Metody zpracovn fyziklnch men 1 EVF 112 ZS

Metody zpracování fyzikálních měření - 1 EVF 112 ZS 2007/2008 L. Přech

Počítačový sběr experimentálních dat I - osnova • Fyzikální experiment a úloha počítače v něm • Základní schéma počítačem řízeného experimentu • Analogové a digitální zpracování dat • Čidla a akční členy • Úprava analogového a číslicového signálu, synchronní detekce

Model fyzikálního experimentu • Stanovujeme závislost veličiny y na veličině x při daném parametru (např. závislost proudu vzorkem na napětí při určité teplotě) • Obvykle opakovaná měření pro diskrétní hodnoty xi j , určování střední hodnoty a odhad chyby • x, nastavované nebo implicitně závislé na čase x(t)

Počítač jako automatické registrační zařízení • Ruční nastavení x, resp. x(t) • Automatický zápis hodnot (t) y(t) • Vyhodnocení a zpracování často až po ukončení zápisu Využíváme rychlost registračního systému!

Počítačově řízený experiment • Automatické nastavení x, resp. x(t) – volně dle programu – automatické měření – s cílem stabilizovat nebo řídit y nebo - regulace • Automatický zápis hodnot (t) y(t) • Vyhodnocení a zpracování obvykle během měření

Základní schéma systému sběru dat a řízení experimentu Fyzikální veličiny Akční členy Čidla Úprava signálů Sběr dat, řízení výstupů Počítač

Fyzikální veličiny • Elektrické povahy – napětí – proud – odpor, vodivost, indukčnost, kapacita – kmitočet, fáze – perioda, střída – impulzy, události • Spojité nebo diskrétní (v hodnotě nebo čase) • Neelektrické – teplota – poloha a pohyb, zrychlení – vlhkost, tlak – osvětlení – hmotnost – chemické složení – …. Veličina vyjádřena časovým průběhem signálu - elektrické veličiny

Převod elektrických veličin na neelektrické a zpět • Akční členy – – – topné elementy zdroje světla ventily motory elmg. cívky …. • Čidla – – – – termočlánky, termistory fotodiody průtokoměry, vakuometry snímače polohy a pohybu, tenzometry a akcelerometry Hallovy sondy vlhkoměry detektory částic. .

Spojitý vs. digitální svět - číslicový počítač – pracuje s diskrétní informací Digitální signály • Přímé měření/řízení – digitální vstupy/výstupy (logické signály) – čas – frekvence, perioda, délka pulsu, střída signálu, fáze Analogové signály • Přímé, převod A/D a D/A – napětí (proud) • Nepřímé – mezipřevod na časové veličiny nebo napětí/proud – často pro ostatní elektrické veličiny: • odpor/vodivost, kapacita, indukčnost

Rozdělení převodníků neelektrických veličin • Přímý převod energie neelektrické veličiny – vlastní zdroj elektromotorické síly – elektromagnetické, termoelektrické, fotoelektrické, piezoelektrické, Hallův jev, … • Pasivní převodníky – potřebují vnější elektrický zdroj – využívají závislost elektrické vlastnosti čidla na měřené veličině – magnetorezistivita, elektrický odpor na teplotě, indučnost na poloze jádra, … • Zpětnovazební pasivní převodníky – zpětná vazba udržuje rovnováhu mezi měřenou veličinou a protipůsobícím elektrickým signálem

Příklad - termočlánek Rozsah voltmetru • Přímý převod energie Citlivost 7 – 50 V/°C – termoelektrická napětí Uo = U 1(Tref)+ U 2 (T) – U 3(Tref) Zesílení vst. zesilovače Rozlišení v bitech U 1 Uo U 2 U 3 T ref T známe

Příklad - pasivní převodníky • Převodník polohy (úhlu): – Posuv jezdce -> proměnný odpor -> napětí • Drátkový termoanemometr: – Rychlost proudění -> míra ochlazování -> teplota -> odpor -> napětí Wheatstonův můstek

