezí 10⁹-10¹⁰ Ω [20].

Velká proudová špička se objeví na obrazovce osciloskopu při proražení vodivého kanálu vzduchem mezi elektrodami [6]. Po ustálení kapalinové trysky je možné naměřit hodnoty protékajícího proudu 0,5 – 20 μA na jednu kapalinovou trysku. Tato hodnota proudu je značně nezávislá na druhu polymerního roztoku. To znamená, že pokud bychom zvlákňovali různé druhy polymerního roztoku, proud kapalinovou tryskou by byl stále mezi hodnotou 0,5-20 μA pro jednu kapalinovou trysku. Vytažené vlákno při dotyku s kolektorem uzavře obvod a způsobí tím „zkrat“ v obvodu. Jelikož zvlákňovaný polymerní roztok má vysoký odpor, nedochází k úplnému zániku elektrického pole.

Elektrické hodnoty se vyrovnají a zvlákňovaná tryska se ustálí.

Elektrická pevnost suchého vzduchu se pohybuje kolem 3,1 kV/mm. Elektrickou pevnost vzduchu ovlivňují vlivy jako jsou vlhkost a teplota. S rostoucí vlhkostí vzduchu klesá elektrická pevnost vzduchu.

2.6. Electrospraying

Lze očekávat, že všechny uvedené jevy bude možné sledovat pomocí změn elektrického proudu protékajícího měřícím obvodem v čase [6], [20]. Za jistých podmínek se proud nabité kapaliny stává nestabilním před dosažením kolektoru za vzniku malých kapiček, v procesu známém jako elektrostatické rozprašování též elektrospraying.

Elektrické rozprašování neboli electrospraying nastává obvykle na začátku elektrického zvlákňování než se vytvoří kontinuální zvlákňovaná tryska polymérního roztoku. Spolu s koronovým výbojem se pravděpodobně utrhne část roztoku a je vymrštěna ke kolektoru.

2.7. Zapojení měřícího obvodu

Zapojení obvodu bylo obohaceno o odpor a měřící zařízení - osciloskop.

Osciloskop se do obvodu zavádí pro měření protékajícího proudu v čase. Pro snímání dat je zapotřebí vytvořit odporový dělič, na kterém budeme snímat procházející signál ve voltech. Jako odpor nám poslouží 10 kΩ resistor, který je na obr 2.4 označen písmenem

“R1”. Je výhodnější mít menší resistor (R1) mezi 10-50 kΩ, z důvodu přepětí při výbojích [13]

Obrázek 2.4. Schéma zapojení osciloskopu v měřícím obvodu

Navíc pokud by se využíval větší resistor, jako mají [3], [23] zhoršovalo by to startování elektrického zvlákňováni (vytažení vlákna směrem ke kolektoru). Velké odpory nejsou nezanedbatelné v poměru s odporem kapalinové trysky. Pro naše účely byl využíván osciloskop firmy RIGOL 1020 DSC se šířkou pásma 100 MHz a s rozlišením časové základny 2 ns,.

Vzdálenost mezi zvlákňovací elektrodou a kolektorem (na obr. 2.4. označen „l‟) se pohybuje většinou v rozmezí 5 – 15 centimetrů. Záleží na polymerním roztoku, který chceme zvlákňovat (viz roztok PVA).

2.8. Osciloskopický záznam

Na obr. 2.4. vidíme záznam z osciloskopu při zvlákňování 12% hm PVA.

Osciloskopický záznam je zobrazován v mV v závislosti na čase. Pomocí osciloskopu lze sledovat průběh elektrického zvlákňování a zpětně vyhodnocovat jeho průběh v čase.

Obrázek 2.5. Záznam průběhu proudu v čase

Zpočátku na obr. 2.5 vidíme ustálenou úroveň proudu,v oblasti označené A (mezi 0-1 s), kterou doprovází šum (jemné špičky). Je to oblast, kde obvod nezvlákňuje polymerní roztok.

Po první sekundě, v oblasti označené B na obr. 2.5. nastává „zkratování‟

elektrického obvodu (špička mířící dolu, do záporných hodnot). Při „zkratování‟ obvodu dojde ke spojení obvod kapalinovou tryskou a objeví se napěťová špička (Špička jdoucí do vysokých kladných hodnot).

I =U

R 2.1

Kde U je elektrické napětí, R (hodnota 10 kΩ) je odpor rezistoru, I je elektrický proud v obvodu. Následný hladinový skok ∆I, naznačuje počátek zvlákňování a jeho následné udržování. Dle velikosti ∆I, můžeme odhadovat množství zvlákňovaného roztoku. Protékající proud skrze obvod ∆I se vypočítá pomocí Ohmova zákona (2.1.) jako napěťový úbytek snímámý na odporu R obr. 2.5., jenž se vytvoří vlivem protékajícího elektrického proudu I [3], [23].

Pokud by se na obrazovce osciloskopu objevilo více proudových hladin (schodů), mohli bychom předpokládat vznik více polymerních trysek. Jelikož na obr. 2.5.

je vyobrazená jedna proudová hladina, lze předpokládat pouze jednu kapalinovou trysku.

Oblast označená C na obr. 2.5. zaznamenává oblast velkých špiček. Jak již bylo zmíněno dříve, zde můžeme předpokládat oblast koronových výbojů.

3. Řešení problematiky sběru dat

Za úkol jsem měl zpracovávat a vyhodnotit signály (napětí a proud), které se vyskytují v průběhu elektrického zvlákňování a převést je do podoby vhodné pro zpracování PC. Měření signálu jako je úbytku napětí na odporovém děliči, je monitorování napětí na generátoru stejnosměrného vysokého napětí a proudu protékajícího obvodem.

Další podmínkou byla jednoduchá obsluha, možnosti měření více signálů najednou a s možností dalšího rozšíření do budoucna o snímání více signálu najednou. Velký důraz byl kladen na ochranu přístrojů před zničením vlivem přepětí, velkých proudových špiček, elekrostatických jevů a dalších parazitních vlivů.

3.1. Zapojení obvodu s A/D převodníkem

Počítač není schopen zpracovávat analogový signál na odporovém děliči. Jelikož snímáme z odporového děliče analogový signál úbytku napětí, obr. 3.1. jenž se snažíme co nejvěrněji zaznamenat s (velkou vzorkovací rychlost a přesnost), potřebujeme převod z analogového signálu do digitální podoby. Proto elektrický spojitý signál musíme převést na srozumitelnější formu pro další vyhodnocení. Za tímto účelem slouží A/D převodník.

