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

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

Valós idejű rendszerek

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

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

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

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

Programozható eszközök

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

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

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

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

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

DSP (digitális jelprocesszor) 16-32 bit Jelfeldolgozási feladatokra optimalizálva Lebegőpontos számolás, párhuzamos műveletek 1 órajeles végrehajtása a műveleteknek 400 MHz 2,4 GFLOPS (1 mag) 1,43 W

FPGA (field-programmable gate array) Programozható logikai eszköz (20-200 ezer cella, 1 Mbit memória, < 500 MHz) Párhuzamos végrehajtás Magas megbízhatóság Válaszidő < 100 ns (determinisztikus) VHDL Kisebb rokonok: CPLD, PAL

PLC (Programozható logikai vezérlő) Szabványosított be és kimenetek (ipari) Moduláris felépítés Válaszidő: 10-100 ms (determinisztikus) Magas megbízhatóság, 10-20 éves élettartam

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

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

Programozási nyelvek és környezetek

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

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

C# Elsősorban PC program Platformfüggő Korlátozott eszközhasználat, analíziskönyvtár

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

JavaScript, PHP Webes interfészek készítése

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

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

A LabVIEW fejlesztőkörnyezet

Példa GUI

Példa kód

A LabVIEW környezet Fejlesztő: National Instruments http://www.ni.com/labview/ Oktatóanyagok http://www.ni.com/gettingstarted/labviewbasics/ http://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-3220 http://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-3221

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

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)

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

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

Spagetti VI

Példák a LabVIEW alkalmazására

Elektronika Tesztelés Teljesítményelektronikák vezérlése Félvezetők működése Audió áramkörök tesztelése Videó Rádiófrekvenciás áramkörök Vezetéknélküli kommunikáció Teljesítményelektronikák vezérlése http://www.ni.com/solutions/

Járműipar Gyors prototípusfejlesztés Hardware-in-the-Loop Vezérlőelektronikák fejlesztése Tesztelés Végső termék tesztelése Valós idejű mérések http://www.ni.com/solutions/

Hadi és repülőgépipar Repülés Katonai kommunikáció Radar Űrprogramok Automatizált tesztrendszerek http://www.ni.com/solutions/

SpaceX

További területek Olajipar Fényelemek, szélerőművek Egészség Tudomány Műszerek tesztelése Tudomány http://www.ni.com/solutions/

Pl. mosógép fejlesztése http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-14447

Big Physics - CERN Nem megfelelő irányú részecskék elfogása 120 valós idejű PXI rendszer http://sine.ni.com/cs/app/doc/p/id/cs-10795

Big Physics - TOKAMAK Valós idejű mérések Szabályozás http://www.ni.com/white-paper/6436/en

Lego

A LabVIEW programozás alapjai

Kezdőablak

Virtual Instrument – VI

Projektek

Eszköztárak

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

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

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

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

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

Numerikus adattípusok

Numerikus típus megváltoztatása

Numerikus paletta

További funkciók: Mathematics

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

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

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

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

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

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

Adatvezérelt programozás: példa

Sekvencia

LabVIEW toolkit-ek

Programozási lehetőségek

MathScript RT Module MATLAB kódok futtatása 700 beépített funkció GUI Valós idejű rendszerek http://sine.ni.com/np/app/main/p/docid/nav-104/lang/hu/fmid/2031/

Control Design and Simulation Module Simulink jellegű programozás http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/hu/nid/209850

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

Robotics Module Valódi hardverek vezérlése 3D szimulációs környezet http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/hu/nid/209856

LEGO MINDSTORMS NXT Module Lego NXT programozása LabVIEW használatával http://www.ni.com/pdf/manuals/372574c.pdf

Vision Development Module 3D algoritmusok Valós idejű felismerés http://sine.ni.com/np/app/main/p/docid/nav-104/lang/hu/fmid/2037/

PID and Fuzzy Logic Toolkit P, PI, PD, and PID szabályozások Fuzzy szabályozások Automatikus hangolás (online/offline) http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/hu/nid/209054

Statechart Module Állapotvezérelt gépek készítése http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/hu/nid/209857

Real-Time Module Valós idejű rendszerek vezérlése Önálló műszerek, vezérlők pl. cRIO, PXI, ... Real-Time Execution Trace Toolkit Debugging Profiling http://sine.ni.com/np/app/main/p/docid/nav-104/lang/hu/fmid/2032/

FPGA Module FPGA programozása grafikus nyelven http://sine.ni.com/np/app/main/p/docid/nav-104/lang/hu/fmid/2030/

Touch Panel Module HMI panelek programozása http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/hu/nid/209858

Datalogging and Supervisory Control Module OPC szerver/kliens HMI NI hardver PLC ... http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/hu/nid/209851

Adaptive Filter Toolkit Különböző adaptív szűrő algoritmusok Szimuláció FPGA kód http://sine.ni.com/nips/cds/view/p/lang/hu/nid/205382

Szenzorok

Digitális mérőműszer

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

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

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

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

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

Hőmérséklet mérése

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

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

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

Bimetál kapcsoló Két állapot Hiszterézis

Ellenállás-hőmérők RTD

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

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

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

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

Ellenállás hőmérők bekötése

Termisztor NTC

Ellenállás hőmérsékletfüggése Hőmérséklet növekedése → töltéshordozók számának növekedése → ellenállás csökkenése Általános képlet: 𝑅 𝑇 = 𝑅 𝑟𝑒𝑓 ∙ 𝑒 𝐴+ 𝐵 𝑇 + 𝐶 𝑇 2 + 𝐷 𝑇 3 Közelítés: 𝑅 𝑇 = 𝑅 25 ∙ 𝑒 𝐵 25/85 𝑇 − 𝐵 25/85 𝑇 25

Termisztor 𝑇= 1 1 𝑇 25 + 1 𝐵 25/85 ∙ln 𝑅 𝑇 𝑅 25 V0 𝑅 𝑇 = 𝑅 0 ∙ 𝑉 𝑇 / 𝑉 0 1− 𝑉 𝑇 / 𝑉 0 R0 VT A/D Rt 𝑇 25 =273.15+25 K 𝐵 25/85 =3977 K 𝑅 0 = 𝑅 25 =10 kΩ MicLab – 09 – 2012.04.18. Mingesz Róbert

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

Önfűtés Mérőáram: hőt termel: 𝑃=𝑈∙𝐼 Newton lehűlési törvény: 𝑃 𝑇 =𝐾( 𝑇 𝑅 − 𝑇 𝐾 ) Egyensúlyi állapot: 𝑇 𝐾 = 𝑇 𝑅 − 𝑈 2 𝐾∙ 𝑅 𝑇

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

Thermoelem

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

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 .. +1350 °C

Termoelem - hidegpont Hidegpont kompenzálás

NI-9211 hidegpont-kompenzálás Termisztor

Integrált hőmérsékletszenzorok

IC hőmérsékletszenzorok LM35 Lineáris kimenet +2 °C - +150 °C

IC hőmérsékletszenzorok AD7414 Digitális kimenet 10 bit -40 °C - +125 °C

IC hőmérsékletszenzorok LM75 Digitális kimenet 9 bit -55 °C - +125 °C

Pirométerek Hőmérséklet → hősugárzás (általában infravörös) A sugárzás spektruma hőmérsékletfüggő → a hőmérséklet meghatározható Kontaktus nélküli mérés Mérési tartomány: -32 °C .. 3000 °C

Fény detektálása

Fény érzékelése Fény → hőmérsékletváltozás elektronok gerjesztése elektronok kilépése

Bolométer Hőhatás mérése (infravörös fény detektálása)

Fotóellenállás (light dependent resistor) Félvezető Fény → elektronok kerülnek át a vezetési sávba Hátrányok: lassú Előnyök: egyszerű alkalmazhatóság, ohmikus Spektrális érzékenység: típustól függ

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

Fotodióda

Fotodióda

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

CCD

Hőkamera

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

Pulzoximéter Pulzusszám Oxigén szaturáció

Mágneses tér érzékelése

Mágneses terek érzékelése Váltakozó mágneses terek → mágneses indukció Állandó mágneses terek → Hall-effektus, …

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

További mágneses érzékelők Reed-relé SQUID: gyenge terek érzékelése

Kémhatás mérése Nehézségek: nagy belső ellenállás, alacsony feszültség

Páratartalom mérése

Gázok érzékelése – Taguchi szenzorok Ellenállás változás Szenzorok zajának változása

Oxigén koncentráció érzékelése – Lambda-szonda

Pozíció érzékelése

Mikro kapcsolók Felhasználás: pl. végállások detektálása

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

Fényfüggőny Biztonsági felhasználás

Reflexiós fotókapu Felhasználás: pl. közelség érzékelése

Potenciométer Potenciométer 𝑈= 𝑈 𝑟𝑒𝑓 ∙ 𝑙 𝐿

Potenciométer

Pozíció kódolók

Mágneses elfordulás szenzor

Kapacitív elmozdulásmérők Mérési elv: elmozdulás → kapacitás változása

Induktív elmozdulásmérők Mérési elv: elmozdulás → induktivitás/csatolás/veszteség változása

LVDT (Linear variable differential transformer)

Folyadékszint detektálása

Nyúlásmérő bélyegek (strain gauge) Mérési elv: elmozdulás → ellenállásváltozás

Erő mérése (load cell) Mérési elv: erő → elmozdulás

Erő mérése

Nyomás mérése Mérési elv: nyomáskülönbség → érzékelőfelület torzulása

Gyorsulás érzékelése Mérési elv: tehetetlen tömeg elmozdulása

Integrated circuit piezoelectric sensor Rezgések érzékelése

Fordulatszám mérése

Szögsebesség mérése: Giroszkópok

Áramlás mérése Lapát Rotor/légcsavar

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

Áramlás mérése Hővezetés Pitó-cső

Aktuátorok

Aktuátorok

LED Meghajtás: Feszültségforrás + áramkorlátozó ellenállás Áramgenerátor

Lézer dióda

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

Elektromágnes

Hangszórók

Motorok

Léptető motorok Cél: kis méretű elmozdulások

Léptető motorok

Piezo kristályok Piezó-effektus: mechanikai deformáció ↔ feszültség Alkalmazás: mikrofon/hangszóró (hallható/ultrahang) Mikrószkopikus elmozdulások mérése/létrehozása Órajelek létrehozása (kvarc)

Köszönöm a figyelmet ... vége ...