Környezeti méréstechnika

Környezeti méréstechnika

Környezetgazdálkodási Agrármérnök MSc


1

Mennyiség, számérték, mértékegység A fizikai mennyiség a fizikai jelenségek és fogalmak mérhető tulajdonsága. Általános jele: A A mértékegység (röviden egység) az az alapul választott mennyiség, amelyhez a számított vagy mért mennyiséget viszonyítjuk. Jele: [A] A számérték (mérőszám) azt mutatja, hogy a mennyiség hányszorosa a választott mértékegységnek. Jele {A} Összefoglalóan: A={A}·[A] (a mennyiség= számérték·mértékegység) A dimenzió olyan kifejezés, amely megadja, hogy milyen kapcsolat van a fizikai mennyiség és az alapmennyiségek, ill. alapegységek közt (pl. a sebesség dimenziója dim v=dim l/ dim t=LT-1) Környezeti méréstechnika

2

Az SI egységrendszer alapmennyiségei és ezek egységei (alapegységek) Alapmennyiségek Hosszúság jele: l, SI egysége méter, jele m Tömeg jele: m, SI egysége kilogramm, jele kg Idő jele: t, SI egysége másodperc, jele s Áramerősség jele I, SI egysége amper, jele A Hőmérséklet jele T, SI egysége kelvin, jele K Anyagmenny. Jele n, SI egysége mól, jele mol Fényerősség jele Iv, SI egysége kendla, jele cd

Kiegészítő mennyiségek Síkszög SI egysége radián, jele rad Térszög jele Ω SI egysége szteradián, jele sr Környezeti méréstechnika

3

Alapegységek I Hosszúság: A méter a 86Kr izotóp 2p10 és 5d5 energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő, vákuumban terjedő sugárzás hullámhosszúságának 1650763,73-szorosa. Tömeg: A kilogramm az 1889. évben Párizsban megtartott Első Általános Súly- és Mértékügyi Értekezlet által a tömeg nemzetközi etalonjának elfogadott, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatalban, Sevres-ben őrzött platina – iridium henger tömege. Idő: A másodperc az alapállapotú 133Cs izotóp két hipefinom energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás 9192631770 periódusának időtartama. Áramerősség: Az amper olyan állansó elektromos áram erőssége, amely két párhuzamos, egyenes, végtelen hosszúságú, elhanyagolhatóan kicsiny kör keresztmetszetű és vákuumban egymástól 1 m távolságban lévő vezetékben áramolva, e két vezeték között méterenként 2·10-7 N erőt hoz létre. Környezeti méréstechnika

4

Alapegységek II Hőmérséklet: A kelvin a víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 1/273,16-szorosa. Anyagmennyiség: A mól annak a rendszernek az anyagmennyisége, amely annyi elemi egységet tartalmaz, mint ahány atom van 0,012 kg 12C-ben. Fényerősség: A kandela a feketesugárzó 1/600000 m2-nyi felületének fényerőssége, a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén, 101325 Pa nyomáson.


5

Az SI prefixumai 1018

exa-

E

10-1

deci-

d*

1015

peta-

P

10-2

centi-

c*

1012

tera-

T

10-3

milli-

m

109

giga-

G

10-6

mikro-

µ

106

mega-

M

10-9

nano-

n

103

kiló-

k

10-12

piko-

p

102

hekto-

h*

10-15

femto-

f

101

deka-

da*

10-18

atto-

a


6

A prefixumok használatára vonatkozó szabályok A prefixumot egybeírjuk a mértékegység nevével A prefixum jelét és a mértékegység jelét egymás mellé írjuk Összetett prefixumokat nem alkalmazhatunk. A hekto, deka, deci és centi prefixumok használatára vonatkozó szabályok A méterrel (m2, m3) kapcsolatban a deci és a centi prefixum használható A literrel kapcsolatban a hekto, deci és a centi prefixum használható A grammal kapcsolatban a deka (jelölés: dag), és a centi prefixum alkalmazható Környezeti méréstechnika

7

SI-n kívüli, korlátozás nélkül alkalmazható egységek Térfogat: liter (l) Síkszög: fok (°), ívperc (‘), ívm ásodperc(‘’) Tömeg: tonna (t) Idő: perc (min), óra( h), nap (d) Sebesség: km/h Hőmérséklet: °C Munka és energia: W·h Csak meghatározott szakterületeken alkalmazható, nem SI egységek: tengeri mérföld, fényév, hektár, atomi tömegegység, elektronvolt, voltamper Környezeti méréstechnika

8

Mi a mérés? A mérés során megállapítjuk, hogy a mérendő mennyiség hányszorosa, vagy hányadrésze egy általunk önkényesen választott egységnek. A mérések különböző okok miatt mindig rendelkeznek hibával (pontatlansággal)


9

Mérési módszerek A mérés lehet Közvetlen A mérendő mennyiséget a mérőeszköz közvetlenül méri Közvetett. Egyváltozós eset: Az ismeretlen mennyiség a mért mennyiségből valamilyen elméletileg ismert képlet segítségével számítható ki. Többváltozós eset: Az ismeretlen mennyiség két, vagy több mért mennyiségből elméletileg ismert képlet segítségével határozható meg. Mind a közvetlen, mind a közvetett mérés alapulhat mutató kitérésen vagy nullmódszeren. Környezeti méréstechnika

10

Mérési módszerek Mind a közvetlen, mind a közvetett mérés mutató kitérésen vagy nullmódszeren alapulhat. Mind a kitéréses, mind a nullmódszeres mérés többféle elven valósítható meg. Összehasonlító mérési módszer Helyettesítő mérési módszer Hídmódszer Kompenzációs mérési módszer Differenciál módszer Környezeti méréstechnika

11

Összehasonlító mérési módszer A mérendő mennyiséget egy ismert mennyiséggel hasonlítjuk össze. A változtatható ellenállást úgy állítjuk be, hogy az áram megegyezzen az ismeretlen ellenálláson átfolyóval. Ekkor nyilván Rx=RN Pl:


12

Helyettesítő mérési módszer A mérendő mennyiséget etalonnal helyettesítjük. Rx a mérendő, R0 az etalon ellenállás


13

Hídmódszer Az R2 változtatásával a műszer nulla kitérését keressük meg. Ekkor:

Rx R2 = R1 R3 Rx R2 = R1 R3


14

Kompenzációs mérési módszer Ux=I·R1 és UN=I·R2 Innen: Ux R1 = U N R2


15

Differenciál módszer Közel azonos értékeket hasonlítunk össze, úgy, hogy a köztük lévő különbséget mérjük. Az IN értékét számítással határozzuk meg, az I-t mérjük, végül Ix=IN-I


16

Mérési eredmények kiértékelése Mérési hibák 1. Standard hiba: az adott mérőeszközre jellemző 2. Eltolódás: a mérőeszköz instabilitása, vagy helytelen beállítása okozza 3. Állandó (szisztematikus) hiba: eredhet a mérőeszköz helytelen hitelesítéséből, hibás mérési módszerből, vagy figyelembe nem vett, mellékesnek gondolt hatásból 4. Észlelési (véletlen) hiba: ideiglenes berendezés hibából, elnézésből eredhetnek 5. Statisztikus hiba: nagyszámú, egymástól független esemény észlelésekor jelentkezik Környezeti méréstechnika

17

Mérési eredmények kiértékelése: a standard és a relatív hiba Legyenek x1, x2,...xn egy mérési sorozat eredményei A legvalószínűbb eredményt az egyes mérések számtani közepe adja:

x1 + x2 + ... + xn x= n

∆xi = x − xi Abszolút hiba: A mérési eredmények középhibája: ∆x =

A relatív hiba:

∆x12 + ∆x2 2 + ... + ∆xn 2

δx =

∆x x

n ⋅ (n − 1)

, vagy δx =


∆x x

⋅100% 18

Hibaterjedés. Egyváltozós eset. ∆y = ∆x ⋅ tgα  dY  ∆y =   ⋅ ∆x  dx  x = x

∆y = ∆x ⋅ tgα


19

Hibaterjedés. Többváltozós eset Az egyváltozós eset mintájára  ∂Y  ∆y =    ∂x 

2

 ∂Y  x = x ⋅ ∆x +   ∂y    2

2

 ∂Y  y = y ⋅ ∆y +    ∂z 


2

2 z=z

⋅ ∆z 2

20

A mért mennyiségek közti összefüggés meghatározása (regresszió és korrelláció) 1. Az összetartozó adatpárok ábrázolása derékszögű koordináta rendszerben Az adatok egyenes mentén helyezkednek el. Ekkor y=m·x+b, a feladat az m és b paraméterek megállapítása Az egyenes szabad szemmel történő berajzolás a koordináta rendszerbe A legkisebb négyzetek módszerének alkalmazásával a legjobban illeszkedő egyenes paramétereinek meghatározása

Az adatok nem egyenes mentén helyezkednek el Függvénytranszformációkkal olyan új mennyiségek bevezetése, amelyek közt lineáris összefüggés áll fenn.


21

Lineáris regresszió n

S = ∑ ( yi − m ⋅ xi − b )2 = min i =1

n ∂S = 2 ⋅ ∑ ( yi − m ⋅ xi − b ) ⋅ xi = 0 ∂m 1

n ∂S = −2 ⋅ ∑ ( yi − m ⋅ xi − b ) = 0 ∂b 1

Kétismeretlenes egyenletrendszer a meghatározandó m és b paraméterek számára Környezeti méréstechnika

22

Nemlineáris regresszió: gyakran előforduló transzformációk 1. Legyen a feltételezett függés

y = b ⋅ e m⋅x

Mindkét oldal logaritmusát véve

ln y = ln b + m ⋅ x

Látható, hogy most ln y x-nek lineáris függvénye 2. Legyen a feltételezett függés m

y = b⋅ x

Mindkét oldal logaritmusát véve

ln y = ln b + m ⋅ ln x Látható, hogy most ln y ln x-nek lineáris függvénye Környezeti méréstechnika

23

3. y=a·x/(x+b) y= Pl. az U0 üresjárási feszültség Rk-tól való függése Vezessük be az y’=x/y új változót 4. y=a·x/(x+b)2 Vezessük be az y’=x/y új változót


24

Analóg és digitális mérés Analóg műszer: a mérendő mennyiséget egy vele arányos jellé, mutató kitéréssé, írófej kitéréssé (rekorderek) alakítja. Elvben tetszőleges pontosságú A mért értéket állandóan jelzi Ezek a tulajdonságok a gyakorlatban csak korlátozottan használhatók ki

Digitális műszer: a mérendő mennyiség számértékét közvetlenül jelzi ki A digitálisan kijelzett érték elvileg nem végtelen pontos A kijelzett érték nem folytonos A gyakorlat megfelelő kijelzési gyakoriság és pontosság biztosítható. Környezeti méréstechnika

25

A mérőműszerek jellemzői A műszerek felépítése Érzékelő Információ átalakító Információ továbbító Információközlő

Osztályozás A mérendő mennyiség szerint A mérés időbeli lefolyása szerint Folyamatosan mérő Szakaszosan mérő

Az érzékelő és az adatközlő szerv helyzete alapján Helyszínen mérő Távmérő Környezeti méréstechnika

26

A műszerek rendeltetésük szerint Mutató műszerek: a mért mennyiség pillanatnyi értékének közlésére alkalmasak. Regisztráló műszerek: a mért mennyiség változásának feljegyzésére alkalmasak, leggyakrabban az idő vagy az elmozdulás függvényében. Jelzőműszerek: a mérendő mennyiség beállítható határértékét, illetve ennek túllépést jelzik. Számláló műszerek: a mért mennyiség pillanatnyi értékeiből képezhető integrálokat közölnek. Adatfeldolgozó műszerek: a mért jellemzők meghatározott célból történő feldolgozására alkalmasak. Szabályozó műszerek: a szabályozáshoz alkalmas, ún. beavatkozó szervvel látják el.


27

Mérőberendezések építőelemei Elektromechanikus mérőműszerek Állandó mágneses (Deprez) műszerek Elektrodinamikus műszerek Lágyvasas műszerek Indukciós műszerek

Elektronikus Műszerek


28

Folyadékok sűrűségének mérése Mohr – Westphal mérleg Piknométer Areométer


29

A nyomás mérése Membrános és Bourdon csöves manométerek

Barométerek: a légnyomás mérésére szolgálnak Környezeti méréstechnika

30

Térfogatáram mérése


31

Nyomásszonda A dinamikai nyomás mérése


32

Pitot cső A B torlódási helyen a v=0-hoz tartozó teljes nyomást méri.


33

Prandtl cső A p0-p torlónyomást méri, amelyből az áramlás sebessége megadható.


34

A hőmennyiség és a fajhő mérése


35

Az égéshő mérése Égéshő: az a hőmennyiség, amely az egységnyi tömegű tüzelőanyag tökéletes égésekor állandó hőmérsékleten, 3 MPa túlnyomású O2-ben felszabadul. Fűtőérték: az elégetéskor a tüzelőanyagból távozó H2 elégéséből keletkező víz párolgáshőjével csökkentett égéshő. A kaloriméter bomba kaloriméterben helyezkedik el. Környezeti méréstechnika

36

Folyadékok elektromos vezetésének meghatározása Szilárd anyagok vezetőképességének mérése ellenállás méréssel történik. Folyadék vezetőképességének mérése a folyadékba meríthető indiferens elektródapárból készült mérőcella segítségével történhet, ahol C a cellaállandó.

σ=

1 l 1 ⋅ = ⋅C R A R

Mérésére hangfrekvenciás (1000 Hz) váltakozó áram használatos. A cellaállandó időszakos kalibrálásához Ismert töménységű KCl oldat sorozat használható. Környezeti méréstechnika

37

pH mérés Definíció szerint a pH a H ion koncentráció negatív logaritmusa, amely a mérőelektróda és a vonatkoztatási elektróda közti potenciálkülönbség mérésére vezethető vissza. U 2 − U1 = −

2.3 ⋅ R ⋅ T ( pH 2 − pH1 ) zH + ⋅ F

Ahol zH+=1 a H ion vegyértéke F a Faraday - féle állandó (96487 As/gekv) R az egyetemes gázállandó (8.314 J/mol K) T a kelvinben mért hőmérséklet. Környezeti méréstechnika

38

Érzékelők (szenzorok, jelátalakítók, mérőátalakítók)) Olyan eszközök, amelyek a legkülönfélébb nem elektromos mennyiségek (mechanikai, termikus, optikai, stb.) elektromos úton történő mérését teszik lehetővé Előnyeik Elektromos mennyiségeket (feszültség, áramerősség, ellenállás) egyszerűen és nagy pontossággal mérhetünk Kis méretűek, a tehetetlenségük kicsi, így a mérendő mennyiség megváltozását gyorsan követik A mérés és a leolvasás helye nem kell, hogy azonos legyen A legfontosabb előnyük, hogy nem csak mérésre, hanem folyamatszabályozásra is használhatók. Környezeti méréstechnika

39

Az érzékelők típusai Passzív érzékelők, amelyeknek az (általános értelemben vett) ellenállása változik Rezisztív (ohmos ellenállás változik) Kapacitív (kapacitív ellenállás változik) Induktív (induktív ellenállás változik)

Aktív érzékelők, amelyekben feszültség keletkezik


40

Az érzékelők érzékenysége

∆K É= ∆B

Karakterisztika: a bemeneti és kimeneti mennyiségek közti kapcsolat ∆K Érzékenység: É = ∆B küszöbérték: a mérendő mennyiség megváltozásának az a legkisebb értéke, amelynél a kimeneti mennyiség változása mérhető


41

Néhány gyakran használt érzékelő A mérendő mennyiség

Érzékelő Passzív (ellenállás) típusok

Pozíció és elmozdulás

Lineáris potencióméter

Anyagra ható erő vagy nyomás és deformáció

Nyúlásmérő bélyeg

Hőmérséklet

Fém vagy félvezető ellenállás hőmérő

Páratartalom

Kapacitív érzékelő

Szilárd anyag nedvességtartalma

Kapacitív érzékelő

Fényintenzitás

Fotoellenállás Aktív típusok

Erő vagy nyomás

Piezoelektromos kristály

Hőmérséklet

Termoelem

Fényintenzitás

Fényelem Környezeti méréstechnika

42

A passzív érzékelők használata Ellenállás mérése a mérendő mennyiség függvényében Munkaellenállás sorbakapcsolásával


43

Áram – feszültség karakterisztika


44

Áram – feszültség karakterisztika; az önfűtés figyelembe vétele


45

Hídkapcsolás


46

A hídáramkör jelének erősítése r4 U1 = ⋅ U h2 r3 + r4 r U 2 = 2 ⋅ U ki − U h1 r1 + r2

(

U ki = −

)

r2 r ⋅ (r + r ) ⋅U h1 + 4 1 2 ⋅ U h2 r1 r1 ⋅ (r3 + r4 )

Ha r1=r3 és r3=r4, akkor

U ki = −

r2 r r ⋅U h1 + 2 ⋅U h2 = − 2 ⋅ U i r1 r1 r1


47

Potencióméteres átalakító Főleg helyzet, pozíció vagy elmozdulás mérésére, amely más mennyiségekkel is összefügghet. Közbenső mennyiségként elmozdulást vagy szögelfordulást állítanak elő, ezt képezik le ellenállásváltozássá. Főbb típusai Tolóellenállásos Forgókaros érintkezős

Elmozdulás (erő) mérése

Nyomás mérése


Nyomás (folyadékszint) mérése

48

Pozíció vagy elmozdulás mérése kapacitív vagy induktív érzékelővel C=ε·ε0·A/l, Felületváltozáson alapuló szenzor Fegyverzetek egymáshoz képesti elmozdulása Elfordulása

A fegyverzetek távolságán alaupló szenzorok A dielektromos állandó változásán alapuló szenzorok Rm=µ·l/A+µ0·δ/A Légrés nagyságának változtatás Vasmag helyzetének változtatása Kéttekercses differenciál átalakító Környezeti méréstechnika

49

További kinematikai mennyiségek mérése aktív (induktív) érzékelőkkel Működésük a l

U = ∫ B ⋅ v ⋅ sin αds 0

mozgási indukción alapul. a., b. rezgésmérés. Integráló tag felhasználásával elmozdulás, differenciáló taggal gyorsulásmérés. c. szögsebesség, illetve szögelfordulás, vagy szöggyorsulás mérése. d. fordulatszám mérés. Ha a mágnesek turbinakeréken vannak elhelyezve, akkor térfogatáram mérés.


50

Nyúlásmérő bélyeg (tenzoellenállás) R=ρ·l/A, A relatív ellenállás változás:

dR dρ = ε ⋅ (1 + 2 ⋅ µ ) + R r

ε·(1+2·µ) a tenzometrikus, dρ/ρ a piezorezisztív ellenállás változás. dR/r=k·ε, K a mérőelem nyúlási tényezője. Ellenállás szabványosított: 120, 350, 600 és 1000 Ω. A bélyeg lehet fém, vagy félvezető.

Kételemes, halszálkás, deltarozettás bélyegek ismeretlen feszültségi irányok mérésére.

Tangenciális, és radiális nyúlás mérésere


51

Nyúlásmérő bélyeg (folytatás) Használat: általában kiegyenlítetlen hídban Az indikáló műszerre jutó feszültség: Ui =

R3 R1 − ⋅U 0 R3 + R4 R1 + R2

Egytengelyű feszültség mérése egyetlen bélyeggel: negyed híd U = ± ∆R ⋅U i

Félhíd: R1=R+∆R, R2=R-∆R ± ∆R ⋅U 0 Teljes híd: U i= R


4⋅ R

0

± ∆R Ui = ⋅U 0 2⋅ R

52

Piezoelektromos érzékelő SiO2 térbeli szerkezete. x irányú erő hatására Qx=d·Fx töltés keletkezik. Si-ra d=2,2·10-12 C/N Qy=-d·(b/a)·Fy. A z tengely irányú erők nem hoznak létre töltést. U=Q/C=d·Fx/C, ahol C=εr·ε0·A/a, εr=4,5

Pl. 1 cm élhosszúságú kockánál C=0,4 pF, és d/C=5,6 V/N

d/C az érzékelő meredeksége

Erőmérés mellett nyomásmérésre is alkalmazható. Környezeti méréstechnika

53

Hőellenállások Fémeknél Rt=R0·(1+α·∆t). Pt, Ni. Termisztorok: átmenteti fémoxidból készül RT = R0 ⋅ e B / T

Homogén Si hőmérséklet érzékelő szenzorok Pozitív karakterisztikájú: Rt=R0·(1+α·∆t) Negatív karakterisztikájú: Rt=R0·(1-α·∆t)

Termoanemometria: folyadékok, gázok áramlási sebességének mérése hőmérséklet méréssel. Környezeti méréstechnika

54

Termoelem A hőelemen a hőmérsékletkülönbséggel arányos feszültség keletkezik (Seebeck eff). Termofeszültség 100 K hőmérsékletkülönbségnél: Cu-Ko: 4.19 mV NiCr-Ni: 4,14 mV Fe-Co: 3.86 mV A mérőelem forrasztási pontja az ún. melegpont, a referencia hőmérsékleten lévő a hidegpont. Peltier effektus Környezeti méréstechnika

55

Termooszlop Sorbakapcsolt termoelemekből áll.


56

A relatív páratartalom mérése Elektromos pszichrométerrel o

o

A két egyforma hőmérő fém, vagy félvezető ellenállás hőmérő Mérés kiegyenlítetlen hídban.

o Kapacitív páratartalom

érzékelő szenzor.


57

Nedvességtartalom mérése kapacitív érzékelővel


58

Fényintenzitás mérése Fotocella Fotoellenállás Fényelem egykristály polikristály amorf


59

Fotodióda, Fototranzisztor


60

Gázelemzés Sok komponens esetén Gázkromatográf tömegspektrométer

Csak néhány komponensből álló gázok elemzése fizikai tulajdonságok alapján: Hővezető képesség Mágneses tulajdonságok Elektromos tulajdonságok Optikai tulajdonságok

Alkalmazások Vegyipar: a kiinduló, vagy végtermék gáz Füstgázelemzés Környezeti méréstechnika

61

Hővezető képességen alapuló gázelemzők Állandó árammal fűtött ellenállás (pl. Pt szál hőmérséklete, és környezete közt egyensúly áll be. A hőmérséklet az ellenállást befolyásolja. Az áramló gáz sebessége hatásának kiküszöbölése: a fűtőszál diffúziós cellában helyezkedik el (időállandó növekedés). Az összehasonlító cella rendszerint levegőt tartalmaz Környezeti méréstechnika

62

Hővezető képességen alapuló gázelemzők (folytatás) Kétkomponensű gáz (pl. levegő és valamilyen gáz) esetén λ=λ1·q1/100+λ2·q2/100 Néhány gáz hővezető képessége 100 °C-on, levegőre vonatkoztatva Levegő 1,000 CO2 0,685 Argon 0,697 SO2 0,3895 Oxigén 1,022 kénhidrogén 0,637 Nitrogén 0,9956 vizgőz 0,738 H2 CO

7,38 1,0025

metán etán Környezeti méréstechnika

1,349 1,055 63

Katalítikus égetés Direkt fűtés: a mérő ellenállás hőmérő egyúttal a fűtőszál is (pl. Pt, vagy Pt-Ir). Ez egyben katalizátor is. A huzalt a mérni kívánt gáztól függően 100-500 °C-ra melegítik. Egyik fontos alkalmazása a füstgáz elemzés, pl. CO és H2 együttes meghatározása. Indirekt fűtés: A mérőkamrát elektromos fűtéssel melegítjük. Felhasználási mód szerint: Füstgázelemzésnél folyamatos gáz átáramlás Biztonságtechnikai műszereknél a láng terjedését megakadályozó fém-szinterrel fedett nyíláson jut be a gáz. Környezeti méréstechnika

64

Mágneses gázelemzők Mérésre a mágneses szuszceptibilitás használható fel. Paramágneses gázokra (pl. Oxigén) χ>0, diamágneses gázokra χ<0. Paramágneses gázok inhomogén mágneses térben a növekvő térerősség irányába mozdulnak el. Paramágneses gázokra Xp·T=C, C a Curie állandó az adott gázra, Xp a fajlagos szuszceptibilitás, χ/ρ. Innen χ=Xp·ρ arányos 1/T2-el. A paramágneses gázt inhomogén mágneses térben felmelegítve χ erősen lecsökken, és a hidegebb gáz kiszorítja, így áramlás indul meg. Környezeti méréstechnika

65

Mágneses gázelemzők (folytatás)


66

Különleges mérőátalakítók Hall szenzor: Ui=i·l·B Mágneses indukció mérése Fordulatszám mérés Térfogatáram mérés

Ultrahangos méréstechnika Vastagságmérés Szintmérés Áramlásmérés


67

Adatgyűjtő és kiértékelő rendszerek


68

Mikrokontrollerek (mikrovezérlők) Viszonylag jelentős tárterület a chipen belül (néhány kB nagyságrendű), amely adatok és programok tárolására használható (EEPROM típusú tár). Egyszer programozható típusok. Általában gépi kódban programozhatók. Többször programozható típusok. Magasabb szintű nyelveken is programozhatók. I/O portok jelek fogadására és/vagy kiadására. Környezeti méréstechnika

69

Parallax BASIC Stamp család BS1, BS2, BS2E, BS2SX, BS2P, BS2P40, BS2PE, BS2PX BS2: 2kB belső tár 16 I/O ki- és bemenetként tetszőlegesen programozható port Minden I/O 20 mA-t képes kiadni, és 25 mA-t képes elnyelni. 32 byte RAM Az I/O portokon további eszközök csatlakoztathatók.


70

Perifériák Külső memória SPI buszos I2C buszos

A/D konverter: 0-5 V közti feszültég számmá alakítása, az érték beolvasása Naptár/óra Portbővítő Billentyűzet Környezeti méréstechnika

71

BS2 tárak elrendezése EEPROM felosztása $000 címtől kezdődően felfelé adatok helyezkedhetnek el. $7FF címtől lefelé program helyezkedik el.

A RAM felosztása $0: a 0. szó (két byte) a 16 I/O port aktuális állapotát tartalmazza. INS, INL, INH, INA, INB, INC, IND, IN0,..IN15 $1: az első szó a 16 I/O port kimeneti értékeit tárolja. OUTS,... $2: a 2. szó a 16 I/O port irányát konfigurálja DIRS,... A többi RAM terület szabadon felhasználható. Környezeti méréstechnika

72

Változó deklarációk Változó név VAR bit, nib, byte, word Ha a bit/nib/byte/word kifejezések után egy számot írunk zárójelben, akkor egy tömböt deklarálunk Pl. A VAR nib(10): 10 db. Fél byte-ból álló tömb. Változó módosítók: LOWBYTE, HIGHBYTE, vagy BYTE0, BYTE1 LOWNIB, HIGHNIB, NIB0, NIB1,NIB2, NIB3 LOWBIT, HIGHBIT, BITX, ahol X=0,..,3 félbyte-nál, X=0,..,7 byte-nál, X=0,..,15 szónál. Konstans deklarálás: A CON a kifejezés értéke Pl. A CON 28 A CON után kifejezés is állhat, amely a következő műveleti jeleket tartalmazhatja: +, -, *,/,<<: shift left, >> shift right, & logikai AND, | logikai OR, ^ logikai XOR Pl. limit CON 10*4<<2. Mennyi a konstans értéke? Környezeti méréstechnika

73

Szám reprezentációk Letter CON „A” A ASCII kódja:65 Number CON 3 Hexnumber CON $80 Binnumber CON %11010


74

Műveletek Műveleteket a balról jobbra szabály alkalmazásával hajt végre. Ez zárójelezéssel módosítható. Ún. kétoperandusos műveletek: +, -, *, /, // ** ha a szorzás eredménye 16 bitnél nagyobb, akkor a felső 16 bitet adja vissza /: csak egész rész ad vissza //: törtrész ad vissza */: egy 32 bites eredmény középső 16 bitjét adja vissza

&: bitenkénti AND, |: bitenkénti OR, ^: bitenkénti XOR


75

Egyoperandusos műveletek: ABS, COS, SIN, SQR, << szám: shift balra a megadott számmal, >> szám: shift jobbra a megadott számmal DCD: 2n Pl. eredmény var word Eredmény = DCD 12 %0001000000000000 ~: bitenkénti negálás %1110111111111 NCD: a legnagyobb helyiértéken lévő 1 megkeresése; az eredmény ez az érték+1 Pl. eredmény var word Eredmény = %00001101 NCD eredmény: 4 Környezeti méréstechnika

76

Utasítások Vezérlő és ugró utasítások BRANCH: ugrás offset által specifikált címre IF .. THEN .. ELSE: program szakasz feltételes végrehajtása GOTO: megadott címre ugrás GOSUB, és RETURN: ugrás és visszatérés szubrutinból ON GOTO, VAGY ON GOSUB: ugrás offset által specifikált címre SELCT .. CASE:: több programszakasz feltételes végrehajtása STOP: program végrehajtás megállítása

Ciklusszervező utasítások DO .. LOOP: programszakasz feltételtől függő ismételt végrehajtása EXIT: kilépés ciklusból FOR .. NEXT: programszakasz feltétel nélküli ismételt végrehajtás

EEPROM utasítások DATA: adattárolás EEPROMban programletöltés közben READ adatkiolvasás EEPROMból WRITE adat írása EEPROMba


77

Utasítások (folytatás) Numerikus adatkezelés LOOKUP: felfelé számlálás, és az adat tárolása változóban LOOKDOWN: keresés táblázatban, a sorszám elhelyezése változóban RANDOM: álvéletlen szám generálása

