zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Công Nghệ Thông Tin

» Quản trị mạng

Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Chương 3 - Bùi Quốc Anh

Chia sẻ: Nguyên Phương | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:39

Báo xấu

106
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Hệ thống thông tin công nghiệp - Chương 3: DAS data acquisition systems" trình bày các nội dung: 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. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Hệ thống thông tin công nghiệp: Chương 3 - Bùi Quốc Anh

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 1 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 2 1
8/26/2012 3.1. DAS Overview Ch3 - DAS 3 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 4 2
8/26/2012 3.1. DAS Overview • Operate: – Process – Sensor – Conditioner – MUX – S&H and ADC – ES – Database system Ch3 - DAS 5 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 6 3
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 7 3.1. DAS Overview • Questions and Answers • Student’s examples Ch3 - DAS 8 4
8/26/2012 3.2 Measurement • Sensor Defines: – 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. (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 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 9 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 10 5
8/26/2012 Measurement: Ch3 - DAS 11 Measurements: • Mô hình đo lường đơn giản: – Giá trị quan sát được X đọc được từ đối tượng đo • X liên hệ với phép đo trong một số phương pháp đã biết (i.e., measuring mass) – 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 12 6
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 13 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 14 7
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 • Dynamic characteristics – The properties of the system transient response to an input • Zero order systems • First order systems • Second order systems Ch3 - DAS 15 Accuracy, discrimination and precision • 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 đo so với giá trị thực – 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 16 8
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 – 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: • 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 Ch3 - DAS 17 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 18 9
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 19 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 – Nguồn nhiễu ngẫu nhiên: • 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) – 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 20 10
8/26/2012 Example: systematic and random errors Ch3 - DAS 21 Các đặc tính tĩnh khác: • Input range: – 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 • Độ nhạy (Sensitivity) – 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 tuyến tính: Linearity – 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) • Tính đơn điệu (Monotonicity) – Đặc tính của sensor cần phải đơn điệu • Trễ của đặc tính: Hysteretic – 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 Ch3 - DAS 22 11
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 23 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 24 12
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 • Phân tích Laplace cũng có thể được thực hiện theo kiểu hàm mũ – x(t) = e-σtsin(ωt) = e-(σ +jω)t Ch3 - DAS 25 Tham khảo: Laplace Transform (review) • The Laplace transform of a time signal y(t) is denoted by L[y(t)] = Y(s) – The s variable is a complex number s=σ+jω • The real component σ defines the real exponential behavior • The imaginary component defines the frequency of oscillatory behavior • The fundamental relationship is the one that concerns the transformation of differentiation Ch3 - DAS 26 13
8/26/2012 Laplace Transform (review) • Other useful relationships are Ch3 - DAS 27 The Laplace Transform (review) • Applying the Laplace transform to the sensor model yields – G(s) is called the transfer function of the sensor • 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 28 14
8/26/2012 Pole location and dynamic behavior Ch3 - DAS 29 Zero-order sensors • Quan hệ giữa Input & output bởi phương trình dạng: – Zero-order là dạng đáp ứng mong muốn của sensor • Không trễ • Bandwidth không xác định • Sensor chỉ thay đổi biên độ tín hiệu vào – 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 30 15
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 – Đáp ứng bước nhảy: • y(t) = Ak(1-e-t/τ) – 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 – Ramp response • y(t) = Akt - Akτu(t) + Akτe-t/τ – Frequency response • Thường được mô tả bởi biểu đồ biên-pha Ch3 - DAS 31 First-order sensor response Ch3 - DAS 32 16
8/26/2012 Example of a first-order sensor • A mercury thermometer immersed into a fluid – What type of input was applied to the sensor? – Parameters • 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 – The equivalent circuit is an RC network Ch3 - DAS 33 Example of a first-order sensor Ch3 - DAS 34 17
8/26/2012 3.2.2. Nguyên lý sensor • Phân loại sensors • Sensors cơ • Sensors nhiệt • Sensors hóa Ch3 - DAS 35 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 36 18
8/26/2012 Passive and active sensors • Thụ động hay tự sinh (Passive or self-generating) – Đáp ứng là tín hiệu điện, phát trực tiếp khi có kích thích từ bên ngaòi, không cần nguồn điện cấp • Output signal power comes from the stimulus – Examples: • Thermocouple • Piezoelectric sensors • Chủ động hay điều chế (Active or modulating) – Các sensor này, khi hoạt động cần có nguồn cấp ngoài hoặc tín hiệu kích thích từ ngoài • Output signal power comes from the power supply – Examples: • Thermistors • Chemo-resistors Ch3 - DAS 37 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 tự nhiên, là tín hiệu analog. • Examples: Temperature, displacement, light intensity • Digital sensors: – Đưa ra dạng tín hiệu là rời rạc, các bước hoặc trạng thái 1/0 • Digital signals are more repeatable, reliable and easier to transmit – Examples: Shaft encoder, contact switch Ch3 - DAS 38 19
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) – Sensor hoặc thiết bị đo tạo ra sự đối trọng với đối tượng đo • The influence and measurand are balanced (typically through feedback) until they are equal but opposite in value, yielding a null measurement – Null mode instrumentation can produce very accurate measurements, but are not as fast as deflection instruments Ch3 - DAS 39 Mechanical measurands • Displacement – Resistive sensors – Capacitive sensors – Inductive sensors • Force and acceleration – Strain gauges – Cantilever beam-based sensors Ch3 - DAS 40 20

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.