Kdosi se jednou zeptal kolegy, jaké je jeho povolání. Bez váhání odpověděl: „Jsem inženýr v oboru měření a regulace.“

„A co to je?“ zeptal se jeho protějšek.

„...Ach. Hmm ...“ „No, teď jsem v nesnázích,“ pomyslel si inženýr.

 

Co je měření a regulace?

Je poměrně snadné vysvětlit, čím se zabývá strojař, elektrotechnik, chemický nebo elektroinženýr, ale stručně popsat práci inženýra specializujícího se na měření a regulaci je něco úplně jiného.

Měření a regulace jsou interdisciplinární obory. Vyžadují znalosti chemie, mechaniky, elektřiny a magnetismu, elektroniky, mikrokontrolérů a mikroprocesorů, programovacích jazyků, řízení procesů a dalších oblastí, například principů pneumatiky a hydrauliky a komunikací.

Právě díky tomu jsou měření a regulace tak zajímavým a poučným oborem.

V tomto článku podám kompletní přehled základních principů měření a regulace (I & C), které se používají při fungování a provozu průmyslových závodů, například v ropném a plynárenském průmyslu, při výrobě celulózy a papíru, cukru, léčiv, potravin a chemikálií.

Nejprve se musíme zabývat tím, jak měřit. K tomu potřebujeme měřicí přístroj.

 

Co je měřicí přístroj?

Měřicí přístroj je zařízení schopné detekovat změnu, fyzikální či jinou, v konkrétním procesu. Tyto fyzikální změny pak převádí do určité podoby informací srozumitelných uživateli.

Uvažujme příklad na obrázku 1.

 

Obrázek 1. Příklad měřicího přístroje.

 

Když je spínač sepnutý, rezistor vytváří teplo, čímž zvyšuje teplotu kapaliny v nádrži. Toto zvýšení teploty zaznamená měřicí přístroj a zobrazí je na své stupnici.

Informace o fyzikálních změnách v procesu můžeme získat pomocí přímé indikace nebo záznamového zařízení.

 

Indikace

Toto je nejjednodušší forma měření; umožňuje nám zjistit aktuální stav proměnné.

 

Obrázek 2. Sledování proměnné pomocí jednoduchého vizuálního indikátoru.

 

Záznamové zařízení

Zařízení, které dokáže ukládat data, nám umožňuje sledovat aktuální stav proměnné i její chování v minulosti. Záznamové zařízení nám poskytuje historii proměnné.

 

Obrázek 3. Displej zobrazující, jak se měření v průběhu času změnila.

 

Součásti měřicího přístroje

Měřicí přístroje se skládají především z těchto částí:

• Senzor: Tento prvek je zařízení, jehož fyzikální vlastnosti se mění v důsledku změn v procesu, který měří.
• Zesilovač / kondicionér: Změny detekované snímačem mohou být velmi malé, proto je nutné je zesílit a následně upravit tak, aby mohly být správně zobrazeny.
• Displej: Naměřené údaje by měly být prezentovány srozumitelným způsobem. Toho lze dosáhnout pomocí stupnicového přístroje nebo elektronického displeje. Někdy displej navíc funguje jako zapisovač, který zobrazuje historii nebo trendy měření.

 

Obrázek 4. Prvky měřicího přístroje.

 

Informace o měření vytvořené přístrojem musí být obvykle odeslána do řídicího centra (nebo velínu), které se nachází ve fyzické vzdálenosti od přístroje. Obecně musí tyto informace odpovídat stanoveným specifikacím.

 

Obrázek 5. Informace o měření se odesílají z přístroje do velínu.

 

Pokud má přístroj schopnost odesílat informace, nazýváme jej převodníkem (často se zkracuje jako XMTR).

 

Klasifikace přístrojů

Měřicí přístroje se klasifikují různými způsoby. Můžeme je například rozdělit na přístroje instalované přímo v provozu a panelové přístroje. Přístroj instalovaný přímo v provozu se nachází v blízkosti procesu nebo místa měření. Pokud bude vystaven náročným podmínkám prostředí, musí být fyzicky odolný. Panelové přístroje se nacházejí v místnosti s kontrolovaným prostředím (často v čistém prostoru s klimatizací a regulovanou vlhkostí).

Dalším způsobem klasifikace je dělení na pneumatické a elektrické/elektronické přístroje.

 

Pneumatické přístroje

Jak název napovídá, jedná se o zařízení poháněná vzduchem.

Jednou z výhod těchto přístrojů je, že nespotřebovávají elektřinu, takže je lze používat v místech, kde by použití elektrické energie bylo nebezpečné nebo nepraktické. Pracují s jedinou proměnnou, jsou nepřesné, ovlivňují je vibrace a změny teploty a vyžadují náročnou údržbu. Výstupní signál převodníků je mezi 3 a 15 psi a maximální přenosová vzdálenost je přibližně 200 metrů.

 

Obrázek 6. Základní schéma pneumatického přístroje.

 

Elektrické / elektronické přístroje

Elektronické přístroje lze rozdělit do tří obecných kategorií: analogové, inteligentní analogové a digitální.

 

Analogová zařízení:

• Výstupní signál: 4–20 mA
• Přenosová vzdálenost: 1 200 m (typicky)
• Přenášejí se údaje pro jednu proměnnou
• Dobrá přesnost
• Snadná údržba

 

Obrázek 7. Základní schéma elektronického přístroje (XMTR).

 

"Chytrá" analogová zařízení:

• Charakterizace snímače jako zařízení pro měření teploty, statického tlaku atd.
• Vynikající přesnost
• Vlastní diagnostika (tj. snímač dokáže analyzovat problémy ve své vlastní funkci)
• Jedna veličina

 

Digitální zařízení:

• Více přístrojů může používat jeden kabel
• Přenos více hodnot pro každý přístroj (procesní veličiny, kalibrace, diagnostika, rozsah)
• Vzdálenost: přibližně 1 900 m bez opakovače
• Kapacitu dat ovlivňuje režim přenosu (kabel, optické vlákno, bezdrátový přenos)

 

Obrázek 8. Digitální převodníky.

 

Obecné specifikace snímačů

Rozsah: Oblast mezi mezemi, v níž se měří daná veličina. Určuje minimální a maximální hodnoty vymezující tuto oblast. Rozsah se vyjadřuje dvěma čísly, např. 10 až 20 °C, 10 až 150 V, 0 až 100 %

Rozpětí: Vypočítá se jako maximální hodnota rozsahu minus minimální hodnota rozsahu. Rozpětí se vyjadřuje jediným číslem v procesních jednotkách, např. 120 °C, 30 V, 150 litrů za sekundu.

Elevace: Je-li dolní mez rozsahu kladná, představuje tato dolní mez elevaci. Příklad: Je-li rozsah 50 °C až 200 °C, můžeme říci, že elevace je 50 °C neboli 33,3 % rozpětí.

Potlačení (také označované jako suprese): Je-li dolní mez rozsahu záporná, její absolutní hodnota představuje potlačení. Příklad: Je-li rozsah −10 °C až 80 °C, můžeme říci, že potlačení je 10 °C neboli 11,1 % rozpětí.

Překročení rozsahu: Je-li zařízení kalibrováno pro provoz v určitém rozsahu, ale může být vystaveno hodnotám nad nebo pod tímto rozsahem, vyžaduje ochranný mechanismus, který zabrání poškození přístroje nebo překročení horní či dolní meze indikátoru. Jsou-li naměřené hodnoty vyšší než maximální hodnota, jedná se o kladné překročení rozsahu. Jsou-li naměřené hodnoty nižší než minimální hodnota, jedná se o záporné překročení rozsahu.

 

Obrázek 9. Příklady rozsahu, rozpětí, elevace a potlačení.

 

Chyba: Rozdíl mezi naměřenou hodnotou a skutečnou (nebo očekávanou či požadovanou) hodnotou fyzikální veličiny. Chyba může být kladná nebo záporná. Je-li naměřená hodnota větší než skutečná hodnota, chyba je kladná. Je-li naměřená hodnota menší než skutečná hodnota, chyba je záporná.

                        Pokud je naměřená hodnota > skutečná hodnota, chyba > 0

                        Pokud je naměřená hodnota < skutečná hodnota, chyba < 0

Chybu lze vyjádřit

• v technických jednotkách (např. °C, psi)
• jako procento měřicího rozpětí (např. +/- 3 % měřicího rozpětí)
• jako procento měření (např. +/- 5 % měření)

Referenční hodnota: Obecně se jedná o skutečnou, očekávanou nebo požadovanou hodnotu veličiny. V kontextu zpětnovazebního řídicího systému se naměřená hodnota odečítá od referenční hodnoty za účelem vytvoření chybového signálu.

Přesnost: Číslo, které určuje meze chyby. Když řekneme, že přístroj má přesnost 0,1 % měřicího rozpětí, znamená to, že se naměřené hodnoty kdekoli v rámci rozsahu neliší od skutečné hodnoty o více než 0,1 % měřicího rozpětí.

 

Příklad měření procesu

Pro lepší pochopení výše uvedených konceptů zvažte následující příklad.

Máme nádrž s olejem, u které je nutné průběžně měřit teplotu. Provozní podmínky tohoto procesu jsou následující:

• Minimální teplota: -10 °C
• Maximální teplota: 90 °C
• Přesnost měření musí být 1 % měřicího rozpětí nebo lepší
• Naměřená teplota musí být zobrazována místně i na dálku

 

Obrázek 10. Náš příklad systému.

 

Nejprve musíme vybrat měřicí přístroj, který nám umožní měřit teplotu kapaliny v nádrži. Protože informace musí být k dispozici místně i na dálku, zvolíme teplotní převodník.

Tento převodník musí mít následující charakteristiky:

• Rozsah: -10 °C až 90 °C
• Měřicí rozpětí: 90 °C - (-10 °C) = 100 °C
• Potlačení nuly: 10 °C nebo 10 % měřicího rozpětí
• Přesnost: 1 % měřicího rozpětí = 1 % × 100 °C = 1 °C
  • Tato přesnost 1 % zajišťuje, že se při každém měření nebo odečtu teploty odchylka či chyba nepřekročí +/- 1 °C

Dále musíme zajistit správný vztah mezi rozsahem a standardizovaným výstupem převodníku. Abychom přístroj zkalibrovali, musíme přiřadit minimální hodnotu rozsahu (-10 °C) k minimální hodnotě výstupu (4 mA) a maximální hodnotu rozsahu (90 °C) k maximální hodnotě výstupu (20 mA).

 

Závěr

V tomto článku jsme se zabývali měřicími přístroji a základními koncepty měření v kontextu přístrojové techniky a řídicích systémů. Také jsme se podívali na jednoduchý příklad systému zahrnující topné těleso a přístroj, který dokáže shromažďovat a přenášet údaje o teplotě. V příštím článku se budeme věnovat čtyřem základním veličinám používaným v průmyslových aplikacích: průtoku, hladině, teplotě a tlaku. Probereme také různé senzory, jako jsou clonky, termočlánky a odporové teploměry (RTD), a seznámíme se s přístroji a převodníky používanými k měření těchto čtyř fyzikálních veličin.