Achizitia si procesarea datelor experimentale

1. Introducere despre achizitiile de date

Sistemele care au rolul de a prelua unul sau mai multe semnale analogice, obţinute de la traductoarele din proces, şi de a le converti în semnale numerice,în scopul memorării, transmiterii, prelucrării şi vizualizării informaţiei achiziţionate

Sisteme de achiziţie a

datelor (SAD)

1.1 Definitie SAD

Sistemele care au rolul de a prelua semnalele prelucrate numeric şi de a le converti în semnale analogice, în scopul transmiterii la elementele de execuţie ale procesului

Sisteme de distribuţie a

datelor (SDD).

1.2 Definitie SDD

1.3 Structura unui SAD ŞI SDD

SAD

• circuite de adaptare pentru semnalele analogice de intrare

• circuite de eşantionare şi reţinere

• convertoare analog-numerice

• multiplexoare (analogice sau numerice).

SDD

• registre tampon (pentru memorarea temporară a semnalelor numerice din sistemul de prelucrare numerică)

• convertoare numeric-analogice

• demultiplexoare,• filtre de netezire

Diagrama bloc a unui SAD

1.4 Aplicabilitate SAD Domeniile de aplicabilitate vizează acele cazuri în care avem nevoie de date de la mai mulți senzori, și acolo unde dinamica este rapidă și unde se dorește o întârziere cât mai mică între eșantionare și momentul în care valorile digitale sunt disponibile.

Sonar Detecția mișcărilor seismice

Medicină (rezonanță magnetică, echipamente de laborator)

1.7 Aplicabilitate SAD – cont.

Automobile

Industrie

2. Senzori si siteme senzoriale pentru marimi digitale si anlogice

2.1 Tipuri de semnale Semnalele reprezintă mărimi fizice utilizate pentru transmiterea sau stocarea mesajelor sau pentru testarea sistemelor.Exemple de semnale purtatoare de informatii:•Sunetul si imaginea•Semnale transferate intre siteme din natura sau din procese industriale, avand diverse suporturi tehnice(tensiuni electrice, camp magnetic , temperaturi, forte, viteze etc.)

a. Dupa natura domeniului de definitie

b. Dupa apartenenta la acelasi proces:monocanal sau multicanal

c.Dupa caracterul unidimensional sau multidimensional

d. Dupa caracterul aleatoriu sau predictibil

e. Dupa unele caracteristici decrise matematic: masurabile/nemasurabile; de energie finita/infinita

2.1 Tipuri de semnale – cont.

2.1 Tipuri de semnale – cont. Principale tipuri de semnale periodice sunt:

2.1 Tipuri de semnale – cont. Semnalul sinusoidal si principalii sai parametrii

Este definit prin:

x(t) = Acos(ωt + ϕ)

•A este amplitudinea semnalului.• ω este frecvenţa unghiulară, exprimată în radiani/sec.• T este perioada semnalului. Între frecvenţa unghiulară ω , frecvenţa f şi perioada T a semnalului există relaţiile:ω =2 πf f =

•ϕ este faza iniţială. Importanţa acestui parametru devine semnificativă atunci când se compară două semnale sinusoidale de aceeaşi frecvenţă

2.2 Senzori si sisteme senzoriale digitale

Motivatia utilizarii sitemelor senzoriale:

•De ce avem nevoie pentru de computere în procesul măsurare (și control)?• Când avem nevoie de computere în procesul măsurare (și control)?•Ce trebuie sa stim despre ceea ce implica utilizarea semnalelor digitale in procesul de masurare si control?

Obiectivele utilizarii sitemelor senzoriale:

•Introducerea conceptului de utilizare a computerului ca si instrument de masurare si control•Revizuirea componenetelor necesare transformarii calculatorului intr-un sistem de achizitii date senzoriale.•Introducerea in software-ul calculatorului a principalelor aplicatii de masurare

Semanalul digital este un semnal discontinuu în timp şi în valori, se mai numeşte semnal în timp discret şi cu valori discrete. Semnalul în timp discret se mai numeşte semnal eşantionat.

Nivelul inferior

Nivelul superior

Frontul de

creştere

Frontul de descreşter

e

• forma binară: reprezentarea se realizează prin cifrele “0” şi “1”;

• logica active - high “nivelul inferior” corespunde valorii “0” iar “nivelul superior” valorii “1”.

• logica active – low modul de reprezentare este invers.

• Semnalele digitale se comportă diferit faţă de perturbaţii în mod comparative cu semnalele analogice;

• Practic orice semnal cuprins între (-0.0-0.8) va fi acceptat ca semnal logic “0” iar orice semnal între (2-5) ca un semnal logic “1”;

• Suprapunerea unei tensiuni perturbatoare peste semnalul digital nu introduce erori, dacă plaja corespunzătoare fiecărui nivel nu este depăşită.

