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

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

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

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

– 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

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

• Questions and Answers

• Student’s examples

3.1 DAS Overview

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)

• Transducers, sensors và phép đo

• Calibration, interfering và thay đổi tín hiệu vào

• Static sensor characteristics

• Dynamic sensor characteristics

3.2.1 Sensor characteristics

Ch3 - DAS 11

Measurement:

• 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:

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)

Additional inputs

• Nhiễu đầu vào (Y)

– Nhiễu tác động vào sensor

– Là việc thay đổi hành vi

của sensor => thay đổi đặc

tính

– Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu

vào thường thay đổi

– The properties of the system transient response to an input

• Zero order systems

• First order systems

• Second order systems

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 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

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 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)

• 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 21

Example: systematic and random errors

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 23

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…

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 25

Dynamic models

• Những mô hình động thường được phân

tích theo biến đổi Laplace, biến đổi ptvp

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 27

• Other useful relationships are

Laplace Transform (review)

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 determdenominator-ines the dynamic behavior of the sensor

such as

– Oscillating components

– Exponential decays

– 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 31

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,

Ch3 - DAS 33

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

Example of a first-order sensor

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,

Ch3 - DAS 37

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

– 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 39

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 41

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

• Notes

– 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

Capacitive displacement sensors

• The capacitance of a parallel plate capacitor is

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

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 43

Sensor đo dịch chuyển kiểu điện cảm

• Biến áp vi sai biến đổi tuyến tính (Linear

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)

• Primary coil voltage: VSsin(ωt)

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

– 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

Ch3 - DAS 45

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 47

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

• Để bù T, thường hay đặt thêm một

“dummy” gauges có cùng hiệu ứng T nhưng

không cho chịu lực, bù vi sai.

– 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 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

Ch3 - DAS 49

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

Thermoresistive sensors

Ch3 - DAS 51

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)