450-4004/03 – Měřicí systémy (MS)

Garantující katedraKatedra kybernetiky a biomedicínského inženýrstvíKredity6
Garant předmětudoc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.Garant verze předmětudoc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.
Úroveň studiapregraduální nebo graduálníPovinnostpovinný
Ročník1Semestrletní
Jazyk výukyčeština
Rok zavedení2019/2020Rok zrušení
Určeno pro fakultyFEIUrčeno pro typy studianavazující magisterské
Výuku zajišťuje
Os. čís.JménoCvičícíPřednášející
HAJ74 doc. Ing. Radovan Hájovský, Ph.D.
PIE046 Ing. Martin Pieš, Ph.D.
VEL0069 Ing. Jan Velička, Ph.D.
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.

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. Semestrální projekt: Návrh a realizace vybraného měřicího zařízení a jeho analýza dle zadání. Součástí je kompletní dokumentace k řešení semestrálního projektu. Prezentace semestrálního projektu je úspěšná, pokud student demonstruje hotové a funkční řešení. Podmínky udělení zápočtu: Student může dosáhnout max. 20 bodů za protokoly z laboratorních cvičení. Dále může dosáhnout max. 20 bodů za semestrální projekt. 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 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. a. Popis jednotlivých etap realizace, b. Požadavky na měřicí systémy, c. Rozdělení měřicích systémů. 2.Základní popis získávání a přenosu informace v měřicích informačních systémech. a. Základní model měřicího systému, b. Základy optimalizace měřicího informačního systému, c. Přehled statistických charakteristik signálů používaných v měřicích systémech - distribuční funkce, hustota pravděpodobnosti, očekávané hodnoty, korelační funkce a spektrální výkonová hustota d. Způsoby měření statistických charakteristik signálů. 3.Zpracování stochastických signálů. a. Měřicí signál jako náhodný proces, b. Charakteristiky náhodného procesu, c. Náhodný proces stacionární a ergodický. d. Analýza náhodného procesu v časové a frekvenční oblasti. 4.Charakteristiky a kritéria jakosti měřicího informačního systému ve frekvenční a časové oblasti. a. Nuly a póly přenosové funkce, b. Přechodová a impulzní charakteristika a její výpočet z přenosové funkce, c. Souvislosti mezi vstupní a výstupní funkcí, d. Frekvenční charakteristiky a jejich realizace. e. Kritérium střední kvadratické chyby. 5.Kritéria jakosti měřicích systémů podle teorie informace. a. Informační obsah měřicího signálu, b. Vstupní a výstupní entropie, c. Transinformace, d. Celková a zbytková entropie signálu, e. Tok informace a kapacita měřicího kanálu. 6.Návrh struktury měřicího systému. a. Definice vstupních a výstupních signálů b. Jednoduché a rozvětvené měřicí systémy, c. Kalibrace měřicích systémů. 7.Charakteristiky jednotlivých komponent měřicího systému. a. Statické a dynamické vlastnosti, rozsahy, přesnost, použitelnost, b. Možnosti komunikačních prostředků pro konektivitu jednotlivých komponent, postup výběru jednotlivých komponent. 8.HW realizace měřicího systému. a. Volba vhodných komponent pro měřicí systém, b. Vzájemná kooperace a kompatibilita jednotlivých komponent, c. Soulad s EMC. 9.Syntéza měřicích systémů v souvislosti s vývojem v oblasti Průmyslu 4.0. a. Základní charakteristiky, požadavky, implementace, b. Vysvětlení pojmu kyberfyzikální systémy, c. Energetická náročnost komponent, d. Energy harvesting, autonomní systémy. 10.Návrh měřicích systémů a jejich implementace do oblasti IoT. a. Požadavky na komponenty měřicích systémů, jejich vlastnosti, b. Miniaturizace, ochrana před povětrnostními vlivy, c. Ochrana před vnějším rušením, d. Volba přenosové technologie. 11.HW prostředky pro měřicí systémy na bázi IoT. a. Bezdrátové technologie pro IoT. Lora, Sigfox, IQRF, b. Využití vývojových nástrojů pro návrh měřicích systémů a jejich testování, c. Prostředky pro napájení komponent měřicích systémů. 12. Vliv rušení na přesnost měření a jeho eliminace. a. Vnitřní rušení, vnější rušení, b. Teplotní závislost měřicího systému, c. Testování měřicího systému, d. Možnosti korekce rušení. 13.Zpracování a vizualizace dat. a. Popis procesu získávání, archivace a vizualizace dat, b. Příklady vizualizačních systémů, svázanost s daty, praktické příklady vizualizačních aplikací. 14.EMC a její vliv na měřicí systémy. a. Popis problematiky EMC se zaměřením na měřicí systémy, b. Metody měření EMC parametrů, c. Základní principy přenosu rušivých signálů, d. 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. Seznámení se danými HW platformami pro tvorbu měřicích a monitorovacích systémů ( Raspberry Pi, Arduino, IQRF aj.), ukázka základních zapojení, návrh a realizace zapojení pro měření teploty pomocí DS18B20, realizace vizualizace pomocí vybrané SW platformy, 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 dané HW platformě s využitím analogových vstupních portů (AI), vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 5. Měření vzdálenosti. Demonstrace vybraných druhů senzorů pro měření vzdálenosti, ultrazvukové snímače, optické snímače, návrh a realizace měřicího systému na dané platformě s využitím digitální sběrnice I2C, vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 6. Měření posunu. Demonstrace vybraných druhů snímačů pro měření posunu, LVDT snímače, lineární potenciometr, kapacitní snímače, návrh a realizace měřicího systému na dané platformě, demonstrace rušivých vlivů na měřicí řetězec (superponované rušení), návrh korekce rušení vyhodnocení naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 7. 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 a vizualizace naměřených dat, práce na semestrálním projektu. 8. Technologie IQRF. Základní demonstrace, sestavení MESH sítě, demonstrace vyčítání dat ze senzorů, přenos dat na cloud, práce na semestrálním projektu. 9. Tvorba měřicího systému s využitím modulů IQRF, demonstrace použití různých typů bran pro přenos dat (GSM, ETH), práce na semestrálním projektu. 10. Demonstrace použití systémů LoRa, SigFox, NB-IoT pro měření a přenos dat, práce na semestrálním projektu. 11. Vizualizace naměřených dat. Možností vizualizace – dynamické www stránky, SW systémy Grafana, NodeRed, IBM Bluemix – ukázky použití, práce na semestrálním projektu. 12. Elektromagnetická kompatibilita a její vliv na MS. 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. 13. Konzultační cvičení, možnost náhradního měření, finalizace semestrálních projektů. 14. Konzultační cvičení, diskuse nad protokoly o měření, prezentace semestrálních projektů, zápočet. Semestrální projekt: * 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

