Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Chương 3

8/26/2012

Ch. 3 DAS DATA ACQUISITION SYSTEMS

• DAS overview • Measurement, sensors, transducers • Conditioners, các bộ chuẩn hóa tín hiệu • MUX, S&H, ADCs • Microcontrollers and Data Processing • Database • Case studies: monitoring systems

Ch3 - DAS

3.1. DAS Overview • Define:

– Data Acquisition System: The system for acquiring data (status, metric information) from industrial processes (or environment) then update to database, one of importance part of a SCADA, DCS…

– The collection of sensors and communication links

to sample or collect and then return data to a central location for further processing, display, or archiving. • Structure: next

Ch3 - DAS

8/26/2012

3.1. DAS Overview

Ch3 - DAS

3.1. DAS Overview • Student’s define for structure:

– Object: – Sensor: – Conditioner: WorkBench, LabView – MUX: – S&H: – ADC: – Embedded System – Computer Desktop: database and networking

Ch3 - DAS

8/26/2012

3.1. DAS Overview • Operate: – Process – Sensor – Conditioner – MUX – S&H and ADC – ES – Database system

Ch3 - DAS

3.1. DAS Overview

• Classification:

– The number of data elements/points, – Distance/wide area – Rate of signal – Address of application and type of information:

• Industrial fields: level, flow, temperature, pressure,… in cement, paper, textile, steel mill, mechanical factories…

• Civil engineering: dams, bridges, underground/ under- water constructions, high building… => constructions supervision system

• Environmental supervision system

Ch3 - DAS

8/26/2012

3.1. DAS Overview

• Transportation: Vehicles, ship, aero plane: velocity,

accelerate, gasoline ratio, safety equipment, Navigation…; Traffic signals

• Bio-medicine: Cardiograph, Monitoring, smart garden and growth

• Defense: DGPS, • Entertainment: • Smart house: temperature, lighting, air conditioning (heating/ freezing), plant watering, auto-answering, smart cooking… iBMS

Ch3 - DAS

3.1. DAS Overview • Questions and Answers • Student’s examples

Ch3 - DAS

8/26/2012

3.2 Measurement • Sensor Defines:

(A device that responds to a physical stimulus in real world (heat, light, sound, pressure, motion, flow, and so on), and produces a corresponding electrical signal)

– Là thiết bị nhận các tín hiệu vật lý từ thế giới thật (nhiệt, ás, âm thanh, áp suất…), tạo ra các tín hiệu điện tương ứng.

– Là một phần của thiết bị đo, nó đáp ứng trực tiếp ứng với sự thay đổi của môi trường (The part of a measuring instrument which responds directly to changes in the environment)

• Transducers are ENERGY CONVERTERS or

MODIFIERS – Là thiết bị thay đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác

(A device for converting energy from one form to another)

– For example, a thermocouple transduces heat energy into electrical energy

• (Tuy nhiên trong thực tế thường hay coi là 1)

Ch3 - DAS

3.2.1. Sensor characteristics

• Transducers, sensors và phép đo • Calibration, interfering và thay đổi tín hiệu vào • Static sensor characteristics • Dynamic sensor characteristics

Ch3 - DAS

8/26/2012

Measurement:

Ch3 - DAS

Measurements: • Mô hình đo lường đơn giản:

• X liên hệ với phép đo trong một số phương pháp đã biết (i.e.,

measuring mass)

– Giá trị quan sát được X đọc được từ đối tượng đo

– Sensor phát ra tín hiệu thay đổi và được xử lý theo nhiều kiểu, truyền dẫn hoặc hiển thị – Trong ví dụ trên, tín hiệu đo được đưa qua bộ hiển thị và

đưa đến thiết bị đo. • Phép đo (Measurement)

– Là quá trình so sánh đại lượng chưa biết với giá trị chuẩn có cùng đơn vị (đo độ dài, khoảng cách) hoặc giá trị chuẩn của nhiều các đại lượng liên quan (đo vận tốc, gia tốc)

Ch3 - DAS

8/26/2012

Khắc độ (Calibration)

• Là quan hệ giữa đại

lượng đo vật lý (X) và giá trị tín hiệu (S)

• Sensor hoặc thiết bị đo

được khắc độ bởi việc thu thập các tín hiệu đã biết.

Ch3 - DAS

Additional inputs • Nhiễu đầu vào (Y)

– Nhiễu tác động vào sensor sẽ tạo ra sự xếp chồng tuyến tính với giá trị đo X – Xếp chống tuyến tính là: S(aX+bY)=aS(X)+bS(Y)

• Modifying inputs (Z)

– Là việc thay đổi hành vi

của sensor => thay đổi đặc tính. – Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu vào thường thay đổi

Ch3 - DAS

8/26/2012

Sensor Characteristics • Đặc tính tĩnh: (Static characteristics)

– Các thuộc tính của hệ thống sau các hiệu ứng quá độ sẽ ổn định với các

đặc tính tĩnh: • Accuracy • Discrimination - độ phân biệt hay còn gọi độ phân ly • Precision • Errors • Drift • Sensitivity • Linearity • Hysteretic

– The properties of the system transient response to an input

• Zero order systems • First order systems • Second order systems

• Dynamic characteristics

Ch3 - DAS

Accuracy, discrimination and precision

đo so với giá trị thực

• Accuracy is the capacity of a measuring instrument to give RESULTS close to the TRUE VALUE of the measured quantity – Độ chính xác (accuracy) được xác định bằng độ lệch của 1 tập các phép

– Độ chính xác/sai số được thể hiện giá trị tuyệt đối và tương đối ABSOLUTE ERROR = RESULT – TRUE VALUE RELATIVE ERROR = ABS ERROR/TRUE VALUE (%) • Resolution (Discrimination) is the minimal change of the input necessary to produce a detectable change at the output – Độ phân ly: DISCRIMINATION hay RESOLUTION – When the in/discrimination is from zero, it is called THRESHOLD

(ngưỡng)

Ch3 - DAS

8/26/2012

Precision (độ lặp lại)

• Là khả năng của thiết bị cho ra cùng 1 giá trị khi lặp lại phép đo cùng 1 đại lượng trong cùng 1 điều kiện: – Độ lặp lại được hiểu là sự nhất quán giữa các lần đo liên tiếp cùng 1 đại lượng, nó không nói lên giá trị đó gần với giá trị thực.

– Precision là điều cần chứ không là điều kiển đủ để đánh giá độ chính xác

• 2 thuật ngữ liên quan mật thiết đến precision

• được thực hiện trong khoảng thời gian dài, hoặc • do các người khác nhau thực hiện hoặc • dùng các dụng cụ đo khác nhau hoặc • trong các phòng thí nghiệm khác nhau

– Repeatability: Độ lặp lại của 1 tập các phép đo trong 1 thời gian ngắn – Reproducibility: là độ lặp lại của 1 tập các phép đo nhưng:

Ch3 - DAS

Example

• Phóng tiêu (DART)

– Độ phân ly – Kích thước của vùng được tạo bởi phi tiêu – Which shooter is more accurate? – Which shooter is more precise?

Ch3 - DAS

8/26/2012

Accuracy and errors • Sai số hệ thống: (Systematic Errors) – Là nguyên nhân từ nhiều yếu tố khác nhau – Do các đại lượng khác can thiệp vào hoặc các sự biến đổi

khác (i.e., temperature)

– Trôi mạch điện tử, các kết cấu cơ, hóa (i.e., changes in chemical structure or mechanical stresses)

– Quá trình đo làm thay đổi đối tượng đo. (i.e., loading errors, electro-mechanic Voltmeter)

– Khi truyền dẫn làm thay đổi tín hiệu (i.e., suy giảm, méo) – Sai số chủ quan (i.e., quan sai: sai do mắt nhìn, quan niệm của mỗi người)

– Sai số hệ hệ thống có thể được bù trừ bằng các phương pháp khác nhau (như phản hồi, lọc)

Ch3 - DAS

Accuracy and errors: • Sai số ngẫu nhiên:

– Còn được gọi là nhiễu: tín hiệu không chứa thông tin đo – Sai số ngẫu nhiên thực sự (ồn trắng - white noise) có phân bố Gauss

• Độ lặp lại của chính đối tượng đo (i.e., height of a rough surface) • Nhiễu môi trường (i.e., background noise picked by a microphone) • Nhiễu đường truyền (i.e., 60Hz)

