Mérésadatgy jtés mérnöki alkalmazásokkal II. Schier Ádám, PhD

Átírás

1 TÁMOP F-14/1/KONV A gépészeti és informatikai ágazatok duális és moduláris képzéseinek kialakítása a Pécsi Tudományegyetemen Mérésadatgy jtés mérnöki alkalmazásokkal II. Schier Ádám, PhD Pécs 2015 A tananyag a TÁMOP F-14/1/KONV azonosító számú, A gépészeti és informatikai ágazatok duális és moduláris képzéseinek kialakítása a Pécsi Tudományegyetemen cím projekt keretében valósul meg.

2 2

3 Tartalomjegyzék I. Mérésadatgy jtés mérnöki alkalmazásokkal II Érzékel k Nyomásmérés Mérés U csöves manométerrel Mérés ferde csöves manométerrel Membrános nyomásmér k Kapacitív nyomásmérés Optikai nyomásmér k Bourdon-csöves nyomásmérés H mérsékletmérés A h elem A termisztor Ellenállás-h mér k (RTD) Mérés nyúlásmér bélyegekkel Analóg-digitális jelátalakítás, diszkrét idej jelfeldolgozás Jelek és felosztásuk Mintavételezés Periodikus jelek mintavételezése Kvantálás Kvantálási hiba Kvantálás és dinamika Jelzaj viszony Mintavételezés és adatmennyiség Bevezetés a digitális adatfeldolgozásba LabVIEW segítségével A DAQ feladatai

4 Fizikai ki- és bemeneti jelek Adatgy jt hardver Adatok megosztása és távoli vezérlés Központi és elosztott adatfeldolgozás Meghajtó szoftverek Mérési szoftver feladatai Mérés során el forduló jeltípusok Analóg jelek Digitális jelek Példa egy mérésadatgy jt eszköz használatára Az NI-USB 6008 csatlakoztatása A mérés megvalósítása NI DAQ asszisztens segítségével Mérési adatsorok mentése Szöveg alapú fájlok írása

5 I. rész Mérésadatgy jtés mérnöki alkalmazásokkal II. 5

6

7 A modern mérésadatgy jtés és jelfeldolgozás a modern tudomány és technológia elengedhetetlen részévé vált. A technológia által uralt környezetünkben szükséges mérnünk az autónk sebességét, lakásunk h mérsékletét és páratartalmát, vagy a lakások h sugárzását. Fontos tehát, hogy a méréselmélet szerves része legyen a m szaki és természettudományi képzéseknek. Ennek a könyvnek a célja, hogy bemutassa informatikusmérnök-hallgatóknak az alapvet mérési elveket és módszereket, méghozzá a modern digitális szemléletmódon keresztül. Ezen személetmódban a mérési rendszer egy olyan információs rendszer, amely a meggyel számára egy zikai jelb l numerikus értéket produkál. Egy ilyen rendszer négyféle elemet tartalmaz: érzékel, jelkondicionáló, jelfeldolgozó és adatmegjelenít elemet. A jegyzet, fejezeteit tekintve, els ként bemutatja a mérés elméleti alapjait, tisztázza a szükséges alapfogalmakat, a kalibráció menetét, a hibaszámítási módszereket, majd a mérési adatsorok kiértékelését. Ezek után a számtógéppel vezérelt méréseket mutatja be jelfeldolgozási, informatikai szemszögb l. Fontosnak tartom, a jelek feldolgozása, mérési rendszer kialakítása nem történhet meg az alapvet érzékel k tárgyalása nélkül. Az automatizálás feladata, hogy az érzékel k kiválasztását maga végezze el, amelyhez szükség van a különböz érzékel k felépítésének, mérési elvének ismeretére. A könyv a digitális mérésekre koncentrál, mely során nem lehet kihagyni a XXI. század egyik legfontosabb, a mérésadatgy jtéshez, automatizáláshoz használt fejleszt környezetének, a National Instruments LabView szoftverének bemutatását mérési oldalról megközelítve. A könyv itt nem kíván programozásról szólni, hiszen arra számtalan hasznos kiadvány született. Ennek a fejezetnek a célja a mérési struktúrák, eljárások, módszerek bemutatásai a LabView környezeten belül. A könyv végén a hallgatók számára hasznos alkalmazások fejlesztését mutatom be lépésr l lépésre. Még egy gondolat zárásként. Az egyes mérések során használt elnevezések magyar fordítása nehézkes, mivel a nemzetközi jelölésrendszer vagy rövidítés elterjedt, magyar nyelv katalógusokban, kiadványokban sem er ltetik a felesleges kényszerfordításokat. Feltételezem, hogy az angol nyelv rövidítések, elnevezések nem okoznak gondot egy mérnök számára. 7

8 8

9 1. fejezet Érzékel k Az érzékel k olyan jelátalakítók, amelyek zikai mennyiségeket, tulajdonságokat (pl. mágneses, optikai, termikus, mechanikai) alakítanak át, legtöbbször villamos jellé. Az érzékel ket alapvet en aktív és passzív csoportba soroljuk, a szerint, hogy szükséges-e segédenergia az érzékel m ködéséhez. I. Passzív jelátalakítók 1. Ellenállásváltozáson alapuló jelátalakítók potenciométeres jelátalakítók: fém, félvezet anyagból; nyúlásmér ellenállások (bélyegek): feszültség; h ellenállások: fémb l vagy félvezet b l. 2. Kapacitív jelátalakítók elmozdulás, szögelfordulás mérése; szintérzékelés; páratartalom-érzékelés; dinamikus nyomás; rezgés. 3. Induktív mágneses érzékel k: 9 nyomás, er, mechanikai

10 elmozdulás, elfordulás. II. Aktív jelátalakítók 1. Mágneses ( indukciós) jelátalakítók: elmozdulás (elektronikus mérleg); fordulatszám; térfogatáram. 2. Piezoelektromos jelenségen alapuló érzékel k: er, nyomás, rezgés, gyorsulás. 3. Ultrahangos jelátalakítók: szint, térfogatáram, rezgés. 4. Optoelektronikai jelátalakítók: jelenlét, alakfelismerés, koncentráció. Egy másik csoportosítást az 1.1. táblázat mutat. Itt a csoportosítás a mért jel alapján történik. Az érzékel k tárgyalásánál három mennyiség mérésére koncentrálunk: a nyomásmérés, a h mérsékletmérés, illetve a deformáció mérése nyúlásmér bélyegekkel Nyomásmérés A nyomásmér k az utóbbi években rendkívül sokat változtak, fejl dtek. A nyomásmérés nem csak leveg, hanem számtalan közeg, például víz, szennyvíz esetén lehetséges. Segítségükkel számtalan más paraméter is meghatározható, mint áramlásmennyiség, szint. A nyomásmér választása ezen felül függ a kívánt pontosságtól, nyomásértékt l, a környezett l, a környezeti hatásoktól. A nyomás deníció szerint nem más, mint egységnyi területegységre es er. SI mértékegysége a Pascal [Pa], amely nem más, mint: [P a] = [N] [m 2 ]. (1.1) 10

