Historie a vývoj vědecko-výzkumné činnosti

Při formování vědecko-výzkumného zaměření pracoviště se v minulosti vždy prolínaly dva dominantní faktory - vliv vůdčích osobností a tvůrčí potenciál řešitelských kolektivů. Vlastní odborná činnost byla zpravidla konána ve spolupráci s jinými katedrami (ústavy) VŠCHT i externími pracovišti.

V prvním období samostatné katedry fyziky byla odborná činnost soustředěna pod vedením prof. Ing. Dr. Slavíčka, DrSc. zejména na analýzu difúzních procesů a jejich chemicko-inženýrské interpretace, na rozvoj numerických metod v oblasti technických výpočtů a využití počítačů v chemickém inženýrství.

Příkladem mezinárodní spolupráce v 70. a 80. letech minulého století je podíl na řadě publikací z oblasti jaderné fyziky, jejichž předmětem bylo studium interakcí částic vysokých energií na základě výsledků experimentů prováděných v SÚJV v Dubně (RNDr. Jana Trková).

Mezi publikované teoretické práce v 70. a 80. letech minulého století patří zejména neempirické LCAO-MO-SCF výpočty pro polyatomické molekuly pomocí Gaussových funkcí a výpočet elektronové a rotační vibrační energie nelineárních polyatomických molekul (doc. RNDr. Olga Hálová, CSc.).

Řada pracovníků prováděla výzkumnou činnost také v rámci oponovaných výzkumných úkolů nebo ve spolupráci s výrobními závody. Z dosažených výsledků v této oblasti je možno uvést vývoj a výrobu zařízení pro směšování nebo rozprašování tekutin (Ing. Jan Kára a kol.) a vývoj izotermního kalorimetru pro stanovení teplotní závislosti výparného tepla čistých látek za vysokých teplot a tlaků (Ing. Luděk Šváb, CSc. a kol.).

Období let 1962 až 1978 bylo poznamenáno významnou konkrétní poptávkou průmyslové sféry po nových metodách a prostředcích měření a regulace. Tak vzniklo značně široké spektrum zájmu jednotlivých pracovníků a výzkumných týmů a vědecko-výzkumná činnost byla zpravidla dovedena až do stádia konkrétní realizace výsledků, a to většinou do podoby měřicích přístrojů nebo technologických zařízení. Zájem pracovníků bývalé katedry automatizace chemických výrob a později katedry měřicí techniky se soustředil do dvou hlavních tematických okruhů. První se týkal zejména měření a regulace koncentračních veličin, druhý (s prvním volně související) byl zaměřen na výzkum a vývoj chemických senzorů a senzorových systémů.

Měření a regulace koncentračních veličin

Již začátkem 60. let se stal prof. Dr. Ing. Jiří Sládeček, CSc., průkopníkem aplikací metody katalytického spalovaní v analýze plynů, když on a kolem něj soustředěný pracovní kolektiv se začal zabývat výzkumem a vývojem přístrojů v této oblasti. Ve stejné době začala i spolupráce s budoucím výrobcem analyzátorů, kterým bylo výrobní družstvo Kolínská nástrojárna, provozovna Kutná Hora. Tento podnik postupně do výroby zaváděl a následně expedoval přístroje, které byly vyvíjeny na VŠCHT Praha. Z velkého množství průběžně inovovaných typů (jejichž úplný výčet by značně přesahoval rozumný rámec), pro ilustraci vybíráme pouze několik.

Podrobnější pojednání Katalytické senzory a jejich aplikace v analýze plynů je možno nalézt zde.

Stabilní analyzátor METREX s odděleným snímačem v nevýbušném provedení byl vyvinut v roce 1964 (J. Sládeček, T. Bartovský, K. Kadlec, M. Klevar, L. Laštovka). Technická dokumentace vypracovaná na VŠCHT i skutečné provedení analyzátoru byly schváleny autorizovanou zkušebnou VVÚU v Ostravě-Radvanicích pro použití v prostředích se stupněm nebezpečí výbuchu SNV 2. Rozšířily se tak významně aplikační možnosti přístroje pro používání k zabezpečovacím měřením v prostorech s nebezpečím výbuchu, k měření koncentrace par rozpouštědel a ředidel v průmyslu nátěrových hmot, při povrchové úpravě výrobků, při měření ve výrobních a skladových prostorech apod. Přístrojů METREX tohoto typu bylo vyrobeno asi 500 ks.

