17
1 9-Ispitivanje konstrukcija i osnove eksperimentalnih metoda– 2019/2020 Računarska akvizicija podata i sistemi Computer Data Acquisition - DAQ 9-Ispitivanje konstrukcija i osnove eksperimentalnih metoda– 2019/2020 Merenja pri ispitivanju konstrukcija i materijala Merenja vremenskih parametara (temperatura, pritisak, vlažnost, ...) Merenja u raznim proizvodnim procesima u svrhu kontrole i upravljanja Primena

Računarska akvizicija podata i sistemi · Merenja u raznim proizvodnim procesima u svrhu kontrole i upravljanja ... Merenje ubrzanja u nivou tla Merenje brzine i pravca vetra

  • Upload
    others

  • View
    7

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

  • 1

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

    Računarska akvizicija podatai sistemi

    Computer Data Acquisition - DAQ

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

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

    Primena

  • 2

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

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

    Primena u građevinarstvu

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

    Sistem za merenje

    Fizička pojava

    DETEKTOR fizičke

    veličinesenzor

    PRETVARAČfizičke veličine

    =>električnuveličinu

    transducer

    Kondicioner signalaSignal

    Conditioner

    Kompjuterski akvizicioni

    sistemComputer

    acquisition system

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

  • 3

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

    ANALOGNE veličine i signali

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

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

    ANALOGNE veličine – fizičke /električne

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

  • 4

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

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

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

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

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

    ANALOG => DIGITAL………….A/D konverzija

    DIGITALNE veličine i signali

  • 5

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

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

    PC računar Analiza

    Analogni

    signal

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

    VRSTE merno-akvizicionih sistemaPostoje različite vrste računarskih merno-

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

  • 6

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

    JEDNOKANALNI merno-akvizicioni sistem

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

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

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

  • 7

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

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

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

    Rezolulcija A/D konvertera

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

    4-bit…………..8-bitni 12-bitni

    32244 ==−bitSTANJAN 256288 ==−bitSTANJAN 40962

    1212 ==−bitSTANJAN

  • 8

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

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

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

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

    Podatak A/D konvertera

    STANJANPRO /A/DPODATAK =

    2568 =−bitSTANJAN

    VPRO 10=mVVNPRO bitSTANJA 1.390391.0/

    8 === −bit-8PODATAKA/D

    409612 =−bitSTANJAN

    VPRO 10=mVVNPRO bitSTANJA 4.20024.0/

    12 === −bit-12PODATAKA/D

  • 9

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

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

    Uticaj podatka A/D konvertera

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

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

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

    idealno:

    Uticaj nivoa ulaznog signala – pojačanje

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

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

  • 10

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

    Uticaj nivoa na iskorišćenost A/D konvertera

    Uticaj nivoa ulaznog signala – pojačanje

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

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

    Višekanalni merno-akvizicioni sistemi

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

  • 11

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

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

    Višekanalni sistemi – sekvencijalno uzork.

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

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

    Višekanalni sistemi – simultano uzorkovanje

  • 12

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

    Brzina uzorkovanja se izražava frekvencijom uzorkovanja(sampling frequency)

    Brzina uzorkovanja kod dinamičkih merenja

    sfEkvidistantan vremenski razmak (uniform sampling) t∆

    tf s ∆=1

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

    Adekvatna brzina uzorkovanja Neadekvatna brzina uzorkovanja

    Brzina uzorkovanja kod dinamičkih merenja

    tf s ∆=1

    '' 1

    tf s ∆=Tf1=

    11

    1Tf =

    Lažno – alias

    Fenomen aliasing

  • 13

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

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

    TEOREMA uzorkovanja

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

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

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

    Savremeni sistemi i softveri

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

  • 14

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

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

    Interni merno-akvizicioni sistemi

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

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

    Interni merno-akvizicioni sistemi

  • 15

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

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

    Eksterni merno-akvizicioni sistemi

    Fleksibilnost izbora kućišta sa različitim brojem mesta za merne module

    Fleksibilnost izbora različitih tipova kontrolera za upravljanje sistemom

    Fleksibilnost izbora i instalacije modula za povezivanje najrazličitijih tipova senzora.

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

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

    SOFTWARE za upravljanje

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

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

  • 16

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

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

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

    SOFTVER– zatvorene aplikacije

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

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

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

    SOFTVER – otvorene aplikacije

  • 17

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

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

    omogućuju komunikaciju sa instrumentima)n Povezivanje senzora

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

    (osetljivosti)n Merenje, poređenje i podešavanje

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

    Postupci pri akviziciji podataka

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

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