SZÁMÍTÓGÉPES MÉRÉSTECHNIKA Váradiné dr. Szarka Angéla Miskolci Egyetem Elektrotechnikai-Elektronikai Tanszék Tel: 06-46-565-143 e-mail: elkvsza@uni-miskolc.hu
2
Számítógépes méréstechnika mérőeszközei 3
Mérés Információszerzés, a megismerés eszköze; egy fizikai (kémiai, stb.) mennyiség összehasonlítása a mértékegység egységnyi mennyiségével. 4
Mérés Közvetlen (kétkarú mérleg, tolómérő) Közvetett (hőellenállás, piezoelektromos gyorsulásmérő) Analóg (mutatós műszerek, analóg kimenetű érzékelők) Digitális (számkijelzős műszerek, diszkrét kimenetű érzékelők) 5
Méréselméleti alapok Mérési hibák csoportosítása Rendszeres hiba Véletlen hiba Durva hiba 6
Rendszeres hiba Nagysága és előjele meghatározható, így ezzel a mérési eredményt pontosítani lehet Véletlen hiba Időben változó hatást mutatnak, nagyságát és előjelét nem ismerjük. Megadása egy olyan ±σ szélességű intervallummal, amelyben a véletlen hibától mentes valódi érték 99,74%-os valószínűséggel benne van. Ezt az intervallumot megbízhatósági, vagy konfidencia intervallumnak nevezzük. 7
Mérési hibák megadása, számítása Abszolút hiba H = m p m mért érték p pontos érték Relatív hiba H H h = vagy h % = 100 % p p Méréshatárra vonatkoztatott relatív hiba (katalógus adat) h v = H p v 100% p v - méréshatár 8
Összefüggés az abszolút hiba és a relatív hiba között Mivel a méréshatárra vonatkoztatott relatív hiba állandó érték, így H = h p v v 100 az abszolút hiba a méréstartomány teljes terjedelmén változatlan. 9
Összefüggés az abszolút hiba és a relatív hiba között Ebből következik, hogy a relatív hiba h% h v m p v mely a méréshatárhoz közelítve egyre csökken. 10
Relatív hiba változása a mért érték függvényében h α mérés α v α 11
Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) Hall elemes áramérzékelő adatai: Méréstartomány: 5 A Méréstartományra vonatkoztatott relatív mérési hiba: < ± 0,4% Mekkora a mérés relatív hibája, ha a. 4,5 A áramot mérünk b. 0,5 A áramot mérünk 12
Példa: (valós érzékelő valós katalógus adataival) A mérés abszolút hibája: hv pv 0,4 5 H = = = 0, 02A 100 100 A mérés relatív hibája: a.) H 0,02 h 100 % = 100% = 0,44% m 4,5 b.) H 0,02 h 100 % = 100% = m 0,5 4% 13
Következtetés: A legpontosabb precíziós berendezéssel is lehet rossz - nagy mérési hibával- mérést végezni, ha a mérést nem megfelelően tervezzük meg, a mérési paramétereket nem megfelelően választjuk ki. 14
Digitális mérések elméleti alapjai A digitális műszerek alap áramkörei szűrők erősítők feszültségkövető műveleti erősítős összegző komparátor integráló tag 15
Digitális mérések elméleti alapjai Invertáló erősítő A = R v U ki = U be R v R 1 R 1 16
Digitális mérések elméleti alapjai Feszültségkövető A =1 U = U ki be 17
Digitális mérések elméleti alapjai Összegző erősítő U ki = U 1 R R v 1 + U 2 R R v 2 18
Digitális mérések elméleti alapjai Komparátor U ki = + U táp ha U 1 < U 2 U ki = - U táp ha U 1 > U 2 19
Digitális mérések elméleti alapjai Integráló tag U U t -U t U be U ki t U U t U ki U be U t = RC ki U be -U U U t t t 20 t
Számítógépes mérések alapjai 21
Számítógépes mérőrendszer feladatai adatkezelés: gyűjtés, tömörítés, egyszerűsítés, kiértékelés, tárolás; műszerek, egyéb perifériák, folyamatok vezérlése; mérési folyamat fejlesztés; dokumentálás. 22
On-line és off-line rendszerek információ adat adatfeldolgozás mérés mérési rögzítés után egy későbbi időben folyamat folyamatos eredmények adatfeldolgozás részeredmények folyamat vezérlés vezérlés felhasználói adatok 23
Simplex kommunkáció Adó Vevő Half duplex kommunkáció Adó-Vevő Adó-Vevő Full duplex kommunkáció Adó/Vevő Adó/Vevő 24
Számítógépes mérőrendszer struktúrái PC Műszer szabványos protokol Simplex kommunikáció Műszer Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz Műsz PC PC PC PC kommunikációs csatorna PC műszer szabványos műszer protokolt támogató egységgel műszer szerelve egy vagy egy vagy egy vagy több műszer több műszer több műszer processzor processzor processzor PC vezérlés PC vezérlés PC vezérlés Interface kommunikációs csatorna Supervisor PC 25
Számítógépes mérőrendszer szoftver feltételei [Op. rendszer] [Adatgyűjtés] [Programnyelv] [Dokumentálás] [Adatbázis] Windows DAQ-drive Pascal Szövegszer- Excel Linux LabWindows C kesztők Access Mac LabView Assembly Word Note-book 26
Számítógépes mérőrendszerekben alkalmazott adattovábbítás módszerei Programozott Megszakítás vezérelt (Interrupt) Közvetlen memória eléréssel vezérelt (DMA) 27
Programozott (polen) adat továbbítás Időosztásos módszer Processzor vezérelt művelet Lassú 28
Megszakítás (Interrupt) vezérelt Prioritás kódoló adat továbbítás Processzor vezérelt művelet, a processzor a megszakítás engedélyezésekor felfüggeszti az éppen folyamatban lévő műveletet és levezérli az engedélyezett műveletet. A művelet végén folytatja a felfüggesztett műveletet Közepes sebességű 29
Megszakítás (Interrupt) vezérelt adat továbbítás dekódoló Engedélyezett IRQ jelek IRQ cím engedélyező vonal processzor periféria periféria bináris kód a megszakításhoz MAGAS prioritás kódoló ALACSONY megszakítás kérő vonalak 30
Közvetlen memória elérés (DMA) vezérelt adat továbbítás A perifériák prioritással rendelkeznek ebben az esetben is A processzor nem vesz részt a művelet vezérlésében Az engedélykérés a DMA vezérlőhöz fut be, amely engedélyezés esetén átveszi a processzortól a rendszer busz feletti vezérlést. Gyors 31
Közvetlen memória elérés (DMA) vezérelt adat továbbítás kommunikációs busz vezérlés vezérlés vezérlés vezérlés DMA engedély CPU DMA periféria memória vezérlő Engedély kérés 32
Számítógépes mérőrendszer felépítése PC Táplálás Tápfeszültség Vezérlés vezérlés Érzékelő/ Jelkondí- Jelformáló MUX S/H A/D emenet átalakító cionáló átalkító hő, fény, erő, nyomaték, rezgés, stb.) 33
Érzékelők, átalakítók Csoportosítás A felhasznált energia szerint Kimeneti jel szerint Egyéb jellemzők szerint aktív passzív analóg digitális frekvencia kódolt linearitás pontosság érzékenység terjedelem 34
Példák érzékelőkre Pt100-as hőmérséklet érzékelő intelligens átalakítóval 35
Példák érzékelőkre Pt100-as hőmérséklet érzékelő intelligens átalakítóval 36
Példák érzékelőkre Piezoelektromos gyorsulás érzékelő töltéserősítővel 1 2 3 4 5 1 - kábel csatlakozó 2 - ház 3 precíziós tömeg 4 - kvarc lapocskák 5 - előfeszítő persely 7 - felfogó furat 7 37
Példák érzékelőkre Piezoelektromos gyorsulás érzékelő töltéserősítővel 38
Példák érzékelőkre Lézeres távolságmérő 39
Példák érzékelőkre Lézeres távolságmérő 40
Példák érzékelőkre Lézeres távolságmérő 41
Példák érzékelőkre Indukciós elmozdulás mérő 42
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeges erőmérő Félvezetős bélyeg: Hagyományos bélyeg: Fólia elrendezések: 43
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeges erőmérő Hőkompenzált mérés: 44
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeges erőmérő 45
Példák érzékelőkre Nyúlásmérő bélyeg rozetták 46
Példák érzékelőkre Hall elemes áramátalakító (lakatfogó) +15V SECONDARY CURRENT U = K H I H c Ic A I s -15V M V M R M OV measuring resistance ahol UH - Hall feszültség K - Hall állandó ( a félvezető anyagától függő érték) H - A mérendő áram mágneses tere I C - állandó értékre beállított áram Secondary Field I c HS N I + N I = P P S S 0 V H H P I p PRIMARY CURRENT Secondary winding N I = N I P P S S Hall Voltage I c I s Primary Field Hall generátorhoz használt anyagok: In (Indium), Sb (Antimonium) Ga (Gallium), As (Arsenium) ahol Np - primer menetszám Ip - primer áram Ns - szekunder menetszám Is - szekunder áram 47
Analóg jelkondicionáló Feladata: a jelet digitalizálásra alkalmassá tenni Típusai: Erősítő Zajszűrő Antialiasing szűrő 48
Analóg jelátalakító Feladata: a jelet feldolgozásra (analizálásra) alkalmassá tenni Típusai: integráló deriváló szűrők, stb. 49
Analóg multiplexer Feladata: csatornakiválasztó; többcsatornás mérés esetén a jelek sorbarendezése a mintavételezéshez 50
Mintavevő / tartó áramkör (Sample & hold - S/H) Feladata: mintavételezés és a vételezett minta tartása a feldolgozásig 51
Mintavevő / tartó áramkör 52
Mintavevő / tartó áramkör Összefüggés a kondenzátor kapacitása, a mintavételezési idő és a tartási drift között Kondenzátor Mintavételezési idő Tartási drift 10 nf 20 µs 3 mv/s 1 nf 4 µs 30 mv/s 100 pf 3 µs 200 mv/s 25 pf 170 ns 5 V/s 10 pf 10 ns 50 V/s 53
Analóg jelek mintavételezése digitalizálása f(t) f(t) f(t 0 ) Q t 0 T mv t t Mintavételezési törvény f mv > 2 ( f ) max jel 1 1 1 1 1 1 2 N-1 2 N-2 2 N-3... 2 2 2 1 2 0 54
LSB Least Significant Bit 00000001 (kvantum) MSB Most Significant Bit 10000000 FS Full Scale 11111111 U LSB = U FS / 2 n U MSB = U FS / 2 Példa: 12 bites átalakító maximális bementi feszültsége 10 V. U FS = 10 V U LSB = 10/2 12 =10/4096 = 2,44 mv U = 10/2 =5 V 55
Kvantálási hiba Abszolút kvantálási hiba: Relatív kvantálási hiba: Példa: H Q = ± Q = 2 ± U 2 1 LSB 100% Az előző példában használt átalakítóval mérünk 8 V-ot. 2,44mV HQ = ± = ± 1,22mV 2 h h Q Qv 3 1,22 10 ± 100% = ± 0,015% 8 H 3 Q 1,22 10 = 100% = 100% = 0,0122% U 10 FS h Q H U Q x 56
Az előző példában használt átalakítóval mérünk 50 mv-ot. Abszolút kvantálási hiba: Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: 1,22 10 h Qv ± 10 U LSB 2,44mV HQ = ± = = ± 1, 22mV 2 2 3 100 = ± 0,0122% Relatív hiba: h Q 1,22 10 ± 0,05 3 100% = ± 2,44% 57
Végezzük el az előző méréseket egy 16 bites átalakítóval. Abszolút kvantálási hiba: U LSB 10 HQ = ± = = ± 76µ V 2 65536 2 Méréshatárra vonatkoztatott kvantálási hiba: h Qv H ± U Q FS 100% = ± 76 10 10 6 100 = 7,6 10 4 % Relatív hiba: h Q ± 6 76 10 4 100% = ± 9,5 10 % 8 h Q ± 76 10 0,05 6 100% = ± 0,152% 58
Analóg -digitál átalakító Feladata: az S/H áramkör kimenetéről érkező jel digitalizálása A/D átalakítók csoportosítása közvetlen közvetett számláló kétoldali párhuzamos U/t U/f 59
Digitál analóg átalakítás Q 0 R 0 Q 1 R 1 Q R 2 2 Q 3 R 3 R v Q 0 0 0 Q 1 0 0 Q 2 0 0 Q 3 0 1 -U ki 0 1-0 0 1 0 2 U be = 1 V + U ki 0 0 1 1 3 Rv = 8 kω R0 = 8 kω R1 = 4 kω R2 = 2 kω R3 = 1 kω 0 0 M 1 1 1 M 1 0 0 M 1 0 1 M 1 4 5 M 15 60
Létrahálós D/A átalakítás 61
Létrahálós D/A átalakítás 62
Számláló típusú A/D U x + U x > U ref U ref _ A D Alacsony sebesség Gyenge technikai jellemzők Alacsony ár Elavult megoldás Számláló regiszter & Digitál kimenet START Vezérlő READY 63
Kétoldali közelítéses A/D U x U[V] + 8 bites átalíkótó mûködése U ref _ 10 A D U x =7.8 V 5 Regiszter Kimenet 1 SAR 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 1 1 0 0 0 1 1 1 START Közepes sebesség Megfelelő jellemzők 64 Közepes ár
P ár h u za m os A / D 65
3 bites átalakító: Párhuzamos A/D 3 U 2 5 U 2 7 U 2 9 U 2 1 U > 2 LSB LSB LSB LSB Ux LSB U x > U x > U > U > U x x x 1 > U 2 3 > U 2 5 > U 2 7 > U 2 LSB LSB LSB LSB C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 Kód 000 001 010 011 100 Nagy sebesség Nagy megbízhatóság Magas ár 2 n -1 db nagy teljesítményű komparátor 11 U 2 LSB > U x > 9 U 2 LSB 0 0 1 1 1 1 1 101 13 U 2 LSB > U x 11 > U 2 13 U x U LSB 2 LSB 0 1 1 1 1 1 1 110 > 1 1 1 1 1 1 1 111 66
Kétszeresen integráló A/D U x 1 R - -U ref 2 K1 - + c 2 K2 + 1 & Számláló Vezérlő Digitális kimenet U ki U t ref t x t U ki tref = Rc tx U x Uki = U Rc t t x ref Uref = U x Rc Rc tx U x = Uref t ref ref 67
Kétszeresen integráló A/D Lassú működés Nagy pontosság Alkalmazás: digitális műszerekben Alkatrész öregedés kiküszöbölése 68
Feszültség-frekvencia A/D Frekvencia kimenet Könnyen és egyszerűen továbbítható nagy távolságra 69
Javítható hibák: A/D átalakítók hibái 1. Offset hiba 2. Erősítési hiba 0001 0000 Nem javítható hibák: 3. Linearitási hiba 4. Kódkiesés 70
Off-line számítógépes mérőrendszerek Többfunkciós mérésadatgyűjtő kártyák Internetes mérések GPIB műszerpark RS-485 rendszer 71
Többfunkciós mérésadatgyűjtők Analóg bemenet Analóg kimenet Digitális I/O Számláló, időzítő 72
Többfunkciós mérésadatgyűjtők FeszŘltsÚg Ref AD Kalibrßlßs Anaľ g Mux Mux mˇd kivßlasztßs kapcsoľ + Progr. csatornßnkúnti er sýt - 3 12-bit Mintavev /tarť A/D ßtalakÝť FIFO ADC Interrupt PC/AT Interface Bus ßram k r Ground Ref Generßtor DMA Interface Id szinkronizßlßs 5-csatornßs Szßm lßľ AdatgyűjtÚs ßtalakÝtßs vezúrlús Interrupt Interface DAC0 DAC Timing Control TimerInterrupt Adat / vezúrlús DAC1 PC/AT I/O csatorna Digitßl DA kalibrßlßs RTSI 4 Interface Kimenet Digital Bem enet I/O csatlakozˇ RTSI 73
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenete Felbontás (12 bites, 16 bites) Bemeneti feszültség tartomány (± 5V; 0-10V) Erősítési fokozatok (0.5 100) Mintavételezési sebesség (<1MHz) Csatornaszám (16, 32) Bemenetek referencia pontja (közös, független) (Single-ended; Differential) Pontossági jellemzők (linearitás, stb.) Bemeneti impedancia (nagy) 74
I/O Connector PC I/O Channel In Off Out Off Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenete ACH0 ACH1 ACH2 ACH3 ACH4 ACH5 ACH6 ACH7 AISENSE MUX 0 SE/DIFF AIS/AIG Calibration MUX0OUT MUX0EN Reference Mux mode Selection Switches Calibration DAC + Gain Amplifier - 2 Gain EEPROM Calibration Constants Dither Generator Programmable Sampleand-Hold Amplifier Unipolar/ Bipolar Selection Convert ADC A/D Data 12 Sign Extension A/D FIFO 4 Data 12 A/D RD ACH8 ACH9 ACH10 ACH11 ACH12 ACH13 ACH14 MUX 1 MUX1OUT MUX1EN GAIN2 GAIN1 GAIN0 MA3 MA2 MA1 MA0 LASTCH Multiplexer/ Channel Gain Memory 8 Data MUXGAIN WR SCAN CLK EXTCONV EXT TRIG External Converter External Trigger SCAN CLK Data Acquisition Timing MUX CLK Counter/Timer Signals 75
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg kimente Felbontás (12 bites, 16 bites) Kimeneti feszültség tartomány (± 5V; 0-10V) Beállási idő Csatornaszám (1, 2, 4) TERHELHETŐSÉG!!!! (±2 ma) Pontossági jellemzők (linearitás, stb.) Kimeneti impedancia (kicsi) 76
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg kimente 77
Többfunkciós mérésadatgyűjtők DIO portjai Portok száma TTL jelek Terhelhetőség!!! (±10 µa) 78
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Mintavételezési lehetőségek: 1. Egycsatornás rövid idejű gyors 2. Többcsatornás rövid idejű gyors 3. Egycsatornás hosszú idejű lassú 4. Többcsatornás hosszú idejű lassú 79
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása 1. és 3. módszer esetén nem használjuk a multiplexert 3. és 4. módszer esetén multiplexert használunk 80
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Vegyünk mintát egy adott időpillanatban. Nevezzük t ap nak azt az időt, amely az adat digitalizálásához és eltárolásához szükséges. A következő mintát a t ap idő eltelte után vehetjük. Amennyiben a mintavételezések közötti idő lényegesen nagyobb, mint az apertura idő, akkor rendelkezésünkre áll egy t free szabad gépidő. amelyben a processzorral egyéb műveleteket végeztethetünk el. 1. minta 2. minta t t ap t free t mv 81
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása A gyors mintavételezéseknél a t free időt nem használjuk ki, vagyis a 2. mintát egészen közel vihetjük a szaggatott vonallal jelölt időpillanathoz. Ezzel a mintavételi frekvencia nagy lehet, de a rendszer mintavételezés közben semmilyen egyéb műveletet nem tud elvégezni, tehát még a mérendő mintamennyiséget is előre definiálni kell. 1. minta2. minta t ap t free ~0 t t mv 82
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Amennyiben megfelelően alacsony mintavételi frekvenciát alkalmazhatunk, a t free gépidő alatt elvégezhetünk bizonyos adatfeldolgozásokat, figyelhetjük a felhasználói beavatkozásokat (pl. egy gomb megnyomását). Ez azonban csak akkor lehetséges, ha a feldolgozás alatt folyamatosan, mintavesztés nélkül tudunk adatokat begyűjteni. 1. minta 2. minta t ap t free >>0 t t mv 83
Többfunkciós mérésadatgyűjtők analóg bemenetének alkalmazása Osztott tárolós mintavételezés 1.lépés mintavételezés 2.lépés 1. féltároló megtelik, folytatódik a mérés a 2. féltárolóba 3.lépés 2. féltároló megtelik, folytatódik a mérés az 1. féltárolóba adatmentés READY jel READY jel adatmentés 84
Mintavételezett jelek frekvencia analízise A mérés tárgya: egy jel Jelek determinisztikus sztochasztikus periódikus nem periódikus stacionárius nem stacionárius zinuszos összetett kváziperiódikus tranziens Detereminisztikus jelek: Matematikai kifejezésekkel leírhatóak és matematikai összefüggésekkel kezelhetők. Sztochasztikus jelek: Matematikai módszerekkel csak részlegesen kezelhetőek. Statisztikai jellemzőkkel vázolhatóak. 85