Sistemele senzoriale digitale au la baza functionarii lor diferite porti logice:

AND NAND

OR-EXCLUSIV NOR-EXCLUSIV

Exemplu de sistem senzorial digital:

2.3 Senzori si sisteme senzoriale digitale- analogice

Semnal analogic este un semnal continuu în timp şi în valori.

Esantionarea este procesul de achizitie a datelor, de obicei, de la un semnal analogic, la intervale discrete de timp•Semnalul de permisiune sau funcţia de eşantionare s(t) conţine impulsuri de amplitudine constantă, durată τ şi timp de separare T. Ideal, τ ar trebui sa fie cât de mic iar frecvenţa de eşantionare cât mai mare•Semnalul analogic m(t) este de obicei deplasat în nivel, pentru a prezenta doar valori pozitive•Se poate considera că toate eşantioanele sunt pozitive s = ms(t)

Analog Input

4 Samples/cycle

8 Samples/cycle

16 Samples/cycle

Deghizarea semnalului (aliasing):•O componentă joasă a semnalului de eşantionare fs poate apărea în cadrul spectrului semnalului analogic şi poate fi considerată ca parte a acestuia•Fenomenul se poate petrece dacă semnalul original este afectat de zgomot, care prezintă frecvenţe mai mari ca frecvenţa maximă a semnalului•În acest caz se folosesc filtre trece jos sau filtre anti-aliasing, filtrarea având loc înaintea eşantionării

Procesul de eşantionare şi reţinere se defineşte ca menţinerea valorii amplitudinii eşantionului până la următoarea eşantionare. Aceasta face ca forma de undă să capete un aspect de semnal în scară

2.3 Aplicatiia) Semnal dreptunghiular b) Semnal triunghiular

c) Semnal sinusoidal

a) Semnal dreptunghiular• Baza de timp: 5 ms• Amplitudinea: 1.09 V• Frecventa citita: 212 HZ• Frecventa calculata:f=10/0 . 47=212,76 Hz• Turatia: n= 212 * 60= 12720 rot/min• Perioada: T= 4,7 ms

b) Semnal tringhiular:• Baza de timp: 5 ms• Amplitudinea: 1.01 V• Frecventa citita: 212 HZ• Frecventa calculata:f=10/0 . 47=212,76 Hz• Turatia: n= 212 * 60= 12720 rot/min• Perioada: T= 4,7 ms

b) Semnal sinusoidal:• Baza de timp: 5 ms• Amplitudinea: 1.01 V• Frecventa citita: 212 HZ• Frecventa calculata:f=10/0 . 47=212,76 Hz• Turatia: n= 212 * 60= 12720 rot/min• Perioada: T= 4,7 ms

3. Osciloscopul

3.1Oscilocopul – elemente componenteOscilocoapele moderne sunt alcatuite din mai multe elemente componente, conectate intre ele dupa o schema bloc care contine:•Tubul catodic•Amplificatoarele•Atenuatoarele•Generatorul bazei de timp•Circuitul de sincronizare•Circuitul pentru controlul intensitatii spotului•Circuitul de intarziere•Blocul de alimentare

3.2 Oscilocopul – principiul de functionareElementul principal al unui oscilocop este tubul catodic. Pentru a putea afisa pe ecranul tubului catodic curba ce reprezinta dependenta intre doua marimi, A=f(B), este necesar:• sa se obtina pe ecran un punct luminos (spot)• sa se poata deplasa acest punct dupa doua directii , orinzontala (x) si (y), pentru a descrie pe ecran curba dorita •Propietatea unui fascicul de electroni de a produce in punctul de impact ( de ciocnire) iluminarea unui ecran trata cu substante luminoase fluorescente•Propietatea unui fascicul de electroni de a fi deviat sub actiunea unui camp sau magneticFasciculul de electroni este produs, focalizat si accelerat in tubul catodic si loveste ecranul acestuia producacand un punct luminos. Deplasarea spotului pe ecran se realizeaza prin devierea fascicului de electroni cu ajutorul unor campuri create de doua perechi de placi de deflexie din interiorul tubului catodic, la aplicarea unor tensiuni Uy la placile de deflexie pe directia y si Ux pe directia x.Pentru ca pe ecran sa apara curba A=f(B), celor doua perechi de deflexie li se aplica marimile A si B. Ca urmare spotul se va deplasa dupa directiile x si y in acelasi ritm ca si marimile A si B.Daca marimile A si B sunt periodice, pentru ca pe ecran sa apara o imagine stabila este necesar ca intre frecventele celor doua sa existe relatia: f(A)=nxF(B), n – numar intreg.

3.2 Oscilocopul – principiul de functionare

3.3 Oscilocopul – metoda de masurare

3.3 Oscilocopul – aplicatiiIn figura alaturata putem observa citirea unui semnal dreptiungiular cu osciloscopul, avand urmatoarele date principale:•Baza de timp: 5 ms•Amplitudinea maxima: 4.15 V•Periodata: T= 24.6 ms•Frecventa citita:40, 65 Hz, similara cu cea calculata aplicant formula f=1/T=1/0.0246=40,65

In figura alaturata putem observa citirea tensiunii pe 2 canale: albastru=generator standard, rosu= motor.Frecventa calculata pentru canalul albastru este: f= 10 ciclii/ 0,047= 217,39 HZFrecventa calculata pentru canalul albastru este: f= 10 ciclii/ 0,053= 188,68 HZ

4. Structura sistemelor de achiziţii date (SAD)

4.1 SAD cu multiplexarea semnalelor analogice de intrare

•MUX – multiplexor analogic•DER – dispozitiv de eşantionare şi reţinere•CAN – convertor analog- numeric•RTE –registru tampon de ieşire•BC – bloc de comandă•SC – semnal de selectare a canalului•CSPA – comunicaţie cu sistemul de prelucrare numerică şi afişare.

Propietati:•cea mai ieftină soluţie de realizare a unui SAD•elementul care introduce cea mai mare întârziere este CAN•pentru fiecare canal este necesară conversia analog-numerică a semnalului respectiv, dacă numărul de canale este mare, frecvenţa de baleiere a canalelor va fi relativ mică•utilizat pentru procese lente

f =

4.2 SAD cu multiplexarea semnalelor eşantionate

•MUX – multiplexor analogic•DER – dispozitiv de eşantionare şi reţinere•CAN – convertor analog- numeric•RTE –registru tampon de ieşire•BC – bloc de comandă•SC – semnal de selectare a canalului•CSPA – comunicaţie cu sistemul de prelucrare numerică şi afişare.

Propietati:•Existenta mai multor DER•Eşantionarea semnalelor şi cuantizarea se fac sincronizat•Pret si perfomanta ridicate•Viteza de achizitie mai mare:

f =

4.3 Circuite caracteristice pentru SAD Teorema eşantionării afirmă faptul că, dacă un semnal x are bandă limitată, cu lărgimea de bandă B[Hz], atunci el poate fi determinat, în mod unic, prin eşantioane luate cu frecvenţa fe [eşantioane / sec], unde fe ≥ 2B. Astfel, se stabileşte limita inferioară a frecvenţei de eşantionare: flim = 2B.

Rolul dispozitivelor de eşantionare şi reţinere (DER) este acela de a eşantiona semnalele corespunzătoare canalelor de intrare şi de a menţine aceste valori constante, pe toată durata conversiei analog-numerice

Schema de principiu a unui DER

Diagramele de semnale de intrare ( U ), comandă ( Uc ) şi ieşire ( Ue ) pentru un DER

4.3 Circuite caracteristice pentru SAD – cont.

Schemă îmbunătăţită de DER

Variantă îmbunătăţită a dispozitivului de eşantionare şi reţinere care conţine o reacţie globală, pe ambele amplificatoare operaţionale, stabilită doar pe durata de eşantionare, cu ajutorul comutatorului K2. Pe durata de reţinere, cele două amplificatoare operaţionale au reacţii locale

4.3 Circuite caracteristice pentru SAD – cont.

Un convertor analog-digital transformă o mărime analogică aplicată la intrare (de obicei tensiune de ±5V sau ±10V) într-un semnal electric interpretabil în tehnica digitală (interval de timp, frecvenţă sau cod numeric).

După tehnica de conversie utilizată, convertoarele A/D se clasifică astfel:•convertoare A/D directe, care convertesc nemijlocit tensiunea aplicată la intrare în cod numeric (de tip paralel, paralel serie, cu aproximaţii succesive, sigma-delta);•convertoare A/D indirecte care convertesc tensiunea în interval de timp sau frecvenţa unor impulsuri (tensiune-frecvenţă, cu simplă rampă, dublă rampă, cu multiplă rampă);•convertoare A/D hibride, care combină cele două tehnici de conversie

Schema de principiu a unui CAN paralel de 3 biţi.Caracteristica statică a unui

CAN pe 3 biţi.

4.3 Circuite caracteristice pentru SAD – cont.

Blocul funcţional care preia datele de pe mai multe canale de măsură şi le distribuie pe un singur canal, separate în timp sau în frecvenţă, se numeşte multiplexor.Complementar, blocul funcţional care preia datele de pe un canal şi le distribuie corespunzător pe mai multe canale de ieşire, se numeşte demultiplexor.

Schema bloc a multiplexorului/ demultiplexorului analogic cu 16

canale MMC 4067

4.4 VOLTCRAFT DMM ,DMM Profilab, VC960 USB

DMM profilab este un software care permite crearea unor proiecte tehnologice de masurare si control bazate pe multimetre digitale. Este un program usor de folosit, care permite si masurarea in timp real a proiectului creat anterior.