Stejný proces probíhá v osciloskopech, multimetrech, či jiných měřících zařízeních

Snímaný signál je velmi dynamický a rychle se měnící v čase. Záznam těchto změn je pro měření velmi důležitý pro pozdější vyhodnocení průběhu signálu.

Zde se řešení větví na dva směry Prvním je laboratorní měření a druhé měření budeme označovat jako průmyslové měření.

Obrázek 3.1. Zapojení obvodu s A/D převodníkem a počítačem

Laboratorní měření spočívá v rychlém záznamu signálu. Vzorkovací rychlost by měla být minimálně 10 MSps a více. Jelikož zaznamenáváme signál s takto rychlými změnami, bylo by dosti obtížné vyhodnocovat jej s velkým rozlišením (nárůst šumu v převodu). Proto s rostoucí sběrnou rychlostí snižujeme bitového rozlišení převodu.

Pro zachování čitelnosti převedeného signálu neměli bychom snižovat hranici bitového rozlišení pod 8 bitů.

Pro sběr dat ze signálu s velmi rychlou vzorkovací frekvencí, jako jsou nanosekundy je zapotřebí mít rychlý A/D převodník. A/D převodník který je v osciloskopu firmy RIGOL 1020 DSC se šířkou pásma 100 MHz a s rozlišením časové základny 2 ns je poměrně obtížné získat. Problematika záznamu na osciloskop je, že můžeme zaznamenat jen omezený čas 2 – 3 minuty průběhu.

Druhým odvětvím měření je průmyslové měření. Pro tento typ měření nejsou důležité rychlé časové změny. Průmyslové měření může probíhat i při nižších vzorkovacích rychlostech 10 kHz a můžeme zde využít jemnějšího vzorkování 10 a více bitové hloubky. U průmyslových měření snímáme hlavně vytvořené ustálené hladiny napětí na výstupech (generátor, odporový dělič atd.).

Obrázek 3.2. Převodník firmy TEDIA, UDAQ-1408CE

Za tímto účelem jsem využil A/D převodník vyvinutý firmou Tedia. Převodník UDAQ-1408CE obr. 3.2. , který byl k dispozici na měření v laboratořích katedry netkaných textilii. Pro zvolené měření je vyhovující. Výhodou průmyslových měření je snadné získávání naměřených dat a nedochází ke zbytečnému zahlcení daty při více vstupovém záznamu (více než jeden snímaný signál). Možnost delšího časového záznamu (pokud zvolíme malou vzorkovací rychlost, lze dosáhnout i hodinových záznamů). Další výhodou je komunikace s okolním prostředím a umožňuje další manipulaci se signálem přicházejícího z AD převodníku. Jako je například regulaci VN generátoru, dálkové ovládání VN generátoru, přenos signálu vzduchem do počítače atd.

Logika spouštění

Zdroje spouštění Interní časovač softwarový start Rozsah při spouštění časovačem 30,5 Hz – 40kHz

Rozsah při softwarovém spouštění Závisí na operačním systému Doba konverze A/D převodníku 10 μs max (zesílení 1x-10x)

12 μs max (zesílení 20x) 18 μs max (zesílení 50x) Doa zpracování dat čítače 10 μs max

Ovladané funkce scanovací logiky Fyzický vstup modulu, vstupní rozsah, aktivace scanování čítačů a digitálních vstupů

Analogové vstupy

Počet vstupů 8 S.E. (UDAQ 1408x)

Rozlišení A/D převodníku 14 bitů Základní vsupní rozsah ±10V

Chyba rozsah ±0,1% typ Lze kalibrovat

Nesymetrie ±0,1% typ ±0,2 % max

Programovatelné zesílení 1x, 2x, 5x, 10x, 20x, 50x Rozsah ±10V, ±5, ...±0,2V

Chyba zesílení ±0,05 % typ ±0,15 % max.

Vstupní impedace 10 MΩ typ.

Max. Vstupní napětí ±24 V Trvale

±50 V 10 ms max.

Izolační napětí vstupů 1 kVDC Pouze typy E a CE

Tabulka 3.1. Technické parametry A/D převodníku UDAQ-1408CE, TEDIA

3.2. Zapojení do měřícího obvodu (TEDIA)

Ze zapojení obr. 3.4. generátoru Spellman serie SL600 obr. 3.3. můžeme snímat napětí i proud, který generátor vysokého napětí vpouští do elektrického obr. 3.1. Generátor má ze zadní strany sadu pinů, které plní různé funkce, dle návodu pro vysokonapětový generátor. Sledováním napětí a proudu vtékající do obvodu z generátoru, lze ve stejném čase porovnávat děje z odporového děliče i z generátoru. Pro řešení jsou postatné zadní piny 5, 6 a 1. Pin číslo 1. slouží jako centrální uzemnění pro

Pin číslo 5 slouží jako proudový sledovač generátoru. Proud, který protéká obvodem do, kterého generátor dodává vysoké napětí. Výstupní hodnoty proudového sledování generátor vysílá napěťový signál v rozmezí 0 – 10 V.

Obrázek 3.3. Generátor vysokého stejnosměrného napětí od firmy Spellman SL600 serie s 26 piny

Pin číslo 6 plní obdobnou funkci jako pin číslo 5, však s rozdílem sledování napětí generovaného do obvodu. Generátor je schopen vyvynout 0 - 100 kV stejnosměrného napětí. Pro upřesnění, 100 kV odpovídá maximální hodnotě 10 V na výstupu číslo 6.

Obrázek 3.4. Zapojení generátoru vysokého stejnosměrného napětí do obvodu.

3.3. A/D Převod

Analogo/digitální převodníky se řadí mezi aktivní elektronické prvky. Zajišťují převod spojítého analogového signálu na digitální (diskrétní). Proces převodu analogového na digitální lze rozfázovat do několika bloků obr. 3.5.

Obrázek 3.5. Blokové schéma A/D převodu [4]

3.3.1. Aliasing

Po příchodu signálu do A/D převodníku nejprve nastane vzorkování hladin signálu. Pravidelné odebrání vzorku nám postupem času vytvoří umělý průběh analogového signálu. Jednotlivé odebrané hladiny vzorku se pospojují do spojitého vzorku. Vzorkování probíhá v pravidelných časových intervalech obr. 3.6. Čím vyšší hodnota vzorkování, tím lepší vykreslení signálu [10].

Obrázek 3.6. Vzorkovaný analogový signál [22]

3.3.2. Vzorkování

Vzorkováním dochází k získání množiny diskrétních hodnot, které jsou pravidelně rozmístěny na časové ose. Rozmístění odpovídá vzorkovací frekvenci A/D převodníku.

Pokud předvídáme nedostatečnou rychlost vzorkování (předvídáme chybu měření), můžeme tuto chybu omezit zvýšením vzorkovací frekvence. To znamená, že čím máme větší vzorkovací frekvenci, tím máme víc hodnot k vytvoření pravdivějšího průběhu výsledného signálu. Nevýhodou je velký objem dat v krátkém čase. Zpracování velkého množství dat je často obtížné.

ƒ_s2⋅ƒ_b 3.1

Veličina, která zásadním způsobem ovlivňuje převod vstupního spojitého signálu na diskrétní je vzorkovací frekvence. Maximální vzorkovací frekvence je ovlivněna vzorkovacím teorémem (vzorec 3.1.), který určuje vztah mezi vzorkovací frekvencí ƒs a maximální frekvencí signálu ƒb.

Obrázek 3.7. Řešení zabraňující aliasingu [4]

V případě, že vzorkovací teorém není splněn, dochází pak často k chybě ve vzorkování. Dochází k částečnému, či úplnému zkreslení vstupního signálu. Odborně nazváno „aliasing‟. Aby nedocházelo k chybám ve vzorkování je nutné získávat minimálně dva vzorky za jednu periodu vstupního signálu. Pokud by nedocházelo k splnění tohoto kriteria, potom by frekvence vyšší než ƒb vnášely chybu do snímání signálu. Vyskytovaly by se zde parazitní signály s nižší frekvencí než ƒb.

Díky filtru typu dolní propusti, který dáme do signálové cesty před A/D převodník eliminujeme problematiku aliasingu. Dolní propust zabrání vstupu signálu o vyšší frekvenci, než je ƒb do A/D převodníku [10].

3.3.3. Kvantování

Kvantování neboli hodnota amplitudy vstupního signálu. A/D převodníky pracující na principu dvou stavu (0 a 1) nebo jednom bitu. Proto se zavádí pojem „slovo‟, neboli více bitové číslování. Při kvantování dochází k zaokrouhlení na nejbližší vyší hodnotu.

Délka slova nám umožňuje charakterizovat počet možných stavů. Každý stav má vlastní napětovou hodnotu v závislosti na velikosti slova.

Tedia má počet bitů 14 na rozsah ±10V. To znamená, že jeden bit značí znaménko a zbylých 13 bitů se rozdělí do kvantizačních hladin. Počet hladin si vypočítáme pomocí (3.2.) kde n je počet bitů a b počet celkových stavů.

b = 2ⁿ 3.2.

Celkový počet stavu je tedy 16384 na 20V, které je A/D převodník schopen příjímat (±10V). Po jednoduchém přepočtu máme 819 hladin na jeden měřený volt (1,2mV/hladinu) signálu. Jelikož se spojitý signál nemusí vyskytovat v dané hladině kvantování, jsou do kvantování zavedena tzv. toleranční pásma (±1/2 hladiny) obr. 3.8.

Obrázek 3.8. Kvantování s pásem tolerance

3.3.4. Toleranční pásma – šum

Kvantizační šum (3.3.) je náhodný signál, který lze získat z vynesení velikostí chyb od jednotlivých vzorků. Je to pomě.r velikosti šumu v dB (poměr užitečného signálu). Velikost šumu lze stanovit pro každý A/D převodník u něhož známe bitové rozlišení (velikost slova)

šum_AD=S

N=20⋅log2ⁿ≈6.02 n [dB] 3.3.

Kde N je kvantizační chyba (u lineárních A/D převodníků) je stejná

±1/2 kvantizační úrovně a S je počet kvantizačních úrovní, velikost slova (užitečného signálu).

3.3.5. Kvalita převedeného signálu

Vlivem převodu analogového spojitého signálu na diskrétní dochází ke ztrátám některých hodnot z signálu. Na obr. 3.9. můžeme vidět původní analogový signál (šedě) a zdigitalizovaný signál pomocí kvantování. Jak je vidět, některé hodnoty analogového signálu jsou ztraceny a filtrem uměle doplněny.

Obrázek 3.9. Zpětný převod digitalního signálu na analogový signál

Možné příčiny chybného převodu signálu jsou spojeny s dynamickými parametry A/D převodníku. Doba převodu a četností převodu analogového signálu v čase. Rychlost A/D převodníku určuje četnost nasbíraných dat za jednotku času, při zaručené přesnosti převodu.

U většiny analogově digitálních převodníků doba je doba převodu shodná s dobou vzorkování. Četnost nebo rychlost analogově digitálních převodů určuje největší počet možných převodů za jednotku času při zaručené přesnosti převodu [10].

3.4. Zkreslení a zpoždění signálu

Z výše uvedené teorie můžeme hovořit o problémech AD převodu do PC.

Pro A/D převodník Tedia obr. 3.2. mužeme vyčíst z tabulky 3.1. rozlišovací schopnost převodníku 14 bitů a vzorkovací rychlost až 40 kSps. Jak jsme již vypočítali dříve počet hladin ze (2.2.) tedy 16 384 rozlišovacích hladin, které musí A/D převést v jednom měření. Při maximálním zatížení AD převodníku (40kSps) nebo-li 40 000 nasnímaných vzorku za sekundu. Pokud vynásobíme tyto dvě hodnoty (3.4.) získáváme počet bitů vysílaných za jednu sekundu (po vypočítání 560 kbit/s),

množství dat=N_bitu⋅f_vzorkovací[Sps] 3.4.

kde Nbitu je počet převodních bitů a fvzorkovací je vzorkovací frekvence převodníku.

Pokud budeme uvažovat USB 2.0 s rychlostí maximální přenosovou rychlostí 480 Mbit/s [29]. Uvádí se nejčastěji funkční rychlost 60 Mbit/s. Tyto rychlosti jsou dostačující a umožňují nám sledovat časový průběh snímaného signálu v reálném čase. Výhodou reálného časového zobrazení je, že můžeme součastně využíti rychlokamery a sledovat průběh záznamu ze signálu a též z video záznamu.

4. Ochrana a oddělení měřícího obvodu

Velmi důležitou součástí je ochrana měřícího zařízení zapojeného v obvodu.

Nejprve je zapotřebí ochránit vstupy před elektrickými jevy spojenými s elektrickým zvlákňováním. Jelikož měřící zařízení jsou zapojena do elektrické sítě, jsou nutně uzemněna. Nastává zde riziko v případě proražení ochrany vstupu na měřících zařízení.

Proto je dobré zavést další preventivní opatření pomocí galvanického oddělení bez uzemnění sběrného zařízení (zařízení napájené galvanickým článkem).

4.1. Ochrana vstupu měřících zařízení

Na obr 4.1. můžeme vidět ošetřený vstup do jednoho portu A/D převodníku (lze využít na jakýkoliv měřící port). Výhodou takového zapojení je ochrana před

Nevýhodou takového zapojení je časové zkreslení vlivem odporu R3 a kapacity C snímaného signálu.

Obrázek 4.1. Ošetření vstupu do A/D převodníku

4.1.1. Integrační článek RC

Pasivní filtry patří mezi poločlánky (skládá se z pasivních součástek R a C).

RC články nemohou mít větší výstupní napětí, než vstupní, tedy poměr mezi U2/U1 nebude nikdy větší než jedna. Frekvenční charakteristiky jsou nelineární a projevuje se vliv zátěže obvodu za filtrem. Na obr. 4.2. je nezatížený pasivní filtr I.řádu.

Obrázek 4.2. Integrační RC článek (dolní propust)

Musíme dbát na rychlé změny ve snímaném dynamickém signálu. Z toho důvodu spočítáme hodnoty elektronických součástek R a C tak, aby bylo zkreslení signálu co nejmenší pro vzorkovací frekvence na A/D převodníku (limitní hranice A/D převodníku je 40 kSps. 4.1.), dochází k útlumu, tedy zániku signálu obr. 4.3. Při rychlých změnách signálu se projevuje reaktance kondenzátoru C která utlumuje výstupní signál.

f _m= 1

2⋅π⋅R⋅C [Hz ] 4.1.

Kde odpor rezistoru by měl mít minimální hodnotu R = 1 kΩ. Při výpočtu RC článku nejprve zvolíme hodnotu rezistoru R a následně dopočítáme kapacitu C. Smyslem zapojení RC článku před vstup signálu do A/D převodníku je omezení vysoké napěťové špičky. Zde se uplatňuje hodnota rezistoru R k pohlcení nadbytečného napětí na vstupu.

Obrázek 4.3. Kmitočtová charakteristika

Z obr. 4.3. je vidět, že do hodnoty mezního kmitočtu klesá zisk jen nepatrně.

Při mezním kmitočtu dochází ke zmenšení zisku o -3 dB. Od hodnoty f_M (-3dB) se přenos mění se strmostí -20 dB/dekádu [24].

A_u=20⋅logU_in

U_out= 1



Kde Uin je vstupní napětí na svorkách RC článku a Uout je napětí na výstupních svorkách RC článku, f je frekvence vstupního signálu, R je odpor rezistence v RC obvodu

Současně se změnou zisku se posouvá výstupní napětí oproti vstupnímu. Fázový posuv pro dolní propust se pohybuje v záporných hodnotách, tedy výstupní signál se opožďuje oproti vstupnímu signálu. Tento posun se nazývá fázový a je označován φ. Udává se ve ° a je vynášen na graf s logaritmickou X-ovou osou. U fázového posuvu záleží na dekadickém rozdílu měřené frekvence a mezního kmitočtu. Obr. 4.4. [25].

φ=arctan −2⋅f⋅π⋅R⋅C ⋅180

π [°] 4.3.

Kde f je frekvence vstupního signálu, R je odpor rezistence v RC obvodu a C je kapacita v RC článku.

Obrázek 4.4. Průběhy RC článku [8]

Pro měření byla zvolena hodnota rezistoru R = 2000 Ω. Zpětně dopočítaná kapacita C = 1 pF (4.1.) pro dvojnásobnou frekvenci než 40 kSps. Útlum daného RC členu (4.2.) vychází na jeden dB pro sběrnou frekvenci 40 kSps.

4.1.2. Transil

Polovodičová součástka sloužící k ochraně před napěťovými špičkami [30].

Základní vlastností transilu je, že je konstruován na velké impulzní proudy. Při velkém přetížení se nepřeruší, ale dojde ke zkratu. Transil má voltampérovou charakteristiku podobnou Zenerově diodě, na rozdíl od Zenerovy diody nedojde k poškození transilu při

Obrázek 4.5. Zjednodušená VA charakteristika transilu [30]

Pokud zvolíme zapojení jako je na obr. 4.1., že máme bipolární zapojení transilu (z důvodů možnosti velkých napěťových špiček v obou polaritách) vůči zemi.

Předcházíme zničení součástek, odvedením škodlivého přepětí k zemi.

4.2. Zkreslení na vstupech

Analogový signál je znehodnocován celou řadou útlumových, fázových a nelineárních zkreslení. Tato zkreslení se snažíme minimalizovat použitím kvalitních zařízení s co nejlepšími parametry. Dalším znehodnocením analogového signálu je to, že kromě užitečného signálu obsahuje ještě jistou úroveň rušivých napětí. Mezi ně patří síťový brum z napájení, indukované brumové a impulsní rušení a především šum. Zatímco úroveň jmenovaných rušivých napětí můžeme omezit užitím kvalitních zařízení a vhodnou kabeláží mezi zařízeními. U šumu je situace poněkud složitější.

Šumové napětí vzniká prvotně jako tepelný šum způsobený neuspořádaným pohybem elektronů ve všech použitých součástech. Tento šum je principiálně neodstranitelný a jeho vliv je v řetězci patrný především v místech, kde je úroveň signálu nejmenší. Kvalitu signálu s ohledem na šum vyjadřujeme poměrem signálu k šumu S/N (signal to noise ratio) udávaným v dB. V měřící technice se jedná o poměr efektivní hodnoty napětí signálu k efektivní hodnotě napětí šumu [31].

4.2.1. Resistor v zapojení

Rezistor je pasivní elektronická součástka, která je lineární a do velké míry frekvenčně nezávislá. Pro vysoké frekvence lze získat bezindukční rezistory.

Pro co nejpřesnější měření musíme dbát na spolehlivost součástek, i za různých podmínek ovlivňující měření. Šum při měření může nastat tepelný, s rovnoměrným kmitočtovým spektrem.Proudový šum vzniká průtokem proudu odporovým materiálem. U proměnných rezistorů se přičítá ještě složka způsobená přechodovým odporem na pohyblivých částech.

4.2.2. Šumové napětí

Vlivem nerovnoměrného pohybu elektronů uvnitř materiálu součástky vznikají mezi vývody rezistoru malé, časově nepravidelné změny potenciálu (šum elektronického obvodu). Příčinou šumu je šumové napětí, které způsobuje tepelné šumové napětí a povrchové šumové napětí.

Povrchové šumové napětí závisí na velikosti stejnosměrného napětí U přiloženého na rezistor. Udává se v µV na 1 V přiloženého napětí. Protože ke vzniku šumového napětí je třeba, aby časově nerovnoměrný průchod elektronů částí obvodu způsobil mezi dvěma body obvodu odpovídající rozdíly potenciálu, vzniká šumové napětí na všech reálných odporech a nejen rezistorech. Je nutno pamatovat na to, že šumové napětí vzniká též na propojovacích vodičích v obvodu, na aktivních součástkách, apod. Avšak indukční a kapacitní reaktance nejsou příčinou vzniku šumového napětí.

Šumové napětí se přidává k užitečnému signálu, který prochází obvodem.

Je-li užitečný signál slabý, je obtížné ho od šumového napětí odlišit. Proto je velikost šumového napětí činitelem omezující dosažitelnou citlivost elektronických zařízení.

4.3. Kapacita mezi elektrodami a důsledky pro snímání signálu

Pro přesnost měření odhadneme kapacitu mezi elektrodami zvlákňovacího obvodu.

Zvlákňovací elektroda o poloměru 2 mm. Průměr kolektoru je větší než průměr zvlákňovací elektrody, přesto však pro zjednodušení výpočtu uvažujeme stejnou plochu jako u elektrody (4.4.) ,

S=π⋅r² 4.4.

Kde S je průměr elektrody, r je poloměr elektrody. Vzorec pro deskový kondenzátor (4.5.) poskytne náhled na kapacitu mezi elektrodami zvlákňovacího obvodu,

C=ε₀⋅ε_r⋅S

l  4.5.

kde ε0 je permitivita vakua, εr je permitivita vzduchu, S je plocha elektrod a l je vzdálenost mezi elektrodami. Po dosazení hodnot ε0 = 8,854187817·10^-12 F/m, εr = 1,00053, S = 12,6 mm² a l = 7 cm vyjde kapacita mezi elektrodami zvlákňovacího obvodu C = 1.59·10 ^-13 F.

Při pomalu měnících se dějích se kapacita nijak zvlášť neprojevuje a můžeme jí zanedbat. Mluvíme například o průběhu ustáleného procesu zvlákňování, kdy je vlákno vytahováno kontinuálně ke kolektoru. Vliv kapacity se začne projevovat při prudkých změnách signálu v čase jako jsou koronové výboje nebo počátek zvlákňování obr. 4.7. A

Vidíme jehlový signál pravděpodobného nezatíženého obvodu. Kde ∆t napěťové špičky je úzký. Spočítaná malá kapacita mezi elektrodami při rychlých změnách nestihne vyrovnat větší kapacitu na vstupech do měřící techniky obr. 4.7. a tím vzniká zkreslení signálu na záznamu signálu obr 4.7.B

Zkreslení nám ovlivňuje nejenom časovou základnu, ale i amplitudu rychlých napěťových signálů a tím přicházíme o část záznamu. Při napěťové špičce o délce náběžné hrany 250 ns prudce naroste impedance. Impedanční přizpůsobení obvodů je důležité pro věrný záznam signálu [13].

A B

Obrázek 4.7. Rozdíl skutečného signálu a zkresleného signálu

V řešení nám pomůže impedanční převodník obr. 4.8. Důležitou vlastností neinvertujícího zesilovače je vysoký vstupní odpor. Velký vstupní odpor má výhodu, že nezatěžuje měkký zdroj, pro naše potřeby obvod s elektrickým zvlákňováním.

Obrázek 4.8. Zapojení neinvertujícího zesilovače [11]

Protože oba vstupy jsou na úrovni vstupního signálu (nikoliv na nulové úrovni), musíme dbát o co nejlepší potlačení součtového signálu. Přičemž součtovým napětím rozumíme část napětí, která je společná oběma vstupům. Projevuje se jako zdroj chybového napětí a zhoršuje linearitu přenosu.

Impedanční převodník má za úkol oddělit předchozí obvod od následujícího, aby první obvod nebyl zatěžován. Podstatné však je, že toto zapojení má vstupní odpor řádově desítky megaohmů a výstupní prakticky nulový. Impedanční člen (impedanční převodník) použijme tak, aby nezatěžoval obvod a nezpůsoboval zkreslení průběhu signálu a nebyl příčinou nestability vlivem připojené zátěže [11].

4.4. Galvanické oddělení

Protože pracujeme s vysokým napětím a měříme na živém obvodě, je snaha celý obvod oddělit od měřící soustavy. Podstatou je nemít uzemněné měřící zařízení a možnosti vzdáleného přístupu k snímanému signálu. Minimální požadovaná vzdálenost mezi vysílacím a sběrným obvodem by měla být více než 10 cm od obvodu s elektrickým zvlákňováním z důvodů elektrické pevnosti vzduchu. Dalším požadavkem je malá spotřeba součástek ve vysílacím obvodě a dlouhá funkčnost součástek.

Největší nevýhodou galvanického oddělení je limitní rychlost vysílacího zařízení.

Při větších vzdálenostech dochází útlum a možnost rušení okolními vlivy (šum). Vysílaný signál může být rušen vysokým napětím ze zvlákňovacího obvodu. Pro bezdrátový přenos je zapotřebí převést analogový signál na digitální formu signálu.

4.8. Galvanické oddělení přenosu

Výhodou je bezdrátové spojení sběrného obvodu s vyhodnocovacím obvodem.

Vzdálená ochrana před zničením napěťovými špičkami galvanickým oddělením.

Vyhodnocovací obvod může být i ve větší vzdálenosti od elektrického zvlákňování bez omezení délkou vedení. Je zde možnost zakoupení komunikačních modulů s nízkou spotřebou (možnost napájení galvanickými články). Vysílací zařízení RF, Wifi, Bluetooth pracují v kmitočtovém pásmu v rozmezí 0,3 – 3 GHz. Ultrakrátké vlny se používají pro přenos televizních kanálů a radiokomunikační služby.

4.4.1. RF přenos

Radio frekvenční přenos využívá frekvenčního pásma 315 MHz, 433,92 MHz a 868 MHz. Přenosová rychlost modulů pro dané frekvence se pohybují v rozmezí 128 - 256 kbit/s do větších vzdáleností bez velkého útlumu. Poskytované rozlišení je nejideálnější přenos signálu pro průmyslový sběr dat. Napájecí rozpětí RF modulu se pohybují od 3V do 12 V. Významné je i bezproblémové naprogramování a malé rozměry.

4.4.2. WiFi přenos

Wifi využívá radio frekvenční přenos frekvenčního nekomerečního pásma 2,4 Ghz. Obrovskou výhodou je možnost přenosu velkého objemu dat. Udává se 54 Mbit/s. Výhodou je přímá komunikace s osobním počítačem pomocí protokolu IEEE 802.11.

