450-4004/01 – Měřicí systémy (MS)

Garantující katedraKatedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvíKredity6
Garant předmětuIng. Radovan Hájovský, Ph.D.Garant verze předmětuIng. Radovan Hájovský, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinný
Ročník1Semestrletní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2010/2011Rok zrušení
Určeno pro fakultyFEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
HAJ74 Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.
PIE046 Ing. Martin Pieš, Ph.D.
SKO0076 Ing. Jiří Škovránek
Rozsah výuky pro formy studia
Forma studiaZp.zak.Rozsah
prezenční Zápočet a zkouška 2+2
kombinovaná Zápočet a zkouška 2+12

Cíle předmětu vyjádřené dosaženými dovednostmi a kompetencemi

Cílem předmětu je seznámení studentů s analýzou a syntézou moderního měřicího systému. Jsou zde detailně vysvětleny jednotlivé bloky měřicího systému se zaměřením na jejich důležité parametry v časové a frekvenční oblasti a také s ohledem na maximalizaci přenášené informace. Studenti jsou seznámení s metodami návrhu měřicího systému, s problematikou volby vhodného senzoru, přenosového kanálu, zpracování a vizualizace dat. Dalším cílem předmětu je názorně studentům demonstrovat prostředky pro realizaci komplexního měřicího systému v souvislosti s trendy v oblasti Průmyslu 4.0 a zejména IoT. Studenti jsou seznámení s HW komponenty pro tuto realizaci s ohledem na minimalizaci energetické spotřeby a zejména ochrany před povětrnostními vlivy. Jsou zde uvedeny jednotlivé bezdrátové systémy používané pro technologii IoT. Cílem je také seznámení studentů s možnostmi archivace dat na cloudovských úložištích a zpracování a vizualizace dat pomocí SW systémů jako jsou IBM Bluemix, Grafana, NodeRed aj. Studentům jsou rovněž prezentovány základní informace o problematice elektromagnetické kompatibility v souvislosti s vývojem a realizací měřicích systémů. Po absolvováni předmětu budou studenti schopni správně navrhnout a realizovat měřicí systém, budou schopni zvolit datové úložiště a pomocí vybraného SW řešení zpracovat a vizualizovat data.

Vyučovací metody

Přednášky
Individuální konzultace
Cvičení (v učebně)
Experimentální práce v laboratoři
Projekt

Anotace

Předmět je zaměřen na analýzu a syntézu komplexního měřicího systému z hlediska jeho vlastností jako speciálního kybernetického systému přenášejícího a zpracovávajícího signál s určitou informací. Uvádí obecná i speciální kritéria jeho kvality v časové i frekvenční oblasti i z hlediska teorie informace. Jsou zde uvedeny základní definice a informace o požadavcích na měřicí systém, rozdělení měřicích systémů a popis jednotlivých etap jeho návrhu a realizace. Student jsou seznámení s problematikou získávaní a přenosu informace v měřicím systému, s problematikou náhodného procesu a analýzou tohoto procesu v časové a frekvenční oblasti. Dále jsou zde vysvětleny jednotlivé kroky při návrhu měřicího systému s ohledem na detailní popis jednotlivých komponent, především jejich vlastností a způsobu použití. Náplň předmětu je také zaměřena na moderní trendy v oblasti syntézy měřicích systémů v souvislosti s vývojem v oblasti Průmyslu 4.0 a IoT. Studenti jsou seznámeni s touto problematikou a jsou jim prakticky demonstrovány vybrané HW komponenty tvořící měřicí systém na bázi IoT. Také jsou zde demonstrovány bezdrátové technologie použité v oblasti IoT jako jsou Lora, SigFox, IQRF. V neposlední řadě se studenti seznámí s možnostmi archivace naměřených dat, jejich zpracováním a vizualizací prostřednictvím vybraného SW systému. Na závěr jsou studentům vysvětleny základní pojmy z elektromagnetické kompatibility se zaměřením na vývoj a realizaci měřicího systému, zejména na oblast měření a analýzy rušivých signálů.

Povinná literatura:

ČEJKA, Miloslav. Elektronické měřicí systémy. Brno: VUT, 2002. HÁJOVSKÝ, Radovan: Měřicí systémy. Studijní materiály pro studijní obor Měřicí a řídicí technika Fakulty elektrotechniky a informatiky. Operační program Vzdělávání pro konkurenceschopnost: Inovace oboru Měřicí a řídicí technika na FEI, VŠB - TU Ostrava, CZ.1.07/2.2.00/15.0113 KRAUSS, Manfred. Měřicí informační systémy. SNTL Praha: 1981 HAASZ, Vladimír, Jiří NOVÁK a Jaroslav ROZTOČIL. Číslicové měřicí systémy. Vyd. 2. přeprac. Praha: České vysoké učení technické, 2000. ISBN 80-01-02219-6.

Doporučená literatura:

KOVÁČ, Dobroslav, Irena KOVÁČOVÁ a Ján KAŇUCH. EMC z hlediska teorie a aplikace. Praha: BEN - technická literatura, 2006. ISBN 80-7300-202-7. VACULÍK, Emil a Polina VACULÍKOVÁ. Elektronická kompaktibilita elektrotechnických systémů: praktický průvodce techniky omezení elektromagnetického vf rušení : ČSN-ČSN EN-ČSN IEC-ČSN CISPR-ČSN ETS. Praha: Grada, 1998. ISBN 80-7169-568-8.

Způsob průběžné kontroly znalostí během semestru

Průběžná kontrola studia: Referát do 7. týdne výuky Semestrální projekt do ukončení předmětu. Obsah a forma jednotlivých hodnocených prací: Referát: Odborné pojednání zpracované na základě prostudování nejméně tří pramenů (z toho dvou ze zahraniční cizojazyčné literatury) na studentem zvolené téma, odsouhlasené vedoucím cvičení. Musí obsahovat citaci (podle normy) literatury. Jazyková a formální úprava je zadávána na začátku semestru. Semestrální projekt: Konstrukce vybraného elektronického zařízení a jeho proměření podle požadavků EMC. Dokumentace musí obsahovat výkresovou a textovou část v rozsahu podle zadání semestrálního projektu. Obhájení je úspěšné, když student předloží hotový výrobek, vysvětlí samostatně jednotlivé etapy vývoje a výroby, uvede a zhodnotí změřené parametry a vyjádří se ke splnění zadání. Podmínky udělení zápočtu: Odevzdání referátu Odevzdání semestrálního projektu Zisk minimálně 10 bodů Pro absolvování předmětu musí student obdržet zápočet a složit závěrečnou zkoušku. Závěrečná zkouška má dvě části - písemnou se ziskem 5-20 bodů a ústní se ziskem 5-35 bodů. K absolvování předmětu musí student absolvovat obě části zkoušky.

E-learning

Další požadavky na studenta

Žádné další požadavky nejsou na studenta kladeny.

Prerekvizity

Předmět nemá žádné prerekvizity.

Korekvizity

Předmět nemá žádné korekvizity.

