PROIECT EDUCAŢIONAL - FIZICĂCURS OPŢIONAL “Modelare, achiziţie de semnal şi prelucrări de date

>>

Tehnologiile digitale >>

Am vizitat Salonului Internaţional de Invenţii, Cercetare Ştiinţifică şi Tehnologii Noi – INVENTIKA 2008 şi am fost uimiţi de performanţele soluţiilor tehnice ce au la bază tehnologia informaţiei. Am văzut cum sisteme diferite sunt conectate la computere, urmărind pe monitoare fiecare schimbare ce se produce în acele sisteme.

În acest context am aflat şi de existenţa unor instrumente de măsură realizate prin soft care pot înlocui instrumente clasice scumpe …

Astfel, a fost lansat proiectul nostru ….. >>

Am dorit să aflăm mai multe despre modul în care este adusă realitatea în lumea cifrelor 0 şi 1.

Am dorit să aflăm cum putem realiza un instrument care să comande măsurări, să colecteze date cu mare precizie, să ni le afişeze şi să le memoreze în calculator.

Am dorit să aflăm ce echipamente sunt necesare pentru ca astfel de instrumente să colecteze date din lumea reală.

Întrebarea esenţială a proiectului >><<

>><<

Întrebările unităţii de învăţare

2

1 Cum putem aduce semnale fizice din lumea reală într-o formă ce poate fi “înţeleasă” de calculator ?

Cum putem programa achiziţia, prezentarea şi stocarea datelor?

>><<

1Cum putem aduce realitatea

într-o formă ce poate fi “înţeleasă” de calculator ?

Reprezentarea informaţiei în semnale analogice şi digitale

Condiţii în care semnalul digital poate reproduce cât mai fidel informaţia conţinută în semnalul analog

Etapele digitizării unui semnal analog

>><<

Aspecte teoretice

Semnalele se clasifică prin modul în care transmit informaţia.

Semnale analogice

Semnale digitale

reprezentare prin funcţii continue în timp

reprezentare matematică printr-un cod (de exemplu cel binar)

1

>><<

Aspecte teoretice

Transformarea unui semnal analogic în unul digital este un proces în care o funcţie continuă este adusă într-o formă discretă.

eşantionare

codare

1

Conversia A/D este un proces care implică trei operaţii:

cuantizare constă în interpretarea unei cantităţi continue printr-un set finit de valori discrete

constă în preluarea unui semnal anlogic printr-un puls periodic care va permite trecerea semnalului doar atâta timp cât pulsul este activ

este etapa de alocare a unui număr finit de biţi fiecărui nivel de reprezentare (fiecărui eşantion al semnalului).

[Detalii]

>><<

1

Valoarea momentană a semnalului eşantionat se numeşte eşantion.Caracteristici ale semnalului eşantionat:

Intervalul de timp T dintre două eşantioane successive se numeşte perioadă de eşantionare (sampling time).

1/T=fs se numeşte rată de eşantioanare (sampling rate) sau frecvenţă de eşantionare (se masoară în Hertz).

Frecvenţa de eşantionare determină cât de des are loc conversia.

Aspecte teoretice

Semnalele eşantionate pot fi obţinute prin procedeul Sample and Hold - eşantionare şi reţinere, folosind un circuit de eşantionare realizat în general dintr-un comutator (care se deschide pentru foarte scurt timp la momentele de eşantionare) şi un element de memorare (poate fi un condensator) pentru păstrarea constantă a valorii tensiunii semnalului până la momentul următor de eşantionare.

Pentru a evidenţia caracteristici ale semnalului eşantionat am realizat un studiu pe model folosind simulări în LabVIEW şi Excel.

[Simulare în LabVIEW]

Studiu pe

model

>><<

Rezultate ale eşantionării unui semnal

Umax (V) f_semnal (Hz) T_semnal (s) f_eşantionare (Hz) T_eşantionare (s) n=f_semnal/f_eşantionare5 50 0.02 67 0.014925373 1.34

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1

t (s)

U (

V)

semnal semnal_esantionat

1

deschide >>

[Concluziile noastre >>]

Studiu pe

model

>><<

Realizând un studiu pe model asupra rezultatelor eşantionării unui semnal alternativ am constat faptul că:

la rate de eşantionare mai mici decât dublul frecvenţei semnalului original (n = feşantionare/fsemnal <2), semnalul eşantionat are o frecvenţă mult diferită de a celui original;

este realizată optim această etapă a digitizării semnalului pentru n>2, pierderea de informaţie fiind cu atât mai mică cu cât raportul dintre frecvenţa de eşantionare şi a semnalului original este mai mare.

[Simulare cu Excel]

Concluziile

noastre

>><<

Aspecte teoretice suplimetare

Teorema Nyquist prezintă condiţiile eşantionării optime unui semnal analog în componenţa căruia pot intra mai multe frecvenţe.

Pentru ca semnalul eşantionat să reproducă cât mai fidel semnalul analogic este necesară eşantionarea la o rată mai mare decât dublul frecvenţei maxime a componentei ce se doreşte a fi detectată (numită frecventa Nyquist).

De exemplu, semnalele emisiilor acustice, obţinute folosind un microfon, au frecvenţe de până la 20 kHz. Prelucrarea optimă a acestora se poate realiza cu o rată de eşantionare de cel puţin 40 kHz.

1

>><<

Pentru conversie şi comprimare am folosit programul Quintessential (http://www.quinnware.com/downloads.php)

respectând teorema Nyquist1

Activitate

practică

>><<

Dacă frecvenţa de eşantionare este mai mică decât dublul frecvenţei maxime a semnalului original, din eşantioanele rezultate se obţine şi un semnal cu caracteristici diferite de cel iniţial, informaţia fiind deteriorată. Acest efect este cunoscut sub numele de aliere (aliassing).

1

În aceste condiţii: sunetele sunt

distorsionate; imaginile au

contururi neregulate şi pot fi posterizate;

în secvenţele video mişcările sunt redate sacadat.

eşantioare optimă

subeşantionare

Rezultate obţinute de noi prin procesarea unor imagini

Activitate

practică

>><<

cuantizare

Aspecte teoretice

Prin cuantizare, un interval de valori este reprezentat printr-un singur număr cu precizie finită. Folosind n biţi pentru a reprezenta valoarea fiecărui eşantion, domeniul de valori ale semnalului este împărţit în 2n subintervale (2n nivele de cuantizare).

Acest lucru va determina aproximarea infinităţii de valori ale semnalului printr-o mulţime discretă de 2n valori (distanţa dintre două nivele consecutive de cuantizare este numită pas de cuantizare).

[Simulare LabVIEW]

1

[Detalii]

Prin cuantizare, valoarea analogică la un moment t este aproximată la valori ce corespund nivelelor de cuantizare. Alegând, în simulare, o reprezentare pe 3 biţi, domeniul [-4, 4] V este împărţit în 8 subnivele cu pasul de 1V. Astfel, prima valoare nenulă eşantionată este aproximată de la 2,229V la 2V, a doua de la 2,298 la 3V, a patra de la 1,763 la 2V, etc.

[Rezultate ale cuantizării]

Concluziile noastre Cu cât numărul de biţi utilizat pentru reprezentare este mai mare, cu atât eroarea de cuantizare (diferenţa dintre valoarea semnalului şi valoarea asociata prin cuantizare) este mai mică.

[Concluziile noastre]Studiu pe

model

>><<

Folosind n biţi pentru reprezentare, prin codare pot fi reprezentate N numere pozitive cuprinse între 0 şi 2n-1:

0 <= N <= 2n-1 Pentru reprezentarea numerelor cu semn se utilizează

un bit pentru reprezentarea semnului (denumit bit de semn), ceilalţi biţi fiind folosţi pentru reprezentarea valorii eşantionului (biţi de mărime).

1

Concluzie: cu cât este mai mare numărul de biţi utilizat pentru reprezentarea semnalului analogic, cu atât acel semnal este redat mai fidel.

Aspecte teoretice

>><<

1

Comprimarea sunetelor se poate realiza astfel : amplitudinea fiecărei componente a semnalului este codificată

minimal; se elimină apoi sunetele “mascate”, pe care urechea nu le poate

percepe – codificare perceptivă; la final se aplicã algoritmi de compresie fără pierdere de informaţie.

[MPEG/Audio]

MPEG/Audio (Motion Picture Expres Group) reprezintă un algoritm standardizat pentru compresii audio de înaltă fidelitate bazat pe codificarea perceptivă.

Comprimarea sunetelorInformaţii

de interes

pentru noi

>><<

Comprimarea unei imagini se poate realiza prin eliminarea unele părţi din conţinutul acesteia, astfel încât să nu fie detectată vizual, afectând într-o mai mică măsură calitatea imaginii (comprimare cu pierderi).

Pentru imaginile dinamice se poate reduce cantitatea de informaţii asociate unei imagini prin faptul că porţiuni ale imaginii au aceeaşi culoare şi pot fi reprezentate printr-un cod corespunzător acelei culori. Totodată, într-o imagine dinamică, partea imaginii care se schimbă între două cadre succesive este foarte redusă, de accea pot fi memorate decât schimbările care apar între cadre.

1

Comprimarea imaginilorIn

form

aţii

de inte

res

pentru n

oi

>><<

1

Creşterea calităţii transmisiei semnalelor

NOU

Prin reducerea conversiilor Analog – Digital creşte calitatea semnalului recepţionat

Info

rmaţ

ii

de inte

res

pentru n

oi

>><<

Concluziile noastre

1

semnalelor analogice

Principalele avantaje sunt legate de:

facilităţile de stocare şi transmitere a informaţiei posibilitatea de prelucrare folosind sisteme de calcul. (Am prelucrat imagini digitale, am comprimat secvenţe audio, am

realizat prelucrări statistice de date experimentale, etc., şi toate acestea le-am transmis rapid colegilor în format digital).

Principalul dezavantaj:

pierderea de informaţie (reducerea dimensiunii, prin prelucrare, aduce avantaje la transmiterea informaţiei, la stocarea acesteia, dar calitatea este diminuată).

Activităţi

practice

>><<

Suprapunând sunete de frecvenţe puţin diferite am obţinut fenomenul bătăilor.

De asemenea, modificând caracteristici ale semnalelor digitale, am generat chiar unele secvenţe muzicale, analizând şi graficul variaţiei în timp a amplitudinilor locale ale semnalului (am folosit o rată de eşantionare de 1kHz).

Utilizând proceduri LabVIEW pentru generare de semnal digital şi pentru comunicării cu placa de sunet, am realizat instrument muzical virtual care realizează operaţia inversă, conversia unor semnale digitale în semnale analogice (sunete) folosind convertorul Digital – Analog al plăcii de sunet.

[Diagrama softului]

Am remarcat astfel şi avantaje ale conversiei Digital – Analog, dar şi limite (secvenţele sonore nu erau “pregătite” pentru o sală de concert).

folosind placa de sunet a calculatorului1

Activitate

practică

>><<

2 Cum putem programa achiziţia, prezentarea şi stocarea datelor?

Principalele componente ale unui sistem computerizat de măsurare şi rolul acestora

Soluţii pentru configurarea unei achiziţii computerizate de date experimentale

Elemente de programare LabVIEW ce pot fi utilizate pentru realizarea unui instrument virtual

>><<

cu plăci de achiziţie de date

Un astfel de sistem are ca principală componentă un convertor Analog – Digital inclus într-un device numit placă de achiziţie. Convertorul are rolul de a transforma semnalul analog într-un semnal digital, ce poate fi apoi prelucrat de calculator.

Placa de achiziţie permite, prin construcţia sa, măsurarea de semnale pe mai multe canale, numărul maxim al acestora fiind o caracteristică a acelui device.

2

Principalele componente ale unui sistem computerizat de măsurare proiectat pentru semnale de tip analog

>><<

[detalii]

Traductoarele sunt utilizate în general pentru a transforma semnale fizice neelectrice în semnale electrice (ce pot fi aplicate sistemului computerizat).

[principiu]

[detalii]

2

şi clasificarea acestora după principiul de funcţionare

>><<

Mărime fizică Elemente sensibile

DEPLASARE

-rezistive;-inductive;-fotoelectrice;-electrodinamice

VITEZĂ•electrodinamice •fotoelectrice;•termorezistive.

FORŢĂ

-rezistive;-inductive;-capacitive;-piezorezistive;-piezoelectrice;-magnetostrictive.

Mărime fizică Elemente sensibile

TEMPERATURĂ-termorezistenţe;-termistoare;-termocupluri;

CONCENTRAŢIE-termorezistive; -electrochimice;-conductometrice.

RADIAŢIE

-fotoelectric;-detectoare în infraroşu;-elemente sensibile bazate pe ionizare.

după mărimile detectate

2

>><<

Vom exemplifica pentru un microfon clasic, compus dintr-un magnet permanent, o bobina circulară mobilă şi o membrana realizata din mase plastice.

Principiul de funcţionare al acestuia este similar modului de funcţionare a urechii umane: sunetele care ajung microfon produc vibraţii ale membranei acestuia, determinând, prin deplasarea bobinei de care este prinsă, generarea de semnale erlectrice prin inducţie electromagnetică.

Variaţia în timp a amplitudinii semnalelor generate redă variaţia în timp a amplitudinilor sunetului captat.

Calitatea sunetului este mai bunã cu cât numãrul de biţi pentru conversia Analog – Digital este mai mare şi cu cât intervalul de timp dintre captarea a două eşantioane succesive este mai mic (eroarea de cuantificare este datorată reprezentării printr-un număr finit de biţi a tensiunilor electrice generate).

2

>><<

Scanner-ul poate converti o imagine de pe hârtie sau de pe o suprafaţă plană oarecare într-un semnal electric prin detectarea diferenţelor de strălucire a unei imagini sau a unui obiect folosind o matrice de elemente sensibile (senzori).

Senzorii înregistrează date privind strălucirea fiecărui punct al unei singure linii a imaginii/obiectului. După colectarea datelor de pe o linie, se realizează deplasarea senzorii la următoarea linie care trebuie citită.

2

Principiul de funcţionare

>><<

Tableta grafică este un dispozitiv indicator cu funcţii similare mouse-ului.

În interiorul planşetei unei tablete grafice se află o reţea de conductoare foarte fine, parcurse de pulsuri rapide de curent electric.

Un electromagnet şi un amplificator amplasate în puck sau stilou vor sesiza aceste pulsuri comunicând calculatorului poziţia curentă.

2

Principiul de funcţionare

>><<

Utilizarea unui sistem computerizat echipat cu o placă de achiziţie NI USB 6008 ne-a permis ulterior înregistrarea semnalul obţinut prin inducţie electromagnetică.

Pentru realizarea acestui experiment ne-au fost necesare atât informaţii privind performanţa plăcii de achiziţie utilizate, modalităţi de configurare a achiziţie şi soluţii pentru programarea instrumentului virtual.

[Semnal înregistrat]

2

Pentru a detecta mişcări ale corpurilor, am realizat un traductor simplu folosind o bobină şi un magnet.

Folosind un sistem computerizat ce a inclus şi traductorul realizat de noi, am monitorizat mişcarea oscilatorie a unui magnet în interiorul unei bobine (magnetul fiind prins de un resort), determinând astfel caracteristici ale mişcării. [Prelucrare date]

Activitate

practică

>><<

Într-un sistem computerizat de măsurare, condiţionatoarele de semnal, inserate, atunci când este necesar, între traductoare şi placa de achiziţie de date, au rolul de a aduce semnalul produs de traductor într-o formă acceptată de sistemul de măsurare.

De exemplu, în situaţia în care se efectuează o măsurare de temperatură utilizând termocupluri este necesar ca aparatul de condiţionare a semnalului să asigure generarea unei tensiuni electrice care să compenseze tensiunea electromotoare produsă de joncţiunea rece a termocuplului (compensare hardware). De asemenea, deoarece aceste traductoare generează semnale cu tensiuni electrice extrem de reduse (50 µV / °C în cazul termocuplurilor de tip J), este necesară amplificarea semnalului - transmiterea semnalului de la traductor fără amplificare va duce la pierderea informaţiei conţinute de acesta datorită nivelului mult superior al tensiunii induse în cablurile de legătură de către interferenţele din mediul exterior.

2

Aspecte teoretice

>><<

Module SCXI ce conţin condiţionatoare de semnal

Funcţii importante

Amplificarea - Semnalele de nivel mic sunt amplificate pentru a le creste rezoluţia (variatia maximã de tensiune a semnalului sã fie egalã cu maximul domeniului de intrare al convertorului A/D)

Filtrarea - sunt eliminate frecvenţele nedorite dintr-un semnal (interferenţe de natură periodică).

Multiplexarea - constă în transmiterea pe aceeaşi cale a mai multor semnale, provenite din puncte diferite de măsurare.

Izolarea semnalelor este o măsură de prevenire a erorilor de măsurare cauzate de legături defectuoase la masă

Aspecte teoreticeCondiţionatoarele aduc semnalele electrice generate de traductoare într-o formã pe care placa DAQ o poate accepta.

[Detalii]

2

>><<

Funcţii

Intrare analogică

Ieşire analogică

Comunicaţii digitale

Numărare / Cronometrare

AI0

AI4

Intrări ale canalului 0 în configurare diferenţială: AI0 – AI4

Intrări pentru semnale analogice de tip analog

[Detalii]

2

Activitate

practică

>><<

Număr de canale

Rată maximăde eşantionare

Domeniul

Rezoluţie

Precizie de măsurare

Neliniaritate

Timp de stabilizare

Indicatori de performanţă

Număr de canale

numărul maxim de semnale pe care placa de achiziţie le poate prelua.

Rata maximă de esantionare

reprezintă numărul maxim de conversii pe care placa le poate efectua într-o secundă. Nyquist: rata de eşantionare > fmax semanalului măsurat (digitizare optimă). Dacă se efectuează măsurarea simultan pe mai multe canale, rata efectivă de eşantionare ce corespunde unui canal este mai mică decât rata maximă de eşantionare a plăcii (< rata max/N canale).

Domeniul

se referã la nivelele de tensiune minimã si maximã pe care ADC le poate cuantifica.

Rezolutia

este numãrul de biti utilizaţi de  convertorul analogic digital (ADC) pentru reprezentarea semnalului analogic.

Precizia (lăţime de cod)

– variaţia minimă detectabilă a semnalului măsurat.

Neliniaritate

abaterea de la dependenţa liniară a valorii semnalului digital de valoarea tensiunii semnalului analogic.

Timp de stabilizare

timpul necesar semnalului să ajungă la convertorul analog – digital.

(pentru funcţia de intrare analogică)

2

Aspecte teoretice

>><<

În datele tehnice ale plăcii de achiziţie NI USB 6008 este specificată rezoluţia acesteia de 12 biţi.

Această informaţie ne-a permis să analizăm precizia cu care putem măsura alegând diferite intervale de măsurare. De exemplu, precizia măsurării unei tensiuni electrice, pentru intervalul cuprins între [-10, +10]V, este de:

mV8844096

V20

2

V2012

,

NI USB 6008

Un alt aspect important este legat de rata efectivă de eşantionare. Placa de achiziţia NI USB 6008 admite o rată maximă de 10 000 de eşantioane/s. Dar, atunci când se realizează achiziţii simultan pe mai multe canale, rata de eşantionare ce revine unui canal este mai mică decât rata maximă de eşantionare a plăcii (< rata max/N canale).

2

Concluziile

noastre

>><<

Folosind utilitarul Measurement & Automation am definit task-uri (activităţi) pentru diferite achiziţii de date, stabilind caracteristici ale modului în care vor fi colectate datele:

[Exemplu - Configurare realizată la măsurarea t.e.m. a unei baterii de lanternă]

- Domeniul de măsurare (Signal Input Range)- Unitatea de măsură: V- Modul de configurare al canalului (Terminal Configuration) – Differential sau RSE.- Modul de achiziţie

Pentru măsurarea t.e.m. a unei baterii de lanternă am ales modul de achiziţie 1 Sample (On Demand) – este achiziţionată şi afişată o singură valoare, iar atunci când am achiziţionat un semnal alternativ, de exemplu, am ales modul N Samples, cu o rata de eşantionare de 1kHz.

2Activitate

practică

>><<

Instrumentele virtuale sunt programe de aplicaţie realizate pentru a comanda achiziţia de date, pentru afişarea şi stocarea acestora în calculator.În interfaţa instrumentelor virtuale elementele de comanda si cele pentru afişare a datelor măsurate au reprezentări grafice similare cu elementele corespunzătoare de pe panourile aparatelor de măsură clasice.

Instrumentele virtuale folosesc traductoare şi senzori pentru a intra în contact cu mărimea fizica măsurată, eventuale sisteme de condiţionare a semnalelor şi circuite pentru conversia analog – digitală a semnalelor.

Faţă de un instrument clasic, în cazul instrumentelor virtuale funcţiile de prelucrare şi analiză a valorilor măsurate, de stocare a acestor informaţii şi de transmitere a lor către utilizatorul uman sunt realizate de către computer si nu de o aparatură dedicată.

Exemplu din Help-ul programului LabVIEW

[Exemplu]

Aspecte generale

2

>><<

Programul LabVIEW

Panou frontal (fereastra utilizator)

Panou diagramă (fereastra codului)

2

Aspecte teoretice

>><<

Procedurilor pentru comanda plăcilor de achiziţie de tip NI USB

Proceduri DAQmx - Data Acquisition.

2

Aspecte teoretice

>><<

Definirea canalelor virtuale pentru măsurare

Măsurarea pe două canale de tip Analog Input [detalii]

În modul diferenţial, un sistem de măsurare răspunde practic la diferenţa de potenţial dintre cele două intrări ale sale (+) şi (-).

2

Exemplu

Activitate

practică

>><<

Achiziţie pe două canale simultan

Număr puncte/ canal

Paleta de instrumente

Am definit şi configurat canale virtuale pentru fiecare semnal achiziţionat .

2

Activitate

practică

>><<

Pentru proiectarea rapidă a unui instrument virtual am utilizat DAQ Assistent.

Acesta indică programatorului paşii necesari configurării achiziţiei. Totodată, prin utilizarea acestei proceduri diagrama aplicaţiei se simplifică.

În imagine este prezentat cu un instrument virtual foarte simplu realizat pentru măsurarea t.e.m a unei baterii de lanternă. Achiziţia acestui semnal a fost utilă în primul rând pentru analiza calitativă a nivelului semnalelor perturbatoare.

[Detalii configurare]

2Activitate

practică

>><<

Grafic ondulatoriu pentru afişarea semnalului

Paleta de controale şi indicatoare (grafice)

Terminalul graficului

2

Activitate

practică

Soluţia noastră

>><<

http://emiliapausan.wik.is/Data_Acquisition_(DAQ)/Investigatie_de_laborator/Generare_semnal

Generare şi analiză de semnal

Utilizarea conceptelor

http://www.youtube.com/watch?v=2a_pmh6L780

Clasic şi computerizat

[Detalii]

tUdt

de sinmax

Analiza semnalelor achiziţionate fie în cazul spirei ce se roteşte între polii unui magnet, fie în cazul rotirii unui magnet în faţa unor bobine (fixate pe un cadru cilindric), a constat în determinarea perioadei, a frecvenţa şi amplitudinii acestuia pentru viteze de rotaţie diferite.

Folosind un galvanometru nu putem analiza caracteristici ale semnalului şi nici stoca date!

Potrivit fenomenului de inducţie electromagnetică, atunci când se produce o variaţie de flux magnetic prin suprafaţa unui circuit, se induce în acel circuit o t.e.m. a cărei valoare depinde de viteza de variaţie a fluxului magnetic :

1 2

Activitate

de laborator

>><<

Caracteristica rezistorului. Determinare R

Componentele montajului experimental:

două rezistoare: unul etalon, cu rezistenţa electrică cunoscută, şi un altul, a cărei rezistenţă electrică s-a determinat experimental;

sursă de tensiune reglabilă (am realizat un montaj potenţiometric);

ghidaje de câmp, întrerupător; sistem computerizat pentru

achiziţia de date echipat cu o placă de achiziţie de tip NI USB 6008.

1 2

Activitate

de laborator

montaj experimental [1]

>><<

Principiul metodei şi modul de lucru Am măsurat tensiunea electrică la

bornele a celor două rezistoare conectate în serie, pentru unul dintre aceştia fiind cunoscută valoarea rezistenţei electrice (R1).

Cele două semnale (U1, U2) au fost achiziţionate pe canale diferite, pentru fiecare fiind utilizat modul de configurare diferenţial.

Folosind valoarea tensiunii electrice de la bornele rezistorului 1 şi valoarea rezistenţei electrice a acestuia, instrumentul virtual calculează intensitatea curentului electric, aceeaşi pentru cei doi consumatori conectaţi în serie.

Caracteristica rezistorului. Determinare R

Rx = 11

2 RU

U

1 2

Activitate

de laborator

montaj experimental [2]

>><<

[Diagrama]

Caracteristica rezistorului. Determinare R

1 2

Instrument

virtualDiagrama

instrumentului

virtual

>><<

Prelucrarea datelor – Excel (eroare relativă de 1,11%)

Caracteristica rezistorului. Determinare R

1 2

U (V)

I (A)

Am constatat avantaje clare ale utilizării instrumentaţiei virtuale:

timpul necesar colectării de date de max. 1- 2 min., faţă de soluţia clasică (folosind instrumentaţie clasică - ampermetru şi voltmetru, analogic sau digital) care necesită aproximativ 20 - 30 min;

precizia este mai mare (eroare relativă de aproximativ 1% comparativ cu minim 5-6%, prin utilizarea instrumentaţiei clasice)

stocarea automată de date.

Precizie

mare

[Rezultate comparative: instrumentaţie virtuală

şi clasică]

>><<

Pentru măsurare am utilizat două canale de achiziţie configurate în modul diferenţial:

pe un canal am măsurat tensiunea pe rezistor, uR;

pe al doilea canal am măsurat tensiunea la bornele bobinei.

b

L1 RR

xtg

b

L2 R

xtg

Studiul circuitului RL serie (c.a.)

Investigaţie experimentală

1 2

Activitate

de laborator

>><<

Măsurând intervalul de timp între momentele la care se obţin maximele/ minimele succesive am determinat defazajele T

t2

Investigaţie experimentală

1 2

Activitate

de laborator

>><<

UR max (V) = 2.413 Ubmax (V) = 1.4103

R (ohm) = 100 >> Imax (A) = 0.024

(rezistenţa rezistorului este cunoscută)

Extrase din grafice

-3

-2

-1

0

1

2

3

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

ub (V)

uR (V)

1 2

Analiza semnalului înregistrat a evidenţiat limite ale eşantionării determinate rata maximă de eşantionare a plăcii utilizate, de rezoluţia limitată a device-lui (12 biţi) şi de necesitatea achiziţiei simultane pe mai multe canale a unui număr mare de date. Eroarea relativă a fost ~ 2.5%.

Prelucrarea

datelor

>><<

Comportarea la rezonanţă – circuit RLC serie

Activitate

de laborator

UR = max

UL = UC

1 2

Studiul circuitului RLC serie (c.a.)

Semnale obţinute pentru un circuit serie RLC

>><<

1 2

Valorile intensităţilor curenţilor electrici din ramurile circuitului au fost determinate prin măsurarea tensiunii electrice la bornele rezistoarelor din circuit, fiind obţinută o bună verificare a primei teoreme Kirchhoff.

Activitate

de laborator

>><<

1 2

Bobină în regim tranzitoriu

Mod de lucruLa momentul iniţial comutatorul este în poziţia 1 (închis):iR = 0, UR = 0, iR1 = E/(R1+r) (fig. 1).Se deschide întrerupătorul (fig. 2) şi se înregistrează semnalul la bornele rezistorului R (fig. a).Se aşteaptă până se obţine palierul semnalului (iR = const = E/Rcircuit), menţinând K în poziţia 2.Se închide apoi întrerupătorul (K în poziţia 1 – fig. 3) şi se aşteaptă până la anularea tensiunii pe

Activitate

de laborator

Materiale necesare:2 rezistoare; bobină; baterie de lanternă; întrerupător; fire conductoare; placă de achiziţie (NI DAQ USB 6008); calculator.

1

a

2 3

b

rezistorul cu rezistenţa R, continuând înregistrarea semnalului (fig. b).

y = 1.6986e-384.67x

R2 = 0.9963

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007

t (s)

u (V

)

Prelucrarea datelor

Se reconstituie semnalul obţinut în timpul achiziţiei folosind datele salvate într-o foaie de calcul tabelar (reprezentare grafică s-a realizat într-o diagramă de tip XY - reprezentare prin puncte).Se analizează eşantioane de interes ale semnalului înregistrat, adăugând curba tendinţei de ordonare a datelor achiziţionate.

La închiderea comutatorului, tensiunea la bornele rezistorului R nu scade brusc datorită t.e.m. autoinduse >> experimental a fost obţinută o lege de scădere exponenţială.

Deducerea uneilegi fizice

[Prelucrarea datelor]

>><<

Un aparat virtual poate fi la fel de performant ca şi unul real, fără riscul unor rebuturi pe linia tehnologică, fără probleme de depozitare şi ambalare.

În contextul dezvoltării societăţii informaţionale, retehnologizarea industriei presupune o nouă viziune:

lucrul în reţea, ce permite cooperarea; aparatură de măsură şi control flexibilă, ce permite upgradarea soft

(ieftină) şi nu hard (extrem de costisitoare).

Instrumentele obţinute prin software sunt instrumente inteligente ce pot fi comandate chiar de la distanţă. De la comunicaţiile cu fir sau prin cablu optic s-a trecut astăzi la utilizarea unor unităţi inteligente care pot comunica fără fir, permiţând distribuţia instrumentelor virtuale pe arii extinse, reducând astfel costurilor totale ale echipamentelor de monitorizare/testare şi control.

Soluţiile tehnice bazate pe tehnologia informaţiei sunt nepoluante, dinamice şi eficiente.

Concluziile

noastre

>><<

Se dezvoltă astăzi tehnologii wireless pentru aplicaţii mobile de instrumentaţie virtuală.

Aceste noi tehnologii vor influenţa in mod semnificativ industria şi aplicaţiile de cercetare

NOU

>><<

Măsurare şi analiză utilizând PDA

Sisteme DAQ pe telefoane mobile

MÂINE?

1 2

>><<

Noile tehnologii pătrund din ce în ce mai mult în viaţa noastră aducându-ne facilităţi de nebănuit cu ani în urmă: distanţele nu mai sunt o problemă dacă ai ceva de comunicat, poţi comanda când şi cum să funcţioneze aparate din propria ta casă, semnalele video sunt mult îmbunătăţite prin transmisie digitală, investigaţii medicale se realizează computerizat, etc.

Noile soluţii tehnice bazate pe tehnologia informaţiei se impun tot mai mult fiind şi generatoare de profit. Firme mari apelează astăzi frecvent la serviciile unor firme mai mici, specializate în producerea de instrumentaţie virtuală. Proiectând astfel de instrumentaţie, oricare dintre noi putem realiza aparatele ce ne sunt necesare devenind astfel chiar propriul nostru finanţator.

Obstacole?

Utilizatorul noilor tehnologii nu mai poate fi inginerul, medicul, muncitorul, … anilor trecuţi. Iată de ce am încercat să parcurgem un drum care să ne dea şanse mai mari în confruntarea cu anii care vin.

>><<

1. Tom Savu, Gabriela Savu , “Informatică – Tehnologii asistate de calculator”, Manual pentru clasa

a -X-a, filiera tehnologică, editura ALL Educational, 2000;

2. Marius Munteanu, Bogdan Logofătu, Reimer Lincke, “Instrumentaţie virtuală LabView”, editura

CREDIS, Bucureşti, 2001;

3. http://inginerie.ulbsibiu.ro/cat.iee/mat/pns_Cap03.pdf (Ioan Mihu – Procesarea numerică a datelor)

4. http://193.226.17.10/romana/Cursuri/Sisteme%20de%20Comunica%C5%A3ii%20Multimedia/Doc1.pdf

5. http://storage0.dms.mpinteractiv.ro/media/401/321/5107/930323/2/files483.jpg

6. http://fpce9.fizica.unibuc.ro/telecom/adc_dac.htm

7. http://www.biblioteca.ase.ro/downres.php?tc=6570

8. http://www.cs.cmu.edu/~mihaib/articole/music/music-html.html

9. http://dsplabs.utt.ro/~micha/publications/pdfs/MultimediaSunet.pdf

10. http://www.mec.upt.ro/~dolga/senzor_8.pdf

11. http://ro.wikipedia.org/wiki/Harry_Nyquist

12. ftp.utcluj.ro/pub/users/peculea/CircuiteNumerice/Cursuri/Curs12.ppt

13. http://www.mec.upt.ro/~dolga/ST_1.pdf

14. http://www.mec.upt.ro/~dolga/ST_2.pdf

15. http://content.answers.com/main/content/img/McGrawHill/Encyclopedia/images/CE557000FG0020.gif

16. http://www.diracdelta.co.uk/science/source/q/u/quantization%20error/source.html

17. http://cg.cs.tu-berlin.de/~sorkine/ProjectPages/Highpass/big_teaser.jpg

18. http://www.mwrf.com/Files/30/10586/Figure_03.gif

19. http://emiliapausan.wik.is

20. http://www.ctanm.pub.ro/academic/LabVIEW/Tutorial.htm

21. http://zone.ni.com/devzone/cda/tut/p/id/4021

22. http://www.ni.com/

>><<

…. va continua acest proiect

1 2