Volccraft DMM ajută la testarea cablurilor şi firelor. Se compune dintr-un generator de tonalitate care modulează un semnal de înaltă frecvenţă pe linia testată şi care are funcţia unui receptor de cabluri inductiv foarte sensibil capabil să detecteze cablurile care se găsesc până la 15 cm în perete. Se poate astfel urmări cu precizie instalaţia de cabluri din perete. Semnalul generatorului de tonalitate poate fi transmis pe linia măsurată fie printr-o mufă RJ11 fie prin cleme crocodil. În acelaşi timp, aparatul dispune şi de funcţiile clasice ale unui multimetru. Construcţia robustă şi stratul protector de cauciuc permite utilizarea aparatului în condiţii severe de muncă.

4.5 AplicatiiAplicatia are in vedere atingerea urmatoarelor obiective:•Ridicarea caracteristicii unui tachogenerator (citirea turaţiei prin senzor analogic) simultan cu citirea prin osciloscop a frecvenţei semnalelor oferite de discul incremental (un impuls la o rotaţie)• Stabilirea funcţiei de transfer a tachogeneratorului pe baza tabelului din DMM Profilab, caracteristica liniară şi parabolică

Se uemareste determinarea regresiei liniare: a functie: U=f(n)Pentru urmatoarele frecvente masurate, obtinem rotatiile:f=10Hz 10 x 60=600 rot/minf=20Hz 20 x 60=1200 rot/minf=30Hz 30 x 60=1800 rot/min

Cu rezultatele obtinute mai sus vom completa urmatorul tabel “Turatie- tensiune, unde x este tensiune si Y turatia :

X Y

600 1.94

1200 3.47

1800 6.15

Prin introducerea datelor in am obtinut urmatoarea functie cu :caracteristica liniară şi parabolică

5.Vibratiile

Sunetul este definit ca orice variație de presiune care urechea poate detecta variindde la cele mai slabe sunete la niveluri de sunet care poate afecta auzul.

Determinarea caracteristicilor vibratiilor are la baza determinarea lungimei de unda, a frecventei, si vitezei sunetului, care sunt strans legate prin relatia din imagine

5.1 Generalitati

5.2 Aplicatii

6. Achiziţia datelor de temperatură prin

termocupluri

6.1 Generalitati

Măsurarea temperaturii se bazează pe diferite fenomene şi efecte fizice, în care modificarea temperaturii determină modificări ale unor proprietăţi sau caracteristici ale materialelor: variaţia dimensiunilor geometrice, variaţia rezistenţei electrice, apariţia unei tensiuni electromotoare de-a lungul joncţiunii a două metale, variaţia intensităţii radiaţei emise, variaţia frecvenţei de rezonanţă a unui cristal de cuarţ etc.

Termocuplul este compus din două fire m e diferite sudate, astfel încât să formeze un circuit închis. Sonda propriu-zisă este reprezentată de una din joncţiuni (joncţiunea demasură sau joncţiunea caldă) care poate fi pusă într-o manta protectoare. Ea este plasată în mediul a cărui temperatură vrem să o măsurăm. Mărimea şi sensul curentului care va parcurge circuitul atunci câd joncţiunile se află la temperaturi diferite depinde de diferenţa de temperatură şi de tipul metalelor folosite. De regulă, t.e.m. rezultantă este mică (de ordinul mV). Un voltmetru conectat în circuit reprezintă „ieşirea” pentru utilizator şi este calibrat în unităţi de temperatură .

Metalele tipice folosite pentru construcţia termocuplurilor sunt rodiul, aliajele de nichel şi crom, aliajele de aluminiu şi nichel sau aliajele de nichel si cupru. Metalele care se împerechează cu acestea sunt platina, cuprul şi fierul .

6.2 Aplicatii

X Y

30 300

32 400

35 500

37 600

39 700

40 800

45 900

47 100

Aplicatia urmareste citirea si achiczitia de date prin intermediul programului DMM profilab a caracteristicii unui termoclupu necunoscut(micriV- mmV).Sau obtinut astfel urmatoarele date:

Caracteristica liniara a termocupluluiÎn cazul multor traductoare caracteristica statică este neliniară. Aceasta curbă poate fi liniarizată (sau aproximată) folosind metoda celor mai mici pătrate, adică se caută o dreaptă care să aproximeze cât mai mult curba reală. Acesta înseamnă ca diferenţa, eroarea, dintre cele două curbe să fie minimă. Dreapta pe care o căutăm poate fi scris sub forma y=ax+b unde y=Etv tensiunea care se măsoară (mărimea de ieşire) şi x=T temperatura (mărimea de intrare).