SENSORY I SYSTEMY POMIAROWE

Transkrypt

1 SENSORY I SYSTEMY POMIAROWE Wykład WYDZIAŁ MECHANICZNY AUTOMATYKA I ROBOTYKA, rok II, sem. 4 Rok akademicki 2015/2016

2 Filtrowanie sygnałów Filtry są czwórnikami o specjalnie ukształtowanych charakterystykach częstotliwoścowych. Ich właściwości przedstawia się zwykle za pomocą częstotliwościowych charakterystyk amplitudowej i fazowej. Sygnał po przejściu przez filtr zmienia swoje widmo. Zmiana ta polega na różnym tłumieniu amplitud i różnym przesuwaniu faz składowych widma o poszczególnych częstotliwościach. W układach pomiarowych najczęściej stosuje się filtry o częstotliwościowych charakterystykach amplitudowych: dolnoprzepustowe górnoprzepustowe środkowoprzepustowe środkowozaporowe

3 Filtrowanie sygnałów Definicje: Filtracja- proces przetwarzania sygnału w dziedzinie czasu. Polega na redukowaniu nieporządanych składowych zawartych w sygnale wejściowym Filtr- każde urządzenie posiadające selektywne charakterystyki częstotliwościowe Filtr cyfrowy- algorytm lub proces obliczeniowy w wyniku którego jedna sekwencja liczb (tzn. sygnał wejściowy) zamieniany jest w inną sekwencję (tzn. sygnał wyjściowy)

4 Filtrowanie sygnałów KRYTERIA OCENY FILTRÓW ODPOWIEDŹ AMPLITUDOWA ODPOWIEDŹ FAZOWA ODPOWIEDŹ NA SKOK JEDNOSTKOWY

5 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Pasmo przepustowe to obszar częstotliwości, w którym sygnał przechodzi przez układ praktycznie nie osłabiony. Pasmo to rozciąga się do punktu w którym amplituda spada poniżej 3dB wartości nominalnej. Punkt ten nazywany jest częstotliwością odcięcia f 3dB.

6 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Obszar przejściowy nazywany stromością nachylenia charakterystyki określa szybkość zmiany wzmocnienia wraz z częstotliwością, zawiera się między pasmem przepustowym a zaporowym.

7 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka amplitudowa Pasmo zaporowe to pasmo częstotliwości, których amplituda ma zostać zmniejszona poniżej zaprojektowanego poziomu. Parametry oceny filtru to tętnienie pasma przepustowego i zaporowego oraz stromość nachylenia charakterystyki. W zależności od przeznaczenia filtru dopuszcza się pewien poziom tętnienia jak i określoną szerokość obszaru przejścia, możliwe jest zaprojektowanie filtru z bardzo stromą charakterystyką lub taki, który nie wprowadza zakłóceń w paśmie przepustowym.

8 Filtrowanie sygnałów Charakterystyka fazowa to zależność fazy do częstotliwości. Odpowiedź fazowa jest ściśle związana z czasem opóźnienia przechodzącego przez filtr sygnału dla różnych częstotliwości. Filtry o liniowej odpowiedzi fazowej opóźniają wszystkie częstotliwości o taki sam czas. Filtry o nieliniowej odpowiedzi fazowej opóźniają różne częstotliwości o różne okresy, co wprowadza zakłócenia podobne do zjawiska rozproszenia sygnału radiowego wynikające z nieustannie zmieniającą się drogą emitowanych fal. Charakterystyka fazowa widoczna na rysunku nie jest to charakterystyka idealnie liniowa ponieważ widoczne są lekkie oscylacje fazy.

