450-2027/03 – Elektronická měření a přístroje (EMP)
| Garantující katedra | Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství | Kredity | 4 |
| Garant předmětu | doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D. | Garant verze předmětu | doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinně volitelný typu B |
| Ročník | 3 | Semestr | zimní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2019/2020 | Rok zrušení | |
| Určeno pro fakulty | FEI | Určeno pro typy studia | bakalářské |
Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi
Cílem předmětu je seznámení studentů se základní strukturou měřicího řetězce z hlediska jeho vlastností a minimalizace chyb. Jsou zde vysvětleny základní bloky měřicího řetězce se zaměřením na jeho statické a dynamické vlastnosti. Dalším cílem je také seznámení studentů a získání dovedností v používání moderních metod měření s využitím speciálních funkcí měřicích přístrojů např. v oblasti dekódování sériových sběrnic, technické diagnostiky, analýzy frekvenčního spektra apod. Studenti jsou také seznámení s aktuálními trendy v oblasti přenosu a zpracování dat. Jsou zde také prezentovány základní informace o problematice elektromagnetické kompatibility s praktickými příklady ukázek měření. Po absolvování předmětu jsou studenti schopni správně sestavit a použít měřicí řetězec pro měření dané veličiny, jsou schopni používat moderní měřicí techniku a správně zpracovat a vyhodnotit naměřená data.
Vyučovací metody
Přednášky
Individuální konzultace
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři
Anotace
Předmět je zaměřen na problematiku elektronických měření s použitím moderních měřicích přístrojů a využití jejich speciálních funkcí. Jsou zde detailně popsány základní bloky měřicího systému s ohledem na jejich statické a dynamické vlastnosti a také s ohledem na minimalizaci chyb měření. Na praktických úlohách jsou zde vysvětleny a demonstrovány metody měření základních veličin od návrhu správných senzorů po zpracování a vyhodnocení dat. Studenti jsou seznámení jak s klasickými měřicími přístroji tak především s moderními funkcemi těchto přístrojů, které umožňují v reálném čase např. dekódování sériových sběrnic, provádět FFT analýzu apod. V rámci přednášek a cvičení jsou studenti také seznámení s oblastí Industry 4.0 a IoT z hlediska realizace měřicího řetězce s ohledem na minimalizaci energetické náročnosti a volby metod bezdrátového přenosu a zpracování dat. Jsou zde uvedeny a demonstrovány základní používané technologie jako jsou LoRa, SigFox, IQRF. Studenti jsou také seznámení se základními pojmy z oblasti elektromagnetické kompatibility a je demonstrováno moderní přístrojové vybavení včetně ukázek metod měření vyzařovaného rušení.
Povinná literatura:
Doporučená literatura:
Další studijní materiály
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
Průběžná kontrola studia:
Průběžná kontrola studia je prováděna na základě účasti studenta v laboratorních cvičeních.
Obsah a forma jednotlivých hodnocených prací:
Protokoly z laboratorních cvičení:
Protokoly z laboratorních cvičení obsahují standardní formu pro protokoly. Detailní popis je probrán na úvodním cvičení.
Podmínky udělení zápočtu:
Student může dosáhnout max. 40 bodů za protokoly z laboratorních cvičení. Minimální počet dosažených bodů pro udělení zápočtu je 10 a minimální účast na cvičeních je 85%.
Pro absolvování předmětu musí student obdržet zápočet a složit závěrečnou zkoušku. Závěrečná zkouška má dvě části: písemnou se ziskem 5-40 bodů a ústní se ziskem 5-20 bodů. K absolvování předmětu musí student absolvovat obě části zkoušky.
E-learning
Další požadavky na studenta
Žádné další požadavky na studenta nejsou kladeny
Prerekvizity
Předmět nemá žádné prerekvizity.
Korekvizity
Předmět nemá žádné korekvizity.
