Що таке системи збору даних (DAQ): принцип роботи, компоненти та вимірювання

Системи збору даних (DAQ) — це основа сучасних вимірювань у промисловості, науці та дослідженнях. Вони дозволяють перетворювати фізичні явища у цифрові сигнали для подальшого аналізу, зберігання та візуалізації.

Що таке збір даних?

Збір даних — це процес вимірювання або реєстрації фізичних величин (температура, сила, тиск, вібрація тощо) з метою їх подальшого аналізу.

Збір даних, як правило, відрізняється від попередніх форм запису на магнітну або паперову стрічку.

На відміну відтрадиційних методів, сигнали в аналоговій області перетворюються вцифрову область і записуються на цифровий носій, такий як ПЗУ, флеш-пам’ять або жорсткий диск.

Сучасні цифрові системи збору даних складаються з трьох основних компонентів, які формують весь ланцюг вимірювання фізичних явищ: 

Перетворювачі

Перетворюють фізичні величини у електричні сигнали.

Основні типи:

• тензорезистори — сила, вага, тиск
• акселерометри — вібрація та удар
• мікрофони — звук і шум
• термопари та RTD — температура
• датчики струму та напруги

Аналого-цифрового перетворювача (АЦП)

АЦП перетворює аналоговий сигнал у цифровий код.

Ключові параметри:

• частота дискретизації
• роздільна здатність (наприклад, 24 біт)
• точність вимірювання

Чим вища частота дискретизації — тим точніше можна аналізувати динамічні процеси (вібрація, удари).

Комп’ютер з програмним забезпеченням для збору даних, реєстрації сигналів та їхнього аналізу

Використовується для:

• візуалізації сигналів
• аналізу даних
• запису та зберігання
• створення звітів

Компоненти сучасної цифрової системи збирання даних

Сучасна система сбору даних складається з вимірювальних каналів які за допомогою аналогово-цифрового перетворення забезпечують формування електричних сигналів від різноманітних фізичних величин.

HBK постачає точні та надійні цифрові системи збору даних як для лабораторних, так і польових випробувань та вимірювань. Ознайомтесь із сучасними цифровими системами збору даних від HBK.

Які фізичні величини вимірює система збиру даних?

Системи збору даних призначені для вимірювання таких фізичних величин як:

• Деформація
• Сила
• Вага
• Крутний момент
• Звук
• Вібрація
• Температура
• Напруга
• Струм
• Тиск
• Переміщення
• Ударні навантаження
• Імпульси
• Частота
• та інше

Використання систем збору та обробки даних

Системи збору даних призначенні збору, обробки та зберігання даних. Також такі системи використовуються для візуалізації та аналізу даних як під час вимірювання так і після вимірювання. Системи зборута обробки даних мають вбудовані функції аналізу та створення звітів. 

Деякі системи збору та обробки даних НВК поєднані з функціями промислового контролера, коли система збору та обробки даних  має можливість автономного управління та контролю та інтегровані у системи  оперативного управління та моніторингу. Більше інформації:  Промислові вимірювання.

Основні критерії роботи системи збору та обробки даних:

• Запис даних
• Зберігання даних
• Візуалізація даних у реальному часі,
• Обробка записаних даних
• Створення звітів

Компанія HBK пропонює системи збори та обрубки даних для запису, візуалізації, обробки даних  їх зберігання  та звітування. 

Процес вимірювання

Збір даних — це процес перетворення сигналів із фізичного світу в цифровий вид відображення, зберігання та аналізу. Оскільки фізичні явища існують в аналоговій області, тобто. фізичному світі, в якому ми живемо, їх необхідно спочатку виміряти, а потім перетворити на цифрову область. 

Цей процес здійснюється за допомогою різноманітних  перетворювачів. Вихідні значення відбираються аналогово-цифровим перетворювачем (АЦП) і записуються в часовому потоці на цифровий накопичувач.

Схема системи збору та обробки даних

Розглянемо кожен із цих елементів у ланцюжку докладніше:

Перетворювачі

Вимірювання фізичних явищ, таких як, вага, шум або вібрації здійснюється перетворювачами. Перетворювач преобразує фізичну величину у електричний сигнал, який можна виміряти. 

Перетворювачі широко використовуються у повсякденному житті. Наприклад, звичайний ртутний градусник – це дуже старий вид датчика, який використовується для вимірювання температури. Принцип його роботи полягає в тому, що ртуть однаково і лінійно реагує на зміну температури, тому саме ця забарвлена ​​речовина використовується у закритій трубці. Завдяки шкалі на трубці ми можемо визначати температуру, просто глянувши на градусник.

Класичний термометр використовується для вимірювання температури протягом століть

Звичайно, вихідні аналогові значення, крім візуальних, такого приладу відсутні. Такий термометр, справляючись зі своїми завданнями в духовці або за вікном, не завжди корисний для збору даних. 

Тому для вимірювання температури були винайдені інші види датчиків, наприклад , термопари, термістори, РДТ (резистивні датчики температури) і навіть інфрачервоні температурні датчики. Мільйони таких датчиків використовуються щодня для вирішення різних завдань: ві  д виведення температури двигуна на панелі приладів автомобіля до вимірювання температур при виробництві ліків. Практично у будь-якій галузі тією чи іншою мірою використовуються прилади для вимірювання температури.

 Звичайно, є й інші види датчиків , призначені для вимірювання інших фізичних явищ: 

•  Тензорезистори: для вимірювання деформації, наприклад, для вимірювання сили, тиску, натягу, ваги та ін.Гальванічна розв’язка — принцип ізоляції функціональних ділянок електричних систем для запобігання протікання струму; прямий шлях провідності не допускається.[1][2] Енергія або інформація все ще можуть обмінюватися між секціями за допомогою інших засобів, таких як ємнісні, індукційні, радіаційні, оптичні, акустичні або механічні.Гальванічна розв’язка використовується там, де два або більше електричних ланцюгів мають зв’язуватися, але їхні заземлення можуть мати різні потенціали. Це ефективний метод розриву контурів заземлення, запобігаючи протіканню небажаного струму між двома пристроями, які мають спільний провід заземлення. Гальванічна розв’язка також використовується для безпеки, запобігаючи випадковим ураженням електричним струмом.
• Перетворювачі ваги: для вимірювання ваги та навантаження
• LVDT перетворювачі : вимірювання ​
• Акселерометри : для вимірювання вібрації та ударних навантажень
• Мікрофони : для вимірювання звуку та шуму 
• Перетворювачі струму : для вимірювання змінного та постійного струму та багато інших.  

Аналогово цифрове перетворення сигналів

АЦП виконую перетворення аналогових сигналів в цифрову форму.сс

Перетворювачі сигналів проектуються виробниками для виконання елементарної нормалізації вихідних даних з датчика та забезпечення їхньої лінійності та відповідності з початковим явищем, а також для їх підготовки до оцифрування.

Гальванічна ізоляція

Гальванічна розв’язка — принцип ізоляції функціональних ділянок електричних систем для запобігання протікання струму. Енергія або інформація все ще можуть обмінюватися між секціями за допомогою інших засобів, таких як ємнісні, індукційні, радіаційні, оптичні, акустичні або механічні.

Гальванічна розв’язка використовується там, де два або більше електричних ланцюгів мають зв’язуватися, але їхні заземлення можуть мати різні потенціали. Це ефективний метод розриву контурів заземлення, запобігаючи протіканню небажаного струму між двома пристроями, які мають спільний провід заземлення. Гальванічна розв’язка також використовується для безпеки, запобігаючи випадковим ураженням електричним струмом.

Фільтрування

Практично будь-який сигнал, який необхідно виміряти, може зазнати впливу електричних перешкод або шуму . Це може мати безліч причин, у тому числі зовнішні електромагнітні поля, які можуть виникати у високопотужних лініях передач сигналів, або прості потенціали, що існують між датчиком або системою вимірювання і об’єктом, що досліджується. Тому найкращі системи перетворення сигналів забезпечують вибіркову фільтрацію, яку інженери можуть використовувати для усунення таких перешкод та покращення якості вимірювань.

На цьому малюнку зображен аналоговий сигнал з шумом який проходить через фільтр для відсіювання непотрібних частот

Типи фільтрів:

• Фільтр нижніх частот – фільтр обмежує сигнали на певній частотній межі та вище.
• Фільтр верхніх частот – виконує протилежну функцію і пропускає частоти вище за певну межу.
• Смужний фільтр та смуговий режекторний фільтр – пропускають або зупиняють частоти між двома певними значеннями.

Основні види фільтрів

Деякі види фільтрації, наприклад фільтрація-згладжування може здійснюватися тільки в аналоговій області. Справа в тому, що коли помилковий сигнал, викликаний недостатньою частотою вибірки, пройде оцифрування, дізнатися, яким він був спочатку, буде неможливо. Решта фільтрів, зазвичай, працюють із цифровою областю, тобто, у програмному забезпеченні вже після оцифрування сигналу.

Фільтри також визначаються кількістю порядків. Чим більше порядків, тим менш плавно перетворювачі здійснюють загасання сигналу. Під згасанням мається на увазі кількість децибелів сигналу, що загасають на одну октаву. У специфікації фільтра зазвичай вказується максимальне загасання дБ/Q.

Устаткування Dewesoft для збору даних, як правило, оснащене фільтрами нижніх частот відповідно до вимірюваних сигналів. Деякі перетворювачі додатково надають можливість фільтрації верхніх частот, наприклад, підсилювачі сигналів CHARGE . Усунення непотрібних низькочастотних елементів особливо важливо, якщо сигнал, що вимірюється, проходить інтегрування або подвійне інтегрування, оскільки небажані елементи можуть серйозно спотворювати отримані значення швидкості і зміщення.

Крім цього, зустрічаються такі типи фільтрів, як фільтри Бесселя , Баттерворта , еліптичний фільтр , фільтр Чебишева та ін. Оскільки всі фільтри за своєю природою спотворюють сигнал, з часом інженери винайшли власні типи фільтрів, щоб забезпечити оптимальні результати при виконанні конкретних завдань.

Ви можете бачити, що кожен з цих фільтрів має свої плюси і мінуси. Саме тому кожен інженер сам приймає рішення про те, який фільтр найкраще підходить для конкретного завдання.

ПЗ Catman має широкий вибір фільтрів. Програмні фільтридозволють записувати сигал без фільтрації, та при необхідності створювати розрахунковий канал для програмного фільтра для його запису в режимі реального часу або в процесі обробки результатів вимірювання.

Аналого-цифрові перетворювачі (АЦП)

Ана́лого-цифрови́й перетво́рювач, АЦП (англ. Analog-to-digital converter, ADC) — пристрій, що перетворює вхідний аналоговий сигнал в дискретний код (цифровий сигнал), який кількісно характеризує амплітуду вхідного сигналу.

Схема АЦП: перетворення аналогового сигналу в цифровий

Швидкість, з якою перетворюються сигнали, називається частотою дискретизації. Деякі області застосування, такі як більшість вимірювання температури, не вимагають високої швидкості, оскільки сигнали змінюються не дуже швидко. Однак при аналізі напруги та сили змінного струму, ударів та вібрації, а також багатьох інших величин, потрібні частоти дискретизації, що становлять десятки або сотні тисяч вимірювань на секунду та більше. 

Частота дискретизації АЦП

Найпоширенішими є АЦП з роздільною здатністю 24 біт, який може оцифровувати вхідні сигнали з роздільною здатністю 2^24 = 16777216 поділок. Це число зменшується у зв’язку з шумом та похибками перетворення, а також іншими факторами, проте воно дає непогану початкову точку для порівняння. Таким чином, вхідний одновольтний сигнал можна розділити на більш ніж 16 мільйонів поділок.

АЦП з високою частотою дискретизації та високою роздільною здатністю амплітудної осі ідеально підходять для аналізу динамічних сигналів, наприклад ударних навантажень та вібрації. Низька частота вибірки та висока роздільна здатність амплітудної осі оптимальні для термопар і тих величин, які мають широкий діапазон амплітуд, але їхній стан змінюється не так швидко.

АЦП, що забезпечують фільтрацію-згладжування , вкрай бажані для динамічних вимірювань, оскільки вони запобігають похибкам вимірювання, викликані занадто низькою частотою вибірки сигналу. Спотворення визначається як виникнення помилкового сигналу через дуже рідкісну вибірку сигналу, що швидко змінюється.

Після перетворення цифрову форму сигнали (виміряні величини) обробляються підсистемою комп’ютера декількома способами. Насамперед їх можна відобразити на екрані системи, щоб оператор зміг провести візуальну оцінку та аналіз. Більшість систем збору даних відображають дані у кількох популярних форматах, у тому числі у вигляді графіка зміни часу, а також у вигляді числового дисплея. Але пропонуються інші типи представлення даних, зокрема гістограми, графіків тощо.

Візуалізація та відображення даних

Однією з найважливіших функцій будь-якої системи збору даних є здатність візуалізувати дані у час під час їх збереження. Системи, як правило, оснащені вбудованим або окремим плоским екраном, який можна настроювати за необхідності.

Дані сигналів можна практично завжди відобразити у вигляді сигналу Y/T на графіку або сітці, а також у числовій формі. Однак можна використовувати й інші графічні уявлення, наприклад гістограми, графіки частоти/величини БПФ (швидке перетворення Фур’є) та ін.

Гнучкі системи збору даних дозволяють користувачеві вільно налаштовувати один або кілька екранів за допомогою вбудованих графічних віджетів. ПЗ для збору даних від HBK включає ряд вбудованих графічних інструментів :

• Pfgbc- горизонтальні, вертикальні, XY
• Осциллограф – осцилограма, 3D-осцилограма, вектороскоп
• БПФ — БПФ, 3D-БПФ, гармоніки та октави
• Шкали – цифрові, аналогові, горизонтальні/вертикальні
• Графіки – двовимірні, тривимірні, октава, орбіта, діаграма Кемпбелла
• Відео — стандартний дисплей та тепловізійний дисплей з індикаторами температури
• GPS – відображення позиціонування з інтерактивною підтримкою Open Street Map з розбивкою за рівнями
• Управління – кнопки, перемикачі, ручки, повзунки, поля користувача
• Аналіз ДВС – діаграма PV та осцилограма
• Балансування ротора – для балансування на місці
• Випробування ТЗ — 3D-полігон для відображення об’єктів, що рухаються.
• Випробування ЛА – висотомір та авіагоризонт
• DSA/NVH – модальне коло
• Інше — двовимірні та тривимірні таблиці, зображення, текст, рядок, індикатор навантаження, індикаторна лампа, примітки

Всі інструменти візуалізації підтримують налаштування з візуальним зворотним зв’язком у реальному часі.

Аналіз даних

Системи збору даних допомагають отримати необхідне візуальне уявлення про стан випробування реального часу. Однак після збереження даних системою їх можна проаналізувати за допомогою інструментів, вбудованих в цю систему збору даних або стороннє рішення аналізу.

Як вже було сказано, практично кожна система збору даних, доступна сьогодні на ринку, має кілька вбудованих фільтрів експорту даних для перетворення власного формату даних системи на сторонній формат для зовнішнього аналізу.