Akwizycja danych dowiadczalnych z zastosowaniem torów pomiarowych wyposaonych w przetworniki analogowo - cyfrowe

Transkrypt

1 Cyfrowa technika pomiarowa i przetwarzanie danych dowiadczalnych Temat: Akwizycja danych dowiadczalnych z zastosowaniem torów pomiarowych wyposaonych w przetworniki analogowo - cyfrowe Pomoc dydaktyczna do zaj laboratoryjnych z przedmiotu Metody Komputerowe w Badaniach Materiałowych Opracowanie: Mgr in. Krzysztof Zarbski

2 SPIS TRECI 1. PODSTAWOWE POJCIA Z ZAKRESU METROLOGII 3 2. KOMPUTEROWE SYSTEMY POMIAROWE 6 3. KLASYFIKACJA I PRZETWARZANIE SYGNAŁÓW POMIAROWYCH 7 4. ZALETY I WADY SYSTEMÓW POMIAROWYCH WYKORZYSTUJCYCH CYFROW TECHNIK PRZETWARZANIA SYGNAŁÓW PRZEZNACZENIE I CHARAKTERYSTYKA PODSTAWOWYCH ELEMENTÓW SYSTEMU POMIAROWEGO OGÓLNE ZASADY KOMPLETACJI SYSTEMU POMIAROWEGO OPROGRAMOWANIE SYSTEMÓW POMIAROWYCH 20 LITERATURA 21 2

3 1. Podstawowe pojcia z zakresu metrologii Metrologi mona zdefiniowa najogólniej jako dziedzin nauki zajmujc si dowiadczalnym zbieraniem informacji o otaczajcym nas wiecie, teori mierzenia oraz technik i technologi wykonywania pomiarów. Dział metrologii zajmujcy si problemami wspólnymi dla wszystkich zastosowa nazywamy metrologi ogóln. W zalenoci od rodzaju mierzonych wielkoci metrologi moemy podzieli na metrologi; długoci, czasu, cinienia itd. Metrologia odnoszca si do pomiarów w danej dziedzinie nosi nazw metrologii stosowanej. Moemy wyróni np. metrologi warsztatow, przemysłow, astronomiczn itd. Rozwój metrologii mona podzieli na trzy charakterystyczne etapy. Pierwszy obejmował okres stosowania metod bezporednich w pomiarach i uyciu mierników wskanikowych. Dodatkowo okres ten wyróniał si tym, e niemal kada dziedzina inynierii posiadała swoje własne miernictwo, np. miernictwo wielkoci mechanicznych, nieelektrycznych czy elektrycznych. Drugi etap rozwoju polegał na zastpieniu pomiaru wikszoci wielkoci nieelektrycznych pomiarami wielkoci elektrycznych, wykonywanych coraz bardziej nowoczesnymi, dokładnymi i niezawodnymi przyrzdami pomiarowymi. Pomiary stały si bardziej obiektywne, ograniczony został wpływ osoby dokonujcej pomiar na jego wynik. Upowszechnił si równie sposób rejestracji wyników w formie zapisu na tamie magnetycznej. Trzecia faza rozwoju metrologii charakteryzuje si wprowadzeniem do techniki pomiarowej komputerów, które zostały sprzgnite z urzdzeniami pomiarowymi. Pozwoliło to na zapocztkowanie automatycznego sterowaniem procesem pomiaru oraz wprowadziło nowy element przetwarzanie i analiz danych pomiarowych [1]. Waniejsze definicje stosowane w metrologii Pomiar dowiadczalne wyznaczenie z okrelon dokładnoci miary danej wielkoci fizycznej i porównanie jej z wartoci przyjt za jednostk. Gdy pomiar bezporedni jest niemoliwy ze wzgldów technicznych lub wymaga zbyt wielkich nakładów, stosuje si metody porednie. Wyznacza si wówczas łatwiej mierzaln wielko, która jest zwizana z wielkoci mierzon dobrze znan zalenoci. Wielko fizyczna - właciwo zjawiska lub ciała, któr mona okreli ilociowo. Podaje si j zwykle jako iloczyn wartoci liczbowej i jednostki miary (znak mnoenia pomija si). Jednostka miary umownie przyjta i wyznaczona z dostateczn dokładnoci warto danej wielkoci, która słuy do porównania ze sob innych wartoci tej samej wielkoci. Układ jednostek SI (System International) - midzynarodowy układ jednostek. Istnieje siedem podstawowych jednostek miar: kilogram (kg), metr (m), sekunda (s), kelvin (K), amper (A), kandela (cd), mol (mol) oraz dwie pomocnicze: radian (rd), steradian (sr). 3

4 Jednostki SI tworz układ spójny, tj. jednostki z nich wyprowadzone (np. jednostki pochodne) s iloczynami lub ilorazami jednostek podstawowych, przy czym nie pojawiaj si adne dodatkowe czynniki liczbowe przy przeliczaniu. Metoda pomiaru zasada porównywania zastosowana przy pomiarze Sposób pomiaru przebieg czynnoci przy wykonywaniu pomiaru. Sprzt pomiarowy rodki techniczne zastosowane w procesie pomiarowym i obejmujce: aparatur, przyrzdy, wzorce oraz przybory pomiarowe. Czujnik przetwornik pomiarowy. Jest to element pomiarowy słucy do zamiany mierzonej wielkoci fizycznej na inn wielko. Istnieje jednoznaczny zwizek midzy wielkoci mierzon X a sygnałem pomiarowym Y. Charakterystyka przetwarzania Y= f(x) charakterystyka statyczna czujnika opisujca zwizki funkcjonalne midzy wielkoci wyjciow Y i wejciow X. Błd pomiaru wystpuje wtedy, gdy istnieje niedokładno w pomiarze, która przesuwa w gór lub w dół wynik kocowy. Wród y błdów wyróniamy: błdy systematyczne ich wpływ na wynik pomiaru daje si dokładnie przewidzie. S to błdy, które przy pomiarze pewnej wielkoci w tych samych warunkach s stałe zarówno, co do wartoci bezwzgldnej, jaki i co do znaku lub zmieniaj si zgodnie z okrelonym prawem. Błdy systematyczne z rónych ródeł sumuje si algebraicznie; błdy przypadkowe spowodowane czujnikami zakłócajcymi o charakterze losowym, błdy grube (pomyłki). ródła błdów systematycznych mog by zwizane z przyrzdem pomiarowym, zawinione przez obserwatora lub wynikiem le dobranej metody pomiarowej, np.: błd w cechowania przyrzdu pomiarowego, niewłaciwe uycie przyrzdu przez obserwatora, wadliwe działanie metody pomiarowej lub przybliony charakter stosowanych wzorów (przy pomiarach porednich). Błdy grube wynikaj najczciej z niestarannoci eksperymentatora Niepewno pomiarowa - połowa szerokoci przedziału (x ± x), w którym mieci warto rzeczywista pewnej wielkoci fizycznej. Wyróniamy dwa zasadnicze typy niepewnoci pomiarowych; niepewnoci systematyczne i niepewnoci przypadkowe. W praktyce w pomiarach wystpuj zarówno niepewnoci systematyczne, jak i przypadkowe, składajce si na niepewno całkowit. 4

5 Terminologia dotyczca rodków technicznych wykorzystywanych w procesie pomiarowym System pomiarowy funkcjonalny zbiór rodków technicznych objtych wspólnym sterowaniem wewntrznym lub zewntrznym, tworzcy jedn organizacyjn cało i przeznaczony do wykonania pewnej operacji pomiarowej. Operacja ta moe składa si z dokonania samego pomiaru jednej lub kilku wielkoci fizycznych, przesłania sygnałów, rejestracji i zapamitania wyników. Systemy pomiarowe nazywane s równie urzdzeniami lub układami pomiarowymi. Dziel si one na: przetworniki pomiarowe, wzorce i przyrzdy pomiarowe ródło zjawiska Przyrzdy pomiarowe Obserwator Wzorzec Rys. 1.1 Schemat funkcjonalny przebiegu procesu pomiarowego z przyrzdem jako układ pomiarowy Przedstawiony na rysunku 1.1 przebieg procesu pomiarowego przedstawia go jako układ porównania. Zazwyczaj jednak wzorzec bardzo rzadko wystpuje w układach pomiarowych, a jest wykorzystywany jedynie do wzorcowania przyrzdów pomiarowych tzn. do przekazania im miary wielkoci mierzonej. Przetworniki pomiarowe to urzdzenia, dziki którym zachodzi zmiana (proces przetwarzania) wielkoci mierzonej X na wielko Y, przy zachowaniu informacji o wielkoci X. Uzyskana w ten sposób wielko Y nosi nazw sygnału pomiarowego. Z wartoci wielkoci Y mona wyznaczy warto wielkoci mierzonej X. Kady sygnał pomiarowy zawiera nonik sygnału i parametr informacji. Nonik sygnału jest wielkoci opisujc procesy energetyczne (np. napicie czy natenie prdu), natomiast parametr informacji jest funkcja opisan na tym parametrze. Wzorce s to narzdzia pomiarowe odtwarzajce jednostki miary lub ich wielokrotnoci, charakteryzujce si niezmiennoci w czasie, łatw porównywalnoci, odtwarzalnoci i stosowalnoci oraz du dokładnoci. Przyrzdy pomiarowe to narzdzia przeznaczone do wykonywania pomiarów i przedstawienia ich wyników w postaci bezporednio przyswajalnej przez człowieka. Ze wzgldu na sposób przedstawienia wyniku pomiaru przyrzdy pomiarowe dzielimy na analogowe (np. odczyt połoenia wskazówki w odniesieniu do skali) i cyfrowe (podajce wynik w liczbach układu dziesitnego). 5

6 2. Komputerowe systemy pomiarowe Rozwój techniki komputerowej, której punktem przełomowym było opracowanie minikomputera w postaci pojedynczego elementu (chipa) oznaczonego symbolem 8080 pozwoliło na powstanie nowej generacji przyrzdów, czujników oraz przetworników pomiarowych, których elementem składowym stał si ten włanie nowy chip umoliwiajcy bezporednie przetwarzanie sygnałów pomiarowych oraz sterowanie procesem pomiarowym. Od tej włanie chwili przyjło si mówi o Komputerowych lub inaczej Inteligentnych Systemach Pomiarowych, a wynikało to z ich moliwoci adaptacyjnych, które stały si moliwe dziki zastosowaniu mikrokomputerów. Na kadym etapie pracy systemu pomiarowego wykorzystywany jest sprzt komputerowy. Wielkoci fizyczne mierzone s przy pomocy czujników zaopatrzonych w minikomputer. Otrzymany w ten sposób sygnał dopasowywany jest w układach kondycjonowania, gdzie komputer ustala poziom wzmocnienia, dokonuje filtrowania szumów oraz zakłóce i przekazuje do układów akwizycji, gdzie jest on przekształcany na posta cyfrow. W tej formie sygnał przesyłany jest do komputera, którego zadaniem jest obróbka, wizualizacja, analiza i interpretacja danych pomiarowych. Równie archiwizacja odbywa si w postaci cyfrowej na nonikach charakteryzujcych si wiksz pojemnoci i trwałoci (rys. 2.1).! " $%& )(*+*!'%( # Rys. 2.1 Współczenie stosowane systemy pomiarowe Cech charakterystyczn cyfrowych układów pomiarowych jest sposób zbierania informacji o badanym obiekcie pomiarowym. Pierwszym etapem jest pozyskanie sygnałów elektrycznych w postaci analogowej, a nastpnie przetworzenie ich na kod cyfrowy i poddanie dalszej obróbce cyfrowej, w celu przedstawienia wyników w postaci wizualnej. 6

