450-4004/04 – 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 | angličtina |
Rok zavedení | 2019/2020 | Rok zrušení | |
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:
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 na studenta nejsou 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
Výskyt ve studijních plánech
Výskyt ve speciálních blocích
Hodnocení Výuky