MITTAUSJÄRJESTELMÄT T140303

Transkriptio

1 Kurssin toteutus ja liitännät Toteutus Mittausjärjestelmän rakenne ja toiminta Mittausjärjestelmän muodostaminen LabView-ohjelmointia Liitännät Tietoliikennetekniikkaa Peruskurssina Elektroniikan mittaustekniikka Jatkokurssina on Mittaustekniikan laboratoriot T

2 Johdanto mittausjärjestelmiin Johdanto mittausjärjestelmiin Mittauslaitteita ja instrumentointijärjestelmiä käytetään ilmaisemaan, muuntamaan, välittämään, tallentamaan ja säätämään fysikaalisia suureita. Laitteiden toiminnan tarkoituksena on laajentaa ihmisen aistien toiminta-aluetta aluetta mittaamalla tarkemmin nopeammin, laajemmalla mittausaluella tai kauempaa ja kauemmin kuin aistein on mahdollista. 2

3 Johdanto mittausjärjestelmiin Mittauslaitteita joudutaan usein yhdistelemään järjestelmiksi. Käyttämällä sopivia antureita useimmat suureet voidaan muuttaa elektronisiksi signaaleiksi, joiden käsittely järjestelmässä on verraten helppoa Johdanto mittausjärjestelmiin Mittaussignaali voi olla Jännite Virta Taajuus Absoluuttinen vs. differentiaalinen mittaus Anturi antaa joko suureen mittausarvon tai referenssiin verrannollisen mittausarvon Jatkuvat vs. diskreetit mittaukset Mittaustulos on nähtävissä koko ajan ( reaaliaikainen ) tai vain tiettyinä ajanhetkinä ( näytteistetty näytteistetty ) 3

4 Johdanto mittausjärjestelmiin Suorat ja epäsuorat mittaukset: mittauksen tulos kertoo suoraan lopputuloksen tai se on laskettava/pääteltävä Vastuksen arvon mittaaminen jännitteen ja virran avulla (U=R*I) Taajuusmittaus Jaksonpituus: f=1/t 0 (taajuus on jaksonpituuden käänteisluku) Jaksojen lukumäärä: f= n/t (taajuus on jaksojen lukumäärä aikayksikössä) Johdanto mittausjärjestelmiin Järjestelmätyyppejä Keskitetty/hajautettu Tuotantoprosessi: paperitehdas Kappaletavara: kännykkätehdas kkät Ympäristö: säätilamittaus 4

5 Johdanto mittausjärjestelmiin Itsenäisenä alana mittaustekniikka on vielä varsin nuori. Alan juuret ovat kuitenkin paljon kauempana; minkään kokeellisen tieteenalan kehitystä ei voida ajatella ilman mittausta. Esimerkiksi fysiikan kehitystä tarkasteltaessa tulee selvästi esiin sen ja mittausmenetelmien t i vuoroittainen i kehittyminen: i mittausten t antamien parempien tietojen varassa voidaan kehittää fysiikan tuntemusta, ja fysiikan kehittyessä saadaan puolestaan mahdollisuuksia mittauslaitteiden kehittämiseen. Johdanto mittausjärjestelmiin Hyvä mittaus: Toistettava Luotettava Nopea Halpa Informatiivinen Yleensä mittausjärjestelmän valinnassa joudutaan tekemään kompromissi tai painottamaan joitain ominaisuuksia 5

6 Johdanto mittausjärjestelmiin Mittaamista käsittelevää tiedon aluetta kokonaisuudessaan sanotaan metrologiaksi. Sen keskeisiä kohteita ovat: suureet (SI) mittayksiköt ja niiden mittanormaalit (SI) mittaukset mittaustulosten käsittely ja tulosten arviointi mittausten inhimilliset tekijät mittausten epätarkkuus Laskutehtävä ä Kuinka suuri virhe voi tulla taajuusmittaukseen a) Käytettäessä jaksojen lukumäärän mittausta? b) Käytettäessä jaksonpituusmittausta? Taajuuslaskurin kellotaajuus on 1 MHz ja mitattava taajuus on 10 Hz. Jaksoja mitataan 1 s. 6

7 Mittaus Mittaus Fysikaalinen ilmiö Anturointi Mittaustulos Epäideaalisuudet Virheet Häiriöt Käyttöympäristön muutokset: lämpötila, kosteus, paine, käyttöjännite (Mittaustuloksen siirto) 7

8 Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Suure Fysikaalisen ilmiön määritelmä Mitattavissa oleva ominaisuus Mittayksikkö Suureen kvantitatiivinen mittaus = suureen arvo Mittanormaali (standardi) Mittayksikön perusta Mittalaitteitten vertailupiste (referenssi) Mittaus: Fysikaalinen ilmiö SI (Système Internationale) järjestelmä on yleisimmin käytetty mittajärjestelmä Metrinen yksikköjärjestelmä Juuret Ranskasta 1700-luvun lopulta, jolloin Ranskan kuningaskunnassa aloitettiin yksikköjärjestelmän järkeistystyö. Työ saatettiin loppuun vasta 1790-luvulla Ranskan suuren vallankumouksen jälkeen, jolloin määriteltiin metri ja kilogramma ja niiden mittanormaalit eli vertailukappaleet. Metri ja gramma kerrannaisyksiköineen korvasivat vaikeaselkoisen perinteisen mittajärjestelmän, jossa eri tavaralaatujen painoja, tilavuuksia ja mittoja käsiteltiin omina suureinaan. Samalla yksikköjärjestelmä muuttui kymmenkantaiseksi, mikä helpotti yksikkömuunnoksia Lähde: Wikipedia 8

9 Mittaus: Fysikaalinen ilmiö SI-suureet Perusyksiköt Massa Pituus Lämpötila Ainemäärä Valovoima Aika Sähkövirta Täydennysyksiköt Tasokulma Avaruuskulma Johdannaisyksiköt Taajuus Voima Paine, jännitys Energia, työ Teho Sähkövaraus Jännite jne. Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Massa Massan SI-standardi on Ranskaan sijoitettu kilogramman prototyyppi (3. CGPM1901). Kansainvälisessä painojen ja mittojen toimistossa (BIPM) Ranskassa säilytetään kansainvälistä platina-iridiumista iridiumista valmistettua kilogramman prototyyppiä. Suomessa massan kansallinen mittanormaali on kansainvälisen kilogramman kopio n:o 23. Sen massa tunnetaan kansainväliseen kilogramman prototyyppiin nähden suhteellisella epävarmuudella 12 x Aktiivinen tutkimustyö on käynnissä kilogramman realisoimiseksi sähkösuureiden, ajan ja pituuden avulla. Massan mittayksikkö on kilogramma [kg] 9

10 Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Pituus Metri [m] on sellaisen matkan pituus, jonka valo kulkee tyhjiössä aikavälissä 1/ s. (17. CGPM 1983). Metri realisoidaan MIKESissä tällä hetkellä kolmen jodiin stabiloidun punaisen He-Ne Ne-laserin avulla. Kunkin laserin taajuus on khz suhteellisen standardiepävarmuuden ollessa 2,1 x Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Lämpötila Lämpötilan mittanormaali muodostuu veden kolmoispisteestä ja absoluuttisesta nollapisteestä. Kelvin [K], termodynaamisen lämpötilan yksikkö, on 1/273,16 veden kolmoispisteen termodynaamisesta lämpötilasta. (13. CGPM 1967). Termodynaamisen lämpötilan lisäksi käytetään celsiuslämpötilaa t, joka määritellään yhtälöllä t = T -273,15 K Termodynaaminen lämpötila on vaikeasti mitattavissa ja siksi käytännön mittauksia varten on sovittu kansainvälisestä lämpötila-asteikosta asteikosta tik t ITS-90 ITS90 Apupisteet: hapen (O2) kiehumispiste (-182,97 182,97 C), rikin kiehumispiste (444,6 C), hopean jähmettymispiste (960,8 C) ja kullan jähmettymispiste (1063 C). Kiintopisteiden välillä lämpötila lasketaan interpolointikaavojen avulla. Alueella -259 C C lämpötila määritellään kiintopisteissä kalibroitujen platinavastuslämpömittareiden avulla. Lämpötilan +962 C yläpuolella asteikko toteutetaan Planckin säteilylain avulla. 10

11 Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Ainemäärä Mooli [mol] on sellaisen systeemin ainemäärä, joka sisältää yhtä monta perusosasta kuin 0,012 kilogrammassa hiili 12:ta on atomeja (14. CGPM 1971). Avogadron vakio eli Avogadron luku (N A ) kertoo moolissa olevien hiukkasten lukumäärän. Avogadron vakio on noin 6, hiukkasta moolia kohden Moolia ei realisoida suoraan sen määritelmästä. Se voidaan realisoida monella epäsuoralla tavalla. Ainemäärän ä määrittämisen i perusmenetelmiksi i on valittu: isotooppilaimennusmassaspektrometria, kulometria, gravimetria, titrimetria ja jäätymispisteen alenema. Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Valovoima Kandela [cd] on sellaisen säteilijän valovoima, joka tiettyyn suuntaan lähettää monokromaattista 540 x hertsin taajuista säteilyä ja jonka säteilyintensiteetti tähän suuntaan on 1/683 wattia steradiaania kohti. (16. CGPM 1979). Valolähteen valovoima määritetään mittaamalla sen aiheuttama valaistusvoimakkuus tunnetulla etäisyydellä valolähteestä referenssifotometrin avulla. Referenssifotometrin t i vaste on määritetty tt optisen tehon mittanormaalin, kryogeenisen radiometrin avulla. Referenssifotometrin spektrinen herkkyys noudattaa kansainvälisen suosituksen mukaista päivänäkemisen herkkyyskäyrää. Käyrän maksimiarvo osuu aallonpituudelle 555 nm, joka vastaa kandelan määritelmässä esiintyvää 540 THz:n taajuutta. 11

12 Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Aika Sekunti [s] on kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 133 -atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä. (13. CGPM 1967). Ajan ja taajuuden mittayksiköt realisoidaan cesium-atomikellolla. Sen taajuuden suhteellinen epävarmuus on 1 x (1 sekuntia vuodessa). Suomen kansallinen aika määritetään MIKESissä atomikelloilla, joiden näyttämää verrataan jatkuvasti kansainväliseen koordinoituun yleisaikaan (UTC) GPS-paikannussatelliittien signaaleja käyttäen noin 200 ns epävarmuudella. UTC-aika perustuu noin 230 eri puolilla maapalloa sijaitsevan atomikellon lukemien painotettuun keskiarvoon Sähkövirta Mittaus: Fysikaalinen ilmiö Ampeeri [A] on ajallisesti muuttumaton sähkövirta, joka kulkiessaan kahdessa suorassa samansuuntaisessa, äärettömän pitkässä johtimessa, jotka ovat 1 metrin etäisyydellä toisistaan tyhjiössä, aikaansaa johtimien välillä 2*10-7 Newtonin voiman johtimen metriä kohti. Ko. asetelmassa johtimien välinen vetovoima on: F = (μ *I 2 0 )/(2π*d) missä μ 0 = tyhjön permeabiliteetti, [Vs/Am], I = virta johtimessa [A] ja d = johtimien välinen etäisyys [m]. Tämä järjestely määrittelee kuitenkin lopulta vain tyhjön absoluuttisen permeabiliteetin. Ampeeri onkin viisainta määrittää ohmin lain mukaisesti jännitteestä ja resistanssista. 12

13 Johdannaissuureet Suure Nimi [yksikkö] Selitys taajuus hertsi [Hz] 1 Hz =1 s-1 voima newton [N] 1 N = 1 kgm/s2 paine, jännitys pascal [Pa] 1 Pa = 1 N/m2 energia, työ joule [J] 1 J = 1 Nm teho watti [W] 1 W = 1 J/s sähkövaraus coulombi [C] 1 C = 1 As jännite voltti [V] 1 V = 1 W/A kapasitanssi faradi [F] 1 F = As/V resistanssi ohmi [Ω] 1 Ω = 1V/A konduktassi siemens [S] 1 S = 1 Ω-1 magneettivuo weber [Wb Wb] 1 Wb = 1 Vs magneettivuon tiheys tesla [T] 1 T = 1 Wb/m2 induktanssi henry [H] 1 H = 1 Vs/A valovirta luumen [lm] 1 lm = 1 cd*sr valaistusvoimakkuus luksi [lx] 1 lx = 1 lm/m2 aktiivisuus becquerel [Bq Bq] 1 Bq = 1 s-1 absorboitunut annos gray [Gy] 1 Gy = 1 J/kg MIKES ( Mittatekniikan keskus varmistaa kansainvälisesti hyväksytyt mittayksiköt ja pätevyyden arviointipalvelut elinkeinoelämän käyttöön. MIKES osallistuu SI-järjestelmän kehittämiseen kansainväliseen metrisopimukseen perustuvien organisaatioiden kanssa (CGPM/CIPM/BIPM) ja edustaa Suomea EURAMETissa. Kansainvälisten yhteyksiemme kautta Suomi kytkeytyy kansainväliseen mittausjärjestelmään. 13

14 INSPECTA ( Vakaaminen on mittauslaitteiden varmennusmenetelmä, jolla todetaan mittalaitteen osoitusten olevan sallituissa rajoissa. Yhteiskunta edellyttää kaupan mittauksissa käytettäviltä laitteilta riittävää luotettavuutta sekä sen varmistamista riippumattomasti, kansainvälisesti uskottavasti ja ammattitaitoisesti. Vakausta tekee päteväksi arvioitu ja toimintaan hyväksytty tarkastuslaitos Kalibroinnissa mittalaitteesta annetaan kalibrointitodistus, joka takaa kalibroinnin jäljitettävyyden kansallisiin tai kansainvälisiin mittanormaaleihin. Kalibrointiin kuuluu aina myös mittausepävarmuuden arviointi. Useimmat mittauslaitteet voidaan kalibroida joko laboratoriossa tai asiakkaan tiloissa. Laskutehtävä: ä Taajuusgeneraattorin lähtötaajuuden virhe muodostuu Ikääntymisestä (kauanko aikaa kulunut edellisestä kalibroinnista): ± 1 ppm/vuosi Käyttölämpötilasta: ± 1 ppm Käyttöjännitteestä (verkkojännitteen poikkeamat): ± 0,1 ppm Kuinka suuri poikkeama voi olla 2,4 GHz taajuudessa 6 kk:n kuluttua? 14

15 Mittaus: Epäideaalisuudet Mittausvirheet: dynaaminen mittausvirhe: mittaus ei kykene seuraamaan mitattavan suureen muutoksia staattinen mittausvirhe: virhe, joka jää jäljelle mittausjärjestelmän asetuttua satunnaisvirhe: hajonta (keskiarvo nolla), mittausepätarkkuus => tarkempi mittalaite, enemmän mittauksia systemaattinen virhe: vakiovirhe (keskiarvo ei nolla) => kalibrointi karkea virhe (möhläys, ei lukemaa ) Mittaus: Epäideaalisuudet Mittastandardit Kansainväliset standardit: CGPM, CIPM, BIMP Kansalliset standardit : MIKES Kalibrointiketju Kansainväliset standardit: kansainvälinen mittatoimisto, ei arkikäyttöön Ensisijaiset standardit: kansalliset standarditoimistot, käytetään mutta säilytetään toimistoissa Toissijaiset standardit: kansallisien toimistojen standardeista saadut teollisuuden ja tutkimuslaitosten arkikäyttöön tarkoitetut standardit 15

16 Mittaus: Epäideaalisuudet Tarkkuus: jos satunnaisvirheet pieniä eli mittausten hajonta pientä, on järjestelmän sisäinen tarkkuus hyvä (engl. accuracy) jos mittaus antaa keskimäärin oikean tuloksen, vaikka mittauksissa on hajontaa, on systemaattinen virhe pieni ja järjestelmän ulkoinen tarkkuus hyvä (engl. precision) Esimerkki: Ammunta/tikanheitto sisäinen tarkkuus: osumat kasassa ulkoinen tarkkuus: osumat keskellä Mittaus: Epäideaalisuudet Sanalla tarkkuus voidaan yleensä tarkoittaa lähes mitä tahansa. Seuraavat termit menevät puhekielessä täysin sekaisin Accuracy (tarkkuus, paikkansapitävyys) Mittauslaitteen kyky antaa vasteita, joiden keskiarvo on lähellä tosiarvoa Precision (tarkkuus, täsmällisyys) Yleistermi joka kuvaa mittauksen riippumattomuutta satunnaisista vaihteluista. Graduation (astejako, asteikko) kahden peräkkäisen mitta-arvon arvon välinen ero Repeatability (toistuvuus) Saman mittaussuureen peräkkäisten mittaustulosten yhtäpitävyys, kun mittaukset suoritetaan samoissa olosuhteissa Reproducibility (uusittavuus) Saman mittaussuureen tulosten yhtäpitävyys, kun mittaukset suoritetaan muuttuneissa olosuhteissa 16

17 Mittaus: Epäideaalisuudet Stabiilius Mittauslaitteen kyky säilyttää metrologiset ominaisuutensa muuttumattomina ajan kuluessa Termejä epästabiilius ja stabiilius käytetään usein ristiin Stabiilius riippuu käytetystä ajanjaksosta ja käyttöolosuhteista. Valmistajat ilmoittavat stabiiliuden eri tavoin, esimerkiksi μv/vuosi,, tms. Mittaus: Epäideaalisuudet Dynaaminen alue Mittausalueen alarajan ja ylärajan välinen suhde Mittausalueen alaraja Pienin mitattavissa oleva mittaussuureen arvo. Määräytyy järjestelmän häiriötasosta, esimerkiksi kohinasta Mittausalueen yläraja Suurin mitattavissa oleva mittaussuureen arvo. Määräytyy järjestelmän sietokyvystä Erottelukyky Mittauslaitteen kyky reagoida mittaussuureen pieniin muutoksiin. Herkkyys Näyttämän muutoksen suhde mittaussuureen muutokseen, esim. lämpötila-anturille anturille 2 Ω / 1 ºC. 17

18 Mittaus: Epäideaalisuudet Hystereesi Mittauslaitteen näyttämien ero, kun mitataan suureen samaa arvoa muutossuunnan ollessa toisaalta suureneva ja toisaalta pienenevä (Epä)lineaarisuus Intergraalinen epälineaarisuus (INL) Arvon x n poikkeama suorasta Differentiaalinen epälineaarisuus (DNL) Erotuksen x n -x n-1 poikkeama teoreettisesti lasketusta erotuksesta Monotonisuus x n > x n-1 kaikilla n:n arvoilla (tai x n < x n-1 ) Mittaus: Anturit Anturi (aistin, sensori) ) on tekninen laite tai biologinen elin, joka mittaa tai aistii fyysisiä suureita tai kemiallisia yhdisteitä. Anturi myös välittää mittauksen tiedon eteenpäin Useimmat anturit ovat sähköisiä tai elektronisia, mutta myös muun tyyppisiä antureita mm. mekaanisia on olemassa. Anturi on muuntimen eräs sovellus. Anturit ilmaisevat mitattavan suureen suoraan (esimerkiksi elohopealämpömittari) tai se voidaan liittää jonkinlaiseen näyttölaitteeseen (esimerkiksi epäsuorasti A/D -muuntimen kautta tietokoneeseen) mittaustuloksen saamiseksi ihmisen ymmärtämään muotoon. Anturiverkot muodostuvat useista autonomisista tai ohjatuista antureista 18

19 Mittaus: Anturit Anturit Toistettavuus Ympäristöolosuhteiden vaikutus (lämpötilariippuvuus) Hystereesi Luotettavuus Toistettavuus ajan funktiona (ryömintä) Kuluminen (mekaaninen, sähköisten ominaisuuksien esim. johtavuuden muuttuminen) 19

20 Mittaus: Anturit Nopeus Suureen muuttumisnopeus vs. mittauksen nopeus (anturin massan vaikutus lämpötilan mittaukseen) Mittausmenetelmän nopeus (jakson pituuden mittaaminen vs. jaksojen määrä/aikayksikkö) Mittaus: Anturit Informatiivisuus Suureen ilmaisu (jännite, virta, taajuus, binäärinen) Herkkyys (lukeman muutos / suureen muutos) Hinta Ostohinta Käyttökulut (energian kulutus, kalibrointi, huolto tms.) 20

21 Esimerkkejä erilaisista i i anturivaihtoehdoista iht hd i t Pinnankorkeuden mittaus Mekaaninen Kapasitiivinen Resistiivinen Ultraääni Paine Jonkin muu, mikä? Anturin vaste Suora (ensimmäisen asteen yhtälö): y = a*x + b Toisen asteen: y = a*x 2 + b*x + c Eksponentti: y = a*e x + b Logaritminen: y = a*log(x) + b 21

22 PT100: NTC: Anturin kytkeminen Resistiiviset anturit Etuvastus Mittaussilta Reaktiiviset anturit Testioskillaattorin amplitudimuutos Oskillaattorin taajuusmuutos 22

23 Mittaussillat ill t Wheatstonen t silta: Mittaussillan avulla saadaan anturi skaalattua sopivalle jännitealueelle Siltatyyppejä Wheatstone Thomson Danbridge V G = (R1*R3-R2*Rx) *U o (R1+R2)*(Rx+R3) Etuvahvistin: ti 23

24 Reaktiivinen i anturi voidaan kytkeä osaksi oskillaattoria f ~ (L*C) Reaktanssin muutos aiheuttaa taajuusmuutoksen, joka voidaan mitata Alipäästösuodattimen ja tasasuuntauksen avulla => taajuuden kasvaessa amplitudi pienenee Laskurin avulla Kapasitanssin muutosta voidaan mitata myös varausvahvistimella Prosessoriohjattu anturi: ADC uc Local Area Network 24

25 AD-muunnin Kaksi yleisintä AD-muunnintyyppiä Flash: nopeampi, epälineaarisempi kuin SAR Toiminta perustuu vastusverkkoon, jonka toleranssit aiheuttavat epälineaarisuutta SAR: hitaampi, lineaarisempi kuin flash-muuntimet Toiminta perustuu peräkkäisiin approksimaatioihin: pitopiirin Muunnosalue määrätään referenssijännitteen avulla Laskutehtävä ä Puolijohdelämpötila-anturinanturin herkkyys on 10 mv/ C. Kuinka monita bittiä tarvitaa AD-muuntimeen, jos halutaan 0,1 C mittaustarkkuus -40,0 +60,0 C lämpötila-alueella? Kuinka suuri on anturin lähtöjännitteen vaihtelu? 25

26 Mittausjärjestelmän rakenne ja toiminta 1. Mittauksen kohde 2. Mittauslaitteisto 3. Tiedonkeruujärjestelmä 4. Analysointi ja esittäminen 26

27 1. Mittauksen kohde Tuotanto Elektronisten laitteiden valmistus Teolliset prosessit Käyttö Energian kulutus, käyttöaika Kuluminen Ympäristö Lämpö, kosteus, ph Yhdisteiden pitoisuus, säteilyn määrä Elektronisen laitteen (piirilevyn) il testaaminen t Mekaniikka Testijigi/fixture Kaapelointi Neulapeti/probet Toiminnallisuus Mittaus Viritys Ohjelmointi Kalibrointi 27

28 Piirilevyn testausvaihtoehtoja: Toiminnallinen testaus (Functional Testing, FT) Mitataan toimintaa liittimistä In-Circuit-Test (ICT) Testijigiin on yhdistetty neulapeti, joilla yhdistytään testipisteisiin Flying Probe Test Liikkuva(t) probe(t), jolla mitataan testipisteitä. Ei tarvita jigiä Optinen tarkastus (Automated Optical Inspection, AOI) Kuvantunnistukseen perustuva (myös röntgenkuvia) Boundary Scan (IEEE ) Piirilevylle ja komponentteihin on lisätty testirakenteita Joint Test Action Group, JTAG Build-In-Self-Test, BIST Boundary Scan 28

29 Teollisen prosessin mittaaminen i Jatkuva: toistettavuus, nopeus Ryömintä: systemaattinen virhe kasvaa ajan kuluessa Latenssit: viiveet mittaustulosten siirrossa Prosessin säätö: avoin tai suljettu säätösilmukka Raja-arvot arvot Logiikka (mitä mittasuure kertoo) => SPC Suljetun silmukan mitoitus (stabiilisuus) Teollisen prosessin mittaukset t Suuria määriä ja erilaisia perussuureet: aika, pituus, lämpötila, johdannaissuureet: taajuus, nopeus, jännite, epäsuoria mittauksia: optinen läpäisevyys, Prosessin ohjaus vaatii paljon ja nopeita mittauksia Viivettä aiheuttaa mm. anturi, mittaus, tuloksen siirtäminen, tuloksen analysointi, säätöelimien ohjausarvojen siirto, säätöelimen muutos, prosessin muutos Laaduntarkkailua varten mittaustulokset tallennetaan 29

30 Käyttö Käyttömäärä: aikaan tms. sidottu Määräaikaishuollot Haasteena vikaantuminen huoltojen välillä Kulumisen mittaaminen: toiminnan suorituskyvyn muutokset Trendi, ekstrapolointi => huoltotarve, rikkoontumisen estäminen Ympäristömittaukset itt t Käyttöympäristö Ympäristön vaikutus mitattavaan suureeseen Mittalaitteiston ympäristöriippuvuuden minimointi Ympäristövaikutukset Päästöt Ympäristökuormitus Vuodot Mittausaika hyvin pitkä, jopa vuosia 30

31 2. Mittauslaitteisto i t In-line/Off-line testaus Langoitettu anturiverkko Langaton anturiverkko In-Line -testeriverkko Local Area Network 31

32 Langoitettu tt anturiverkko (LAN) Local Area Network Langoitettu tt anturiverkko (IP-verkko) IP Internet 32

33 Langaton anturiverkko Point-to-multipoint Mesh In-line/Off line/off-line testaus t Testeritolpat Ohjausväylä(t), tietoliikenneverkot Tiedonkeruu Kalibrointi Viritys Ohjelmointi Konfigurointi 33

34 Testeritolpat t Lähde: Orbis Oy Kalibrointi i Mittalaitteet Kalibroitava säännöllisesti Itsekalibrointi Golden Sample -testaus Huoltokalibroinnit Mittalaitteitten keskinäiset erot on myös saatava selville Systemaattinen virhe mittaustolppien välillä 34

35 Viritys Testattavaa laitetta (DUT) voidaan virittää tulosten perusteella Säätö Mitattavaa prosessia voidaan säätää mittaustulosten perusteella Ohjelmointi Testauksen yhteydessä voidaan myös ladata ohjelmistoja testattavaan laitteeseen Laitteiden sarjanumerointi Mittaustolppien i mittausohjelmistoja i j voidaan päivittää i ää tiedonkeruuväylän kautta Konfigurointi Mittaustolppien laitteistoja voidaan käyttää uusiin mittauksiin tai vanhoja mittauksia voidaan poistaa Vertailu eri verkkotopologioista i t Nopeus Hinta Laajennettavuus 35

36 3Tid 3. Tiedonkeruujärjestelmä jäj tl ä Tiedonkeruumediat Ohjausväylä Tietoliikenneverkot Levyke, muistikortti Raportti Tietokannat Arkistointi Ohjausväylät PC:hen saatavilla useita erilaisia lisäkortteja Väylävaihtoehtoja esim. GPIB (HPIB, IEEE-488), SCXI, PXI, VXI tai RS232C Uutena väylänä USB Data kerätään ohjausväylän kautta Myös langattomat yhteydet (BlueTooth) 36

37 Ohjausväylät GPIB Montako laitetta: 15 (4-bitin osoite) Kuinka pitkä kaapeli: max. 2m / 20m Kuinka kytketään: sarjaan Miltä näyttää: kuva seuraavalla sivulla GPIB 37

38 Ohjausväylät: SCXI Modulaarinen signaalinkäsittelymenetelmä E sarjan tiedonkeruulaitteille (DAQ, Data AQuistion) Runsaasti vaihtoehtoja analogiselle ja digitaaliselle datan käsittelylle Multiplekseri-toimintotoiminto SCXI 38

39 SCXI - termoparinmittaus Ohjausväylät PXI PXI on PCI-väyläpohjainen kytkentäkehikko Tarjoaa mahdollisuuden integroidulle ajastukselle ja viritykselle Korttipaikkojen välillä on väylätoiminto 39

40 PXI 40

41 Ohjausväylät VXI VXI on tunnetun VME-väylän laajennus Järjestelmä koostuu modulaarisista mittalaitteista, joita ohjaa tietokone Ohjausväylät USB: Universal Serial Bus Nopea (USB Mb/s) sarjamuotoinen väylä, jonka kautta laitteet voivat kommunikoida keskenään. Laitteita on mahdollista ketjuttaa jopa 127 kappaletta Laitteiden välisen johdon maksimipituus on 5m. USB:ssä on yleensä plug and play yhteensopivuus eli siinä on automaattinen asennus ja USB-ajurien asennus. USB-kaapelissa kulkee myös sähköä datan ohella, joten suurin osa USB-laitteista ei tarvitse erillistä virtalähdettä 41

42 Tietoliikenneverkot k t Lähiverkot: Ethernet (LAN), WLAN, TokenRing, kenttäväylä, Power Line Communication (PLC, datasähkö ) Kaukoverkot: Internet (IPv4, IPv6), leased line Verkossa useita mittausjärjestelmiä j sekä muuta tietoliikennettä Siirtokapasiteetti Siirtoviive (latenssi) Tietoliikenneverkot: k t Lähiverkot Ethernet Nopeus perinteinen : 10 Mb/s FastEthernet: 100 Mb/s (Cat5-parikaapeli) Gigabit Ethernet: >1 Gb/s (valokuitu) Kytkeminen Tähtitopologia: koneet kytketty reitittimeen (hub) CSMA/CD, MAC-osoite 42

43 Tietoliikenneverkot: Lähiverkot Kenttäväylä Mahdollistaa tiedonsiirron kenttälaitteitten ja automaatiojärjestelmän välillä Useita standardeja Foundation Profibus WorldFIP LONWorks HART CAN ControlNet SDS Interbus-S ja AS-i Tietoliikenneverkot: k t Lähiverkot WLAN Langaton lähiverkko Useita IEEE:n standardeja a: 5 GHz, 54 Mbit/s b: 2,4 GHz, 11 Mbit/s g: 2,4 GHz, 54 Mbit/s Salaus SSID WEP, WPA MAC 43

44 Tietoliikenneverkot: k t Lähiverkot BlueTooth (IEEE ) Langaton lähiverkko Piconetissä 7 nodea + master Samaan masteriin voidaan kytkeä useampi piconet Tiedonsiirtonopeus Salaus Tietoliikenneverkot: k t Lähiverkot ZigBee (IEEE ) UWB (Ultra Wide Band, IEEE a) Wibree ( Low power BT, IEEE ) 6LoWPAN (IEEE ) 44

45 Tietokannat t Tietokannat mahdollistavat tiedon tallentamisen ja analysoinnin jälkikäteen Useita formaatteja (Oracle, SQL, Access) Tietokantaohjelmistojen avulla tallennettua tietoa voidaan hyödyntää y SAP: toiminnan ohjaus MiniTAB: mittaustulosten analyysi/laadunvarmistus datalouhinta, sumea logiikka 4. Analysointi ja esittäminen i Listaus Kuvaaja Tilastot Muut: liikennevalot, äänimerkit jne Saanto Prosessin ohjaus (Statistical Process Control, SPC) Materiaalihallinto 45

46 Keskiarvo μ=(1/n) x i Keskihajonta σ= [(1/n) (μ-x i ) 2 ] Pareto (histogrammi): vikaluokat lajitellaan suuruusjärjestykseen havainnollisuuden takia Saanto = (1 (viallisten i määrä / tuotettu määrä))*100% Saantoarvio poisson-jakauman perusteella: FTY = e (-DPU) 6-sigma: Cp, Cpk Prosessin kyvykkyysindeksi: C p C p = USL-LSL /(6*σ), missä USL=ylempi ja LSL alempi vaatimusraja Suunnittelun kyvykkyysindeksi : C pk C pk =min{c pl,c pu } C pl = μ-lsl /(3*σ) C pu = USL-μ /(3*σ) 46

47 Korrelaatio Regressio Mittausjärjestelmän muodostaminen elektronisen laitteen tuotantoon 47

48 1. Testausohjelman suunnittelu Mitattavat parametrit Mittausmenetelmät Hyväksyntärajat Viritys/säätö Mittaustulosten pohjalta Syöttötietojen pohjalta Vasteaika (stabiilisuus) Indikaattorit Numeronäyttö, viisarinäyttö Pass/Fail Ohjausväylä Tiedonkeruujärjestelmäliityntä 2. Mittauslaitteiston valinta RF-mittaukset Analysaattorit: spektri-, piiri-, signaali-jne. Tehomittarit: lähtö-, kohina-jne. Signaaligeneraattorit Kommunikaatioanalysaattorit: CMU EMC-mittaukset Lähikenttäprobe Kantataajuusmittaukset Oskilloskooppi Logiikka-analysaattorianalysaattori Audiomittaukset Audioanalysaattori DC-mittaukset Virtalähde Lämpötilamittaukset Lämpökaappi 48

49 3T 3. Testausjigi jii suunnittelu ittl Mekaniikkasuunnittelu Kehys ja tukirakenne Lukitus Kaapelointi Mittaussignaalit Sähkönsyöttö Neulapeti/Probet RF, BB, AC, DC 4. Mittausdatan t esittäminen i Hetkellinen data Liikennevalot Äänimerkit Viisarit tms. mittarit Tilastollinen data Kuvaajat Tilastoparametrit 49