Kombinovaná forma (platnost od: 2019/2020 zimní semestr)
Název úlohyTyp úlohyMax. počet bodů
(akt. za podúlohy)
Min. počet bodůMax. počet pokusů
Zápočet a zkouška Zápočet a zkouška 100 (100) 51
        Zápočet Zápočet 40  10
        Zkouška Zkouška 60 (60) 10 3
                Písemná zkouška Písemná zkouška 40  5
                Ústní zkouška Ústní zkouška 20  5
Rozsah povinné účasti: minimální účast na cvičeních je 85%.

Zobrazit historii

Podmínky absolvování předmětu a účast na cvičeních v rámci ISP: Splnění všech povinných úkolů v individuálně dohodnutých termínech.

Zobrazit historii

Výskyt ve studijních plánech

Akademický rokProgramObor/spec.Spec.ZaměřeníFormaJazyk výuky Konz. stř.RočníkZLTyp povinnosti
2024/2025 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2024/2025 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2023/2024 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2023/2024 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2022/2023 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2022/2023 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2021/2022 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2021/2022 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2020/2021 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2020/2021 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2019/2020 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB P čeština Ostrava 1 povinný stu. plán
2019/2020 (N0714A150001) Řídicí a informační systémy KYB K čeština Ostrava 1 povinný stu. plán

Výskyt ve speciálních blocích

Název blokuAkademický rokForma studiaJazyk výuky RočníkZLTyp blokuVlastník bloku

Hodnocení Výuky



2022/2023 letní
2021/2022 letní
2020/2021 letní
2019/2020 letní