Mintavételezett jelek frekvencia analízise Periódikus jelek: T periódusidő, Fourier sorba fejthetők (szinusz és koszinuszok összegeként felírhatók) Szinuszos jelek: ( 2π ϕ) xt () = A sin f t+ A 1 Ampl. Összetett periódikus jelek: f 1 Frekv. x( t) = A + ( A cosn2πf t+ B sin n2πf t) = F + F cos( n2πf t+ Θ ) = = n= Ce n 0 n 0 n= 1 jn2πf t 0 Amplitúdó n 0 0 n 0 n n= 1 A 1 A 0 A 2 A 3 A 4 A n....... 86 f 1 2f 1 3f 1 4f 1 nf 1 frekvencia
Mintavételezett jelek frekvencia analízise Kváziperiódikus jelek xt () = A + ( A cos2πf t+ B sin 2πft) 0 n= 1 n n n n Amplitúd ó A f 1 n 4 f 1 nem egész szám A 0 A 2 A 3 A....... A n f 1 f 2 f 3 f 4 f n frekvenci a Tranziens jelek: Egyszeri, nem periodikus folyamatok, melyek véges energiájúak: Részleges leírás: felfutási idő, lefutási idő, x 2 () beállási idő, túllövés, stb. t dt < Teljes leírás: bizonyos matematikai feltételek mellett Fourier ill. Laplace transzformációval. 87
88 Periódikus jelek Fourier sora = = + + = = + = = = = + + = 1 1 0 2 2 2 / 2 / 0 2 / 2 / 1 2 / 2 / 1 1 1 1 0 ) 2 sin( ) ( ) ( 1 )sin ( 2 )cos ( 2 ) sin cos ( ) ( n n n n n n n n T T T T n T T n n n n t f n A A t f tehát C B arctg B C A dt t f T A tdt n t f T B tdt n t f T C ahol t n B t n C A t f ϕ π ϕ ω ω ω ω
A 2 A 3 A 4 A 5 Periódikus jelek frekvencia spektruma A A 1 A 0 A n f 1 2f 1 3f 1 4f 1 5f 1... nf 1 f 89
Mintavételezett jelek frekvencia analízise Végtelen jelet mintavételezni a gyakorlatban nem lehet, ezért a Fourier sorba fejtés csak akkor lehetséges, ha elfogadjuk azt a feltételt, hogy az analizálásra kijelölt reisztrátum a végtelen periódikus jel 1 periódusa, amely a végtelenig ismétlődik. Ha n darab mintát f mv mintavételi frekvenciával megmérünk, akkor a regisztrátum teljes időtartama: T = reg f n mv Ez tehát a fentiek értelmében a jel 1 periódusának ideje, vagyis a Treg regisztrátum idő a jel periódusideje. 90
Ha T reg a jel periódusideje, akkor 1/T reg a jel frekvenciája: f f = mv = reg n f 1 Ha az így kapott frekvencia nem egyezik meg a jel valóságos frekvenciájával, vagy annak egész számú többszörösével, akkor a spektrum hibás lesz. 91
Példa: Legyen a mérendő jel frekvenciája 50 Hz. Mintavételezzünk 300 Hz-es mintavételezési frekvenciával, és gyűjtsünk be 20 mintát. Ebben az esetben a regisztrátum időtartama: Treg = n/fmv = 0.0666 s A freg = fmv/n = 15 Hz 15Hz 45Hz 60Hz 30Hz A spektrum frekvencia tengelyén megjelenő értékek: 15 Hz, 30 Hz, 45 Hz, 60 Hz. f Vagyis az 50-es értéknél nem jeleníthető meg összetevő. Mi a teendő? Hogyan növelhető a frekvencia felbontása? fmv és/vagy n 92
1.5 Valós jel A Valós spektrum 1 0.5 0-0.5-1 -1.5 f Analizált jel 1.5 1 0.5 0-0.5-1 -1.5 Analizált jel spektruma A f 93
Az FFT-nek ezt a hibáját az un ablakozó függvényekkel lehet csökkenteni. Ablakozó függvényt használva a fenti spektrumkép az alábbi módon változik: A f 94
Leggyakrabban alkalmazott ablakozó függvények: Hanning ablak: Háromszög ablak: i w( i) = 0,5 0,5cos(2π ) n w ( i) = 1 (2 i) / n Hamming ablak: w( i) = 0,54 0,46 cos(2π i n ) Blackmann ablak: i w( i) = 0,42 0,5cos(2π ) + 0,08cos(4π n i n ) 95
Ablakozás nélkül Blackmann ablak Háromszög ablak Hanning ablak 96
