CW01 - Teorie měření a regulace Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb © Ing. Václav Rada, CSc. ZS – 2010/2011 cv. 4. 0

Další pokračování o „vyšších způsobech využití“ snímačů ………… T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INTELIGENTNÍ © VR - ZS 2009/2010 INTELIGENTNÍCH SNÍMAČŮ Princip těchto INTELIGENTNÍCH SNÍMAČŮ – víceméně kterékoliv z čidel je doplněno o obvody úpravy a vy- hodnocení signálu – vše v jednom pouzdře a díky dnešní miniaturizaci to ani na veli- kosti není moc poznat. Doplňkové obvody umožní například za provozu měnit některé jejich vlastnosti, měnit způsob zpracování signálu měřené veliči- ny, provést úplné zpracování (včetně filtrace a linearizace) a vy- hodnocení změřené veličiny podle předem zadaných kritérií.

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INTELIGENTNÍ © VR - ZS 2009/2010 Tyto snímače obsahují (z principu i z nezbytnosti) mikropočítač či mikrokontrolér s příslušným trvale vloženým fixním programem nejrůznějších, nezbytných i zbytných činností – obsahem vše pod- řízeno zvýšení kvality poskytovaných informací i „pracovních a měřicích“ služeb – lze je také ¨pojmenovat „uživatelskými“. inteligentní snímač Organizace IFAC (International Federation for Automatic Con- trol) přijala obecné schema s výčtem bloků (a tedy funkcí), které musí obsahovat inteligentní snímač. Nejlépe tento výčet zachycuje následující tabulka.

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INTELIGENTNÍ © VR - ZS 2009/2010 I. vstupn í č á stII. vnitřn í č á st III. výstupn í č á st – ú čel IV. výstupn í č á st – princip převodníky, mosty, membrány, přepínače, zesilovač, měniče, napáječe, stabilizátory, … převodníky AD a DA, frekv./D, A/frekv., paměti, logické obvody, mikroprocesory, řadiče, kontroléry, generátory, … obvody elektrických signálů výkonové obvody vstup fyzikálních nebo chemických veličin zpracování normovaného elektrického signálu signalizace stavu a funkce místní ovládání

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INTELIGENTNÍ © VR - ZS 2010/2011 I. vstupn í č á stII. vnitřn í č á st III. výstupn í č á st – ú čel IV. výstupn í č á st – princip převod na elektrický signál diagnostika a autodiagnostika registrace nap á jen í (U, I) nastaven í ú rovně nulov é hodnoty vlastn í určen í stavu a funkce d á lkov é ovl á d á n í přepínání více vstupních veličin kompenzace vlivu okolí komunikace regulace a automatizace

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INTELIGENTNÍ I. vstupn í č á stII. vnitřn í č á st III. výstupn í č á st – ú čel IV. výstupn í č á st – princip adresování měřených bodů linearizace v rozsahu vstupních veličin indikacespínání zařízení základní převod na elektrickou veličinu autokalibrace signalizace měřené veličiny spouštění akčních zásahů převod na elektrický signál diagnostika a autodiagnostika registraceumožní funkci © VR - ZS 2010/2011

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY INTELIGENTNÍ I. vstupn í č á stII. vnitřn í č á st III. výstupn í č á st – ú čel IV. výstupn í č á st – princip normalizace elektrick é ho sign á lu uměl á inteligence ochrana proti působen í než á douc í ch jevů na výstupu matematika – statistika – náhodné procesy teorie chaosu – ….. ochrana proti než á douc í m vlivům a půso- ben í okol í autonomnost funkce – ř í zen í rozhodov á n í ochrana proti zkratům či přet í žen í od n á sledných obvodů matematika – statistika – náhodné procesy elektr. ochrany © VR - ZS 2010/2011

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování ……

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY Navrhování Dnes pomocí PC a příslušného SW – navrhování včetně simulace sestavení a následně i provozu + ově- ření parametrů dosažitelných v provozu – simulace seřizování a cejchování / simulace chodu (funkce) – simulace a testování dlouhodobého provozu – životnost a určení pravděpodobnosti poruch. SW je buď univerzální nebo specializovaný, vázaný na konkrétní prvky daného systému – je dodáván se systémem od konkrétního výrobce a pro jeho prvky a součásti. © VR - ZS 2010/2011

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování

Aplikační software: LabVIEW LabWindows/CVI Measurement Studio Hardware a drivery T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY Virtuální přístroje pro měření a řízení testovaná jedn. © VR - ZS 2010/2011

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy National Instruments LabVIEW dokáže komunikovat téměř s každým přístrojem. Ovladače pro více než typů přístrojů zdarma! LabVIEW Ovladače přístrojů Přímý I/O SerialEthernetPXIGPIBVXI …

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – panel řízení

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému Celý systém – grafické vývojové prostředí s funk- čními bloky

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému Celý systém – zvětšenina části systému (vpravo)

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému Celý systém – zvětšenina části systému (vlevo nahoře)

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému reálná interpretace (grafická podoba – porovnání vzhledu) bloku

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému ukázka bloků pro funkci analyzátoru signálů

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

Programovatelné stavy při zapnutí Nastavení úrovně, která zůstane na výstupu při restartování PC, havárii aplikace apod. Bezpečné uvedení do chodu nutné pro řízení akčních členů (např. čerpadel, ventilů, motorů relé) Informace je uložena v paměti a ihned po zapnutí počítače je poslána na výstup. Restart počítače zaručeně bez zákmitu. T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

Detekce změny stavu vstupu - - není nutné periodicky číst vstupy (polling) - - HW oznámí změnu stavu SW, „probudí” aplikaci a tak pak provede čtení - - není zatěžován procesor T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

Detekce změny stavu vstupu – LabVIEW T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

Programovatelné filtry na vstupech Filtr odstraní šum, nespojitosti a špičky ve vstupním signálu, ignoruje zákmity kontaktů - prevence před chybným čtením v zarušeném průmyslovém prostředí …….. nastaví se T=100 ms až 200 ms. Pulzy <T/2 jsou zaručeně potlačeny, pulzy delší než T jsou zaručeně zaregistrovány T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY Programovatelné filtry na vstupech © VR - ZS 2010/2011

Watchdog pro digitální I/O Ochrana před: poruchou počítače – úplné selhání operačního systému poruchou aplikace – program neodpovídá poruchou ovladače – ovladač zařízení neodpovídá poruchou PCI sběrnice – selhání komunikace Watchdog při poruše nastaví na výstupu stav, který je bezpečný pro připojený akční člen. Porucha je detekována, pokud sledovaný objekt neodpoví v časovém limitu. T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

DAQmx Control Watchdog Task.VI T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY Watchdog pro digitální I/O – LabView © VR - ZS 2010/2011

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Volitelné zásuvné moduly 19“ skříň – průmyslové provedení Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Volitelné zásuvné moduly Skříň 180 x 88 mm – průmyslové provedení Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 USB měřicí zařízení – doplněk běžného PC Navrhování – ukázka LabView od firmy NI – bloky systému

Vzorkovací frekvence Série S – vlastní A/D pro každý kanál NI 6115 má 4 kanály po 10MSa/s Série E – 1 A/D převodník: PCI-6013 má 200 kSa/s 1 kanál – 200 kHz, 10 kanálů á 20 kHz… f vz = 20 MHz / N Hz  20 MHz / 453 = Hz T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY LabView od firmy NI – bloky systému © VR - ZS 2010/2011

T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY LabView od firmy NI – USB bloky systému USB-6008, cena 4.000kč 8/4 AI, 12-bit, 10 kS/s 12 DIO, TTL/CMOS/LVTTL 2 AO, 1 Čítač USB-6009, cena 6.760kč Vše jako USB-6008 jen 14-bit, 48 kS/s DAQmx Base (Windows, MacOX, Linux) Napájení z USB V ceně Data Logger software K dispozici Student Kit včetně LabVIEW SE (student edition.) © VR - ZS 2010/2011

T- MaR MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2009/2010 Navrhování – ukázka LabView od firmy NI

Problematika A/D převodníků T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

Rozlišení u A/D převodníků T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY A/D převodníkůpočtem bitů analogový signál digitalizován Problematika A/D převodníků je spojena s počtem bitů – tj. na jaký počet „kroků“ bude analogový signál digitalizován. I z laického pohledu je zřejmé, že čím bude větší počet bitů, tím menší bude hodnota digitalizačního „kroku“ a tedy i tím lépe bude digitální výsledek (výsledná digitalizovaná schodovitá „křivka“) kopírovat tvar původní analogové křivky – viz tabulka dále. © VR - ZS 2010/2011

Rozlišení u A/D převodníků T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY A/D převodníkůpočtem bitů. Problematika A/D převodníků je spojena s počtem bitů. – Pochopitelně, že počet bitů je omezen technickými možnostmi A/D převodníku – přesněji řečeno – čipu, který převod zabezpe- čuje a který je centrem obvodů karty A/D převodníku. U něj pak zase na technických možnostech výrobce a zvládnuté výrobní technologie (a mnohdy i na schopnostech jeho vývojového odd.). © VR - ZS 2010/2011

Výpočet rozlišení Z katalogu pro vybranou desku převodníku: Relativní rozlišení z technických podmínek => 1,28 mV Tj. skoro = 14 bitů ! Rozsah ±10 V Teoretické rozlišení = 2 20 V 12 =4,8828 mV 12 bitová karta T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY 2 20 V 1414 = 1,2207 mV Výpočet © VR - ZS 2010/2011

Rozlišení T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011 Amplitude [V] čas [μs] Bit Versus 3-Bit rozlišení (5kHz sinus) 16-bit (0,15259 mV) 3-bit (krok 1,25 V) 000 – vyjádření v bitech | | || | rozlišení dle výstupu

Rozlišení T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY Tabulka vyjadřující ve- likost „kroku“ pro růz- né napětí a různý počet bitů A/D převodu © VR - ZS 2010/2011

Aliasing (zkreslení) je důsledkem nesprávně zvolené vzorkovací frekvence Správně vzorkováno Zkresleno vlivem nízké vzork. frekvence Vzorkovací frekvence – jak často proběhne A/D převod Zkreslení (alias) – nesprávná reprezentace signálu Aliasing T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY © VR - ZS 2010/2011

Zkreslený signál – „zbyla přímka“ Vzorkování odpovídá teorému – zachová se informace o amplitudě a frekvenci Správná vzorkovací frekvence – zachová se frekvence, amplituda i tvar sinusová vlna f=100Hz vzorkovací f=100Hz vzorkovací f=200Hz sinusová vlna f=100Hz Příklad na převod - Nyquistův teorém T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY vzorkovací f=1 kHz a více © VR - ZS 2010/2011

Správná vzorkovací frekvence – zachová se frekvence, amplituda i tvar Příklad na převod …. T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY vzorkovací f=1 kHz a více © VR - ZS 2010/2011

Vzorkovací frekvence Série S – vlastní A/D pro každý kanál NI 6115 má 4 kanály po 10MSa/s Série E – 1 A/D převodník: PCI-6013 má 200 kSa/s 1 kanál – 200 kHz, 10 kanálů á 20 kHz… f vz = 20 MHz / N Hz  20 MHz / 453 = Hz T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY LabView od firmy NI – bloky systému © VR - ZS 2010/2011

T- MaR KYBERNETIKA – TEORIE A PRINCIPY LabView od firmy NI – USB bloky systému USB-6008, cena 4.000kč 8/4 AI, 12-bit, 10 kS/s 12 DIO, TTL/CMOS/LVTTL 2 AO, 1 Čítač USB-6009, cena 6.760kč Vše jako USB-6008 jen 14-bit, 48 kS/s DAQmx Base (Windows, MacOX, Linux) Napájení z USB V ceně Data Logger software K dispozici Student Kit včetně LabVIEW SE (student edition.) © VR - ZS 2010/2011

T- MaR © VR - ZS 2010/2011 … a to by bylo nyní vše

T- MaR © VR - ZS 2010/2011