SZÁMÍTÓGÉPES MÉRÉSTECHNIKA

SZÁMÍTÓGÉPES MÉRÉSTECHNIKA Váradiné dr. Szarka Angéla Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszék Tel: 06-46-565-143 e-mail: [email protected]

2

Számítógépes méréstechnika mérőeszközei

3

Mérés Információszerzés, a megismerés eszköze; egy fizikai (kémiai, stb.) mennyiség összehasonlítása a mértékegység egységnyi mennyiségével.

4

Mérés • Közvetlen (kétkarú mérleg, tolómérő) • Közvetett (hőellenállás, piezoelektromos gyorsulásmérő) • Analóg • Digitális

(mutatós műszerek, analóg kimenetű érzékelők) (számkijelzős műszerek, diszkrét kimenetű érzékelők) 5

Méréselméleti alapok Mérési hibák csoportosítása • Rendszeres hiba • Véletlen hiba • Durva hiba

6

Rendszeres hiba • Nagysága és előjele meghatározható, így ezzel a mérési eredményt pontosítani lehet Véletlen hiba • Időben változó hatást mutatnak, nagyságát és előjelét nem ismerjük. • Megadása egy olyan ±σ szélességű intervallummal, amelyben a véletlen hibától mentes valódi érték 99,74%-os valószínűséggel benne van. Ezt az intervallumot megbízhatósági, vagy konfidencia intervallumnak nevezzük. 7

Mérési hibák megadása, számítása • Abszolút hiba

H =m− p

• Relatív hiba

H h= p

• Méréshatárra vonatkoztatott relatív hiba (katalógus adat)

vagy

m – mért érték p – pontos érték

H h% = 100% p

H h = ⋅100% p v

v

pv - méréshatár 8

Összefüggés az abszolút hiba és a relatív hiba között Mivel a méréshatárra vonatkoztatott relatív hiba állandó érték, így

h ⋅p H= 100 v

v

az abszolút hiba a méréstartomány teljes terjedelmén változatlan.

9

Összefüggés az abszolút hiba és a relatív hiba között Ebből következik, hogy a relatív hiba

h ⋅p h% ≈ m v

v

mely a méréshatárhoz közelítve egyre csökken. 10

Relatív hiba változása a mért érték függvényében hα

←mérés→ αv

α

11

Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) Hall elemes áramérzékelő adatai: Méréstartomány: 5 A Méréstartományra vonatkoztatott relatív mérési hiba: < ± 0,4% Mekkora a mérés relatív hibája, ha a. 4,5 A áramot mérünk b. 0,5 A áramot mérünk 12

Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) A mérés abszolút hibája: hv ⋅ pv 0,4 ⋅ 5 H= = = 0,02 A 100 100

A mérés relatív hibája: a.) 0,02 H h ≈ 100% = 100% = 0,44% m 4,5 b.)

0,02 H h ≈ 100% = 100% = 4% m 0,5 13

Következtetés: A legpontosabb precíziós berendezéssel is lehet rossz - nagy mérési hibával- mérést végezni, ha a mérést nem megfelelően tervezzük meg, a mérési paramétereket nem megfelelően választjuk ki.

14

Digitális mérések elméleti alapjai A digitális műszerek alap áramkörei • • • • • •

szűrők erősítők feszültségkövető műveleti erősítős összegző komparátor integráló tag

15

Digitális mérések elméleti alapjai Invertáló erősítő

R A=− R

v

1

R U = −U ⋅ R

v

ki

be

1

16

Digitális mérések elméleti alapjai Feszültségkövető

A =1

U =U ki

be

17

Digitális mérések elméleti alapjai Összegző erősítő

 Rv Rv  U ki = −U1 ⋅ + U 2 ⋅  R1 R2  

18

Digitális mérések elméleti alapjai Komparátor

Uki = + Utáp ha U1 < U2 Uki = - Utáp ha U1 > U2

19

Digitális mérések elméleti alapjai Integráló tag U

Ut

-Ut

t

Uki

Ube

U Ut

t U =− ⋅U RC ki

Uki

Ube t

-Ut be

U Ut

20

t

Számítógépes mérések alapjai

21

Számítógépes mérőrendszer feladatai • adatkezelés: gyűjtés, tömörítés, egyszerűsítés, kiértékelés, tárolás; • műszerek, egyéb perifériák, folyamatok vezérlése; • mérési folyamat fejlesztés; • dokumentálás. 22

On-line és off-line rendszerek

információ mérési folyamat

adat rögzítés folyamatos adatfeldolgozás

folyamat vezérlés

adatfeldolgozás mérés után egy későbbi időben eredmények részeredmények

vezérlés felhasználói adatok

23

• Simplex kommunkáció Adó

Vevő

• Half – duplex kommunkáció Adó-Vevő

Adó-Vevő

• Full – duplex kommunkáció Adó/Vevő

Adó/Vevő 24

Számítógépes mérőrendszer struktúrái Műszer

PC szabványos protokol Simplex kommunikáció

Műsz Műsz

PC

Műsz Műsz

Műsz

Műsz

Műsz

PC

Műsz

PC

Műszer

PC kommunikációs csatorna

PC szabványos protokolt támogató egységgel szerelve

műszer műszer műszer

egy vagy több műszer



processzor PC vezérlés

processzor PC vezérlés

processzor PC vezérlés kommunikációs csatorna

Interface Supervisor PC

25

Számítógépes mérőrendszer szoftver feltételei [Op. rendszer] [Adatgyűjtés] [Programnyelv] [Dokumentálás] [Adatbázis] Windows Linux Mac

DAQ-drive LabWindows LabView Note-book

Pascal C Assembly

Szövegszerkesztők Word

Excel Access

26

Számítógépes mérőrendszerekben alkalmazott adattovábbítás módszerei • Programozott • Megszakítás vezérelt (Interrupt) • Közvetlen memória eléréssel vezérelt (DMA) 27

Programozott (polen) adat továbbítás • Időosztásos módszer • Processzor vezérelt művelet • Lassú

28

Megszakítás (Interrupt) vezérelt adat továbbítás • Prioritás kódoló • Processzor vezérelt művelet, a processzor a megszakítás engedélyezésekor felfüggeszti az éppen folyamatban lévő műveletet és levezérli az engedélyezett műveletet. A művelet végén folytatja a felfüggesztett műveletet • Közepes sebességű

29

Megszakítás (Interrupt) vezérelt adat továbbítás Engedélyezett IRQ jelek dekódoló IRQ cím engedélyező vonal

processzor

periféria

periféria

bináris kód a megszakításhoz MAGAS

prioritás kódoló ALACSONY

megszakítás kérő vonalak 30

Közvetlen memória elérés (DMA) vezérelt adat továbbítás • A perifériák prioritással rendelkeznek ebben az esetben is • A processzor nem vesz részt a művelet vezérlésében • Az engedélykérés a DMA vezérlőhöz fut be, amely engedélyezés esetén átveszi a processzortól a rendszer busz feletti vezérlést. • Gyors

31

Közvetlen memória elérés (DMA) vezérelt adat továbbítás kommunikációs busz

vezérlés

vezérlés

vezérlés

vezérlés

DMA engedély CPU

DMA vezérlő

periféria

memória

Engedély kérés

32

Számítógépes mérőrendszer felépítése Táplálás Érzékelő/ Jelkondíbemenet átalakító cionáló (hő, fény, erő, nyomaték, rezgés, stb.)

Tápfeszültség Jelformáló

Vezérlés MUX

S/H

PC vezérlés A/D átalkító

33

Érzékelők, átalakítók Csoportosítás A felhasznált energia szerint

aktív passzív analóg digitális

Kimeneti jel szerint

frekvencia kódolt linearitás

Egyéb jellemzők szerint

pontosság érzékenység terjedelem

34

Példák érzékelőkre Pt100-as hőmérséklet érzékelő intelligens átalakítóval

35

Példák érzékelőkre Pt100-as hőmérséklet érzékelő intelligens átalakítóval

36

Példák érzékelőkre Piezoelektromos gyorsulás érzékelő töltéserősítővel 1

2 3

4 5

1 - kábel csatlakozó 2 - ház 3 – precíziós tömeg 4 - kvarc lapocskák 5 - előfeszítő persely 7 - felfogó furat

7

37

Példák érzékelőkre

Piezoelektromos gyorsulás érzékelő töltéserősítővel

38


Lézeres távolságmérő

39



40



41


Indukciós elmozdulás mérő

42


Nyúlásmérő bélyeges erőmérő Félvezetős bélyeg:

Hagyományos bélyeg:

Fólia elrendezések:

43


Nyúlásmérő bélyeges erőmérő Hőkompenzált mérés:

44


Nyúlásmérő bélyeges erőmérő

45


Nyúlásmérő bélyeg rozetták

46


Hall elemes áramátalakító (lakatfogó) SECONDARY CURRENT +15V

VM Is

A

M OV

RM measuring resistance Ic -15V

HS Ip PRIMARY CURRENT

VH HP

Hall Voltage

Ic

ahol UH - Hall feszültség K - Hall állandó ( a félvezető anyagától függő érték) H - A mérendő áram mágneses tere IC - állandó értékre beállított áram

NP ⋅ IP + NS ⋅ IS = 0

Secondary Field

Ic

U H = K × H × Ic

NP ⋅ IP = NS ⋅ IS

Secondary winding

Is

Primary Field

Hall generátorhoz használt anyagok: In (Indium), Sb (Antimonium) Ga (Gallium), As (Arsenium)

ahol

Np - primer menetszám Ip - primer áram Ns - szekunder menetszám Is - szekunder áram 47

Analóg jelkondicionáló Feladata: a jelet digitalizálásra alkalmassá tenni Típusai: • Erősítő • Zajszűrő • Antialiasing szűrő 48

Analóg jelátalakító Feladata: a jelet feldolgozásra (analizálásra) alkalmassá tenni Típusai:

integráló deriváló szűrők, stb. 49

Analóg multiplexer Feladata: csatornakiválasztó; többcsatornás mérés esetén a jelek sorbarendezése a mintavételezéshez

50

Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H) Feladata: mintavételezés és a vételezett minta tartása a feldolgozásig

51

Mintavevő / tartó áramkör

52

Mintavevő / tartó áramkör Összefüggés a kondenzátor kapacitása, a mintavételezési idő és a tartási drift között Kondenzátor Mintavételezési idő 10 nF 20 µs

Tartási drift 3 mV/s

1 nF

4 µs

30 mV/s

100 pF

3 µs

200 mV/s

25 pF

170 ns

5 V/s

10 pF

10 ns

50 V/s

53

Analóg jelek mintavételezése

digitalizálása f(t)

f(t)

f(t0) Q

t0

Tmv

t

Mintavételezési törvény

f m v > 2 ⋅ ( f jel ) m ax

t

1 1 1

2

N-1

2

N-2

2

N-3

1 1 1

....

2 2 2 1 20 54

LSB – Least Significant Bit – 00000001 (kvantum) MSB – Most Significant Bit – 10000000 FS – Full Scale – 11111111 ULSB = UFS / 2n

UMSB = UFS / 2

Példa: 12 bites átalakító maximális bementi feszültsége 10 V. UFS = 10 V

ULSB = 10/212=10/4096 = 2,44 mV

U = 10/2 =5 V 55

Kvantálási hiba Abszolút kvantálási hiba: Relatív kvantálási hiba:

U LSB 1 HQ = ± Q = 2 2 hQ ≈ ±

HQ Ux

⋅100%

Példa: Az előző példában használt átalakítóval mérünk 8 V-ot. 2,44mV HQ = ± = ±1,22mV 2

1,22 ⋅10−3 hQ ≈ ± ⋅100% = ±0,015% 8 HQ 1,22 ⋅10−3 hQv = ⋅100% = ⋅100% = 0,0122% U FS 10

56

Az előző példában használt átalakítóval mérünk 50 mV-ot. Abszolút kvantálási hiba: U LSB 2,44mV HQ = ± = = ±1,22mV 2 2

Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: 1,22 ⋅10−3 hQv ≈ ± 100 = ±0,0122% 10 Relatív hiba:

1,22 ⋅10−3 hQ ≈ ± ⋅100% = ±2,44% 0,05 57

Végezzük el az előző méréseket egy 16 bites átalakítóval. Abszolút kvantálási hiba: H = ± U LSB = 10 = ±76 µV Q

2

65536 ⋅ 2

Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: hQv ≈ ±

Relatív hiba:

HQ U FS

76 ⋅10 −6 ⋅100% = ± 100 = 7,6 ⋅10 − 4% 10

76 ⋅10 hQ ≈ ± 8

−6

⋅100% = ±9,5 ⋅10− 4%

76 ⋅10−6 hQ ≈ ± ⋅100% = ±0,152% 0,05

58

Analóg -digitál átalakító Feladata: az S/H áramkör kimenetéről érkező jel digitalizálása A/D átalakítók csoportosítása

közvetlen

számláló

kétoldali párhuzamos

közvetett

U/t

U/f 59

Digitál – analóg átalakítás Q0

R0

Q1

R1

Q2

R2

Q3

R3

Rv

-

Ube= 1 V

Rv = 8 kΩ R0 = 8 kΩ R1 = 4 kΩ R2 = 2 kΩ R3 = 1 kΩ

+

Uki

Q0 0 0 0 0 0 0

Q1 0 0 0 0 1 1

Q2 0 0 1 1 0 0

Q3 -Uki 0 0 1 1 0 2 1 3 0 4 1 5

M 1

M 1

M 1

M 1

M 15 60

Létrahálós D/A átalakítás

61

Létrahálós D/A átalakítás

62

Számláló típusú A/D Ux

+

Uref

Ux > Uref

•Alacsony sebesség •Gyenge technikai jellemzők •Alacsony ár •Elavult megoldás

_

A D

Számláló regiszter START Digitál kimenet

Vezérlő

& READY 63

Kétoldali közelítéses A/D 8 bites átalíkótó mûködése U[V]

Ux

+

Uref

_

10

Ux=7.8 V

A D

5 Regiszter Kimenet SAR

START

1 27 1

26 1

25 2 4 0 0

23 0

22 1

21 1

20 1

•Közepes sebesség •Megfelelő jellemzők 64 •Közepes ár

P á r h u z a m o s A / D

65

Párhuzamos A/D 3 bites átalakító: Ux

C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7

Kód

1 U LSB > U x 2

0 0 0 0 0 0 0

000

3 1 U LSB > U x > U LSB 2 2

0 0 0 0 0 0 1

001

5 3 U LSB > U x > U LSB 2 2 7 5 U LSB > U x > U LSB 2 2 9 7 U LSB > U x > U LSB 2 2

0 0 0 0 0 1 1

010

0 0 0 0 1 1 1

011

0 0 0 1 1 1 1

100

11 9 U LSB > U x > U LSB 2 2

0 0 1 1 1 1 1

101

13 11 U LSB > U x > U LSB 2 2

0 1 1 1 1 1 1

110

1 1 1 1 1 1 1

111

Ux >

13 U LSB 2

•Nagy sebesség •Nagy megbízhatóság •Magas ár •2n-1 db nagy teljesítményű komparátor

66

Kétszeresen integráló A/D c Ux

R

1

-Uref

2

K1

+ + 2

K2

&

1

Számláló

Vezérlő

Digitális kimenet

U

U ki =

Uki

tref

tx

t

tref Rc

⋅U x

− U ki =

tx ⋅ U ref Rc

tref tx ⋅ U ref = ⋅U x Rc Rc t U x = x ⋅ U ref tref

67

Kétszeresen integráló A/D • Lassú működés • Nagy pontosság • Alkalmazás: digitális műszerekben • Alkatrész öregedés kiküszöbölése

68

Feszültség-frekvencia A/D • Frekvencia kimenet • Könnyen és egyszerűen továbbítható nagy távolságra

69

A/D átalakítók hibái Javítható hibák: 1. Offset hiba

2. Erősítési hiba

0001 0000

Nem javítható hibák: 3. Linearitási hiba

4. Kódkiesés

70

Off-line számítógépes mérőrendszerek

Többfunkciós mérésadatgyűjtő kártyák

GPIB műszerpark

Internetes mérések

RS-485 rendszer 71

Többfunkciós mérésadatgyűjtők • • • •

Analóg bemenet Analóg kimenet Digitális I/O Számláló, időzítő

72

Többfunkciós mérésadatgyűjtők FeszŘltsÚg Ref

AD Kalibrßlßs 3

+

Analˇg

Progr.

Mux m ˇd

csatornßnkÚnti

kivßlasztßs

er˘sÝt˘

kapcsolˇ

Mux

12-bit Mintavev˘/tartˇ

FIFO

A/D

PC/AT Interface Bus

ßtalakÝtˇ

Ground Ref

ADC Interrupt

ßram k÷r

Generßtor DMA Interface

Id˘ szinkronizßlßs

5-csatornßs Szßm lßlˇ

AdatgyűjtÚs ßtalakÝtßs vezÚrlÚs

DAC Tim ing

DAC0

Interrupt Interface

Tim er Interrupt

Control Adat / vezÚrlÚs DAC1

PC/AT I/O csatorna DA kalibrßlßs Digitßl

4

RTSI Interface

Kim enet

Digital Bem enet

I/O csatlakozˇ

RTSI

73

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenete • • • • • •

Felbontás (12 bites, 16 bites) Bemeneti feszültség tartomány (± 5V; 0-10V) Erősítési fokozatok (0.5 – 100) Mintavételezési sebesség (<1MHz) Csatornaszám (16, 32) Bemenetek referencia pontja (közös, független) (Single-ended; Differential) • Pontossági jellemzők (linearitás, stb.) • Bemeneti impedancia (nagy) 74