Osnova předmětu
Přednášky:
1.Základní pojmy měřicí techniky
a. Základní pojmy z ČSN EN 60359 (Elektrická a elektronická měřicí zařízení -
Vyjadřování vlastností)
b. Metrologická charakteristika měřicího přístroje
c. Měřená veličina, ovlivňující veličina, referenční podmínky, mezní podmínky
d. Chyby přístroje, systematické, náhodné,
e. Vyjádření chyb: absolutní, relativní, pro analogové přístroje, digitální
přístroje
2.Elektronický měřicí systém
a. Definice požadavků, analýza a teoretický návrh
b. Měřicí metody
c. Výběr snímačů a měř prostředků/přístrojů
d. Sestavení měřicího zařízení
e. Připojení k měřenému objektu, nastavení parametrů
f. Metody přenosu naměřených dat
g. Zpracování naměřených dat
h. Význam prezentace výsledků měření
i. Automatizace měření
3.Základní bloky měřicího řetězce
a. Chyby bloků a jejich skládání
b. Měřicí převodník A/A (např. snímač teplota na 0-10V)
c. Aditivní a multiplikativní chyba
d. Statické a dynamické vlastnosti
e. Snímače v měřicím řetězci, jejich parametry, způsoby použití. (příklad:
způsoby měření teploty)
4.Analogové obvody v měřicích systémech určené pro předzpracování signálu
a. Symetrický a nesymetrický signál, diferenciální vstupy
b. Problematika zemnění, společná zem, termoelektrické napětí
c. Signálové vedení, vlastnosti dvojlinky, koaxiálního kabelu
d. Poměr signál/šum
e. Měřicí zesilovače a filtry v měřicím řetězci (možná bude třeba rozdělit do
další před.)
5.A/D a D/A konverze měřených dat, vzorkování signálu
a. Vzorkování, kvantování, spektrum vzorkovaného signálu
b. Vlastnosti A/D převodníků (SNR, SINAD, dynamický rozsah, chyba …)
c. Aliasing v časové a frekvenční oblasti
d. Význam antialaiasing filtru, potlačení aliasingu, návrh filtru
e. Rekonstrukce signálu D/A převod
6.Měřený signál, parametry signálů v časové a frekvenční oblasti
a. Harmonická analýza signálů s ohledem na měřený signál
b. Syntéza harmonických signálů
7.Architektura elektronických měřicích systémů
a. Rozdělení na laboratorní, průmyslové (požadavky)
b. Lokální a rozlehlé
c. Centralizované (GPIB, RS232) a distribuované (LAN, MESH sítě, …)
d. Struktura MS: sběrnice, kruh, hvězdice, bridge
e. Metody přenosu dat - RS232, RS422, RS485 …
f. Měřicí ústředna
8.Metodologie měření s osciloskopem (speciality moderních přístrojů, dekódovaní
digitálních sběrnic)
a. Použití moderních osciloskopů – jejich speciální funkce – návaznost na
základní měření
b. Využití FFT, ZOOM, možnosti využití dekódování sběrnic – I2C aj.
c. Možnosti exportu dat
9.Metodologie měření se spektrálním analyzátorem
a. Použití spektrálního analyzátoru pro analýzu signálu ve frekvenčním spektru
b. Nastavení základních parametrů – šířka pásma, měřená veličina, typy trejsů
c. Analýza naměřeného spektra – detekce peaků
d. Použití pokročilejších funkcí – měření výkonu, tracking generátor
e. Možnosti exportu dat
10.Technická diagnostika (měření vibrací - Pulse)
a. Popis čím se zabývá technická diagnostika s ohledem na problematiku měření
a přístrojového vybavení (měření hluku a vibrací)
b. Popis procesu měření vibrací, měřicí řetězec, popis jednotlivých komponent
potřebných k měření (systém PULSE od Bruel&Kjaer)
c. Popis procesů měření hluku – souvislosti s hygienou práce – zdravotní ústav
11.EMC, význam a metody měření
a. Rozdělení problematiky EMC na EMI a EMS, popis jednotlivých oblastí
b. Přehled přístrojové techniky a dalších komponent pro měření EMI a EMS
c. Metody měření rušivých signálů (vedením a vyzařováním)
d. Metody měření ESD
12.Moderní metody v oblasti měření, problematika Industry 4.0 a IoT.
a. Poznatky z aktuálních trendů v oblasti měření a monitorování – přenos dat,
cloudovské úložiště, vizualizace dat
b. Souvislost Industry 4.0 a oblasti měření – důraz na bezpečnost,
autonomnost, energetická náročnost
c. IoT – popis problematiky, názorné příklady využití měření + IoT, příklady z
praxe (technologie LoRa, SigFox, NB-ioT, IQRF)
13.Použití technologie IQRF pro rozsáhlá měření a zpracování dat
a. Popis technologie IQRF, přehled produktů se zaměřením na měření
b. Tvorba MESH sítě, nastavení koordinátora sítě a jednotlivých měřicích uzlů
c. Přenos dat na cloud
d. Zpracování a vizualizace dat
Poznámka: Počet témat přednášek nemusí odpovídat pořadí a počtu týdnů v semestru.
Laboratoře:
Cvičení 1 – Úvod
- Úvodní cvičení, seznámení se s přístrojovým vybavením laboratoře, školení
bezpečnosti, seznámení se laboratorními úlohami, seznámení se se simulačním
prostředním Multisim.