– Nguồn nhiễu ngẫu nhiên:

– Tỷ số tín hiệu/nhiễu nhỏ. Thường thì SNR phải >>1 – Khi biết đặc tính của tín hiệu thì có thể tách ra khỏi nền

nhiễu với điều kiện SNR>>1 (i.e., understanding speech in a loud environment)

Ch3 - DAS

8/26/2012

Example: systematic and random errors

Ch3 - DAS

Các đặc tính tĩnh khác:

– The maximum and minimum value of the physical variable that can be

measured (i.e., -40F/100F in a thermometer)

– Output range can be defined similarly

• Input range:

– Độ dốc của đường đặc tính y=f(x)

• 1 sensor lý tưởng sẽ có độ nhạy lớn và ổn định – Sai số liên quan đến độ nhạy: bão hòa và vùng chết

• Độ nhạy (Sensitivity)

– Là sự gần đúng của đặc tính thực so với đường thẳng mẫu (i.e., đặc tính

lý thuyết khớp với giá trị bình phương cực tiểu)

• Độ tuyến tính: Linearity

– Đặc tính của sensor cần phải đơn điệu

• Tính đơn điệu (Monotonicity)

– Giá trị ra khác nhau khi giá trị vào giống nhau nhưng ở 2 chiều tăng và

giảm (i.e., magnetization in ferromagnetic materials)

• Backslash: hystheresis caused by looseness in a mechanical joint

• Trễ của đặc tính: Hysteretic

Ch3 - DAS

8/26/2012

Dynamic characteristics

• Đáp ứng của sensor khi đại lượng vào biến thiên khác

với đại lượng vào ổn định

• Là do có các phần tử kho năng lượng – Quán tính (Inertial): masses, inductances – Capacitances: electrical, thermal

• Đặc tính động được xác định bởi việc phân tích các đáp ứng của sensor với một họ các đại lượng vào khác nhau về dạng sóng – Impulse, step, ramp, sinusoidal, white noise…

Ch3 - DAS

Các mô hình động (Dynamic models)

• Đáp ứng động của sensor (typically) được

coi như tuyến tính – Như vậy, có thể mô hình hóa bởi phương trình vp

tuyến tính hệ số hằng

- Thực tế, những mô hình này giới hạn về dạng ptvp zero, first and second order. Những mô hình cao hơn ít dùng.

Ch3 - DAS

8/26/2012

Dynamic models • Những mô hình động thường được phân tích theo biến đổi Laplace, biến đổi ptvp thành đa thức – Biểu diễn Laplace như 1 dạng mở rộng của

Fourier transform • Phân tích Fourier được giới hạn cho sinus signals

– x(t) = sin(ωt) = e-jωt

– x(t) = e-σtsin(ωt) = e-(σ +jω)t

• Phân tích Laplace cũng có thể được thực hiện theo kiểu hàm mũ

Ch3 - DAS

Tham khảo: Laplace Transform (review)

• The Laplace transform of a time signal y(t) is

denoted by

L[y(t)] = Y(s)

• The real component σ defines the real exponential behavior • The imaginary component defines the frequency of oscillatory

behavior

– The s variable is a complex number s=σ+jω

• The fundamental relationship is the one that

concerns the transformation of differentiation

Ch3 - DAS

8/26/2012

Laplace Transform (review)

• Other useful relationships are

Ch3 - DAS

The Laplace Transform (review)

– G(s) is called the transfer function of the sensor

• Applying the Laplace transform to the sensor model yields

• The position of the poles of G(s) -zeros of the denominator-

in the s-plane determines the dynamic behavior of the sensor such as – Oscillating components – Exponential decays – Instability

Ch3 - DAS

8/26/2012

Pole location and dynamic behavior

Ch3 - DAS

Zero-order sensors

• Quan hệ giữa Input & output

bởi phương trình dạng: – Zero-order là dạng đáp ứng

• Không trễ • Bandwidth không xác định • Sensor chỉ thay đổi biên độ tín hiệu

vào

mong muốn của sensor

– Zero-order systems: không chứa phần tử kho điện

– Example of a zero-order sensor • A potentiometer used to measure linear and rotary displacements – Mô hình này không thích hợp với hệ đo dịch chuyển biến thiên nhanh