RTD - odporové teploměry (např. Pt) • Malý odpor, typ. 100 • Malá citlivost ~0. 4 /°C • 2 -drátové měření – málo vhodné – úbytek napětí na přívodech • 4 -drátové zapojení – lepší, na měřicích přívodech pro napětí minimální úbytek • 3 -drátové zapojení – vhodné pro můstky (Wheatstonův )

Můstkové zapojení – RTD, tenzometry • 3 -drátové zapojení RTD ve Wheatstonově můstku – protilehlé větve RG 1, RG 2 kompenzují odpor přívodů • Tenzometry v můstku – poloviční nebo úplný můstek – zvýšení citlivosti měření • Použití tenzometrů: – jejich odpor závisí na mechanickém napětí – použití též jako převodníky jiné síly – zrychlení, tlak, vibrace

Příklad – čidlo se zpětnou vazbou • Drátkový termoanemometr: – zpětná vazba udržuje můstek vyvážený -> stabilizace odporu (teploty) sondy (výstupní napětí)2 ~ teplo ztrácené na sondě ~ rychlost proudění

Další příklady • LVDT (lineární napěťový diferenciální transformátor) • Měření lineárního posunu – rozdílná vazba do sekundárního vinutí L a P • Čidla s interním převodem na proudovou smyčku 0 -20 nebo 4 -20 m. A 20 4 IS X

Porovnání některých čidel Čidlo Elektrické vlastnosti Požadavky na úpravu signálu termočlánek Malé výstupní napětí, nízká citlivost, nelineární výstup Referenční teplotní čidlo pro kompenzaci studeného konce, velké zesílení, linearizace odporový teploměr Malý odpor (typ. 100 ), nízká citlivost, nelineární výstup Proudové buzení, 3 -, 4 -drátové zapojení, linearizace integrované teplotní čidlo Vysokoúrovňový výstup (~V), linearita Zdroj napájení, malé zesílení tenzometr Malý odpor, nízká citlivost, nelineární výstup Napěťové n. proudové buzení, vysoké zesílení, můstkové zapojení, linearizace, kalibrace bočníků čidlo s proudovým výstupem Proudová smyčka (4 – 20 m. A typ. ) Přesný rezistor termistor Odporové čidlo, vysoký odpor a citlivost, velmi nelineární Napěťové n. prodouvé buzení s referenčním rezistorem, linearizace aktivní akcelerometr Vysokoúrovňový výstup (~V), linearita Zdroj napájení, malé zesílení Kapacitní manometr Kapacita závislá na tlaku (malé hodnoty) Buzení střídavým proudem, můstkové zapojení nebo oscilátor LVDT Střídavé napětí Buzení střídavým proudem, demodulace, linearizace

Obecné funkce obvodů pro úpravu signálu • Zesílení analogových signálů – Změny vst. signálu vhodně pokrývají rozsah ADC – zvětšení rozlišení, citlivosti, zvýšení poměru S/N • Útlum – Úprava velikosti velkých signálů (vysoké napětí. . . ) • Filtrace – Snížení šumu v určité části spektra (např. 50, 60 Hz) – Zabránění aliasingu (Nyquistův teorém) • Izolace (optická, transformátory) – Přerušení zemních smyček, snížení šumu, zabránění poškození zařízení, oddělení obvodů s nebezpečným napětím • Multiplex – Přepínání ADC mezi více kanály, volba způsobu připojení signálu • Současné vzorkování více kanálů • Buzení snímačů, můstková zapojení, 3 - a 4 - drátová měření • Kompenzace studeného konce termočlánku

Další funkce – synchronní detekce Synchronní detekce je technika zpracování signálu, která: • umožňuje separovat i velmi slabý signál v silném šumu - např. : – příjem signálů v radiotechnice – zpracování signálu se silným rušením budí fyzikální proces • vyžaduje referenční signál s přesně danou frekvencí a fází moduluje měřenou veličinu - harmonický nebo obdélníkový signál Synchronní detektor Výstupní signál

Modulační zesilovač

Další funkce • Komprese dynamiky signálů – Bell µ-255 • Linearizace signálu (častěji sw) • Úprava digitálních signálů – Převod úrovní, hystereze vstupů, galvanická izolace(optická nebo transformátorová), výkonové zesílení, buzení relé a stykačů