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:
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.Základní pojmy metrologie
a. Výsledek měření, soubor hodnot, nejistoty měření, zápis výsledků
b. Metrologie, kategorie měřidel
c. Kalibrace, justace, kalibrační křivka, kalibrační diagram
d. Kompatibilita měření, vlastnost prokázaná při všech výsledcích měření
stejné veličiny, charakterizovaný patřičným překrýváním jejich údajů
e. Přímé a nepřímé měření, výpočet chyb a nejistot
3.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
4.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)
5.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.)
6.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
7.Měřený signál, parametry signálů v časové a frekvenční oblasti
a. Harmonická analýza signálů s ohledem na měřený signál
b. Syntéza harmonických signálů
8.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
9.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
10.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
11.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
12.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
13.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)
14.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 - Demonstrace možnosti použití HW řešení pro měření analogového signálu,
přenosu a vizualizace dat
- Seznámení se s komerčními možnostmi převodníků měřených veličin na
unifikovaný signál/sběrnici, demonstrace použití převodníku AD4ETH,
praktická realizace měření analogového signálu a přenosu dat pomocí
ethernetu, vizualizace naměřených hodnot pomocí www stránek
Cvičení 11 – 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 12 - 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 13 - 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 14 – Konzultační cvičení, možnost náhradního měření, diskuse nad protokoly
o měření, zápočet.
Podmínky absolvování předmětu
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky