Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Az előadás letöltése folymat van. Kérjük, várjon

Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat Elektromos mennyiségek mérése Mingesz Róbert 2014. április 4. v4.1 1.

Hasonló előadás


Az előadások a következő témára: "Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat Elektromos mennyiségek mérése Mingesz Róbert 2014. április 4. v4.1 1."— Előadás másolata:

1 Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat Elektromos mennyiségek mérése Mingesz Róbert április 4. v4.1 1

2 Tartalom Valós idejű rendszerek Programozható eszközök Programozási környezetek Szenzorok Hőmérséklet mérése Fény érzékelése Mágneses tér érzékelése Pozíció mérése További szenzorok Aktuátorok 2

3 Valós idejű rendszerek 3

4 Valós idejű rendszer Megbízhatóan válaszol egy eseményre Műveleteket garantált időn belül elvégez 4

5 Fogalmak Ciklusidő / válaszidő Jitter (bizonytalanság) Determinizmus (konzisztens válasz és válaszidő) Determinisztikus feladat (mindig időben kell végezzen) Prioritás 5

6 Hagyományos OS A processzoridő megoszlik a programok között Háttérfeladatok megszakíthatják a kritikus programokat – Vírusírtók – Hálózatkezelés... Magas jitter Nem determinisztikus

7 Valós idejű operációs rendszerek A magas prioritású feladatok lesnek először végrehajtva Magas megbízhatóság Általában nincs UI Példák: – NI ETS – Wind River VxWorks – Valód idejű Linux

8 Programozható eszközök 8

9 Ember Válaszidő: 1-2 s Magas jitter Konzisztens válasz ? Üzemidő: 8/5 Motiváció → öntanuló, optimalizálás Objektumorientált 9

10 PC Válaszidő: ~ 100 ms Magas jitter Általában konzisztens válasz Üzemidő: 24/7, 1-5 éves élettartam „Korlátlan” erőforrások GUI, felhasználói interfész Alacsony ár Nagy méret 10

11 Ipari PC Válaszidő: ~ 100 ms Üzemidő: 24/7, 5-10 éves élettartam Környezeti hatásokkal szemben ellenálló „Korlátlan” erőforrások GUI, felhasználói interfész Magas ár 11

12 Egylapos PC-k Raspberry Pi ? BeagleBone Ipari egylapos PC-k Windows, Linux, Android,... Bő erőforrások (< 1 GHz, RAM < 1 GB, Flash < 32 GB) Válaszidő, élettartam ? Kis méret, beágyazható 12

13 Mikrovezérlők 8 bit (pl. 8051) 32 bit (pl. ARM cortex m4) Korlátozott erőforrások – Memória, flash < 128 kB – Órajel < 100 MHz Alacsony fogyasztás (pl. 30 mW, 3 µW alvó mód) Válaszidő ~ µs (rendszerfüggő, determinisztikus) Alacsony ár, beágyazható 13

14 DSP (digitális jelprocesszor) bit Jelfeldolgozási feladatokra optimalizálva Lebegőpontos számolás, párhuzamos műveletek 1 órajeles végrehajtása a műveleteknek 400 MHz 2,4 GFLOPS (1 mag) 1,43 W 14

15 FPGA (field-programmable gate array) Programozható logikai eszköz ( ezer cella, 1 Mbit memória, < 500 MHz) Párhuzamos végrehajtás Magas megbízhatóság Válaszidő < 100 ns (determinisztikus) VHDL Kisebb rokonok: CPLD, PAL 15

16 PLC (Programozható logikai vezérlő) Szabványosított be és kimenetek (ipari) Moduláris felépítés Válaszidő: ms (determinisztikus) Magas megbízhatóság, éves élettartam 16

17 cRIO Változatos I/O opciók Válaszidő < 1µ, determinisztikus Jelentős mennyiségű erőforrás (< 1,3 GHz, RAM < 2 GB, Flash < 32 GB, FPGA) 17

18 Mobiltelefon, Tablet Elsősorban mérési eredmények megjelenítése, mérések felügyelete Kevés alkalmazás, sok lehetőség 18

19 Programozási nyelvek és környezetek 19

20 Assembly A hardver összes képessége kihasználható Maximális hatékonyság Magas tudást igényel Hosszú fejlesztési idő Felhasználás: mikrovezérlők optimalizált rutinjai 20

21 C C Általános célú programozási nyelv A legtöbb eszköz programozható segítségével Alacsony szintű hatékony kód készíthető Eszköztől függő variációk és képességek 21

22 C# Elsősorban PC program Platformfüggő Korlátozott eszközhasználat, analíziskönyvtár 22

23 JAVA PC, beágyazott rendszerek, mobil eszközök Platform független Korlátozott eszközhasználat, analíziskönyvtár 23

24 JavaScript, PHP Webes interfészek készítése 24

25 Matlab Cél: numerikus számítások elvégzése Vezérlési feladatok (pl. PID szabályozás) Eszközvezérlés 25

26 Simulink Adatvezérelt grafikus programozás Modellezés, szimuláció Valós eszközök vezérlése C kódgenerálás 26

27 A LabVIEW fejlesztőkörnyezet 27

28 Példa GUI 28

29 Példa kód 29

30 A LabVIEW környezet Fejlesztő: National Instruments Oktatóanyagok

31 Miért LabVIEW? Könnyű megtanulni és használni – Bárki megtanulhatja, nem szükség programozónak lenni – Tudósokra és mérnökökre optimalizálva – Vizuális dizájn, egyszerű vizualizáció Gyors fejlesztés – Produktivitás növelése – Költségek csökkentése 31

32 Miért pont a LabVIEW? Teljes funkcionalitás – Beépített analízis funkciók – Jelanalízis és matematika – Számos beépített kommunikációs protokoll – Többszálú végrehajtás, eseményvezérlés, objektumok,... – Számos platform programozható egy nyelven keresztül (PC, beágyazott rendszerek, valós idejű rendszerek, FPGA, mikrovezérlők) 32

33 Miért pont a LabVIEW? Ipari szabvány – Rengeteg kompatibilis hardver Tipikus felhasználások – Mérés, adatgyűjtés, adatok elemzése – Ipari vezérlés – Egyedi rendszerek, prototípusok fejlesztése – Komplex tudományos mérőrendszerek vezérlése (Big Physics) – Oktatás 33

34 Hátrányok Nem nyílt szabvány Magas ár Futtatókörnyezet szükséges a LabVIEW programok végrehajtásához Bonyolultabb kódok esetén: oda kell figyelni a karbantarthatóság érdekében 34

35 Spagetti VI 35

36 Példák a LabVIEW alkalmazására 36

37 Elektronika Tesztelés – Félvezetők működése – Audió áramkörök tesztelése – Videó – Rádiófrekvenciás áramkörök – Vezetéknélküli kommunikáció Teljesítményelektronikák vezérlése 37

38 Járműipar Gyors prototípusfejlesztés Hardware-in-the-Loop Vezérlőelektronikák fejlesztése Tesztelés – Végső termék tesztelése – Valós idejű mérések 38

39 Hadi és repülőgépipar Repülés Katonai kommunikáció Radar Űrprogramok Automatizált tesztrendszerek 39

40 SpaceX 40

41 További területek Olajipar Fényelemek, szélerőművek Egészség – Műszerek tesztelése Tudomány 41

42 Pl. mosógép fejlesztése 42

43 Big Physics - CERN Nem megfelelő irányú részecskék elfogása 120 valós idejű PXI rendszer 43

44 Big Physics - TOKAMAK Valós idejű mérések Szabályozás 44

45 Lego 45

46 A LabVIEW programozás alapjai 46

47 Kezdőablak 47

48 Virtual Instrument – VI 48

49 Projektek 49

50 Eszköztárak 50

51 Controls palette Előlapi elemek Numeric input / output Boolean: nyomógomb, LED String bemenet/ kimenet Grafikonok … 51

52 Functions palette Block diagram elemei Programozási struktúrák Tömbműveletek Numerikus operátorok Boolean, String Összehasonlítás… 52

53 Context help A kurzor alatt lévő elem rövid sugúja Aktiválás: CTRL+H 53

54 Tools palette Alapbeállítás: automatic tool selection (ajánlott) Leggyakrabban használt: Manipulate Select and edit Modify text Create wire 54

55 Adattípusok Numeric: – Egész, lebegőpontos, komplex, fixpontos Boolean String and fájl útvonal Referencia Objektumok Tömbök Clusterek (struktúrák) 55

56 Numerikus adattípusok 56

57 Numerikus típus megváltoztatása 57

58 Numerikus paletta 58

59 További funkciók: Mathematics 59

60 While Loop int i = 0; int stop = 0; do { // Some code i++; } while (!stop); 60

61 For Loop int i; int N = count; for (i = 0; i < N; i++) { // Some Code } 61

62 While Loop int i; int N = count; int stop = 0; for (i = 0 ; i < N; i++) { //Some code if (stop) { break; } 62

63 Previous iteration: Feedback node int i; int N = count; int x = 0; for (ind i = 0; i < N; i++) { x = x + i; } 63

64 Similar option: Shift register int i; int N = count; int x = 0; for (ind i = 0; i < N; i++) { x = x + i; } 64

65 Adatvezérelt programozás Párhuzamos végrehajtás Egy csomópont akkor hajtódik végre, amikor az összes bemenet a rendelkezésre áll A csomópont akkor adja vissza a végeredményt, amikor befejezte a futást A végrehajtást az adatok vezetékeken történő áramlása határozza meg 65

66 Adatvezérelt programozás: példa 66

67 Sekvencia 67

68 LabVIEW toolkit-ek 68

69 Programozási lehetőségek 69

70 MathScript RT Module MATLAB kódok futtatása 700 beépített funkció GUI Valós idejű rendszerek 70

71 Control Design and Simulation Module Simulink jellegű programozás 71

72 Application Builder for Windows Önálló* programok készítése Telepítőfájlok készítese.net dll-ek Forráskód elrejtése *: futtatókörnyezetet fel kell telepíteni 72

73 Robotics Module Valódi hardverek vezérlése 3D szimulációs környezet 73

74 LEGO MINDSTORMS NXT Module Lego NXT programozása LabVIEW használatával 74

75 Vision Development Module 3D algoritmusok Valós idejű felismerés 75

76 PID and Fuzzy Logic Toolkit P, PI, PD, and PID szabályozások Fuzzy szabályozások Automatikus hangolás (online/offline) 76

77 Statechart Module Állapotvezérelt gépek készítése 77

78 Real-Time Module Valós idejű rendszerek vezérlése Önálló műszerek, vezérlők pl. cRIO, PXI,... Real-Time Execution Trace Toolkit – Debugging – Profiling 78

79 FPGA Module FPGA programozása grafikus nyelven 79

80 Touch Panel Module HMI panelek programozása 80

81 Datalogging and Supervisory Control Module OPC szerver/kliens HMI NI hardver PLC

82 Adaptive Filter Toolkit Különböző adaptív szűrő algoritmusok Szimuláció FPGA kód 82

83 Szenzorok 83

84 Digitális mérőműszer 84

85 A szenzorok működése Energia-átalakítás történik Energiafajták: Sugárzási energia, mechanikai energia, hőenergia, villamos energia, mágneses energia, kémiai energia 85

86 Szenzorok jellemzése Bemeneti fizikai mennyiség pl. hőmérséklet, elmozdulás, mágneses térerősség... Kimenő fizikai mennyiség (általában elektromos mennyiség) pl. feszültség, áramerősség, ellenállás... Karakterisztika: a kimenet függése a bemeneti mennyiségtől lineáris / nem lineáris Érzékenység pl. 3 mV/°C 86

87 Szenzorok jellemzése Működési elv Aktív pl: termóelem, pH-mérő, fényelem Passzív működéséhez segédenergiára van szükség pl: termisztor, fotóellenállás, Hall-szonda Kialakítás Elérhetőség 87

88 Szenzorok tulajdonságai Mérési tartomány – Zajhatár: ennél kisebb jelek változása már elvész a zajban – Túlterhelési tartomány Felbontóképesség Nullpont-hiba Érzékenység hiba Hiszterézis Linearitás-hiba / alakhiba 88

89 Szenzorok tulajdonságai Drift (kúszás) Hőmérsékletfüggés Környezeti hatásokra való érzékenység pl. rezgések, nyomás, nedvesség... Beállási idő Sávszélesség, frekvencia-karakterisztika Követett szabványok pl. IEEE 1451, TEDS Kalibrálás szükségessége 89

90 Hőmérséklet mérése 90

91 Hőmérséklet mérése A legtöbb folyamat, fizikai, kémiai... tulajdonság hőmérsékletfüggő pl. sűrűség, ellenállás, reakciósebesség... Az egyik leggyakrabban mért paraméter 91

92 Mérés elve Hőmérsékletváltozás hatására változás áll be a szenzorban vezetőképesség megváltozása thermoelektromos effektusok hőtágulás hallmazállapot-változás kémiai reakció (egyensúly eltolódás) 92

93 Megfelelő hőkontaktus Hőátadás közvetlen érintkezés Hővezetés valamilyen közeg viszi át a hőenergiát Hősugárzás elektromágneses sugárzás útján 93

94 Bimetál kapcsoló Két állapot Hiszterézis 94

95 Ellenállás-hőmérők RTD 95

96 Fémek ellenállása Fémek ellenállása hőmérsékletfüggő Ok: ionok hőmozgása T nő → R nő 96

97 PT 100 Platina PT100 szenzorok: 0 °C: 100 Ω Mérési tartomány: -260 °C..850 °C 97

98 Ellenállás hőmérők Nagy pontosság Alacsony drift Széles mérési tartomány Reagálási: idő néhány másodperc Típikus méret > 3 mm Ár > 2000 Ft 98

99 Ellenállás hőmérők mérése Feladat: nagy pontossággal és felbontással (24 bit) mérni az ellenállás változást 99

100 Ellenállás hőmérők bekötése 100

101 Termisztor NTC 101

102 Ellenállás hőmérsékletfüggése 102

103 TermisztorTermisztor Mingesz RóbertMicLab – 09 – oldal A/D RtRtRtRt R0R0R0R0 VTVTVTVT V0V0V0V0

104 Termisztor Mérési tartomány: -90 °C..130 °C Reakcióidő: néhány s Átmérő > 1,5 mm Ár > 100 Ft 104

105 Önfűtés 105

106 PTC eszközök T nő → R nő Alkalmazások: – Áram korlátozása (regenerálódó biztosíték) – Hőmérsékletszabályozás 106

107 Thermoelem 107

108 Termoelem Seebeck-effektus: 108 Termoelem (Réz-Konstantán vezetékek)

109 Termoelem Kis impedancia, kis feszültség: nagy erősítés szükséges Jó közelítéssel lineáris Átmérő > 1.5 mm Ár > 2000 Ft Mérési tartomány K típusú termoelem esetén: -200 °C °C 109

