Přihlásit | Registrovat
Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
TRILOBIT
Specifické technické prostředky řídicích a informačních systémů

Specifické technické prostředky řídicích a informačních systémů

František Hruška | 31. 5. 2010 20:20:50
Zařazení: Technika|Číslo 1/2010|Přehledová stať

František Hruška
Ústav elektroniky měření
Fakulta aplikované informatiky, Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně
e-mail:hruska@fai.utb.cz

Abstrakt: Technické prostředky řídicích a informačních systémů společně s programovacími prostředky vytváří základní pilíře systémů. Jejich rozvoj u nových řešení často vyžaduje volit specifické prostředky. Jsou to rekonstruované nebo modifikované standardní prostředky sériové výroby nebo prostředky nového výzkumu a vývoje. V podmínkách FAI UTB ve Zlíně je řešeno několik úkolů z oblasti specifických technických prostředků. V tomto příspěvku je publikován vedle obecné popisu přístupů k řešení jako první příklad výzkum a vývoj zařízení pro stanovování tepelné pohody člověka v interiéru.

Klíčová slova: řídicí a informační systém, technický prostředek, tepelná pohoda v interiéru, měření střední radiační teploty.

Abstract: Technical means — hardware of control and informatics systems and together software build some basic stones of systems. Its development ask for new solving and often specific hardware. They can be reconstructed or modified serial devices or new research and development. At the FAI there are solved several tasks in the field of specific hardware. In this paper there is presented a example of its access, the development and research of equipment for measurement and evaluation of index of thermal comfort.

Keywords: control and informatics system, technical mean-hardware, thermal comfort in interior, measurement of radiation temperature.

Úvod

Technické prostředky řídicích a informačních systémů (dále jen RIS) tvoří spolu s programovacími prostředky základ systémů. Jsou také významným oblastí studia ve studijních oborech na všech vysokých školách.

Struktura technických prostředků podle pojetí autora je tvořena zařízeními pro měření technických veličin, pro snímání údajů, technikou centrálních jednotek a u řídicích systémů prostředky pro ovládání (Hruška, 2007). Blokové schéma členění technických prostředků je na obr. 1

Obr.1 Blokové schéma členění technických prostředků (M- měření, S-snímání údajů, FC — sálové počítače, PC-personální počítače, IPC-průmyslové personální počítače, PLC-programovatelné automaty, PCC-programovatelné výpočetní automat, Embedded-zabudovatelné centrální jednotky, Controller-jednotky regulátorů, Informace-zařízení pro výstup informací, Tok elektro-ovládání toku elektrické energie, Tok tekutin —ovládání toku tekutin, Pohyb předmětů-ovládání pohybu pevných těles, předmětů)

Systémy řízení a informatiky realizují své funkce podle měřených parametrů nebo podle snímaných údajů. Měření a nebo získávání informací umožňují technické prostředky měřicích obvodů a nebo zařízení pro snímání informací. Vytváří zpravidla vstupní vazbu mezi částmi subjektu a systému. Systémy pro různé aplikace nejčastěji používají měření některých ze základních druhů technologických veličin: teplotu, průtok a množství, tlakové veličiny, výšku hladiny, dráhu a prodloužení, čas, rychlost, otáčení, hmotnost, sílu, složení a vlastnosti látek, výkon a práci, počet kusů, parametry elektrického proudu, povrchová kvalita ap. Zařízení pro snímání dat zajišťují získávání uceleného bloků údajů a dat, jako je např. při čtení čárových kódů, magnetických a čipových karet, prvků RFID, u aplikace biometrických systémů, snímání listin a dokumentů atd.

Centrální jednotky zajišťují zpracování signálů a dat podle požadavků a funkcí RIS. Jedná se o tyto hlavní kategorie vyhodnocení:regulace technických parametrů, řízení a ovládání, signalizace limitních stavů. Podle těchto kategorii jsou popsány technické prostředky centrálních jednotek jako sálové počítače pro velké výpočetní střediska, personální počítače pro osobní potřebu, průmyslové jednotky typu průmyslového personálního počítače, programovatelného automatu, výpočetního automatu, malá zařízení embedded pro zabudování do strojů a zařízení a kompaktní regulátory.