9 Filtrowanie sygnałów Odpowiedź na skok jednostkowy Czas narastania odpowiedzijest to czas w którym napięcie wyjściowe osiągnie poziom 90% do swojej wartości maksymalnej (tr) Czas ustalania - czas w jakim napięcie wyjściowe ustala się w obrębie 5% odchylenia od swojej wartości końcowej (ts) Przerzut - maksymalna wartość napięcia o jakie napięcie wyjściowe przewyższa chwilowo swoją wartość końcową. Tętnienie - oscylacje wokół średniej wartości końcowej

10 Filtrowanie sygnałów Filtry Butterwortha Filtr Butterwortha w stosunku do innych filtrów ma najbardziej płaski przebieg charakterystyki amplitudowej w paśmie przepustowym. Odbywa się to kosztem załamania charakterystyki pod koniec pasma przepustowego. Ma on rownież nieliniową charakterystykę fazową. W filtrze Butterwortha najważniejszym celem jest uzyskanie maksymalnej płaskości charakterystyki amplitudowej. Charakterystyka powinna zaczynać sie maksymalnie płasko dla zerowej czestotliwosci i przeginać sie dopiero w pobliżu częstotliwości granicznej fg (fg jest zwykle częstotliwością 3dB). Filtry tego rodzaju stosuje się do filtracji sygnałów niemodulowanych, w celu wyeliminowania zakłóceń o częstotliwościach leżących poza pasmem użytecznym.

11 Filtrowanie sygnałów Filtry Butterwortha Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa Stromość charakterystyki zależy od rzędu filtru

12 Filtrowanie sygnałów Filtry Czebyszewa Filtry te charakteryzują się dużą selektywnością, tętnieniami pasma przepustowego oraz zaporowego, nieliniowością charakterystyki fazowej i większą w porównaniu z filtrem Butterwortha stromością charakterystyki. Filtr Czebyszewa stanowi ulepszenie filtru Butterwortha w stosunku do nachylenia charakterystyki, tym niemniej obydwa te filtry mają niezadowalającą odpowiedź fazową a filtr Czebyszewa nawet gorszą. Filtr Czebyszewa jest też czasem nazywany filtrem o równomiernym falowaniu, gdyż tętnienia w obrębie całego pasma przepustowego są jednakowe. Ponadto gęstość ich wzrasta wraz ze wzrostem rzędu filtru. Stosuje się je przy filtracji sygnałów niemodulowanych i zmodulowanych amplitudowo w celu wyeliminowania silnych sygnałów zakłócających o częstotliwościach mało rózniących się od częstotliwości sygnału użytecznego.

13 Filtrowanie sygnałów Filtry Czebyszewa Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa

14 Filtrowanie sygnałów Filtry Bessela Filtry dolnoprzepustowe Butterwortha i Czebyszewa charakteryzują się znacznymi oscylacjami odpowiedzi impulsowej. Idealne własciwości przy przenoszeniu impulsow prostokatnych maja filtry, w których opóźnienie nie zależy od czestotliwosci, tzn. w których przesuniecie fazowe jest proporcjonalne do czestotliwosci. Takie własciwosci najlepiej aproksymują filtry Bessela. Filtry te charakteryzują się prawie liniowym przebiegiem charakterystyki fazowej, a więc wprowadzają do układu stałe opóźnienie czasowe w określonym paśmie częstotliwości. Filtry Bessela odznaczają się bardzo małymi przewyższeniami w sygnale odpowiedzi na skok napięcia wejściowego i szybkim narastaniem tego sygnału. Stosuje się je przede wszystkim jako filtry dolnoprzepustowe przy filtracji sygnałów zmodulowanych fazowo, ponieważ praktycznie przekształcają one sygnał bez zniekształceń fazowych.

15 Filtrowanie sygnałów Filtry Bessela Charakterystyka amplitudowa Charakterystyka fazowa

16 Filtrowanie sygnałów Odpowiedzi na funkcję skoku jednostkowego filtrów Bessela, Butterwortha, Czebyszewa i in.

17 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Proces konwersji analogowo-cyfrowej można podzielić na trzy podstawowe etapy a mianowicie filtrowanie antyaliasingowe, próbkowanie i kwantyzacja.

