računarska akvizicija podata i sistemi · merenja u raznim proizvodnim procesima u svrhu kontrole...

1

9-Ispitivanje konstrukcija i osnove eksperimentalnih metoda– 2019/2020

Računarska akvizicija podatai sistemi

Computer Data Acquisition - DAQ


Merenja pri ispitivanju konstrukcija i materijalaMerenja vremenskih parametara (temperatura, pritisak, vlažnost, ...)Merenja u raznim proizvodnim procesima u svrhu kontrole i upravljanja

Primena

2


Merenje opštih i lokalnih deformacija (pomeranja, obrtanja, dilatacije,...)Merenje kinematičkih veličina: ubrzanja, brzine,...Merenje ubrzanja u nivou tlaMerenje brzine i pravca vetra....

Primena u građevinarstvu


Sistem za merenje

Fizička pojava

DETEKTOR fizičke

veličinesenzor

PRETVARAČfizičke veličine

=>električnuveličinu

transducer

Kondicioner signalaSignal

Conditioner

Kompjuterski akvizicioni

sistemComputer

acquisition system

Senzor – detektuje fizičku veličinu koja se meriPretvarač – konvertuje merenu veličinu u neku analognu veličinu koja se mnogo lakše meriKondicioner signala: pojačava, filtrira, integrali, diferencira, konvertuje frekvenciju u napon,....KOMPJUTERSKI AKVIZICIONI SISTEM

3


ANALOGNE veličine i signali

ANALOGNE veličine su kontinualne veličine (pomeranje-ubrzanje tačke konstrukicje kroz vreme tokom dinamičkih efekata) i reprezentuju kontinualnu promenu odgovarajuće veličine kroz vremeNivo vrednosti tokom registrovanja može biti vrlo različit (pomeranje 10-3 mm do 10mm,...)Ove veličine se senzorima i pretvaračima pretvaraju u odgovarajuće električne signale koji su takođe kontinualni u nekom opsegu npr. napon 0-5 V)Zbog linearnosti senzora i pretvarača i nivo eletričnih signala je vrlo promenljiv(napon: 1µV - 5 V )


ANALOGNE veličine – fizičke /električne

Rezultat pretvaranja analogne kontinualne fizičke veličine u analognu kontinualnu električnu veličinu je odgovarajući kontinualni analogni elktrični signal, što je uobičajena terminologija u elektrotehnici.

4


DIGITALNE veličine i signaliDIGITALNE veličine su diskretne veličine i reprezentuju se različitim nezavisnim vrednostimaOvim veličinama odgovaraju odgovarajući digitalni signali


Ove veličine se reprezentuju digitalnim jedinicama: bit-ima (binarne cifre)Bit-ovi se izražavaju sa jednim od dva moguća stanja 1-0 ili on-off ili true-false

Računari rade sa podacima u digitalnom obliku, dok su naše veličine analogne te je potrebna konverzija

ANALOG => DIGITAL………….A/D konverzija

DIGITALNE veličine i signali

5


AKVIZICIJA i A/D konverzijaFaktički, akvizicija podataka se može shvatiti kao postupak prihvatanja analognog signala i njegovo pretvaranje u digitalni oblik (digitalizacija) kako bi se mogao obrađivati računarom.Svi akvizicioni sistemi u sebi sadrže računar (danas uglavnom PC računar sastavljen od kvalitetnih komponenti radi pouzdanosti u radu)

PC računar Analiza

Analogni

signal


VRSTE merno-akvizicionih sistemaPostoje različite vrste računarskih merno-

akvizicionih sistema, a u osnovi koliko kanala je moguće obrađivati mogu biti:Jednokanalni – sa mogućnošću sprovođenja merenja i digitalizaciju jednog kontinualnog električnog signala, Višekanalni – sa mogućnošću sprovođenja merenja i digitalizaciju više kontinualnih digitalnih električnih signala.

