450-4004/01 – Měřicí systémy (MS)
| Garantující katedra | Katedra kybernetiky a biomedicínského inženýrství | Kredity | 6 |
| Garant předmětu | doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D. | Garant verze předmětu | doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D. |
| Úroveň studia | pregraduální nebo graduální | Povinnost | povinný |
| Ročník | 1 | Semestr | letní |
| | Jazyk výuky | čeština |
| Rok zavedení | 2010/2011 | Rok zrušení | 2021/2022 |
| Určeno pro fakulty | FEI | Určeno pro typy studia | navazující magisterské |
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:
Doporučená literatura:
Forma způsobu ověření studijních výsledků a další požadavky na studenta
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
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky