2. Аппаратные средства и программное обеспечение систем сбора данных

Упражнение 2-1 Диапазон, разрешающая способность, шаг квантования по уровню и погрешность

Цель упражнения

Определить оптимальную конфигурацию измерительной системы.

Сценарий

В этом упражнении вы рассмотрите спецификации проекта и выберите наиболее подходящее для проекта DAQ-устройство и входной диапазон этого устройства.

При выборе устройства рассматривайте производительность и цену. DAQ-устройство с высоким разрешением стоит дороже, но обеспечивает более точное представление полученного сигнала. В таблице 2-1 перечислены три DAQ-устройства, которые вы можете использовать в этом упражнении. Типичные DAQ-устройства имеют разрешение 16 или 18 бит и обладают различными входными диапазонами.

В этом упражнении выбирая наилучшее DAQ-устройство с оптимальным входным диапазоном для максимизации точности, выполните следующие шаги:

1. Наилучший подход – в первую очередь определить, обладает ли DAQ-устройство необходимым для проекта входным диапазоном.

2. Далее определите, обеспечивает ли DAQ-устройство требуемый шаг квантования по уровню.

3. Теперь определите, соответствует ли абсолютная погрешность DAQ-устройства требованиям проекта.

Совет: Используйте уравнение для определения шага квантования по уровню.

Шаг квантования по уровню = Входной диапазон устройства/2^{разрешение в битах}

В таблице 2-1 представлены три DAQ-устройства и их характеристики.

Таблица 2-1. Разрешающая способность и входные диапазоны DAQ-устройств

	DAQ-устройство 1	DAQ-устройство 2	DAQ-устройство 3
Разрешение	16 бит	16 бит	18 бит
Входные диапазоны (В)	±10, ±5, ±1, ±0.2	±10, ±5, ±2, ±1, ±0.5, ±0.2, ±0.1	±10, ±5, ±2, ±1, ±0.5, ±0.2, ±0.1

В таблицах 2-2, 2-3 и 2-4 приведены значения абсолютной погрешности аналогового ввода (AI) для каждого номинального диапазона каждого DAQ-устройства.

Таблица 2-2. Абсолютная погрешность аналогового ввода DAQ-устройства 1

Номинальный диапазон		Абсолютная погрешность во всем диапазоне (мкВ)
Положительный предел	Отрицательный предел
10	–10	3100
5	–5	1620
1	–1	360
0.2	–0.2	112

Таблица 2-3. Абсолютная погрешность аналогового ввода DAQ-устройства 2

Номинальный диапазон		Абсолютная погрешность во всем диапазоне (мкВ)
Положительный предел	Отрицательный предел
10	–10	1920
5	–5	1010
2	–2	410
1	–1	220
0.5	–0.5	130
0.2	–0.2	74
0.1	–0.1	52

Таблица 2-4. Абсолютная погрешность аналогового ввода DAQ-устройства 3

Номинальный диапазон		Абсолютная погрешность во всем диапазоне (мкВ)
Положительный предел	Отрицательный предел
10	–10	980
5	–5	510
2	–2	210
1	–1	120
0.5	–0.5	70
0.2	–0.2	39
0.1	–0.1	28

Проект 1

1. Термопара подключена к выходу парового коллектора системы котлов с высоким давлением. Рабочий диапазон термопары от –270 до 1372 ºC. При таком температурном диапазоне термопара возвращает напряжения от –6.548 до 54.874 мВ. Какое DAQ-устройство обеспечивает приемлемый входной диапазон для данного приложения?

   1. DAQ-устройство 1

   2. DAQ-устройство 2

   3. DAQ-устройство 3

2. Какое DAQ-устройство предлагает приемлемый шаг квантования для обнаружения изменения 3.74 мкВ?

   1. DAQ-устройство 1

   2. DAQ-устройство 2

   3. DAQ-устройство 3

3. Значения измерений не должны отклоняться более чем на 37.4 мкВ от истинного значения. Какое DAQ-устройство предлагает приемлемую абсолютную погрешность измерения?

   1. DAQ-устройство 1

   2. DAQ-устройство 2

   3. DAQ-устройство 3

Проект 2

1. Датчик давления установлен на входной патрубок двигателя. Выходное напряжение датчика составляет от –2 В до 2 В для линейного диапазона давления от 20 кПа до 105 кПа. Какое DAQ-устройство обеспечивает приемлемый входной диапазон для данного приложения?

1. DAQ-устройство 1

2. DAQ-устройство 2

3. DAQ-устройство 3

1. Вам необходимо обнаружить изменения в 1.5 Па, которым соответствует изменения напряжения 70 мкВ. Какое DAQ-устройство предлагают соответствующие входные диапазоны и приемлемый шаг квантования по уровню?

   1. DAQ-устройство 1

   2. DAQ-устройство 2

   3. DAQ-устройство 3

2. Результаты измерений не должны отклоняться от истинного значения более чем на 5 Па, или на 235 мкВ. Какое DAQ-устройство предлагает приемлемую абсолютную погрешность аналогового входа?

   1. DAQ-устройство 1

   2. DAQ-устройство 2

   3. DAQ-устройство 3

Решения

Проект 1

1. В этом проекте выходное напряжение термопары составляет от–6.548 до 54.874 мВ. Все три DAQ-устройства имеют максимальный входной диапазон ±10 В, что более чем достаточно для данного проекта.

6. Используя уравнение для шага квантования по уровню, получаем:

• Для DAQ-устройства 1 при входном диапазоне ±0.2 В шаг квантования равен 6.10 мкВ, то есть это DAQ-устройство не может обнаружить изменение 3.74 мкВ.

• Для DAQ-устройства 2 при входном диапазоне ±0.1 В шаг квантования равен 3.05 мкВ.

• Для DAQ-устройства 3 при входном диапазоне of ±0.1 В шаг квантования равен 0.76 мкВ.

DAQ-устройство 2 и DAQ-устройство 3 способны обнаружить изменение в 3.74 мкВ.

7. Абсолютная погрешность измерения составляет:

• Для DAQ-устройства 1: 112 мкВ при входном диапазоне ±0.2 В

• Для DAQ-устройства 2: 52 мкВ при входном диапазоне ±0.1 В

• Для DAQ-устройства 3: 28 мкВ при входном диапазоне ±0.1 В

Только DAQ-устройство 3 обладает точностью, необходимой для измерений с абсолютной погрешностью 37.4 мкВ от истинного значения.

Таким образом, наилучшим выбором для проекта 1 является DAQ-устройство 3 со входным диапазоном ±0.1 В.

Проект 2

1. В этом проекте преобразователь линейный и формирует на выходе напряжение от –2 В до 2 В. Все три DAQ-устройства имеют максимальный входной диапазон ±10 В, это более чем достаточно для данного проекта с диапазоном ±2 В.

8. Используя уравнение для шага квантования по уровню, получаем:

• DAQ-устройство 1 может обнаружить изменение 152 мкВ при входном диапазоне ±5 В.

• DAQ-устройство 2 может обнаружить изменение 61 мкВ при входном диапазоне ±2 В.

• DAQ-устройство 3 может обнаружить изменение 15 мкВ при входном диапазоне ±2 В.

DAQ-устройство 2 и DAQ-устройство 3 могут обнаружить изменение 70 мкВ.

9. Абсолютная погрешность измерения составляет:

• Для DAQ-устройства 1: 1620 мкВ при входном диапазоне ±5 В.

• Для DAQ-устройства 2: 410 мкВ при входном диапазоне ±2 В.

• Для DAQ-устройства 3: 210 мкВ при входном диапазоне ±2 В.

Только DAQ-устройство 3 обладает точностью, необходимой для измерений с абсолютной погрешностью 235 мкВ от истинного значения.

Таким образом, наилучшим выбором для проекта 2 является DAQ-устройство 3 со входным диапазоном ±2 В.

Конец упражнения 2-1

Упражнение 2-2 Использование Measurement & Automation Explorer

Цель упражнения

Ознакомиться с разделом Devices and Interfaces Measurement and Automation Explorer (MAX) и изучить функциональность тестовой панели.

Конфигурирование BNC-2120

1. Подключите BNC разъем Sine/Triangle из раздела Function Generator к разъему BNC канала 1 в зоне Analog Inputs.

10. Установите переключатель Sine/Triangle в положение Sine.

11. Установите переключатель BNC/Thermocouple в положение BNC.

12. Подключите разъем BNC канала 0 в зоне Analog Outputs к разъему BNC канала 22 в зоне Analog Inputs.

13. Переведите переключатели FS/GS под разъемами BNC каналов 0 и 2 в положение GS.

14. Установите переключатель BNC/Temp. Ref. в положение Temp. Ref.

Порядок выполнения

Запустите MAX двойным щелчком по иконке на рабочем столе или из меню Пуск»Все программы»National Instruments»Measurement & Automation.

2. Раскройте категорию Devices and Interfaces. MAX проведет поиск установленного оборудования и выведет список найденных устройств.

По умолчанию многофункциональное DAQ-устройство называется "Dev1". Если устройство не видно, выберите View»Refresh.

Примечание: Если устройство называется иначе, щелкните по нему правой кнопкой мыши, выберите из контекстного меню Rename и назовите устройство Dev1.

3. Щелкните правой кнопкой мыши по DAQ-устройству и выберите из контекстного меню Self-Test. Появится диалоговое окно, сообщающее, что устройство прошло проверку. Щелкните по кнопке ОК для закрытия диалогового окна.

   Примечание: Если ваше DAQ-устройство не прошло самопроверку, сообщите преподавателю.

4. Щелкните правой кнопкой мыши по DAQ-устройству и выберите из контекстного меню Properties. Появится диалоговое окно Device Properties.

На закладке RTSI Configuration определяется, подключен ли к устройству кабель интеграции системы реального времени (RTSI). Кабель RTSI передает внутренние сигналы от одного устройства другому.

Примечание: Закладка RTSI Configuration недоступна в системах PXI.

Закладка Accessory позволяет выбирать и настраивать аксессуары, подключенные к DAQ-устройству. Из выпадающего меню Accessory выберите BNC-2120.

5. Щелкните по кнопке OK для закрытия диалогового окна Device Properties.

6. Щелкните правой кнопкой мыши по DAQ-устройству и выберите из контекстного меню Test Panels. Появится диалоговое окно Test Panels. Закладка Analog Input позволяет опрашивать каналы аналогового ввода.

7. На закладке Analog Input задайте Channel Name равным Dev1/ai0. Channel 0 – температурный датчик BNC-2120, когда переключатель BNC/Temp. Ref. находится в положении Temp. Ref.

   • Выберите в списке Mode режим Continuous acquisition.

   • Установите Rate (Hz) и Samples To Read равными 100.

   • Щелкните по кнопке Start. На графике должно отображаться напряжение между 0.2 и 0.3 В, как показано на рисунке 2-1. Результаты измерения напряжения отображаются в поле Value.

Рисунок 2-1. Тестовая панель аналогового ввода

8. Коснитесь пальцем датчика температуры на блоке BNC-2120 для увеличения напряжения. Нажмите кнопку Stop по завершении.

   Примечание: Тестовая панель – эффективный метод определения неисправностей, поскольку она напрямую связывается с драйверами NI-DAQmx. Если тестовая панель не работает, проблема заключается или в оборудовании, или в конфигурации драйверов. Если тестовая панель функционирует правильно, а LabVIEW VI не выдает ожидаемых результатов, то проблема в LabVIEW VI.

9. Задайте следующие настройки тестовой панели аналогового ввода:

   • Измените канал на Dev1/ai1.

     Примечание: Убедитесь, что разъем BNC Sine/Triangle генератора функций подключен к разъему BNC канала 1 в зоне Analog Inputs.

   • Выберите в списке Mode режим On Demand.

Выпадающий список Mode включает следующие варианты:

• On Demand – измеряет и отображает по одному отсчету

• Finite – собирает массив из заданного количества отсчетов и отображает этот массив на экране

• Continuous – непрерывно собирает массивы из заданного количества отсчетов и отображает их на экране

Режимы Finite и Continuous позволяют настраивать частоту дискретизации. Чем она выше, тем качественнее воспроизводится форма отображаемого на графике сигнала.

• Щелкните по кнопке Start. Синусоида может выглядеть искаженной.

• Щелкните по кнопке Stop.

Выполните следующие шаги для улучшения формы отображаемого на графике сигнала:

• На BNC-2120 установите переключатель Frequency Selection в крайнюю левую позицию и поверните рукоятку Frequency Adjust в положение LO.

• На тестовой панели выберите в списке Mode режим Finite или Continuous и попробуйте разные значения Rate (Hz), например, 5000, 10000 или 15000, пока на графике не отобразится «гладкая» синусоида.

• Добившись «гладкой» синусоиды, остановите сбор данных.