Környezeti méréstechnika

Átírás

1 Környezeti méréstechnika Környezetgazdálkodási Agrármérnök MSc Környezeti méréstechnika 1

2 Mennyiség, számérték, mértékegység A fizikai mennyiség a fizikai jelenségek és fogalmak mérhető tulajdonsága. Általános jele: A A mértékegység (röviden egység) az az alapul választott mennyiség, amelyhez a számított vagy mért mennyiséget viszonyítjuk. Jele: [A] A számérték (mérőszám) azt mutatja, hogy a mennyiség hányszorosa a választott mértékegységnek. Jele {A} Összefoglalóan: A={A} [A] (a mennyiség= számérték mértékegység) A dimenzió olyan kifejezés, amely megadja, hogy milyen kapcsolat van a fizikai mennyiség és az alapmennyiségek, ill. alapegységek közt (pl. a sebesség dimenziója dim v=dim l/ dim t=lt -1 ) Környezeti méréstechnika 2

3 Az SI egységrendszer alapmennyiségei és ezek egységei (alapegységek) Alapmennyiségek Hosszúság jele: l, SI egysége méter, jele m Tömeg jele: m, SI egysége kilogramm, jele kg Idő jele: t, SI egysége másodperc, jele s Áramerősség jele I, SI egysége amper, jele A Hőmérséklet jele T, SI egysége kelvin, jele K Anyagmenny. Jele n, SI egysége mól, jele mol Fényerősség jele I v, SI egysége kendla, jele cd Kiegészítő mennyiségek Síkszög SI egysége radián, jele rad Térszög jele Ω SI egysége szteradián, jele sr Környezeti méréstechnika 3

4 Alapegységek I Hosszúság: A méter a 86 Kr izotóp 2p 10 és 5d 5 energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő, vákuumban terjedő sugárzás hullámhosszúságának ,73-szorosa. Tömeg: A kilogramm az évben Párizsban megtartott Első Általános Súly- és Mértékügyi Értekezlet által a tömeg nemzetközi etalonjának elfogadott, a Nemzetközi Súly- és Mértékügyi Hivatalban, Sevres-ben őrzött platina iridium henger tömege. Idő: A másodperc az alapállapotú 133 Cs izotóp két hipefinom energiaszintje közötti átmenetnek megfelelő sugárzás periódusának időtartama. Áramerősség: Az amper olyan állansó elektromos áram erőssége, amely két párhuzamos, egyenes, végtelen hosszúságú, elhanyagolhatóan kicsiny kör keresztmetszetű és vákuumban egymástól 1 m távolságban lévő vezetékben áramolva, e két vezeték között méterenként N erőt hoz létre. Környezeti méréstechnika 4

5 Alapegységek II Hőmérséklet: A kelvin a víz hármaspontja termodinamikai hőmérsékletének 1/273,16-szorosa. Anyagmennyiség: A mól annak a rendszernek az anyagmennyisége, amely annyi elemi egységet tartalmaz, mint ahány atom van 0,012 kg 12 C-ben. Fényerősség: A kandela a feketesugárzó 1/ m 2 -nyi felületének fényerőssége, a felületre merőleges irányban, a platina dermedési hőmérsékletén, Pa nyomáson. Környezeti méréstechnika 5

6 Az SI prefixumai hekto- h* femto- f 10 1 deka- da* exa- E 10-1 deci- d* peta- P 10-2 centi- c* tera- T 10-3 milli- m 10 9 giga- G 10-6 mikro- µ 10 6 mega- M 10-9 nano- n 10 3 kiló- k piko- p atto- a Környezeti méréstechnika 6

7 A prefixumok használatára vonatkozó szabályok A prefixumot egybeírjuk a mértékegység nevével A prefixum jelét és a mértékegység jelét egymás mellé írjuk Összetett prefixumokat nem alkalmazhatunk. A hekto, deka, deci és centi prefixumok használatára vonatkozó szabályok A méterrel (m 2, m 3 ) kapcsolatban a deci és a centi prefixum használható A literrel kapcsolatban a hekto, deci és a centi prefixum használható A grammal kapcsolatban a deka (jelölés: dag), és a centi prefixum alkalmazható Környezeti méréstechnika 7

8 SI-n kívüli, korlátozás nélkül alkalmazható egységek Térfogat: liter (l) Síkszög: fok ( ), ívperc ( ), ívm ásodperc( ) Tömeg: tonna (t) Idő: perc (min), óra( h), nap (d) Sebesség: km/h Hőmérséklet: C Munka és energia: W h Csak meghatározott szakterületeken alkalmazható, nem SI egységek: tengeri mérföld, fényév, hektár, atomi tömegegység, elektronvolt, voltamper Környezeti méréstechnika 8

9 Mi a mérés? A mérés során megállapítjuk, hogy a mérendő mennyiség hányszorosa, vagy hányadrésze egy általunk önkényesen választott egységnek. A mérések különböző okok miatt mindig rendelkeznek hibával (pontatlansággal) Környezeti méréstechnika 9

10 Mérési módszerek A mérés lehet Közvetlen A mérendő mennyiséget a mérőeszköz közvetlenül méri Közvetett. Egyváltozós eset: Az ismeretlen mennyiség a mért mennyiségből valamilyen elméletileg ismert képlet segítségével számítható ki. Többváltozós eset: Az ismeretlen mennyiség két, vagy több mért mennyiségből elméletileg ismert képlet segítségével határozható meg. Mind a közvetlen, mind a közvetett mérés alapulhat mutató kitérésen vagy nullmódszeren. Környezeti méréstechnika 10

11 Mérési módszerek Mind a közvetlen, mind a közvetett mérés mutató kitérésen vagy nullmódszeren alapulhat. Mind a kitéréses, mind a nullmódszeres mérés többféle elven valósítható meg. Összehasonlító mérési módszer Helyettesítő mérési módszer Hídmódszer Kompenzációs mérési módszer Differenciál módszer Környezeti méréstechnika 11

12 Összehasonlító mérési módszer A mérendő mennyiséget egy ismert mennyiséggel hasonlítjuk össze. A változtatható ellenállást úgy állítjuk be, hogy az áram megegyezzen az ismeretlen ellenálláson átfolyóval. Ekkor nyilván R x =R N Pl: Környezeti méréstechnika 12

13 Helyettesítő mérési módszer A mérendő mennyiséget etalonnal helyettesítjük. R x a mérendő, R 0 az etalon ellenállás Környezeti méréstechnika 13

14 Hídmódszer Az R 2 változtatásával a műszer nulla kitérését keressük meg. Ekkor: R x = R R 2 1 R3 R x = R R 2 1 R3 Környezeti méréstechnika 14

15 Kompenzációs mérési módszer U x =I R 1 és U N =I R 2 Innen: U U x = N R R 1 2 Környezeti méréstechnika 15

16 Differenciál módszer Közel azonos értékeket hasonlítunk össze, úgy, hogy a köztük lévő különbséget mérjük. Az I N értékét számítással határozzuk meg, az I-t mérjük, végül I x =I N -I Környezeti méréstechnika 16

17 Mérési eredmények kiértékelése Mérési hibák 1. Standard hiba: az adott mérőeszközre jellemző 2. Eltolódás: a mérőeszköz instabilitása, vagy helytelen beállítása okozza 3. Állandó (szisztematikus) hiba: eredhet a mérőeszköz helytelen hitelesítéséből, hibás mérési módszerből, vagy figyelembe nem vett, mellékesnek gondolt hatásból 4. Észlelési (véletlen) hiba: ideiglenes berendezés hibából, elnézésből eredhetnek 5. Statisztikus hiba: nagyszámú, egymástól független esemény észlelésekor jelentkezik Környezeti méréstechnika 17

18 Mérési eredmények kiértékelése: a standard és a relatív hiba Legyenek x 1, x 2,...x n egy mérési sorozat eredményei A legvalószínűbb eredményt az egyes mérések számtani közepe adja: Abszolút hiba: A mérési eredmények középhibája: A relatív hiba: x x = x 1 x + x = x n x i x i 2 2 n x1 + x xn = n ( n 1) x x δx =, vagy δx = 100% x x 2 Környezeti méréstechnika 18

19 Hibaterjedés. Egyváltozós eset. y = x tgα dy y = x dx x= x y = x tgα Környezeti méréstechnika 19

20 Környezeti méréstechnika 20 Hibaterjedés. Többváltozós eset Az egyváltozós eset mintájára z z Y y y Y x x Y y z z y y x x + + = = = =

21 A mért mennyiségek közti összefüggés meghatározása (regresszió és korrelláció) 1. Az összetartozó adatpárok ábrázolása derékszögű koordináta rendszerben Az adatok egyenes mentén helyezkednek el. Ekkor y=m x+b, a feladat az m és b paraméterek megállapítása Az egyenes szabad szemmel történő berajzolás a koordináta rendszerbe A legkisebb négyzetek módszerének alkalmazásával a legjobban illeszkedő egyenes paramétereinek meghatározása Az adatok nem egyenes mentén helyezkednek el Függvénytranszformációkkal olyan új mennyiségek bevezetése, amelyek közt lineáris összefüggés áll fenn. Környezeti méréstechnika 21

22 Környezeti méréstechnika 22 Lineáris regresszió ( ) min 1 2 = = = n i i i b x m y S ( ) = = i n i i x b x m y m S ( ) = = n i i b x m y b S Kétismeretlenes egyenletrendszer a meghatározandó m és b paraméterek számára

23 Nemlineáris regresszió: gyakran előforduló transzformációk 1. Legyen a feltételezett függés y = b e m x Mindkét oldal logaritmusát véve ln y = lnb + m x Látható, hogy most ln y x-nek lineáris függvénye 2. Legyen a feltételezett függés m y = b x Mindkét oldal logaritmusát véve ln y = ln b + m ln x Látható, hogy most ln y ln x-nek lineáris függvénye Környezeti méréstechnika 23

24 3. y=a x/(x+b) Pl. az U 0 üresjárási feszültség R k -tól való függése Vezessük be az y =x/y új változót 4. y=a x/(x+b) 2 Vezessük be az y =x/y új változót Környezeti méréstechnika 24

25 Analóg és digitális mérés Analóg műszer: a mérendő mennyiséget egy vele arányos jellé, mutató kitéréssé, írófej kitéréssé (rekorderek) alakítja. Elvben tetszőleges pontosságú A mért értéket állandóan jelzi Ezek a tulajdonságok a gyakorlatban csak korlátozottan használhatók ki Digitális műszer: a mérendő mennyiség számértékét közvetlenül jelzi ki A digitálisan kijelzett érték elvileg nem végtelen pontos A kijelzett érték nem folytonos A gyakorlat megfelelő kijelzési gyakoriság és pontosság biztosítható. Környezeti méréstechnika 25

26 A mérőműszerek jellemzői A műszerek felépítése Érzékelő Információ átalakító Információ továbbító Információközlő Osztályozás A mérendő mennyiség szerint A mérés időbeli lefolyása szerint Folyamatosan mérő Szakaszosan mérő Az érzékelő és az adatközlő szerv helyzete alapján Helyszínen mérő Távmérő Környezeti méréstechnika 26

27 A műszerek rendeltetésük szerint Mutató műszerek: a mért mennyiség pillanatnyi értékének közlésére alkalmasak. Regisztráló műszerek: a mért mennyiség változásának feljegyzésére alkalmasak, leggyakrabban az idő vagy az elmozdulás függvényében. Jelzőműszerek: a mérendő mennyiség beállítható határértékét, illetve ennek túllépést jelzik. Számláló műszerek: a mért mennyiség pillanatnyi értékeiből képezhető integrálokat közölnek. Adatfeldolgozó műszerek: a mért jellemzők meghatározott célból történő feldolgozására alkalmasak. Szabályozó műszerek: a szabályozáshoz alkalmas, ún. beavatkozó szervvel látják el. Környezeti méréstechnika 27

28 Mérőberendezések építőelemei Elektromechanikus mérőműszerek Állandó mágneses (Deprez) műszerek Elektrodinamikus műszerek Lágyvasas műszerek Indukciós műszerek Elektronikus Műszerek Környezeti méréstechnika 28

29 Folyadékok sűrűségének mérése Mohr Westphal mérleg Piknométer Areométer Környezeti méréstechnika 29

30 A nyomás mérése Membrános és Bourdon csöves manométerek Barométerek: a légnyomás mérésére szolgálnak Környezeti méréstechnika 30

31 Térfogatáram mérése Környezeti méréstechnika 31

32 Nyomásszonda A dinamikai nyomás mérése Környezeti méréstechnika 32

33 Pitot cső A B torlódási helyen a v=0-hoz tartozó teljes nyomást méri. Környezeti méréstechnika 33

34 Prandtl cső A p 0 -p torlónyomást méri, amelyből az áramlás sebessége megadható. Környezeti méréstechnika 34

35 A hőmennyiség és a fajhő mérése Környezeti méréstechnika 35

36 Az égéshő mérése Égéshő: az a hőmennyiség, amely az egységnyi tömegű tüzelőanyag tökéletes égésekor állandó hőmérsékleten, 3 MPa túlnyomású O 2 -ben felszabadul. Fűtőérték: az elégetéskor a tüzelőanyagból távozó H 2 elégéséből keletkező víz párolgáshőjével csökkentett égéshő. A kaloriméter bomba kaloriméterben helyezkedik el. Környezeti méréstechnika 36

37 Folyadékok elektromos vezetésének meghatározása Szilárd anyagok vezetőképességének mérése ellenállás méréssel történik. Folyadék vezetőképességének mérése a folyadékba meríthető indiferens elektródapárból készült mérőcella segítségével történhet, ahol C a cellaállandó. σ = 1 R l A = 1 R C Mérésére hangfrekvenciás (1000 Hz) váltakozó áram használatos. A cellaállandó időszakos kalibrálásához Ismert töménységű KCl oldat sorozat használható. Környezeti méréstechnika 37

38 ph mérés Definíció szerint a ph a H ion koncentráció negatív logaritmusa, amely a mérőelektróda és a vonatkoztatási elektróda közti potenciálkülönbség mérésére vezethető vissza. U 2 U R T = z F ( ph ph ) Ahol z H+ =1 a H ion vegyértéke F a Faraday - féle állandó (96487 As/gekv) R az egyetemes gázállandó (8.314 J/mol K) T a kelvinben mért hőmérséklet. H Környezeti méréstechnika 38

39 Érzékelők (szenzorok, jelátalakítók, mérőátalakítók)) Olyan eszközök, amelyek a legkülönfélébb nem elektromos mennyiségek (mechanikai, termikus, optikai, stb.) elektromos úton történő mérését teszik lehetővé Előnyeik Elektromos mennyiségeket (feszültség, áramerősség, ellenállás) egyszerűen és nagy pontossággal mérhetünk Kis méretűek, a tehetetlenségük kicsi, így a mérendő mennyiség megváltozását gyorsan követik A mérés és a leolvasás helye nem kell, hogy azonos legyen A legfontosabb előnyük, hogy nem csak mérésre, hanem folyamatszabályozásra is használhatók. Környezeti méréstechnika 39

40 Az érzékelők típusai Passzív érzékelők, amelyeknek az (általános értelemben vett) ellenállása változik Rezisztív (ohmos ellenállás változik) Kapacitív (kapacitív ellenállás változik) Induktív (induktív ellenállás változik) Aktív érzékelők, amelyekben feszültség keletkezik Környezeti méréstechnika 40

41 Az érzékelők érzékenysége K É = B Karakterisztika: a bemeneti és kimeneti mennyiségek közti kapcsolat Érzékenység: K É = B küszöbérték: a mérendő mennyiség megváltozásának az a legkisebb értéke, amelynél a kimeneti mennyiség változása mérhető Környezeti méréstechnika 41

42 Néhány gyakran használt érzékelő A mérendő mennyiség Érzékelő Passzív (ellenállás) típusok Pozíció és elmozdulás Anyagra ható erő vagy nyomás és deformáció Lineáris potencióméter Nyúlásmérő bélyeg Hőmérséklet Páratartalom Szilárd anyag nedvességtartalma Fényintenzitás Fém vagy félvezető ellenállás hőmérő Kapacitív érzékelő Kapacitív érzékelő Fotoellenállás Aktív típusok Erő vagy nyomás Hőmérséklet Fényintenzitás Piezoelektromos kristály Termoelem Fényelem Környezeti méréstechnika 42

43 A passzív érzékelők használata Ellenállás mérése a mérendő mennyiség függvényében Munkaellenállás sorbakapcsolásával Környezeti méréstechnika 43

44 Áram feszültség karakterisztika Környezeti méréstechnika 44

45 Áram feszültség karakterisztika; az önfűtés figyelembe vétele Környezeti méréstechnika 45

46 Hídkapcsolás Környezeti méréstechnika 46

47 Környezeti méréstechnika 47 A hídáramkör jelének erősítése h U r r r U + = ( ) h U ki U r r r U + = ( ) ( ) h h ki U r r r r r r U r r U = Ha r 1 =r 3 és r 3 =r 4, akkor i h h ki U r r U r r U r r U = + =

48 Potencióméteres átalakító Főleg helyzet, pozíció vagy elmozdulás mérésére, amely más mennyiségekkel is összefügghet. Közbenső mennyiségként elmozdulást vagy szögelfordulást állítanak elő, ezt képezik le ellenállásváltozássá. Főbb típusai Tolóellenállásos Forgókaros érintkezős Nyomás mérése Elmozdulás (erő) mérése Nyomás (folyadékszint) mérése Környezeti méréstechnika 48

49 Pozíció vagy elmozdulás mérése kapacitív vagy induktív érzékelővel C=ε ε 0 A/l, Felületváltozáson alapuló szenzor Fegyverzetek egymáshoz képesti elmozdulása Elfordulása A fegyverzetek távolságán alaupló szenzorok A dielektromos állandó változásán alapuló szenzorok R m =µ l/a+µ 0 δ/a Légrés nagyságának változtatás Vasmag helyzetének változtatása Kéttekercses differenciál átalakító Környezeti méréstechnika 49

50 További kinematikai mennyiségek mérése aktív (induktív) érzékelőkkel Működésük a l U = B v sinαds 0 mozgási indukción alapul. a., b. rezgésmérés. Integráló tag felhasználásával elmozdulás, differenciáló taggal gyorsulásmérés. c. szögsebesség, illetve szögelfordulás, vagy szöggyorsulás mérése. d. fordulatszám mérés. Ha a mágnesek turbinakeréken vannak elhelyezve, akkor térfogatáram mérés. Környezeti méréstechnika 50

51 Nyúlásmérő bélyeg (tenzoellenállás) R=ρ l/a, A relatív ellenállás változás: dr R ( 1+ µ ) = ε 2 + dρ r ε (1+2 µ) a tenzometrikus, dρ/ρ a piezorezisztív ellenállás változás. dr/r=k ε, K a mérőelem nyúlási tényezője. Ellenállás szabványosított: 120, 350, 600 és 1000 Ω. A bélyeg lehet fém, vagy félvezető. Kételemes, halszálkás, deltarozettás bélyegek ismeretlen feszültségi irányok mérésére. Tangenciális, és radiális nyúlás mérésere Környezeti méréstechnika 51

52 Nyúlásmérő bélyeg (folytatás) Használat: általában kiegyenlítetlen hídban Az indikáló műszerre jutó feszültség: U i = R 3 R + Egytengelyű feszültség mérése egyetlen bélyeggel: negyed híd ± R Félhíd: R 1 =R+ R, R 2 =R- R Teljes híd: R 3 1 U0 R4 R1 + R2 U i ± R = R U 0 U i = 4 R U i U 0 ± R = 2 R U 0 Környezeti méréstechnika 52

53 Piezoelektromos érzékelő SiO 2 térbeli szerkezete. x irányú erő hatására Q x =d F x töltés keletkezik. Si-ra d=2, C/N Q y =-d (b/a) F y. A z tengely irányú erők nem hoznak létre töltést. U=Q/C=d F x /C, ahol C=ε r ε 0 A/a, ε r =4,5 d/c az érzékelő meredeksége Pl. 1 cm élhosszúságú kockánál C=0,4 pf, és d/c=5,6 V/N Erőmérés mellett nyomásmérésre is alkalmazható. Környezeti méréstechnika 53

54 Hőellenállások Fémeknél R t =R 0 (1+α t). Pt, Ni. Termisztorok: átmenteti fémoxidból készül R T = R 0 e B / T Homogén Si hőmérséklet érzékelő szenzorok Pozitív karakterisztikájú: R t =R 0 (1+α t) Negatív karakterisztikájú: R t =R 0 (1-α t) Termoanemometria: folyadékok, gázok áramlási sebességének mérése hőmérséklet méréssel. Környezeti méréstechnika 54

55 Termoelem A hőelemen a hőmérsékletkülönbséggel arányos feszültség keletkezik (Seebeck eff). Termofeszültség 100 K hőmérsékletkülönbségnél: Cu-Ko: 4.19 mv NiCr-Ni: 4,14 mv Fe-Co: 3.86 mv A mérőelem forrasztási pontja az ún. melegpont, a referencia hőmérsékleten lévő a hidegpont. Peltier effektus Környezeti méréstechnika 55

56 Termooszlop Sorbakapcsolt termoelemekből áll. Környezeti méréstechnika 56

57 A relatív páratartalom mérése Elektromos pszichrométerrel o o A két egyforma hőmérő fém, vagy félvezető ellenállás hőmérő Mérés kiegyenlítetlen hídban. o Kapacitív páratartalom érzékelő szenzor. Környezeti méréstechnika 57

58 Nedvességtartalom mérése kapacitív érzékelővel Környezeti méréstechnika 58

59 Fényintenzitás mérése Fotocella Fotoellenállás Fényelem egykristály polikristály amorf Környezeti méréstechnika 59

60 Fotodióda, Fototranzisztor Környezeti méréstechnika 60

61 Gázelemzés Sok komponens esetén Gázkromatográf tömegspektrométer Csak néhány komponensből álló gázok elemzése fizikai tulajdonságok alapján: Hővezető képesség Mágneses tulajdonságok Elektromos tulajdonságok Optikai tulajdonságok Alkalmazások Vegyipar: a kiinduló, vagy végtermék gáz Füstgázelemzés Környezeti méréstechnika 61

62 Hővezető képességen alapuló gázelemzők Állandó árammal fűtött ellenállás (pl. Pt szál hőmérséklete, és környezete közt egyensúly áll be. A hőmérséklet az ellenállást befolyásolja. Az áramló gáz sebessége hatásának kiküszöbölése: a fűtőszál diffúziós cellában helyezkedik el (időállandó növekedés). Az összehasonlító cella rendszerint levegőt tartalmaz Környezeti méréstechnika 62

63 Hővezető képességen alapuló gázelemzők (folytatás) Kétkomponensű gáz (pl. levegő és valamilyen gáz) esetén λ=λ 1 q 1 /100+λ 2 q 2 /100 Néhány gáz hővezető képessége 100 C-on, levegőre vonatkoztatva Levegő Argon Oxigén Nitrogén 0,9956 vizgőz 0,738 H 2 7,38 metán 1,349 CO 1,000 0,697 1,022 1,0025 CO 2 SO 2 kénhidrogén etán 0,685 0,3895 0,637 1,055 Környezeti méréstechnika 63

64 Katalítikus égetés Direkt fűtés: a mérő ellenállás hőmérő egyúttal a fűtőszál is (pl. Pt, vagy Pt-Ir). Ez egyben katalizátor is. A huzalt a mérni kívánt gáztól függően C-ra melegítik. Egyik fontos alkalmazása a füstgáz elemzés, pl. CO és H2 együttes meghatározása. Indirekt fűtés: A mérőkamrát elektromos fűtéssel melegítjük. Felhasználási mód szerint: Füstgázelemzésnél folyamatos gáz átáramlás Biztonságtechnikai műszereknél a láng terjedését megakadályozó fém-szinterrel fedett nyíláson jut be a gáz. Környezeti méréstechnika 64

65 Mágneses gázelemzők Mérésre a mágneses szuszceptibilitás használható fel. Paramágneses gázokra (pl. Oxigén) χ>0, diamágneses gázokra χ<0. Paramágneses gázok inhomogén mágneses térben a növekvő térerősség irányába mozdulnak el. Paramágneses gázokra X p T=C, C a Curie állandó az adott gázra, X p a fajlagos szuszceptibilitás, χ/ρ. Innen χ=x p ρ arányos 1/T 2 -el. A paramágneses gázt inhomogén mágneses térben felmelegítve χ erősen lecsökken, és a hidegebb gáz kiszorítja, így áramlás indul meg. Környezeti méréstechnika 65

66 Mágneses gázelemzők (folytatás) Környezeti méréstechnika 66

67 Különleges mérőátalakítók Hall szenzor: U i =i l B Mágneses indukció mérése Fordulatszám mérés Térfogatáram mérés Ultrahangos méréstechnika Vastagságmérés Szintmérés Áramlásmérés Környezeti méréstechnika 67

68 Adatgyűjtő és kiértékelő rendszerek Környezeti méréstechnika 68

69 Mikrokontrollerek (mikrovezérlők) Viszonylag jelentős tárterület a chipen belül (néhány kb nagyságrendű), amely adatok és programok tárolására használható (EEPROM típusú tár). Egyszer programozható típusok. Általában gépi kódban programozhatók. Többször programozható típusok. Magasabb szintű nyelveken is programozhatók. I/O portok jelek fogadására és/vagy kiadására. Környezeti méréstechnika 69

70 Parallax BASIC Stamp család BS1, BS2, BS2E, BS2SX, BS2P, BS2P40, BS2PE, BS2PX BS2: 2kB belső tár 16 I/O ki- és bemenetként tetszőlegesen programozható port Minden I/O 20 ma-t képes kiadni, és 25 ma-t képes elnyelni. 32 byte RAM Az I/O portokon további eszközök csatlakoztathatók. Környezeti méréstechnika 70

71 Perifériák Külső memória SPI buszos I 2 C buszos A/D konverter: 0-5 V közti feszültég számmá alakítása, az érték beolvasása Naptár/óra Portbővítő Billentyűzet Környezeti méréstechnika 71

72 BS2 tárak elrendezése EEPROM felosztása $000 címtől kezdődően felfelé adatok helyezkedhetnek el. $7FF címtől lefelé program helyezkedik el. A RAM felosztása $0: a 0. szó (két byte) a 16 I/O port aktuális állapotát tartalmazza. INS, INL, INH, INA, INB, INC, IND, IN0,..IN15 $1: az első szó a 16 I/O port kimeneti értékeit tárolja. OUTS,... $2: a 2. szó a 16 I/O port irányát konfigurálja DIRS,... A többi RAM terület szabadon felhasználható. Környezeti méréstechnika 72

73 Változó deklarációk Változó név VAR bit, nib, byte, word Ha a bit/nib/byte/word kifejezések után egy számot írunk zárójelben, akkor egy tömböt deklarálunk Pl. A VAR nib(10): 10 db. Fél byte-ból álló tömb. Változó módosítók: LOWBYTE, HIGHBYTE, vagy BYTE0, BYTE1 LOWNIB, HIGHNIB, NIB0, NIB1,NIB2, NIB3 LOWBIT, HIGHBIT, BITX, ahol X=0,..,3 félbyte-nál, X=0,..,7 byte-nál, X=0,..,15 szónál. Konstans deklarálás: A CON a kifejezés értéke Pl. A CON 28 A CON után kifejezés is állhat, amely a következő műveleti jeleket tartalmazhatja: +, -, *,/,<<: shift left, >> shift right, & logikai AND, logikai OR, ^ logikai XOR Pl. limit CON 10*4<<2. Mennyi a konstans értéke? Környezeti méréstechnika 73

74 Szám reprezentációk Letter CON A A ASCII kódja:65 Number CON 3 Hexnumber CON $80 Binnumber CON %11010 Környezeti méréstechnika 74

75 Műveletek Műveleteket a balról jobbra szabály alkalmazásával hajt végre. Ez zárójelezéssel módosítható. Ún. kétoperandusos műveletek: +, -, *, /, // ** ha a szorzás eredménye 16 bitnél nagyobb, akkor a felső 16 bitet adja vissza /: csak egész rész ad vissza //: törtrész ad vissza */: egy 32 bites eredmény középső 16 bitjét adja vissza &: bitenkénti AND, : bitenkénti OR, ^: bitenkénti XOR Környezeti méréstechnika 75

76 Egyoperandusos műveletek: ABS, COS, SIN, SQR, << szám: shift balra a megadott számmal, >> szám: shift jobbra a megadott számmal DCD: 2 n Pl. eredmény var word Eredmény = DCD 12 % ~: bitenkénti negálás % NCD: a legnagyobb helyiértéken lévő 1 megkeresése; az eredmény ez az érték+1 Pl. eredmény var word Eredmény = % NCD eredmény: 4 Környezeti méréstechnika 76

77 Utasítások Vezérlő és ugró utasítások BRANCH: ugrás offset által specifikált címre IF.. THEN.. ELSE: program szakasz feltételes végrehajtása GOTO: megadott címre ugrás GOSUB, és RETURN: ugrás és visszatérés szubrutinból ON GOTO, VAGY ON GOSUB: ugrás offset által specifikált címre SELCT.. CASE:: több programszakasz feltételes végrehajtása STOP: program végrehajtás megállítása Ciklusszervező utasítások DO.. LOOP: programszakasz feltételtől függő ismételt végrehajtása EXIT: kilépés ciklusból FOR.. NEXT: programszakasz feltétel nélküli ismételt végrehajtás EEPROM utasítások DATA: adattárolás EEPROMban programletöltés közben READ adatkiolvasás EEPROMból WRITE adat írása EEPROMba Környezeti méréstechnika 77

78 Utasítások (folytatás) Numerikus adatkezelés LOOKUP: felfelé számlálás, és az adat tárolása változóban LOOKDOWN: keresés táblázatban, a sorszám elhelyezése változóban RANDOM: álvéletlen szám generálása Digitális I/O utasítások INPUT: egy pint bemenetnek állít OUTPUT: egy pint kimenetnek állít REVERSE: pin irány megfordítása LOW: egy pint kimentnek állít, és az értéke LOW lesz HIGH: egy pint kimentnek állít, és az értéke HIGH lesz TOGGLE: egy pint kimentnek állít, és az értéké ellenkezőjére fordítja PULSIN: Egy bejövő impulzus szélességét méri PULSOUT: Egy adott ideig tartó impulzus kiadás BUTTON: billentyű kezelése COUNT: adott idő alatt beérkező impulzusok leszámlálása Környezeti méréstechnika 78

