CBS7015

Gerçek Zamanlı Veri

Toplama SistemleriDr. Öğr. Üyesi Fırat YÜCEL

Akdeniz Üniversitesi

Enformatik Bölüm Başkanlığı

İçerik

Veri Toplama Sistemlerine Giriş

Algılayıcı ve Dönüştürücü Karakteristikleri

Veri Toplama Sistemlerine Giriş

Veri Toplama Sistemi

Veri Toplama: Data Acquisition (DAQ)

Veri toplama sistemi: Gerçek dünyadaki fiziksel durumların algılayıcılar

tarafından ölçülüp gerilim, akım, frekans… gibi elektrik işareti haline

dönüştürülmesi ve bilgisayar vb. aygıtlar tarafından algılanabilmesi için

sayısal olarak örneklenmesi işlemlerini gerçekleştiren sistemlerdir.

Veri Toplama Sistemlerinin Temel

Elemanları

Veri toplama sistemlerinde genel amaçlı bir DAQ kartı bulunur. Bu kart,

algılayıcılardan elde edilen verilerin bilgisayar ortamına aktarılması için

kullanılır. Bazen verilerin DAQ kartı ile uyumlu hale getirilmesi için işaret

koşullandırma devreleri kullanılır.

Veri toplama sistemlerinde yer alan temel elemanlar;

Algılayıcı ve dönüştürücüler

Alan kablolama

İşaret koşullandırma

DAQ donanımı

DAQ yazılımı

Kişisel bilgisayar veya eşdeğer aygıt

Veri Toplama Sistemi Blok Şeması

Fiziksel Sistem

Dönüştürücü Algılayıcı

İşaret

Koşullandırma

A/D Dönüştürücü

Bilgisayar

Analog

Dijital

Sayıcı/

Zamanlayıcı

Algılayıcılar

Motorlar

Röleler

Dönüştürücüler (Transducers)

Dönüştürücüler (transducers), elektriksel işaretler, radyal, termal, manyetik

veya mekanik enerji gibi geniş bir aralıktaki farklı fiziksel fenomenlerin

algılanması için kullanılır. Bir türden enerjiyi başka bir tür enerjiye dönüştürür.

Algılayıcılar ve Aktuatörler

Algılayıcı (sensor) giriş fonksiyonu olan aygıtlara denir.

Aktuatör (actuator) çıkış fonksiyonu olan aygıtlara denir.

Bu iki kavramın her ikisi de dönüştürücü kavramı içinde yer alır.

Ölçüm Türü Giriş Aygıtı (Algılayıcı) Çıkış Aygıtı (Aktuatör)

Işık seviyesi Foto diyot, foto transistör,

güneş paneli

Lambalar, LEDler, fiber

optik aygıtlar

Sıcaklık Termistör, termokupl Isıtıcı, fan

Güç/basınç Basınç anahtarı Elektromanyetik

vibrasyon

Konumlandırma Potansiyometre, kodlayıcı Motor

Hız Tako-üreteci AC/DC motorlar

Ses Karbon mikrofon Buzzer, hoparlör

Yaygın kullanılan dönüştürücüler

Giriş Dönüştürücülerinde Sinyal

Dönüşümleri

Elektrik

Manyetik

Kimyasal

IşınımMekanik

Isıl

Sinyal Türleri

Işınım sinyalleri: Işık şiddeti, dalga boyu, polarizasyon, faz, yansıma, iletim

Mekanik sinyaller: Kuvvet, basınç, tork, vakum, akış, hacim, kalınlık, kütle,

seviye, pozisyon, yer değişimi, hız, ivme, sarsılma, kabalık, akustik dalga

boyu ve genliği

Isıl sinyaller: Sıcaklık, ısı, özısı, entropi, ısı akışı

Elektrik sinyalleri: Gerilim, akım, yük, direnç, indüktans, kapasitans, dielektrik

sabiti, elektrik polarizasyonu, frekans, pals süresi

Manyetik sinyaller: Alan şiddeti, akı yoğunluğu, moment, manyetizasyon,

geçirgenlik

Kimyasal sinyaller: Kompozisyon, konsantrasyon, reaksiyon oranı, zehirlilik, oksidasyon azalma potansiyeli, pH

Örnek Algılayıcı Türleri

Aktif ve Pasif Algılayıcılar

Aktif Algılayıcı: Kendi ışık ya da güç

kaynağına sahip olan algılayıcılardır.

Harici bir ışık ya da güç kaynağına

gereksinim duymazlar. Örneğin; radar

algılayıcılar…

Pasif Algılayıcı: Harici bir ışık ya da güç

kaynağına ihtiyaç duyan cihazlardır.

Örneğin; fotodiyotlar, termistörler,…

İşaret Koşullandırma

İşaret koşullandırma: Signal

conditioning

Kendisine gelen bir elektriksel

işaretin bir sonraki elektronik

sisteme uyumlu hale

getirilmesinden sorumludur.

İşaret koşullandırma örneği

Algılayıcı ve Dönüştürücü

KarakteristikleriTemel Kavramlar

Transfer Fonksiyonu

Çıkış sinyalinin, giriş sinyaline oranını veren fonksiyondur.

Lineer : h(t) = a + bt

Logaritmik : h(t) = a + b ln(t)

Üstel : h(t) = aekt

Güç : h(t) = a0 + a1tk

…

Doğrusal olmayan fonksiyonlar için b duyarlılığı

𝑏 =𝑑ℎ(𝑡0)

𝑑𝑡

a: kesişim noktası

b: duyarlılık

k: sabit

t0: Herhangi bir an

Bant Genişliği – Dinamik Aralık

Bant genişliği, bir dönüştürücüde sinyalin giriş değer aralığını ifade eder.

Desibel cinsinden elde edilir.

𝑁 = 10 log𝑃2𝑃1

Eğer güç yerine elektriksel büyüklükler (akım, gerilim,…) dikkate alınırsa;

𝑁 = 20 log𝐸2𝐸1

Dinamik Aralık: Girişe uygulanan sinyalin alt ve üst değerlerini ifade eder.

Tam Skala Çıkış (Full Scale Output)

Maksimum giriş uyarıcısı ile ölçülen elektriksel çıkış sinyalleri ve uygulanan en

düşük giriş uyarıcısı arasındaki cebirsel farktır.

Örneğin; minimum ve maksimum çıkış akımları 100 mA – 500 mA akım olan

algılayıcının tam skala çıkışı;

FSO = 500 mA – 100 mA = 400 mA

Doğruluk

Hata; algılayıcı ile temsil edilen bir değerin gerçek değere olan en yüksek sapma oranı olarak ölçülür.

Örneğin; doğrusal yer değişim algılayıcısı 1 mm’lik yer değişimi için 1 mV’luk gerilim üretmelidir. Deneyde, 10 mm yer değişiminde 10,5 mV çıkış alınmıştır.

Gerçek değerden 0,5 mm fazla. Sapma

10 mm aralıkta algılayıcının hatası; 0,5 mm/10 mm = %5’tir.

Algılayıcı Kalibrasyonu

Algılayıcının ‘yeterince iyi’ olması gereklidir.

Hiçbir algılayıcı mükemmel değildir.

Aynı üreticinin ürettiği aynı model iki algılayıcı az oranda farklı algılamalar

yapabilir.

Algılayıcı tasarımındaki farklılıklar dolayısıyla, iki farklı algılayıcı aynı durumu farklı

şekilde algılayabilir.

Saklama, taşıma veya kullanımı sırasında algılayıcının maruz kaldığı sıcaklık,

soğukluk, darbe, nem vb. etkenler, algılayıcının tepkisini değiştirebilir.

Bazı algılayıcıların yıllar içinde çıkış tepkisi değişebilir, kalibrasyona gereksinim

duyulabilir.

Algılayıcı, sistemde tekil bir bileşendir. Eşdeğeri yoktur.

İyi Bir Algılayıcının Özellikleri

En önemli iki parametre:

Hassasiyet (Precision): İdeal algılayıcı, her zaman aynı girişe aynı çıkışı verir.

Çözünürlük (Resolution): İyi bir algılayıcı her zaman ölçülen parametredeki en küçük

değişiklikleri algılayabilir.

Önemli diğer parametreler:

Doğrusallık (Linearity): Girişle çıkışın

doğru orantılı olmasına doğrusallık

denir.

Hız (Speed): Algılayıcı hızlı bir

şekilde doğru okumalar

yapabilmelidir.