Analyzátor METREX se snímačem v nevýbušném provedení

Analyzátor METREX-D vybavený difuzním snímačem byl vyvinut v roce 1967 (Sládeček J., Bartovský T., Kadlec K., Houdek F., Laštovka L.) a byl určen speciálně ke kontrole atmosféry v sušárnách nátěrových hmot. Umožňoval měření i při teplotě až 220 oC. (Sládeček J., Kadlec K., Bartovský T.: Čs. pat. 136 018, 1969). Přístroj Metrex-D byl oceněn na veletrzích Internationale Erfindermesse Wien 1971, na mezinárodní výstavě textilních strojů ITMA 71 v Paříži a na mezinárodní výstavě INTERENGINEERING 72 v Ósace. V období 1969 až 1983 bylo vyrobeno 1970 ks.

Analyzátor METREX-D s difuzním snímačem	Ocenění analyzátoru METREX-D na Internationale Erfindermesse Wien 1971

Začátkem 70. let byly aplikace metody katalytického spalování rozšířeny do oblasti měření koncentrace ethanolu při fermentačních procesech. Měřicí metoda spočívá v měření koncentrace ethanolových par v plynech odcházejících z fermentoru. Byl vyvinut přístroj METREX-DEP (Kadlec K., Houdek F., Sládeček J.), který nalezl uplatnění pro měření a řízení koncentrace ethanolu při výrobě pekařského droždí (Kadlec K., Sládeček J.: Čs. pat. 142 889, 1971).

Analyzátory METREX-DEP pro řízení výroby pekařského droždí

Analyzátor pro měření alkoholu v dechu ALDET

Během let 1970 až 1979 bylo vyvinuto několik typů přístrojů pro provozní i laboratorní aplikace, které byly využívány pro řízení technologického procesu při výrobě pekařského i krmného droždí, při fermentační výrobě lysinu aj. (Kadlec K. a spol.: Čs. AO 153 332, 1973, Čs. AO 182 906, 1980, Čs. AO 182 184, 1977, Bulh. AO 24319, 1977, Čs. AO 194 018, 1979, Čs. AO 197 809, 1979). Jiným příkladem může být analyzátor pro měření alkoholu v dechu ALDET (Sládeček J., Snopek S., Kadlec K.,: Čs. AO 151 312, 1973, Brit. pat. 2,338.870, 1973).

Analyzátor METREX-DH

Ve spolupráci s n.p. Vzduchotechnika byl v letech 1982-1983 (Kadlec K., Houdek F.) vyvinut a zaveden do sériové výroby analyzátor METREX-DH pro měření koncentrace hořlavých par v sušárnách nátěrových hmot, u něhož byly zcela zásadně inovovány elektronické obvody pro zpracování signálu a přístroj byl vybaven automatickou teplotní kompenzací (Kadlec K., Houdek F., Kňazovický P., Imríšek L.: Čs. AO 238 180, 1985). Za období 1984-1992 vyrobil podnik METREX, v.d., Kutná Hora 2 230 ks přístrojů tohoto typu.

Analyzátor METREX-DHP s prostorovým snímačem

Vývoj i výroba přístrojů typu METREX pokračovala i v 90. letech (Kadlec K., Houdek F., Fišer L., Bartovský T., Picek M.). Stabilní analyzátor METREX-DHP byl vybaven prostorovým snímačem a schválen státní zkušebnou i pro měření koncentrace methanu (Kadlec K., Houdek F., Bartovský T.: Čs. AO 265 139, 1989). Přístroj byl vystaven na Československé národní výstavě 1991 a v období 1993–99 bylo vyrobeno asi 150 ks.

Analyzátor METREX-DP s číslicovými obvody	Vícemístný analyzátor METREX-P8

Jinou typovou řadu tvořily přístroje GADET. Na základě zadání Plynoprojektu Praha byla v letech 1970-1971 (Sládeček J., Bartovský T., Kadlec K., Houdek F.) vyvinuta souprava přístrojů, kterou tvořily přístroj GADET-P1 pro měření a lokalizaci úniku plynu na podzemních plynovodech (Kadlec K., Sládeček J.: Čs. pat. 144 252, 1971), GADET-S pro detekci úniku topných plynů na potrubních sítích a armaturách, GADET-O pro měření odorizace topných plynů (Sládeček J., Kadlec K.: Čs. pat. 150 743, 1973). Souprava GADET získala ocenění na mezinárodní výstavě laboratorní techniky INTERLAB 71 v Ostravě.

Souprava přístrojů GADET	Ocenění soupravy GADET na Mezinárodní výstavě INTERLAB 71

Souprava GADET byla v roce 1976 (Kadlec K., Houdek F., Sládeček J.) doplněna o přístroj IDM-01 vybavený plamenovým ionizačním detektorem. Přístroj umožňoval citlivou detekci úniku plynu z plynovodů uložených pod úrovní terénu (Kadlec K., Sládeček J.: Čs. pat. 128 861, 1968).

Přenosný přístroj GADET-P

V roce 1987 (Bartovský T., Houdek F., Kadlec K.) byl zaveden do výroby přenosný přístroj GADET-P vybavený difuzním snímačem, který je určen pro příležitostná měření koncentrace hořlavých plynů a par v prostředí s nebezpečím výbuchu (Kadlec K., Houdek F., Bartovský T.: Čs. AO 264 888, 1989). Přenosných analyzátorů GADET bylo vyrobeno více než 600 ks.

Výroba přístrojů typové řady METREX pokračuje i v současné době v podniku MANAG, a.s. Kolín, kde probíhá i vývoj nových přístrojů a např. i nově vyvinutý mikroprocesorově řízený analyzátor METREX-MDS 38 využívá snímačů vybavených senzory, které byly vyvinuty na Ústavu fyziky a měřicí techniky VŠCHT Praha.

Mikroprocesorově řízený analyzátor METREX-MDS 28	Snímače analyzátorů hořlavých plynů a par typové řady METREX

Výzkum a vývoj chemických senzorů a senzorových systémů

Druhou výzkumnou a vývojovou skupinu, na jejíž program navazuje současné vědecké zaměření našeho ústavu, tvořili pracovníci, kteří se na bývalé katedře automatizace chemických výrob soustředili kolem doc. Ing. Josefa Fexy, CSc. Byly tak vytvořeny vhodné podmínky pro výzkum chování kapalin a heterogenních směsí (charakteru dielektrik a polovodičů) v časově proměnném elektrickém poli. Získané poznatky byly dovedeny až k jejich konkrétnímu využití, a to zejména v rámci vývoje dostatečně citlivých a spolehlivých vysokofrekvenčních měřicích metod s navazujícími průmyslovými aplikacemi analogových a číslicových analyzátorů. Ty se v řadě případů staly předmětem patentů nebo autorských osvědčení. Tak např. z mnoha takových zařízení lze vzpomenout celou řadu akvametrů určených pro měření obsahu vody v másle a jiných potravinářských výrobcích (Fexa J., Rosenbaum M., Malina O.: Čs. pat. 125167, 1967; Trenda O., Fexa J., Rosenbaum M.: Čs. pat 122032, 1967).

Akvametr pro měření a regulaci obsahu vody v másle

Akvametr A3 byl nedílnou součástí zmáselňovače KM 1500 (vyráběného Chotěbořskými strojírnami), vyznamenaného zlatou medailí na Mezinárodním Brněnském veletrhu 1971. Akvametr se tak dlouhodobě podílel na výnosném exportu máslárenských linek do zahraničí.

Nový způsob řešení problematiky měření obsahu vody ve slévárenských formovacích směsích (Jirák E., Fexa J.) byl oceněn v celostátní soutěži KONKURS MARS a následně ve spolupráci s SVUM Brno došlo k vývoji přístroje pro měření jakosti formovací směsi, jehož sériová výroba byla v rámci kooperace států RVHP předána do Polska. Jiným příkladem může být detektor pro kontrolu zbytků výplachových kapalin v lahvích (Jirák E., Fexa J., Němec J.: Čs. AO 231302, 1985), který byl oceněn zlatou medailí na mezinárodní výstavě INTERBRAU - Mnichov 1985 a SALIMA - Plzeň 1985. Pod typovým označením DETEX-PZ byl detektor dodáván jako součást automatických lahvárenských linek vyráběných pro export i tuzemský trh. Vyznačoval se bezchybnou funkcí až do rychlosti 48 000 zkontrolovaných lahví za hodinu.