4.4.3. IR přenos

Přenos pomocí světla v infračerveném pásmu je vhodný na krátké vzdálenosti.

Nevýhodou IR přenosu je možnost rušení světelným záření a musí být spojený přímým paprskem. Pro přenos lze využít PWM modulace, nebo IrDA protokolu. PWM modulace jsou nedostatečně citlivé pro naší potřebu a zatížení velkou chybou. IrDA protokol má přenosovou rychlost až 4 Mbit/s. Dalším nedostatkem je nemožnost vysílat obousměrný přenos.

4.4.4. Bluetooth

U Bluetooth dochází k většímu útlumu na větší vzdálenosti. Při vzdálenosti nad 6metrů dochází k 3 dB útlumu. Rychlost přenosu se pohybuje mezi 3 - 24 Mbit/s.

Záleží na verzi vysílače a příjímače. Vyšší verze se přizpůsobí pomalejšímu zařízení.

Výhodou Bluetooth je protokolová komunikace mezi zařízeními. Pracuje ve frekvenčním pásmu

2,4 GHz. Další výhodou jsou přeskok mezi různými frekvenčními pásmy, což zaručuje větší odolnost proti rušení signálu a větší dosah. Má též možnost komunikace s PC.

4.4.5. Optočlen

Jednočipová součátka bez možnosti bezdrátového přenosu. Maximální elektrická pevnost je 3500 kV a přenáší diskrétní signál. Existují i analogové optosoučástky, ale nejsou tak citlivé na malé napětí. Pro řešení je tento způsob nevyhovující z hlediska galvanického oddělení a přenosu signálu.

4.5. Návrh řešení

RF přenos byl zvolen z důvodu ceny, dostupnosti, nízké spotřebě a množství dostupných schémat zapojení. Ke komunikaci s RF vysílačem je zapotřebí microkontroleru, který bude sbíraný signál z A/D převodníku posílat do RF moduátoru.

Ze dvou dostupných microcontroleru AVR a PIC, bylo zvoleno programové řešení s PIC microcontrolerem. PIC microkontroler byl vybrán z důvodu větší znalosti programového prostředí a menšího počtu příkazů.

Pro přenos digitálního signálu pomocí RF modulace využíváme pásmo 433 MHz z důvodu nedostupnosti ve volném pásmu (nehrozí zahlcení pásma jinými vysílacími zařízeními) a nižší energetické spotřebě. Uvádí se 30 metrová dosahová vzdálenost signálu v budově, záleží však na vysílaném výkonu vysílače. obr. 4.9.

5. Sběr dat

Signál vysílaný A/D převodníkem je vysílán do USB sběrnice na počítač. Firma Tedia pro sběr dat vyvinula program TEDIA Recorder, který také zobrazuje sbíraný signál. Maximální rychlost sběru převodníku je 40 Ksps na jeden port.

Jak jsme již vypočítali dříve, máme hodnotu signálu každých 25μs při maximálním rychlosti sběru dat na jeden port AD převodníku. Pokud bychom vzali v úvahu měření na všech portech A/D převodníku najednou (8 portů), dostáváme se k hodnotě 4,48 Mbit/s.

Po sečtení naměřených hodnot dostáváme číslo 320 kbit/s. Takové množství dat za jednu sekundu je značný počet.

TEDIA Recorder program má množství nastavení, které můžeme využít. Nastavení vzorkovací frekvence, napětové pásmo sběru dat, délku záznamu v množství vzorku, počet aktivních portu, zobrazených hodnot na snímaným grafu.

5.1. TEDIA Recorder

Úvodní obrazovka TEDIA Recorderu obr. 5.1. , na které můžeme vidět možnosti náhledu na vstupy a start/stop. Pokud není k PC připojený A/D převodník, hlásí nám chybu a nepustí nás na tuto obrazovku. Bohužel nelze ani nastavit program bez připojeného USB zařízení.

Tlačítko pro spuštění měření podle parametrů nastavených v Nastavení nebo otevřených ze souboru. Start nám spouští ukládání naměřených hodnot ve formátu ASCII a ScopeWin, který lze později převést do textového fromátu *.txt. K převodu se využívá zabudovaného offline konvertoru naměřených hodnot.

Signál se zaznamenává buď do doby než se naplní požadovaný počet měření, nebo než se zmáčkne tlačítko stop. Po dokončení zaznamenávání se soubor uloží do nastavené adresy v PC. Tedia dovoluje zpětné vyvolání záznamu a jeho projekci.

Obrázek 5.1. Základní obrazovka programu 5.2. Náhled vstupů

Obrázek 5.2. Sledovač signálu TEDIA Recorder

Živý náhled hodnot na vstupech před měřením i v průběhu měření, nám dovoluje pozorovat signál snímaný na vstupech. Není zapotřebí mít spůštěný záznam, abychom mohli sledovat hladiny signálu na vstupech převodníku. obr. 5.2. Dle nastavených vstupů vidíme množství signálu, které si lze nastavit. Sledovaný signál můžeme sledovat v rozmezí ± 10 V, ± 5 V, ± 2 V, ± 1 V, ± 0.5 V a ± 0.2 V. Program má možnost synchronizace startu měření s cizím zařízením či impulzem. Zobrazení numerických

Obrázek 5.3. Nastavení portu, sledování a záznamu

Možnost automatickych opakovaní měření - program po naměření nastavené sekvence , uloží data a konverzi automaticky spustí nové měření. Počet naměřených hodnot se nastavuje v menu obr. 5.3.

Při neočekávaném odpojení USB zařízení nebo při chybě, se automaticky restartuje měření. Automatický restart měření nastává v případě neočekávané chyby nebo odpojení zařízení. Program přepočítává diskrétní veličiny získané z měřícího zařízení

5.3. Vyhodnocovací prostředky

Program TEDIA recorder využíváme k zobrazení a zapsání nasbíraných dat.

Po zkonvertování dat z ASCII a ScopeWin format do textových souborů *.txt. Následné vyhodnocení a operace s daty jsou čistě na uživateli s jakým programem umí zacházet.

Dva mnou vybrané programy jsou Matlab od firmy Mathworks a OpenOffice (obdobou pro Linux je Libreoffice). Pro práci v Linuxovém prostředí lze využít algebraitckého programu Maxima 5.26.0 z dílen MIT.

Obrázek 5.4.Vyhodnocující programy pro práci s daty

Nevýhodou zkonvertovaných dat z formátu ASCII a ScopeWin do formátu *.txt je forma zapsání. Hodnoty používají desetinnou čárku místo desetinné tečky. Důsledek je takový, že ani jeden z programu nedokáže přečíst formát s tečkou a zabraňuje dalším operacím s daty. Dá se odstranit vyvoláním dat do openOffice a při vkládání rozdělit čísla do samostatných buňek. Následně upravit dle naprogramovatelnch funkcí v programu.

