Bài giảng Các hệ thống tin học công nghiệp - Chương 3: DAS data acquisition systems

8/26/2012

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

1

Ch3 - DAS

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

2

Ch3 - DAS

1

8/26/2012

3.1. DAS Overview

3

Ch3 - DAS

3.1. DAS Overview

• Student’s define for structure:

– Object:

– Sensor:

– Conditioner: WorkBench, LabView

– MUX:

– S&H:

– ADC:

– Embedded System

– Computer Desktop: database and networking

4

Ch3 - DAS

2

8/26/2012

3.1. DAS Overview

• Operate:

– Process

– Sensor

– Conditioner

– MUX

– S&H and ADC

– ES

– Database system

5

Ch3 - DAS

3.1. DAS Overview

• Classification:

– The number of data elements/points,

– Distance/wide area

– Rate of signal

– 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

6

Ch3 - DAS

3

8/26/2012

3.1. DAS Overview

• 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

7

Ch3 - DAS

3.1. DAS Overview

• Questions and Answers

• Student’s examples

8

Ch3 - DAS

4

8/26/2012

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 acorrespondingelectrical 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)

9

Ch3 - DAS

3.2.1. Sensor characteristics

• Transducers, sensors và phép đo

• Calibration, interfering và thay đổi tín hiệu vào

• Static sensor characteristics

• Dynamic sensor characteristics

10

Ch3 - DAS

5

8/26/2012

Measurement:

11

Ch3 - DAS

Measurements:

• 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)

12

Ch3 - DAS

6

8/26/2012

Khắc độ (Calibration)

• 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.

13

Ch3 - DAS

Additional inputs

• Nhiễu đầu vào (Y)

– Nhiễu tác động vào sensor

sẽ tạo ra sự xếp chồng

tuyến tính với giá trị đo X

– Xếp chống tuyến tính là:

S(aX+bY)=aS(X)+bS(Y)

• Modifying inputs (Z)

– Là việc thay đổi hành vi

của sensor => thay đổi đặc

tính.

– Ví dụ nhiệt độ là 1 tín hiệu

vào thường thay đổi

14

Ch3 - DAS

7

8/26/2012

Sensor Characteristics

• Đặc tính tĩnh: (Static characteristics)

– Các thuộc tính của hệ thống sau các hiệu ứng quá độ sẽ ổn định với các

đặc tính tĩnh:

• Accuracy

• Discrimination - độ phân biệt hay còn gọi độ phân ly

• Precision

• Errors

• Drift

• Sensitivity

• Linearity

• Hysteretic

• Dynamic characteristics

– The properties of the system transient response to an input

• Zero order systems

• First order systems

• Second order systems

15

Ch3 - DAS

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)

16

Ch3 - DAS

8

8/26/2012

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

17

Ch3 - DAS

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?

18

Ch3 - DAS

9

8/26/2012

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)

19

Ch3 - DAS

Accuracy and errors:

• 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)

20

Ch3 - DAS

10

8/26/2012

Example: systematic and random errors

21

Ch3 - DAS

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 nhưngở 2 chiều tăng và

giảm (i.e., magnetization in ferromagnetic materials)

• Backslash: hystheresis caused by looseness in a mechanical joint

22

Ch3 - DAS

11

8/26/2012

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…

23

Ch3 - DAS

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.

24

Ch3 - DAS

12

8/26/2012

Dynamic models

• Những mô hình động thường được phân

tích theo biến đổi Laplace, biến đổi ptvp

thành đa thức

– Biểu diễn Laplace như 1 dạng mở rộng của

Fourier transform

• Phân tích Fourier được giới hạn cho sinus signals

– x(t) = sin(ωt) = e^-jωt

• Phân tích Laplace cũng có thể được thực hiện theo kiểu

hàm mũ

– x(t) = e^-σtsin(ωt) = e^{-(σ +jω)t}

25

Ch3 - DAS

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 imaginarycomponent defines the frequency of oscillatory

behavior

• The fundamental relationship is the one that

concerns the transformation of differentiation

26

Ch3 - DAS

13

8/26/2012

Laplace Transform (review)

• Other useful relationships are

27

Ch3 - DAS

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 determines the dynamic behavior of the sensor

such as

– Oscillating components

– Exponentialdecays

– Instability

28

Ch3 - DAS

14

8/26/2012

Pole location and dynamic behavior

29

Ch3 - DAS

Zero-order sensors

• Quan hệ giữa Input & output

bởi phương trình dạng:

– Zero-order là dạng đáp ứng

mong muốn của sensor

• Không trễ

• Bandwidth không xác định

• Sensor chỉ thay đổi biên độ tín hiệu

vào

– Zero-order systems: không chứa

phần tử kho điện

– 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

30

Ch3 - DAS

15

8/26/2012

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,

được xác định bởi đáp ứng tĩnh

– τ (=a₁/a₀) là hằng số thời gian được

xác định bởi đáp ứng động

– Ramp response

• y(t) = Akt - Akτu(t) + Akτe^-t/τ

– Frequency response

• Thườngđược mô tả bởi biểu đồ

biên-pha

31

Ch3 - DAS

First-order sensor response

32

Ch3 - DAS

16

8/26/2012

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

33

Ch3 - DAS

Example of a first-order sensor

34

Ch3 - DAS

17

8/26/2012

3.2.2. Nguyên lý sensor

• Phân loại sensors

• Sensors cơ

• Sensors nhiệt

• Sensors hóa

35

Ch3 - DAS

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,

inductance, capacitance, etc.

36

Ch3 - DAS

18

8/26/2012

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

tín hiệu kích thích từ ngoài

• Output signal power comes from the power supply

– Examples:

• Thermistors

• Chemo-resistors

37

Ch3 - DAS

Analog and digital sensors

• Analog sensors:

– 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

38

Ch3 - DAS

19

8/26/2012

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

39

Ch3 - DAS

Mechanical measurands

• Displacement

– Resistive sensors

– Capacitive sensors

– Inductive sensors

• Force and acceleration

– Strain gauges

– Cantilever beam-based sensors

40

Ch3 - DAS

20