Autorská osvědčení udělená detektoru DETEX-PZ

Výsledky výzkumu a zkušenosti získané při řešení jednotlivých případů měření obsahu vody v nejrůznějších látkách se staly podkladem pro vznik ve své době ojedinělé monografie Fexa J., Široký K.: Měření vlhkosti, SNTL Praha, Alfa Bratislava, 1983.

V roce 1978 započal výzkum v perspektivním oboru chemických senzorů založených na bázi polovodičů. Práce byly zahájeny teoretickým studiem rozhraní polovodič – plyn a vývojem prvních vzorků senzorů typu polovodivých oxidů (Fexa J., Jirák E., Široký K.). V dalších letech bylo vybudováno nezbytné laboratorní zázemí, které umožnilo vývoj komerčně využitelných senzorů.

Laboratoř pro napařování a naprašování látek ve vakuu

Chemické polovodičové senzory destičkového typu

Vznikla tak celá řada perličkových a destičkových senzorů vhodných pro detekci spalitelných plynů a emisních škodlivin. Je nezbytné připomenout monolitické plynové oxidové senzory na křemíkovém čipu, které vznikly ve spolupráci s Teslou Rožnov (Fexa J., Hutyra M.). Byly první na světě a představovaly ve své době výbornou startovní pozici pro výzkum ve světovém měřítku. V rámci bývalých států RVHP se jednalo o program ojedinělý. Přesto byly práce na téměř pět let omezeny nekvalifikovaným zásahem a řešitelský kolektiv rozptýlen do několika neperspektivních úkolů. Vzdor tomu byly pro vyvinuté senzory vypracovány metodiky aplikací a byla zahájená výroba ověřovacích sérií přístrojů DETEX určených pro průmyslové využití (Fexa J., Pokorný R.: Čs. AO 266661, 1989; Pokorný R., Fexa J., Valenta S.: Čs. AO 266665, 1989; Fexa J., Kovář J.: Čs. AO 265172, 1989; Fexa J., Kovář J. Faber Z.: Čs. AO 264528, 1989; Hess L., Fexa J., Široký K., Ondrouch U.: Čs. AO 253455, 1989).

Na počátku 80. let byl v předstihu zachycen nástup mikropočítačů do systémů měřicí a přístrojové techniky (Fexa J., Bartovský T., Demele S., Jirák E., Pětroš L., Pokorný R., Šváb L.). To umožnilo realizovat zcela nové koncepce měřicích metod a přístrojů (např. analyzátor rtuti VEGA, počítač sterilačního účinku DIGISTEP, detektor paliva v oleji DEPO atd.).

Počítač sterilačního účinku DIGISTEP	Přenosný detektor DETEX-P a DETEX-S

Různé modifikace přístrojů DETEX-S a DETEX-P s chemickými senzory VŠCHT byly využívány v oblasti zabezpečovacích systémů, detektorů plynů, monitorů škodlivin a na mezinárodním chemickém veletrhu INCHEBA v Bratislavě v roce 1990 byla jejich kolekce (Fexa J., Jirák E.) odměněna cenou Modrá planeta.

INCHEBA Bratislava 1990

Vývoj a výroba zařízení pro směšování nebo rozprašování tekutin

V roce 1993 kolektiv soustředěný kolem Ing. Jana Káry vyvinul novou technologii, která umožňuje mlžením zabránit úniku znečišťujících prachových částic z prašných výrobních provozů. Na podkladě provedených zkoušek byl navržený způsob odprášení v roce 1995 schválen Českou inspekcí životního prostředí k užívání a dosud bylo touto metodou odprášeno více jak 80 provozů, které před úpravou silně zatěžovaly svými emisemi životní prostředí.

Přesyp štěrku v kamenolomu před úpravou - po úpravě