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenete AIS/AIG Calibration

+

ACH0 ACH1 ACH2 ACH3 ACH4 ACH5 ACH6 ACH7

MUX0OUT Mux mode MUX 0

Selection MUX0EN

Switches

Gain

2

Dither Generator

Programmable Gain

Sign Extension

Sampleand-Hold Amplifier

Amplifier

-

Unipolar/ Bipolar Selection

ADC A/D Data

ACH8 ACH9 ACH10 ACH11 ACH12 ACH13 ACH14

SCAN CLK EXTCONV EXT TRIG

I/O Connector

12 AISENSE

Data 4

A/D FIFO

12 A/D RD

Convert MUX1OUT MUX 1

MUX1EN

8

GAIN2 GAIN1 GAIN0 MA3 MA2 MA1 MA0

Multiplexer/ Channel Gain Memory

Data MUXGAIN WR

LASTCH SCAN CLK External Converter External Trigger

MUX CLK Data Acquisition Timing

Counter/Timer Signals

75

PC I/O Channel

In Off

SE/DIFF

Calibration DAC

Out Off

Reference

EEPROM Calibration Constants

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg kimente • • • • • • •

Felbontás (12 bites, 16 bites) Kimeneti feszültség tartomány (± 5V; 0-10V) Beállási idő Csatornaszám (1, 2, 4) TERHELHETŐSÉG!!!! (±2 mA) Pontossági jellemzők (linearitás, stb.) Kimeneti impedancia (kicsi)

76

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg kimente

77

Többfunkciós mérésadatgyűjtők DIO portjai • Portok száma • TTL jelek • Terhelhetőség!!! (±10 µA)

78

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Mintavételezési lehetőségek: 1. Egycsatornás rövid idejű gyors 2. Többcsatornás rövid idejű gyors 3. Egycsatornás hosszú idejű lassú 4. Többcsatornás hosszú idejű lassú

79

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása 1. és 3. módszer esetén nem használjuk a multiplexert 3. és 4. módszer esetén multiplexert használunk

80

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Vegyünk mintát egy adott időpillanatban. Nevezzük tap –nak azt az időt, amely az adat digitalizálásához és eltárolásához szükséges. A következő mintát a tap idő eltelte után vehetjük. Amennyiben a mintavételezések közötti idő lényegesen nagyobb, mint az apertura idő, akkor rendelkezésünkre áll egy tfree szabad gépidő. amelyben a processzorral egyéb műveleteket végeztethetünk el. 2. minta

1. minta

t tap

tfree tmv

81

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása A gyors mintavételezéseknél a tfree időt nem használjuk ki, vagyis a 2. mintát egészen „közel vihetjük” a szaggatott vonallal jelölt időpillanathoz. Ezzel a mintavételi frekvencia nagy lehet, de a rendszer mintavételezés közben semmilyen egyéb műveletet nem tud elvégezni, tehát még a mérendő mintamennyiséget is előre definiálni kell. 1. minta2. minta

t tap tmv

tfree~0 82

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Amennyiben megfelelően alacsony mintavételi frekvenciát alkalmazhatunk, a tfree gépidő alatt elvégezhetünk bizonyos adatfeldolgozásokat, figyelhetjük a felhasználói beavatkozásokat (pl. egy gomb megnyomását). Ez azonban csak akkor lehetséges, ha a feldolgozás alatt folyamatosan, mintavesztés nélkül tudunk adatokat begyűjteni. 2. minta

1. minta

t tap

tfree>>0 tmv

83

Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Osztott tárolós mintavételezés

1.lépés mintavételezés

2.lépés 1. féltároló megtelik, folytatódik a mérés a 2. féltárolóba

3.lépés 2. féltároló megtelik, folytatódik a mérés az 1. féltárolóba

READY jel READY jel

adatmentés

adatmentés 84

Mintavételezett jelek frekvencia analízise A mérés tárgya: egy jel Jelek determinisztikus periódikus szinuszos összetett

sztochasztikus

nem periódikus kváziperiódikus

stacionárius

nem stacionárius

tranziens

Detereminisztikus jelek: Matematikai kifejezésekkel leírhatóak és matematikai összefüggésekkel kezelhetők. Sztochasztikus jelek: Matematikai módszerekkel csak részlegesen kezelhetőek. Statisztikai jellemzőkkel vázolhatóak. 85

Mintavételezett jelek frekvencia analízise Periódikus jelek: T periódusidő, Fourier sorba fejthetők (szinusz és koszinuszok összegeként felírhatók) Ampl. Szinuszos jelek: x (t ) = A ⋅ sin(2πf ⋅ t + ϕ )

A 1

f1

Összetett periódikus jelek: ∞

∞

n =1

n =1

Frekv.

x (t ) = A0 + ∑ ( An ⋅ cos n2πf0 ⋅ t + Bn ⋅ sin n2πf0 t ) = F0 + ∑ Fn ⋅ cos(n2πf 0 t + Θ n ) = =

∞

∑ Cn e jn 2πf t 0

n =−∞

Amplitúdó A1

A4

A2 A3

A0

.......

An

86 f1

2f1

3f1

4f1

nf1

frekvencia

Mintavételezett jelek frekvencia analízise Kváziperiódikus jelek

∞

x (t ) = A0 + ∑ ( An ⋅ cos 2πfn ⋅ t + Bn ⋅ sin 2πf n t ) n =1

fn ≠ nem egész szám f1

A1

Amplitúd ó A4

A2 A3

A0

...... . f1 f2

f3

f4

An fn

frekvenci a

Tranziens jelek: Egyszeri, nem periodikus folyamatok, melyek véges energiájúak: Részleges leírás: felfutási idő, lefutási idő, ∞ beállási idő, túllövés, stb. 2 x (t )dt < ∞ Teljes leírás: bizonyos matematikai feltételek −∞ mellett Fourier ill. Laplace transzformációval.

∫

87

Periódikus jelek Fourier sora ∞

f (t ) = A0 + ∑ (Cn cos nω1t + Bn sin nω1t ) n =1

ahol T /2

2 Cn = f (t ) cos nω1tdt ∫ T −T / 2 T /2

2 Bn = f (t ) sin nω1tdt ∫ T −T / 2 T /2

1 A0 = f (t )dt ∫ T −T / 2 An = Cn2 + Bn2 Bn ϕ n = arctg Cn tehát ∞

f (t ) = A0 + ∑ An sin( n 2πf1t + ϕ ) n =1

88

Periódikus jelek frekvencia spektruma A

A1 A4

A2

A5

A3

A0

An

f1

2f1

3f1

4f1

5f1

.......

f

nf1

89

Mintavételezett jelek frekvencia analízise Végtelen jelet mintavételezni a gyakorlatban nem lehet, ezért a Fourier sorba fejtés csak akkor lehetséges, ha elfogadjuk azt a feltételt, hogy az analizálásra kijelölt reisztrátum a végtelen periódikus jel 1 periódusa, amely a végtelenig ismétlődik. Ha n darab mintát fmv mintavételi frekvenciával megmérünk, akkor a regisztrátum teljes időtartama:

Treg

n = f mv

Ez tehát a fentiek értelmében a jel 1 periódusának ideje, vagyis a 90 Treg regisztrátum idő a jel periódusideje.

Ha Treg a jel periódusideje, akkor 1/Treg a jel frekvenciája:

f reg

f mv = = f1 n

Ha az így kapott frekvencia nem egyezik meg a jel valóságos frekvenciájával, vagy annak egész számú többszörösével, akkor a spektrum hibás lesz. 91

Példa: Legyen a mérendő jel frekvenciája 50 Hz. Mintavételezzünk 300 Hz-es mintavételezési frekvenciával, és gyűjtsünk be 20 mintát. Ebben az esetben a regisztrátum időtartama: Treg = n/fmv = 0.0666 s freg = fmv/n = 15 Hz

A

15Hz

30Hz

45Hz

60Hz

f

A spektrum frekvencia tengelyén megjelenő értékek: 15 Hz, 30 Hz, 45 Hz, 60 Hz. Vagyis az 50-es értéknél nem jeleníthető meg összetevő. Mi a teendő? Hogyan növelhető a frekvencia felbontása? fmv↓ és/vagy n↑

92

Valós jel

A

Valós spektrum

1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

f

-1.5

Analizált jel 1.5

1

0.5

0

-0.5

-1

-1.5

A

Analizált jel spektruma

93 f

Az FFT-nek ezt a hibáját az un ablakozó függvényekkel lehet csökkenteni. Ablakozó függvényt használva a fenti spektrumkép az alábbi módon változik: A

f

94

Leggyakrabban alkalmazott ablakozó függvények: Hanning ablak:

Háromszög ablak:

i w(i ) = 0,5 − 0,5 cos(2π ⋅ ) n

w(i ) = 1 − (2 ⋅ i ) / n

Hamming ablak: i w(i ) = 0,54 − 0,46 cos(2π ⋅ ) n

Blackmann ablak:

i i w(i) = 0,42 − 0,5 cos(2π ⋅ ) + 0,08cos(4π ⋅ ) n n

95

Ablakozás nélkül

Blackmann ablak

Háromszög ablak

Hanning ablak

96

Aliasing jelenség Ha a mintavételezési törvényt nem tartjuk be, akkor a mintavételezett jelben nem létező összetevők jelenhetnek meg. Ezek az alias jelek.

Védekezés: antialiasing szűrővel, ami egy aluláteresztő szűrő, nagy vágási meredekséggel, a mintavételi frekvencia felére 97 beállított felsőhatár frekvenciával.

GPIB • 1972 - Hewlett Packard Corporation (General Purpose Interface Bus) • 1975 – IEEE488 szabvány • Hálózatorientált rendszer • Párhuzamos protokol • A kommunikáció 16 csatornán folyik 8 adat vonal 5 vezérlő vonal 3 „handshaking” vonal 98

GPIB • 3 típusú berendezés: vevő (listener) – adatokat kap adó (talker) – adatokat küld vezérlő (controller) - PC

Vegyes üzemű műszerek is lehetnek a rendszerben

Party-line kapcsolatok létrehozása

• Half – duplex kommunikáció • 1987 - IEEE488.2 szabvány a vezérlők és adatok formátumának, helyzet jelzések, vezérlési feltételek, stb. előírásai • SCPI – Standard Commands for Programmable 99 Instruments

GPIB A rendszer szabványban rögzített korlátai: • 2 berendezés közötti távolság max. 4 m • 2 berendezés közötti átlagtávolság 2 m • a berendezések közötti össztávolság 20 m • legalább a műszerek 2/3-a be kell legyen kapcsolva. • Műszerek száma max 15. • Adatátviteli sebesség max. 1 Mbyte/s 100

GPIB Műszerek elrendezése: • Csillag Vezérlő

A műszer

B műszer

C műszer

A műszer

B műszer

C műszer

• Lineáris Vezérlő

• Vegyes elrendezés 101

Soros átvitel protokoljai 1 1 0 0 1

soros kommunikáció 11001

Számítógép

LSB

Binárisan kódolt mérési eredmény (TTL jelek)

102

RS - 232 Formátum: St 0

1

2

3

4

5* 6* 7* P* Sp Sp St

A karakterek közötti logikai “1” szint jelzi, hogy nincs adatforgalom

Az “St” alacsony szintű (logikai “0”) start bit, ami az adatközlés kezdetét jelzi. A 0,1...7 bitek az adatbitek, a ∗-gal jelzett bitek opcionálisak. A “P” un. paritás bit, amely az esetleges hibafelismerést teszi lehetővé. Az egyes bitek “szélessége”, vagyis, hogy időben milyen hosszú az adott bit az un. “baud periódus” fejezi ki. Az “Sp” az adatközlés végét jelző magas (logikai “1”) szintű jel 1, vagy annál több baud periódus ideig jelenik meg. 103

RS - 232 Jellemzők: • 1 adó – 1 vevő • Adó – vevő közös földön (Single-ended transmission) • Aszinkron protokol (nincs közös órajel, szinkronizálás a start bit idejével • Max. sebesség: 20 kbps • Max távolság 15 m • Simplex kommunkáció

104

RS - 422 Változások az RS232-höz képest: • 1 adó – 10 vevő • Adó – vevő külön földön (Differential transmission) • Max. sebesség: 10 Mbps (10 m távolságra) • Max távolság 1200 m (100 kbs sebességgel) • Half – duplex kommunikáció

RS - 485 Változások az RS422-höz képest: • 1 adó – 32 vevő

105

Interneten keresztül vezérelhető mérőrendszerek Oktatás Ipar Moduláris rendszer

Laboratórium

GPIB - ENET

Web- böngészőn keresztül vezérelhető hagyományos mérésadatgyűjtő

ETHERNET 106

Moduláris ipari mérőrendszer

107

Interneten keresztül vezérelhető GPIB mérőrendszer

108

Számítógépes mérőrendszerek alkalmazási példái

109

Interneten vezérelhető mérőrendszer oktatási alkalmazása

110

Motorok csapágyvizsgálata rezgésméréssel Görgőkosár hibájából eredő rezgések frekvenciája:

r f bc = i ⋅ n ri + r0

ri – a belső gördülő felület sugara r0 – a külső gördülő felület sugara n – a fordulatszám [1/s]

Gördülő elemek okozta rezgések frekvenciája: rr – a gördülő elemek sugara ri ⋅ r0 f re = ⋅n rr ⋅ ( ri + r0 ) Gyűrűk hibáiból származó rezgések frekvenciája:

ri fr = ⋅ Zb ⋅ n ri + r0

zb – a gördülő elemek száma 111

A motor rezgés spektruma a figyelmeztető és a veszélyes rezgésszint jelölésével. Felújított motor rezgésképe

112

A motor rezgés spektruma a figyelmeztető és a veszélyes rezgésszint jelölésével. A rezgés spektrumának változása a veszélyes rezgésszint közelében

A rezgés spektruma hibás csapággyal

113

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Hálózati tápfeszültség ellenőrzése

114

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Hálózati tápfeszültség frekvencia összetevői

115

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó feszültségének ellenőrzése

116

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó feszültségének frekvencia spektruma

117

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó kimeneti feszültségének (spektrum) változása a feszültség frekvenciájának függvényében

118

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram vizsgálata

119

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram vizsgálata

120

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram spektruma

121

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Az áram spektrumának változása a frekvencia függvényében

122

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének vizsgálata

123

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének vizsgálata

124

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének spektruma

125

Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgés spektrumának változása a fordulatszám függvényében

126

Számítógépes áram és feszültségmérés oktatási alkalmazása

127

Hálózati feszültségek és áramok vizsgálata 10 kV-os hálózat feszültsége

120 kV-os hálózat feszültsége

árama

árama

128

Hálózati feszültségek és áramok vizsgálata A 230 V-os lakossági hálózat feszültségének vizsgálata: Az alapharmónikus, a 150, 250 és 350 Hz-es összetevők amplitudóinak időbeli változása

129

A városi világítás hatása a lakossági 230 V-os hálózat feszültségére A hálózat felharmonikus tartalma a bekapcsolás előtt:

A hálózat felharmonikus tartalma a bekapcsolás után:

130

6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA Tengely

Lökethossz

Gyorsulás

Sebesség

X Y Z

5m 3m 1m

6 m/s2 6 m/s2 8 m/s2

1.7 m/s 1.7 m/s 1.0 m/s

131

6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA Rezgések változása a befogószerkezet függőleges helyzetétől függően

Pozícionálás a befogószerkezet leengedett helyzetében A rezgések idő és frekvencia diagrammjai Pozícionálás a befogószerkezet felemelt helyzetében 132

6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA A pozícionálási sebesség hatása a befogószerkezet rezgésére

Lassú pozícionálás (kb. 6 sec)

Gyors pozícionálás (kb. 3.5 sec)

133

Felhasznált irodalom 1.

Zoltán István: Méréstechnika, Műegyetemi Kiadó, 1997.

2.

Robert G. Seippel: Transducers, Sensors, and Detectors, Prentice-Hall Inc., 1983.

3.

L. Borucki-J.Dittmann: Bevezetés a digitális méréstechnikába, Műszaki Könyvkiadó, 1975.

4.

E.O. Doebelin: Measurement Systems, McGraw-Hill, 1990.

5.

Douglas M. Considine: Process/Industrial Instruments & Control Handbook, McGraw-Hill, 1993.

6.

Tran Tien Lang: Computerized Instrumentation, John Wiley &Sons Ltd., England 1991.

7.

John G. Webster: The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, Springer-Verlag GmbH &Co., 1999. 134

SZÁMÍTÓGÉPES MÉRÉSTECHNIKA

Recommend Documents