7 u(t) t U/C Przetwarzanie napicia na kod cyfrowy x(t) A/A Przetwarzanie analogowe sygnału C/C Przetwarzanie cyfrowe y(t) T/C Przetwarzanie odstpów czasu na kod cyfrowy Rys. 2.2 Schemat cyfrowego pomiaru sygnałów [2] C/A Przetwarzanie cyfrowo - analogowe Rysunek 2.2 przedstawia schemat pomiaru cyfrowego dowolnej wielkoci fizycznej u(t) przetworzonej wstpnie na sygnał elektryczny x(t). Blok oznaczony symbolem A/A odpowiada za dopasowanie poziomem zmiennego w czasie sygnału x(t) do zakresu przetwornika analogowo-cyfrowego. Nastpnie sygnał poddawany jest kwantyzacji i dyskretyzacji w blokach oznaczonych odpowiednio U/C i T/C, skd przekazywany jest do dalszej obróbki cyfrowej w bloku C/C. W wyniku otrzymujemy wyjciowy sygnał cyfrowy w postaci kodu cyfrowego zapisanego jako słowo bitowe. Dodatkowo, w układach adaptacyjnych oraz systemach pomiarowych bdcych czci układów sterowania procesami lub współpracujcych z nimi, sygnał cyfrowy moe ponownie by zamieniony na analogowy sygnał napiciowy. 3. Klasyfikacja i przetwarzanie sygnałów pomiarowych Sygnały zdeterminowane s to takie sygnały, które maj z góry okrelony przebieg czasowy i mona je opisa matematycznie za pomoc rzeczywistej lub zespolonej funkcji czasu. Sygnały niezdeterminowane to takie, których kształtu w aden sposób nie mona przewidzie. Jeli do ich opisu uywa si rozkładu prawdopodobiestwa, to nazywamy je stochastycznymi (losowymi) Sygnały analogowe s to sygnały cigłe pod wzgldem czasu i amplitudy (tzn. zarówno wartoci sygnału jak i wartoci jego argumentu czasu- nale do nieskoczonego zbioru) oraz nieograniczone w amplitudzie i w pamie czstotliwoci. Podczas przetwarzania sygnałów analogowych mog wystpowa ograniczenia czstotliwoci oraz szum wytwarzany przez elementy bierne i czynne. Zakres dynamiczny systemu pomiarowego jest okrelony przez stosunek sygnału do szumu. 7

8 Sygnały dyskretne - próbkowane pod wzgldem czasu powstaj przez próbkowanie sygnałów analogowych w dyskretnych przedziałach czasu bez kwantowania amplitudy. Sygnały kwantowane s sygnałami dyskretnymi pod wzgldem amplitudy, przyjmujcymi skoczon liczb stanów. Sygnały cyfrowe uzyskuje si, gdy sygnał wejciowy jest próbkowany w dyskretnych przedziałach czasowych, za amplituda jest kwantowana na dyskretne poziomy ze zbioru wartoci dopuszczonego przez konkretne urzdzenie. Sygnały te s okrelone przez dobrze zdefiniowane poziomy nazywane poziomami logicznymi. W urzdzeniach cyfrowych s to zazwyczaj dwa poziomy, odpowiadajce cyfrom 0 oraz 1 w kodzie binarnym. Przetwarzanie cigłego sygnału analogowego x(t) na sygnał cyfrowy polega na dyskretyzacji sygnału w czasie, czyli jego próbkowaniu, dyskretyzacji wartoci sygnału, czyli kwantowaniu, oraz na kodowaniu uzyskanego sygnału dyskretnego. Próbkowanie, (dyskretyzacja argumentów funkcji x(t)), polega na kolejnym pobieraniu próbek wartoci sygnału w pewnych odstpach czasu. Rys. 3.1 Schemat próbowania sygnału analogowego, cigłego; t odległo czasowa pomidzy kolejnymi próbkami Kwantowanie (dyskretyzacja wartoci sygnału analogowego) polega na przyporzdkowaniu kadej wartoci sygnału pewnej kwantowanej wartoci dyskretnej. Najczciej stosowane jest kwantowanie równomierne opisane wzorem. gdzie: X X 0 = q * ent( + 0.5) q X 0 warto na wyjciu układu kwantujcego, (3.1) 8

9 X warto sygnału analogowego na wejciu układu, q elementarny przedział kwantowania, ent(x) cz całkowita liczby rzeczywistej. Elementarny przedział kwantowania zwizany jest z pojciem rozdzielczoci układu i definiowanej jako liczba stanów wyjciowych wyraona w bitach. Dla układu przedstawionego na rysunku 3.2, zgodnie z zalenoci (3.2) FSR Q = n 2 (3.2) gdzie FSR (ang. Full Scale Range) jest pełnym zakresem przetwarzania wynoszcym tu 10 V - elementarny przedział kwantowania q = 1,25 V. Proces kwantowania polega na zaokrglaniu wartoci wyznaczonej próbki do takiej, któr przy danej rozdzielczoci cyfrowej mona zapisa w postaci zadanej liczby bitów. Dla przykładu, jeeli zmierzona próbka posiada warto 3,2 i rozdzielczo cyfrowa w danym procesie kwantowania została ustalona na 3 bity, to w wyniku procesu kwantowania warto próbki zostanie zaokrglona do 3,75, a wic do najbliszego przedziału kwantowania. Rys. 3.2 Charakterystyka przetwarzania idealnego układu kwantowania równomiernego [3] Kodowanie sygnały cyfrowe uzyskiwane na wyjciu przetwornika A/C s wyraane w odpowiednio dobranym kodzie. Najczciej jest to jedna z odmian kodu dwójkowego. Układy kwantowania i kodowania s ze sob cile powizane i trudne do wyranego wyodrbnienia. Jednym z istotnych parametrów systemu z wejciem analogowym jest czstotliwo próbkowania. Dua czstotliwo próbkowania powoduje, e oryginalny sygnał analogowy bdzie posiadał lepsz reprezentacj w systemie cyfrowym. Rys. 3.3 przedstawia sygnał próbkowany z właciw czstotliwoci, oraz efekt zbyt małej czstotliwoci próbkowania. 9