Ch3 - DAS

8/26/2012

First-order sensors • Quan hệ giữa Inputs &

outputs bởi ptvp bậc nhất – First-order sensors chứa 1 phần tử kho điện và một phần tử tiêu tán

– A biên độ của bước nhảy – k (=1/a0) là hs khuếch đại tĩnh, được xác định bởi đáp ứng tĩnh – τ (=a1/a0) là hằng số thời gian được

xác định bởi đáp ứng động

– Đáp ứng bước nhảy: • y(t) = Ak(1-e-t/τ)

• y(t) = Akt - Akτu(t) + Akτe-t/τ

– Ramp response

• Thường được mô tả bởi biểu đồ

biên-pha

– Frequency response

Ch3 - DAS

First-order sensor response

Ch3 - DAS

8/26/2012

Example of a first-order sensor

• A mercury thermometer immersed into a fluid – What type of input was applied to the

• C: thermal capacitance of the mercury • R: thermal resistance of the glass to heat

transfer

• θF: temperature of the fluid • θ(t): temperature of the thermometer

sensor? – Parameters

– The equivalent circuit is an RC network

Ch3 - DAS

Example of a first-order sensor

Ch3 - DAS

8/26/2012

3.2.2. Nguyên lý sensor

• Phân loại sensors • Sensors cơ • Sensors nhiệt • Sensors hóa

Ch3 - DAS

Phân loại sensors:

• Sensors được phân loại theo các cách sau: – Power supply requirements: Passive and active – Nature of the output signal: Digital and analog – Measurement operational mode: Deflection and

null modes

– Input/output dynamic relationships: Zero, first,

second order, etc.

– Measurand: Mechanical, thermal, magnetic,

radiant, chemical

– Physical measurement variable: Resistance,

inductance, capacitance, etc.

Ch3 - DAS

8/26/2012

Passive and active sensors

• Thụ động hay tự sinh (Passive or self-generating)

• Output signal power comes from the stimulus

– Đáp ứng là tín hiệu điện, phát trực tiếp khi có kích thích từ bên ngaòi, không cần nguồn điện cấp

• Thermocouple • Piezoelectric sensors

– Examples:

• Chủ động hay điều chế (Active or modulating)

• Output signal power comes from the power supply

– Các sensor này, khi hoạt động cần có nguồn cấp ngoài hoặc tín hiệu kích thích từ ngoài

• Thermistors • Chemo-resistors

– Examples:

Ch3 - DAS

Analog and digital sensors

• Analog sensors:

– Cho ra tín hiệu liên tục cả về biên độ và thời gian hoặc không gian – Hầu hết các đối tượng vật lý, theo

displacement, light intensity

tự nhiên, là tín hiệu analog. • Examples: Temperature,

• Digital sensors:

• Digital signals are more repeatable,

reliable and easier to transmit – Examples: Shaft encoder, contact

– Đưa ra dạng tín hiệu là rời rạc, các bước hoặc trạng thái 1/0

switch

Ch3 - DAS

8/26/2012

Operational modes

• Chế độ so lệch (Deflection mode)

– Sensor hay thiết bị đo tạo ra đáp ứng là độ lệch hay sự sai khác với giá trị ban đầu

– Độ lệch tỷ lệ với đại lượng đo • Chế độ cân bằng (Null mode)

• The influence and measurand are balanced (typically through feedback) until they are equal but opposite in value, yielding a null measurement

– Sensor hoặc thiết bị đo tạo ra sự đối trọng với đối tượng đo

– Null mode instrumentation can produce very accurate measurements, but are not as fast as deflection instruments

Ch3 - DAS

Mechanical measurands

• Displacement

– Resistive sensors – Capacitive sensors – Inductive sensors

• Force and acceleration

– Strain gauges – Cantilever beam-based sensors

Ch3 - DAS

8/26/2012

Resistive displacement sensors

• A resistance with a movable contact (a potentiometer) may be

used to measure linear or rotational displacements – A known voltage is applied to the resistor ends – The contact is attached to the moving object of interest – The output voltage at the contact is proportional to the displacement

– Non-linearities as a result of loading effects – Resolution due to limited number of turns per unit distance – Contact wear as a result of frictions

• Notes

Ch3 - DAS

Capacitive displacement sensors

d is the separation between the plates, A is the area of the plates, ε0 is the permitivity of air and εr is the relative permitivity of the dielectric • A moving object is attached to the dielectric or the plates to generate capacitance changes

• The capacitance of a parallel plate capacitor is

Notes

- Variable distance (d) sensors operate over a range of a few millimeters - Cross-sensitivity to temperature and humidity (specially if the dielectric is air) - Capacitive sensors are also commonly used to measure pressure

“Condenser” microphones measure changes in air pressure of incoming sound waves

Ch3 - DAS

8/26/2012

Sensor đo dịch chuyển kiểu điện cảm

• Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear

• Primary coil voltage: VSsin(ωt) • Secondary coil induced emf: V1=k1sin(ωt+ϕ)

and V2=k2sin(ωt+ϕ)

• Induced emf – electromotve force, suất điện

động cảm ứng

– k1 và k2 phụ thuộc vào sự lắp đặt vị trí giữa sơ

và thứ cấp.

– Khi lõi (core) nằm giữa, k1=k2 => VOUT=V1-V2

= 0

• Khi lõi dịch chuyển 1 lượng x, k1≠k2 =>

VOUT=(k1-k2)sin(ωt+ϕ)

• Dịch lên hay xuống được xác định bởi pha của

VOUT

Variable Differential Transformer - LVDT) – Sự dịch chuyển của lõi từ làm thay đổi hỗ cảm của 2 cuôn thứ cấp (phụ thuộc vào sơ cấp)

Ch3 - DAS

Inductive displacement sensors (cont)

• LVDT Characteristics

– Typical LVDTs run at 5V, 2kHz – LVDTs can measure from mm down to μm – Due to small variations in the windings, a small

residual voltage appears at the output when the coil is in the central position

• Advantages of the LVDT over other

displacement sensors – No mechanical wear ensures a long life – Complete electrical isolation – DC versions with integrated oscillators are

available

Ch3 - DAS

8/26/2012

Điện trở lực căng (Strain gauges)

• Strain gauges thay đổi R khi lực căng thay đổi

(piezo-resistive effect) – Strain is a fractional change (ΔL/L) in the

dimensions of an object as a result of mechanical stress (force/area)

– The resistance R of a strip of material of length L,

cross-section A and resistivity ρ is R=ρL/A – Differentiating, the gauge factor G becomes

Ch3 - DAS

8/26/2012

Strain gauges • Cấu tạo và sử dụng:

– Thường, strain gauges bao gồm lá kim loại (foil) hoặc dây wire được phủ bởi 2 lá cách điện (polyimide)

– Gauge được dán vào vật bằng keo dán – Các đường dẫn dọc được sắp đặt theo chiều

của lực căng.

– Độ nhậy của sự biến dạng ngang có thể

được bỏ qua.

– Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến gauges bán

dẫn

• Để bù T, thường hay đặt thêm một

“dummy” gauges có cùng hiệu ứng T nhưng không cho chịu lực, bù vi sai.

– Sự thay đổi R là rất nhỏ

• Strain gauges are almost invariable used in a

Wheatstone bridge

• Chú ý:

Ch3 - DAS

Force and acceleration sensors

– The coupled-double-beam load cell

• Dumb-bell cut-out provides areas of

maximum strain for the gauges

• Cantilever beam bends in an S-shape – This induces both compressive and tensile strains that can be easily measured in a bridge arrangement

• Force sensors

– Spring-mass-damper accelerometer • Covered in the previous lecture – Cantilever-beam with strain gauges

• A seismic mass is attached to the end of

the cantilever

– Dampening is usually performed with viscous fluids or permanent magnets

• Acceleration sensors

Ch3 - DAS

8/26/2012

Temperature sensors

• Thermo resistive sensors

– Resistive Temperature Devices (RTD) – Thermistors

• Thermoelectric sensors

– The Seebeck effect – The Peltier effect – Thermocouples

• p-n junction sensors – Covered in the Lab

Ch3 - DAS

Thermoresistive sensors

Ch3 - DAS

8/26/2012

Thermoelectric sensors

• The Seebeck effect

– When a pair of dissimilar metals are joined at one end, and there is a

temperature difference between the joined ends and the open ends, thermal emf is generated, which can be measured in the open ends