6


JEDNOKANALNI merno-akvizicioni sistem

Kondicioner kontinualnog analognog ulaznog signala Električno kolo za uzorkovanje i čekanjeA/D konverter


Kondicioneri i El. Kola za uzorkovanjeKondicioner analognog signala obavlja funkcije filtriranja, pojačanja, otklanjanja šuma, i dr., prisutnog u analognom ulaznom signalu, odnosno prilagođava analogni ulazni signal za izvršenje merenja i diskretizaciju – A/D konverziju.Električna kola za uzorkovanje i čekanje obavljaju funkciju upravljanja merenjem u smislu odabira vremenskih trenutaka u kojima će se vršiti merenje (digitalizacija) ulaznog kontinualnog analognog signala A/D konverzijom.

7


A/D konverter (interfejs)A/D konverter predstavlja ključni deo računarskog jedno-kanalnog merno-akvizicionog sistema. A/D konverter pretvara električnu veličinu (npr. električni napon) u diskretnu digitalnu veličinu (merenjem njene vrednosti). Od kvaliteta ove konverzije zavisi kvalitet rezultata, što je usko povezano sa dva ključna parametra A/D konvertera:Rezolulcija A/D konvertera, iPun radni opseg A/D konvertera (Full Scale Range – FSR).


Rezolulcija A/D konvertera

Rezolucija A/D konvertera određena je dužinom binarne reči, odnosno brojem bit-ova binarnoj reči u kojoj se predstavlja digitalizovana merena vrednost električne veličine. Broj stanja (nivoa) koji se mogu razlučiti A/D konverterom sa bit-a iznosi , odnosno:

4-bit…………..8-bitni 12-bitni

32244 ==−bitSTANJAN 256288 ==−bitSTANJAN 40962

1212 ==−bitSTANJAN

8


Pun radni opsega rada A/D konverteraPun radni opsega rada A/D konvertera - određen je opsegom vrednosti merene električne veličine koja se može proslediti konverteru, npr:za opseg ulaznog električnog napona (0 V) – (+10 V), za opseg ulaznog električnog napona (-10 V) – (+10 V), za opseg ulaznog električnog napona (-1.25V) – (+1.25 V).


Podatak A/D - najmanja vrednost merene veličine koja se može razlučiti tokom konverzije

Podatak A/D konvertera

STANJANPRO /A/DPODATAK =

2568 =−bitSTANJAN

VPRO 10=mVVNPRO bitSTANJA 1.390391.0/

8 === −bit-8PODATAKA/D

409612 =−bitSTANJAN

VPRO 10=mVVNPRO bitSTANJA 4.20024.0/

12 === −bit-12PODATAKA/D

9


Primer A/D konverzije 1-bit-nim i 2-bit-nim konverterom

Uticaj podatka A/D konvertera

•8-bit-na – Prvobitne konfiguracije, danas se prijmenjuju samo za neke specifične aplikacije,•12-bit-na – Opšta analogna akvizicija,•16-bit-na – Precizna analogna akvizicija, 24-bit –na – Analogna akvizicija visoke tačnosti


Nivo analognog ulaznog signala - NSOdnos nivoa ulaza Ipunog radnog opsega A/D

idealno:

Uticaj nivoa ulaznog signala – pojačanje

0.1/ =PRONSFaktor pojačanja (gain factor) FP ( ) 0.1/* →PRONSFP

•za signale visokog nivoa FP = 1, 2, 5, odnosno•za signale niskog nivoa FP = 1, 10, 100, 500.

10


Uticaj nivoa na iskorišćenost A/D konvertera

Uticaj nivoa ulaznog signala – pojačanje


Kvalitet zavisi da li je formiran uz primenu jednog ili više A/D konvertora, kao najbitnijeg (i najskupljeg) elementa sistema.

Višekanalni merno-akvizicioni sistemi

Višekanalni merni sistemi sa sekvencijalnim uzorkovanjem - jedan A/D konverterVišekanalni merni sistemi sa simultanim uzorkovanjem – koliko kanala toliko A/D konvertera

11


Višekanalni sistemi sa sekvencijalnim uzorkovanjem (sequential sampling) formiraju se od jednog A/D konvertera ispred koga je postavljen uređaj za odabiranje aktivnog mernog kanala, tzv. kombinacionog mernog električnog kola za odabir – koji ima ulogu elektronskog mernog prekidača - MULTIPLEXER

Višekanalni sistemi – sekvencijalno uzork.


Za brze dinamičke pojave pogodnija je primena višekanalnih sistemi sa simultanim uzorkovanjem (simultaneous sampling). Ovakvi sistemi formiraju se sa A/D konverterima za svaki merni kanal Postiže uzorkovanje svih kanala istovremeno, što je potrebno kod vrlo brzih dinamičkih merenja

Višekanalni sistemi – simultano uzorkovanje

12


Brzina uzorkovanja se izražava frekvencijom uzorkovanja(sampling frequency)

Brzina uzorkovanja kod dinamičkih merenja

sfEkvidistantan vremenski razmak (uniform sampling) t∆

tf s ∆=1


Adekvatna brzina uzorkovanja Neadekvatna brzina uzorkovanja

Brzina uzorkovanja kod dinamičkih merenja

tf s ∆=1

'' 1

tf s ∆=Tf1=

11

1Tf =

Lažno – alias

Fenomen aliasing

13


Teorema uzorkovanja (Sampling theorem or Nyiqist-–Shann teorma): Kontinualni signal može se predstaviti skupom uzorkovanihpodataka i može biti odatle rekonstruisan ako je broj uzoraka uskupu vrednosti uzorkovan tako da je broj uzoraka u sekundinajmanje dva puta veći od najveće frekvencije prisutne u signalu

TEOREMA uzorkovanja

maxNyiqist *2 fffs =≥Najveća prisutna frekvencija u signalu (dinamičkoj pojavi koju reprezentuje kontinualni signal) maxfU praktičnim primenama - moguće uzorkovanje visokim frekvencijama 5-10 puta veća od ( ) max*105 ff s ∴=


Savremeni akvizicioni sistemi uključuju:Merno-akvizicioni sistem (hardware),Program za kontrolu i komunikaciju sa uređajima eksternim uređajima i dodatcima (software with drivers, etc.),Korisnički interfejs za setovanje i programiranje sistema (user interface),Program za obradu podataka nakon - rocesiranje podataka (post-processing)

Savremeni sistemi i softveri

Merno-akvizicioni sistemi (hardware), u zavisnosti da li posteduju odgovarajući PC-računar – kontroler, (controler) mogu biti: Interni (bez kontrolera), iEksterni (sa kontrolerom).

14


Interni merno-akvizicioni sistemi koriste desktop/lap-top računar za izvršenje funkcija kontrolera, pri čemu neophodno uključuju odgovarajuće merne module, a koji se sastoje od A/D konvertera i ostalih potrebnih komponenti (kondicioner signala, i dr.) Uobičajene rezolucije su 10-16 bit-a Povezivanje sa PC računarima ostvaruje se preko komunikacinih kanala (PCI, PCI Express, USB, Ethernet i dr.).NI – National Instruments

Interni merno-akvizicioni sistemi


Interni merno-akvizicioni sistemi novije generacije 24 bit-a -Hottinger Baldwin Messtechnik - HBMU nekim konfiguracijama mogu raditi i kao samostalni uređaji – nakon setovanja PC -jem

Interni merno-akvizicioni sistemi

15


Eksterni merno-akvizicioni sistemi - poseduju kontroler baziranna industrijskom PC-računaru mogu samostalno da obavljaju svefunkcije merno-akvizicionog sistema. Uglavnom - MODULARNI

Eksterni merno-akvizicioni sistemi

Fleksibilnost izbora kućišta sa različitim brojem mesta za merne module

Fleksibilnost izbora različitih tipova kontrolera za upravljanje sistemom

Fleksibilnost izbora i instalacije modula za povezivanje najrazličitijih tipova senzora.


Upravljanje internim i eksternim sistemima sprovodi se softverskim aplikacijama - prilagođeni određenim tipovima hardvera. U slučaju eksternih sistema, primenjuju se softverske aplikacije instalirane na kontrolerima što obezbeđuje njihovu nezavisost u radu. U slučaju internih sistema, neophodo je upravljanje istim aplikacijama sa odgovarajućeg upravljačkog PC računara. korisnički interfejsi (user interejs) – pogoda za interne i eksterne - dodatno olakšava mogućnost njihove primene.

SOFTWARE za upravljanje

Zatvorene aplikacije sa opcijama za setovanje parametara instrumenata, akvizicije, vizuelizacije i manjim brojem dodatnih funkcija

Otvorene (prilagodljive) aplikacije sa opcijama kao i zatvorene, ali i sa mnogobrojnim drugim mogućnostima kao što su funkcijama za različite analize rezultata, automatskog skladištenja rezultata, obaveštavanja korisnika (SMS poruke, email, i dr.), i dr.

16


Primer zatvorne softverske aplikacije - paket Catman proizvođača Hottinger Baldwin Messtechnik - HBM

Paket je prilagodljiv za široku lepezu merno-akvizicionih sistema (internih i eksternih) i bazom podataka za konfigurisanje instrumenata istog proizvođača, i mogućnosti konfiguracije senzora drugih proizvođača. Aplikacije ovog tipa imaju odgovarajući korisnički interfejs prilagođen korisnicima - pogodne su za korišćenje

SOFTVER– zatvorene aplikacije


Primer otvorene softverske aplikacije za upravljanje (ili preciznijeplatforme ili okruženja za razvoj softverskih aplikacija za upravljanjemerno-akvizicionim sistemima - LabVIEW platforma proizvođačaNational Instruments – NI.

Na platfomama ovakvog tipa neophodno je za svaki pojedinačniprojekat, kako jednostavan tako i složen, razviti odgovarajuću aplikaciju.Isto se sprovodi uz primenu odgovarajućih ugrađenih alata i procedura, iprimenu tzv. grafičkog programiranja

SOFTVER – otvorene aplikacije

17


Instalacija sistema (Sistem setup)n Instalacija hardware-an Konfigurisanje hardwar-e (označavanje kanala, opsega merenja,...)n Instalacija softwar-e i driver-a za instrumente (biblioteke koje

omogućuju komunikaciju sa instrumentima)n Povezivanje senzora

Kalibracija sistema (Sistem calibration)n Poznati ulaz (statički ili dinamički) ili unošenje karakteristika

(osetljivosti)n Merenje, poređenje i podešavanje

Probna merenja (Trial measurements)n Vrlo važno – testira sistem sa realnim ulaziman Proverava se nivo signala, pojačanja, ...n Sagledava se efekat šuma (noise)

Postupci pri akviziciji podataka


ZAKLJUČAKSvaki akvizicioni sistem u osnovi ima A/D konvertorRezolucija bitna za kvalitet uzorkovanja(veća rezolucija – bolja aproksimacija kontinualnog signala digitalizovanim skupom uzoraka u jednakim vremenskim intervalima)Brzina uzorkovanja – vrlo važna kako bi se očuvao frekventni sastav originalnog signala i izbegli pogrešni zaključci o frekvenciji pojave –aliasingSimultano uzorkovanje je bolje rešenje za brze pojave jer ne dovodi do međusobnog kašnjenja izmeđukana (mada znatno skuplje i omogućuje manji broj kanala). Sekvencijalno uzorkovanje primereno sporijim promenama (do nekoliko-100Hz) jer brzina semplovanja ide do nekoliko-1000Hz (ukupno za sve kanale). Može se odrediti kašnjenje u zavisnosti od broja kanala i proceniti koliko to utiče na rezultate. Pravi se balans između dozvoljenog vremena kašnjenja i broja kanala pa se prema tome bira hardware. Eksterni sistemi DAQ su znatno pouzdaniji i robusniji i primereni profesionalnim aplikacijma. Interni se koriste za razvoj i obično nemaju visoku tačnost.

računarska akvizicija podata i sistemi · merenja u raznim proizvodnim procesima u svrhu kontrole...

Documents