Po ošetření dostáváme hodnoty s tečkou místo desetinné čárky a jsme dále schopni pracovat se získaným formátem. Vypočítaná data zpětně vložíme do *.txt souboru.

5.3.1. MATLAB (MATrix LABoratory)

Řadí se mezi interaktivní programové prostředí a skriptovací jazyk. Umožňuje výpočty s maticemi, vykreslení 2D a 3D grafických funkcí, implementaci algoritmů, počítačovou simulaci, analýzu a prezentaci dat i vytváření aplikací včetně uživatelského rozhraní. Vizuální zobrazovaná, numerické vyhodnocení, využívání databáze Matlabu

Import a export dat v různých formátech. Zobrazovací formáty GIF, JPEG, BMP a TIFF, EPS, PNG, HDF, AVI, a PCX.. Možnost využití při prezentacích a do psaných forem prací. Matlab nám dovoluje různé úpravy písma, doplnění os atd. Další výhodou je využití statistického vyhodnocení, jako jsou maxima a minima měřené veličiny, počet hodnot, různé datové filtry, převod fyzikálních hodnot na jiné fyzikální veličiny atd.

Matlab je systém, ve kterém je z mé zkušenosti nejlepší a nejsnadnější práce s daty. Program zvládne spracovat velké množství dat během pár sekund. Velikou výhodou, kterou jsem velice ocenil, byla možnost přibližování grafu na požadovanou velikost. Příloha č.1. Umožňuje nám to detailnější studii průběhu v kritických situacích.

příloha č.2.

5.3.2. Open Office

Na rozdíl od Microsoft office a Matlabu jsou Openoffice volně stažitelny na oficiálních webových stránkách [28]. OpenOffice byly vytvořeny především pro kancelářskou práci s menším množstvím dat. Není zde až tak velká škála možností nastavení jako v programu Matlab. Grafické zobrazování je zde umožněno, však v horší kvalitě a s obtížnější prací s daty.

Pokud máme nasbíráno menší množství dat a nemáme možnost programu Matlab, jsou OpenOffice vhodnou volbou pro uživatele. Mají však dvě nevýhody, se kterými jsem se během měření setkal. Největším problém bylo množství zadaných dat. Pokud jsme přesáhli určité množství dat, program nezobrazil všechna data a část jich byla ztracena.

To vedlo k nutnosti skládání dat a grafu ve více otevřených oken programu. Další nevýhodou byl čas, za který se vyobrazila data na grafu. příloha č.3.

5.4. Měření

Na následujících grafech je vyobrazen průběh záznamu tří signálů. Příloha č.1.-3.

je záznam vyhodnocený v programu MATLAB. V příloze č.3. jsou stejná data vyhodnocena v programu Openoffice. Jelikož práce s časem je přehlednější, můžeme vzorkovací frekvenci přepočítat na čas (5.1),

1

Kde t je uplynulý čas a f je vzorkovací frekvence A/D převodníku. Záznam byl pořízen ze zapojení na obr 3.1. Jak můžeme vidět ze záznamu, příloha č.1. Máme tři různé průběhy signálu měřené v napětí. Modrý signál je snímán z rezistoru R a je ovlivněný šumem na měřící aparatuře. Zelený signál je snímán ze zdroje stejnosměrného napětí a červený signál značí proudovou hodnotu ze zdroje).

Na počátku záznamu je vidět prudký nárůst napětí (zelená) na generátoru, kdy se nastavuje stabilní napětí dle zvlákňovaného polymeru. Též se nepatrně zvýší hodnoty proudu (červená) a napětí na rezistoru R (modrá). Hodnoty jsou stabilní do doby než započne proces polymerního zvlákňování.

Prvotním příznakem počátku zvlákňování příloha č.2. bývají koronové výboje.

Ty bohužel na záznamu nejsou zachyceny. Po 0,376 sekundě (5.1) můžeme vidět spojení elektrod vytaženým polymerním vláknem. Obvod jde do „zkratu‟. Napětí na generátoru jde prudce k nule (zelená) a proud z generátoru prudce vzrůstá (červená). Rychle se ustálí a na okamžik vidíme proces elektrického zvlákňování.

Po sto milisekundách se proces zvlákňování přeruší a vlákno se vytratí. Proud z generátoru (červená) a napěťový úbytek na rezistoru R (zelená), klenou k nule. Následné obnovení zvlákňování vede opět ke spojení elektrod polymerní tryskou a obnovení elektrického zvlákňování. Napěťový úbytek na R (zelená) roste pomaleji z důvodu ustalování procesu zvlákňování. Když budeme sledovat zvlákňovací proces až do konce příloha č.1. vidíme, že současně se snižováním napětí z generátoru (zelená), klesají i ostatní měřené veličiny.

6. Závěr

Práce byla zaměřená na možnosti řešení sběru dat z elektrického zvlákňování.

Prvotní myšlenka byla zapojení A/D převodníku a spojením s PC a následné odladění snímaného signálu. Po zprovoznění a zavedení do měřícího obvodu se začaly projevovat škodlivé vlivy elektrického zvlákňování, které po čase zničily měřící zařízení.

Zavedení ochraných prvků do měřícího obvodu je velmi nutné. Zapojením ochraných prvků však docházelo ke zkreslování snímaného signálu. Parametry se musely upravovat a odlaďovat. Velkou roli zde hrála kvalita součástek a správné výpočty, aby se projevoval šum signálu co nejméně. Dalším krokem pro ochranu měřících zařízení byl návrh galvanického oddělení. Pro průmyslové řešení je nejvhodnější RF přenos díky své jednoduchosti a spolehlivosti. Pro laboratorní měření doporučuji přenos signálu pomocí bluetooth.

Práce uvádí teoretická východiska a možnosti řešení věrného automatizovaného sběru dat pracujícího s vysokým a velmi vysokým napětím. Zaroveň jsou používana konkrétní technická řešení zadaného problému. Jednotlivé používané komponenty přenosového řetězce dosud nebyly realizovány z důvodu dlouhých dodacích lhůt požadovaných součástek. Jsou však před dokončením. Z těchto důvodů není v práci uvedena metodika a způsoby odzkoušení a odladění navržených obvodů pro věrný přenos signálu.

Seznam použitých zdrojů

[1] . I / A. A. Akopjan... [et al.] ; přeložili Vladimír Chůra, Karel Horák, Josef Zima, Technika vysokého napětí Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1956 149 s. : il.1956 Akopjan, A. A.