Digitális I/O utasítások INPUT: egy pint bemenetnek állít OUTPUT: egy pint kimenetnek állít REVERSE: pin irány megfordítása LOW: egy pint kimentnek állít, és az értéke LOW lesz HIGH: egy pint kimentnek állít, és az értéke HIGH lesz TOGGLE: egy pint kimentnek állít, és az értéké ellenkezőjére fordítja PULSIN: Egy bejövő impulzus szélességét méri PULSOUT: Egy adott ideig tartó impulzus kiadás BUTTON: billentyű kezelése COUNT: adott idő alatt beérkező impulzusok leszámlálása


78

Utasítások (folytatás) Aszinkron soros I/O adatátvitel SERIN: adatbeolvasás a soros (RS232) vonalról SEROUT: adatkiküldés a soros vonalra

Szinkron soros I/O adatátvitel (soros perifériák) SHIFTIN: adatbeolvasás soros eszközről SHIFTOUT: adatkiírás soros eszközre

Analóg I/O PWM: Jelkibocsátás pulzusszélesség modulációval RCTIME: RC kör időállandójának mérése

Időzítés PAUSE

Hang FREQOUT: egy vagy két adott frekvenciájú szinusz rezgés generálása DTMFOUT: DTMF telefon tonus generálása

Tápfesz szabályozás NAP és SLEEP

Nyomkövetés DEBUG


79

Vezérlő és ugró utasítások szintaktikája BRANCH változó [cím0, cím1,..,címn] IF feltétel THEN utasitás(ok) ELSE utasítás(ok) Ha a feltétel teljesül, a THEN utáni utasítás hajtódik végre, ha nem, akkor az ELSE utáni utasítás GOTO cím: a program végrehajtása a cím-től folytatódik GOSUB cím: a szubrutint RETURN zárja le, a program végrehajtása a GOSUB utasítást követő utasítással folytatódik ON változó GOTO cím1, cím1, cím2 ON változó GOSUB cím0, cím1, cím2 SELECT kifejezés CASE feltétel(ek) utasítás(ok) CASE feltétel(ek) utasítás(ok) .. CASE ELSE utasítás(ok) ENDSELECT


80

Ciklusszervező utasítások szintaktikája DO utasítások LOOP UNTIL feltételek(ek) DO WHILE feltétel(ek) utasítások LOOP FOR számláló = kiinduló érték TO végérték STEP lépésköz utasítás(ok) NEXT


81

EEPROM utasítások Byte-ok tárolása DATA szám1, szám2,.. A 0. címtől kezdődően DATA @szám, szám1, szám2,.. a szám címtől kezdődően DATA @szám, (szám1) a szám címtől kezdődően szám1 helyet üresen hagy

DATA WORD szám: az alsó 8 bit tárolása az első byte-on, a felső 8 bit tárolása a 2. byte-on. Pl. DATA WORD 1125 READ cím {WORD} változó WRITE cím {WORD} változó Környezeti méréstechnika

82

Numerikus adatkezelés LOOKUP index [szám0, szám1,..,számn], változó Az index értéke 0-tól indul A számok száma max. 256 lehet A változó WORD lehet LOOKDOWN cél, {összehasonlítás} [szám0, szám1,..számn] változó Az összehasonlítás opcionális, az alapértelmezés: = A szám0,.. WORD lehet A változó BYTE Pl. cél = 17, LOOKDOWN 17, >[26, 177, 13, 1, 0, 17] eredmény. Az eredmény = 2 RANDOM változó 0-65535 közötti álvéletelen számot helyez el a változóban Környezeti méréstechnika

83

Digitális I/O utasítások INPUT pin pin 0..15. Pl. INPUT 8 Egyéb lehetőségek: IN8, vagy DIR8=0

OUTPUT pin REVERSE pin az I/O irány megváltoztatása LOW pin a megadott pin értékét 0-ra (0 V), és kimenetre állítja. Pl. LOW 6 ekvivalens a DIR 6=1 ; OUT 6=0 HIGH pin Pl. HIGH 6 ekvivalens DIR 6=1; OUT 6=1 (5 V) TOGGLE pin a pint kimenetnek állítja, és értékét megváltoztatja. PULSIN pin, állapot, változó. Állapot konstans/változó/kifejezés 0-1 a specifikált mérendő impulzus időtartamát méri állapot=LOW (0) az 1-0 átmenettől méri az időt, állapot=HIGH (1) a 0-1 átmenettől méri az időt. A változó egysége 2 µs .

PULSOUT pin, időtartam. Az időtartam egysége 2 µs. BUTTON pin, lenyomott, késleltetés, ciklus, munkabyte, célállapot, cím Pl: BUTTON 1,1, 10, 20, bt, 1, cím

COUNT pin, időtartam, változó az időtartam (ms) alatt a pin-re érkező impulzusok számát helyezi a változóba.


84

Aszinkron soros I/O adatátvitel SERIN pin, {fpin}, baudmód, {időtúllépés, cím,} [inputdata] Pin=0,..,15, Pin=16 az ún. belső soros port fpin az adatáramlást vezérlő pin, Baudmód: 0-11 bit az átviteli sebesség:1000000/baud rate-20. Pl 9600 bit/s-nál baudmód=84. 13 bit=0 8 bit, nincs paritás, 13 bit 0: nem invertált, 1: invertált.

SEROUT pin, {fpin,} baudmód, {időtúllépés, cím,} [outputdata] Környezeti méréstechnika

85

Szinkron soros I/O adatátvitel (soros perifériák) SHIFTIN dpin, cpin, mód, [változó\bits] dpin: az adatbemenet, cpin: az órajel bemenet mód: 0: msb először, előtte órajel 1: lsb először, előtte órajel 2: msb először, utána órajel 3: lsb elsőször, utána órajel

SHIFTOUT dpin, cpin, mód, [változó\bits] Pl. 8 bit (byte) olvasása memóriából. dio CON 11: clk CON 10: i VAR word, (memoria chipselect:) csmem CON 13: LOW csmem: SHIFTOUT dio, clk, msbfirst, [3]: SHIFTOUT dio, clk, msbfirst, [i\16]: SHIFTIN dio, clk, msbpre [bit1]: HIGH csmem Környezeti méréstechnika

86

Analóg I/O/Időzítés/Hang PWM pin, kitöltés, ciklus A pin kimenet lesz Kitöltés: 0-255, a kitöltési tényező Ciklus: 0-255, hány ciklusig tart a jel A pin visszaáll bemenetre RCTIME pin, állapot, változó A pin bemenet lesz Az idő lesz 2 µs egységben mérve, amig a pin „állapot” állapotban van. Állapot: 0-1. Az eredmény a változóba íródik. Túlcsordulás esetén (τ>131 ms) esetén a változóba 0 íródik. PAUSE x várakozás x ms –ig x 0- 65535 FREQOUT pin, időtartam, f1, {f2} Időtartam: ms. Környezeti méréstechnika

87

Nyomkövetés DEBUG kifejezés x VAR Byte x=65 Pl. DEBUG x; eredmény „A”

Speciális formázó karakterek a DEBUG-ban ?: ”szimbólum”=érték + CR ASC?: „szimbólum”=érték + CR, ahol érték egy ASCII karakter. STR ByteArray{\L}: karakter kiküldése string tömbből. Az L hossz opcionális. DEC{1..5}: érték decimális kijelzése. A számjegyek száma opcionális. Pl. x=65: DEBUG DEC4 x: eredmény 0065. x= 56422: DEBUG DEC4: 6422 SDEC{1..5}: előjeles decimális érték kijelzése. HEX{1..4}: érték hexadecimális kijelzése. SHEX{1..4} előjeles hexadecimális érték kijelzése. IHEX, ISHEX: a hexadecimális érték kijelzése vezető $ jellel. BIN{1..16}: érték bináris kijelzése. SBIN{1..16}: előjeles bináris érték kijelzése. IBIN, ISBIN: a bináris érték kijelzése a vezető % jellel.


88

Soros memória olvasás deklarációk clk CON 6 dio CON 7 i VAR Word bt Var Byte memread: LOW csmem SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [3] SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [i\16] SHIFTIN, dio, clk, MSBPRE, [bt] HIGH csmem RETURN Hivás: Pl. i=233: gosub memread A bt változóba kerül a 233. címen lévő byte. Környezeti méréstechnika

89

Soros memória írás Deklarációk clk CON 6 dio CON 7 i VAR Word bt Var Byte reads: LOW csmem SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [5] SHIFTIN, dio, clk, MSBPRE, [bt2] HIGH csmem RETURN memwrite: GOSUB reads IF bt2.bit0=1 THEN memwrite LOW csmem SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [2] SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [i\16] SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [bt] HIGH csmem

Hívás: Pl. i=233: bt= 240: gosub memwrite


90

A/D konverter olvasása Deklarációk clk CON 6 dio CON 7 i VAR Word bt Var Byte ad Var Word config Var Byte startbit Var config.bit0 sgldif Var config.bit1 oddsign Var config.bit2 select1 Var config.bit3 select0 Var config.bit4 adcread: config=config | %11100011 LOW csadc SHIFTOUT dio, clk, LSBFIRST, [config\8] SHIFTIN dio, clk, MSBPOST, [ad\12] HIGH csadc

RETRUN Hívás oddsign=0: select1=0: selct0=0: GOSUB adcread Környezeti méréstechnika

91

Írás 2*16 karakteres LCD-re Parancs kiírás az LCD-re lcdcom: HIGH 5: OUTL=kom | 32: PAUSE 10: PAUSE 10: LOW 5: RETURN Karakter kiírása az LCD-re char: kom=kar/16 | 16: GOSUB lcdcom kom=kar&15 | 16: GOSUB lcdcom RETURN LCD inicializálása FOR i= 0 TO 13 LOOKUP i, [3,3,3,2,2,8,0,12,0,6,1,4,0,1], kom GOSUB lcdcom NEXT Karakterkiírás az első sorba, tetszőleges pozícióba kom=8: GOSUB lcdcom: kom=i: GOSUB lcdcom (i=0..15) FOR i=0 TO 12 LOOKUP i, [„Merestechnika”], kar GOSUB char

NEXT

Karakterkiírás a második sorba, tetszőleges pozícióba kom=12: GOSUB lcdcom: kom= i: GOSUB lcdcom (i=0..15)


92

Környezeti méréstechnika

Recommend Documents