10 Próbkowania zbyt wolne powoduje gorsz reprezentacj sygnału wejciowego. Efekt ten powoduje, e otrzymany w wyniku próbkowania sygnał ma inn czstotliwo, ni w rzeczywistoci. Ta błdna reprezentacja sygnału zwana jest aliasem (efekt aliasingu). Rys. 3.3Przykłady próbowania sygnału analogowego: (a) właciwie dobrana czstotliwo próbkowania, (b) efekt aliasingu zbyt mała czstotliwo próbkowania Aby unikn efektu aliasingu naley (zgodnie z tzw. twierdzeniem Nyquista) próbkowa sygnał z czstotliwoci przynajmniej dwukrotnie wysz ni maksymalna czstotliwo sygnału wejciowego. Natomiast dla ustalonej czstotliwoci próbkowania (np. zdeterminowanej sprztowo) maksymalna czstotliwo, która moe by odwzorowana prawidłowo (bez efektu aliasingu) jest nazywana czstotliwoci Nyquista. Czstotliwo Nyquista jest równa połowie czstotliwoci próbkowania. Kiedy widmo sygnału siga poza ustalon graniczn czstotliwo próbkowania f g, to operacja próbkowania prowadzi do błdów Czstotliwo f g nazywana jest czstotliwoci graniczn Nyquista i okrela j wyraenie 1 f g = (3.3) 2 t gdzie t okrela przedział próbkowania. Aby unikn błdów wynikajcych z nakładania widma, naley starannie dobra czstotliwo próbkowania, uwzgldniajc wszystkie istotne z praktycznego punktu widzenia składowe widma sygnału. Z punktu widzenia przeprowadzajcego pomiar istotne jest dobranie optymalnej czstotliwoci próbkowania. Przede wszystkim nie mona przekroczy maksymalnej czstotliwoci, z jak działa przetwornik, pamitajc równoczenie, e jeeli próbujemy stosunkowo szybko i przez długi okres czasu, to naley si liczy z tym, e pojemno pamici operacyjnej lub przestrze na dysku komputera bdzie niewystarczajca. 10

11 4. Zalety i wady systemów pomiarowych wykorzystujcych cyfrow technik przetwarzania sygnałów Współpraca analogowych przyrzdów pomiarowych (czujników, przetworników) z cyfrowymi układami przetwarzania sygnału pozwoliła na: rejestracj duej liczby danych pomiarowych w pamici komputera i zachowanie ich do dalszego przetwarzania, rejestracj wielkoci szybkozmiennych, trudnych czsto do zarejestrowania przyrzdami analogowymi, z moliwoci póniejszego przetworzenia i przegldania ich w zmienionej skali czasowej, łatw realizacj pomiaru wielokanałowego, zastosowanie programowego wygładzania i filtrowania sygnału pomiarowego sterowanie prac przyrzdów i całych systemów pomiarowych, co prowadzi do zautomatyzowania procesu pomiarowego. Zalety systemów cyfrowych Dowolnie dua dokładno przetwarzania, zalena wyłcznie od dokładnoci informacji wejciowych Znacznie wiksza ni w przypadku sygnałów cigłych odporno na zakłócenia i ogólna niezawodno urzdze Wady systemów cyfrowych Wyszy ni w przypadku sygnałów cigłych koszt urzdze przy przetwarzaniu z niewielk dokładnoci Dłuszy czas wykonania złoonych operacji Łatwa realizacja zapamitywania informacji i przechowywania jej przez dowolnie długi okres czasu Moliwo dokładnego, cyfrowego przedstawienia informacji wyjciowych za pomoc wskaników cyfrowych oraz wydruków Moliwo programowej kalibracji urzdze i automatycznego dostosowania do zmieniajcych si warunków zewntrznych (np. temperatura, cinienie itp.) Moliwo programowego wyboru parametrów pracy 11

12 Moliwo programowania algorytmów pracy i elastycznego dostosowania do własnych potrzeb Łatwo adaptacji (modyfikacji) struktury układu do nowych potrzeb 5. Przeznaczenie i charakterystyka podstawowych elementów systemu pomiarowego Czujniki i przetworniki pomiarowe. Czujniki pomiarowe s elementami przetwarzajcymi wielkoci fizyczne na odpowiednie sygnały elektryczne S to najczciej przetworniki pomiarowe, zbudowane z sensora i współpracujcego z nim, umieszczonego przewanie w jednej obudowie przetwornika. Ze wzgldu na funkcj, jak spełniaj zaliczamy je do grupy przetworników noszcych nazw charakterografów, tj. przetworników zmieniajcych charakter badanego sygnału. Czujniki zamieniaj przebiegi czasowe mierzonej wielkoci fizycznej na zmiany wielkoci prdowych, takich jak prd, napicie czy rezystancja. Przetworniki pomiarowe dziel si na dwie grupy: pasywne (parametryczne) i aktywne (generacyjne) W pierwszym przypadku przekształcenie wielkoci nieelektrycznej na sygnał elektryczny nastpuje przy udziale energii z zewntrz. Tabela 5.1. przedstawia zjawiska fizykochemiczne wykorzystywane w miernictwie, kiedy sygnałem wyjciowym jest sygnał elektryczny. Tabela 5.1 Zjawiska fizykochemiczne wykorzystywane w miernictwie elektrycznym [4] Sygnał wyjciowy Sygnał wejciowy Wykorzystywane zjawiska fizykochemiczne Elektryczny Mechaniczny Cieplny (termiczny) Magnetyczny Elektryczny Optyczny Molekularny Indukcja, efekt pojemnociowy, efekt piezoelektryczny, efekt Lenarda. Zaleno temperaturowa rezystancji, efekt Seebecka, termoelektryczno, efekt piroelektryczny. Indukcja, efekt Halla, efekt Thomsona, efekt Wieganda. Prd elektryczny w ciałach stałych, cieczach i gazach. Fotoefekty, fotoopory, fotojonizacja Fotokomórki, przewodnictwo elektrolitów, potencjał stykowy. Zamiana pewnego parametru elektrycznego charakteryzujcego czujnik, (np. rezystancji w termometrach rezystancyjnych lub tensometrach, indukcyjnoci w transformatorowych czujnikach rónicowych, napicia czy prdu) jest wynikiem wpływu wielkoci mierzonej na ten element. Z tego wynika, e przetwornik parametryczny musi by zasilany ze ródła napicia lub prdu stałego lub przemiennego. Przetworniki generacyjne same s ródłem napicia czy prdu w wyniku zamiany energii sygnału nieelektrycznego w energi elektryczn. Czujnikami tego rodzaju s np. czujniki piezoelektryczne do pomiaru drga i czujniki termoelektryczne do pomiarów temperatury. 12