Pro funkce výstupů jsou používána zařízení pro výstup informací (tisk, monitorování, archivace, přenos), pro ovládání toku elektrické energie ( výkon, elektrické parametry, otáčení elektromotorů, lineární pohyb servomotorů), pro ovládání toku tekutin (průtoku kapalin a plynů v potrubí — čerpadla, ventily, výšky hladiny kapalin, objemů zásobníků plynů) a pro ovládání pohybů předmětů a těles (výrobní pásy, dopravní pásy, balicí linky, robotická a mechanizovaná zařízení ).

Pro většinu technických prostředků existuje jejich bohatá nabídka od výrobců. Konkurence a výsledky výzkumu a vývoje zajišťují jejich dostatečný kvantitu a kvalitu. V některých případech se vyskytují požadavky, které nelze zajistit z nabídky těchto sériově vyráběných prostředků. Příčinou je například zcela nový požadavek, specifické podmínky vnitřního nebo vnějšího prostředí, rozsah, přesnost měření nebo další statické a dynamické parametry. V těchto případech se musí buď sériové zařízení upravit, změnit vnitřní řešení nebo konstrukce, nahradit stávající část novou částí sestavy nebo musí se provádět zcela nový vývoj a související aplikovaný výzkum. V následující části příspěvku je presentováno zcela nové technické řešení problému vyhodnocení tepelné pohody člověka v interiéru.

Definice tepelné pohody

Tepelná pohoda člověka obecně je ve vnitřním prostředí určena sdílením uvolňované vnitřní tepelné energie odpovídající jeho fyzické aktivitě, oblečení a parametrům prostředí, především teploty vzduchu, střední radiační teploty okolních sálavých ploch, vlhkosti vzduchu a jeho proudění. (Hruška,2000, 2001a).

Pohled na tuto fyzikální podstatu je pojat různými autory různě. V současné době jsou to hlavně dva směry: více fyziologicky zaměřený na organismus člověka a více technický a termodynamický.

Teplota těla je důležitá pro správnou činnost organismu. Její správná hodnota je ovlivněna změnami ve vnějším prostředí, metabolismem a fyzickou aktivitou jedince. Člověk je homoiotherm, tj. dokáže udržet relativně konstantní tělesnou teplotu i při značně proměnlivém okolním prostředí. Pro optimální pocit tepelné pohody je ale nutné vytvořit rovnováhu mezi teplem produkovaným v těle podle matabolismu a aktivity a přebytečným teplem odváděným z těla.

Moderním a uznávaným způsobem je hodnocení pomocí 3 ukazatelů PMV, PPD, DR podle Fangera (dále jen model PMV). Tato metoda je normalizována (ČSN 1996) a je zvolena pro řešení problému komfortu tepelné pohody na našem pracovišti .

Základním ukazatelem komfortu je hodnota PMV (predicted mean vote —střední tepelný pocit). Výpočet je přesně definovaný matematicky a lze jej z měřených hodnot (teplota vzduchu, střední radiační teplota, rychlost proudění vzduchu a jeho vlhkost) a stanovených hodnot (tělesná aktivita, oděv) vyhodnotit. Ukazatel PMV byl stanoven pomocí statistického vyhodnocení výsledků výzkumu vlastního tepelného pocitu pro více jak 1300 subjektů vůči jejich termoregulačnímu systému těla. Ukazatel PMV má hodnotu 0, je-li komfortní prostředí, hodnotu 0 až -3, je-li chladno a 0 až +3 jeli teplo. Použití ukazatele PMV umožňuje také ověřování daného prostředí, zda odpovídá kriteriím tepelné pohody. Pro stanovenou hodnotu PMV=0 lze provádět optimalizační výpočty pro kombinace činností, druhů oděvů a parametrů prostředí.

Další ukazatel PPD (predicted percenttage of dissatisfied) — předpověď procentuálního podílu nespokojených se odvozuje z parametru PMV (ČSN 1996). Ukazatel PMV předpovídá střední hodnotu posuzování tepelného pocitu u velké skupiny lidí. Tento ukazatel dává kvantitativní předpověď poměrného počtu lidí, kteří budou nespokojeni s hodnocením mikroklimatu.

Třetí ukazatel se týká vlivů průvanu a proudění vzduchu v místnosti. Průvan je pohyb vzduchu kolem těla, který způsobuje nežádoucí ochlazování na určitých místech těla. Obtěžování průvanem lze vyjádřit podílem lidí v %, u kterých se předpovídá pocit obtěžování průvanem.

Měření fyzikálních veličin prostředí

Pro stanovení tepelné pohody člověka v prostředí nutná znalost určitých fyzikálních veličin. Základní fyzikální veličiny podle (ČSN, 1966) charakterizují jednotlivé složky prostředí nezávisle na sobě. K základním měřeným veličinám patří:

  • teplota vzduchu (Ta v kelvinech nebo ta v °C) — určuje vedle intenzity pohybu člověka a rychlosti proudění vzduchu tepelný tok konvekcí
  • střední radiační teplota a asymetrie radiační teploty (Tr v kelvinech nebo tr a tar v °C) — určuje tepelný tok radiací
  • absolutní vlhkost vzduchu (pa parciální tlak vodní páry ve vzduchu v kPa) — určuje tepelný tok při odpařování pokožkou a dýcháním
  • rychlost vzduchu (va v m/s)- ovlivňuje tepelný tok konvekcí a odpařování potu.

Další základní veličiny podle (ČSN, 1966), které jsou přebírány z tabulek, jsou:

  • tepelný odpor oděvu (Icl) — ovlivňuje tepelný odpor radiací, tepelný odpor konvekcí a tepelné ztráty odpařováním
  • odpařovací odpor oděvu (Rcl) - ovlivňuje tepelné ztráty odpařováním
  • energetický výdej nebo metabolismus (M) — určuje intenzitu tepelného toku z těla člověka
  • užitečná vnější práce (W).

Pro měření základních veličin: teploty vzduchu v interiéru, jeho vlhkosti a z velké části jeho proudění je realizovatelné standardními technickými prostředky. Z nabídky sériové výroby lze zvolit přístroje, které vyhovují jak z pohledu nejistot v měření, tak i dalších statických i dynamických parametrů.

Měření střední radiační teploty

Střední radiační teplota Tr (dále jen SRT) je v  (ČSN, 1993) pro stanovení tepelné pohody v prostředí definována jako rovnoměrná teplota virtuálního vymezeného prostoru, ve kterém se přenos radiačního tepla z lidského těla rovná přenosu radiačního tepla ve skutečném nerovnoměrném prostoru. Technické prostředky musí umět integrovat celkovou nerovnoměrnou radiaci z povrchu okolních stěn do hodnoty střední radiační teploty. V (ČSN, 1993) jsou uvedeny další parametry a požadavky.

V normě (ČSN, 1993) jsou také uvedené některé metody, které splňují požadované parametry jen částečně a celkově jsou tyto požadavky pro dnešní i nejbližší budoucí období nevyhovující. V rámci výzkumu tohoto problému bylo provedeno podrobné ověření zařízení pro měření parametrů prostředí pomocí kulového teploměru sestrojeného podle normy (ČSN, 1993), který je v praxi používán především z důvodu, že jiné řešení není k dispozici. Výsledky jeho ověřování jsou popsány v samostatné kapitole.

Pro realizace měřicího obvodu pro měření střední radiační teploty ve smyslu tepelné pohody s požadavky odpovídají dnešními stavu měřicí techniky a metod měření není v nabídce výrobců možné najít plně vyhovující zařízení. Pro měření střední radiační teploty pro vyhodnocování tepelné pohody člověka v prostředí byl proto proveden výzkum a vývoj vhodné metody integrovaného měření a vyhodnocování. Pro měření střední radiační teploty byla studována a řešena daná problematika po částech jako:

  • aspekty elektromagnetického záření v prostoru obecně
  • určení střední radiační teploty a asymetrie radiační teploty v prostoru
  • senzory pro snímání elektromagnetického záření
  • geometrické podmínky snímání tepelného záření v prostoru.

Při hledání řešení pro měření STR byl dán velký význam volbě senzorů elektromagnetického záření pro teploty povrchu těles kolem 0°C až 50°C. Senzory, tj. elementy pro snímání energie elektromagnetického záření pro oblast 1až 15 mm vlnové délky (dále jen záření) jsou v současné době nabízeny v rozsáhlém sortimentu. Naše volba byla orientována na senzory s termoelektrickým principem v polovodičovém provedení (Perkin,2000), tj. thermopile z  důvodů:

  • možnost funkce snímání záření při běžných teplotách, protože není nutné chlazení
  • podle rozsahu měření je dosažitelná nejistota v měření 1 K, pro speciální vyhodnocení až 0,1 K
  • možnost použití senzoru pro elektromagnetické záření v rozsahu vlnové délky od 1 mm do 15 mm
  • relativně nízká cena senzoru.

Analýza kulového teploměru

Černý kulový teploměr je uveden v (ČSN,1993) jako vhodné měřicí zařízení. Jedná se o zařízení dosud používané, které dává informaci o vedlejší veličině o prostředí, tzv. globe nebo operativní teplotu. Norma uvádí požadavky a doporučení. Experimentální ověření měření pomocí kulového teploměru sestrojeného podle normy (ČSN,1993) jsme provedli na našem pracovišti s cílem poznat skutečné parametry.

Černý kulový teploměr podle (ČSN,1993) je tvořen (viz obr.2) kovovou koulí s černým povrchem (1) a teplotním senzorem (2) ve středu koule. Standardní průměr koule je doporučen normou na hodnotu 15 cm. Průměr má vliv na citlivost a nejistoty měření. Povrch koule musí být ztmavěn; používá se buď elektrochemický povlak nebo obvykleji matný černý nátěr.

Na kouli působí teplo z konvekčního přenosu tepla z okolí (3 na obr.2) a z radiačního přenosu tepla (4 na obr.1). Metoda měření předpokládá ustálený stav, tj. tepelnou rovnováhu mezi přenosem radiací a konvekcí. Podle (ČSN,1993) se předpokládá, že senzor uprostřed koule měří střední teplotu koule. Předpokládá se, že teplota vnitřního povrchu tenkého vnějšího obalu koule a teplota vzduchu vně koule se neliší od střední teploty mezní vrstvy na vnějším povrchu koule. Dále se předpokládá, že teplota koule a senzoru uprostřed jsou si rovny. Za těchto předpokladů se ustálí tepelná rovnováha mezi přenosem tepla radiací a konvekcí.

V (ČSN,1993) se současně uvádí negativní vlivy a doporučující opatření pro měření, aby se zajistila co největší přesnost. Mezi negativní vlivy ovlivňující měření patří:

  • rychlost proudění, tj. změny součinitele přestupu tepla prouděním- hcg,
  • absorbidita u elektromagnetického záření ve viditelné  oblasti
  • emisivita povrchu koule,
  • velká časová konstanta snímače
  • dynamické změny sálavé složky elektromagnetického záření okolí
  • tvar kulového teploměru, který neodpovídá tvaru lidského těla (místo koule by lépe vyhovoval elipsoid).
  • Požadavky dané v (ČSN,1993) a hodnoty parametrů získaných z experimentu jsme se rozhodli ověřit a posoudit také pomocí simulace v programovém systému FEMLAB. Tento programový nástroj umožní řešit stacionární i nestacionární fyzikální děje popsané parciálními diferenciálními rovnicemi, jako např. přenos tepla, elektromagnetizmus, struktury mechanických systémů. Pohled na rozložení teplot na povrchu je na obr. 3.

Obr.2 Schéma černého kulového teploměru

Simulační prostředí FEMLAB bylo využito při analýze funkce měření radiační respektive globe teploty pomocí kulového teploměru. Připravili jsme úlohu pro kulový teploměr sestavený podle ČSN, tj. povrch kov (Cu), vnitřní prostor vzduch, uprostřed koule senzor teploty, průměr koule 0.15 m.

Byly použity konstanty:

  • hcg součinitel přestupu tepla konvekcí s hodnotami 1, 5, 25 a 100 (W/m2/K)
  • sb Stefan-Boltzmannova konstanta 5,68*10-8 (W/ m2/K4)
  • e součinitel emisivity 0.9 (-)
  • Ta teploty vzduchu okolí 293 (K)
  • Tr střední radiační teplota 283, 293, 350, 373 (K)
  • rk měrná hustota kovu obalu tělesa koule 5800 (kg/m3)
  • lk tepelná vodivost materiálu kovu koule 372 (W/m2/K)
  • nbsp;s tloušťka materiálu kovu koule 0.001 (m)
  • ck tepelná kapacita materiálu kovu koule 383 (J/kg/K)
  •  rv měrná hustota vzduchu uvnitř obalu tělesa koule 1,29 (kg/m3)
  • lv tepelná vodivost vzduchu uvnitř obalu tělesa koule 0,024 (W/m2/K)
  • cv tepelná kapacita vzduchu uvnitř obalu tělesa koule 1006 (J/kg/K).

 


Obr. 3 Rozložení teplo na povrchu kulového teploměru v 3-D podle Matlab_Femlab

Série pokusů byla provedena v tří a dvourozměrné rozměrové grafice pro různé parametry. Koule o průměru 0.150 m byla umístěna do prostoru (x, y ,z ) se středem o souřadnicích (0,0,0). Simulace byly provedeny ve statickém i dynamickém režimu s tím, že byla sledována pro dané podmínky teplota na řezu a ve středu koule při změnách: ozáření poloviny kulového teploměru tělesem o teplotě od 283 do 373 K a součinitele přestupu tepla konvekcí s hodnotami 1, 5, 25 a 100 (W/m2/K).

Výsledky dosažené simulací potvrzují, že černý kulový teploměr nevyhovuje především pro velkou časovou konstantu a velkou citlivost na vnější rušivé vlivy. Jsou zveřejněny v (Hruška, 2001c, 2005a, 2005b).

Při experimentu bylo dosaženo těchto výsledků:

  • časová konstanta odezvy na změnu toku energie elektromagnetického záření byla až 500 s
  • dopravní zpoždění bylo stanoveno na hodnotu 100 sekund
  • měřená veličina není jen střední radiační teplota, ale tzv. operativní (globe) teplota ovlivňována také teplotou vzduchu v prostředí
  • výstupní signál byl výrazně ovlivňován prouděním vzduchu v místnosti měření.

Návrh pětikanálového snímače

Description: hlavice%20na%20thermopily

Obr.4 Fotografie hlavice pětikanálového snímače

Podle výsledků analýz byl zahájen výzkum a vývoj měření SRT (Hruška 2001b, 2003a). První variantou řešení snímače SRT je návrh pětikanálového zařízení. (Hruška,2001a, 2005c). Cílem je především ověřit v reálné situaci výsledky teoretických řešení.

Description: Celkové%20zapojení%20-%20malý%20obvod

Obr.5 Schéma zapojení obvodů jednoho kanálu pro vyhodnocování senzorů u pětikanálového snímače

Návrh využívá vlastností senzorů thermopile, typ TPS 333. Má velký zorný úhel snímání. Při úhlu 45 °dosahuje 50 % hodnot signálu. Proto konstrukce snímače používá v poloprostoru 5 senzorů posunutých ve dvou rovinách o úhel 90 °. Takto se dosahuje snímání v rozsahu úhlu 180 ° , tj, v poloprostoru při plném 100% signálu. Senzory jsou umístěny do půlkulové hlavice podle fotografie obr. 4.

Záření z vnějšího poloprostoru prostupuje na aktivní plochy senzorů thermopile. Každý senzor je napojen na elektronické vyhodnocovací obvody. Tyto obvody obsahují 5 kanálů obvodů pro každý senzor. Celkové schéma je na obr. 5.

Ověřování prototypu snímače SRT

Součástí výzkumu a vývoje zařízení pro měření SRT je i řešení systému jeho ověřování a kalibrace. Jedná se složitý komplex teoretických i praktických problémů zajišťující zdroj elektromagnetického záření v dané oblasti vlnových délek s možností nastavení žádané intenzity záření nebo teploty povrchu tělesa a metodiku ověřování a vyhodnocování výsledků ověřování.

Byla provedena vlastní konstrukce plošného kalibračního tělesa, jeho zhotovení a bylo provedeno základní měření jeho funkce a vyhodnocení parametrů. Následně bylo provedeno ověření vyvíjeného jednokanálového a pětikanálového snímače SRT na tomto kalibračním zařízení.

Plošné kalibrační černé těleso (dále jen PČT) a jeho související řídicí systém byl navržen podle obr. 6. Vlastní těleso je tvořeno plochou vyhřívanou plotýnkou (1) s vyhřívací spirálou (2) s dostatečným příkonem na napětí 230 V. Povrch má vysoký součinitel emisivity. Těleso bylo doplněno dotykovým senzorem Pt100 (3) pro vysoké teploty až do 600 °C. Boční a zadní strana obsahuje tepelnou izolaci (4).

Obr.6 Schéma plošného kalibračního černého tělesa

Pro zajištění požadované přesnosti byly voleny všechny prvky a jejich instalace s malými nejistotami v měření, které mohou ovlivnit celkovou přesnost. Plošné kalibrační těleso je modelováno také v prostředí Matlab-Femlab. Ukázka je na obr. 7.

Ověřovací systém byl navržen podle obr.8. Jedná se o testovací poloprostor vytvořený stěnami:

  • sever S s členěním na 4 dílčí stěny S1, S2, S3, S4
  • východ V s členěním na 2 dílčí stěny V1, V2
  • strop U s členěním na 2 dílčí stěny U1, U2
  • západ Z s členěním na 2 dílčí stěny Z1, Z2
  • podlaha P s členěním na 2 dílčí stěny P1, P2.

 


Obr. 7 Rozložení teplot na plochém kalibrační těleso

Obr.8 Ověřovací poloprostor pětikanálového snímače SRT

Rozměry místnosti jsou X, Y a Z se středem v bodu vytvořeného stěnami S, Z, P. Zařízení pětikanálového snímače Ss je umístěno ve vzdálenosti x od stěny S, y od stěny Z a z nad podlahou P. Do polohy y-z na stěně S je umístěn zdroj elektromagnetického záření kalibrační PČT.

Ověřování bylo provedeno vyhodnocením měření záření poloprostoru dopadající na senzory pětikanálového snímače a výsledků výpočtů podle geometrie záření v prostoru. Podrobnosti měření, parametry zařízení, naměřená data a vyhodnocení je provedeno zejména v (Hruška, 2001a, 2002).

Celkové vyhodnocení měřených dat pro posouzení a ověření pětikanálového snímače se týkalo rozdílů hodnot střední radiační teploty určené podle naměřených hodnot výstupů elektroniky snímače a hodnot střední radiační teploty vypočtené podle fyzikálních zákonů pro elektromagnetické záření a geometrie záření v prostoru (Hruška,2005b). Výsledkem je závěr:

  • střední hodnota rozdílů je -0,5 °C
  • maximální rozdíl je +0,2°C a minimální rozdíl je -1°C
  • směrodatná odchylka je 0,31°C.

Tyto výsledky ověřování pětikanálového snímače potvrdily, že měření střední radiační teploty prototypem snímače a použitou metodou vyhodnocování dávají výsledky blížící se hodnotám uvedeným v zadání práce. Odchylky především u hodnoty minima mají příčiny:

  • Největší podíl na vzniku chyb při prováděných měřeních má skutečnost, že dochází ke vzniku odrazů záření z PČT na stěnách poloprostoru.
  • Další příčinou vzniku chyb je určení hodnoty emisivity stěny prostoru, která byla odhadnuta podle tabulkových hodnot pro podobné materiály.
  • Další podíl na vzniku chyb má samotné PČT, které nemělo provedené změny podle výsledků jeho ověřování.

Ověřovaný prototyp je navržen pro prostorové měření s použitím pěti senzorů. I při použití senzorů s velkým snímacím úhlem jsou v měřeném prostoru místa, která nejsou vůbec nebo jen částečně měřena. Výše uvedené testování a ověřování bylo připraveno pouze pro změny toku elektromagnetického záření pouze v jedné ose prostoru, ze strany stěny S.

Řešení v dalším období po r. 2009 se bude proto týkat vývoje a návrhu měřicího zařízení SRT v prostorů s komplexním měřením. V současné době jsou navrženy směry řešení:

  • Bezrotační systém s jedním senzorem a optickým systémem pro kuželové snímání z prostoru.
  • Rotační systém s jedním senzorem a optickým systémem pro rovinné snímání z prostoru.
  • Bezrotační systém s pěti senzory a optickým systémem pro kombinované kuželové a rovinné snímání z prostoru.

Návrh měřicího zařízení

Pro vyhodnocení indexů tepelné pohody z naměřených hodnot a zadaných údajů podle zásad tepelné pohody normy (ČSN, 1993, 1996) je nutné vyvíjet měřicí zařízení. Blokové schéma vyhodnocování je na obr. 9.

Obr.9 Blokové schéma vyhodnocovací jednotky ukazatelů tepelné pohodyText Box: .

Fyzikální parametry prostředí ta, tr, pa, va naměřené odpovídajícími technickými prostředky vytváří jednu skupinu vstupů tohoto zařízení. Hodnota metabolického tepla Mw produkovaného v organismu člověka je konstantou stanovenou podle pracovní aktivity. Další vstupní hodnotou je údaj tepelného odporu oděvu člověka Ic. Tato hodnota je dána druhem oděvu buď předepsaným nebo obvyklým pro konkrétní aktivitu člověka. Výstupem vyhodnocovací jednotky je jednak hodnota „rozd“ určená pro regulaci a řízení (Hruška,2003b) a údaje indexů PMV- střední tepelný pocit, PPD-předpověď podílu nespokojených a údaj DR-stupeň obtěžování průvanem vhodné pro její hodnocení.

Výstupní signály vyhodnocovací jednotky mohou sloužit pro napojení jednotky podsystému regulace a řízení, která je součástí systému automatizace techniky prostředí podle tepelné pohody popsané dále nebo jako výstup informací pro hodnocení tepelné pohody člověka v prostředí.

Pro výpočet veličiny rozd a ukazatelů PMV , PPD a DR popsaných matematickým modelem TPA a modelem PMV je v rámci této práce sestaven jednak výpočtový program v jazyku Visual Basic pro prostředí EXCEL, jednak byl sestaven model v prostředí MATLAB a SIMULINK (viz obr. 10).

Vliv fyzikálních parametrů prostředí na tepelnou pohodu člověka je vyhodnocena v bloku prací o citlivostní analýze. Vliv teploty okolního vzduchu prostředí Ta a teploty okolních stěn jako střední radiační teplota Tr byl analyzován pro konkrétní fyzickou aktivitu (2 met), oblečení člověka (1 clo), rychlost proudění (1 m/s) a vlhkost vzduchu (40% rel.vlhkosti). Tyto výsledky poukazují na oblast možných změn těchto parametrů při zachování PMV=0.

Vliv rychlosti proudění vzduchu v prostředí na hodnotu PMV je sledován pro obdobné hodnoty aktivity a oblečení člověka a pro běžné hodnoty teploty vzduchu a radiační teplotu a vlhkosti vzduchu s vyznačením teplota vzduchu/teplota radiační/vlhkost vzduchu jako poměr Ta/Tr/pa.


Obr. 11 Model TPA v prostředí MATLAB SIMULINK.

Vedle tohoto přístupu využívající modelové řešení je připravováno řešení s použitím specifické jednotky s embedded mikrokontrolerem.(Hruška,2003c, 2004). Jedná se o řešení výzkumu a vývoje pro technické prostředky.

Závěr

Řešení uvedené v předchozí části je součástí výzkumu a vývoje specifických technických prostředků určených pro stanovení indexů tepelné pohody člověka. Jsou popsány základní problémy spojené s řešením. Bylo provedeno:

  • Stanovení koncepce řešení a typu matematického popisu problematiky
  • Podrobný rozbor současného stavu měření parametrů prostředí interiérů ovlivňující tepelnou pohodu se zaměřením na specifické měření střední radiační teploty
  • Rozpracování aplikované teorie elektromagnetického záření se zaměřením na geometrii záření v prostoru interiérů
  • Volba senzoru na principu thermopile pro snímání elektromagnetického záření a měření SRT
  • Vývoj prototypu snímače pro měření elektromagnetického záření z prostoru
  • Vývoj ověřovacího a kalibračního zařízení pro snímače záření z prostoru
  • Provedení ověření prototypů snímačů

Výsledky potvrzují správnost zvoleného směru řešení i s uvedenými omezeními. Ukazují i na možnost dokončit řešení v následující etapě po r. 2010. Jednat se bude o:

  • Pokračování řešení snímače pro plné snímání elektromagnetického záření v prostoru bez míst bez snímání nebo s omezeným snímáním.
  • Vývoj HW a SW pro vyhodnocovací zařízení tepelné polohy člověka v interiéru.

