Что такое системы сбора данных?

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: 

• датчиков

• преобразователей сигналов

• аналого-цифрового преобразователя

• компьютера с программой сбора данных для регистрации сигналов и их анализа.

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

Узнайте больше об элементах системы сбора цифровых данных:

Что такое датчики и для чего они нужныПолное руководство по датчикам. Смотря какие датчики. Узнайте об основных типах датчиков. Поймите важность датчиков в сборе данных (DAQ).

Что такое преобразование сигналов или преобразователь сигналов?Полное руководство по преобразованию сигналов при сборе данных. Узнайте, что такое формирование сигналов, типы преобразователей сигналов и лежащие в их основе технологии.

Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)?Полное руководство по преобразователям АЦП (аналого-цифровым преобразователям). Узнайте, что они делают и какие типы лучше всего подходят для приложений сбора данных.

Что измеряет система сбора данных?

Системы сбора данных предназначены для измерения физических явлений, например:

• температуры

• напряжения;

• тока;

• деформации и давления

• ударных нагрузок и вибрации;

• расстояния и смещения;

• количества оборотов в минуту, угла и дискретных событий;

• веса

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. 

Ознакомьтесь с современными цифровыми системами сбора данных Dewesoft

Компания Dewesoft предлагает простые в использовании современные и модульные цифровые системы сбора данных. Системы разработаны для простоты использования, но при этом вы можете использовать их для самых сложных задач тестирования и измерений. Dewesoft DAQ предлагают лучшую в отрасли 7-летнюю гарантию Гарантия.

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:

• запись данных,

• хранение данных,

• визуализация данных в реальном времени,

• обзор данных после их записи,

• анализ данных с помощью различных математических и статистических расчетов,

• создание отчетов.

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.

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.

Рассмотрим каждый из этих элементов в цепочке более подробно:

• Датчики или преобразователи

• Преобразователи сигналов

• Изоляция

• Фильтрация

• Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП)

• Хранение данных

• Визуализация данных

• Анализ данных

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.

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.

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

• Датчики нагрузки: для измерения веса и нагрузки

• Датчики LVDT: для изучения смещения в расстоянии

• Акселерометры: для измерения вибрации и ударных нагрузок

• Микрофоны: для измерения звука 

• Тензодатчики: для измерения деформации объекта, например для измерения силы, давления, натяжения, веса и пр.

• Преобразователи тока: для измерения переменного и постоянного тока и многие другие.

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:

Что такое датчики и для чего они нужныПолное руководство по датчикам. Смотря какие датчики. Узнайте об основных типах датчиков. Поймите важность датчиков в сборе данных (DAQ).

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.

If we continue the example of the thermocouple. The signal conditioning circuitry needs to linearize the output from the sensor as well as provide isolation, and amplification to bring the very small voltage up to a nominal level for digitizing.

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:

Что такое преобразование сигналов или преобразователь сигналов?Полное руководство по преобразованию сигналов при сборе данных. Узнайте, что такое формирование сигналов, типы преобразователей сигналов и лежащие в их основе технологии.

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. 

Подробнее об изоляции при сборе данных:

Значимость изоляции в системах сбора данныхЭлектрическая изоляция — это отделение цепи от других источников электрического потенциала. Узнайте о важности гальванической развязки 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.

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

• Фильтр нижних частот — фильтр ограничивает сигналы на определенной частотной границе и выше.

• Фильтр верхних частот— выполняет противоположную функцию и пропускает частоты выше определенной границы.

• Полосовой фильтр и полосовой режекторный фильтр — пропускают или останавливают (отклоняют) частоты между двумя определенными значениями.

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.

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. 

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:

Онлайн-курс Dewesoft PRO => Фильтрация сигналов

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. 

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).

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.

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:

Что такое аналого-цифровой преобразователь (АЦП)?Полное руководство по преобразователям АЦП (аналого-цифровым преобразователям). Узнайте, что они делают и какие типы лучше всего подходят для приложений сбора данных.

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.

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:

• Рекордеры — горизонтальные, вертикальные, XY

• Осциллограф — осциллограмма, 3D-осциллограмма, вектороскоп

• БПФ — БПФ, 3D-БПФ, гармоники и октавы

• Шкалы — цифровые, аналоговые, горизонтальные/вертикальные

• Графики — двумерные, трехмерные, октава, орбита, диаграмма Кэмпбелла

• Видео — стандартный дисплей и тепловизионный дисплей с индикаторами температуры

• GPS — отображение позиционирования с интерактивной поддержкой Open Street Map с разбивкой по уровням

• Управление — кнопки, переключатели, ручки, ползунки, пользовательские поля

• Анализ ДВС — диаграмма P-V и осциллограмма

• Балансировка ротора — для балансировки на месте

• Испытания ТС — 3D-полигон для отображения движущихся объектов

• Испытания ЛА — высотомер и авиагоризонт

• DSA/NVH — модальный круг

• Прочее — двумерные и трехмерные таблицы, изображения, текст, строка, индикатор перегрузки, индикаторная лампа, примечания

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

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.

Основные типы систем сбора данных

Есть два основных типа систем сбора данных:

• готовые системы или инструменты сбора данных;

• платформы разработки собственных систем сбора данных

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:

• Бюджетные системы сбора данных, как правило, стоят 200–500 долл. США/канал

• Системы сбора данных средней ценовой категории, как правило, стоят 500–1000/канал

• Высококлассные системы сбора данных, как правило, стоят 1000–2000 долл. США/канал

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.