AKVIZICIJA PODATAKA

1. AKVIZICIJA PODATAKA

2. 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.

3. Definicija akvizije podataka 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. Note: Definicija : 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.

4. Analogni interfejs digitalnom svetu

5. Osnovni elementi DAS-a • senzori i pretvarači • kabliranje • kondicioniranje signala • hardver za akviziciju • računar uključujući operativni sistem • softver za akviziciju podataka

6. Funkcionalni dijagram DAS-a

7. Note: 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. Funkcija senzora: • prihvata signale od relevantnih parametara procesa. • konvertuje energiju iz jedne fizičke forme u drugu.

8. Note: Šest energetskih domena • Postoji šest važnih energetskuh domena izmedju kojih se vrši konverzija. • hemijski, • mehanički, • magnetni, • radijacioni, • termički i • električni. Konverzija se vrši prema električnom domenu jer su električni signali najpogodniji za modifikaciju.

9. Tipični uredjaji - pretvarači signala

10. Efekti konverzije signala

11. Note: 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

12. 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)

13. 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

14. 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

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

16. Domeni podataka i pod-domeni

17. 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 signalimogu pripadati jednom od sledeća četiri oblika: • naelektrisanje, • napon, • struja, • snaga.

18. 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. • Osnovna tri pod-domena koja pripadaju vremenskom domenu su: • frekvencija • širina impulsa • fazna razlika

19. Digitalni domen • 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.

20. 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 ...

21. 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

22. Merenje ubrzanja pomoću induktivnog akcelerometra

23. Primer: merenje temperature termistorom

24. Primer: merenje temperature kristalnim oscilatorom

25. Primer: merenje temperature analognim instrumentom

26. Vremenska zavisnost Veličina koju procenjujemo u toku procesa merenja se menja

27. 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

28. Tipovi DAS-ova • Instrumentacioni sistemi, koji se kod DAS-va koriste za procenu ulazne veličine, mogu se podeliti u sledeće dve glavne klase: • analogni - mere informaciju u analognom obliku. • digitalni - obradjuju informaciju u digitalnoj formi.

29. 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

30. Blok šema analognog DAS-a

31. Digitalni DAS – blok šema • Veliki broj DAS-ova danas se realizuje kao digitalni.

32. DAS sa paralelnom A/D konverzijom na svakom ulazu

33. Diferencijalni ulaz

34. Diferencijalni ulaz i širmovanje

35. Galvanska izolacija kod DAS-a

36. Transformatorska galvanska izolacija

37. Optička galvanska izolacija

38. Uticaj napona na zajedničkim krajevima

39. Induktivne smetnje

40. Tipična DAS plug-in-play pločica

41. Asimetričan ulaz

42. Simetričan ulaz

43. Idealna prenosna funkcija 3-bitni A/D konvertora

44. Ofset greška + 1 LSB

45. Greška – pozitivno pojačanje

46. Diferencijalna nelinearnost

47. Integralna nelinearnost u odnosu na ulaz

48. Integralna nelinearnost u odnosu na najbolje fitovanje

49. 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

50. Primeri: Računarskih plug-in U/I ploča