Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat

Az előadások a következő témára: "Mérés és adatgyűjtés levelező tagozat"— Előadás másolata:

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

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

3 Valós idejű rendszerek

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

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

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

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

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

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

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

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

14 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

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

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

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

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

19 Programozási nyelvek és környezetek

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

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

22 C# Elsősorban PC program Platformfüggő
Korlátozott eszközhasználat, analíziskönyvtár

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

24 JavaScript, PHP Webes interfészek készítése

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

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

27 A LabVIEW fejlesztőkörnyezet

28 Példa GUI

29 Példa kód

30 A LabVIEW környezet Fejlesztő: National Instruments Oktatóanyagok

31 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

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)

33 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

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

35 Spagetti VI

36 Példák a LabVIEW alkalmazására

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

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

39 Hadi és repülőgépipar Repülés Katonai kommunikáció Radar Űrprogramok
Automatizált tesztrendszerek

40 SpaceX

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

42 Pl. mosógép fejlesztése

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

44 Big Physics - TOKAMAK Valós idejű mérések Szabályozás

45 Lego

46 A LabVIEW programozás alapjai

47 Kezdőablak

48 Virtual Instrument – VI

49 Projektek

50 Eszköztárak

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

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

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

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

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

56 Numerikus adattípusok

57 Numerikus típus megváltoztatása

58 Numerikus paletta

59 További funkciók: Mathematics

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

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

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

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

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

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

66 Adatvezérelt programozás: példa

67 Sekvencia

68 LabVIEW toolkit-ek

69 Programozási lehetőségek

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

71 Control Design and Simulation Module
Simulink jellegű programozás

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

73 Robotics Module Valódi hardverek vezérlése 3D szimulációs környezet

74 LEGO MINDSTORMS NXT Module
Lego NXT programozása LabVIEW használatával

75 Vision Development Module
3D algoritmusok Valós idejű felismerés

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

77 Statechart Module Állapotvezérelt gépek készítése

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

79 FPGA Module FPGA programozása grafikus nyelven

80 Touch Panel Module HMI panelek programozása

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

82 Adaptive Filter Toolkit
Különböző adaptív szűrő algoritmusok Szimuláció FPGA kód

83 Szenzorok

84 Digitális mérőműszer

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

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

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

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

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

90 Hőmérséklet mérése

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

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

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

94 Bimetál kapcsoló Két állapot Hiszterézis

95 Ellenállás-hőmérők RTD

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

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

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

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

100 Ellenállás hőmérők bekötése

101 Termisztor NTC

102 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

103 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 = K 𝐵 25/85 =3977 K 𝑅 0 = 𝑅 25 =10 kΩ MicLab – 09 – Mingesz Róbert

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

105 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

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

107 Thermoelem

108 Termoelem Seebeck-effektus: 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

110 Termoelem - hidegpont Hidegpont kompenzálás

111 NI-9211 hidegpont-kompenzálás
Termisztor

112 Integrált hőmérsékletszenzorok

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

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

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

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

117 Fény detektálása

118 Fény érzékelése Fény → hőmérsékletváltozás elektronok gerjesztése
elektronok kilépése

119 Bolométer Hőhatás mérése (infravörös fény detektálása)

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

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

122 Fotodióda

123 Fotodióda

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

125 CCD

126 Hőkamera

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

128 Pulzoximéter Pulzusszám Oxigén szaturáció

129 Mágneses tér érzékelése

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

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

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

133 Kémhatás mérése Nehézségek: nagy belső ellenállás, alacsony feszültség

134 Páratartalom mérése

135 Gázok érzékelése – Taguchi szenzorok
Ellenállás változás Szenzorok zajának változása

136 Oxigén koncentráció érzékelése – Lambda-szonda

137 Pozíció érzékelése

138 Mikro kapcsolók Felhasználás: pl. végállások detektálása

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

140 Fényfüggőny Biztonsági felhasználás

141 Reflexiós fotókapu Felhasználás: pl. közelség érzékelése

142 Potenciométer Potenciométer 𝑈= 𝑈 𝑟𝑒𝑓 ∙ 𝑙 𝐿

143 Potenciométer

144 Pozíció kódolók

145 Mágneses elfordulás szenzor

146 Kapacitív elmozdulásmérők
Mérési elv: elmozdulás → kapacitás változása

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

148 LVDT (Linear variable differential transformer)

149 Folyadékszint detektálása

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

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

152 Erő mérése

153 Nyomás mérése Mérési elv: nyomáskülönbség → érzékelőfelület torzulása

154 Gyorsulás érzékelése Mérési elv: tehetetlen tömeg elmozdulása

155 Integrated circuit piezoelectric sensor
Rezgések érzékelése

156 Fordulatszám mérése

157 Szögsebesség mérése: Giroszkópok

158 Áramlás mérése Lapát Rotor/légcsavar

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

160 Áramlás mérése Hővezetés Pitó-cső

161 Aktuátorok

162 Aktuátorok

163 LED Meghajtás: Feszültségforrás + áramkorlátozó ellenállás
Áramgenerátor

164 Lézer dióda

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

166 Elektromágnes

167 Hangszórók

168 Motorok

169 Léptető motorok Cél: kis méretű elmozdulások

170 Léptető motorok

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

172 Köszönöm a figyelmet ... vége ...