Literatura

  • Fanger, P.,O. (1970) Thermal Comfort. New York: Mc-Graw-Hill Book Company, 1970. 224 s.
  • ČSN ISO 7726. (1993) Tepelné prostředí. Přístroje a metody měření fyzikálních veličin. Praha: český normalizační institut, 1993.
  • ČSN EN ISO 7730. (1996) Mírné tepelné prostředí- Stanovení ukazatelů PMV a PPD. Praha: český normalizační institut, 1996.
  • Perkin Elmer: THERMOPILE Sensors. (2000) Firemní materiál PerkinElmer, Heimann Opto. Wiesbaden, 2000.
  • HRUŠKA,F. (2000) New Approach for the Thermal Comfort Management of a Man. In Proccedings the 11th International DAAAM Symposium, Opatija, Croatia, 2000, s.191-192. ISBN 3-901509-13-5.
  • HRUŠKA, F. (2001,a) Automatizace techniky prostředí podle tepelné pohody člověka. Doktorská disertační práce. Zlín: Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, květen 2001, 97 s.
  • HRUŠKA,F. (2001,b) Measurement of Physical Values of the Thermal Comfort. In: Proceedings of INTERNATIONAL CARPATHIAN CONFERENCE, Krynica, Polane, 2001, s. 479-484. ISBN 8391340-07-4. MSM 281100001: GAČR 101/01/0345.
  • HRUŠKA,F. (2001,c) Modelování tepelné pohody v prostředí MATLAB. In: Sborník příspěvků 9. ročníku konference MATLAB 2001, s. 103-105. ISBN 80-7080-446-7. Praha: Humusoft Praha. 2001. MSM 281100001: GAČR 101/01/0345
  • HRUŠKA,F. (2002) Calibration of Measuring device for medium Radiant Temperature. In: Proceedings of the 13th International DAAAM Symposium, pp. 217-218. ISBN 3-901509-29-1. Vienna, Austria: DAAAM International Vienna, 23.-26.10.2002.
  • HRUŠKA,F. (2003,a) Bezdotykové měření střední radiační teploty. AUTOMA, 2003, č.1, s. 36-39. Praha: FCC Public, 2003. ISSN 1210-9592.
  • HRUŠKA,F. (2003,b) Regulace parametrů prostředí podle indexů tepelné pohody člověka. VVI Vytápění, větrání, instalace, 2003, č.1, s. 46-49. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 1997. ISSN 1210-1389
  • ;HRUŠKA,F. (2004) Řízení parametrů prostředí podle tepelné pohody. In: Konference Inteligentní budovy. Brno, 21.4.2004. Brno: GITY, a.s., 2004. CD-ROM
  • HRUŠKA,F. (2005,a) Analysis of black spherical temperature. In: Proceedings of the 6th International Carpathian Control Conference, Vol.II., pp. 123-128. ISBN 963 661 645 0. Miskolc, Hungary, 24-27.5.2005.
  • HRUŠKA,F. (2005,b) Uncertainty of measurement of globe thermometer. In: Proceedings of the 15th International Conference on Process Control, pp. 166. ISBN 80-227-2235-9. Štrbské Pleso, High Tatras, Slovak Republic, 7-10.6.2005.
  • HRUŠKA,F. (2005,c) Měření střední radiační teploty pro stanovení indexů tepelné pohody. Teze habilitační práce. Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, FT, leden 2005.
  • HRUŠKA,F. (2007) Technické prostředky informatiky a automatizace. Učební texty. 1.vyd. Zlín: UTB ve Zlíně, duben 2007, s.193. ISBN 978-80-7318-535-0

Odborný vědecký časopis Trilobit | © 2009 - 2017 Fakulta aplikované informatiky UTB ve Zlíně | ISSN 1804-1795