Značné povzbuzení rozvoje měřicí
techniky mechanických veličin
už v 60. letech minulého století
souvisí se stavbou prvních zkušeben
dynamické pevnosti. V těchto
zkušebnách bylo elektrohydraulickými
systémy simulováno dynamické
zatěžování zkoumaných
objektů především mechanických
konstrukcí letadel a automobilů,
později i dalších strojů. Při simulovaném
zatěžování byly na vybraných
místech zkoumaných objektů
měřeny mechanické deformace
kovovými tenzometry a výchylky
mechanického kmitání objektu
senzory parametrů mechanického
kmitání. Vznikl tak základní předpoklad
pro dimenzování v provozu
zatěžovaných strojů koincidencí
výpočtů a experimentů.
LETECKÝ PRŮMYSL URČUJE JAK
DÁL V MĚŘICÍ TECHNICE
PRO STROJÍRENSTVÍ
Vskutku letecký průmysl určuje
pokrok a trendy měřicí techniky ve
strojírenství (mimo jiné i v medicíně
a v dalších oborech) a důležitost jejího
významu v procesech výzkumu
a vývoje. Například: ke zkoumání
mechanické pevnosti a spolehlivosti
mechanické konstrukce velkého
dopravního letadla (s nalepenými
i více než 10 000 kovovými tenzometry)
byly vyvinuty rozsáhlé zkušební
systémy simulující v laboratoři
jeho zatížení za letu, realizované
až stem zatěžovacích přímočarých
hydromotorů, programově řízených
centrální elektronikou s výkonnými
počítači. Měřicí signály z tenzometrů
jsou vyhodnocovány dalšími počítači.
Konstruktéři tak získávají dostatečný
přehled o velikosti mechanických
namáhání ve všech kritických
místech leteckých konstrukcí, které
dimenzují s přesvědčením, že havárie
je vyloučena.
Nejen pro letecký výzkum, ale i pro
výzkum v automobilovém průmyslu
má význam měření v aerodynamickém
tunelu, kde v toku proudícího
vzduchu měří šestikomponentní
tenzometrické váhy síly a momenty
působící na modely či reálné automobily.
Cílem měření je optimalizovat
obtékání a tedy i spotřebu energie
automobilů a stabilitu jejich pohybu.
Velmi náročná měření provázejí
výzkum moderních pohonných jednotek
letadel. Například při provozních
otáčkách jejich motorů (30 až 40
000 ot.min-1) jsou speciálními tenzometry
měřeny způsoby kmitání lopatek
a termočlánky gradient teploty od
konce lopatky až k jejímu vetknutí.
Přenos měřicích signálů z rotujících
částí na pevný bod se děje např.
rtuťovými kroužky.
Aktuální využití měřicí techniky ve
speciálním oboru představují i tzv.
černé skříňky (konstruované tak,
aby zůstalo neporušeno jejich vnitřní
zařízení po haváriích), instalované ve
všech dopravních a v některých dalších
letadlech. Na magnetickém pásku
jsou zaznamenávány elektrické
signály vybraných senzorů. Pokud by
letadlo havarovalo, vydají zaznamenané
měřicí signály senzorů svědectví
o teplotách změřených v různých
místech letadla, o výšce, rychlosti
a směru letu, o mechanickém namáhání
a vibracích vybraných součástí
letadla, o otáčkách motoru, které bezprostředně
havárii předcházely, což
umožní stanovit její pravděpodobnou
příčinu.
Zkušenosti s měřením mechanických
namáhání leteckých konstrukcí
byly tvůrčím způsobem aplikovány
v automobilovém průmyslu, ve
vojenské technice, na kolejových
vozidlech a u zemních a zemědělských
strojů. Dalších aplikací měřicí
techniky z letectví je více i v jiných
oborech.
INTELIGENTNÍ SENZORY
Měřicí technika ve strojírenství
nabývá v posledních přibližně 20
letech rychle na významu. Senzory
mechanických veličin v přímém spojení
s mikroelektronikou a s počítači
mají informační funkce zhodnocovány
softwarem. Tyto tzv. inteligentní
senzory představují klíčovou technologii
pro často nové, velmi efektivní
funkce inteligentních výrobků v různých
oblastech průmyslu, ve vědě
a výzkumu. Inteligentní chování senzorů
umožňuje výrobkům jejich programovatelnost
a autoregulaci.
Inteligentní senzory obsahují
např. procesor, paměti s uloženými
aktuálními daty pro ovládání vnějších
funkcí, analogo-číslicové převodníky
zajišťující digitální výstup
měřicího signálu atd. Různé funkce
senzorů mohou být realizovány programově
pomocí softwaru řídicího
počítače. Korekce vlivu teploty, případně
rozšířená linearizace závislosti
měřená veličina - elektrický
signál je s využitím mikroelektroniky
mnohem účinnější než s využitím
pasivních prvků.
Přesnost měření je zvyšována
doplňováním měřicího signálu kalibračními
signály přímo ze senzoru,
které eliminují působení parazitních
vlivů na měřicí signál. Spolehlivost
měření je podstatně zvýšena zdvojením
měřicích obvodů v senzoru.
Počátek měřicího rozsahu lze nastavovat.
Senzory mohou při dosažení
předem stanovených hodnot měřené
veličiny vysílat varovné či řídicí
signály, sečítat překročení dálkově
stanovených mezí měřicích signálů
atd. Mohou ohlásit poškození svého
měřicího obvodu.
Cena inteligentních senzorů vysoko
překračuje cenu těch jednoduchých.
Jejich funkce je zpravidla významná
pro předcházení poruch velmi nákladných
objektů, jsou součástí procesů,
jejichž selhání by ohrozilo lidské
životy. Právě inteligentní senzory
mechanických veličin optimalizují
funkci automobilového či leteckého
motoru. Jejich spolehlivost a vysoká
přesnost umožňují využívat tyto senzory
v náročné diagnostice různých
i velmi rozsáhlých systémů.
Ke značnému pokroku dochází
i ve vybavení měřicích ústředen pro
měření statických a quazistatických
měřicích signálů, které jsou univerzální
a běžně umožňují připojovat až
stovky (výjimečně i tisíce) senzorů,
obvykle kovových tenzometrů. Jsou
vybaveny řídicí jednotkou pro zpracování
dat a pro jejich zasílání na
určené adresy a dostatečnou vnitřní
pamětí pro záznam dat. Měřená data
po zpracování lze jednoduše vytisknout
v běžných počítačových programech.
Časově proměnné měřicí
signály jsou rychlými analogo-číslicovými
převodníky digitalizovány
a v této formě dále on-line zpracovávány,
nebo uloženy do paměti a zpracovány
otf-line.
S rozšiřováním nanotechnologií
se podstatně zvýší informační obsah
a přesnost měření senzory mechanických
veličin.
ZKUŠEBNY DYNAMICKÉ PEVNOSTI
se staly samozřejmou součástí leteckého
a automobilového průmyslu
i některých dalších průmyslových
oborů s výrobky v provozu dynamicky
namáhanými (např. kolejová
vozidla, zemědělské stroje, zemní
stroje). Dynamické zkušebny jsou
vybaveny elektrohydraulickými
zkušebními systémy. Ty umožňují
simulovat dynamickým zatěžováním
provoz kompletního výrobku,
nebo jeho částí za normálních okolností,
případně při zvýšeném mezním
provozním zatěžování. Počet
zatěžujících hydromotorů je určen
velikostí, tvarem a způsobem provozního
zatěžování i požadavkem
na přesnost simulace zatěžování.
U automobilů se používají 4 až 14
hydromotory. U velkých dopravních
letadel až 100 i více hydromotorů. Na
zatěžovaném objektu jsou umístěny
senzory měřící na určených místech
požadované veličiny: mechanickou
deformaci kovovými tenzometry,
výchylky buzeného kmitání akcelerometry
atd. Součástí zkušebního
systému simulujícího mechanické
zatěžování zkoumaného objektu je
ústředna, která měří a podle potřeby
zpracovává měřicí signály ze
senzorů umístěných na zkoumaném
objektu. Proces zatěžování může
být řízen i prostřednictvím počítače
podle měřených hodnot zatěžování.
Jak bylo řečeno v úvodu, je
dimenzování mechanických soustav
v provozu dynamicky namáhaných
strojírenských výrobků na základě
koincidence výpočtu a experimentu
optimální postup. Je zaveden ve
všech průmyslově vyspělých státech.
V České republice máme zkušebny
dynamické pevnosti v leteckém
a automobilovém průmyslu
i v některých dalších strojírenských
oborech na srovnatelné technické
úrovni. Bohužel, jejich vytížení za
těmi zahraničními, např. v Německu
zaostává.
Poptávka po měřicí technice pro
strojírenství roste. Podle kvalifikovaného
odhadu prognostické instituce
Intecho Consulting představoval světový
trh senzorů v roce 2006 částku
30 miliard USD. Ročně se tato částka
zvětšuje. Největší část celosvětové
produkce senzorů připadá na letecký
průmysl. Následuje automobilový
průmysl. Pravdivé je rčení: čím
náročnější je experiment, tím dokonalejší
je vyvíjený objekt.
Měřicí technika pro strojírenství
nebyla v Československé republice
sériově vyráběna s výjimkou kovových
tenzometrů. V současné době
je zavedena pozoruhodná výroba
elektrohydraulických zkušebních
strojů a systémů v podniku Inova
Praha a v podniku VTS Zlín malosériová
výroba křemíkových tenzometrů.
Ojediněle a v malých sériích
jsou u nás vyráběny induktivní
senzory dráhy a tlaku. V posledních
letech dochází vzhledem k převážně
odlišným technickým požadavkům
na senzory určené pro výzkum
a vývoj strojírenských výrobků
a na senzory určené převážně pro
automatizaci funkcí těchto výrobků
i k oddělování jejich vývoje
a produkce. Produkce senzorů určených
převážně pro automatizaci
funkcí výrobků se zvyšuje rychleji
než produkce senzorů pro výzkum
a vývoj. ING. JIŘÍ ČERNOHORSKÝ, DRSC.