110 Termoelem - hidegpont Hidegpont kompenzálás 110

111 NI-9211 hidegpont-kompenzálás 111 Termisztor

112 Integrált hőmérsékletszenzorok 112

113 IC hőmérsékletszenzorok LM35 Lineáris kimenet +2 °C °C 113

114 IC hőmérsékletszenzorok AD7414 Digitális kimenet 10 bit -40 °C °C 114

115 IC hőmérsékletszenzorok LM75 Digitális kimenet 9 bit -55 °C °C 115

116 Pirométerek 116

117 Fény detektálása 117

118 Fény érzékelése 118

119 Bolométer Hőhatás mérése (infravörös fény detektálása) 119

120 Fotóellenállás (light dependent resistor) 120

121 Fotodióda Előnyök: – gyors – az áram arányos a fényintenzitással – olcsó Érzékenység: szükség szerint optikai szűrővel módosítható 121

122 Fotodióda 122

123 Fotodióda 123

124 Fotótranzisztor Tranzisztor vezérlése: fény (bázisáram helyett) Nagyobb érzékenység/áram 124

125 CCD 125

126 Hőkamera 126

127 Ionizáló sugárzások érzékelése Működési elv: – Elektronok gerjesztése (vezetés, fényhatás) – Ionizáció 127 Geiger-Müller számláló Szcintillátor

128 Pulzoximéter Pulzusszám Oxigén szaturáció 128

129 Mágneses tér érzékelése 129

130 Mágneses terek érzékelése 130

131 Hall-effektus Félvezetők esetén a töltéshordozók mind + mind – előjelűek lehetnek 131

132 További mágneses érzékelők Reed-relé 132 SQUID: gyenge terek érzékelése

133 Kémhatás mérése Nehézségek: nagy belső ellenállás, alacsony feszültség 133

134 Páratartalom mérése 134

135 Gázok érzékelése – Taguchi szenzorok Ellenállás változás Szenzorok zajának változása 135

136 Oxigén koncentráció érzékelése – Lambda- szonda 136

137 Pozíció érzékelése 137

138 Mikro kapcsolók Felhasználás: pl. végállások detektálása 138

139 Fotókapu Felhasználás: pl. áthaladás érzékelése IR fény: a látható fény nem zavarja a szenzor működését Zavarérzéketlenség növelése: moduláció 139

140 Fényfüggőny Biztonsági felhasználás 140

141 Reflexiós fotókapu Felhasználás: pl. közelség érzékelése 141

142 Potenciométer 142

143 Potenciométer 143

144 Pozíció kódolók 144

145 Mágneses elfordulás szenzor 145

146 Kapacitív elmozdulásmérők 146

147 Induktív elmozdulásmérők 147

148 LVDT (Linear variable differential transformer) 148

149 Folyadékszint detektálása 149

150 Nyúlásmérő bélyegek (strain gauge) 150

151 Erő mérése (load cell) 151

152 Erő mérése 152

153 Nyomás mérése 153

154 Gyorsulás érzékelése Mérési elv: tehetetlen tömeg elmozdulása 154

155 Integrated circuit piezoelectric sensor Rezgések érzékelése 155

156 Fordulatszám mérése 156

157 Szögsebesség mérése: Giroszkópok 157

158 Áramlás mérése Lapát Rotor/légcsavar 158

159 Áramlás mérése Venturi-féle áramlásmérő (nyomáskülönbség) Örvények mérése (vortex) 159

160 Áramlás mérése Hővezetés Pitó-cső 160

161 Aktuátorok 161

162 Aktuátorok 162

163 LED Meghajtás: – Feszültségforrás + áramkorlátozó ellenállás – Áramgenerátor 163

164 Lézer dióda 164

165 Peltier elem Mozgó alkatrész nélküli hűtés/fűtés Az átvitt hő az árammal arányos 165

166 Elektromágnes 166

167 Hangszórók 167

168 Motorok 168

169 Léptető motorok Cél: kis méretű elmozdulások 169

170 Léptető motorok 170

171 Piezo kristályok 171

172 ... vége... Köszönöm a figyelmet 172


Letölteni ppt "Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat Elektromos mennyiségek mérése Mingesz Róbert 2014. április 4. v4.1 1."

Hasonló előadás


Google Hirdetések