tau107 tuotantoautomaation erityiskysymyksiä:

Vaasan yliopisto / Sähkötekniikka

TAU107 Tuotantoautomaation erityiskysymyksiä:

Virtapiirimerkintöihinliittyviä standardeja

Vaasan yliopisto 08.10.2004Maarit Vesapuisto

08.10.2004 / mv Tuotantoautomaation erityiskysymyksiä 2


Sisältö

1. Standardisoimisjärjestöistä2. SI-järjestelmä3. Piirrosmerkeistä4. Suureiden merkitsemisestä5. Esimerkkejä kirjallisuudesta



Standardisointi: määritelmä

Standardisointi on pyrkimystä vähentää niin pitkälle kuin mahdollista teknillisesti ja kaupallisesti merkityksettömiä erilaisuuksia tuotteissa, saattaa käsitteiden määritelmät ja ilmaisutavat kaikkialla samoiksi sekä löytää kaikkien vaatimukset täyttävät tarkoituksenmukaiset menettelytavat kaikilla toiminnon aloilla. (Pere, 1996: 1-1)

Standardisointi on yhteisten sääntöjen laatimista helpottamaan viranomaisten, elinkeinoelämän ja kuluttajien elämää. Standardeilla lisätään tuotteiden yhteensopivuutta ja turvallisuutta, suojellaan ympäristöä ja helpotetaan kotimaista ja kansainvälistä kauppaa. (SFS Käsikirja 1: 6)



Standardoinnin tarpeen syntyminen

Iso-Britanniasta alkanut ja 1800-luvulla Suomeen levinnyt teollinen tuotanto edellytti yhdenmukaisia tuotteita ja vaihto-osia, jotka tarkalleen vastasivat toisiaan.

Työnjako, erikoistuminen ja alihankinta yli maan rajojen lisäsivät tarvetta yhteisten määritelmien käyttöön.

Tekniikassa, tuotannossa, kuljetuksessa, kaupassa ja kulutuksessa alkoi yhteistyön aika, jossa ihmisten asuinpaikasta, kulttuurista ja kielestä riippumatta oli pystyttävä ymmärtämään toisiaan.

Tarvittiin tarkasti määriteltyjä käsitteitä, merkkejä ja symboleja, joilla oli kaikille täsmälleen yhteinen merkitys.

(Suomen Standardisointi ry 2002).



Kansainvälisen IEC-standardisoimisjärjestön perustaminen

Ensimmäinen toimiala, jolla tarve yhteisiin määritelmiin huomattiin, oli sähkötekniikka.

Vuonna 1906 perustettua International Electrotechnical Commission eli IEC-järjestöä voidaan pitää ensimmäisenä kansainvälisenä standardisoimisjärjestönä.



Kansainvälisen ISO- standardisoimisjärjestön perustaminen

Myöhemmin 1920-luvulla perustettiin vastaava teknisten alojen standardisoimisjärjestö International Federation of the National Standardizing Associations (ISA), jonka toiminta kuitenkin päättyi toiseen maailmansotaan.

Sodan jälkeen vuonna 1946 perustettiin uusi järjestö International Organization for Standardization (ISO), joka tällä hetkellä on kansainvälisellä tasolla laajin standardoimisjärjestö.



Suomalaisen SFS-standardisoimisjärjestön perustaminen

Suomessa standardisointityö alkoi vuonna 1924, kun teollisuuden aloitteesta perustettiin Suomen Standardisoimislautakunta.

Yhteistyöhön osallistuvat järjestöt perustivat vuonna 1947 Suomen Standardisoimisliitto (SFS) ry:n.

Standardisoimislautakunta jatkaa edelleen toimintaansa yhtenä SFS:n toimielimenä.



Standardisoimisjärjestöt

Standardisoimisjärjestöt voidaan jakaa kolmeen eri tasoon järjestön kansainvälisen laajuuden perusteella:

kansainvälinen, alueellinen ja kansallinen taso.



Sähköalalla vaikuttavia standardoimisjärjestöjä

Sähkötekninenala

Teleala

Maailman laajuinen

taso

Euroop-palainen

taso

Kansal-linen taso

ISOInternational

Organization forStandardization

http://www.iso.ch

CENEuropean

Committee forStandardization

http://www.cenorm.be

SFSSuomen

Standardoimisliittory

http://www.sfs.fi

IEC International

Electrotechnical Comission

http://www.iec.ch

CENELECEuropean

Committee forElectrotechnicalStandardization

http://www.cenelec.org

SESKOSuomen sähköteknillinen

standardoimisyhdistys

http://www.sesko.fi

ITUInternational

TelecommunicationUnion

http://www.itu.int

ETSIEuropean

TelecommunicationsStandardsInstitute

http://www.etsi.org

VIESTINTÄ-VIRASTO

http://www.ficora.fi

Huom. Yhdysvalloissa toimii American National Standards Institute (ANSI) (http://www.ansi.org).

http://www.ansi.org/



Eurooppalainen CEN-standardisointijärjestö

Keskeinen eurooppalainen standardisoimisjärjestö on vuonna 1961 perustettu European Committee for Standardization (CEN), johon kuuluvat mm. kaikki Euroopan Unionin (EU) jäsenvaltiot.

Suomea CENissä edustaa SFS, joka ohjaa ja koordinoi standardisointitoimintaa Suomessa. SFS:n jäseniä ovat mm. Suomen valtio, Helsingin yliopisto sekä eräät elinkeinoelämän järjestöt.



Eurooppalainen CENELEC-standardisointijärjestö

Kansainvälistä IEC-järjestöä vastaa eurooppalainen sähköalan standardisoimisjärjestö CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization), jonka jäseninä ovat mm. kaikki EU-maat.

Suomea CENELECissä edustaa Suomen Sähköteknillinen Standardisoimisyhdistys SESKO ry, joka vastaa sähkö- ja elektroniikka-alan standardisoinnista Suomessa.



Eurooppalainen ETSI-standardisointijärjestö

Kansainvälistä ITU-järjestöä vastaa telealan eurooppalaisen standardisoimisjärjestö ETSI (European Telecommunications Standards Institute), joka on avoin kaikille Euroopan maiden posti- ja telehallintojen yhteenliittymän CEPTin (European Conference of Postal and Telecommunications Administrations) jäsenmaissa rekisteröidyille yhteisöille.

Suomesta ITUn ja ETSIn toimintaan osallistuu Telehallintokeskus (syyskuusta 2001 alkaen nimeltään Viestintävirasto), joka vastaa telealan kansallisesta standardoinnista Suomessa



Kansainväliset vs. kansalliset standardit

Kansainvälisiä standardeja, kuten ISO-standardeja, ei ole pakko vahvistaa kansallisesti. Usein ne kuitenkin vahvistetaan sellaisenaan tai yhteisin muutoksin eurooppalaisiksi standardeiksi.

Esimerkiksi CENin EN-standardeista 40 prosenttia perustuu ISOn työhön ja sähköalan CENELECin eurooppalaisista EN-standardeista 90 prosenttia perustuu kansainvälisen IEC-järjestön standardeihin



SI-järjestelmä

Vuonna 1960 Yleinen paino- ja mittakonferenssi CGPM (Conférence Générale des Poids et Mesures) vahvisti

kansainvälisen mittayksikköjärjestelmän (Système International d’Unités = SI), jonka

kehittäjänä on ollut Kansainvälinen paino- ja mittakomitea CIPM (Comité International des Poids et Mesures).

Suomessa on lainsäädännöllisesti (Vakauslaki N:o 219/1965 ja Mittayksikköasetus N:o 371/1992) määritelty käytettäväksi ko. SI-järjestelmää.



SI-järjestelmän perusyksikötPerussuure SI-perusyksikkö

Nimi Nimi Tunnus

pituus metri m

massa kilogramma kg

aika sekunti s

sähkövirta ampeeri A

termodynaaminen

lämpötila kelvin K

ainemäärä mooli mol

valovoima kandela cd

(SFS-ISO 1000 + A1 )



Suuretunnuksia ja -yksiköitä

Standardit:

•SFS 3655 (Suureet ja yksiköt, suurenimet, tunnukset ja yksiköt, 1982; perustuu standardeihin ISO 31/1-10)

•SFS IEC 60050-121 + A1 (Sähköteknillinen sanasto. Osa 121: Sähkömagnetismi)

•SFS-ISO 1000 + A1



Suuretunnukset

yleensä latinalaisten tai kreikkalaisten aakkosten yksittäisiä kirjaimia [U, R, ]

skalaarisuureiden tunnukset kirjoitetaan kursiivilla (vinolla kirjasinlajilla), myös alaindekseissä (UR)

= muuttuja

vektorisuureiden tunnukset kirjoitetaan lihavoidulla kursiivilla (UR) tai vektorin merkkinä voidaan käyttää kirjaintunnuksen yläpuolella olevaa nuolta RU



Suuretunnukset

Voimassa olevan ISO-standardin mukaan kompleksisuure merkitään kuten ”skalaarisuure”

eli Z = Re Z + j Im Z = R + jX

Standardissa SFS 2372 (kumottu 26.01.2004) oli myös merkintätapa, joka löytyy voimassa olevasta standardista IEC 60050-101 :

Z = Re Z + j Im Z = R + jX



ISO 31/1-3

ISO 31/1: Avaruus ja aika (Space and time)1-6.1 aika(väli), kesto t sISO 31/2: Jaksolliset ilmiöt (Periodic and related phenomena)2-1.1 jaksonaika T s2-2.1 aikavakio (eksp.) , (T) s 2-3.1 taajuus f, Hz2-4.1 kulmataajuus rad/sISO 31/3: Mekaniikka (Mechanics)3-24.1 työ W, (A)1 J3-24.2 energia E, (W)1 J3-25.1 teho PW- hyötysuhde 1



ISO 31/5: Sähkö ja magnetismi (Electricity and magnetism)

5-1.1 (sähkö)virta I A5-2.1 (sähkö)varaus Q C5-6.1 (sähkö)potentiaali V, V5-6.2 jännite, potentiaaliero U, (V)1 V5-6.3 lähdejännite, E V

sähkömotorinen voima




5-9.1 kapasitanssi C F5-22.1 induktanssi L H

5-22.1 keskinäisinduktanssi M, L12 H

5-33.1 resistanssi, vastus R

5-34.1 konduktanssi, johtokyky G S5-40.1 vaihe-ero, vaihesiirtymä rad5-41.1 (kompleksinen) impedanssi

5-41.2 impedanssi |Z|

5-41.3 reaktanssi X

5-41.4 resistanssi R

5-43.1 (kompleksinen) admittanssi Y S5-43.2 admittanssi |Y| S5-43.3 suskeptanssi B S5-43.4 konduktanssi G S




5-44.1 teho P W- hetkellinen teho p W- pätöteho P W, (W)2

- näennäisteho S, (PS )1 W, (VA)2

- loisteho Q, (Pq )1 W, (var)2

- tehokerroin 1



PiirrosmerkeistäPiirrosmerkin merkitys määräytyy

sen muodosta ja

sen sisällöstä.

Yleensä koko ja viivan leveys eivät vaikuta merkitykseen, eli piirrosmerkkejä voidaan pienentää tai suurentaa sopimaan piirustuksen mittakaavaan.

Piirrosmerkkien yleismuoto ja mikäli mahdollista mittasuhteet olisi säilytettävä.

(Pere 1996: 2-7).



Piirrosmerkeistä

IEC on julkaissut sekä piirrosmerkeistä, että piirustusjärjestelmästä ja erikoisohjeista suosituksia ja standardeja, jotka koskevat kaikkia sähkötekniikan eri sovellutusaloja.

Juuri tällä hetkellä ollaan Euroopan unioniin liittymisen vuoksi yhdenmukaistamassa eurooppalaisia standardeja, ja uudet standardit tulevat löytymään kohdasta IEC 60617 DB, joka ei vielä ole täysin valmis. Tämän vuoden kesällä korvattiin uudella standardilla SFS-IEC 60617 Sähkökaavioiden piirrosmerkit (vahvistettu 28.06.2004) standardi SFS-EN 60617 Sähkökaavioiden piirrosmerkit (1997 – 1999).

Yleisperiaate sekä IEC:n että Suomen vastaavissa standardeissa on se, että on yhdet piirrosmerkit, joita eri käyttäjäryhmät käyttävät



Paristo (SFS-EN 60617: 06-15-01)

=>

Akusto

E E_+

E+

_E

+_

Pariston piirrosmerkin kehitys:



Ideaalilähteet (SFS-EN 60617)

Kirjallisuudessa esiintyviä piirrosmerkkejä

Jännitelähde (02-16-02); virtalähde (02-16-01)

e

j



Passiiviset komponentit (SFS-EN 60617)

04-01-01 vastus (yleismerkki); resistanssi

04-02-01 kondensaattori (yleismerkki); kapasitanssi

04-02-01 käämi (yleismerkki); induktanssi



Passiiviset komponentit (vanhat)

vastus (yleismerkki); resistanssi

kondensaattori (yleismerkki); kapasitanssi

käämi (yleismerkki); induktanssi



Sähkövirta

Historiallisista syistä (käsite sähkövirta oli käytössä huomattavasti aikaisemmin kuin tiedettiin atomin koostuvan elektroneista, protoneista ja neutroneista) yleisesti on sovittu, että positiivisen virran suunta vastaa positiivisten varauksen kuljettajien liikesuuntaa ja on vastakkainen negatiivisten varauksenkuljettajien liikesuunnalle.



Referenssivirta (SFS 4987)

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

. . .. . . . .

a b

i i

i i ab

Piirissä, jossa pisteiden a ja b välillä on useita reittejä, täytyy valita yksikäsitteinen merkintätapa.



Referenssivirta (IEC 60375 )

a bi

ai

ba bia i b

a) b) c) d) Suositeltavat merkintätavat ovat a) ja b)

Jos kahden pisteen välillä on vain yksi haara, voidaan virran suunta merkitä (ilman nuolta) käyttämällä suureen symbolissa alaindeksiä, esim. iab. Tällöinkin on kuitenkin suositeltavaa käyttää myös nuolisymbolia ja yllä olevassa kuvassa esitettyjä tapoja a) ja b).



Referenssijännite (SFS 4987)

Nuolen takaosa (vastaavasti plusmerkki) kohdistetaan pisteeseen, jolla on korkeampi potentiaali.

u u u u ab

a

b

u_

+u+

_u+



Referenssijännite (IEC 60375 )

u _

+ a

b

d) u +

u +

u _

+ a

b

a

b

a

b

b) a) c)

b

u u

b

b) a) a a

a

b

u ab

a

b

a) b) u ab

Jännitteen referenssisuunnan merkitseminen suoralla tai kaarevalla viivalla, joka on varustettu (miinus- ja) plusmerk(e)illä.

Jännitteen referenssisuunnan merkitseminen nuolella.

Jännitteen referenssisuunnan merkitseminen solmupisteiden nimiä käyttäen.



Lähdejännitteen suunnan merkitseminen ideaaliseen jännitelähteeseen (IEC 60375).

Vain esitystapa a) on standardin IEC 60617-2 (1996) mukainen.

a bb)

a ba)

i S i S



Virran suunnan merkitseminen ideaaliseen virtalähteeseen (IEC 60375).

Vain esitystapa a) on standardin IEC 60617-2 (1996) mukainen.

a bb)

u S+

a b+u S

a)



Referenssivirta ja -jännite

Virran ja jännitteen suuntien merkintätavoista seuraa, että samoilla referenssisuunnilla resistiivisen kaksinavan läpi kulkeva virta ja yli vaikuttava jännite saavat samat merkit. (SFS 4987)

i

e uu R



Esimerkkejä kirjallisuudesta (yläaste)

Referenssivirran suunnan merkitseminen virtapiiriinElektroniikka omaksi (Lavonen, Lindh, Autio ja Antila, 1998) Yläasteen valinnaiselle fysiikan kurssille suunnattu oppikirja

V

20 mA 0,001 mA

19,999 mA

+

+

I

I

I

I



Esimerkkejä kirjallisuudesta (lukio)

Referenssijännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinElektroniikka omaksi (Lavonen, Lindh, Autio ja Antila, 1998) Yläasteen valinnaiselle fysiikan kurssille suunnattu oppikirja

+

+

I

I

I

I

++

U c

CB

E




Referenssivirran suunnan merkitseminen virtapiiriinSähköilmiöt fysiikassa (Makkonen, Meisalo ja Suokko, 1996) Lukioasteen fysiikan oppikirjasarjan Atomista avaruuteen

E

I 1

I I

A

B

C

D

I 1

I 2 I 2

G R 2

R 3 R 4

R xA

R sIs

I A R AI




Referenssijännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinSähköilmiöt fysiikassa (Makkonen, Meisalo ja Suokko, 1996) Lukioasteen fysiikan oppikirjasarjan Atomista avaruuteen

VR e

U

R VII

U

U 1 U 2 U 3

R 1 R 2 R 3A B




Lukioasteen fysiikan oppikirjasarjan Atomista avaruuteen osasta Sähkömagnetismi fysiikassa (Makkonen, Meisalo ja Suokko, 1996)

löytyy vain kaksi virtapiiriä, joihin on merkitty virran tai jännitteen suuntanuolia (ks. esimerkki elektroniputkesta sivulla 59 ja esimerkki sähköisestä värähtelypiiristä sivulla 82).

Itse virtapiirejä em. oppikirjasta löytyy kyllä useitakin.




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinLukioasteen fysiikan opiskeluun tarkoitettu Galilei -oppikirjasarjan osat 6 Sähkö ja osa 7 Sähkömagnetismi (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, 1999)

I

UU 1 U 2 U 3

R 1A BR 2 R 3

I

U

A BR




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinLukioasteen fysiikan opiskeluun tarkoitettu Galilei -oppikirjasarjan osat 6 Sähkö ja osa 7 Sähkömagnetismi (Lavonen, Kurki-Suonio ja Hakulinen, 1999)

I 2(t )

I 1(t )

I (t )

U (t )

U (t )

U (t )

I (t )

U (t )

I (t )I (t )

U 2(t )U 1(t )




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinLukion sähkö ja elektroniikka (Lavonen, Blinikka ja Antila, 1999) Tarkoitettu lukion fysiikan syventäville ja soveltaville kursseille tukemaan kokeellista työskentelyä

sähkövirran suunta

1,5 V

pariston

1,5 V

jännitenuolikomponentinjännitehäviönuoli

U outC

B

E

I C C o

R B R C

I BU in

+U CC

C i

U CC -0,7 V

0,7 V

U CC2

U CC2




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinFysiikka-sarjan osassa 4 Sähköä ja sähkömagnetismia (Lehto ja Luoma, 1999: 95).Lukio-opiskeluun tarkoitetussa

I

U 1 U 2 U 3

R 1A BR 2 R 3

I

I

UA BR

I




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinFysiikka-sarjan osassa 4 Sähköä ja sähkömagnetismia (Lehto ja Luoma, 1999: 95).Lukio-opiskeluun tarkoitetussa

V

U

R y

U R U V

VR y

U R U V

R VI



Esimerkkejä kirjallisuudesta (yliopisto fysiikka)

Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinPhysics (Ohanian, 1988). Huom! tasasähköpiireissä jännitteitä ei ole lainkaan merkitty piireihin.Vaihtosähköpiireissä virtoja ja jännitteitä ei ole merkitty piireihin.

I 1

+_

+

_

I 3

I 5

I 2 I 4




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinPhysics With Modern Physics. (Wolfson and Pasachoff, 1999.) Vaihtosähkössä ei jännitteen tai virran suuntaa merkitä lainkaan kuvioihin.

I 1_+

I

I 2E R 1 R 2_ _

++

I




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinUnderstanding Physics (Mansfield, 1998).

R 1

R 2

R 3

I 1

I 2

I 3

IA B

C 1 C 2+Q +Q-Q -Q

V

V 1 V 2



Esimerkkejä kirjallisuudesta (piirianalyysi)

Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinElectric Circuits. Sixth Edition (Nilsson and Riedel, 2001).

a

b c

d e f

g h

+

++

+ + +

+ +

i hi gi d

i bi e

i fi c

i a

v d

v b v c

v f

v a

v g v h

v e




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinSchaum’s outline of theory and problems of basic electrical engineering (Cathey and Nasar, 1997).

+i R

v

C 1

+

i

NODE

BRANCHLOOP L 1R 1 R 2 v

NODES

i 1

LOOP

i 3LOOP

i 2

C 2

L 2

R 3

BRANCH

BRANCH

BRANCH




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinSchaum’s outline of theory and problems of basic electrical engineering (Cathey and Nasar, 1997).

+

VR

VIR

+ + jL

VL

I

VL= jX LI

VR = R I

V= ZI




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinEngineering Circuit Analysis (Hayt, Kemmerly, Durbin, 2002).

v

+

C

I = j C Vi = C dvdt

V

+

C

(a ) (b )




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinVirtapiirit ja verkot (Voipio, 1972)

R 2

E 1

I 2

E 6

I 5

R 5

R 3

R 4 R 1

U 2 U 5

U 4 U 1

U 3

I 3




Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinFysiikka korkeakouluja varten (Simons, Lennart, 1946)

I 1

I 2 R 3

R 2

R 1

U 1E

+

_

I 3



Esimerkkejä kirjallisuudesta (opisto/amk)

Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinSähkötekniikan oppikirja teknillistä opetusta ja omin päin opiskelua varten (Paavola, 1979).

I I 2

R 3R 2R 1

E+_

I 3I 1

U1

U 2 U3



Esimerkkejä kirjallisuudesta (opisto/amk)

Referenssivirran ja -jännitteen suunnan merkitseminen virtapiiriinSähkötekniikan oppikirja teknillistä opetusta ja omin päin opiskelua varten (Paavola, 1979).

CLRI

RU LU CU

U



Esimerkkejä virhetulkinnoista

a) b)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .

. . . . .

. . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .




e j ?




a) b) c)

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



Animaatioesimerkki

R

J 1 J 2E

J 1 = 1 AJ 2 = 1 AE = 1 0 VR = 2

Mitkä komponentit tuottavat ja mitkä kuluttavat tehoa???Ratkaisu

tau107 tuotantoautomaation erityiskysymyksiä:

Documents