Osnova předmětu

Přednášky: 1. Úvod do problematiky návrhu a realizace měřicích systémů, popis jednotlivých etap realizace, požadavky na měřicí systémy, rozdělení měřicích systémů. 2. Základní popis získávání a přenosu informace v měřicích informačních systémech. Základní model měřicího systému, základy optimalizace měřicího informačního systému, přehled statistických charakteristik signálů používaných v měřicích systémech - distribuční funkce, hustota pravděpodobnosti, očekávané hodnoty, korelační funkce a spektrální výkonová hustota, způsoby měření statistických charakteristik signálů. 3. Zpracování stochastických signálů. Měřicí signál jako náhodný proces, charakteristiky náhodného procesu, náhodný proces stacionární a ergodický. Analýza náhodného procesu v časové a frekvenční oblasti. 4. Charakteristiky a kritéria jakosti měřicího informačního systému ve frekvenční a časové oblasti. Nuly a póly přenosové funkce, přechodová a impulzní charakteristika a její výpočet z přenosové funkce, souvislosti mezi vstupní a výstupní funkcí, frekvenční charakteristiky a jejich realizace. Kritérium střední kvadratické chyby. 5. Kritéria jakosti podle teorie informace. Informační obsah měřicího signálu, vstupní a výstupní entropie, transinformace. Celková a zbytková entropie signálu. Tok informace a kapacita měřicího kanálu. 6. Spolehlivost přenosu informace. Spolehlivost přenosu spojité informace a pravděpodobnost chyby přenosu u lineárních systémů s působením rušivých signálů. 7. Transinformace. Poměrná spolehlivost přenosu, spolehlivost a pravděpodobnost chyby, horní mez spolehlivosti, tok informace a kapacita kanálu, porovnání analogových a číslicových metod měření z hlediska teorie informace. 8. Optimalizace měřicích informačních systémů podle dynamických vlastností. Korekce dynamických vlastností měřicího systému. Ideální korekce. Číslicová korekce. Podmínka fyzikální realizovatelnosti, přehled korekčních členů, kompenzační metoda. 9. Návrh struktury měřicího systému, definice vstupních a výstupních signálu, jednoduché a rozvětvené měřicí systémy, kalibrace měřicích systémů. 10. Charakteristiky jednotlivých komponent měřicího systému, jejich statické a dynamické vlastnosti, rozsahy, přesnost, použitelnost. Možnosti komunikačních prostředků pro konektivitu jednotlivých komponent, postup výběru jednotlivých komponent. Hw realizace měřicího systému. 11. Vliv rušení na přesnost měření a jeho eliminace. Vnitřní rušení, vnější rušení, teplotní závislost měřicího systému, testování měřicího systému, možnosti korekce rušení. 12. Systémy pro přenos dat. Drátové a bezdrátové sběrnice a technologie. Popis jednotlivých technologií, jejich parametry, dosah, použitelnost. Příklady použití. 13. Zpracování a vizualizace dat. Popis procesu získávání, archivace a vizualizace dat. Příklady vizualizačních systémů, svázanost s daty, praktické příklady vizualizačních aplikací. 14. EMC a její vliv na měřicí systémy. Popis problematiky EMC se zaměřením na měřicí systémy. Metody měření EMC parametrů. Základní principy přenosu rušivých signálů. Metody ochrany před rušivými signály. Laboratoře: 1. Úvodní cvičení, seznámení se s vybavením laboratoře z hlediska návrhu a realizace měřicích systémů, školení bezpečnosti práce, seznámení se s laboratorními úlohami, seznámení se s koncepcí semestrálního projektu. 2. Platforma Raspberry + Arduino + Rex. Seznámení se danou platformou pro tvorbu měřicích a monitorovacích systémů, seznámení se vývojovým prostředím REX Control a možnosti jeho propojení s HW platformami Raspberry + Arduino, ukázka základních zapojení, návrh a realizace zapojení pro měření teploty pomocí DS18B20, realizace vizualizace pomocí Reliance, vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 3. Statické a dynamické vlastnosti měřicích systémů. Základní koncepce měřicího systému, dynamické vlastnosti v časové a frekvenční oblasti se zaměřením na senzorickou část, měření časových charakteristik teplotních čidel (PT 100, TČ), vyhodnocení měření, práce na semestrálním projektu. 4. Měření deformací. Seznámení se se senzory pro měření deformací, inklinoměry, tenzometry, ukázka zapojení a výsledných signálů v závislosti na deformaci, návrh a realizace zapojení vybraného senzoru na platformě Arduino, vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 5. Měření koncentrace plynů. Demonstrace žhavených a elektrochemických senzorů pro měření koncentrace plynů, demonstrace senzorů pro jednotlivé plyny řady TGS, návrh a realizace měřicího systému pro měření vybraného plynu na platformě Arduino, vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 6. Měření vzdálenosti. Demonstrace vybraných druhů senzorů pro měření vzdálenosti, ultrazvukové snímače, optické snímače, návrh a realizace měřicího systému na platformě Arduino, vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 7. Měření posunu. Demonstrace vybraných druhů snímačů pro měření posunu, LVDT snímače, lineární potenciometr, kapacitní snímače, návrh a realizace měřicího systému na platformě Arduino, vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 8. Komerční monitorovací systémy. Ukázky vybraných komerčních monitorovacích systémů, demonstrace jejich použití, možnosti připojení snímačů, přenosu, zpracování a vizualizace dat, měření na systému DIXELL, Fiedler-Magr, demonstrace převodníků AD4ETH, vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu – vizualizace dat. 9. Ovládání měřicích přístrojů pomocí SW Agilent Vee. Seznámení se se systémem Agilent VEE, demonstrační zapojení měřicích přístrojů a ukázka jejich ovládání pomocí uvedeného SW. 10. Elektromagnetická kompatibilita a její vliv na EMC. Demonstrace vlivu EMC na kvalitu MS, měření rušení po vedení a vyzařováním, měření pomocí sond pro blízká pole, ukázka měření v GTEM komoře, analýza naměřených dat, finalizace semestrálních projektů. 11. Prezentace semestrálních projektů. Prezentace dosažených cílů semestrálního projektu, diskuze nad zjištěnými problémy, kontrola odevzdání protokolů z měření, zápočet. Projekty: * Každý student dostane na začátku semestru jeden rozsáhlý projekt, který zpracuje s využitím měřicí a výpočetní techniky. Časová náročnost řešení zadaného projektu je cca 20 hodin. Název projektu: Návrh a realizace měřicího systému pro měření zadané veličiny, vyšetření jeho dynamických vlastností a optimalizace přenosu dat.

Podmínky absolvování předmětu

Prezenční forma (platnost od: 2012/2013 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 40 (40) 10
                Laboratorní práce Laboratorní práce 20  5
                Jiný typ úlohy Jiný typ úlohy 20  5
        Zkouška Zkouška 60 (60) 10
                Písemná zkouška Písemná zkouška 40  5
                Ústní zkouška Ústní zkouška 20  5
Rozsah povinné účasti: 80% účast na cvičeních

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramOborSpec.FormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2018/2019 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2018/2019 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2017/2018 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2017/2018 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2016/2017 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2016/2017 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2015/2016 (N2649) Elektrotechnika (2612T041) Řídicí a informační systémy P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2014/2015 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2014/2015 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2013/2014 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2013/2014 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2012/2013 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2012/2013 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2011/2012 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2011/2012 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2010/2011 (N2649) Elektrotechnika (2601T004) Měřicí a řídicí technika K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku