daq устройства что такое

Что такое системы сбора данных?

01. Mar 2020

Категории новостей

Автор Грант Малой Смит, эксперт по сбору данных

В этой статье подробно рассматривается сбор данных. Прочитав ее, вы получите представление об:

Перейти к разделу

Что такое сбор данных?

Под сбором данных мы подразумеваем процесс выполнения измерений физических явлений или их запись в любом виде для дальнейшего анализа.

Сбор данных, как правило, отличают от ранних форм записи на магнитные и бумажные ленты.

В отличие от прежних методов, сигналы из аналоговой области преображаются в цифровую область, а затем записываются на цифровой носитель, например ПЗУ, флэш-накопитель или накопитель на жестком диске.

Современные цифровые системы сбора данных состоят из четырех основных компонентов, которые формируют всю цепочку измерения физических явлений:

Компоненты современной цифровой системы сбора данных

Стандартная система сбора данных оснащена несколькими каналами схем формирования сигнала, которые обеспечивают интерфейс между внешними датчиками и подсистемой аналогово-цифрового преобразования.

Dewesoft поставляет удобные современные цифровые системы сбора данных как для простых, так и сложных испытаний и измерений

Ознакомьтесь с современными цифровыми системами сбора данных от Dewesoft

Что измеряет система сбора данных?

Системы сбора данных предназначены для измерения физических явлений, например:

Однако есть и другие величины, в том числе свет и изображения, звук, масса, положение, скорость и пр., которые могут измеряться с помощью системы сбора данных.

Задачи сбора данных

Основной задачей системы сбора данных является сбор и хранение данных. Вместе с тем, такие системы используются для визуализации во время и после измерений и анализа данных. Более того, большинство систем сбора данных имеет встроенные функции анализа и создания отчетов.

Одной из недавних инноваций стало объединение функций сбора данных и управления, когда система сбора данных тесно интегрирована и синхронизирована с оперативной системой управления. Подробнее об этом см. в статье «Объединение сбора данных с оперативной системой управления».

Конечно же, инженеры в разных областях предъявляют разные требования, но все они основываются на следующих общих функциях:

Системы сбора данных Dewesoft включают комплексные решения для записи данных, их хранения, визуализации, анализа и составления отчетов в одном комплексном пакете

Значимость систем сбора данных

Системы или устройства сбора данных важны для испытания продукции, от автомобилей до медицинского оборудования, — практически любого электромеханического устройства, которым пользуются люди.

До изобретения сбора данных изделия проходили бесструктурные, крайне субъективные испытания. Например, при тестировании новой подвески автомобиля инженеры зачастую опирались на мнение водителей-испытателей о том, какой они «чувствовали» подвеску.

С изобретением и разработкой систем сбора данных, которые были способны собирать данные с различных датчиков, такие субъективные мнения были заменены объективными измерениями. Измерения можно было повторить, сравнить, проанализировать с помощью математических формул и визуализировать разными способами.

Пример сценария испытания, когда система сбора данных Dewesoft используется для записи, хранения и анализа данных во время испытания на экстремальные весовые нагрузки, проводимого на грузовом автомобиле

Сегодня никто бы не стал производить большие или маленькие транспортные средства, летательные аппараты, медицинское оборудование, крупногабаритные механизмы и пр. без развертывания сбора данных для объективного измерения их производительности, безопасности и надежности.

Процесс измерения

Сбор данных — это процесс преобразования сигналов из внешнего мира в цифровую область для отображения, хранения и анализа. Поскольку физические явления существуют в аналоговой области, т.е. физическом мире, в котором мы живем, их необходимо сначала измерить, а затем преобразовать в цифровую область.

Этот процесс осуществляется с помощью различных датчиков и преобразователей сигналов. Выходные значения отбираются аналогово-цифровым преобразователем (АЦП) и записываются во временном потоке на цифровой накопитель, как уже было сказано выше. Обычно такие системы называются системами измерения.

Полная схема аналоговой системы сбора данных

Рассмотрим каждый из этих элементов в цепочке более подробно:

Датчики или преобразователи

Измерение физических явлений, например температуры, уровня источника звука или вибрации, возникающей в связи с постоянным движением, начинается с датчика. Датчик также называют преобразователем. Датчик преобразует физическое явление в электрический сигнал, который можно измерить.

