Measurement system for turbulent flows: Laser Doppler velocity profile sensor

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1 Measurement system for turbulent flows: Laser Doppler velocity profile sensor

2 Measurement system for turbulent flows: Laser Doppler velocity profile sensor

3 Measurement system for turbulent flows: Laser Doppler velocity profile sensor

4 Laser Doppler velocity profile sensor: Gaussian-shaped noisy harmonic measurement signals

5 Mess- und Sensortechnik Inhaltsübersicht: 1. Grundlagen 2. Analoge Messtechnik 3. Statistik und Stochastik 4. Digitale Messtechnik 5. Messverfahren für ausgewählte Größen / Sensortechnik Internet: Lehre Messtechnik User Name: MTVL Passwort: MTVLTUD

6 Lehrstuhl für Mess- und Prüftechnik Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik Helmholtzstraße 18, D Dresden Abschnitt 4.3 Frequenzmessung von Eintonsignalen (Nutzung von FFT und QDT)

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8 Fast Fourier-Transformation N 1 1 (FFT) Diskrete Fourier-Transformation (DFT) N 1 2 j nm N A m a n0 N n A m e ; m, n 0,1,..., N 1 N a n0 n e 2 j mn Fast Fourier-Transformation (FFT): Nutzung des Butterfly-Algorithmus zur Reduzierung des Berechnungsaufwands Anzahl der Multiplikationen für N = 1024: DFT: FFT: N N 2 ld ( N) 5120

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10 Cramer-Rao-Schranke (minimale Standardabweichung für unverzerrten Schätzern wie QDT, DFT bzw. FFT) 64 0,1 20 ˆ 100 1, 1,, 1,5 2 ˆ N Abtastwerte s t Zeitdauer db A SNR unkorreliert N SNR SNR N t M N eff M f Hz s f 05 0, (100) (64) 0, ˆ µv Rauschsignal mv A mv A A Signalamplitude N eff eff 100 : 1 1,4 2 :

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13 Lehrstuhl für Mess- und Prüftechnik Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Grundlagen der Elektrotechnik und Elektronik Helmholtzstraße 18, D Dresden Abschnitt 4.4 Automatische Messtechnik

14 ZIEL ist es, Daten zu 1. Rechnergestützte Messsyteme erfassen digitalisieren speichern kalibrieren und auswerten darstellen und dokumentieren Visualisieren Erfassen Auswerten (inkl. Fehlerkorrektur) Archivieren Die Übernahme der Messdaten erfolgt über an den Rechnerbus angeschlossene Messkarten (Instrument-on-a-Card) oder die indirekte Steuerung von intelligenten Messgeräten über digitale Schnittstellen (Computer Controlled Instruments (CCI)) Die Funktion der Messaufbauten wird durch Steuerprogramme und Messwertverarbeitung (Software) bestimmt Virtuelles Messgerät

15 Instrument-on-a-Card: Computer Controlled Instruments: PC PC Rechner-Bus digitale Daten Prozess Prozess (analoge) Messgröße Messkarte mit ADC (analoge) Messgröße intelligentes Messgerät Rechner-Bus Vorzüge der rechnergestützten Messtechnik: Automatisierung von Messabläufen Einsparung von redundanter Hardware Schnittstellenkarte (z.b. RS232C, GPIB) Ersatz von anwendungsgebundener Hardware durch anwendungsflexible Software-Module vielseitige Visualisierungs- und Archivierungsmöglichkeiten durch Standard-PC- Software Einfache Einbindung der Messdatenerfassung in Regelsysteme oder Anlagen der Automatisierungstechnik

16 2. Schnittstellen in der Messdatenerfassung Übergabestelle für digitale Informationen (Daten, Meldungen, Adressen u. Befehle) Softwareschnittstelle: für Datenaustausch zwischen verschiedenen Programmen bzw. Programmteilen Hardwareschnittstelle: Übergang, welcher in Systemen die Kopplung zwischen Baugruppen, Geräten und Anlageteilen ermöglicht und im Computer eine elektronische Baugruppe darstellt meist mit eigenen Prozessor und Betriebsprogramm individuelle Kontaktierung von Geräten über Adressvergabe genormten Schnittstellen für Messaufgaben Aufbau eines herstellerunabhängigen und offenen Messystems ist möglich Normung hinsichtlich: Bauform des Steckers, Stiftbelegung, Verbindungskabel, elektrisches Spannungsniveau, Signaleigenschaften, Datenformat, Übertragungsprotokoll Bussysteme erlauben den Anschluss mehrerer Teilnehmer zur gleichen Zeit je nach Form der Datenübertragung (bitseriell/bitparallel): serielle/parallele Busse

17 USB (Universal Serial Bus) serielle Busanbindung Übertragungsrate bis 480 MBit/s (USB 2.0) [1,5/12/480] Hostzentriert (sternförmige Topologie) max. 5 m Kabellänge je Gerät und 30 m Kettenlänge max. 127 Teilnehmer Hot-Plugging, Free-Plugging, Plug&Play Stromversorgung der Geräte über Kabel

18 Sender/Empfänger USB Schnittstelle Signal wird auf 2 Leitungen geführt: Data+ = Signal Data- = invertiertes Signal USB Spec2.0 Empfang mit Differenzverstärker erhöht Signalqualität

19 USB Schnittstelle USB2.0 Kabel USB Spec2.0 Doppelte Schirmung im Mantel (Alu- und Kupfergeflecht) Zwei Signal-Leitungen (+/-) und zusätzlich verdrillt >> Signalqualität besser, geringe Ab-/Einstrahlung Zwei Versorgungsleitungen (V BUS /GND) zum Anschluss von Peripherie (5V/500mA max) Kabellänge bis 5m ohne Zwischenverstärkung

20 Anwendung in der Messtechnik (Beispiele) USB Schnittstelle Positioniersysteme Datenerfassung Oszilloskope National Instruments, Yokogawa, Standa

21 Bluetooth serielle und kabellose Schnittstelle für den Nahbereich Die Reichweite ist von der Sendeleistung und der Empfangsempfindlichkeit der Empfänger und ihrer Antennen abhängig (100 mw/20 dbm: 100 m; 2,5 mw/4 dbm: 20 m; 1 mw/0 dbm: 10 m) Datenrate 1 MBit/s Sicherheitsmechanismen erlauben Kommunikation erst nach Anmeldung 8 Geräte gleichzeitig für Übertragung nutzbar (aktiv), weitere 248 nach passiv Nutzung des lizenzfreien ISM-Bandes (Industrial, Scientific, Medical) [2,402-2,480 GHz] 79 Kanäle mit einer Frequenzbreite von 1 MHz Frequenzhopping mit 1600 Wechseln/sec zwischen den Kanälen hohe Stabilität, da kleine Datenpakete und Frequenzhopping Geräteerkennung, Datenübertragung und die Netznutzung ist durch Profile geregelt

22 3. Messdatenerfassungskarten Charakteristik einer Messkarte: analoger Eingang: Registrierung von Spannungen digitaler Eingang: Zustandsabfrage externer Messgeräte analoger Ausgang: Anlegen von analogen Spannungen an Aktoren digitaler Ausgang: Senden von digitalen Daten an Messgeräte Anschluss der Messkarte an den PC: intern an den Rechnerbus (PCI, PXI) extern über USB Qualitätsmerkmale bzw. Unterscheidungsmerkmale: Abtastrate (high end: 2 GS/s) Bandbreite (high end: 500 MHz) Auflösung (high end: 24 Bit) Anzahl der Ein- und Ausgänge Spannungsbereich Speicher

23 Merkmale 200 MS/s Abtastrate simultan mit beiden Kanälen. 14 Bit Auflösung 100 MHz Bandbreite Benötigt nur 1-PCI Steckplatz in voller Länge. Bis zu 1 GS Speicher (1-kanalig), 512 MS (2-kanalig) Voll über Software programmierbares Frontend. 32 Bit, 66 MHz PCI Standard mit Transferraten bis zu 200 MB/s (auch in 32 Bit, 33 MHz Systemen kompatibel, jedoch mit geringerer Transferrate) Kompatibel zu GageScope Software. ADK s (Application Developement Kit) für LabVIEW, MATLAB und C/C++)

24 Prozess Eingabe- / Ausgabe- Anschlussstecker Adress- / Datenbus PCI-Bus oder andere Rechnerschnittstelle (z.b. USB) Messprozess U ref Messkarte PGA Sensor 1 TP MUX ADU FIFO PCI- Controller Sensor 2 TP Sensor n TP Trigger, Timer Zähler, PWM-Ausgang Digital I/O Timer, Steuereinheit, Speicher Leistungsverstärker, Aktor TP DAU

25 4. Messdatenerfassungssoftware Grafikoriente Programmierung: LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench, 1986) Ursprünglich für die Messdatenerfassung entwickelt, dann aber auch für die mathematische Auswertung genutzt Vollwertige graphische Benutzeroberfläche Programmierung mit Blockschaltbildern und Signalflussdiagrammen Visualisierung über Front Panal Alle klassischen Strukturen der textuellen Programmierung sind enthalten Unkompliziertes Einbinden von Treibern Bestandteile der Blöcke sind Virtuelle Instrumente (VI s) für Ansteuerung von Messgeräten einfache und komplexe mathematische Operationen

26 MATLAB (Matrix Labratory, 70er) Software für numerische Berechnungen und die Visualisierung von Daten Grundbaustein ist eine Matrix von nicht explizit definierter Dimension Lösung numerischer Probleme in kürzester Zeit Mathematische Anwendungsarten: interaktiv als Programmiersprache

27 zuerst für mathematische Anwendung, insbesondere für die Programmierung, konzipiert immer häufiger in der Messdatenerfassung eingesetzt Erweiterungsmodule für die Messdatenerfassung: Data Acquisition Toolbox: Zugriffsunterstützung auf eingebaute Datenerfassungsarten Instrument Control Toolbox: Kommunikation mit Externen Geräten über IEC-Bus (GPIB) und den seriellen Schnittstellen RS232, RS422, RS 485) Möglichkeit zur Einbindung von Unterprogrammen die mit FORTRAN oder C geschrieben wurden

28 5. Eigenkalibrierung / Eigendiagnose Kompensation von Fehlern und Drift während des Betriebes durch Eigenkalibration (Bsp.: Drehratensensoren in (unbemannten) Flugzeugen) Eigendiagnose durch schrittweise Abschätzung der Signalqualität eines Sensors zusätzliche Information zur Integrität der gemessenen Werte sind vorhanden die Qualität der Messung kann abgeschätzt werden ( validity margin ) Eine Echtzeitfehlerabschätzung ist möglich Fehlerfrüherkennung

29 6. Tendenzen Übertragung nachrichtentechnischer Konzepte (RF) auf die Sensorik/Netzwerktechnik (Wireless Sensing and Communication) Ultra-Wideband (UWB) Radar SAW-Sensoren (Surface Acoustic Wave) Autarke Sensoren für RFID-Netzwerke (Radio frequency identification)