Metod y zpracování fyzikálních měření - 1

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

2. 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

3. Model fyzikálního experimentu • Stanovujeme závislost veličiny y na veličiněx 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) (t)

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

5. Počítačově řízený experiment • Automatické nastaveníx,  resp.x(t) (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

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

7. 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 …. Fyzikální veličiny Veličina vyjádřena časovým průběhem signálu - elektrické veličiny

8. 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 .... Převod elektrických veličin na neelektrické a zpět

9. 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 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

10. 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

11. Příklad - termočlánek Rozsah voltmetru • Přímý převod energie • termoelektrická napětí Uo = U1(Tref)+ U2 (T) – U3(Tref) Citlivost 7 – 50 V/°C Zesílení vst. zesilovače Rozlišení v bitech U1 T známe Uo U2 U3 Tref

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

13. 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 ) RTD - odporové teploměry (např. Pt)

14. Můstkové zapojení – RTD, tenzometry • 3-drátové zapojení RTD ve Wheatstonově můstku – protilehlé větve RG1, RG2 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

15. 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

16. 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 mA Další příklady IS 20 4 X

17. Porovnání některých čidel

18. 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 Obecné funkce obvodů pro úpravu signálu

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

20. Úvod do synchronní detekce

21. Modulační zesilovač

22. 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