Датчики широко используются в повседневной жизни. Например, обычный ртутный градусник — это очень старый вид датчика, используемого для измерения температуры. Принцип его работы заключается в том, что ртуть одинаково и линейно реагирует на изменение температуры, поэтому именно это окрашенное вещество используется в закрытой трубке. Благодаря шкале на трубке мы можем определять температуру, просто взглянув на градусник.

Классический термометр используется для измерения температуры на протяжении веков

Конечно, выходные аналоговые значения, помимо визуальных, у такого прибора отсутствуют. Такой термометр, справляясь со своими задачами в духовке или за окном, не всегда полезен при сборе данных.

Поэтому для измерения температуры были изобретены другие виды датчиков, например термопары, термисторы, РДТ (резистивные датчики температуры) и даже инфракрасные температурные датчики. Миллионы таких датчиков используются каждый день для решения различных задач: от вывода температуры двигателя на приборной панели автомобиля до измерения температур при производстве лекарств. Практически в любой отрасли в той или иной мере используются приборы для измерения температуры.

Термодатчики, слева направо: термопара, термисторы, РДТ

Конечно, есть и другие виды датчиков, предназначенные для измерения других физических явлений:

В зависимости от типа датчика, его электрическими выходными данными могут быть напряжение, ток, сопротивление или другое электрическое свойство, которое изменяется со временем. Выходы таких аналоговых датчиков обычно подсоединены ко входам преобразователей сигналов, которые мы рассмотрим в следующем разделе.

Подробнее о датчиках и преобразователях:

Справочник «Что такое датчик или преобразователь»
«Как измерять деформацию и давление с помощью тензодатчиков»
«Как измерять вес с помощью датчиков нагрузки»
** СКОРО ** Полный справочник по видам датчиков
** СКОРО** Справочник «Список производителей датчиков»

Преобразователи сигналов

Преобразователи сигналов отвечают за подготовку выходных данных аналоговых датчиков для цифровой выборки.

Рассмотрим это также на примере термопары. Для схемы преобразования сигнала требуется линеаризация выходных значений датчика, а также изоляция и, чтобы провести оцифровку, повышение крайне малых уровней напряжения до номинальных уровней через усилители.

От аналогового источника сигнала к цифровым данным, готовым для компьютерной или программной обработки

Преобразователи сигналов проектируются производителями для выполнения элементарной нормализации выходных данных с датчика и обеспечения их линейности и соответствия с первоначальным явлением, а также для их подготовки к оцифровке. Преобразователи, в силу существования разных типов датчиков, должны полностью соответствовать выбранному типу.

Подробнее о преобразовании сигналов:

Руководство «Что такое преобразование сигналов или преобразователь сигналов?»

Изолирующие барьеры (гальваническая изоляция)

Иногда называемая гальванической развязкой, электрическая изоляция подразумевает отделение контура прибора от других источников электрического тока. Она представляет особое значение для измерительных систем, поскольку большинство сигналов довольно слабы, и внешние источники электрического тока могут сильно влиять на качество сигнала, что приведет к неверным показаниям. По своей природе токи помех могут быть как переменными, так и постоянными.

Например, когда датчик размещается непосредственно на тестируемом объекте (источнике питания), напряжение которого превышает 0 вольт, это может вызывать смещение постоянной составляющей сигнала на сотни вольт. Электрические помехи или шумы могут также принимать форму сигналов переменного тока, создаваемых другими электрическими компонентами в сигнальном канале или в окружающей среде в месте проведения испытания. Например, флюоресцентные лампы в помещении могут излучать 400 Гц, и это значение может считываться высокочувствительными датчиками.

Вот почему лучшие системы сбора данных имеют изолированные входы — для сохранения целостности сигнальной цепи и эффективного считывания выходных сигналов датчиков. Существует несколько методов изоляции, использующихся на сегодняшний день.

Видео, в котором рассказывается об эффективности гальванической изоляции систем сбора данных Dewesoft

Подробнее об изоляции при сборе данных:

Справочник «Значимость изоляции в системах сбора данных»

Фильтрация

Практически любой сигнал, который необходимо измерить, может подвергнуться влиянию электрических помех или шума. У этого может быть множество причин, в том числе внешние электромагнитные поля, которые могут возникать в высокомощных линиях передач сигналов, или простые потенциалы, существующие между датчиком или системой измерения и исследуемым объектом. Поэтому лучшие системы преобразования сигналов обеспечивают избирательную фильтрацию, которую инженеры могут использовать для устранения таких помех и улучшения качества измерений.