[2] Chvojka T..: Závislost průhybu trysky polymerního roztoku na vnějším pomocném poli při elektrostatickém zvlákňování , Diplomová práce, Fakulta Textilní, TUL v Liberci, 2008

[3] S.V. Fridrikh, J.H. Yu, M.P. Brenner, G.C. Rutledge : Controlling the Fiber Diameter during Electrospinning, Physical Review Letters, Vol. 90, No. 14, (2003), pp. 144502-1 – 144502-4

[4] Háze, J., Vrba, R., Fujcik, L., Sajdl, O.: Teorie vzájemného převodu analogového a číslicového signálu [online].Poslední revize 12.2.2008. Dostupné

z:<http://www.feec.vutbr.cz>

[5] Jirsák, O., Sanetrník,F., Lukáš, D., Kotek, V., Martinová, L., Chaloupek, J.: A Method of Nanofibres Production from Polymer Solution Using Electrostatic Spinning and a Device for Carrying Out the Method, U.S. Pate

[6] Kubánek, T.: Ověření výsledků měření průběhu elektrického proudu kapalinovou tryskou při elektrostatickém zvlákňování a rozšíření měření na jiné polymerní materiály, Diplomová práce, Fakulta textilní, Fakulta mechatroniky a

mezioborových studií, Technická univerzita v Liberci, 2010

[7] Kulda V. a kolektiv 1. vyd.: Zkoušení přístrojů vysokého napětí Praha : Státní nakladatelství technické literatury, 1963 200 s. : il.

[8] Láníček R.: Obvody, součástky, děje, BEN 2004

[9] Lukáš, D., Sarkar, A., Martinová, L., Vodseďálková, K., Lubasová, D., Chaloupek, J., Pokorný, P., Mikeš, P., Chvojka, J.,Komárek, M.: Physical principles of electrospinning, Textile progres, Vol. 41, No. 2, 2009, 59 ? 140, ISBN-13:978-0-415-55823-5nt No. WO2005024101, 200

[10] Macháč, J.: Elektronická jednotka pro sběr dat jízdní dynamiky vozidla. Fakulta strojního ingenýrství ústav automobilního a dopravního inženýrství,Vysoké učení technické v Brně

[11] Malina, V. : Poznáváme elektroniku III. Kopp České Budějovice 1997

[12] Novák, B.:Technika měření vysokých napětí učební Pomůcka Pro posluchače

[13] Pokorný, P.: Analýza procesu elektrostatického zvlákňování a možnosti jeho řízení, Disertační práce, Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií, TUL v Liberci, 2011

[14] Ramakrishna, S. , K. Fujihara, W.E. Teo, T.CH. Lim, Z. Ma: An Introduction to Electrospinning and Nanofibers. 1st edition. [s.l]: World Scientific, 2005 382 s.

ISBN 981-256-415-2

[15] Rek T.: Analyzátor AD převodníků, Bakalářská práce, Fakulta elektrotechniky a informatiky, Univerzta Pardubice 2009

[16] Růžičková J.: Elektrostatické zvlákňování nanovláken, Technická univerzita v Liberci, Liberec 2004

[17] Šafařík, M.: Měření NF signálu pomocí A/D převodníku s vysokým rozlišením , Katedra elektrotechniky, Elektroniky a zabezpečovací techniky v dopravě, Univerzita Pardubice Dopravní fakultyJana Pernera

[18] Sirotinský, L. I. a kol.: Technika vysokého napětí, SNTL Praha 1956

[19] Szendiuch, I. Mikroelektronika a technologie součástek, Fakulta elektrotechniky komunikačních technologií, Vysoké učení technické v Brně

[20] Truhanová, A.: Průběh elektrického proudu vláknem polymerního roztoku při elektrostatickém zvlákňování, Diplomová práce, Fakulta textilní, Fakulta mechatroniky a mezioborových studií, Technická univerzita v Liberci, 2008 [21] Veverka, A.:Technika vysokých napětí / Antonín Veverka 1. vyd. Praha :

Nakladatelství technické literatury : Slovenské vydavateľstvo technickej literatúry, 1966 277 s. : il. 1966

[22] Vlk, F. :Zkoušení a diagnostika motorových vozidel. ISBN 80-234-6573-0.

[23] Yu J.H., Fridrikh S.V., Rutledge G.C.: The role of elasticity in the formation of electrospun fibers, Polymer 47 (2006), pp. 4789-4797

[24] PIHRT, Martin. RC čelny – dolni, horni propust. [online] Plzeň: 2009-2012

< http://www.edunet.souepl.cz/~kulhanek/RC/RC%20cleny.html >

[25] BARTAČEK, Jiří. Barts.cz. [online] : 2008 – 2009 /6. května 2010.

< http://www.barts.cz/index.php/elektronika/obvody/7-pasmovepropusti >

[26] TEDIA, Firma Tedia [online] Plzeň: 1994-2012 / 28.ledna.2008.

< http://www.tedia.cz/podminky.html >

[27] MATLAB, Mathworks [online] . 1994 – 2012 / 29. května.2012.

< http://www.mathworks.com/products/matlab/ >

[28] OPENOFFICE. Openoffice [online]. Brno: 2012. < http://www.openoffice.cz/ >

[29] KUBÍČEK, Miroslav. Ústav počítačové a řídící techniky [online]. Praha:

1994/2000 . < http://uprt.vscht.cz/kubicekm/Po%C4%8D%C3%ADta

%C4%8Dov%C3%BD%20sb%C4%9Br%20dat%20a%20Technick

%C3%A9%20prost%C5%99edky%20pro%20m%C4%9B%C5%99en%C3%AD

%20a%20%C5%99%C3%ADzen%C3%AD/USB.pdf >

[30] DIVIŠ,Střední prumyslová škola elektrotechnická, Mohelnice, Gen. Svobody 2 [online]. Mohelnice: 2006 < http://www.spsemoh.cz/vyuka/zel/vicevrstve.html >

[31] Wikipedie.[online]2009, č. 1, s. 1. < http://cs.wikipedia.org/wiki/>

[32] SLAWOMIR, Bloński . Institute of Fundamental Technological Research [online]. Varšava: 2001/ 19. září 2005

< http://fluid.ippt.gov.pl/sblonski/nanofibres.html >

Seznam příloh:

Příloha č. 1: Záznamu z A/D převodníku vyhodnocený v MATLABu

Příloha č. 2: Záznamu z A/D převodníku vyhodnocený v MATLABu podrobnější pohled

Příloha č. 3: Záznamu z A/D převodníku vyhodnocený v Openoffice