• The Peltier effect

– When a current passes through the junction of two different conductors, heat can be either absorbed or released depending on the direction of current flow

• Thermocouples

– Based on the Seebeck effect – Open ends must be kept at a constant reference temperature TREF – A number of standard TCs are used

• These are denominated with different letter codes: T, J, K, S, R…

– i..e, type J (the most popular) is made of Iron and Constantan (Cu/Ni alloy:

57/43)

Ch3 - DAS

8/26/2012

Chemical sensors

• Conductivity – Metal-oxides – Conducting polymers

• Piezo-electric

– Surface Acoustic Wave – Quartz Crystal Microbalance

Ch3 - DAS

Conductivity sensors • Absorption of gases modifies the conductivity of sensing layer •

Sensing layer types

– Metal Oxide

• Typically SnO2 doped with Pt or Pd • Operate a high temperatures (300-5000C) • Temperature-selectivity dependency • Broad selectivity

– Particularly suitable for combustible gases – Conducting Polymers

• Based on pyrrole, aniline or thiophene • Operate at room temperature

• CPs vs MOXs

– CP advantages

• Large number of polymers available with various selectivities • Sensitivity* to wide number of VOCs • Low power consumption • Faster response and recovery times

– CP Limitations

• Cross-sensitivity* to humidity • Lower sensitivity* than MOXs

*By sensitivity here we mean the ability to detect certain VOCs, not

the slope of the calibration curve

Ch3 - DAS

8/26/2012

Piezo-electric chemical sensors • Piezo-electric effect

– The generation of an electric charge by a crystalline material upon subjecting it to stress (or the opposite) • A typical piezo-electric material is Quartz (SiO2)

– Piezo-electric sensors

• Thin, rubbery polymer layer on a piezo-electric substrate • Sensing principle: mass and viscosity changes in the

sensing membrane with sorption of VOCs

•

Surface Acoustic Wave (SAW)

– AC signal (30-300MHz) applied to interdigitated input

electrode generates a surface (Rayleigh) wave

– Propagation delays to output electrode are affected by

changes in the surface properties

– Phase shifts of the output electrode signal are used as a

response

• Quartz Crystal Microbalance (QMB)

– Also known as Bulk Acoustic Wave (BAW) devices – Device is operated in an oscillator circuit – Changes in the sensing membrane affect the resonant

frequency (5-20MHz) of the device

Ch3 - DAS

3.2.3. Sensor interface circuits • Review of circuit theory

– Voltage, current and resistance – Capacitance and inductance – Complex number representations

• Measurement of resistance

– Voltage dividers – Wheatstone Bridge – Temperature compensation for strain gauges

• AC bridges

– Measurement of capacitance – Measurement of impedance

Ch3 - DAS

8/26/2012

Voltage, current, resistance and power • Voltage

– The voltage between two points is the energy required to move a unit

of positive charge from a lower to a higher potential. Voltage is measured in Volts (V)

– Current is the rate of electric charge through a point. The unit of

measure is the Ampere or Amp (A)

• Current

– Given a piece of conducting material connected to a voltage difference

V, which drives through it a current I, the resistance is defined as

R= V/I

• As you will recall, this is known as Ohm’s Law • An element whose resistance is constant for all values of V is called an

ohmic resistor

– Series and parallel resistors…

• Resistance

– The power dissipated by a resistor is: P = VI = V2/R = I2R

• Power

Ch3 - DAS

Kirchhoff’s Laws

• 1st Law (for nodes)

• Or, the sum of the currents entering

equals the sum of the currents leaving • Thus, elements in series have the same

current flowing through them

– The algebraic sum of the currents into any node of a circuit is zero

• 2nd Law (for loops)

• Thus, elements in parallel have the

same voltage across them.

– The algebraic sum of voltages in a loop is zero

Ch3 - DAS

8/26/2012

Capacitors and inductors • A capacitor is an element capable of storing

charge – The amount of charge is proportional to the voltage across

the capacitor

Q = CV, C is known as the capacitance (measured in Farads)

– Taking derivatives: dQ/dt = d(CV)/dt => I = C dV/dt – Therefore, a capacitor is an element whose rate of voltage change is proportional to the current through it