На этой схеме аналоговый шумовой сигнал проходит через фильтр низкой частоты для отсеивания ненужных частот

Фильтры, как правило, определяются частотой, которую они охватывают. Существует четыре основных вида фильтров сигнала:

Основные виды фильтров

Некоторые виды фильтрации, например фильтрация-сглаживание, могут осуществляться только в аналоговой области. Дело в том, что когда ложный сигнал, вызванный недостаточной частотой выборки, пройдет оцифровку, узнать, каким он был изначально, будет невозможно. Все остальные фильтры, как правило, работают с цифровой областью, т.е. в программном обеспечении уже после оцифровки сигнала.

Фильтры также определяются количеством полюсов. Чем больше полюсов, тем менее плавно датчики осуществляют затухание сигнала. Под затуханием подразумевается количество децибелов сигнала, затухающих на одну октаву. В спецификации фильтра обычно указывается максимальное затухание в дБ/Q.

Оборудование Dewesoft для сбора данных, как правило, оснащено фильтрами нижних частот в соответствии с измеряемыми сигналами. Некоторые преобразователи дополнительно предоставляют возможность фильтрации верхних частот, например усилители сигналов CHARGE. Устранение ненужных низкочастотных элементов особенно важно, если измеряемый сигнал проходит интегрирование или двойное интегрирование, поскольку нежелательные элементы могут серьезно искажать полученные значения скорости и смещения.

Помимо этого, встречаются такие типы фильтров, как фильтры Бесселя, Баттерворта, эллиптический фильтр, фильтр Чебышева и пр. Поскольку все фильтры по своей природе искажают сигнал, с течением времени инженеры изобрели собственные типы фильтров, чтобы обеспечить оптимальные результаты при выполнении конкретных задач.

Тип фильтра	Затухание	Пульсации или искажение	Другие факторы
Баттерворта	Хорошее	Пульсации отсутствуют, но прямоугольные волны приводят к искажению (гистерезис)	Умеренное фазовое искажение
Чебышева	Менее плавное	Пульсации на полосе пропускания	Плохая переходная характеристика
Бесселя	Хорошее	Отсутствие звона или выброса при несинусоидальных сигналах	Повышенная фазовая задержка
Эллиптический	Наименее плавное	Пульсации на полосе пропускания	Нелинейный фазовый отклик

Вы можете видеть, что у каждого из этих фильтров есть свои плюсы и минусы. Именно поэтому каждый инженер сам принимает решение о том, какой фильтр лучше подходит для конкретной задачи.

ПО Dewesoft X включает широкий выбор фильтров, в том числе указанные выше и многие другие. Следует отметить, что программные фильтры можно применить после измерения, а также отменить или изменить. Это позволяет инженерам использовать разнообразные инструменты для недеструктивного анализа данных.

Настройка фильтров в ПО сбора данных Dewesoft X

С помощью Dewesoft X инженеры могут записывать данные без фильтрации, а затем применять различные фильтры после записи и экспериментировать с ними, включая параллельное сравнение данных с первоначальным сигналом. Такая гибкость обеспечивает эффективность и простоту реализации этого мощного инструмента анализа. Программа сохраняет необработанные и нефильтрованные данные и, одновременно с этим, позволяет инженерам применять фильтры по необходимости, создавать различные наборы данных для их анализа и представления.

Подробнее о фильтрах:

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП или АЦ преобразователи)

Выходные значения большинства преобразователей сигналов при измерении физических явлений представляют собой аналоговые сигналы. Чтобы отображать и хранить сигнал в системе сбора данных, необходимо преобразовать этот сигнал в серию высокоскоростных цифровых значений. Для этого используется плата или подсистема аналого-цифрового преобразования.

Схема АЦП: преобразование аналогового сигнала в данные цифровой области

Существуют различные типы АЦП, в том числе мультиплексные и отдельные преобразователи на один канал. В мультиплексной системе АЦП один аналого-цифровой преобразователь оцифровывает сразу несколько аналоговых сигналов. Это достигается путем мультиплексирования аналоговых сигналов по одному в АЦП.

Это более экономичный подход по сравнению с применением отдельных АЦП-чипов для каждого канала. Однако, с другой стороны, при этом невозможно точно распределить сигналы по оси времени, поскольку в один момент времени может быть преобразован только один сигнал. Поэтому между каналами всегда существует временной перекос.