18 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Filtrowanie antyalisingowe jest niezbędne gdyż widmo sygnału jest ze względu na zniekształcenia i szumy bardzo szerokie, dolnoprzepustowy filtr analogowy stosowany jest w celu ograniczenia szerokości widma rzeczywistego sygnału. Zastosowanie tego typu filtracji ma na celu zapobieżenie zjawiska nakładania się widm powstających w wyniku ich powielania podczas wykonywania próbkowania sygnału Powielanie widma (brak filtru antyaliasingowego)

19 Filtrowanie sygnałów Zastosowanie filtrów dolnoprzepustowych przetwarzanie A/C Efekt zastosowania filtru antyaliasingowego

20 Filtrowanie sygnałów Przetwarzanie A/C Sygnał analogowy można próbkować z dowolną szybkością i otrzymuje się ciąg wartości dyskretnych. Jeśli wybierzemy zbyt krótki okres próbkowania, to proces przetwarzania sygnału będzie mało efektywny i drogi. Natomiast, jeśli okres próbkowania będzie zbyt długi, to możemy utracić informacje zawarte w sygnale. Próbkowanie zbyt wolne

21 Filtrowanie sygnałów Przetwarzanie A/C Sygnał powinien być tym szybciej próbkowany, im szybciej ulega zmianom, tzn. im wyższe zawiera składowe częstotliwościowe. Twierdzenie o próbkowaniu lub twierdzenie Shannona-Kotielnikowa: Częstotliwość próbkowania ω s musi być co najmniej dwa razy większa od maksymalnej pulsacji ω g zawartej w widmie sygnału ciągłego, aby sygnał można było odtworzyć z sygnału próbkowanego. Maksymalna dopuszczalna w widmie sygnału ciągłego pulsacja ω s /2 nosi nazwę pulsacji Nyquista.

22 Przetwarzanie AC Próbkowanie Próbki sygnału Próbkowanie i pamiętanie Układ próbkująco-pamiętający

23 Przetwarzanie AC Kwantowanie Przedziały o stałej szerokości q Przedziały o szerokości q i q/2

24 Przetwarzanie AC Rodzaje przetworników analogowo-cyfrowych: całkujące (integracyjne), kompensacyjne szeregowe i z kodowaniem bezpośrednim (typu flash"), delta-sigma, impulsowo-czasowe, inne (stochastyczne, z elementem V, z przełączaniem prądów). Przetwornik analogowo-cyfrowy napięcia może również działać na zasadzie kombinacji dwóch metod przetwarzania.

25 Przetwarzanie AC Przetworniki całkujące (integracyjne) Mają duże znaczenie ze względu na korzystne właściwości tłumienia zakłóceń w procesie całkowania sygnału wejściowego. a) Przetworniki z podwójnym całkowaniem (względnie długi czas próbkowania składającego się z dwóch faz)

26 Przetwarzanie AC Przetworniki całkujące (integracyjne) b) Przetworniki z przetwarzaniem częstotliwościowym (całkujący z uśrednianiem dyskretnym, z pojedyńczym całkowaniem) Składa się z dwóch części niezależnych od siebie: przetwornika U/f i układu do cyfrowego pomiaru częstotliwości. Przetwornik całkujący z przetwarzaniem częstotliwościowym: a) schemat blokowy: I - integrator, UR - źródło napięcia odniesienia, K - komparator, GPI - generator pojedynczego impulsu, UF - układ formujący, Gen. Twz - generator wzorcowego przedziału czasu; b) wykresy sygnałów

27 Przetwarzanie AC Przetworniki kompensacyjne a)szeregowe - porównanie mierzonego napięcia U x z regulowanym napięciem odniesienia U 0 w przetworniku odbywa się krok po kroku, szeregowo w czasie. Źródłem napięcia odniesienia o przebiegu schodkowym jest przetwornik C/A Odpowiednio do stanu licznika binarnego przetwornik C/A generuje napięcie odniesienia rosnące od O co jeden kwant q aż do chwili zrównania się napięć U 0 i U x. Po zasygnalizowaniu przez komparator tej chwili licznik jest zatrzymywany, a stan licznika N jest cyfrową miarą przetwarzanego napięcia U x. Szeregowy przetwornik kompensacyjny: K - Przebieg kompensacji w przetworniku szeregowym: komparator analogowy, US - układ sterujący, C/A a) kompensacja schodkowym napięciem odniesienia, przetwornik cyfrowo-analogowy, UR - źródło napięcia b) kompensacja wagowa wzorcowego, U0 - regulowane źródło napięcia odniesienia

