Bộ cung cấp nguồn AC
Data Acquisition (thường được viết tắt là DAQ hoặc DAS ) là quá trình lấy mẫu tín hiệu đo lường các hiện tượng vật lý trong thế giới thực và chuyển chúng thành dạng kỹ thuật số có thể được thao tác bằng máy tính và phần mềm.
Thu thập dữ liệu khác biệt với các hình thức ghi dữ liệu vào dụng cụ ghi hoặc biểu đồ giấy (data logger). Các tín hiệu được chuyển đổi từ miền tương tự sang miền kỹ thuật số và sau đó được ghi vào phương tiện kỹ thuật số như ROM, phương tiện flash hoặc ổ đĩa cứng.
Hệ thống thu thập dữ liệu (Data Acquisition System) là một hệ thống bao gồm các thiết bị đo lường, cảm biến, máy tính và phần mềm thu thập dữ liệu. Một hệ thống thu thập dữ liệu được sử dụng để thu thập, lưu trữ, trực quan hóa và xử lý dữ liệu. Điều này liên quan đến việc thu thập thông tin cần thiết để hiểu các hiện tượng điện hoặc vật lý.
Một số loại hệ thống thu thập dữ liệu có thể liệt kê như thiết bị dạng cầm tay để đo nhiệt độ đơn giản hoặc một hệ thống lớn lên tới hàng nghìn kênh được lắp đặt trong các tủ rack và được vận hành từ xa.
Thành phần của một hệ thống thu thập dữ liệu (DAQ)
- Các cảm biến
- Điều hòa tín hiệu
- Bộ chuyển đổi Analog sang Digital
- Máy tính được cài đặt phần mềm để phục vụ việc ghi và phân tích dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu đo lường những gì?
Các hệ thống thu thập dữ liệu chủ yếu phục vụ công việc đo lường các hiện tượng vật lý như:
|
|
Lưu ý rằng có một số đại lượng đo khác như ánh sáng, âm thanh, khối lượng, vị trí, tốc độ, v.v. đều có thể được đo bằng hệ thống thu thập dữ liệu.
Mục đích của việc thu thập dữ liệu
Mục đích chính của hệ thống thu thập dữ liệu DAQ là thu thập và lưu trữ dữ liệu. Đồng thời hệ thống cũng nhằm cung cấp khả năng hiển thị và phân tích dữ liệu theo thời gian thực và lưu trữ. Hơn nữa, hầu hết các hệ thống thu thập dữ liệu đều có khả năng tạo báo cáo và phân tích được tích hợp sẵn trong hệ thống.
Một cải tiến gần đây là sự kết hợp giữa thu thập và kiểm soát dữ liệu, trong đó hệ thống DAQ chất lượng cao được kết nối chặt chẽ và đồng bộ với hệ thống điều khiển theo thời gian thực.
Một số mục đích điển hình:
|
|
Thiết bị thu thập dữ liệu cũng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng giám sát, ví dụ như
- Theo dõi tình trạng của máy móc phức tạp như máy phát điện, động cơ, quạt,…
- Giám sát các đặc tính cấu trúc của các tòa nhà như cầu, sân vận động,…
- Giám sát mức tiêu thụ năng lượng và hiệu quả sử dụng năng lượng trong quá trình sản xuất.
Tầm quan trọng của hệ thống thu thập dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu hoặc thiết bị DAQ rất cần thiết trong quá trình thử nghiệm các sản phẩm, từ ô tô đến thiết bị y tế – đến bất kỳ thiết bị cơ điện nào mà mọi người sử dụng.
Trước khi thu thập dữ liệu, các sản phẩm đã được kiểm tra theo cách không có cấu trúc, mang tính chủ quan cao. Ví dụ, khi thử nghiệm hệ thống treo mới trên ô tô, các kỹ sư thường dựa vào ý kiến của những người lái thử về cảm giác của hệ thống treo đối với họ.
Với sự phát minh và phát triển của hệ thống thu thập dữ liệu, có thể thu thập dữ liệu từ nhiều loại cảm biến, những loại ý kiến chủ quan này đã được thay thế bằng các phép đo khách quan. Những điều này có thể dễ dàng được lặp lại, so sánh, phân tích toán học và hình dung theo nhiều cách. Ngày nay, không ai muốn chế tạo bất kỳ loại phương tiện nào, dù lớn hay nhỏ, máy bay, thiết bị y tế, máy móc quy mô lớn, v.v. mà không sử dụng thu thập dữ liệu để đo lường một cách khách quan về các yếu tố hiệu suất, độ an toàn và độ tin cậy của chúng.
Quy trình đo lường
Thu thập dữ liệu là quá trình chuyển đổi các tín hiệu thực tế đo được sang dạng số để hiển thị, lưu trữ và phân tích. Bởi vì các hiện tượng vật lý tồn tại trong thưc tế, tức là thế giới vật chất mà chúng ta đang sống, chúng phải được đo trước tiên ở đó và sau đó chuyển đổi sang dạng số.
Quá trình này được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều loại cảm biến và mạch điều hòa tín hiệu. Các kết quả đầu ra được lấy mẫu bằng bộ chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số (ADC) và sau đó được ghi the các luồng thời gian thực vào bộ nhớ kỹ thuật số như đã đề cập ở trên. Chúng tôi thường gọi các hệ thống như vậy là hệ thống đo lường.
1, Cảm biến
Các phép đo hiện tượng vật lý, chẳng hạn như nhiệt độ, mức độ của nguồn âm thanh hoặc rung động xảy ra do chuyển động liên tục, bắt đầu bằng cảm biến. Cảm biến còn được gọi là bộ chuyển đổi. Một cảm biến chuyển đổi một hiện tượng vật lý thành một tín hiệu điện có thể đo được.
Cảm biến được sử dụng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta. Ví dụ, nhiệt kế thủy ngân phổ biến là một loại cảm biến rất cũ được sử dụng để đo nhiệt độ. Sử dụng thủy ngân màu trong một ống kín, dựa trên thực tế là hóa chất này có phản ứng nhất quán và tuyến tính với những thay đổi về nhiệt độ. Bằng cách đánh dấu ống bằng các giá trị nhiệt độ, chúng ta có thể nhìn vào nhiệt kế và xem nhiệt độ là bao nhiêu với độ chính xác hạn chế.
Vì vậy, các loại cảm biến khác đã được phát minh để đo nhiệt độ, chẳng hạn như cặp nhiệt điện, nhiệt điện trở, RTD (Máy dò nhiệt độ điện trở) và thậm chí cả máy dò nhiệt độ hồng ngoại. Hàng triệu cảm biến này đang hoạt động mỗi ngày trong mọi loại ứng dụng, từ nhiệt độ động cơ hiển thị trên bảng điều khiển ô tô của chúng ta đến nhiệt độ đo được trong sản xuất dược phẩm. Hầu như mọi ngành công nghiệp đều sử dụng phép đo nhiệt độ theo một cách nào đó.
|
|
Tùy thuộc vào loại cảm biến, đầu ra điện của nó có thể là điện áp, dòng điện, điện trở hoặc một thuộc tính điện khác thay đổi theo thời gian. Đầu ra của các cảm biến tương tự này thường được kết nối với đầu vào của bộ điều hòa tín hiệu.
2, Điều hòa tín hiệu
Các bộ điều hòa tín hiệu đang hoạt động trong việc lấy đầu ra từ các cảm biến tương tự và chuẩn hóa chúng để đưa vào bộ số hóa (A/D converter).
Ví dụ với môt hệ thống đo nhiệt độ. Mạch điều hòa tín hiệu cần tuyến tính hóa đầu ra từ cảm biến cũng như cách ly và khuếch đại để đưa điện áp rất nhỏ lên mức danh định để số hóa.
Mỗi mạch điều hòa tín hiệu được nhà sản xuất thiết kế để thực hiện chuẩn hóa phần tử của đầu ra cảm biến để đảm bảo độ tuyến tính và độ trung thực của nó với các hiện tượng, và chuẩn bị cho số hóa. Và vì mỗi loại cảm biến khác nhau, nên các bộ điều hòa tín hiệu yêu cầu phải phù hợp với các cảm biến đó.
3, Cách ly điện (Galvanic Isolation)
Cách ly điện là sự tách mạch khỏi các nguồn điện thế khác. Điều này đặc biệt quan trọng với các hệ thống đo lường vì hầu hết các tín hiệu tồn tại ở mức tương đối thấp, và các điện thế bên ngoài có thể ảnh hưởng lớn đến chất lượng tín hiệu, dẫn đến việc đọc sai. Điện thế gây nhiễu có thể là cả AC và DC.
Ví dụ, khi một cảm biến được đặt trực tiếp trên vật phẩm đang được thử nghiệm, (ví dụ: nguồn điện) có điện thế trên mặt đất (tức là không ở 0V), điều này có thể tác động tới độ lệch DC trên tín hiệu hàng trăm vôn. Nhiễu hoặc nhiễu điện cũng có thể ở dạng tín hiệu xoay chiều được tạo ra bởi các thành phần điện khác trong đường dẫn tín hiệu hoặc trong môi trường thử nghiệm xung quanh. Ví dụ, đèn huỳnh quang trong phòng gây ra bức xạ 400Hz có thể được thu nhận bởi các cảm biến rất nhạy.
Đây là lý do tại sao các hệ thống thu thập dữ liệu tốt nhất có các đầu vào được cách ly (isolated)- để duy trì tính toàn vẹn của chuỗi tín hiệu và đảm bảo rằng tín hiệu đầu ra của cảm biến là chính xác. Ngày nay có một số loại kỹ thuật cách ly được sử dụng
4, Lọc (Filtering)
Hầu như mọi tín hiệu mà chúng ta muốn đo đều có thể bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện hoặc nhiễu khác. Điều này có nhiều nguyên nhân, bao gồm các trường điện từ xung quanh có thể được tạo thành các đường tín hiệu có độ lợi cao hoặc các điện thế đơn giản tồn tại giữa cảm biến hoặc hệ thống đo lường và đối tượng được thử nghiệm. Do đó, hệ thống điều hòa tín hiệu tốt nhất cung cấp bộ lọc có thể lựa chọn mà kỹ sư có thể sử dụng để loại bỏ những nhiễu này và thực hiện các phép đo tốt hơn.
Một số loại lọc tín hiệu cơ bản
Một số bộ lọc, chẳng hạn như lọc khử răng cưa, chỉ có thể được thực hiện trong miền tương tự. Điều này là do một khi tín hiệu sai do lấy mẫu dưới mức đã được số hóa, không có cách nào để biết tín hiệu thực trông như thế nào nữa. Tuy nhiên, gần như tất cả các quá trình lọc khác có thể được thực hiện trong miền kỹ thuật số, tức là trong phần mềm, sau khi tín hiệu đã được số hóa.
Bộ lọc cũng được xác định bởi số lượng cực mà chúng có. Càng nhiều cực, độ dốc mà chúng có khả năng thực hiện trên tín hiệu càng dốc. Độ dốc hoặc độ dốc này chỉ đơn giản có nghĩa là có bao nhiêu decibel của tín hiệu có thể được giảm trên mỗi quãng tám. Thông số kỹ thuật của bộ lọc được đề cập thường sẽ đưa ra mức giới hạn tối đa tính bằng dB/Q.
Phần cứng Dewesoft DAQ thường cung cấp bộ lọc thông thấp theo yêu cầu của các loại tín hiệu được đo. Một số máy điều hòa cung cấp thêm bộ lọc thông cao, chẳng hạn như bộ khuếch đại tín hiệu CHARGE. Việc loại bỏ các phần tử tần số thấp không mong muốn đặc biệt quan trọng nếu tín hiệu đo được sẽ được tích hợp hoặc tích hợp kép, vì các phần tử không mong muốn sẽ làm biến dạng nghiêm trọng các giá trị tốc độ hoặc độ dịch chuyển thu được.
Bạn cũng sẽ nghe nói về các loại bộ lọc như Bessel, Butterworth, Elliptic và Chebyshev, đó chỉ là một vài cái tên. Bởi vì tất cả các bộ lọc đều gây ra biến dạng cho chính tín hiệu do bản chất của chúng, nên các kỹ sư trong nhiều năm đã phát triển các loại bộ lọc của riêng họ để mang lại kết quả tốt nhất có thể cho các mục đích cụ thể của họ.
| ILTER TYPE | ROLL-OFF STEEPNESS | RIPPLE OR DISTORTION | OTHER FACTORS |
|---|---|---|---|
| Butterworth | Good | No ripple, but square waves cause distortion (hysteresis) | Moderate phase distortion |
| Chebyshev | Steeper | Ripples in the pass-band | Poor transient response |
| Bessel | Good | No ringing or overshoot from non-sinus waveforms | Increased phase delay |
| Elliptic | Steepest | Ripples in the pass-band | Non-linear phase response |
5, Bộ chuyển đổi Analog-Digital (ADC)
Đầu ra của hầu hết các bộ điều hòa tín hiệu đo vật lý là tín hiệu tương tự. Cần phải chuyển đổi tín hiệu này thành một loạt các giá trị kỹ thuật số tốc độ cao để nó có thể được hiển thị và lưu trữ bởi hệ thống thu thập dữ liệu. Do đó, ADC được sử dụng để chuyển đổi tín hiệu này.
Có nhiều loại ADC, bao gồm cả bộ chuyển đổi ghép kênh và bộ chuyển đổi đơn lẻ trên mỗi kênh. Trong hệ thống ADC ghép kênh, một bộ chuyển đổi tín hiệu tương tự sang kỹ thuật số duy nhất được sử dụng để chuyển đổi nhiều tín hiệu từ miền tương tự sang kỹ thuật số. Điều này được thực hiện bằng cách ghép từng tín hiệu tương tự vào ADC.
Đây là cách tiếp cận chi phí thấp hơn so với việc có chip ADC trên mỗi kênh. Nhưng mặt khác, không thể căn chỉnh chính xác các tín hiệu trên trục thời gian, vì chỉ có thể chuyển đổi một tín hiệu tại một thời điểm. Do đó, luôn có độ lệch thời gian giữa các kênh.
Trong những thời đầu thì hệ thống thập dữ liệu với bộ ADC 8-bit rất phổ biến. Nhưng ngày nay ADC 24 bit là tiêu chuẩn trong số hầu hết các hệ thống thu thập dữ liệu được thiết kế để thực hiện các phép đo động và ADC 16 bit thường được coi là độ phân giải tối thiểu cho tín hiệu nói chung.
Tốc độ chuyển đổi tín hiệu được gọi là tốc độ lấy mẫu . Một số ứng dụng nhất định, chẳng hạn như hầu hết các phép đo nhiệt độ, không yêu cầu tốc độ cao vì các đại lượng đo không thay đổi quá nhanh. Tuy nhiên, điện áp và dòng điện xoay chiều, sốc và rung, và nhiều đại lượng đo khác yêu cầu tốc độ lấy mẫu trong hàng chục hoặc hàng trăm nghìn mẫu mỗi giây hoặc hơn.
Một bộ ADC có độ phân giải 16 bit về lý thuyết có thể số hóa tín hiệu với độ phân giải 65,535 (2 ^ 16 = 65,536) và với ADC 24 bit số hóa tín hiệu với độ phân giải 2 ^ 24 = 16,777,216 như vậy nghĩa là cứ 1 V tín hiệu đến thì trên trục Y sẽ được chia làm 16 triệu bước
Kết luận rằng ADC cung cấp tốc độ lấy mẫu cao và độ phân giải trục biên độ cao là tối ưu cho phân tích tín hiệu động như sốc và rung. Tốc độ lấy mẫu thấp và độ phân giải trục biên độ cao thì tối ưu cho cặp nhiệt điện và các đại lượng đo khác có phạm vi rộng nhưng trạng thái thay đổi chậm.
Các bộ ADC cung cấp bộ lọc khử răng cưa (AAF) rất được mong muốn trong tất cả các ứng dụng liên quan đến phép đo động vì chúng ngăn ngừa lỗi đo do lấy mẫu tín hiệu ở tốc độ quá thấp
.
6, Lưu trữ dữ liệu
Các hệ thống thu thập dữ liệu ngày nay thường sử dụng ổ đĩa cứng thể rắn (SSD hoặc HDD) để truyền dữ liệu từ hệ thống con ADC sang bộ lưu trữ vĩnh viễn. Việc ghi dữ liệu vào đĩa cũng cho phép dữ liệu được phân tích sau khi hoàn thành kiểm tra.
Hầu hết các hệ thống DAQ đều cho phép xuất dữ liệu sang các định dạng tệp khác nhau để phân tích bằng các công cụ phần mềm của bên thứ ba. Các định dạng dữ liệu phổ biến bao gồm CSV (Giá trị được phân tách bằng dấu phẩy), UNV (Định dạng tệp chung),…
7, Trực quan hóa và Hiển thị Dữ liệu
Một trong những chức năng quan trọng nhất của bất kỳ hệ thống DAQ nào là khả năng trực quan hóa dữ liệu theo thời gian thực trong quá trình lưu trữ dữ liệu. Dữ liệu dạng sóng hầu như luôn có thể được hiển thị dưới dạng sóng Y / T dựa trên biểu đồ hoặc lưới và ở dạng số. Tuy nhiên, các quy ước đồ họa khác có thể được thêm vào, chẳng hạn như dạng biểu đồ thanh, đồ thị tần số / cường độ FFT (Fast Fourier Transform), v.v.
Các hệ thống DAQ linh hoạt nhất hiện nay cho phép người dùng cấu hình một hoặc nhiều màn hình một cách tự do bằng cách sử dụng các widget đồ họa tích hợp một cách dễ dàng. Bên cạnh các thiết bị Datalogger nhỏ gọn dạng cầm này như GL240 hay GL840, Graphtec cũng cung cấp giải pháp về DAQ là model Data Platform GL7000. Model là được xây dựng theo cấu trục module, với khả năng mở rộng lên tới 112 kênh độc lập, hỗ trợ nhiều dạng tín hiệu đầu vào như High-speed voltage, High-volage,… với khả năng kết nối đồng bộ với các sản phẩm khác của Graphtec, tạo là giải pháp toàn diện và tổng thể cho việc thu thập dữ liệu trong nhà máy.
8, Phân tích dữ liệu
Hệ thống thu thập dữ liệu cung cấp một tham chiếu trực quan, quan trọng về trạng thái của bài kiểm tra trong thời gian thực. Nhưng sau khi được lưu trữ trong hệ thống DAQ, dữ liệu cũng có thể được phân tích bằng các công cụ được tích hợp sẵn trong hệ thống DAQ hoặc phần mềm phân tích dữ liệu của bên thứ ba.
Như đã đề cập trước đó, gần như mọi hệ thống DAQ trên thị trường hiện nay đều có một số bộ lọc xuất dữ liệu tích hợp để chuyển đổi định dạng dữ liệu độc quyền của hệ thống sang định dạng dữ liệu của bên thứ ba để phân tích ngoại tuyến.