В эпоху зарождения сбора данных 8-битные АЦП были обычным явлением. На момент написания этой статьи 24-битные АЦП являются стандартом для большинства систем сбора данных, предназначенных для проведения динамических измерений, а 16 бит считаются минимальным разрешением для сигналов в целом.

Скорость, с которой преобразуются сигналы, называется частотой выборки. Некоторые области применения, такие как большинство измерений температуры, не требуют высокой скорости, поскольку сигналы изменяются не очень быстро. Однако при анализе напряжения и силы переменного тока, ударов и вибрации, а также многих других величин, требуются частоты выборки, составляющие десятки или сотни тысяч выборок в секунду и более. Частота выборки обычно называется осью измерения T (или X).

Частота выборки АЦП

Для оси Y (или вертикальной оси) предлагаются АЦП различных разрешений. Самыми распространенными являются 16- и 24-битные устройства. АЦП с разрешением 16 бит теоретически может оцифровывать входящие сигналы с разрешением 1/65 535 (2^16 = 65 536).
Это число уменьшается в связи с шумом и погрешностями преобразования, а также другими факторами, однако оно дает неплохую начальную точку для сравнения. Поскольку каждый бит разрешения эффективно удваивает разрешение преобразования, системы с 24-битными АЦП обеспечивают 2^24 = 16 777 216. Таким образом, входящий одновольтный сигнал можно разделить на более чем 16 миллионов шагов по оси Y.

АЦП с высокой частотой выборки и высоким разрешением амплитудной оси идеально подходят для анализа динамических сигналов, например ударных нагрузок и вибрации. Низкая частота выборки и высокое разрешение амплитудной оси оптимальны для термопар и тех величин, которые имеют широкий диапазон амплитуд, но их состояние меняется не так быстро.

АЦП, обеспечивающие фильтрацию-сглаживание, крайне желательны для динамических измерений, поскольку они предотвращают погрешности измерения, вызванные слишком низкой частотой выборки сигнала. Искажение определяется как возникновение ложного сигнала из-за слишком редкой выборки быстро меняющегося сигнала.

Если выборка настроена недостаточно точно, полученный сигнал может отличаться от реального.
Источник изображения: Викисклад

После преобразования в цифровую форму сигналы (измеренные величины) обрабатываются подсистемой компьютера несколькими способами. Прежде всего их можно отобразить на экране системы, чтобы оператор смог провести визуальную оценку и анализ. Большинство систем сбора данных отображают данные в нескольких популярных форматах, в том числе в виде графика изменения по времени (по типу ленточного самописца, Y/T), а также в виде числового дисплея. Но предлагаются и другие типы представления данных, в том числе гистограммы, графики X-Y и т.д.

Подробнее об АЦП:

Справочник «Что такое АЦП»
** СКОРО** Справочник «Типы АЦП»

Хранение данных

В современных системах сбора данных для передачи данных из подсистемы АЦП в постоянное хранилище обычно используются твердотельные или жесткие диски (SSD или HDD). Запись данных на диск также позволяет анализировать их после завершения испытаний.

Большинство систем сбора данных поддерживает экспорт данных в различные форматы файлов для анализа с использованием сторонних программных инструментов. Популярные форматы включают CSV, UNV и другие.

ПО для сбора данных Dewesoft X позволяет экспортировать данные в эти два формата и во множество других. Ознакомьтесь с полным списком форматов экспорта данных .

Съемное SSD-хранилище высокой емкости на наших компьютерах для хранения и обработки данных SBOX

Визуализация и отображение данных

Одной из самых важных функций любой системы сбора данных является способность визуализировать данные в реальном времени во время их сохранения. Системы, как правило, оснащены встроенным или отдельным плоским экраном, который можно настраивать по мере необходимости.

Данные сигналов можно практически всегда отобразить в виде сигнала Y/T на графике или сетке, а также в числовой форме. Однако можно использовать и другие графические представления, например гистограммы, графики частоты/величины БПФ (быстрое преобразование Фурье) и пр.

Самые гибкие системы сбора данных позволяют пользователю свободно настраивать один или несколько экранов с помощью встроенных графических виджетов. ПО для сбора данных Dewesoft X включает ряд встроенных графических инструментов :

Все инструменты визуализации поддерживают настройку с визуальной обратной связью в режиме реальном времени.

Типичный экран ПО Dewesoft X в системе сбора данных Dewesoft, отображающий данные измерений на различных графиках и визуальных виджетах, выбираемых пользователем

Анализ данных

Системы сбора данных помогают получить необходимое визуальное представление о состоянии испытания в реальном времени. Однако после сохранения данных системой их можно также проанализировать с помощью инструментов, встроенных в эту систему сбора данных или стороннее решение анализа.

Как уже было сказано, практически каждая система сбора данных, доступная сегодня на рынке, имеет несколько встроенных фильтров экспорта данных для преобразования собственного формата данных системы в сторонний формат для внешнего анализа.

Системы сбора данных Dewesoft оснащены широким рядом функций для анализа данных в ПО Dewesoft X

Основные типы систем сбора данных

Есть два основных типа систем сбора данных:

Готовые системы сбора данных

Готовая или интегрированная система сбора данных — это инструмент, который могут использовать инженеры-испытатели, прошедшие базовое обучение. Полностью интегрированные инструменты не требуют сборки или использования любых сред или языков программирования.

Подробнее о сборе данных и регистраторах данных:

Справочник «Что такое регистратор данных и как он работает?»
Разница между регистраторами данных и системами сбора данных

Платформы разработки собственных систем сбора данных

Платформы разработки собственных систем сбора данных предлагаются компанией National Instruments, например пакет LabVIEW. Такие платформы основаны на объектно-ориентированной графической модели программирования.

Платформа разработки системы сбора данных LabView от National Instruments

Компания National Instruments предлагает широкий ряд аппаратных интерфейсов, совместимых с системой LabVIEW. Это позволяет создать инструмент, для которого не требуется сборка или программирование. У каждого подхода есть свои преимущества и недостатки.

Платформы разработки, например платформы National Instruments, обеспечивают максимальную гибкость, поскольку с их помощью можно создать все что угодно. Однако пользователю приходится разрабатывать и программировать собственную систему. Пользователь также отвечает за техническое обслуживание системы, за исправление ошибок и нужные обновления.

Готовая система сбора данных SIRIUS от Dewesoft обладает достаточной гибкостью для решения любых современных задач по сбору данных

Другие типы и классификации систем сбора данных: системы сбора данных общего и специального назначения

Многие инструменты сбора данных на рынке являются системами общего назначения. Это подразумевает, что они могут использоваться для решения широкого ряда задач. В этом плане такие системы представляют собой аналоги мультиметров или осциллографов. Например, инструменты Dewesoft используются для тестирования автомобилей, электростанций, летательных аппаратов, производственного оборудования и бесчисленных электромеханических систем.

СКОРО!
Подробнее о классификации систем сбора данных:

Справочник «Типы систем сбора данных»

Конфигурация оборудования для сбора данных

Несмотря на то, что все системы сбора данных состоят из следующих основных компонентов:

их конфигурации могут сильно разниться. Фактически существует несколько базовых физических конфигураций, которые используются различными производителями в выпускаемых системах.

Модульные системы сбора данных

В такой конфигурации основные компоненты являются отделимыми и подключаются друг к другу посредством кабеля. Обработка данных, их хранение и отображение обычно происходят на компьютере стороннего производителя, например ноутбуке или ПК.

Зачастую производители предоставляют отдельное устройство, содержащее преобразователи сигналов и АЦП, которое подключается к компьютеру через высокоскоростной интерфейс, такой как USB, FireWire, Ethernet и т.д. В других системах интерфейс АЦП требуется установить на компьютер в стандартном формате, например PCI, PCIe, VXI и пр.

Интегрированные системы сбора данных

В такой конфигурации производитель предоставляет отдельное оборудование, которое содержит все основные компоненты: преобразователи сигналов, АЦП, хранилище данных, дисплей и процессор.

Ознакомьтесь с современными цифровыми системами сбора данных от Dewesoft. Системы сбора данных предлагаются в модульном и в интегрированном виде.

Цены на системы сбора данных

Системы сбора данных продаются целым рядом компаний и представлены в широком диапазоне функций и спецификаций, поэтому цены на них существенно разнятся. Обратитесь к справочнику «Полный список компаний на рынке сбора данных», чтобы ознакомиться с актуальным списком производителей.

Удобнее всего представлять общие расценки на разные уровни систем сбора данных в рамках модели «цена на канал». Примерные цены даны в долларах США:

Стоимость систем сбора данных собственной разработки трудно оценить, поскольку они варьируются от систем с небольшим количеством каналов до систем, на создание которых ушло десять человеко-лет и/или которые состоят из сотен или даже тысяч каналов.

Источник