Thiết bị và hệ thống đo thông minh

Các thiết bị cho phép ñiều khiển trạng thái của hệ thống hay trong s n xuất với ñộ chính xác ngoài khả năng của con người... X ðể ñảm bảo cho phép ño có sai số nhỏ hơn sai số γ các than

Trang 1

Thi ế t b ị và h ệ th ố ng ñ o thông minh Thi ế t b ị và h ệ th ố ng ñ o thông minh

6. Jonh Brignell and Neil White, Intelligent Sensor

Systems, IOP Publishing Ltd, 1994, NV490/A-N562/A

Trang 2

M ụ c l ụ c

Thiết bị ño thông minh

C ấ u trúc thi ế t b ị

Ch ứ c n ă ng thông minh

Các thuật toán xử lý thông minh trong thiết bị ño

Nguy ễ n Hoàng Nam 3

Thi ế t b ị và h ệ th ố ng ñ o thông minh

Xu hướng phát triển thiết bị ño: thống kê số lượng thiết bị bán

ra tại thị trường Pháp năm 1999

Trang 3

H ơ n 8,5 % thi ế t b ị ñ o ( ñ i ệ n t ử ) ñượ c bán t ạ i Pháp c ủ a hãng SIMTEC (Syndicate des fournisseurs d’instrumentation)

T ổ ng ti ề n M€

T ă ng tr ưở ng (2007/2006)

S ả n ph ẩ m bán cho công nghi ệ p là 17%; 22% trong vi ễ n thông; 9% cho giáo d ụ c và

giáo d ụ c và nghiên c ứ u; 8% cho xe h ơ i

M ộ t s ố nh ậ n ñị nh

Thiết bị ño ñã có những thành tựu rõ ràng

◦ Ch ủ y ế u ñượ c s ử d ụ ng trong l ĩ nh v ự c nghiên c ứ u hay trong các

phòng thí nghi ệ m.

Các thiết bị cho phép ñiều khiển trạng thái của hệ thống hay trong

s n xuất với ñộ chính xác ngoài khả năng của con người.

◦ Vi ệ c c ả i ti ế n ñộ chính xác này phù h ợ p v ớ i các c ả m bi ế n luôn luôn

Trang 4

Nh ậ n ñị nh

Thiết bị ño ñược phổ biến rộng rãi

T ấ t c ả các h ệ th ố ng ñ i ệ n t ử « hi ệ n ñạ i » x ử lý các c ả m bi ế n

Th ườ ng r ấ ñơ n gi ả n… nh ư ng ngày càng t ố t h ơ n

Các thi ế t b ị ñ o tr ở nên tin c ậ y ñố i v ớ i ng ườ i s ử d ụ ng:

Tính b ả o m ậ t cao

Tính tin c ậ y cao khi s ử d ụ ng

Từ những năm 1990, là kỷ nguyên của công nghệ thông tin

Thi ế t k ế m ộ t h ệ th ố ng thông tin

Thi ế t b ị ñ o b ướ c vào m ộ t th ờ i k ỳ cách m ạ ng m ớ i:

Máy tính cá nhân, x ử lý chuyên d ụ ng.

Ch ươ ng trình ñ a nhi ệ m, ñ a ng ườ i s ử d ụ ng.

D ự a vào vi ệ c s ử d ụ ng m ạ ng công ngh ệ thông tin « truy ề n th ố ng »

Các thi ế t b ị s ử d ụ ng c ấ u trúc theo m ạ ng Ethernet và s ử d ụ ng Internet

Thi ế t b ị truy ề n không dây (wirelessHart…)

