slike bài giảng hệ thống máy tính công nghiệp - bùi quốc anh chương 3 data acquisition systems

8/26/2012 1 Ch3 - DAS 1 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 2 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 8/26/2012 2 Ch3 - DAS 3 3.1. DAS Overview Ch3 - DAS 4 • Student’s define for structure: – Object: – Sensor: – Conditioner: WorkBench, LabView – MUX: – S&H: – ADC: – Embedded System – Computer Desktop: database and networking 3.1. DAS Overview 8/26/2012 3 Ch3 - DAS 5 • Operate: – Process – Sensor – Conditioner – MUX – S&H and ADC – ES – Database system 3.1. DAS Overview Ch3 - DAS 6 • 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 3.1. DAS Overview 8/26/2012 4 Ch3 - DAS 7 • 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 3.1. DAS Overview Ch3 - DAS 8 • Questions and Answers • Student’s examples 3.1. DAS Overview 8/26/2012 5 Ch3 - DAS 9 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 10 • Transducers, sensors và phép đo • Calibration, interfering và thay đổi tín hiệu vào • Static sensor characteristics • Dynamic sensor characteristics 3.2.1. Sensor characteristics 8/26/2012 6 Ch3 - DAS 11 Measurement: Ch3 - DAS 12 • 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) Measurements: 8/26/2012 7 Ch3 - DAS 13 • 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. Khắc độ (Calibration) Ch3 - DAS 14 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 8/26/2012 8 Ch3 - DAS 15 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 16 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) 8/26/2012 9 Ch3 - DAS 17 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 18 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? 8/26/2012 10 Ch3 - DAS 19 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 20 • 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) Accuracy and errors: [...]... Ch3 - DAS 59 Ch3 - DAS 60 Frequency analysis 30 8/26/2012 Voltages as complex numbers Ch3 - DAS 61 Ch3 - DAS 62 Impedance 31 8/26/2012 Example: High-pass filter Ch3 - DAS 63 Measurement circuits • Resistance measurements – Voltage divider (half-bridge) – Wheatstone bridge • A.C bridges – Measurement of capacitance – Measurement of impedance Ch3 - DAS 64 32 8/26/2012 Voltage divider Ch3 - DAS 65 Ch3 -. .. 57/ 43) Ch3 - DAS 51 Ch3 - DAS 52 26 8/26/2012 Chemical sensors • Conductivity – Metal-oxides – Conducting polymers • Piezo-electric – Surface Acoustic Wave – Quartz Crystal Microbalance Ch3 - DAS 53 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 (30 0-5 000C)... 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... 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... 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... used in a Wheatstone bridge Ch3 - DAS 47 Force and acceleration sensors • Force 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 • Acceleration sensors – Spring-mass-damper accelerometer • Covered... Voltage divider 33 8/26/2012 Wheatstone bridge Ch3 - DAS 67 Ch3 - DAS 68 Wheatstone bridge 34 8/26/2012 Wheatstone bridge • What is the sensitivity of the Wheatstone bridge? • The sensitivity of the Wheatstone bridge is the same as that of a voltage divider • You can think of the Wheatstone bridge as a DC offset removal circuit • So what are the advantages, if any, of the Wheatstone bridge? Ch3 - DAS 69 Voltage... 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 denominatorin the s-plane determines the dynamic behavior of the... VOCs, not the slope of the calibration curve Ch3 - DAS 54 27 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 . y(t) = Akt - Akτu(t) + Akτe -t/τ – Frequency response • Thường được mô tả bởi biểu đồ biên-pha Ch3 - DAS 32 First-order sensor response 8/26/2012 17 Ch3 - DAS 33 Example of a first-order sensor •. RC network Ch3 - DAS 34 Example of a first-order sensor 8/26/2012 18 Ch3 - DAS 35 3. 2.2. Nguyên lý sensor • Phân loại sensors • Sensors cơ • Sensors nhiệt • Sensors hóa Ch3 - DAS 36 Phân loại. Desktop: database and networking 3. 1. DAS Overview 8/26/2012 3 Ch3 - DAS 5 • Operate: – Process – Sensor – Conditioner – MUX – S&H and ADC – ES – Database system 3. 1. DAS Overview Ch3 - DAS 6 •