AKVIZICIJA PODATAKA

Potrebe za akvizicijom

Današnji svet skoro u potpunosti funkcioniše na odlukama koje se zasnivaju na prikupljanju podataka i njihovoj daljoj analizi.

U suštini postoji onoliko sistema za prikupljanje podatka koliko postoji i tipova podataka.

Dete prvo stavi nogu u vodi da bi odredilo temperaturu pre nego što zagnjuri.

Osiguravajuće društvo prikupi obiman materijal statističkog tipa pre nego što odredi rizik i ustanovi premije.

Definicija akvizije podataka

Elektronski instrument, ili grupa medjusobno povezanih elektronskih hardverskih komponenti, namenjenih za merenje i kvantizaciju analognih signala i prihvatanje digitalnih, u cilju digitalne analize ili obrade i preduzimanje povratno-upravljačkih akcija.

Akvizicija podataka je proces pomoću koga fizički fenomeni iz realnog sveta se transformišu u električne signale koji se mere i konvertuju u digitalni format za potrebe procesiranja, analize, i memorisanja od strane računara.

Kod najvećeg broja aplikacija DAS (Data Acquisition System) je projektovan ne samo da prikuplja podatke nego i da preuzima odgovarajuće upravaljačke akcije. Zbog toga definicija DAS-a treba da se proširi ne samo na aspekte pribavljanja nego i na upravljanje radom sistema.

NoteNote:: Definicija :Definicija :

Analogni interfejs digitalnom svetu

Struja Napon Snaga Frekfencija Vreme Faza

Analogni

Paralelni Serijski

kodirani Brojanje

serijski

Digitalni

transliranjeanaliza iliproces

Fizi~ki Hemijski Poziciono, na

skali instrumenta Brojevi

neelektri~nidomen

transliranje

transdjuseri (merni pretvara~i) sistemi za akviziciju podataka

Osnovni elementi DAS-a

senzori i pretvarači

kabliranje

kondicioniranje signala

hardver za akviziciju

računar uključujući operativni sistem

softver za akviziciju podataka

Funkcionalni

dijagram DAS-a

Pretvarači i senzori

Pretvarači i senzori ostvaruju interfejs izmedju realnog sveta sa jedne i DAS-a sa druge strane, konvertujući fizičke fenomene u električne signale koje zatim prihvata hardver za kondicioniranje i akviziciju.

Pretvarači mogu da obave bilo koji tip merenja fizičke veličine i generišu električni signal. Tipični reprezenti su termospregovi, IC senzori, itd.

prihvata signale od relevantnih parametara procesa.

konvertuje energiju iz jedne fizičke forme u drugu.

Funkcija senzoraFunkcija senzora::NoteNote::

Šest energetskih domena

Postoji šest važnih energetskuh domena izmedju kojih se vrši konverzija.

hemijski,

mehanički,

magnetni,

radijacioni,

termički i

električni.

radijacioni

mahani~ki

termi~ki

hemijski

magnentni

elektri~ni

Konverzija se vrši prema električnom domenu jer su električni signali najpogodniji za modifikaciju.

NoteNote::

Tipični uredjaji - pretvarači signala

Izlaz

Ulaz

radijacioni mehanički termički električni magnetni hemijski

radijacioni optički filtar Golay-ova ćelija

solarimetar solarna ćelija

fotografski proces

mehanički kremen menjač električni generator

termički temper.-osetljivi LCD

bimetal izmenjivač toplote

termopar

električniLED zvučnik MOSFET kalem baterija

magnetni magneto-optički

modulator

magnetno kvačilo

adijabatski demagneter

Hall-ova ploča

magnetno kolo

hemijski sveća eksplozioni motor

gasni grejač pH merna ćelija

hemijski proces

Efekti konverzije signala

Izlaz

Ulaz

radijacioni mehanički termički električni magnetni hemijski

radijacioni foto-luminiscencija

radijacioni pritisak

radijaciono zagrevanje

foto-provodnost

fotomagnetni efekat

fotohemijski efekat

mehanički foto-elastični efekat

konzervativni moment

frikciono zagrevanje

piezoelektr. efekat

magneto-strikcija

pritiskom indukovana eksplozija

termički usijavanje termička ekspanzija

provodjenje toplote

Seebeck-ov efekat

Curie-Weiss-ov zakon

električni injektivna lumuniscencija

piezo-elektr. efekat

Peltier-ov efekat

efekat p-n spoja

Amperov zakon

elektroliza

magnetni Faradejev efekat

magneto-strikcija

Ettinghaus-enov efekat

Hall-ov efekat magnetna indukcija

hemijski hemo-luminiscencija

reakcija eksplozije

egzotermička reakcija

Voltin efekat hemijska reakcija

Kabliranje

Kabliranje se odnosi na fizičko povezivanje pretvarača i senzora sa hardverom za kondicioniranje signala i/ili hardveraom za akviziciju podataka

Kada je kondicioniranje signala i/ili hardver za akviziciju podataka udaljen od računara tada se kabliranjem ostvaruje fizička veza izmedju ova dva hardverska elementa i host-a

Ako je fizička veza izvedena kao RS-232 ili RS-485 komunikacioni interfejs tada se ova komponenta kabliranja često naziva komunikaciono kabliranje

Kabliranje je po dimenzijama najveća fizička komponenta, i podložna je efektima spoljašnjeg šuma, a posebno uticaju smetnji od industrijskih postrojenja

Korektno kabliranje i širmovanje je od izuzetne važnosti za smanjenje efekta šuma

NoteNote::

Kondicioniranje signala

Električne signale generisane od strane pretvarača često je potrebno konvertovati u oblik koji je prihvatljiv od strane hardvera za akviziciju podataka, posebno AD konvertora koji konvertuje primljeni signal u željeni digitalni format

Osnovni zadaci koje obavlja blok za signal kondicioniranje su:

filtriranje

pojačanje

linearizacija

izolacija

pobuda (neki od pretvarača za korektni rad zahtevaju strujne ili naponske pobudne signale)

Hardver za akviziciju

Hardver za akviziciju se može definisati kao komponenta DAS-a koja obavlja sledeće funkcije:

Procesiranje i konverzija ulaznih analognih signala u digitalni format

Prihvatanje digitalnih ulaznih signala

Procesiranje digitalnih signala i konverziaj u analogni format

Generisanje digitalnih izlaznih signala

Softver za akviziciju

Hardver za akviziciju ne radi bez softvera

Za programiranje hardvera postoje tri dostupne opcije:

Direktno programiranje hardvera za akviziciju

Korišćenje drajverskih rutina vrlo niskog nivoa

Korišćenje off-the-shelf aplikacionog softvera tipa LabVIEW

Domeni podataka

Sa aspekta metrologije, sve veličine čiju vrednost procenjujemo, delimo na ne-električne i električne.

Skup energetskih domena karakterističnih za ne-električne veličine, nazivamo zajedničkim imenom fizički domen.

Kod električnog energetskog domena, razlikujemo tri forme električnih signala, a to su:

analogna forma : amplitude struje i napona predstavljaju relevantan odziv vremenska forma : vremenski odnos izmedju nivoa signala se koristi da opiše neku veličinu digitalna forma: racionalan broj predstavlja mereni podatak

Ne-električne veličine su one koje pripadaju magnetnom, hemijskom, radijacionom, mehaničkom i termičkom energetskom domenu.

Domeni podataka i pod-domeni

A

N

LO

GI

DM

E

A

N

O

N

VR

EM N

SK

I

EDO M E

N

ELEKTRI NEVELE INE

NEELEKTRI NEVELI INE

D

OM

ENN

I

D

IG

TA

LI

fizi~kohemijskeveli~ine sk

ala

broj

broj impulsaserijska digitalna re~

paralelna digitalna re~f

t

q

u

i

Analogni domen

Merenje podataka u ovom pod-domenu se svodi na merenje amplitude struje ili napona.

Signal u ovom domenu je kontinualno promenljiva veličina koja se može neprekidno procenjivati u vremenu ili diskretno meriti u bilo kom trenutku

Analogni signali mogu pripadati jednom od sledeća četiri oblika:

naelektrisanje

napon

struja

snaga

naelektrisanje,

napon,

struja,

snaga.

Vremenski domen Merenje podataka u ovom domenu sastoji se u odredjivanju promene vrednosti signala u odredjenim vremenskim trenucima,

Najčešći oblici procene vrednosti signala su:

odredjivanje frekvencije periodičnih talasnih oblika,

odredjivanje vremenskog perioda izmedju dva impulsa,

odredjivanje fazne razlike merenog talasnog oblika u odnosu na referentni talasni oblik.

nfre

kven

cija

{irina

impu

lsa

fazn

a ra

zlik

a

Osnovna tri pod-domena koja pripadaju vremenskom domenu su:

frekvencija

širina impulsa

fazna razlika

Digitalni domen

brojiviimpulsi

serijski impulsi

paralelni impulsi

Podatke čine signali koji imaju samo dva nivoa: visoko (digitalna 1) i nisko (digitalna 0),

Standardno, ovi signali predstavljaju kodirani oblik celobrojnih brojeva ili standardnih znakova.

Postoje tri glavne forme digitalnih signala:

serijski podaci - predstavljaju se nizom impulsa koji se prenose kanalom

paralelni podaci - predstavljaju skup impulsa koji se simultano prenose po većem broju kanala.

brojački impulsi - frekvencija impulsa predstavlja relevantan podatak.

Proces merenja - prelaz iz jednog domena u drugi

Proces merenja se može razmatrati kao skup ulančanih interdomenskih prelaza tj. konverzija i intradomenskih prelaza tj. kondicioniranje.

Za prelaz signala ili skupa podataka iz jednog domena podataka u drugi potrebno je ugraditi posebna kola ili odgovarajuće elektronske sklopove.

Ugradnjom elektronskih sklopova i posebnih kola unose se inherentne greške tj. pogoršava se tačnost i linearnost, unosi se dodatno kašnjenje signala ...

Kako smanjiti greške u merenju Sa aspekta merenja, greške su uvek javljaju kada se vrši prelaz iz jednog domena u drugi.

Uvek se teži da se u toku merenja ostvari minimalni broj interdomenskih prelaza.

Analizirajmo merenje ubrzanja pomoću piezoelektričnog akcelerometra

fizi~kekarakteristike pozicija skale

broj

domenopa anja

ubrzanje

napon

naelektrisanje

struja

snagaanalognidomen

1

23

3

Merenje ubrzanja pomoću induktivnog akcelerometra

fizi~kekarakteristike pozicija skale

broj

domenopa anja

ubrzanje

napon

naelektrisanje

struja

snaga

1 2

2

Primer: merenje temperature termistorom

Primer: merenje temperature kristalnim oscilatorom

temperaturnoosetljivi kristal-

oscilator

stabilnireferentnioscilator

komparatorfrekvencija

digitalnifrekvenc-

metarO ITAVANJE

digitalni domen

vremenski domen

ft

fr

fizi~kekarakteristike

brojtemperatura

1

2

3

frekvencija

brojiviimpulsi

paralelnisignal

4

Primer: merenje temperature analognim instrumentom

fizi~kekarakteristike

pozicijaskale

temperatura

1napon

2

Vremenska zavisnost

Veličina koju procenjujemo u toku procesa merenja se menja

Zašto se koriste DAS-ovi ?

DAS-ovi se koriste za merenje i arhiviranje signala koji se generišu bilo kao:

signali koji potiču od direktnog merenja električnih veličina:

signali koji potiču od transdjusera kao što su termoparovi, "strain gages", i dr.

napona,

struje,

otpora,

frekvencije

Tipovi DAS-ova

analogni - mere informaciju u analognom obliku.

digitalni - obradjuju informaciju u digitalnoj formi.

Instrumentacioni sistemi, koji se kod DAS-va koriste za procenu ulazne veličine, mogu se podeliti u sledeće dve glavne klase:

Analogni DAS-ovi

Obično, analogni DAS čine neki ili svi nabrojani sastavni blokovi:

transdjuseri

signal-kondicioneri

uredjaji za vizuelni prikaz

instrumenti za grafički zapis

instrumenti sa magnetnom trakom

satni mehanizam

Blok šema analognog DAS-a

transdjuser 1

kondicionersiganala

transdjuser n

kondicionersiganala

vizualniprikaz

gravi~kizapis

magnetnizapis

komutator

satnimehanizam

.

.

.

Digitalni DAS – blok šema

Veliki broj DAS-ova danas se realizuje kao digitalni.

kondicioner signala

A/Dkonvertor

izlaznibafer

analogni MUX

digitalni MUX ulaz za

ru~no uno{enjepodataka

digitalnitakt

ra~unar

digitalnizapis

upravlja~kisistem

zavisi odtipakondicioniranja signala

ana

logn

i ula

zi d

igita

lni u

lazi

sklopovi zazapis/obradu

DAS sa paralelnom A/D konverzijom na svakom ulazu

signalkondicioner

signalkondicioner

signalkondicioner

A/D

A/D

A/D

digitalni MUX

izlazniure| aj

ulaz n

ulaz 2

ulaz 1

. . . . . .

Diferencijalni ulaz

Diferencijalni ulaz i širmovanje

Galvanska izolacija kod DAS-a

Transformatorska galvanska izolacija

Optička galvanska izolacija

Uticaj napona na zajedničkim krajevima

Induktivne smetnje

Tipična DAS plug-in-play pločica

Asimetričan ulaz

Simetričan ulaz

Idealna prenosna funkcija 3-bitni A/D konvertora

Ofset greška + 1 LSB

Greška – pozitivno pojačanje

Diferencijalna nelinearnost

Integralna nelinearnost u odnosu na ulaz

Integralna nelinearnost u odnosu na najbolje fitovanje

Najčešće konfiguracije

Najčešće konfiguracije koje srećemo kod DAS-ova su sledeće:

Računarsko plug-in U/I

- plug-in U/I ploče se direktno ugradjuju u slotove proširenja računara

Distribuirani U/I

- senzori su locirani na udaljenim lokacijama u odnosu na računar u kome se vrši procesiranje i memroisanje podataka

Samostalni ili distribuirani logger-i i kontroleri

- obično se baziraju na ugradnju inteligentnih modula za kondicioniranje signala

IEEE-488 instrumenti

- komunikacioni standard za prenos podataka izmedju programibilnih test instrumenata

Primeri: Računarskih plug-in U/I ploča

Primeri: Distribuirani U/I –digitalno primo-predajnimoduli

Samostalni logger-i/kontroleri – korišćenjem PCMCIA kartica

Povezivanje saamostalnih logger-a preko RS-232 serijskog interfejsa

Povezivanje logger-a preko telefonske ili radio komunikacione

mreže

Distribuirana logger/kontroler mreža

IEEE-488 programibilni iinstrumenti

Idealna prenosna karakteristika ADC-a

Idealna prenosna karakteristika DAC-a

Ofset greška

Greška pojačanja

Diferencijalna nelinearnost - DNL

Integralna nelinearnost (INL)

Apsolutna tačnost