79 Utasítások (folytatás) Aszinkron soros I/O adatátvitel SERIN: adatbeolvasás a soros (RS232) vonalról SEROUT: adatkiküldés a soros vonalra Szinkron soros I/O adatátvitel (soros perifériák) SHIFTIN: adatbeolvasás soros eszközről SHIFTOUT: adatkiírás soros eszközre Analóg I/O PWM: Jelkibocsátás pulzusszélesség modulációval RCTIME: RC kör időállandójának mérése Időzítés PAUSE Hang FREQOUT: egy vagy két adott frekvenciájú szinusz rezgés generálása DTMFOUT: DTMF telefon tonus generálása Tápfesz szabályozás NAP és SLEEP Nyomkövetés DEBUG Környezeti méréstechnika 79

80 Vezérlő és ugró utasítások szintaktikája BRANCH változó [cím0, cím1,..,címn] IF feltétel THEN utasitás(ok) ELSE utasítás(ok) Ha a feltétel teljesül, a THEN utáni utasítás hajtódik végre, ha nem, akkor az ELSE utáni utasítás GOTO cím: a program végrehajtása a cím-től folytatódik GOSUB cím: a szubrutint RETURN zárja le, a program végrehajtása a GOSUB utasítást követő utasítással folytatódik ON változó GOTO cím1, cím1, cím2 ON változó GOSUB cím0, cím1, cím2 SELECT kifejezés CASE feltétel(ek) utasítás(ok) CASE feltétel(ek) utasítás(ok).. CASE ELSE utasítás(ok) ENDSELECT Környezeti méréstechnika 80

81 Ciklusszervező utasítások szintaktikája DO utasítások LOOP UNTIL feltételek(ek) DO WHILE feltétel(ek) utasítások LOOP FOR számláló = kiinduló érték TO végérték STEP lépésköz utasítás(ok) NEXT Környezeti méréstechnika 81

82 EEPROM utasítások Byte-ok tárolása DATA szám1, szám2,.. A 0. címtől kezdődően szám1, szám2,.. a szám címtől kezdődően (szám1) a szám címtől kezdődően szám1 helyet üresen hagy DATA WORD szám: az alsó 8 bit tárolása az első byte-on, a felső 8 bit tárolása a 2. byte-on. Pl. DATA WORD 1125 READ cím {WORD} változó WRITE cím {WORD} változó Környezeti méréstechnika 82

83 Numerikus adatkezelés LOOKUP index [szám0, szám1,..,számn], változó Az index értéke 0-tól indul A számok száma max. 256 lehet A változó WORD lehet LOOKDOWN cél, {összehasonlítás} [szám0, szám1,..számn] változó Az összehasonlítás opcionális, az alapértelmezés: = A szám0,.. WORD lehet A változó BYTE Pl. cél = 17, LOOKDOWN 17, >[26, 177, 13, 1, 0, 17] eredmény. Az eredmény = 2 RANDOM változó közötti álvéletelen számot helyez el a változóban Környezeti méréstechnika 83

84 Digitális I/O utasítások INPUT pin pin Pl. INPUT 8 Egyéb lehetőségek: IN8, vagy DIR8=0 OUTPUT pin REVERSE pin az I/O irány megváltoztatása LOW pin a megadott pin értékét 0-ra (0 V), és kimenetre állítja. Pl. LOW 6 ekvivalens a DIR 6=1 ; OUT 6=0 HIGH pin Pl. HIGH 6 ekvivalens DIR 6=1; OUT 6=1 (5 V) TOGGLE pin a pint kimenetnek állítja, és értékét megváltoztatja. PULSIN pin, állapot, változó. Állapot konstans/változó/kifejezés 0-1 a specifikált mérendő impulzus időtartamát méri állapot=low (0) az 1-0 átmenettől méri az időt, állapot=high (1) a 0-1 átmenettől méri az időt. A változó egysége 2 µs. PULSOUT pin, időtartam. Az időtartam egysége 2 µs. BUTTON pin, lenyomott, késleltetés, ciklus, munkabyte, célállapot, cím Pl: BUTTON 1,1, 10, 20, bt, 1, cím COUNT pin, időtartam, változó az időtartam (ms) alatt a pin-re érkező impulzusok számát helyezi a változóba. Környezeti méréstechnika 84

85 Aszinkron soros I/O adatátvitel SERIN pin, {fpin}, baudmód, {időtúllépés, cím,} [inputdata] Pin=0,..,15, Pin=16 az ún. belső soros port fpin az adatáramlást vezérlő pin, Baudmód: 0-11 bit az átviteli sebesség: /baud rate-20. Pl 9600 bit/s-nál baudmód= bit=0 8 bit, nincs paritás, 13 bit 0: nem invertált, 1: invertált. SEROUT pin, {fpin,} baudmód, {időtúllépés, cím,} [outputdata] Környezeti méréstechnika 85

86 Szinkron soros I/O adatátvitel (soros perifériák) SHIFTIN dpin, cpin, mód, [változó\bits] dpin: az adatbemenet, cpin: az órajel bemenet mód: 0: msb először, előtte órajel 1: lsb először, előtte órajel 2: msb először, utána órajel 3: lsb elsőször, utána órajel SHIFTOUT dpin, cpin, mód, [változó\bits] Pl. 8 bit (byte) olvasása memóriából. dio CON 11: clk CON 10: i VAR word, (memoria chipselect:) csmem CON 13: LOW csmem: SHIFTOUT dio, clk, msbfirst, [3]: SHIFTOUT dio, clk, msbfirst, [i\16]: SHIFTIN dio, clk, msbpre [bit1]: HIGH csmem Környezeti méréstechnika 86

87 Analóg I/O/Időzítés/Hang PWM pin, kitöltés, ciklus A pin kimenet lesz Kitöltés: 0-255, a kitöltési tényező Ciklus: 0-255, hány ciklusig tart a jel A pin visszaáll bemenetre RCTIME pin, állapot, változó A pin bemenet lesz Az idő lesz 2 µs egységben mérve, amig a pin állapot állapotban van. Állapot: 0-1. Az eredmény a változóba íródik. Túlcsordulás esetén (τ>131 ms) esetén a változóba 0 íródik. PAUSE x várakozás x ms ig x FREQOUT pin, időtartam, f1, {f2} Időtartam: ms. Környezeti méréstechnika 87

88 Nyomkövetés DEBUG kifejezés x VAR Byte x=65 Pl. DEBUG x; eredmény A Speciális formázó karakterek a DEBUG-ban?: szimbólum =érték + CR ASC?: szimbólum =érték + CR, ahol érték egy ASCII karakter. STR ByteArray{\L}: karakter kiküldése string tömbből. Az L hossz opcionális. DEC{1..5}: érték decimális kijelzése. A számjegyek száma opcionális. Pl. x=65: DEBUG DEC4 x: eredmény x= 56422: DEBUG DEC4: 6422 SDEC{1..5}: előjeles decimális érték kijelzése. HEX{1..4}: érték hexadecimális kijelzése. SHEX{1..4} előjeles hexadecimális érték kijelzése. IHEX, ISHEX: a hexadecimális érték kijelzése vezető $ jellel. BIN{1..16}: érték bináris kijelzése. SBIN{1..16}: előjeles bináris érték kijelzése. IBIN, ISBIN: a bináris érték kijelzése a vezető % jellel. Környezeti méréstechnika 88

89 Soros memória olvasás deklarációk clk CON 6 dio CON 7 i VAR Word bt Var Byte memread: LOW csmem SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [3] SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [i\16] SHIFTIN, dio, clk, MSBPRE, [bt] HIGH csmem RETURN Hivás: Pl. i=233: gosub memread A bt változóba kerül a 233. címen lévő byte. Környezeti méréstechnika 89

90 Soros memória írás Deklarációk clk CON 6 dio CON 7 i VAR Word bt Var Byte reads: LOW csmem SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [5] SHIFTIN, dio, clk, MSBPRE, [bt2] HIGH csmem RETURN memwrite: GOSUB reads IF bt2.bit0=1 THEN memwrite LOW csmem SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [2] SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [i\16] SHIFTOUT, dio, clk, MSBFIRST, [bt] HIGH csmem Hívás: Pl. i=233: bt= 240: gosub memwrite Környezeti méréstechnika 90

91 A/D konverter olvasása Deklarációk clk CON 6 dio CON 7 i VAR Word bt Var Byte ad Var Word config Var Byte startbit Var config.bit0 sgldif Var config.bit1 oddsign Var config.bit2 select1 Var config.bit3 select0 Var config.bit4 adcread: config=config % LOW csadc SHIFTOUT dio, clk, LSBFIRST, [config\8] SHIFTIN dio, clk, MSBPOST, [ad\12] HIGH csadc RETRUN Hívás oddsign=0: select1=0: selct0=0: GOSUB adcread Környezeti méréstechnika 91

92 Írás 2*16 karakteres LCD-re Parancs kiírás az LCD-re lcdcom: HIGH 5: OUTL=kom 32: PAUSE 10: PAUSE 10: LOW 5: RETURN Karakter kiírása az LCD-re char: kom=kar/16 16: GOSUB lcdcom kom=kar&15 16: GOSUB lcdcom RETURN LCD inicializálása FOR i= 0 TO 13 LOOKUP i, [3,3,3,2,2,8,0,12,0,6,1,4,0,1], kom GOSUB lcdcom NEXT Karakterkiírás az első sorba, tetszőleges pozícióba kom=8: GOSUB lcdcom: kom=i: GOSUB lcdcom (i=0..15) FOR i=0 TO 12 LOOKUP i, [ Merestechnika ], kar GOSUB char NEXT Karakterkiírás a második sorba, tetszőleges pozícióba kom=12: GOSUB lcdcom: kom= i: GOSUB lcdcom (i=0..15) Környezeti méréstechnika 92