Aliasing jelenség Ha a mintavételezési törvényt nem tartjuk be, akkor a mintavételezett jelben nem létező összetevők jelenhetnek meg. Ezek az alias jelek. Védekezés: antialiasing szűrővel, ami egy aluláteresztő szűrő, nagy vágási meredekséggel, a mintavételi frekvencia felére beállított felsőhatár frekvenciával. 97
GPIB 1972 - Hewlett Packard Corporation (General Purpose Interface Bus) 1975 IEEE488 szabvány Hálózatorientált rendszer Párhuzamos protokol A kommunikáció 16 csatornán folyik 8 adat vonal 5 vezérlő vonal 3 handshaking vonal 98
GPIB 3 típusú berendezés: vevő (listener) adatokat kap adó (talker) adatokat küld vezérlő (controller) - PC Vegyes üzemű műszerek is lehetnek a rendszerben Half duplex kommunikáció Party-line kapcsolatok létrehozása 1987 - IEEE488.2 szabvány a vezérlők és adatok formátumának, helyzet jelzések, vezérlési feltételek, stb. előírásai SCPI Standard Commands for Programmable Instruments 99
GPIB A rendszer szabványban rögzített korlátai: 2 berendezés közötti távolság max. 4 m 2 berendezés közötti átlagtávolság 2 m a berendezések közötti össztávolság 20 m legalább a műszerek 2/3-a be kell legyen kapcsolva. Műszerek száma max 15. Adatátviteli sebesség max. 1 Mbyte/s 100
Műszerek elrendezése: Csillag GPIB Vezérlő A műszer B műszer C műszer Lineáris Vezérlő A műszer B műszer C műszer Vegyes elrendezés 101
Soros átvitel protokoljai 1 1 soros kommunikáció 0 1 1 0 0 1 Számítógép 0 1 LSB Binárisan kódolt mérési eredmény (TTL jelek) 102
RS - 232 Formátum: St 0 1 2 3 4 5* 6* 7* P* Sp Sp St A karakterek közötti logikai 1 szint jelzi, hogy nincs adatforgalom Az St alacsony szintű (logikai 0 ) start bit, ami az adatközlés kezdetét jelzi. A 0,1...7 bitek az adatbitek, a -gal jelzett bitek opcionálisak. A P un. paritás bit, amely az esetleges hibafelismerést teszi lehetővé. Az egyes bitek szélessége, vagyis, hogy időben milyen hosszú az adott bit az un. baud periódus fejezi ki. Az Sp az adatközlés végét jelző magas (logikai 1 ) szintű jel 1, vagy annál több baud periódus ideig jelenik meg. 103
RS - 232 Jellemzők: 1 adó 1 vevő Adó vevő közös földön (Single-ended transmission) Aszinkron protokol (nincs közös órajel, szinkronizálás a start bit idejével Max. sebesség: 20 kbps Max távolság 15 m Simplex kommunkáció 104
RS - 422 Változások az RS232-höz képest: 1 adó 10 vevő Adó vevő külön földön (Differential transmission) Max. sebesség: 10 Mbps (10 m távolságra) Max távolság 1200 m (100 kbs sebességgel) Half duplex kommunikáció RS - 485 Változások az RS422-höz képest: 1 adó 32 vevő 105
Interneten keresztül vezérelhető mérőrendszerek Ipar Moduláris rendszer Laboratórium GPIB - ENET Oktatás Web- böngészőn keresztül vezérelhető hagyományos mérésadatgyűjtő ETHERNET 106
Moduláris ipari mérőrendszer 107
Interneten keresztül vezérelhető GPIB mérőrendszer 108
Számítógépes mérőrendszerek alkalmazási példái 109
Interneten vezérelhető mérőrendszer oktatási alkalmazása 110
Motorok csapágyvizsgálata rezgésméréssel Görgőkosár hibájából eredő rezgések frekvenciája: f bc = r i ri + r 0 n r i a belső gördülő felület sugara r 0 a külső gördülő felület sugara n a fordulatszám [1/s] Gördülő elemek okozta rezgések frekvenciája: f re = ri r0 r r + r r ( ) i 0 n r r a gördülő elemek sugara Gyűrűk hibáiból származó rezgések frekvenciája: f r = r i ri Zb n + r 0 z b a gördülő elemek száma 111
A motor rezgés spektruma a figyelmeztető és a veszélyes rezgésszint jelölésével. Felújított motor rezgésképe 112
A motor rezgés spektruma a figyelmeztető és a veszélyes rezgésszint jelölésével. A rezgés spektrumának változása a veszélyes rezgésszint közelében A rezgés spektruma hibás csapággyal 113
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Hálózati tápfeszültség ellenőrzése 114
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Hálózati tápfeszültség frekvencia összetevői 115
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó feszültségének ellenőrzése 116
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó feszültségének frekvencia spektruma 117
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Frekvenciaváltó kimeneti feszültségének (spektrum) változása a feszültség frekvenciájának függvényében 118
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram vizsgálata 119
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram vizsgálata 120
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Motor által felvett áram spektruma 121
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája Az áram spektrumának változása a frekvencia függvényében 122
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének vizsgálata 123
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének vizsgálata 124
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgésének spektruma 125
Frekvenciaváltós szivattyú motor diagnosztikája A motor rezgés spektrumának változása a fordulatszám függvényében 126
Számítógépes áram és feszültségmérés oktatási alkalmazása 127
Hálózati feszültségek és áramok vizsgálata 10 kv-os hálózat feszültsége árama 120 kv-os hálózat feszültsége árama 128
Hálózati feszültségek és áramok vizsgálata A 230 V-os lakossági hálózat feszültségének vizsgálata: Az alapharmónikus, a 150, 250 és 350 Hz-es összetevők amplitudóinak időbeli változása 129
A városi világítás hatása a lakossági 230 V-os hálózat feszültségére A hálózat felharmonikus tartalma a bekapcsolás előtt: A hálózat felharmonikus tartalma a bekapcsolás után: 130
6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA Tengely Lökethossz Gyorsulás Sebesség X Y Z 5 m 3 m 1 m 6 m/s 2 6 m/s 2 8 m/s 2 1.7 m/s 1.7 m/s 1.0 m/s 131
6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA Rezgések változása a befogószerkezet függőleges helyzetétől függően Pozícionálás a befogószerkezet leengedett helyzetében A rezgések idő és frekvencia diagrammjai Pozícionálás a befogószerkezet felemelt helyzetében 132
6-TENGELYES PORTÁLROBOT REZGÉSVIZSGÁLATA A pozícionálási sebesség hatása a befogószerkezet rezgésére Lassú pozícionálás (kb. 6 sec) Gyors pozícionálás (kb. 3.5 sec) 133
Felhasznált irodalom 1. Zoltán István: Méréstechnika, Műegyetemi Kiadó, 1997. 2. Robert G. Seippel: Transducers, Sensors, and Detectors, Prentice-Hall Inc., 1983. 3. L. Borucki-J.Dittmann: Bevezetés a digitális méréstechnikába, Műszaki Könyvkiadó, 1975. 4. E.O. Doebelin: Measurement Systems, McGraw-Hill, 1990. 5. Douglas M. Considine: Process/Industrial Instruments & Control Handbook, McGraw-Hill, 1993. 6. Tran Tien Lang: Computerized Instrumentation, John Wiley &Sons Ltd., England 1991. 7. John G. Webster: The Measurement, Instrumentation, and Sensors Handbook, Springer-Verlag GmbH &Co., 1999. 134