Lineer Algılayıcılarda İdeal ve Gerçek

Tepkiler

Kalibrasyon Hatası

Algılayıcının kalibrasyonu

fabrikada yapıldığında,

üretici tarafından izin verilen

hatadır.

Gerçek hat

Kalibre

edilmiş hat

-ΔKalibrasyon Hatası

A1

Çıkış

Uyarıcı

𝛿1 =𝑎1 − 𝑎

𝑠1 − 0

𝛿2 =Δ

𝑠2 − 𝑠1

𝛿1 = 𝛿2Çıkış lineer ise;

Histerezis

Histerezis hatası, ters yönde

yaklaşılırken giriş sinyalinin

belirli bir noktasında

algılayıcı çıkışındaki

sapmadır.

Örneğin; algılayıcı 50 ºC’de

cisim ısınırken 49 ºC

gösterirken; aynı algılayıcı,

cisim soğurken 50 ºC’de 51

ºC’yi gösterir.

Doğrusalsızlık (Nonlinearity)

Doğrusal transfer fonksiyona

sahip algılayıcılar için geçerlidir.

Doğrusalsızlık, gerçek transfer

fonksiyonunun düz çizgiden

maksimum sapması olarak ifade

edilir.

Doyum (Saturation)

Algılayıcının çalışma sınırlarının üzerinde

sinyal gönderildiğinde elde edilen tepkidir.

Lineerliğin bozulmasına neden olur.

Doyum noktası, algılayıcının çalışma

aralığının üst sınırını tanımlar.

Tekrarlanabilirlik

Benzer şartlar altında bir

algılayıcının aynı değeri

verememesi durumudur.

Tekrarlanabilirlik hatasının

muhtemel nedenleri;

Isıl gürültü,

Biriken yük,

Malzemenin plastisitesi,…

Ölü Bant (Dead Band)

Algılayıcının belli bir bölgede

değer okuyamaması durumudur.

Çözünürlük (Resolution)

Algılayıcının, örnek alma

sayısının sıklığını ifade eder.

Çıkış Empedansı

Çıkış sinyalindeki bozulmaları en aza indirmek için;

Akım üreten algılayıcı olabildiğince yüksek çıkış empedansına sahip olmalı ve bağlanacağı devrenin giriş empedansı düşük olmalıdır.

Gerilim üreten algılayıcı olabildiğince düşük çıkış empedansına sahip olmalı ve bağlanacağı devrenin giriş empedansı yüksek olmalıdır.

Dinamik Karakteristikler

Statik şartlar altında bir algılayıcının transfer fonksiyonu giriş değerleri,

kalibrasyon, vb. ile ilgili olarak tanımlanabilir.

Giriş uyarıcısı değiştiğinde, algılayıcının tepkisi genelde mükemmel kararlılığı

izlemez. Ani tepki veremez.

Isınma zamanı: Algılayıcıya güç veya uyartım sinyali uygulanması

sonucunda, algılayıcının belirlenmiş doğruluk içinde çalışacağı konuma

eriştiği zamandır.

Frekans tepkisi: Giriş uyarıcısındaki bir değişime algılayıcının ne kadar hızlı

reaksiyon gösterebildiğini belirler.

Frekans Tepkisi

Birinci Dereceden Algılayıcı Sistemleri

için Adım Fonksiyonu Çıkış Tepkisi

𝑆 = 𝑆𝑚 1 − 𝑒−𝑡/𝜏

Sm: Kararlı durum çıkışı

İkinci Dereceden Algılayıcı Sistemleri

için Adım Fonksiyonu Çıkış Tepkisi

Çalıştırılabilir Bölge ve Rezonans

Frekansı

Sıcaklık Algılayıcıları RTD (Resistor Temperature Detector) - Direnç Sıcaklık

Algılayıcısı: Sıcaklığı algılayıcı farklı elementlerden

yapılmıştır. Platinyum, nikel ve bakır.

Termokupl: Birbirine değen iki farklı metalden oluşur.

Termistörler yarıiletken malzemelerden yapılır. Pozitif

ve negatif sıcaklık katsayılı termistörler vardır. Negatif

katsayılı termistörler 10 ºK den daha düşük sıcaklıkları

göstermek için tercih edilir.