Trang 5

T ươ ng lai

Các cảm biến càng ngày càng ñược thu nhỏ l i

Công ngh ệ vi ñ i ệ n t ử

Do sử dụng mạng và sự phát triển của công nghệ vi ñiện tử , các

c m biến trở nên thông minh hơn

Có kh ả n ă ng t ự thay ñổ i ở bên trong

Chu ẩ n hóa giao di ệ

Xem xét

Con người

Nâng cao ñặc tính kỹ thuật

Trang 6

Lưu giữ các quá trình chuẩn ñộ, các thông số

Tuyến tính hoá, tính toán nội suy

ðiều hành việc ño

1.1 C ấ u trúc c ủ a thi ế t b ị ñ o thông minh

ADC

Trang 7

Trang 8

Tr ườ ng h ợ p h ệ s ố khu ế ch ñạ i là c ố ñị nh

Tr ườ ng h ợ p h ệ s ố khu ế ch ñạ i là thay ñổ i

Tính toán ñộ phân gi ả i c ủ a chu ỗ i ñ o

Trang 9

Thi ế t b ị và h ệ th ố ng ủ o thụng minh

1.2 Thi ế t b ị v ớ i mụi tr ườ ng xung quanh - ch ứ c n ă ng thụng minh

VXL TBđo

con người

Hệ thống

ngoài canh

đối tượng

Nõng cao ủộ nh ậ y, ng ưỡ ng nh ậ y, tuy ế n tớnh húa, bự tr ễ

Nõng cao ủộ chớnh xỏc (ch ọ n ph ươ ng phỏp ủ o)

Nõng cao ủặ c tớnh ủộ ng

ð a ch ứ c n ă ng húa thi ế t b ị

Trang 10

Các thu ậ t toán x ử lý thông minh trong thi ế t b ị ñ o

T ự ñộ ng ch ọ n thang ñ o – thang chia ñề u

ñộ phân giải của thang)

ðiều kiện sử dụng thang ño tự ñộng

max max

10

1

X X

X ≤ do ≤

Trang 11

T ự ñộ ng ch ọ n thang ñ o - theo sai s ố yêu c ầ u

Bố trí sao cho sai số tương ñối của phép ño:

β = γ max dông cô

®o

U X

Nh− vËy ta thÊy:

min max dông cô ®o

max dông cô

lóc X X X

max dông cô max min dông cô min®o

min®o

lóc X X X

X

ðể ñảm bảo cho phép ño có sai số nhỏ hơn sai số γ các thang ño sẽ

TB ð

X

PGA

ðể ñảm bảo cho phép ño có sai số nhỏ hơn sai số γyeucaucác thang ño sẽ

ñược phân ñịnh: (X1min<Xdo<X1n), (X2min<Xdo <X2n), (X3min<Xdo<X3n), tương ứng với hệ số khuếch ñại của các bộ khuếch ñại có ñiều khiển

PGA: G1, G2, G3,

nX

X1min 1

β γ

=

Trang 12

Tiến hành quá trình ño theo trình tự Kết quả ño

Tiến hành quá trình ño theo trình tự

So sánh giá trị ñọc về ñể chọn thang ño thích

hợp (ñiều khiển việc thay ñổi hệ số khuếch ñại)

Tự chuẩn ñộ trong một cảm biến thông minh

Tự chuẩn ñộ trên một bo cảm biến: tự ñộng phụ thêm hoặc chỉnh

Chặt các giá trị ñặt trước

Trạng thái cân bằng ñể tăng tính tuyến tính

Tự chuẩn ñộ trong cảm nhậy yếu: kết hợp với cơ cấu chấp hành ñể sinh ra một giá tín hiệu chuẩn ñộ

Tự chuẩn ñộ trên phương pháp chính xác là rất linh hoạt: chuẩn ñộ tín hiệu không phải theo một chuẩn

Trang 13

Ví dụ về tự chuẩn ñộ: Hall sensor (1)

Nguyên tắc: từ trường bên ngoài B EXT sinh ra s ứ c ñ i ệ n

ñộ ng Hall V H trên t ấ m v ớ i dòng ñ i ệ n ñ i qua là I BIAS

Vấn ñề :

Không ban ñầ u

Sai l ệ ch c ủ a ñộ nh ạ y (do nhi ệ t ñộ )

Trang 14

Self-calibration example: Hall sensor (2)

T ự chu ẩ n ñộ c a ñộ nh ạ y s ử d ng cu ộ n dây tích h ợ p:

Dòng ñ i ện I REFqua cu ộ n dây sinh ra t ừ tr ường B REF

Phát xung ho ặ ñ i ề u ch ế phân b ố B EXT

Self-calibration example: Hall sensor (3)

photo testchip

Trang 15

VD: Sensor nhiệt độ AD 590 (Analog

Devices) dòng điện ra tỉ lệ 1 à A/K, điện thế

ra VTđưa ra như hình vẽ ở nhiệt độ 25 0 C

(298.2K) , có dòng bình thường 298.2 à A

Rơi trên điện trở R=1000 Ω , nó đưa ra

nhiệt độ tuyệt đối: T(K) =1000 x (1 à A)

sai lệch điện trở trên cảm biến

Giả sử rằng Es = 1 V, σ theo luật Hook e

được tính

R

R E

X= S∆ R

E R

R K

200000 =

= σ

Trang 16

Tớnh toỏn bậc biểu thức

Cảm biến đo nhiệt độ bằng nhiệt điện trở Nikel: Trong

N l

1

2

Trang 17

Bù sai số thiết bị bằng phương pháp lặp (hồi quy)

Sơ ñồ của phép hiệu chỉnh sai số bằng phương pháp lặp ñược nghiên cứu tại trường ðại học Bách Khoa KIEV cho phép loại trừ mọi sai số của thiết bị mà không cần biết nguyên

nhân

Bù sai số thiết bị bằng phương pháp lặp (tiếp)

ðại lượng X qua bộ biến ñổi thuận và mã hoá A/Dthành N'X1 (có các loại sai số) N'X1 ñược ñưa vào một

bộ ghim giữ R1 sau ñó ñổi nối chuyển sang vị trí 2 N'X1

ñược ñưa về qua bộ D/A biến thành X'K

Trang 18

N q (1 ) X (1 )N

∆ Nhc: ñượ c ñư a vào bù sai s ố cho (nh ờ b ộ c ộ ng).

Sai s ố sau khi hi ệ u ch ỉ nh s ẽ là: γC= γ 2

γ C : Sai s ố sau m ộ t l ầ n hi ệ u ch ỉ nh.

γ : Sai s ố tr ướ c khi hi ệ u ch ỉ nh.

N ế u γ << 1 (vô cùng nh ỏ ) γ 2 → 0 (càng nh ỏ h ơ n nhi ề u).

ðể sai s ố ngày càng nh ỏ ta có th ể l ặ p l ạ i phép bù sai s ố nhi ề u l ầ n cho ñế n khi ñạ t yêu c ầ u.

hc X X

N N ′ N ′′

ðiều kiện hội tụ γD/A < γA/D.

X' K

DK N’ X’K

N’ X1

Trang 19

Ví dụ - Chuẩn ñộ, phát triển và thành công

Chuẩn ñộ, phát triển và thành công

Cần nhiều thiết bị chuẩn ñộ hơn

Hoặc

Các thiết bị chuẩn ñộ cần sai số nhỏ hơn và nhiều

chức năng hơn

60’s Single Function Calibrators (0.05% - 0.01%)

Trang 20

Chuẩn ñộ, phát triển và thành công

Nhu c ầ u v ề chu ẩ n và m ẫ u t ă ng lên

(Artifact Cal, Self Cal, Auto Cal)

Cần ít các thiết bị hỗ trợ và/hoặc cần ít chuẩn s

Cần ít các thao tác can thiệp

vào

Trang 21

10 V Ref 1 ΩRef 10 kΩ Ref.

External External External

Giải pháp (1)

Artifact Cal®

3 Standards (10V, 1Ω, 10kΩ) used for calibrating the

Fluke 57X0 Series Multifunction Calibrators

ratio, bridge, comparison and transfer

techniques to relate all functions

and ranges to the 3 references.

Internal

10 V Ref. 1 Ref. 10 kΩ Ref.

Int AC/DC Xfer Std.

Int Prec.

Divider

Int Null Detector

Internal Internal

Ω

and ranges to the 3 references.

calibration data for increased

calibrator confidence.

within its 24Hrs specifications.

Giải pháp (2)

Truy ề n chu ẩ n ñ a ch ứ c n ă ng

Calibrated at the workloads (=calibrator) critical

calibration/verification points

Supporting major installed Calibrators and their

Functionality and Ranges

Guided/Controlled by Computer based

Procedures

Requiring Less Operator Interference

Trang 22

Giải pháp (3)

“ Chu ẩ n ñộ s ử d ụ ng Internet:

Use of the Internet in calibration applications

Truy c ậ p tr ự c ti ế p ñế n s ố li ệ u

Results & analysis

Online asset management information

ð o t ự ñộ ng

Sharing programs

Online instrument control

Truy c ậ p ñế n chuyên gia

Online knowledge transfer

Ứng dụng của việc chuẩn ñộ: Traceability Importation

Traditional and alternative approaches for disseminating DC Voltage

& Resistance Traceability

Software embodies expertise of high level lab

National Laboratory

Low uncertainty measurement

Textual and visual user setup and connection instructions.

Multifunction Transfer Standard

Internet Link

GPIB

Ω

V

User Laboratory

Trang 23

Another UK Internet Cal project

NPL & BAE Systems: Network Analyser Calibration

ANA driven by external computer overriding

firmware calibration procedure

Calibration, measurement, & uncertainty

algorithms implemented via internet link from

NPL host computer

Kết luận sơ bộ:

Artifact Cal, Self Cal, AutoCal, Internet Cal

elimination of “human creativity”

Simplifies logistics issues

Trang 24

Chương 2 Hệ thống ño thông minh

M ạ ng c ả m bi ế n

H ệ th ố ng m ạ ng c ả m bi ế n thông minh - Smart sensors (1)

Sensor + giao di ệ n ñ i ệ n t ử trên m ộ t chip

Chu ẩ n hoá ñầ u ra phù h ợ p v ớ i

x ử lý tín hi ệ u s ố

K ế t n ố i v ớ i giao di ệ n bus

Trang 25

Chuẩn về hệ thống mạng cảm biến-IEEE1451

NCAP – Network-capable application processor

TII – Transducer-independent interface

STIM – Smart transducer interface model

TEDS – Transducer electronic data sheet

Khác gì với ñịnh nghĩa ….?

One definition is found in IEEE 1451.2-1997:

A Smart Transducer is “A transducer that provides

functions beyond those necessary for generating a

correct representation of a sensed or controlled

quantity This functionality typically simplifies the

integration of the transducer into applications in a integration of the transducer into applications in a networked environment.”

A Smart Sensor is “A sensor version of a smart

transducer.”

Key concept: A smart sensor adds value to the data to enable or support distributed processing and decision making

Trang 26

Phân lo ạ i n ộ i dung c ủ a c ả m bi ế n TEDS

Sơ ñồ khối

Trang 28

Trang 29

Ví dụ

NCAP – Network-capable application processor STIM – Smart transducer interface model

Thi ế t b ị và h ệ th ố ng ñ o ả o

Khái ni m và gi i thi u các công c

Khái niệm này ra ñời cùng sự phát triển của máy tính cánhân

ðN: Lớp của phần cứng hoặc phần mềm thêm vào chomáy tính ñể làm cho người dùng có thể tác dụng qua lạimáy tính ñể làm cho người dùng có thể tác dụng qua lại

Trang 30

Thiết bị và hệ thống ño ảo

M ụ c ñ ích c ủ a National Instruments

Thi ế t b ị ả o

Làm một máy PC thành công cụ dùng cho các ứng

dụng khoa học, kỹ thuật và công nghiệp

Làm một máy PC thành một hệ thống thiết bị ño ảo

M ộ t môdun siêu thi ế t b ị

có kh ả n ă ng ñ áp ứ ng ñượ c t ấ t c ả các yêu c ầ u cho vi ệ

ki ể m tra, ñ o và t ự ñộ ng ñ i ề u khi ể n công nghi ệ

What is Virtual Instrument?

Thi ế t b ị ñộ c l ậ

Ng ườ i bán hàng t ự xác ñị nh Người dùng tựxác ñịnh

instrument

Trang 31

Các ph ầ n t ử c ơ b ả n cu ả thi ế t b ị ñ o

Hi ệ n

Hi ệ n th th ị ị

Thu Thu th th ậ ậ p p Phân Phân tích tích

ð i ề u khi ể n tr ạ ng thái

ðị nh d ạ ng

Tính toán

User Interface Hard Copy File I/O Interprocess Communication Networking

Trang 32

Mô hình Chuẩn của thiết bị ño SAMI

SAMI (Standard Architecture for Measurement for Instrumentation)

ð i ề u khi ể n tr ạ ng thái

ðị nh d ạ ng

File I/O

Interprocess Communication

Trang 33

SCXI 1140 SCXI 1140 SCXI 1140 SCXI1140 SC

MAIN FR AMSC XI1100

Con trol Pa Flow Pre ndit STOP

Tempe re

Ph ầ n m ề m LabVIEW Phân tích

và hi ệ n th ị

Ph ầ n c ứ ng & ph ầ n m ề m ñ i ề u khi ể n

Thu th ậ p và ñ i ề u khi ể n

PC or Workstation

NATION INST

GPIB Instruments Serial Instruments

V ỉ thu th ậ p s ố li ệ u và truy ề n tin

Trang 34

• DAQ library supports all DAQ

• DAQ system components

Un ordinateur PC/Windows

Pentium II recommandé (486 mini)

32 M de mémoire recommandé (8 mini)

1,6 G de disque dur (500 M mini)

lecteur de CDRom

écran 17 ’ ’

Windows 3.1, 95, 98 ou NT

Une carte d’acquisition

multivoies National Instruments

+ 1 ou 2 appareils classiques

multivoies National Instruments

sonore type SoundBlaster

Une carte de contrôle de bus

GPIB/IEEE488 National Instruments

Accessoires pour l ’éducation

DAQ Signal Accessory

NI Instrument Simulator

Trang 35

Thiết lập mạng truyền thông chuyên dụng cho việc

nhận và truyền dữ liệu tạo VI Server cho khảnăngquan sát và ñiều khiển từ xa

Máy tính PC

Thiết bị ño (optionnels)

cảm biến

Hệ thống nghiên cứu

Trang 36

Mặt mỏy - Front panel

Run

để chạy chương

Icon/Connector Biểu tượng liên kết của VI

Các chế độ chọn Font

Sắp xếp nhóm theo

đường thẳng Sắp xếp nhóm theo khoảng cách

Chuyển đổi vị trí

Nhóm sắp xếp bố cục của Front Panel

Nhóm lệnh thực thi

chương trình

Trang 37

sử dụng nút này để chạy debug tìm nơi phát sinh lỗi

Start single step Chạy debug tới terminal kế

Trang 38

Các đầu vào ra của subVI

Phía trái là Input

Phía phải là Output

Thiết kế icon riêng cho subVI của mình

Tool palette

Operating tool - Công cụ hành động

Đặt các khối và ra lệnh thực thi chương

trình trong Front Panel và Block Diagram

Position tool - Công cụ chọn lựa

Di chuyển, định vị và thay đổi kích thước hay xoá khối trong Front Panel và Block Diagram

Labeling tool - Công cụ dán nhãn Scroll tool - Công cụ cuộn Dịch chuyển cửa sổ tầm nhìn

Wiring tool - Công cụ đi dây

Nối các khối với nhau, chính là

đường truyền dữ liệu, chỉ sử dụng

trong Block Diagram

Breakpoint tool - Công cụ tạo

Probe tool - Công cụ thăm dò

Sử dụng trong debug và thăm dò dữ

liệu truyền trên đường dây

Color copy tool - Công cụ bắt màu Lấy màu của một đối tượng để sử dụng vào đối tượng khác Color tool - Công cụ vẽ

Sử dụng để vẽ màu cho các đối tượng trong cả Front

Định dạng
Số trang	40
Dung lượng	2,74 MB