13 ), ), -. Rys. 5.1 Schemat funkcjonalny przetwornika pomiarowego W ogólnym przypadku przetwornik pomiarowy mona przedstawi w formie schematu blokowego jak na rysunku 5.1. Przetwornik pomiarowy zamienia sygnał wejciowy X s na sygnał wyjciowy Y s dokonujc przekształcenia, które mona opisa nastpujcym równaniem: y = F{x}, (5.1) gdzie: x, y, to wektory sygnałowe zawierajce składowe sygnału wejciowego X s i wyjciowego Y s. Po uwzgldnieniu zakłóce z, zaleno (2.1) naley zapisa w postaci: y = F{ x, z} (5.2) W wyniku pomiaru otrzymujemy wic wielko y obarczon błdem : = y y (5.3) Wyraenie (5.1) okrela tzw. funkcj przejcia. Charakterystycznymi parametrami przetworników pomiarowych s: zakres pomiarowy i zwizany z nim błd nieliniowoci, czuło oraz wynikajce z niej: błd czułoci (inaczej błd wzmocnienia), błd nachylenia i błd przesunicia. Wszystkie błdy przetwarzania wystpujce w warunkach znamionowych, czyli w zakresie wartoci odniesienia wielkoci wpływajcych na przetwornik (np. temperatura pracy 23 o C, wilgotno wzgldna 40 60%, czstotliwo 50Hz, brak zewntrznych pól magnetycznych itp.) nosz nazw błdów podstawowych. Rys. 5.2 Definicja nieliniowoci [4] Zakres pomiarowy (rys. 5.3) zwizany jest bezporednio z nieliniowoci charakterystyki statycznej, co ma miejsce, kiedy rzeczywist charakterystyk urzdzenia zastpuje si zalenoci liniow (rys. 5.2). Stanowi on cz zakresu nominalnego wielkoci 13

14 wejciowej, dla której odpowiednie wielkoci, otrzymane w nominalnych warunkach odniesienia i z jednego pomiaru s obarczone błdem nie wikszym od błdu zredukowanego (stosuje si równie nazwy: błd graniczny i błd dopuszczalny). Wówczas błd nieliniowoci opisany jest zalenoci: y max błd nieliniowoci = (5.4) y y max min Rys. 5.3 Definicja zakresu pomiarowego [4] Czuło przyrzdu pomiarowego opisuje charakterystyk danego przetwornika i wynika z zalenoci (5.1), któr w przypadku charakterystyki liniowej mona przedstawi w postaci równania: y = S x (5.5) gdzie S czuło przyrzdu pomiarowego: y S = (5.6) x W przypadku charakterystyki nieliniowej czuło definiowana jest jako granica stosunku przyrostu wielkoci wejciowej do wywołujcego t zmian przyrostu wielkoci wejciowej, w zwizku z czym zaleno (5.6) przyjmuje posta: y dy S = lim = (5.7) x 0 x dx Odwrotno czułoci S nazywamy stał przetwornika C: C = 1 (2.8) S 14

15 Na rysunku 5.4 przedstawiono definicj dwóch błdów: błdu dryftu (przesunicia) zera, który jest błdem addytywnym, stałym w całym zakresie pomiarowym, oraz błd wzmocnienia (lub inaczej skalowania), bdcy najczciej efektem wpływu czynników zewntrznych (np. temperatury), bdcy błdem multiplikatywnym, zalenym od wpływu czynników zewntrznych.! " Rys. 5.4 Definicja błdu multiplikatywnego i addytywnego[4] Przez klas przyrzdu rozumie si zbiór własnoci metrologicznych umownie oznaczonych wartoci dopuszczalnego błdu podstawowego. Polskie normy (PN-92/E /01 i PN-92/E-06520) zalecaj, aby wartoci liczbowe klasy były wzite z cigu liczb 1; 2; 5 i ich dziesitnych wielokrotnoci lub podwielokrotnoci. Klas czujnika okrela si obliczajc maksymalny błd bezwzgldny w warunkach nominalnych. Nastpnie tak obliczony błd, oznaczony x max odnosimy do zakresu pomiarowego i wyraamy w procentach zgodnie z zalenoci (5.9). xmax δ m% = 100% (5.9) zakres pomiarowy Nastpnie bierzemy liczb, przewidzian norm wiksz od tak wyraonego błdu i ta liczba bdzie okrelała klas czujnika, np. jeli δ m% = 0,21 to klasa przyrzdu jest 0,5 (wg PN-92/E-06501/01) Układy kondycjonowania sygnałów. Zadaniem układów kondycjonowania sygnałów jest izolacja galwaniczna sygnału wejciowego od układów pomiarowych, wytworzenie odpowiedniego poziomu tego sygnału, dopasowanie go do zakresów układów pomiarowych, ograniczenie pasma czstotliwociowego oraz odfiltrowanie z szumów i zakłóce. Czsto układ taki spełnia równie zadania multipleksera analogowego, przełczajc wiksz liczb doprowadzonych - np. z czujników temperatury - sygnałów wolnozmiennych,. Do najczciej stosowanych operacji kondycjonowania naley wzmacnianie sygnałów. Przykładem moe by wzmacnianie sygnałów o niskim poziomie z termoektrycznych czujników temperatury, których poziom dopasowywany jest do zakresów wejcia 15

16 przetworników analogowo-cyfrowych, co pozwala w pełni wykorzysta ich zakres i zwikszy rozdzielczo przy jednoczesnej eliminacji szumów. Do eliminacji szumów słu przede wszystkim filtry. Ich zadaniem jest wydzielenie sygnału uytecznego z całego dostpnego widma. Filtry stosowane w układach kondycjonowania sygnałów maj, co najmniej jedno pasmo przepustowe (o małym tłumieniu) i jedno pasmo tłumienia, zwane take zaporowym (o duym tłumieniu). Stosuje si filtry górnoprzepustowe, dolnoprzepustowe, rodkowoprzepustowe oraz redniozaporowe. Filtry dolnoprzepustowe znalazły zastosowanie w filtrowaniu sygnałów wolnozmiennych i czsto stosowane s wraz z filtrami Bessela i Butterwortha. Najczciej czstotliwo odcicia zawiera si w przedziale od 5Hz do 25kHz. W układach z czujnikami termoelektrycznymi stosuje si czstotliwo odcicia 2Hz.. W układach pomiarowych naraonych na zakłócenia energetyczne wykorzystuje si filtry rodkowozaporowe eliminujce zakłócenia w pamie 50Hz. Innym zadaniem filtrów jest ograniczenia pasma sygnału podawanego na przetwornik A/C tak, aby zapobiec zjawisku nakładania si widm (ang. aliasing utosamianie nazw). Polega ono na tym, e sygnał próbkowany ze zbyt mał czstotliwoci jest interpretowany jako sygnał o mniejszej czstotliwoci. Pominicie tego zjawiska jest moliwe, poprzez wydzielenie w drodze idealnej filtracji, głównej czci widma. Ma to miejsce wtedy, kiedy poszczególne segmenty widma nie zachodz na siebie tzn., kiedy próbkowanie odbywa si z czstotliwoci co najmniej dwukrotnie wiksz od czstotliwoci maksymalnej wystpujcej w sygnale. Zasada ta jest sformułowana w postaci prawa próbkowania Shannona Kotelnikowa [5]. Do zada układów kondycjonowania naley równie generacja sygnałów wymuszajcych np. w układach wykonujcych pomiary temperatury z uyciem czujników termorezystancyjnych. ródła prdu wymagane s równie w układach wyposaonych w czujniki indukcyjne i tensometryczne. Karty zbierania danych. Zasadniczym elementem składowym karty analogowej jest przetwornik analogowo-cyfrowy. Sygnał analogowy doprowadzany jest do karty za porednictwem wej analogowych. Poniewa do wikszoci kart pomiarowych doprowadzanych jest kilka sygnałów wejciowych, s one obsługiwane przez wewntrzny multiplekser. Przewaajca cz kart pomiarowych wyposaona jest w filtry dolnoprzepustowe oraz wzmacniacze sygnału niskonapiciowego. Kada wielofunkcyjna karta wyposaona jest w liczniki i zegary do wyzwalania przetwornika A/C. Karty, które słu równie do sterowania procesami lub urzdzeniami, wyposaone s w przetwornik cyfrowo-analogowy i cigłe wyjcia analogowe. Tylko bardziej zaawansowane karty posiadaj moliwo akwizycji danych zarówno analogowych jak i cyfrowych oraz jednoczesnej generacji danych przebiegów. 16

17 Najwaniejsze parametry kart pomiarowych Rozdzielczo i zakres kart pomiarowych. Rozdzielczo karty pomiarowej okrela właciwie dokładno przetwornika analogowo-cyfrowego, a wic posta n-bitowego słowa, na jakie zostanie zamieniona analogowa warto napicia wejciowego. Liczba n jest miar dokładnoci przetwarzania analogowo-cyfrowego. Dla przykładu rozdzielczo 8 bitów oznacza, e zakres pomiarowy karty zostanie podzielony na 2 8 czci. Wynika z tego, e karta ta rozrónia napicia rónice si o U max /2 n. Napicie to nazywa si zdolnoci rozdzielcz bezwzgldn przetwornika. Zdolno rozdzielcza wzgldna przetwornika okrela najwiksz moliw wzgldn zmian sygnału wejciowego w odniesieniu do pełnego zakresu jego zmian niepowodujc zmiany sygnału wyjciowego. Odpowiada to maksymalnemu błdowi pomiarowemu, który mona uwaa za równomierny w całym zakresie od 0 do U max i podaje si go jako redni bezwzgldny błd kwantowania równy ±0,5 U max /2 n (U max oznacza maksymalne napicie wejciowe dla danego zakresu pomiarowego). Pełny zakres przetwarzania okrela si równie jako FS, natomiast błd kwantyzacji jako LSB (odpowiadajcy najmniej znaczcemu bitowi w słowie bitowym) lub LSD najmniej znaczca cyfra. Wielkoci te okrela si nastpujco: LSB = FS/2 n 100%, LSD = FS/10 d 100%, gdzie:n - liczba bitów, d liczba dekad, FS =1. Z rozdzielczoci kart pomiarowych cile powizany jest ich zakres przetwarzania. Dobór pełnego zakresu pomiarowego (FS) w zasadniczy sposób wpływa na póniejszy stopie trudnoci przy kalibracji przetwornika. Czsto tak dobiera si napicie U FS, aby jego poziom odpowiadajcy najbardziej znaczcemu bitowi (MSB - czyli 0,5 FS) był równy np. 5V, 2,5V itd., co ułatwia pomiar tych napi przy kalibracji. Najbardziej podane s karty 16-bitowe, cho w uyciu znajduje si najwicej kart 12 - bitowych i te ostatnie w procesach przemysłowych wydaj si wystarczajce. Jeli chodzi o zakresy pomiarowe, to spotyka si karty pracujce zarówno w zakresie napi unipolarnych jak i bipolarnych. Najczciej jest to realizowane w ten sposób, e karta o unipolarnym zakresie od 0 10V moe pracowa jednoczenie w bipolarnym zakresie napi od 5V do +5V. Czstotliwo próbkowania. Czstotliwo próbkowania okrela nam jak czsto w okresie jednej sekundy karta pomiarowa jest zdolna ledzi i zapamitywa sygnał wejciowy. Odbywa si to w sposób sekwencyjny, tzn. e czstotliwo próbkowania kadego z kanałów pomiarowych jest równa f/n [Hz], gdzie f - czstotliwo, a n - liczba kanałów. Do badania przebiegów wolnozmiennych stosuje si karty o nie najwyszych czstotliwociach próbkowania (do 10kHz), natomiast przebiegi szybkozmienne wymagaj kart o czstotliwociach próbkowania rzdu MHz. Wikszo kart wielofunkcyjnych posiada przetworniki o czstotliwoci próbkowania od kHz. S to czstotliwoci wystarczajce do pomiarów wikszoci wielkoci fizycznych, jak temperatura, cinienie czy czstotliwo. 17

18 Wejcia analogowe. Ilo kanałów wejciowych uzaleniona jest od parametrów multiplekserów. Poniewa w wikszoci dostpne multipleksery s 8-kanałowe, wic produkcja kart o mniejszej liczbie kanałów jest rzadko spotykana. Jeli chodzi o karty z wicej ni 8 lub 16 kanałów to stosowane s dwie metody multipleksowania: pierwsza odnosi si do kart 32- lub 64-kanałowych, gdzie ze wzgldu na ograniczon liczb pinów, jakie mona wyprowadzi z karty, wiksza liczba wej analogowych realizowana jest kosztem innych funkcji karty. druga metoda polega na zwikszaniu liczby wej analogowych za pomoc dodatkowych modułów dołczanych do karty, co pozwala na akwizycj danych z kilkuset kanałów. Najczciej spotykane s karty 8- i 16-kanałowe. Maj one wejcia typu Single-Ended (niesymetryczne, ze wspóln mas), lub typu rónicowego - (Differential). Przewanie, jeli chcemy zastosowa podłczenie typu rónicowego, to liczba kanałów wejciowych zmniejsza si o połow. Wejcia cyfrowe. Zadaniem układów wej cyfrowych jest wprowadzanie do komputera informacji o współrzdnych stanu procesu, które mona podzieli na cztery grupy: binarne współrzdne stanu, tj. mogce przyjmowa tylko dwie wartoci (s nimi stany zaworów odcinajcych, stany pracy silników, pomp, dmuchaw, dozowników, stany sygnalizatorów granicznych, styczników, wyłczników i odłczników energetycznych), cigłe współrzdne stanu, lecz mierzone za pomoc przetworników pomiarowych cyfrowych, np. przetworników kta obrotu i przesunicia, wag dozujcych z wyjciem cyfrowym, analizatorów składu z wyjciem cyfrowym, cigłe i dyskretne współrzdne stanu mierzone za pomoc przetworników pomiarowych generujcych cigi impulsów (do przetworników takich nale liczniki energii elektrycznej, przepływomierze turbinkowe, przetworniki impulsowe prdkoci ktowej, kta obrotu i przesunicia, liczniki liczby wyrobów), dyskretne współrzdne stanu, wprowadzane do systemu komputerowego przez klawiatur pulpitu operatora procesu, np. numery zamówie, symbole surowca, symbole narzdzi, wyniki analiz laboratoryjnych. Z wymienionych grup najbardziej liczna w procesach przemysłowych jest grupa pierwsza. Liczba sygnałów binarnych wprowadzanych do systemu komputerowego automatyki w procesach cigłych jest czsto 3, 4 krotnie wiksza ni liczba sygnałów cigłych. W procesach przemysłowych dyskretnych najliczniej s reprezentowane współrzdne stanu z grupy trzeciej i czwartej. Układ wej cyfrowych umoliwia równie wprowadzanie do komputera danych z urzdze transmisji, pamici zewntrznych i monitorów ekranowych. 18

19 W najbardziej popularnych kartach pomiarowych stosuje si dwa do czterech wej cyfrowych. Wyjcia analogowe. Zadaniem układów wyj analogowych jest przetworzenie otrzymanego z komputera sygnału cyfrowego na sygnał napiciowy wprowadzany na wejcie analogowego elementu nastawczego, zaadresowanego przez komputer i utrzymanie wartoci tego napicia do chwili pojawienia si nastpnego sygnału cyfrowego dla tego elementu nastawczego. Układy wyj analogowych umoliwiaj: sterowanie cigłych współrzdnych stanu procesów przy wykorzystaniu elementów nastawczych o działaniu cigłym, powszechnie stosowanych w konwencjonalnych analogowych układach automatyki; sterowanie przyrzdów wskazujcych i rejestrujcych typu analogowego. Ponadto czsto do zada układu wyj analogowych naley zabezpieczenie procesu w przypadku awarii komputera lub układu wej analogowych. Wyjcia cyfrowe. Zadaniem układów wyj cyfrowych jest przetworzenie wyniku oblicze otrzymanego z komputera na sygnały sterujce dla procesu. W taszych modelach kart mamy 8 wyj cyfrowych, natomiast urzdzenia wysokiej klasy posiadaj do 40 takich wyj. Bardziej zaawansowane karty pozwalaj na rozszerzenie liczby wej i wyj cyfrowych do kilkuset. Bardzo podane jest, aby karta jednoczenie odczytywała wejcia cyfrowe i analogowe, co pozwalałoby na korelacj tych sygnałów. Jedynie nieliczne karty maj moliwo jednoczesnej generacji danych przebiegów i akwizycji danych analogowych i cyfrowych. Wzmocnienie. Zakres wzmocnie kart pomiarowych jest obecnie bardzo szeroki i pozwala na badanie przebiegów w zakresie od 20mV do 10V. Nawet najbardziej popularne karty maj tak szeroki zakres wzmocnie i zezwalaj na dowolny ich wybór programowo bez koniecznoci wykonywania przepinania zworek. 6. Ogólne zasady kompletacji systemu pomiarowego Pierwszym etapem na drodze do kompletacji systemu pomiarowego jest okrelenie jego przeznaczenia, wstpna identyfikacja obiektu pomiarowego obejmujca analiz opisujcych go wielkoci fizycznych, liczby punktów pomiarowych, dokładnoci pomiarów, czstotliwoci ich dokonywania oraz załoenie nieprzerwanego czasu pracy. Drugim etapem jest postawienie i ocena wymaga stawianych powstajcemu systemowi, czego wynikiem jest okrelenie podstawowych zada metrologicznych oraz okrelenie moliwoci finansowych. Naley równie wybra struktur systemu, która powinna uwzgldnia stopie standaryzacji systemu i jednostek funkcjonalnych, poziom uniwersalnoci i sposób współpracy z uytkownikiem. Bardzo duy wpływ na struktur systemu ma dobór aparatury pomiarowej i decyzja, czy bdziemy stosowa przyrzdy autonomiczne, przyrzdy modułowe czy te karty analizy danych. Trzeba dokona wyboru urzdzenia sprawujcego funkcje kontrolera systemu oraz typu interfejsu. Dobór tych 19

20 elementów naley rozpatrywa łcznie, a decydujc rol odgrywaj tu czsto niezbdne do poczynienia nakłady finansowe. Nastpnym etapem powinno by dobranie czujników pomiarowych, w tym ocena przydatnoci czujników firmowych i podjcie decyzji o ewentualnym stworzeniu własnych, w celu zapewnienia prawidłowego pomiaru danych wielkoci. Kolejnym krokiem jest ułoenie szczegółowego algorytmu pracy systemu, doboru odpowiednich do dokonanych załoe modułów analizy i przetwarzania danych pomiarowych. Naley podj decyzj o sposobie wizualizacji i rejestracji wyników pomiaru. Na tym etapie dokonujemy wyboru metody oprogramowania projektowanego systemu pomiarowego. 7. Oprogramowanie systemów pomiarowych Technika komputerowa wprowadziła do projektowanego systemu pomiarowego jeszcze jeden wany element, który w istotny sposób decyduje o jego moliwociach i funkcjonalnoci. Jest to oprogramowanie, czyli zapisany w odpowiednim jzyku programowania algorytm działania systemu pomiarowego, który obejmuje czstotliwo i kolejno wykonywania pomiarów, akwizycj danych, analiz, przetworzenie i przedstawienie wyników w wygodnej dla uytkownika formie wykresów lub tabel. Oprogramowanie decyduje te o sposobie archiwizacji zebranych informacji, a w systemach regulacji automatycznej jego znaczenie jest podstawowe. Oprogramowanie współczesnych systemów pomiarowych wykonuje si przy pomocy specjalistycznych rodowisk programowania, przyjaznych dla uytkownika (ang. user friendly), umoliwiajce osobom bez przygotowania informatycznego opracowanie oprogramowania złoonych systemów. Najwaniejsz zalet tych rodowisk programistycznych jest komunikatywna grafika, umoliwiajca przygotowanie graficznego interfejsu uytkownika (GUI ang. Graphical User Interface) w postaci umoliwiajcej łatw obsług systemu pomiarowego i przejrzyst wizualizacj stanu, w jakim si znajduje przyrzd pomiarowy oraz obiekt pomiarów. Komunikacja z urzdzeniami zewntrznymi, np. kartami pomiarowymi odbywa si za pomoc przygotowanych przez producenta sprztu specjalnymi podprogramami obsługujcymi te urzdzenia. Podprogramy te nosz nazw sterowników (ang. driver) i s przygotowywane do współpracy z wikszoci powszechnie stosowanych systemów operacyjnych, co gwarantuje wytwórcom aparatury pomiarowej szerokie zainteresowanie ich produktami. Obecnie wikszo kart standardowo zaopatrzona jest w sterowniki do zintegrowanych rodowisk programowych LabVIEW, TestPoint, DasyLab czy te do pakietów Visual Basic czy C++. Ponadto cz producentów dołcza do kart pomiarowych oprogramowanie umoliwiajce akwizycje danych bez znajomoci programowania 20

21 Literatura [1] W. Winiecki, J. Nowak, S. Stanik: Graficznie zintegrowane rodowiska programowe do projektowania Komputerowych systemów pomiarowokontrolnych, Wydawnictwo MIKOM, Warszawa 2001 [2] M. Jakubowska, Organizacja komputerowych systemów pomiarowych, Strona internetowa: [3] M. M Stabrowski, Miernictwo elektryczne, Cyfrowa technika pomiarowa, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1999 [4] W. S. Kwiatkowski, Miernictwo elektryczne, Analogowa technika pomiarowa, Oficyna Wydawnicza PW, Warszawa 1999 [5] Z. Kulka, A. Libura M, Nadachowski: Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, Wydawnictwo Komunikacji i Łcznoci, Warszawa 1987 [6] D. wisulski: Laboratorium z systemów pomiarowych, Wyd. Politechniki Gdaskiej, Gdask 1998 [7] J Kostro: Elementy, urzdzenia i układy automatyki, Wyd. Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1983 [8] C. Kalista, Karty I/O do systemów akwizycji danych, Automatyka 4/2000 [9] Z. Kulka, A. Libura M, Nadachowski: Przetworniki analogowo-cyfrowe i cyfrowo-analogowe, Wydawnictwo Komunikacji i Łcznoci, Warszawa [10] P. Lesiak, D. wisulski: Komputerowa technika pomiarowa w przykładach, Pomiary Automatyka Kontrola- czasopismo techniczne, Warszawa 2002 [11] A. Chwaleba, M. Poniski, A. Siedlecki: Metrologia elektryczna, WNT, Warszawa 2000 [12] M. Jakubowska, Technika cyfrowa w instrumentalnych metodach, Strona internetowa: 21