11 1.1. táblázat. Szenzorok osztályozása a mért jel alapján Szenzorok Tudományág Csoport Mérési jel Mechanika Geometria út, távolság, szög, emelkedés Mechanika Kinematika sebesség, fordulatszám, gyorsulás, térfogat- és tömegáram Mechanika Igénybevétel nyomás, feszültség, nyomaték, nyúlás Mechanika Anyagtulajdonság tömeg, s r ség, viszkozitás Mechanika Akusztika nyomás, hangsebesség, frekvencia Termodinamika H mérséklet tapintó, h sugárzáson alapuló Villamos, Mágnes Villamos állapot feszültség, áram, teljesítmény, töltés Villamos, Mágnes Paraméter ellenállás, impedancia, kapacitás, induktivitás Villamos, Mágnes Mez mágneses és elektromos mez Kémia és Fizika Koncentráció ph-érték, nedvesség, h vezetés Kémia és Fizika Optika intenzitás, hullámhossz, szín Ebb l leszármaztatva: [m] [s 2 ] [P a] = [N] [m 2 ] = [kg] [m 2 ] = [kg] [m][s 2 ]. (1.2) A pascal azonban nagyon kis nyomás, ezért inkább kp a vagy M P a használatos. További mértékegységek: 1 Bar = 10 5 Pa; 1 atm = 1, Pa; 1 v.o.mm (vízoszlopmilliméter) = 9, 8 Pa; 1 torr (higanymilliméter) = 1, Pa; 1 PSI (font per négyzethüvelyk) = 6, 89 kpa. 11

12 Három típusú nyomást mérhetünk: az abszolút nyomást, a túlnyomást és a nyomáskülönbséget. Az el z eket az 1.1. ábra szemlélteti. Az ábrákon egy mér cella látható amely közepében egy rugalmas membrán található, amelynek felületére egy vagy két oldalról nyomás nehezedik. Ennek az elmozdulása legyen lineárisan arányos a mért nyomással, természetesen mindkét irányban elmozdulhat. A valóságban azonban mindig nyomáskülönbséget mérünk, hiszen a nyomásméréskor mindig egy adott nyomáshoz viszonyítunk ábra. A nyomásmérés típusai Abszolút nyomás: Az abszolút nyomást vákuumhoz képest mérjük. Itt a P ref = P vakuum, vagyis a cella bal oldalán vákuumot kell biztosítani, amely nem más, mint egy nagyon kis nyomás (közepes vákuumról 3 kpa alatti nyomás esetén beszélünk, nagy vákuumok 100 mpa körül találhatók). Túlnyomás: Ez esetben a mér cella bal oldala nyitott, így itt az atmoszférikus nyomás található. A membrán jobb oldalára a mérend nyomás (P m ) adva a mért nyomásérték a légnyomáshoz képest számítódik. Nyomáskülönbség: A nyomáskülönbség mérése nagyon hasonló a túlnyomás mérésére, azzal a különbséggel, hogy a membrán bal oldalára nem az atmoszferikus, hanem egy referencia nyomást kapcsolunk. A mért érték a kett nyomáskülönbsége. A referencia nyomás segítségével ennek a mérésnek a legnagyobb az érzékenysége. Most vizsgáljunk meg három, laboratóriumokban használt nyomásmér eszközt: az U csöves manométert, a ferde csöves manométert, és a Bourdon-csöves manométert. 12

13 Mérés U csöves manométerrel Az U csöves nyomásmér egy U alakban meghajlított, azonos keresztmetszet üvegcs, amelynek szárai között hosszmérésre alkalmas, általában mm beosztású skálát helyeznek el. Az U alakú üvegcs ben folyadék (víz, alkohol, higany, széntetra-klorid stb.) található. Az U csöves manométer szimbolikus rajza az 1.2. ábrán látható. Az U csöves manométer kis nyomások mérésére alkalmas, inkább kalibrációhoz használatos ábra. Az U csöves manométer Ha a két szárára kapcsolt nyomás egyenl (p 1 = p 2 ), akkor a folyadékszint azonos mindkét ágban, a B talpponthoz képest H magasságban van. Abban az esetben, ha p 1 > p 2, akkor a folyadék kitér az alaphelyzetéb l. A nyomások különbségével az U cs ben lév mér folyadék hidrosztatikai nyomása tart egyensúlyt. Els ként írjuk fel az egyensúlyi egyenletet p 1 = p 2 esetben a B talppontra: p 1 + ρ g H = p 2 + ρ g H, (1.3) ahol ρ a folyadék s r sége, g a gravitációs gyorsulás állandója, H a folyadékoszlop magassága. Ha p 1 > p 2, akkor az egyenlet: p 1 + ρ g (H h 2 ) = p 2 + ρ g (H + h 1 ). (1.4) 13

14 Ezt átrendezve az alábbi egyenletet kapjuk: p 1 p 2 = ρ g (h 1 + h 2 ). (1.5) Ha p 2 = p atm, és túlnyomást mérünk, akkor az egyenlet leegyszer södik: p 1 = ρ g (h 1 + h 2 ) = ρ g h. (1.6) 1. Példa. Egy vízzel töltött U csöves manométer egyik szárát légkörnyi nyomás alatt hagyjuk, a másik szárára p 1 = 6520 Pa nyomást adunk. Hány mm-t mozdul el a folyadék? Megoldás: h 1 + h 2 = p 1 ρ g = 6520 P a = 0, 664 m (1.7) 1000 kg/m 3 9, 81 m/s2 2. Példa. Egy higannyal töltött U csöves manométer egyik szárát légkörnyi nyomás alatt hagyjuk, a másik szárára p 1 ismeretlen nyomást adunk. Mekkora p 1 nyomás értéke, ha a folyadék mindkét irányban 3535 mm-t mozdul el? (ρ Hg = kg/m 3 ) Megoldás: p 1 = ρ g (h 1 + h 2 ) = , 81 0, 07 = 9339, 12 P a. (1.8) Mérés ferde csöves manométerrel A ferde csöves manométer az U csöves manométer változtatásával jön létre. Az els változtatás, ha az U csöves manométer egyik szárának átmér je sokkal nagyobb, mint a másik (d 1 >> d 2 ), akkor az elmozdulás a vastagabb száron elhanyagolható a másik elmozduláshoz képest (h 1 << h 2 ). Ez alapján az U csöves manométer egyenlete (ha az egyik szára sokkal vastagabb, mint a másik, illetve p 2 = p atm ): p 1 = ρ g h 2 (1.9). A másik módosítás, amit meg kell tenni, hogy a vékony szárát megdöntjük α szögben. Ekkor a folyadék elmozdulása l a megdöntött cs ben, minél jobban megdöntjük, annál nagyobb. Ez által n az érzékenysége, viszont 14

15 csökken a mérési tartomány. A megdöntött száron, ha az elmozdulás l, a folyadék magasság pedig h = h 2, akkor h = l sin α. Így a ferde csöves manométer nyomásának számítása: p 1 = ρ g h sin(α) (1.10). A ferde csöves manométer az 1.3. ábrán látható ábra. A ferde csöves manométer Membrános nyomásmér k A mérés alapja, hogy a nyomás hatására deformálódott membrán kitérése és az azt létrehozó nyomás között reprodukálható összefüggés legyen. Az érzékel anyaga lehet fém vagy nem fémes anyag (pl. m anyag, kerámia stb). Tehát ezen m szerek a nyomás hatására létrejöv rugalmas alakváltozás alapján m ködnek. El nyük a kis méret, a tetsz leges m ködési helyzet, mechanikai rezgéseknek ellenálló kivitel, nagy mérési tartomány leolvasásához nagyméret skála készíthet, és nagy mérési pontosság. A rugóelemes nyomásmér k mérési tartománya néhány Pa nyomástól több száz MPa-ig tejed. A membrán alakja hullámosított, hiszen sík membrán használatakor a létrejött nyomás és a membrán deformációja nem lenne lineáris (a membrán felülete a nyomás változásával n, a nyomás pedig felülett l függ), ezért hullámosított membránt használnak. A kihajlás teljes terheléskor kicsi, 15

16 pár µm-t l pár mm-ig terjed. Túlterheléskor a membrán a befogókarimára felfekszik, így a sérülést kis túlterhelés esetén a membrán elkerüli. Abszolút és relatív nyomás, vákuum és nyomáskülönbség egyaránt mérhet. A mechanikai rezgéseket jól t ri, ezért s r anyagok nyomásának mérésére igen alkalmas. Túlterhelésre és h mérséklet-változásra érzékeny. A membrános nyomásmér k pontossága kb. ±0, 5%. A m szer egyszer en automatizálható, nyúlásmér bélyegekkel, induktív, esetleg rezisztív módon a jelátalakítás feszültség kimenetté átalakítható ábra. A membrános nyomásmér k sematikus ábrája Kapacitív nyomásmérés A változó kapacitású nyomástávadó elve, hogy a kapacitás megváltozik egy fém membrán (amelyre a nyomást adjuk) és egy rögzített fémlemez között. A kapacitás változását a fémlemezek távolságának változása okozza Optikai nyomásmér k Az optikai nyomásmér k egy alternatív megoldást adnak a membrán elmozdulásának mérésére. Egy emitter fényforrás optikai kábelen keresztül a membránra vetíti fényét, majd err l visszaver dve egy fotoelektromos érzékel feszültségjelet generál. A visszavert fény lineáris a membrán elmozdulásával. Nagy el nyük, hogy nagy elektromágneses zaj esetén is alkalmazhatóak. Az optikai nyomásmér k elvi felépítését az 1.5. ábra mutatja. 16

17 1.5. ábra. Az optikai nyomásmér felépítése Bourdon-csöves nyomásmérés A Bourdon-csöves manométerek érzékel je különféle keresztmetszet, rugalmas cs b l hajlított, egyik végén lezárt elemekb l áll. A nyomás hatására a cs deformálódik, igyekszik kör keresztmetszetet felvenni, ezáltal kiegyenesedni. A cs anyaga rugalmas. A Bourdon-cs egyik végét lágy forrasszal a rugótestbe forrasztják, a nagy méréstartományú m szereknél becsavarozzák, a másik végét fémkupakkal lezárják. A cs rugó szabad vége nyomás hatására elmozdul, mely elmozdulás nagysága a cs anyagának rugalmassági határán belül arányos a terhel nyomással. Terhelhet ségét befolyásolják a cs anyagának rugalmassága, keresztmetszetének alakja és görbületi íve. Különlegesen nagy nyomások mérésére központon kívüli excentrikus furatú, kör keresztmetszet csöveket használnak. Az elmozdulás mértéke a cs rugó anyagától is függ, ezért kis és közepes méréstartományú csövek anyaga általában színesfém, nagy nyomások mérésére szolgáló m szerekben acél. A Bourdon-csöves nyomásmér k fontos szerkezeti eleme a rugótest vagy rugóállvány, mely tartja a cs rugót, hordozza a mutatószerkezetet és a tokot, a m szertokból kinyúló csavarmenetes csonk útján a mérend térhez kapcsolódik. A rugótest anyaga általában azonos a cs rugó anyagával. A cs rugó szabad végének elmozdulását karos áttétel továbbítja a mutatószerkezethez. Nagy el nye, hogy viszonylag egyszer en automatizálható. Felépítését az 1.6. ábra mutatja. 17

18 1.6. ábra. A Bourdon-csöves nyomásmér felépítése 1.2. H mérsékletmérés A h mérsékletmérés során a három legismertebb módszert, a h elemet, az ellenállás-h mér t (RTD), és a termisztort mutatjuk be A h elem A h elemek a általánosan használt h mérsékletmér eszközök, pontosak, széles h mérséklet-tartományban használhatóak. Hátrányuk, hogy általában nem lineáris a karakterisztikájuk (van lineáris is), érzékenyek a zajokra, és szükség van a hidegpont-kompenzáció megvalósítására. A mérés elve, hogy két különböz fém érintkez pontja pár mv-os feszültségjelet generál egy hidegpontnak nevezett referencia h mérséklethez képest. A h elemek termoelektromos átalakítók, amelyek összeer sített pontját (melegpont) a mérend közegbe helyezve, a környezeti h mérsékleten lév hidegpontjukon termofeszültséget adnak le. A termofeszültség csak a huzalok anyagától és a mérend h mérséklet-hidegpont h mérsékletkülönbségét l függ. A h elemek nagyon alacsony feszültséget állítanak el (mili vagy mikrovolt), emiatt er síteni szükséges a jelet. Kompenzáció: h elemek mérésénél szükség van egy referencia pontra, vagy az ún. hidegpontra, amely tradícionálisan 0 C. A h elem antennaként is viselkedik, ezért érzékeny a küls zajokra, f leg az Hz-es közeli forrásokra (pl. tápfeszültség), ezért szükség van sz résre. 18

19 A h elemek szabványosak, típusokba sorolják ket (ANSI), jelölésük B, E, K, N, R, S, és T. A mérés során a melegpont és a hidegpont közötti h mérséklet-különbséggel arányos a keletkezett termofeszültség. Emiatt kell egy referencia h mérséklet, amelyet hidegpontnak neveznek. A 1.7. ábrán látható a mérés felépítése h elemmel. A melegpontot tesszük a mérend közegbe, a hidegpont egy izotermikus blokkban helyezkedik el, amelyben mérünk egy referencia h mérsékletet. Jellemz en a hidegpont a mér m szeren belül van elhelyezve, így ennek h mérséklete nem 100 C és nem +200 C), ezért például termisztorral pontosan lehet mérni a hidegpont h mérsékletét. Pár h elem a típus és a fémpárok megadásával: J típusú: vas-konstantán; K típusú: chromega-alomega; B típusú: platina-platina ródium ábra. Mérés h elemmel A termisztor A termisztorok félvezet b l készült ellenállás-h mér k, negatív karakterisztikával (NTC): a h mérséklet növelésével ellenállásuk csökken. Létezik ritkábban használt pozitív karakterisztikájú termisztor is (PTC). Nem használjuk véd réteg nélkül, általában epoxival vagy üveggel vonják be. Viszonylag nagy ellenállásuk van ( Ω), ez miatt nagy az érzékenységük ( 200Ω/ C), viszont h mérséklettartományuk elég sz k (max. 300 C-ig használhatóak). 19

20 Ellenállás-h mér k (RTD) Az ellenállás-h mér k azon az elven m ködnek, hogy a fémek fajlagos ellenállása a h közlés hatására megváltozik. A típusának megadásánál deniálják a fémet, amelyb l készítik (pl. platina, nikkel, réz), illetve a fém ellenállását 0 C-on. Az ellenállásértékek tipikusan 25, 50, 100, 200, 100 Ω. Elterjedt a PT100-as ellenállásh mér, amely értelemszer en platinából készül, ellenállása 0 C-on 100 Ω. Véd szerelvény nélkül ritkán látható. Anyaga jellemz en nikkel, acél, réz, kerámia vagy üveg Mérés nyúlásmér bélyegekkel A nyúlásmér bélyegek alapvet érzékel k, széles körben használatosak. Épít kövei számtalan mérésnek, mint nyomásmérés, terhelés- és nyomatékmérés, megnyúlás. Széles körben használják különféle szerkezetek vizsgálatához és védelméhez (nagynyomású tartályok tágulása, hidak, daruk, vasszerkezetek deformációja vagy terhelésvizsgálata). Bár a nyúlásmér bélyegek gyakoriak, egyike a legbonyolultabb méréseknek, mivel megbízható, pontos adatot nehéz mérni vele. Ennek az oka a h mérsékletfüggés, a mér kábelek hossza okozta ellenállásváltozás, az ellenállás mérése hídkapcsolással. A mérés elve egyszer : egy rugalmas szigetel fóliára elektromosan vezet réteget dolgoznak fel. A megnyúlás során deformálódik a nyúlásmér bélyeg is, eközben megváltozik az ellenállása. Természetesen a megnyúlás a rugalmasság határán belül kell, hogy történjen. A nyúlás deníciója: ε = l, (1.11) l 0. ahol l 0 a test kezdeti hossza, l a megnyúlása. Ezek alapján mértékegysége mm/m vagy µm/m. A megnyúlás értelmezése az 1.8. ábrán látható. A megnyúlást az ellenállás-változás alapján számítjuk egy, a bélyegekhez megadott bélyegfaktor (k) alkalmazásával: ε = 20 R R 0 k. (1.12)

21 1.8. ábra. A megnyúlás értelmezése Az 1.9. ábrán kétféle nyúlásmér bélyeget láthatunk. Az els egy, a másik két irányban mér ábra. Nyúlásmér bélyegek 21

22 22

23 2. fejezet Analóg-digitális jelátalakítás, diszkrét idej jelfeldolgozás 2.1. Jelek és felosztásuk Ebben a fejezetben a jelekr l és felosztásukról csak címszavakban, rövid összefoglalóként lesz szó, ezek mélyebb szint tárgyalása egy másik tárgy, a Jelek és rendszerek feladata. A mért jelek esetén fontos kérdés, milyen formában hordozza az információt, analóg vagy digitális, milyen zajjal terhelt, determinisztikus vagy sztochasztikus. Ezeket célszer a mérési rendszer kiépítése el tt vagy tapasztalati úton vagy el zetes mérésekkel meghatározni. A jelek felosztása a következ : I. Determinisztikus jelek 1. Analóg jelek (folytonos idej jelek, FI): periodikus (lehet harmonikus vagy általános periodikus); aperiodikus (lehet kvázi periodikus vagy egy- és kétoldalasan határolt); 2. Diszkrét idej jelek, DI: amplitúdókvantált; id kvantált; amplitúdó- és id kvantált. 23

24 II. Sztochasztikus jelek 1. Ergodikus 2. Nem ergodikus Determinisztikus a jel, ha pillanatnyi értéke t 0 id pontban ismert és egy matematikai modell segítségével t 0 + t id pontban egyértelm en meghatározható. A sztochasztikus jelek esetében a jel csak statisztikai paramétereivel deniálható, mint várható érték, szórás. Jöv beni értékeire vonatkozóan csak valószín ségi értékeket tudunk megadni. A jel tulajdonságai (amplitúdó, frekvencia, fázis) véletlen változók. Nagy szerepe van e jeltípusnak a gépészetben, a rezgés- és akusztikai mérések esetében. Ergodikus jelek esetében egy n elem id átlag és a sokaságátlag megegyezik. Nem ergodikus jelek esetén az id átlag és a sokaságátlag nem egyezik meg. Analóg jelek esetén a jel értéke a mérési tartomány széls értékei között bármely értéket felvehet, bármely jelszint el fordulhat. A diszkrét, digitális jelek id ben csak meghatározott id pillanatokban vehetnek fel nullától különböz értéket. A digitális jelek mind id ben, mind értékükben kvantáltak, vagyis csak el re meghatározott értékeket vehetnek fel. Analóg jelek esetén a periodikus jel rendelkezik egy T id állandóval, amelyre s(t) = s(t + T ), T R -re Mintavételezés Ez a fejezet az id beli mintavételezéssel és a kvantálással foglalkozik. A zikai mintavételezéskor egy folytonos s(t) jelb l T s id közönként mintákat veszünk. A mintavételez szerv sematikus ábráját a 2.1. ábra mutatja. A m ködése során f s = 1 T s mintavételi frekvenciával a kapcsolót zárjuk. Az id ben f s frekvenciával mintavételezett jel a 2.3. ábrán látható. Jelölés szerint ekkor s(kt s ) = s[k] = s s (t). A mintavételezett jel s s (t) adekvát ábrázolása s(t)-nek abban az esetben, ha teljesíti az úgynevezett Nyquist vagy más elnevezés szerint Shannon mintavételi törvényt. A törvény szerint egy folytonos jel adekvát módon ábrázolható és visszaállítható a mintavételezett értékekb l, ha a jelben 24

25 található maximális frekvenciájú f max frekvenciánál legalább kétszer akkora f s frekvenciával mintavételezünk. Matematikailag: f s > 2 f max. (2.1) 2.1. ábra. A mintavételez szerv sematikus ábrája Abban az esetben, ha s(t) jelben található f s /2 frekvenciánál nagyobb összetev található, akkor egy [0, f max ] sávszélesség alulátereszt sz r vel kell a mintavételezés el tt a jelet sávkorlátozni. Abban az esetben, ha a feltétel nem teljesül, vagyis f s < 2 f max, akkor a jel er sen torzul, a rossz mintavételezés (aliasing) hatását a 2.2. ábra mutatja. Itt az a) ábrán az eredeti, 1 Hz-es jel látható, amely kb. 2 másodpercenként mintavételezett, vagyis nem teljesíti a mintavételezés a Nyquist-törvényt. A b) ábrán a mintavételezett jel látható, a c) ábrán pedig a rekonstruált jeldd. Látható, hogy a rekonstrukció után egy teljesen más frekvenciájú jel állt el Periodikus jelek mintavételezése Ha egy T szerint periodikus jelet mintavételezünk, akkor elvárjuk, hogy a jelünk mintaátlaga ne változzon. Ezek szerint a jelb l ha T periódusonként például n T = 5, 435 mintát veszünk, akkor a periódusok átlaga nem egyezik meg [s(t); s(t+t )] és [s(t+t ); s(t+2t )] között. Célszer ekkor úgy beállítani a mintavételi frekvenciát, hogy T s n T = T (2.2) összefüggés teljesüljön. Ekkor nyilvánvaló az f s = f n T összefüggés is teljesül, ahol f = 1/T. 25

26 2.2. ábra. A rossz mintavételezés 2.3. ábra. Id ben mintavételezett jel 3. Példa. Egy T = 20 ms periodikus analóg jelb l T s = 10 ns id közönként mintát veszünk. Adja meg a mintavételezési frekvenciát! Megoldás: f s = 1 T s = = 108 Hz = 100MHz. 4. Példa. Egy T = 20 ms periodikus analóg jelb l f s = 100 khz mintavételi 26

27 frekvenciával veszünk mintákat. Hány mintát veszünk periódusonként? Megoldás: n T = T T s = T f s = minta. 5. Példa. Egy f = 20 Hz frekvenciájú, periodikus analóg jelb l f s = 5 khz mintavételi frekvenciával veszünk mintákat. Adja meg a mintavételezési id t! Megoldás: T s = 1 f s = = 0, sec = 2ms. 6. Példa. Egy T = 6 ms periodikus analóg jelb l T s = 30 ns id közönként mintát veszünk. Adja meg, hogy egy periódusból hány mintát veszünk! Megoldás: 2.3. Kvantálás n T = T T s = = = A diszkrét idej s[k] jel id ben mintavételezett, azonban bármely értéket felvehet [s min ; s max ] intervallumon belül. A számítógépes jelfeldolgozáshoz a mintavételezett jelet digitalizálni kell. A minták érték szerinti tartományokba sorolását kvantálásnak nevezzük. Egy tartomány szélessége a kvantum (Q), amely egy feszültségtartományt jelent, két egymást követ jelszint közötti különbséget. A kvantumok száma n q meghatározza az átalakító kvantálási pontosságát. A kvantumok számát 2 hatványaként adják meg, vagyis n q = 2 res. Így például egy res = 8 bites átalakító azt jelenti, hogy a kvantumok száma n q = 2 8, azaz 256. A méréstechnikában legelterjedtebb átalakítók 12 és 16 bitesek. Ezek az analóg jelet 4 096, ill kvantumba sorolják. A kvantum értékét mindig az aktuális méréstartomány alapján számítjuk. Sok eszköznél ez a tartomány állítható. Kérdés, hogy meddig vihetjük le a mérési tartományt, vagyis mekkora a kvantum legkisebb értéke. Ezt a gyártók az eszköz adatlapján megadják. A kvantálást az analóg-digitális jelátalakító, vagy általánosan ADC (analog-to-digital converter) végzi. A kvantálás értelmezéséhez nézzük meg a 2.4. ábrát, ahol világosan látszik, az ADC bemenetére érkezett analóg feszültségjel a kvantálás és mintavételezés után a kimeneten csak diszkrét feszültségszinteket vehet fel. 27

28 2.4. ábra. A kvantálás értelmezése A kvantálás során s[k] diszkrét idej, folytonos érték feszültségjelet egy meghatározott feszültség-jelszinthez s q rendeljük, kerekítjük. A bemeneti feszültségjel tartománya lehet unipoláris vagy bipoláris. Unipoláris esetben a tartomány [0, s max ], bipoláris esetben [ s max, s max ], vagyis nullára szimmetrikus. A kvantum értéke tehát: Q = s max s min. (2.3) n q 1 A kvantumszintek közül három kiemelt helyet kap: FS (Full Scale), vagyis a skála maximumához tartozó érték. F S = 2 res, binárisan F S = 0b ; LSB (least signiant bit), vagyis a legkisebb helyiérték bit. LSB = 0b MSB (most signicant bit), vagyis a legnagyobb helyiérték bit. MSB = 0b A fenti felsorolásban a 0b a bináris számokat jelöli. Fontos megjegyezni, hogy ezek az értékek csak bitpozíciók, nem számok. 7. Példa. Egy bipoláris, U[-10V,+10V] bemeneti feszültségtartománnyal rendelkez, 2 bites ADC áll rendelkezésünkre. Ekkor n q = 2 2 = 4, 28

29 illetve Q = 20/(4 1) = 6, 66 V. Vagyis a jelszintek (négy darab) s q = [ 10, 00 V ; 3, 33 V ; 3, 33 V ; 10 V ]. Ez ezekhez rendelt bináris értékek: [0b00 ; 0b01 ; 0b10 ; 0b11], decimális értékek [0 ; 1 ; 2 ; 3]. Ekkor minden egyes mintavételezett és kvantált értéket két biten ábrázolunk, ennyi memóriát foglal. Ezzel minden rendben volna, azonban nulla bemeneti feszültségérték esetén s q = 3, 33 V. Ez azt jelenti, hogy nulla feszültség bemenetre mindig H = Q/2 hibát kapunk! A fenti korrigálása végett a gyártók az alábbiak szerint járnak el: Q = s max s min n q. (2.4) 8. Példa. Most nézzük meg az el z példát a korrigált kvantálási eljárással. Ekkor n q = 2 2 = 4, illetve Q = 20/4 = 5 V. Ekkor azonban nem négy, hanem öt jelszinttel számolunk: s q = [ 10, 00 V ; 5, 00 V ; 0, 00 V ; 5 V ; 10 V ]. A nulla kvantálása rendezett, azonban kérdés, hogy végezzük el a kvantálást, ha két bitünk, de öt jelszintünk van. A jelszintekhez a következ bináris értékeket rendeljük: [0b00 ; 0b01 ; 0b10 ; 0b11 ; 0b11], decimális értékek [0 ; 1 ; 2 ; 3 ; 3]. Látható, hogy a teljes skálához (U F S = 10V ) és (U F S Q = 5V )-hoz ugyanazon értékek (0b11) kerültek. A két bites felbontású ADC-t a 2.5. ábra mutatja, ennek korrigált változata a 2.6. ábrán látható ábra. Két bites felbontású ADC 29

30 2.6. ábra. Korrigált két bites felbontású ADC 2.7. ábra. Korrigált nyolcbites felbontású ADC Egy nyolc bites felbontású korrigált ADC kvantálási értékeit a 2.7. ábra mutatja be. Az ADC-nek azonban id re van szüksége a mintavételezés és a kvantálás elvégzéséhez. Azt az id t, amely egy minta vételezéséhez és digitalizálásához szükséges, apertúra id nek nevezzük. Az apertúra id azért fontos, mert néhány nagy mintavételi frekvenciával és bitmélységgel rendelkez digitalizáló kártyán használható a maximális mintavételi frekvencia és a bitmélység, azonban a kett t nem tudja egyszerre, vagy kihasználjuk a maximális mintavételi frekvenciát egy alacsonyabb bitmélységgel, vagy fordítva, de a kett együtt nem megy. Még egy fontos megjegyzés. A szakirodalomban a mintavételezésre nem a 30

31 Herzet (Hz) adják meg, hanem ezt S/s-el jelölik, ami nem más mint minta per másodperc (Sample per second). Ez alapján a ks/s kilosample per second ot jelöl. A 2.1. táblázat különböz adatfeldolgozó (DAQ Data Acquisition) National Instruments (NI) terméksorozatok alapvet ADC tulajdonságait mutatja be. A mérhet sávszélesség mellett a maximális mintavételi frekvenciát (f s ), illetve a bitmélységeket mutatja táblázat. Különböz mérésadatgy jt eszközök alapvet specikációja # Gyártmány Sávszélesség max. f s (S/s) felbontás 1 Digital Multimeter 300 khz 1.8 MS/s bit (DMM) 1 Dynamic Signal 81.9 khz ks/s 24 bit Acquisition (DSA) 1 M-series Data 700 khz 1.25 MS/s 16,18 bit Acquisition 1 S-series Data 1.3 MHz 10 MS/s 12,14, 16 bit Acquisition 1 High-Speed Digitizers 150 MHz 200 MS/s 8-21 bit 2.4. Kvantálási hiba A kvantálási hiba (H Q ) meghatározásánál szintén a legrosszabb lehet séget kell gyelembe venni. Ez alapján az abszolút kvantálási hiba: H Q = ± 1 Q. (2.5) 2 Unipoláris mérésnél H Q = U LBS /2. A relatív kvantálási hiba (h q ) adott mért feszültségszint (U x ) esetén: h Q = H Q U x 100%. (2.6) 9. Példa. Legyen egy 12 bites átalakító maximális bemeneti feszültsége unipoláris mérésnél 10 V. Ekkor U F S = 10 V, U LSB = 10/2 12 = 10/4096 = 2, 44 mv, 31

32 U MSB = 10/2 = 5 V. Mekkora a kvantálás hibája, ha ezzel az átalakítóval 8 V-ot mérünk? Megoldás: H Q = ±2, 44 mv/2 = ±1, 22 mv h Q = (1, V/8 V ) 100% = ±0, 015% A teljes jeltartományra (FS full scale) a kvantálás hibája: Megoldás: h Q,F S = (1, V/10 V ) 100% = ±0, 0122% Mekkora a kvantálás hibája, ha ezzel az átalakítóval 50 mv-ot mérünk? Megoldás: h Q = (1, V/0, 05 V ) 100% = ±2, 44% 10. Példa. Az el z példában deniált ACD most legyen 16 bites felbontású. Mekkora a kvantálási hiba? H Q = U LSB /2 = (10/65536)/2 = ±76µV Mekkora a relatív kvantálási hiba a teljes skálára nézve? h Q,F S = ( V/10V ) 100% = ±7, % Mekkora a relatív kvantálási hiba 50 mv mérésekor? h Q,F S = ( V/0, 05V ) 100% = ±0, 152% Kvantálás és dinamika Zajos jelek esetén a túl kicsire választott Q kvantum érzékelhet en viszi át a zajt a digitális jelre, túl nagy Q kvantum pedig kvantálási zaj formájában növeli meg a zajt. Emiatt optimális esetben a digitális jel zaja ±Q. 11. Példa. OP= 1 (1 osztálypontosságú, végkitérés 1%-nál nem nagyobb hibával mér ) analóg m szer esetén a kvantálást min. 7 bites kvantálóval kell elvégezni, mivel 100%/128 =0,7812< 1%. A kvantálási zaj minimálisan a kvantum (Q) fele. Így az 1% hibával mér analóg m szernél a kvantálást követ en fellép 100/128/2=0,39% kvantálási 32

33 zaj is. Ez azt jelenti, hogy kedvez tlen esetben a mért érték eltérése a valódi értékhez képest 1,39% is lehet! Jelzaj viszony A Jelzaj viszony (angol kifejezéssel Signal-to-noise ratio, SNR vagy S/N) a hasznos jel és a zaj aránya db-ben kifejezve: jel/zaj = A jel A zaj. (2.7) A jelváltozás dinamikája miatt sokkal jobb logaritmikus skálát használni, mivel így széles jelértékeket tudunk ábrázolni. Éppen ezért a logaritmikus decibelskálát használjuk a jelzaj viszony meghatározásánál, amely az amplitúdók hányadosának tízes alapú logaritmusának 20-szorosa: jel/zaj(db) = 20 log 10 ( Ajel A zaj 12. Példa. Az el z példát folytatva a jelzaj viszony: Decibelben kifejezve: jel/zaj = 100 0, 39 ). (2.8) = 256, 41. (2.9) jel/zaj(db) = 20 log , 41 = 48, 17 db. (2.10) 2.5. Mintavételezés és adatmennyiség Eddig azt vizsgáltuk, hogy egy mér csatornán adott bitmélység és mintavételi frekvencia mellett hogyan mintavételezünk, illetve mekkora a mérés kvantálási zaja, dinamikája. Egy komplett sokcsatornás mér rendszer tervezésekor azonban feltétlenül számolni kell a tárolandó, illetve a másodpercenként átvitend adatmennyiséggel a szükséges tárhely és dedikált sávszélesség miatt. A modern digitális jelgenerátorok maximális adatátviteli sebessége 400 MB/s is lehet, a legújabb dupla adatátviteli sebesség (double-data rate, DDR) technológiát használva, amely maximális órajele 200 MHz 33

34 körüli. Ezekkel a nagy sebességekkel lehet ség van a legújabb integrált áramkörök, FPGA-k (eld-programmable gate array), valamint a digitális kommunikációs eszközök tesztelésére. Az ilyen magas órajelek esetén, precíz, hardver id zített irányítás szükséges a jelgeneráláshoz és adatgy jtéshez. A jelgeneráló és adatgy jt modul ezeken a nagy sebesség digitális I/O eszközökön lehet vé teszi, hogy ciklusonként felügyeljük a mérést és a jelgenerálást. Ez a funkció nem áll rendelkezésre a statikus (szoftver id zített) digitális I/O eszközökön. Olyan alkalmazásokhoz, amelyek gyors, állandó sebesség mérést igényelnek, gyors és nagy tárolókapacitású beépített memória szükséges, hogy biztosítani lehessen a hatalmas digitális csomagok elhelyezését a jelgeneráláshoz, illetve az adatgy jtés során. Például a National Instruments (NI) 50 MHz, vagy annál gyorsabb digitális jelgenerátorai a Synchronization and Memory Core (SMC) hardver architektúrán alapszanak, amely lehet séget ad beépített gyors memóriamodulok használatára. Szemben a hagyományos eszközökkel, ezek az eszközök képesek adatot és utasításokat tárolni ugyanazon a zikai memórián belül, amely lehet vé teszi a komplex hullámformák generálását az utasítások segítségével. Mennyiségi jellemz, hogy akár 2 millió hullámformát vagy 3,3 millió utasításszekvenciát lehet letölteni az eszközre. A nagy sebesség adatgy jtésnél fontos az adatok tárolásának, illetve adatszerkezetének tervezése. Számos cég kínál nagy sebesség háttértárolásra alkalmas eszközt, az NI kínálatában 2015-ben szerepel az NI 8266-os háttértároló, amely 3,6 GB/s (!) garantált írási és olvasási sebességet biztosít. Tárhely gyanánt 24 TB SATA vagy 5,7 TB SSD tárolót választhatunk. Most nézzünk pár példát a mintavételezés során keletkezett adatmennyiségekr l: 13. Példa. Egy mérésünk során 12 csatornán, 16 bites mintavételezéssel kell feszültséget mérnünk. A mintavételi frekvencia csatornánként 10M S/s legyen. A mérés id tartama 40 perc. Mekkora sávszélesség szükséges a mérés elvégzéséhez? Megoldás: bit 10 MS/s = 240 MByte/sec. Mekkora adatmennyiség keletkezik összesen? Megoldás: 34

35 240 MB/s = 563 GB. 35

36 36

37 3. fejezet Bevezetés a digitális adatfeldolgozásba LabVIEW segítségével 3.1. A DAQ feladatai Ebben a fejezetben a digitális adatgy jtéssel (DAQ) foglalkozunk, mégpedig a világ egyik vezet méréstechnikai eszköz- és szoftvergyártó cége, a National Instruments eszközein és LabVIEW szoftverén keresztül. A mérésadatgy jtés célja, hogy megmérjünk különböz zikai mennyiségeket, mint h mérséklet, nyomás, feszültség, áramer sség stb. A PC alapú mér rendszerek esetén egy komplex, moduláris hardverés szoftverrendszer kifejlesztése a cél, amely a kés bbiekben egyszer en b víthet, módosítható. A PC alapú mérésadatgy jtés (DAQ) részei: zikai ki- és bemeneti jelek; adatgy jt hardver; megfelel meghajtó szoftver (driver); adatgy jt és feldolgozó szoftver. 37

38 Fizikai ki- és bemeneti jelek A mérésadatgy jtés során sokféle zikai mennyiséget mérünk, azonban a jelkondicionálás és jelfeldolgozás végén vagy feszültség (U), vagy áramjel (I) jelenik meg. A feszültség és áramjelek szabványosítottak, tipikus unipoláris méréstartományok a [0; 10 V ]; [0; 5 V ], illetve bipolárisan [ 10 V ; +10 V ], illetve [ 5 V ; +5 V ]. Áramjel esetén [4; 20 ma] a jellemz tartomány Adatgy jt hardver A mérésadatgy jtés (DAQ) során az alábbi jeltípusok fordulnak el : analóg bemenet (Analog Input, ai); analóg kimenet (Analog Output, ao); digitális bemenet(digital Input, di); digitális kimenet(digital Output, do); számláló és id zít (counter and timer). Mérésadatgy jt rendszer a kiépítését és hordozhatóságát tekintve lehet: Asztali mér berendezés: Itt a teljes mér berendezés a PC-ben van integrálva szabványos kártya formában. Erre tipikus adatbusz a PCI (Peripheral Component Interconnect), vagy a PCI Express (PCIe). Ekkor a teljes szoftver a PC-n fut. Stabil operációs rendszer, illetve szünetmentes tápegység, esetleg ipari PC szükséges a mérések megbízható elvégzéséhez. Hordozható változata, amikor a mérés USB-porton, vagy WI-FI-hálózaton, bluetooth porton keresztül történik. A szoftver ekkor is a gazdaszámítógépen fut. Távoli mér berendezés: Ekkor az önállóan m ködni képes mér berendezés helyileg távol esik a PC-t l, amelynek feladata az adatmegjelenítés és az adattárolás. A kommunikáció szabványos csatornán keresztül történik. Elosztott mér berendezés: A mér berendezések egy közös hálózatra vannak felf zve, amelyek lehetnek asztali vagy távoli mér berendezések. A PC-k kommunikációja osztott csatornán (shared 38

39 communication channel) történik. Egy központi PC (Supervisor PC) feladata az egyes PC-k egymás közötti kapcsolatának koordinálása. M szerek nem kapcsolódnak hozzá, feladata a PC-k munkájának az irányítása. Ezt master-slave elrendezésnek hívják. A mér berendezések kiépítését a 3.1. ábra szemlélteti ábra. a) Asztali b) Távoli c) elosztott mér berendezés kiépítése Adatok megosztása és távoli vezérlés A mérés során az adatok megosztását illet en a következ lehet ségeink vannak: Adatok elosztása: F leg elosztott mér berendezéseknél f feladat az egyes mér berendezések mért adatainak megosztása a mérés többi részvev je számára. Távoli vezérlés: Távoli vezérlés többet jelent az adatok megosztásánál, sokszor feladat lehet a mérési eljárásba bekapcsolódni, 39

40 illetve a mér berendezéseket távolról vezérelni, a hardver m ködése felett a felügyeletet átvenni. Természetesen a hozzáférésnek biztonságosnak kell lennie, jogosultsághoz kell kötni. Elosztott végrehajtás: Ennél az architektúránál a mérési adatok beolvasását, illetve a kiértékelt adatokat mind megosztjuk több számítógép között Központi és elosztott adatfeldolgozás Most vizsgáljuk meg a mérési folyamatot az adatok feldolgozása szempontjából: Központosított adatfeldolgozás: Ekkor a központi supervisor számítógép nyers adatokat kap az egyes mér berendezésekt l, az adatfeldolgozás ezen a berendezésen történik. Teljesítmény szempontjából a központi számítógépre hárul a feladatok nagy része, így nagy er forrással kell rendelkeznie. Elosztott adatfeldolgozás: A helyi mér berendezések már el - vagy teljes adatfeldolgozást végeznek, így a supervisor számítógép már feldolgozott adatokat kap. Az adatfeldolgozási módokat a 3.2. ábra mutatja be ábra. Központi és elosztott adatfeldolgozás 40

41 Meghajtó szoftverek A meghajtó szoftverek biztosítják a kapcsolatot a szoftver és a hardver között. Ezek legtöbbször magas szint utasítások végrehajtására képesek, nem kell hardverszinten, alacsonyrend utasításokkal a hardvert programozni, bár erre a lehet ség legtöbbször adott. A National Instruments meghajtó szoftverei: NI-DAQmx; NI DAQmx Base. A telepítéskor a meghajtó szoftverek mellett egy segédprogram, a DAQ Assistant is telepít dik. Ez egy interaktív, grakus felület a hardver tesztelésére, beállítására, illetve a mérés összeállítására. Komplex mérési feladatok elvégzésénél ez nagy el nyt jelent, mivel az interaktív beállítások után lehet ség van a programkód legenerálására. Ezzel sok id t spórolhatunk meg, illetve a programozási hibák elkerülésében is segít. Az NI-DAQmx Base nem más, mint az NI-DAQmx csökkentett funkciókkal kiadott változata. Windows, Windows CE, Linux, Mac OS X, illetve Windows Mobile operációs rendszereken is m ködik. Az NI LabVIEW DAQmx paletta az egyes VI-okkal (VI - LabVIEW virtuális m szer) a 3.3. ábrán látható. Itt található meg a csatornák létrehozásához, inicializálásához, lezárásához, írásához, olvasásához, triggereléséhez szükséges VI-ok ábra. A LabVIEW DAQmx paletta a hozzátartozó VI-okkal 41

42 Mérési szoftver feladatai Egy mér szoftver feladatai nem csupán a mérési adatok beolvasása, e mellett számos már feladatot is el kell látnia, mint: Valós idej adatbeolvasás; Adatok valós idej vagy utólagos feldolgozása; Adatok biztonságos mentése; Szabályozási és vezérlési feladatok ellátása; Embergép kezel felületet (Human-Machine Interface röviden HMI) kialakítása Mérés során el forduló jeltípusok A mérés során alapvet en két típust különböztetünk meg: digitális jeleket. analóg és Analóg jelek Analóg jelfeldolgozás során feladat az analóg jel mérése, mintavételezése, és ennek továbbítása a PC felé jelfeldolgozásra, megjelenítésre illetve archiválásra. Az analóg jel a mérések során a legtöbbször el forduló, nagyrészt feszültség vagy áramjel. A legtöbb adatgy jt eszköz képes az analóg jelek digitalizálására, mint a multifunkcionális eszközök (MIO), nagy-sebesség oszcilloszkópok vagy a digitális multiméterek. Az analóg jelek négy alapvet tulajdonsága: Jelszint vagy amplitúdó: A mérés során az analóg jelr l az aktuális amplitúdója alapján kapjuk a legtöbb információt. A fényer sség, a szoba h mérséklete, nyomás egy zárt tartályban mind olyan jel, amelynél az amplitúdó értéke a releváns. A kvantálás pontossága meghatározza az amplitúdó mérésének a pontosságát. Jelalak: Néhány periodikus, determinisztikus jel kategorizálható tipikus jelalakja alapján. A harmonikus szinuszjel általánosan ismert, de létezik négyszög, f részfog, illetve háromszög jel is. A jelalak azoknál 42

43 a méréseknél fontos, ahol az analóg jel olyan információtartalmára vagyunk kíváncsiak, mint a DC középértéke, csúcsértéke, meredeksége. Például szívritmus mérése, vibrációs mérések, vagy néhány áramköri mérés esetén a jelalak mérése fontos információ. Frekvencia: Minden analóg jel kategorizálható a frekvencia spektruma alapján. Az amplitúdóval ellentétben, a frekvencia mérése nem egyszer feladat, közvetlenül nem mérhet. A Fourier-transzformáció segítségével kiszámítható a jel frekvenciaspektruma, amelynek feldolgozása után kapunk információt a jel frekvenciatartalmára vonatkozóan. Kezd fázis: A kezd fázis nem más, mint a periodikus jel fáziskésése a nulla fázishoz képest. Adatátvitelnél, antennajeleknél, képfeldolgozásnál, hangfeldolgozásnál fontos információ Digitális jelek A digitális jelek mint azt a kvantáláskor leírtuk értékkészletükben csak meghatározott, diszkrét értékeket vehetnek fel. Ezek a jelszintek a magas (1) és az alacsony (0). Az ezekhez tartozó feszültségértékeket TTL (Transistor-Transistor-Logic = T 2 L = Tranzisztor-tranzisztor logika) szinteken valósítják meg. Az alacsony érték 0 és 0,8 V közé es feszültség, a magas érték a 2-5V közé es feszültségérték. A digitális jeleknek két alapvet tulajdonsága van: az állapota és a sebessége: A digitális jel állapota nem más, mint a digitális jel aktuálisan felvett értéke, amely vagy magas (1) vagy alacsony (0). Például egy végálláskapcsoló monitorozásánál vagy egy gomb gyelésénél ennek az aktuális állapota a fontos információ. A digitális jel sebessége pedig az állapotának id beli változását deniálja. Egy érintkez esetén például megmutatja, hányszor történt kontaktus egy adott id egység alatt. 43

44 3.3. Példa egy mérésadatgy jt eszköz használatára Ebben a fejezetben egy alacsony költség, USB-porton csatlakozó NI USB-6008 eszköz használatát mutatjuk be. Az eszközt, illetve ennek csatlakozókiosztását a 3.4. ábrán láthatjuk ábra. Az NI USB-6008 adatgy jt modul és a csatlakozókiosztása Az eszköz tulajdonságai: 8 analóg bemenet (ai0..ai7); 2 analóg kimenet (ao0..ao1); 12 digitális ki- és bemenet (di és do); USB-csatlakozás, ezen felül tápellátás nem szükséges; LabVIEW, LabWindows/CVI, Measurement Studio for Visual Studio.NET kompatibilitás; NI DAQmx meghajtó szoftver Az NI-USB 6008 csatlakoztatása Az adatgy jt modul csatlakoztatása után egy hasznos segédprogram, az NI-MAX (Measurement and Automation Explorer) segítségével tesztelhetjük, kongurálhatjuk a hardvert. Ez mindig célszer a saját 44

45 mér program használata el tt, mivel itt meggy z dhetünk arról, hogy a hardver m köd képes-e. Ha els alkalommal csatlakoztattuk az USB eszközt, akkor a Windows új eszközt talál. A meghajtóprogram automatikusan telepít dött az NI-DAQ telepítésével, vagyis a hardverkezel automatikusan telepíti a meghajtóprogramot. Ha jól ment a telepítés, az NI-MAX elindítása után a Devices and Interfaces csoporton belül, az NI-DAQmx Devices alcsoportban az USB hardvert NI USB 6008: Dev2 néven láthatjuk. Itt a Dev2 az eszköz (device vagy röviden Dev) azonosító számát jelöli, amely a használt USB porttól függ, így más is lehet. Az NI-MAX felületét az USB-eszköz csatlakoztatása után a 3.5. ábra mutatja ábra. Az NI MAX felülete az USB-6008 adatgy jt modul installálása után Jobb egérgombbal kattintva a NI USB 6008: Dev2 eszközön egy menü aktiválódik, melyet a 3.6. ábrán láthatunk. Itt elvégezhet az eszköz automatikus tesztje (Self-Test), el hívhatunk egy tesztpanelt (Test Panels), gyári állapotba állíthatjuk vissza a hardvert (Reset Device). Az önteszt lefuttatása javasolt, jó esetben hiba nélkül lefut. Példaként egy egyszer visszacsatolásos tesztet mutatunk be, ahol az nulla sorszámú analóg kimenetet (ao0) összekötjük a nulla sorszámú bemenettel (ai0). A teszt során az ao0 csatornán generált jelet az ai0 csatornán olvassuk be. Az eszköz csatlakozókiosztását a Device Pinouts menüpontból érhetjük el, amely alapján összeköthetjük az analóg ki- és bemenetet. A bekötés és a csatlakozókiosztás a 3.7. ábrán látható. Ezek után a tesztpanel (Test Panels) segítségével ellen rizhetjük a mér kört m ködés közben. Els ként a jelgenerálást az ao0 csatornán kell 45

46 3.6. ábra. Az NI USB-6008 adatgy jt modul és a csatlakozókiosztása 3.7. ábra. Az NI USB-6008 adatgy jt modul bekötése elindítani. Ehhez a tesztpanelen ki kell választani az Analog Output fület. Végezzük el a következ beállításokat: Channel Name: a csatorna nevét kell kiválasztani, értelemszer en itt ao0. A csatorna megnevezése el tt szerepel az eszköz száma (Dev2), így a csatorna teljes elnevezése az eszközazonosítóval: Dev2/ao0. Több eszköz használata esetén a csatornák az eszköznévvel közösen azonosíthatóak. Max Input Limit;Min Input Limit: a mérési tartomány beállítása. A kvantum értékét ezen mérési tartomány alapján számítjuk, azonban 46

47 van egy minimális értéke. Az eszköz adatlapján a legkisebb kvantálási zajt adják meg, ennél az eszköznél 0,5 mv. Mode: itt a jelalakot választhatjuk ki (DC egyen, vagy szinuszos). Output value: DC jelnél a feszültségérték, szinuszos jelnél az amplitúdó értéke. A példában 4,012 V lett beállítva. Update vagy Start DC jeleknél a kimeneti feszültség értékének frissítése (Update), szinuszos jelek esetnén a folyamatos jelgenerálás indítása (Start). Az analóg kimenet elindítása után el lehet indítani párhuzamosan a generált jel beolvasását az ai0 analóg bemeneti csatornán. A két ablakot a 3.8. ábra mutatja ábra. Az NI MAX analóg kimeneti és bemeneti ablaka A mérés megvalósítása NI DAQ asszisztens segítségével A cél most az el z fejezetben deniált mér kör LabVIEW alapú programjának megvalósítása. Ehhez a legegyszer bb és leggyorsabb módot 47

48 választjuk, mégpedig mér program megvalósítását DAQ asszisztens (DAQ assistant) segítségével. A DAQ asszisztens meghívásához els ként hozzunk létre egy üres LabVIEW VI-t, majd a diagramon hozzuk el a már ismertetett DAQmx palettát, innen választható ki a DAQ asszisztens. A megnyílt interaktív ablakban ki kell választani a csatorna típusát, a mérend zikai jelet (feszültség, áramer sség, frekvencia stb.). Els ként válasszuk az Acquire Signals menüpontot (jelek beolvasása), majd Analog Input (analóg bemenet), végül Voltage (feszültség) pontokat értelemszer en. Ezek után válasszuk ki az analóg jel csatornáját (ai0) a megfelel eszköz alól (Dev2). Az analóg csatorna beállítása DAQ asszisztens segítségével a 3.9. ábrán látható ábra. Analóg csatorna deniálása DAQ asszisztens segítségével Ezek után egy új ablak jelenik meg, ahol a deniált csatorna beállításait tudjuk megtenni. Itt állítsuk be a mérési határokat ([0 V ; 5 V ]), majd az Acqusition mode (beolvasási mód) legördül menüb l válasszuk ki a 1 Sample opciót. Ezzel a puerméretet állítjuk be, jelen esetben egy beolvasási ciklus során egy mintát olvasunk be. A beállítások a ábrán láthatóak. A csatorna át is nevezhet, az alapértelmezett Voltage név jobb kattintás után megváltoztatható. Ezzel az analóg bemeneti csatorna deniálása és beállítása DAQ asszisztens segítségével befejez dött. Az asszisztens ikonja megjelenik a diagramom, amely a ábrán látható. A létrehozott asszisztens 48

49 3.10. ábra. Analóg csatorna beállítása DAQ asszisztens segítségével ikonjának kimenete maga a beolvasott adat (data), amelyhez egy indikátort deniálhatunk. Az analóg csatorna folyamatos monitorozása érdekében célszer a beolvasást ciklusba szervezni ábra. Analóg csatorna folyamatos monitorozása Természetesen az el bbiekben, a DAQ asszisztens segítségével összerakott analóg jelmérés a már ismertetett DAQmx VI-okból is összerakható, igaz, sokkal több id be telik. Az így összerakott mér rendszer a ábrán látható. A szükséges feladatok megvalósítása: 49