Cvičení 2 – Usměrňovače, stabilizátory
- Seznámení se s činnosti jednocestného a dvojcestného usměrňovače a s
činností stabilizátorů (se Zenerovou diodou, 78XX), simulace zapojení
usměrňovačů pomocí Multisim, praktické zapojení jednocestného a
dvoucestného usměrňovače, Greatzova můstku a praktické zapojení daných
zapojení stabilizátorů vykreslení jednotlivých průběhů na osciloskopu,
porovnání se simulačními průběhy.
Cvičení 3 – Dynamické vlastnosti systémů v časové oblasti
- Praktické ověření dynamických charakteristik systémů v časové oblasti,
změření přechodové charakteristiky RC článku, simulace přechodové
charakteristiky pro různé časové konstanty
v Multisim, ověření přechodových charakteristik na měřicím přípravku pro 3
časové konstanty, vykreslení jednotlivých průběhu na osciloskopu, porovnání
se simulačními průběhy.
Cvičení 4 – Dynamické vlastnosti systémů ve frekvenční oblasti
- Praktické ověření dynamických charakteristik systémů ve frekvenční oblasti,
návrh pasivního a aktivního filtru prvního řádu typu dolní propust pomocí
SW FilterPro pro zadanou kritickou frekvenci, simulace navrhnutého zapojení
pomocí Multisim, praktická realizace navrhnutých zapojení, změření
frekvenčních charakteristik a jejich vykreslení na spektrálním analyzátoru,
porovnání se simulačními průběhy.
Cvičení 5 – Základní zapojení s operačními zesilovači
- Praktické měření a ukázka základních zapojení s OZ, návrh invertujícího,
neinvertujícího, integračního, derivačního a sumačního zapojení, simulace
zapojení v Multisim, praktická realizace uvedených zapojení, vykreslení
jednotlivých průběhů na osciloskopu, porovnání se simulačními průběhy,
diskuze chyb měření v závislosti na použitých OZ.
Cvičení 6 – AD převodníky
- Praktická ukázka činnosti A/D převodníků, simulace činnosti jednotlivých
druhů A/D převodníků pomoci Multisim, demonstrační měření A/D převodníků na
měřicím přípravku, porovnání naměřených hodnot se simulačními, diskuze
parametrů jednotlivých druhů A/D převodníků.
Cvičení 7 – Měření teploty
- Seznámení se s metodami měření teploty, seznámení se s jednotlivými
použitými metodami, ukázky jednotlivých senzorů, popis jejich vlastností
(rozsah, přesnost, výstupní signál, dynamické charakteristiky), návrh a
praktická realizace měření pomocí odporových čidel PT 100, termočlánků,
DS18B20, diskuze ohledně přesnosti měření.
Cvičení 8 – Speciality moderních osciloskopů – dekódování sériových sběrnic
- Seznámení se s moderními funkcemi digitálních osciloskopů. Demonstrace
využití FFT, ZOOM, matematických operací. Demonstrace použití možnosti
dekódování sériových sběrnic – I2C. Možnosti exportu dat.
Cvičení 9 – Technická diagnostika
- Seznámení se s oblastí technické diagnostiky, metodikou měření a
vyhodnocení kritických stavů, demonstrační měření otáček motoru pomocí
akcelerometru a systému PULSE, demonstrace zpracování dat ve frekvenční a
časové oblasti
Cvičení 10 – Elektromagnetická kompatibilita – základy měření
- Seznámení se s problematikou měření EMC parametrů technologických zařízení,
ukázka potřebného vybavení pro testování EMI, demonstrace měření rušivých
signálů šířených po vedení a prostorem, demonstrace měření s použitím sond
pro blízké pole, ukázka měření v GTEM komoře
Cvičení 11 - Demonstrace možnosti použití technologie IQRF pro měření a
vizualizaci dat.
- Seznámení se s využitím technologie IQRF pro měření. Ukázka měření na
vývojovém kitu – měření teploty.
Cvičení 12 - Demonstrace tvorby MESH sítě a rozsáhlých měřicích systémů, přenos
dat na cloud, zpracování dat.
- Seznámení se s návrhem a tvorbou MESH sítě. Sestavení MESH sítě pro měření
teploty a vlhkosti. Demonstrace přenosu naměřených dat na cloud, jejich
zpracování a vizualizace.
Cvičení 13 – Konzultační cvičení, možnost náhradního měření, diskuse nad protokoly
o měření, zápočet.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky