cbs7015 gerçek zamanlı veri toplama sistemleri
Post on 19-Feb-2022
9 Views
Preview:
TRANSCRIPT
CBS7015
Gerçek Zamanlı Veri
Toplama SistemleriDr. Öğr. Üyesi Fırat YÜCEL
Akdeniz Üniversitesi
Enformatik Bölüm Başkanlığı
İçerik
Veri Toplama Sistemlerine Giriş
Algılayıcı ve Dönüştürücü Karakteristikleri
Veri Toplama Sistemlerine Giriş
Veri Toplama Sistemi
Veri Toplama: Data Acquisition (DAQ)
Veri toplama sistemi: Gerçek dünyadaki fiziksel durumların algılayıcılar
tarafından ölçülüp gerilim, akım, frekans… gibi elektrik işareti haline
dönüştürülmesi ve bilgisayar vb. aygıtlar tarafından algılanabilmesi için
sayısal olarak örneklenmesi işlemlerini gerçekleştiren sistemlerdir.
Veri Toplama Sistemlerinin Temel
Elemanları
Veri toplama sistemlerinde genel amaçlı bir DAQ kartı bulunur. Bu kart,
algılayıcılardan elde edilen verilerin bilgisayar ortamına aktarılması için
kullanılır. Bazen verilerin DAQ kartı ile uyumlu hale getirilmesi için işaret
koşullandırma devreleri kullanılır.
Veri toplama sistemlerinde yer alan temel elemanlar;
Algılayıcı ve dönüştürücüler
Alan kablolama
İşaret koşullandırma
DAQ donanımı
DAQ yazılımı
Kişisel bilgisayar veya eşdeğer aygıt
Veri Toplama Sistemi Blok Şeması
Fiziksel Sistem
Dönüştürücü Algılayıcı
İşaret
Koşullandırma
A/D Dönüştürücü
Bilgisayar
Analog
Dijital
Sayıcı/
Zamanlayıcı
Algılayıcılar
Motorlar
Röleler
Dönüştürücüler (Transducers)
Dönüştürücüler (transducers), elektriksel işaretler, radyal, termal, manyetik
veya mekanik enerji gibi geniş bir aralıktaki farklı fiziksel fenomenlerin
algılanması için kullanılır. Bir türden enerjiyi başka bir tür enerjiye dönüştürür.
Algılayıcılar ve Aktuatörler
Algılayıcı (sensor) giriş fonksiyonu olan aygıtlara denir.
Aktuatör (actuator) çıkış fonksiyonu olan aygıtlara denir.
Bu iki kavramın her ikisi de dönüştürücü kavramı içinde yer alır.
Ölçüm Türü Giriş Aygıtı (Algılayıcı) Çıkış Aygıtı (Aktuatör)
Işık seviyesi Foto diyot, foto transistör,
güneş paneli
Lambalar, LEDler, fiber
optik aygıtlar
Sıcaklık Termistör, termokupl Isıtıcı, fan
Güç/basınç Basınç anahtarı Elektromanyetik
vibrasyon
Konumlandırma Potansiyometre, kodlayıcı Motor
Hız Tako-üreteci AC/DC motorlar
Ses Karbon mikrofon Buzzer, hoparlör
Yaygın kullanılan dönüştürücüler
Giriş Dönüştürücülerinde Sinyal
Dönüşümleri
Elektrik
Manyetik
Kimyasal
IşınımMekanik
Isıl
Sinyal Türleri
Işınım sinyalleri: Işık şiddeti, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıma, iletim
Mekanik sinyaller: Kuvvet, basınç, tork, vakum, akış, hacim, kalınlık, kütle,
seviye, pozisyon, yer değişimi, hız, ivme, sarsılma, kabalık, akustik dalga
boyu ve genliği
Isıl sinyaller: Sıcaklık, ısı, özısı, entropi, ısı akışı
Elektrik sinyalleri: Gerilim, akım, yük, direnç, indüktans, kapasitans, dielektrik
sabiti, elektrik polarizasyonu, frekans, pals süresi
Manyetik sinyaller: Alan şiddeti, akı yoğunluğu, moment, manyetizasyon,
geçirgenlik
Kimyasal sinyaller: Kompozisyon, konsantrasyon, reaksiyon oranı, zehirlilik, oksidasyon azalma potansiyeli, pH
Örnek Algılayıcı Türleri
Aktif ve Pasif Algılayıcılar
Aktif Algılayıcı: Kendi ışık ya da güç
kaynağına sahip olan algılayıcılardır.
Harici bir ışık ya da güç kaynağına
gereksinim duymazlar. Örneğin; radar
algılayıcılar…
Pasif Algılayıcı: Harici bir ışık ya da güç
kaynağına ihtiyaç duyan cihazlardır.
Örneğin; fotodiyotlar, termistörler,…
İşaret Koşullandırma
İşaret koşullandırma: Signal
conditioning
Kendisine gelen bir elektriksel
işaretin bir sonraki elektronik
sisteme uyumlu hale
getirilmesinden sorumludur.
İşaret koşullandırma örneği
Algılayıcı ve Dönüştürücü
KarakteristikleriTemel Kavramlar
Transfer Fonksiyonu
Çıkış sinyalinin, giriş sinyaline oranını veren fonksiyondur.
Lineer : h(t) = a + bt
Logaritmik : h(t) = a + b ln(t)
Üstel : h(t) = aekt
Güç : h(t) = a0 + a1tk
…
Doğrusal olmayan fonksiyonlar için b duyarlılığı
𝑏 =𝑑ℎ(𝑡0)
𝑑𝑡
a: kesişim noktası
b: duyarlılık
k: sabit
t0: Herhangi bir an
Bant Genişliği – Dinamik Aralık
Bant genişliği, bir dönüştürücüde sinyalin giriş değer aralığını ifade eder.
Desibel cinsinden elde edilir.
𝑁 = 10 log𝑃2𝑃1
Eğer güç yerine elektriksel büyüklükler (akım, gerilim,…) dikkate alınırsa;
𝑁 = 20 log𝐸2𝐸1
Dinamik Aralık: Girişe uygulanan sinyalin alt ve üst değerlerini ifade eder.
Tam Skala Çıkış (Full Scale Output)
Maksimum giriş uyarıcısı ile ölçülen elektriksel çıkış sinyalleri ve uygulanan en
düşük giriş uyarıcısı arasındaki cebirsel farktır.
Örneğin; minimum ve maksimum çıkış akımları 100 mA – 500 mA akım olan
algılayıcının tam skala çıkışı;
FSO = 500 mA – 100 mA = 400 mA
Doğruluk
Hata; algılayıcı ile temsil edilen bir değerin gerçek değere olan en yüksek sapma oranı olarak ölçülür.
Örneğin; doğrusal yer değişim algılayıcısı 1 mm’lik yer değişimi için 1 mV’luk gerilim üretmelidir. Deneyde, 10 mm yer değişiminde 10,5 mV çıkış alınmıştır.
Gerçek değerden 0,5 mm fazla. Sapma
10 mm aralıkta algılayıcının hatası; 0,5 mm/10 mm = %5’tir.
Algılayıcı Kalibrasyonu
Algılayıcının ‘yeterince iyi’ olması gereklidir.
Hiçbir algılayıcı mükemmel değildir.
Aynı üreticinin ürettiği aynı model iki algılayıcı az oranda farklı algılamalar
yapabilir.
Algılayıcı tasarımındaki farklılıklar dolayısıyla, iki farklı algılayıcı aynı durumu farklı
şekilde algılayabilir.
Saklama, taşıma veya kullanımı sırasında algılayıcının maruz kaldığı sıcaklık,
soğukluk, darbe, nem vb. etkenler, algılayıcının tepkisini değiştirebilir.
Bazı algılayıcıların yıllar içinde çıkış tepkisi değişebilir, kalibrasyona gereksinim
duyulabilir.
Algılayıcı, sistemde tekil bir bileşendir. Eşdeğeri yoktur.
İyi Bir Algılayıcının Özellikleri
En önemli iki parametre:
Hassasiyet (Precision): İdeal algılayıcı, her zaman aynı girişe aynı çıkışı verir.
Çözünürlük (Resolution): İyi bir algılayıcı her zaman ölçülen parametredeki en küçük
değişiklikleri algılayabilir.
Önemli diğer parametreler:
Doğrusallık (Linearity): Girişle çıkışın
doğru orantılı olmasına doğrusallık
denir.
Hız (Speed): Algılayıcı hızlı bir
şekilde doğru okumalar
yapabilmelidir.
Lineer Algılayıcılarda İdeal ve Gerçek
Tepkiler
Kalibrasyon Hatası
Algılayıcının kalibrasyonu
fabrikada yapıldığında,
üretici tarafından izin verilen
hatadır.
Gerçek hat
Kalibre
edilmiş hat
-ΔKalibrasyon Hatası
A1
Çıkış
Uyarıcı
𝛿1 =𝑎1 − 𝑎
𝑠1 − 0
𝛿2 =Δ
𝑠2 − 𝑠1
𝛿1 = 𝛿2Çıkış lineer ise;
Histerezis
Histerezis hatası, ters yönde
yaklaşılırken giriş sinyalinin
belirli bir noktasında
algılayıcı çıkışındaki
sapmadır.
Örneğin; algılayıcı 50 ºC’de
cisim ısınırken 49 ºC
gösterirken; aynı algılayıcı,
cisim soğurken 50 ºC’de 51
ºC’yi gösterir.
Doğrusalsızlık (Nonlinearity)
Doğrusal transfer fonksiyona
sahip algılayıcılar için geçerlidir.
Doğrusalsızlık, gerçek transfer
fonksiyonunun düz çizgiden
maksimum sapması olarak ifade
edilir.
Doyum (Saturation)
Algılayıcının çalışma sınırlarının üzerinde
sinyal gönderildiğinde elde edilen tepkidir.
Lineerliğin bozulmasına neden olur.
Doyum noktası, algılayıcının çalışma
aralığının üst sınırını tanımlar.
Tekrarlanabilirlik
Benzer şartlar altında bir
algılayıcının aynı değeri
verememesi durumudur.
Tekrarlanabilirlik hatasının
muhtemel nedenleri;
Isıl gürültü,
Biriken yük,
Malzemenin plastisitesi,…
Ölü Bant (Dead Band)
Algılayıcının belli bir bölgede
değer okuyamaması durumudur.
Çözünürlük (Resolution)
Algılayıcının, örnek alma
sayısının sıklığını ifade eder.
Çıkış Empedansı
Çıkış sinyalindeki bozulmaları en aza indirmek için;
Akım üreten algılayıcı olabildiğince yüksek çıkış empedansına sahip olmalı ve bağlanacağı devrenin giriş empedansı düşük olmalıdır.
Gerilim üreten algılayıcı olabildiğince düşük çıkış empedansına sahip olmalı ve bağlanacağı devrenin giriş empedansı yüksek olmalıdır.
Dinamik Karakteristikler
Statik şartlar altında bir algılayıcının transfer fonksiyonu giriş değerleri,
kalibrasyon, vb. ile ilgili olarak tanımlanabilir.
Giriş uyarıcısı değiştiğinde, algılayıcının tepkisi genelde mükemmel kararlılığı
izlemez. Ani tepki veremez.
Isınma zamanı: Algılayıcıya güç veya uyartım sinyali uygulanması
sonucunda, algılayıcının belirlenmiş doğruluk içinde çalışacağı konuma
eriştiği zamandır.
Frekans tepkisi: Giriş uyarıcısındaki bir değişime algılayıcının ne kadar hızlı
reaksiyon gösterebildiğini belirler.
Frekans Tepkisi
Birinci Dereceden Algılayıcı Sistemleri
için Adım Fonksiyonu Çıkış Tepkisi
𝑆 = 𝑆𝑚 1 − 𝑒−𝑡/𝜏
Sm: Kararlı durum çıkışı
İkinci Dereceden Algılayıcı Sistemleri
için Adım Fonksiyonu Çıkış Tepkisi
Çalıştırılabilir Bölge ve Rezonans
Frekansı
Sıcaklık Algılayıcıları RTD (Resistor Temperature Detector) - Direnç Sıcaklık
Algılayıcısı: Sıcaklığı algılayıcı farklı elementlerden
yapılmıştır. Platinyum, nikel ve bakır.
Termokupl: Birbirine değen iki farklı metalden oluşur.
Termistörler yarıiletken malzemelerden yapılır. Pozitif
ve negatif sıcaklık katsayılı termistörler vardır. Negatif
katsayılı termistörler 10 ºK den daha düşük sıcaklıkları
göstermek için tercih edilir.
Sıcaklık Algılayıcı Çıkış Tepkilerinin
Karşılaştırılması
Manyetik Alan Algılayıcıları
Manyetik algılayıcılar, manyetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler.
Birçok alanda kullanılırlar; örneğin, otomotiv sistemlerinde konum, uzaklık ve
hız tespitinde…
Hall etkisine göre çalışırlar. Çıkış gerilimi Hall gerilimi olarak adlandırılır.
Veri Toplama Sistemleri: Donanım
Veri Toplama Sistemlerinin Performansı
ve Doğruluğu
Veri toplama sistemlerinin performansını ve doğruluğunu gösteren önemli
göstergeler analog giriş özellikleridir:
Kanal sayısı
Örnekleme oranı (sampling rate, Hz)
Çözünürlük
Giriş aralığı
Tek uçlu (single-ended) Kablolama
Diferansiyel (differential) Kablolama Tek uçlu (single-ended)
kablolamada bir kablo işaret
kaynağına bağlıdır. Diğeri
topraklanır.
Tüm kablolar, tek bir
topraklamaya bağlıdır.
Dezavantajı: Gürültü etkilerine
duyarlıdır.
Diferansiyel (differential)
kablolamada iki kablo da
işaret kaynağına bağlıdır.
+ ve – girişler vardır.
Dezavantajı: İki kat daha fazla
kablolama gerektirir.
Diferansiyel Kablolamada
Gönderilen Sinyal
Temel Veri Toplama Sistemi
Fonksiyonel Blok Diyagramı
DACCPUPGAMUX
IN1
IN2
INn
ADC Amp
DI/O I2C USB
Harici Aygıtlar PC
Display (LCD)
Aralık-polarizasyon kontrolü
OUT
n n
MUX: Multiplexer
PGA: Programmable Gain Amplifier
ADC: Analog to Digital Converter
CPU: Central Processing Unit
DAC: Digital to Analog Converter
Amp: Amplifier
DI/O: Digital Input/Output
Veri Toplama Kartları
Veri toplama kartları (DAQ cards) algılayıcılardan gelen verileri alarak
bilgisayara aktaran kartlardır.
Yüksek frekans gerektiren işaret işleme uygulamalarında sayısal işaret
işlemcisi (digital signal processor, DSP) kullanılır.
Veri Toplama Kartı
Fonksiyonel Blok Diyagramı
I/O Connector: Giriş portları
S/H: Sample&Hold
Channel – Gain Array Memory: Kanal ve kazançların kaydedildiği dizi bellek
PGA: Programlanabilir kazanç yükselteci
ADC: Analog sayısal dönüştürücü
Buffer/FIFO: Tampon bellek (ilk giren ilk çıkar)
Bus Interface: Veriyolu arayüzü
Tipik Veri Toplama Sistemi
Fonksiyonal Blok Diyagramı
İşaret Koşullandırma Sistemi
Signal Conditioning System
Veri toplama sisteminin ilk yaptığı işlem işaret koşullandırmadır.
Algılayıcıdan elde edilen işaret, sistem için uygun olan değerler arasında bir genliğe sahip olmalıdır.
Bu kontrolü yapan ve işaretin genliğini belirlenen seviyeye düşüren/yükselten devrelere işaret koşullandırma devresi denilir.
Örneğin ADC’ler genellikle 0-5 V aralığındaki gerilimleri sayısal değerlere dönüştürürler. Bunun için ön kısma koşullandırma devresi gereklidir.
Koşullandırma işlemleri:
Direnç kullanılarak akımın gerilime dönüştürülmesi
İşaret bölücü
İşaret yükselteci
İşaret öteleyici
İşaret Koşullandırma Devreleri
İşaret koşullandırma: Yükseltme
İşaret koşullandırma: Gerilim düzeyi kaydırma
𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉𝑖𝑛
= 1 +𝑅𝐹𝑅2
İşaret Koşullandırma Devreleri
Bant geçiren süzgeçler (BPF)
İşaret Koşullandırma Devreleri
Tamponlu bant geçiren süzgeç devresi
Örnek İşaret Koşullandırma Devresi
RTD Algılayıcısı; Yükselteç, Filtreleme
top related