Sıcaklık Algılayıcı Çıkış Tepkilerinin

Karşılaştırılması

Manyetik Alan Algılayıcıları

Manyetik algılayıcılar, manyetik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler.

Birçok alanda kullanılırlar; örneğin, otomotiv sistemlerinde konum, uzaklık ve

hız tespitinde…

Hall etkisine göre çalışırlar. Çıkış gerilimi Hall gerilimi olarak adlandırılır.

Veri Toplama Sistemleri: Donanım

Veri Toplama Sistemlerinin Performansı

ve Doğruluğu

Veri toplama sistemlerinin performansını ve doğruluğunu gösteren önemli

göstergeler analog giriş özellikleridir:

Kanal sayısı

Örnekleme oranı (sampling rate, Hz)

Çözünürlük

Giriş aralığı

Tek uçlu (single-ended) Kablolama

Diferansiyel (differential) Kablolama Tek uçlu (single-ended)

kablolamada bir kablo işaret

kaynağına bağlıdır. Diğeri

topraklanır.

Tüm kablolar, tek bir

topraklamaya bağlıdır.

Dezavantajı: Gürültü etkilerine

duyarlıdır.

Diferansiyel (differential)

kablolamada iki kablo da

işaret kaynağına bağlıdır.

+ ve – girişler vardır.

Dezavantajı: İki kat daha fazla

kablolama gerektirir.

Diferansiyel Kablolamada

Gönderilen Sinyal

Temel Veri Toplama Sistemi

Fonksiyonel Blok Diyagramı

DACCPUPGAMUX

IN1

IN2

INn

ADC Amp

DI/O I2C USB

Harici Aygıtlar PC

Display (LCD)

Aralık-polarizasyon kontrolü

OUT

n n

MUX: Multiplexer

PGA: Programmable Gain Amplifier

ADC: Analog to Digital Converter

CPU: Central Processing Unit

DAC: Digital to Analog Converter

Amp: Amplifier

DI/O: Digital Input/Output

Veri Toplama Kartları

Veri toplama kartları (DAQ cards) algılayıcılardan gelen verileri alarak

bilgisayara aktaran kartlardır.

Yüksek frekans gerektiren işaret işleme uygulamalarında sayısal işaret

işlemcisi (digital signal processor, DSP) kullanılır.

Veri Toplama Kartı

Fonksiyonel Blok Diyagramı

I/O Connector: Giriş portları

S/H: Sample&Hold

Channel – Gain Array Memory: Kanal ve kazançların kaydedildiği dizi bellek

PGA: Programlanabilir kazanç yükselteci

ADC: Analog sayısal dönüştürücü

Buffer/FIFO: Tampon bellek (ilk giren ilk çıkar)

Bus Interface: Veriyolu arayüzü

Tipik Veri Toplama Sistemi

Fonksiyonal Blok Diyagramı

İşaret Koşullandırma Sistemi

Signal Conditioning System

Veri toplama sisteminin ilk yaptığı işlem işaret koşullandırmadır.

Algılayıcıdan elde edilen işaret, sistem için uygun olan değerler arasında bir genliğe sahip olmalıdır.

Bu kontrolü yapan ve işaretin genliğini belirlenen seviyeye düşüren/yükselten devrelere işaret koşullandırma devresi denilir.

Örneğin ADC’ler genellikle 0-5 V aralığındaki gerilimleri sayısal değerlere dönüştürürler. Bunun için ön kısma koşullandırma devresi gereklidir.

Koşullandırma işlemleri:

Direnç kullanılarak akımın gerilime dönüştürülmesi

İşaret bölücü

İşaret yükselteci

İşaret öteleyici

İşaret Koşullandırma Devreleri

İşaret koşullandırma: Yükseltme

İşaret koşullandırma: Gerilim düzeyi kaydırma

𝑉𝑜𝑢𝑡𝑉𝑖𝑛

= 1 +𝑅𝐹𝑅2

İşaret Koşullandırma Devreleri

Bant geçiren süzgeçler (BPF)

İşaret Koşullandırma Devreleri

Tamponlu bant geçiren süzgeç devresi

Örnek İşaret Koşullandırma Devresi

RTD Algılayıcısı; Yükselteç, Filtreleme