28 Przetwarzanie AC Przetworniki kompensacyjne b)o kodowaniu bezpośrednim (równoległy przetwornik kompensacyjny, przetwornik typu flash") Napięcie mierzone Ux jest podłączone do wejść (+) szeregu komparatorów, na których wejścia (- ) załączono skwantowane napięcie wzorcowe. Na wejście (-) komparatora K 1 załączono napięcie wzorcowe U1 o wartości jednego kwantu q, na wejście (-) komparatora K2 napięcie wzorcowe U2 o wartości 2q i kolejno na wejścia (-) następnych komparatorów napięcie wzorcowe o wartości rosnącej o kwant q. Na wejście (-) komparatora KN załączono na-pięcie wzorcowe U wz = U N = N * q. Stan logiczny wyjść komparatorów zależy od wartości chwilowej U x. Sygnały z wyjść komparatorów są deszyfrowane w dekoderze i przekazywane do rejestru w takt rozkazów zapisu pochodzących z układu sterującego. Przetwornik o kodowaniu bezpośrednim: Kl, K2,... KN - komparatory analogowe, US - układ sterujący, Uwz - źródło napięcia wzorcowego, R - rejestr

29 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Najistotniejsze parametry wielofunkcyjnych kart pomiarowych: interfejs (PCI, ISA, PCMCIA, USB 1.1 v 2.0, FireWire, RS232C itd.) liczba wejść analogowych liczba wyjść analogowych liczba wejść/wyjść cyfrowych maksymalna częstotliwość próbkowania WE i WY rodzaj i zakres sygnału wejściowego wzmocnienie rozdzielczość przetworników A/C i C/A dostępność bibliotek (C, Pascal, assembler) i sterowników

30 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Najistotniejsze funkcje kart pomiarowych: Przetwarzanie A/C sygnałów z wejść analogowych Filtracja analogowa antyaliasingowa sygnału wejściowego Ustawianie poziomów i czasów wyzwalania dla sygnału na wejściu analogowym Generowanie żądanych sygnałów na wyjściach analogowych przetwarzanie C/A Odczyt i zapis sygnałów cyfrowych z/do portów WE/WY DIO Generowanie sygnałów o zadanej częstotliwości lub impulsów o zadanym czasie trwania Pomiar częstotliwości sygnału wejściowego lub czasu trwania impulsu Przechowywanie danych pomiarowych i konfiguracyjnych w jej pamięci

31 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe DAQ-Data Acquisition card Schemat blokowy komputerowej karty pomiarowej DAQ

32 Wielofunkcyjne karty/urzadzenia pomiarowe przyrządy wirtualne Przyrządy pomiarowe Struktura wirtualnego przyrządu pomiarowego

33 Przyrządy wirtualne i tradycyjne porównanie

34 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI Szybka transmisja danych wymaga równoległych interfejsów komunikacyjnych i jak najkrótszych odległości pomiędzy urządzeniami. Oba te czynniki występują w kasetowych i modułowych systemach pomiarowych. Systemy kasetowe (CAMAC, VXI) złożone są z kaset mocowanych w specjalnych stojakach, a w kasetach instalowane są specjalizowane moduły z blokami funkcjonalnymi, odległość miedzy kasetami zwykle nie przekracza 50 cm. Systemy kasetowe wyposażane są w moduły dedykowane tylko do tych systemów, co z jednej strony dobrze wpływa na parametry systemów, ale z drugiej czyni je systemami specjalizowanymi i również drogimi. Zwykle w obudowie jedno gniazdo zajmuje moduł kontrolera, który jest tak naprawdę komputerem PC wyposażonym we wszystkie typowe elementy (procesor, dysk twardy, pamięć, interfejsy komunikacyjne: USB, Ethernet, a także wyjścia do podłączenia monitora jeśli jest używany). Należy tutaj dodać, że po spełnieniu pewnych warunków obudowa PXI z kontrolerem i modułami może pełnić rolę komputera przemysłowego i pracować w trudniejszych niż laboratoryjne warunki. Są również dostępne obudowy przenośne. Moduł PXI o wymiarach 3U i obudowa PXI z wyświetlaczem

35 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI Budowa systemu bazuje na popularnej w komputerach osobistych magistrali PCI (również PCIExpress). Moduły systemu PXI są elementami o wymiarach Eurokarty o wymiarach: 160x100 mm (3U) i 160x233 mm (6U). Moduły umieszcza się gniazdach obudowy.każdy moduł ma dwa złącza jedno do transferu danych po magistrali PCI (J1) i drugie do transferu sygnałów (zegarowych, synchronizacji) magistrali PCI (J2). Obudowy są oferowane w różnych wielkościach i konfiguracjach. Magistrala systemu modułowego PXI

36 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI - obudowy NI PXIe-1085 (16) NI PXIe-1071 (3)

37 Modułowe systemy pomiarowe Standard PXI - kontrolery NI PXIe-8100 RT NI PXIe-8100 RT Atom D GHz 512 MB (1 x 512 MB DIMM) 667 MHz DDR2 RAM standard, 1 GB maximum 1 GB/s maximum system and 250 MB/s maximum slot bandwidth Integrated USB, serial, and Gigabit Ethernet Highest performance: 24 GB/s system bandwidth and 8 GB/s slot bandwidth 2.3 GHz eight-core Intel Xeon E5-2618L v3 processor (3.4 GHz maximum single-core, Turbo Boost mode) 8 GB (1 x 8 GB DIMM), triple-channel 1866 MHz DDR4 RAM standard, 24 GB maximum 2 x USB 3.0, 4 x USB 2.0, 2 x Gigabit Ethernet LAN, DisplayPort, GPIB and SMB trigger

38 Systemy akwizycji, wizualizacji i obróbki danych pomiarowych Wymagania: konfiguracja urządzeń pomiarowych bezpośrednia (on-line) wizualizacja i ocena pomiaru tworzenie raportów dokumentujących wyniki pomiaru analiza i przetwarzanie danych gromadzenie danych i zarządzanie nimi export danych (plików) do formatów uniwersalnych (np.: *.txt) Rodzaje Programy (systemy) przeznaczone głównie do realizacji, wspomagania pomiarów (np. CATMAN) Systemy umożliwiające, dzięki uniwersalnemu interfejsowi, realizację prostych i złożonych układów pomiarowych oraz układów sterowania (np. LabView)

39 SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (nadzór, kontrola i akwizycja danych) Do głównych zadań systemów SCADA należy: -Alarmowanie możliwe jest powiadamianie użytkownika o wystąpieniu jakichś zdarzeń, bądź awarii, a także wysyłanie wiadomości do innych osób np. inżynierów, menadżerów itp. -Archiwizacja danych i raportowanie możliwość tworzenia różnego rodzaju raportów, zapisywanie aktualnych wartości parametrów lub opisów stanów. -Monitorowanie zbieranie informacji o przebiegu procesu lub stanie obiektu i przedstawianie ich w postaci łatwej do interpretacji dla użytkownika w czasie rzeczywistym -Sterowanie możliwość wpływania na proces poprzez wysyłanie sygnałów do sterownika PLC (zmiana parametrów, nastaw regulatorów, zatrzymanie procesu itp.)

40 SCADA - Supervisory Control And Data Acquisition (nadzór, kontrola i akwizycja danych) ANT Studio firmy ANT, ASIX firmy ASKOM, LabVIEW firmy National Instruments (graficzny język programowania do tworzenia systemów SCADA), Profity HMI/SCADA, ifix firmy GE Fanuc, Pro Tool, SCATEX i wiele innych. Systemy te różnią się od siebie możliwościami przedstawiania pewnych elementów (gotowymi formami wykresów, kontrolek itp.), sposobem programowania, możliwościami komunikacji z innymi elementami układu itp.