Kojemeteorologia Sami Haapanala syksy 2013 Fysiikan laitos, Ilmakehätieteiden osasto
Datan käsittely ja tallentaminen Käytännössä kaikkien mittalaitteiden ensisijainen signaali on analoginen Jotta tämä signaali voidaan tallentaa tietokoneelle jatkokäsittelyä varten, pitää se muuttaa digitaaliseksi Signaalinkäsittely, mukaan lukien analogidigitaalimuunnos, on altis monille häiriöille/virheille
Aikaresoluutio Ensimmäinen mittausten aikaresoluutioon vaikuttava tekijä on anturin hitaus, jonka vaikutuksesta mitattavaa suuretta keskiarvoistetaan Toinen tekijä on näytteenottotaajuus, joka rajoittaa havaittavien ilmiöiden aikaskaalaa
Näytteenottotaajuus
Näytteenottotaajuus Signaalin taajuus ja muoto saadaan hyvin kuvattua näytteenottotaajuuden ollessa signaalin taajuuteen nähden korkea Ylin yksikäsitteisesti tietyllä näytteenottotaajuudella f n kuvattavissa oleva taajuus on ns. Nyquist-taajuus, f N =f n /2 Nyquist-taajuutta ylemmät taajuudet näyttävät matalammilta taajuuksilta Ilmiötä kutsutaan laskostumiseksi (aliasing)
Laskostuminen Vain Nyquist-taajuutta alemmat taajuudet havaitaan oikein Jos laskostumisen välttäminen on tärkeää (kuten musiikin tallentamisessa) suodatetaan analoginen signaali ennen näytteenottoa alipäästösuodattimella
Analogi-digitaali -muunnos Jokainen jatkuvasta analogidatasta otettu näyte muunnetaan digitaaliseksi AD-muunnos vastaa mittaustulosten paperille kirjoittamista (pyöristys ja diskreetti-aikaisuus) Data muunnetaan binäärimuotoon ja muunnoksen bittien lukumäärä yhdessä mittausalan kanssa määrittävät muunnoksen resoluution
Binääriluvut ja bitit binääri desimaali 000 0 001 1 010 2 011 3 100 4 101 5 Lukujärjestelmässä, jossa on k toisistaan eroavaa merkkiä, voidaan n:llä merkillä kuvata N=k n eri numeroarvoa Kymmenjärjestelmässä k=10 eli esimerkiksi kolmenumeroisella luvulla (n=3) voidaan kuvata N=10 3 =1000 numeroarvoa Binäärijärjestelmässä k=2 eli esimerkiksi kolmella bitillä (n=3) voidaan kuvata N=2 3 =8 numeroarvoa 110 6 111 7
Analogi-digitaali -muunnos Oheisessa kuvassa AD-muunnoksen syötteen ala on 1 yksikkö ja muunnin on 3 bittinen Ulostulosignaali pyöristyy siis 8 eri tasoon digitaalisignaali analogiasignaali
Analogi-digitaali muunnos ja signaalin käsittely Anturin signaalin ja ADmuuntimen syötteen alan on vastattava toisiaan Esimerkiksi 12-bittisen muuntimen, jonka syötealue on 0-5V, resoluutio on 5 V / 4096 = 1,22 mv. Jos mittalaitteen ulostulosignaalin vaihteluväli on 0-10 mv, kvantittuu signaali pahasti.
Analogi-digitaali muunnos ja signaalin käsittely Anturin ja AD-muuntimen signaalialueet voidaan sovittaa vastaamaan toisiaan käyttämällä sopivaa vahvistinta tai vaimenninta Alkuperäinen tilanne 2-kertainen analoginen esivahvistus AD - + G AD
Analogi-digitaali muunnos ja signaalin käsittely Kuvissa punainen viiva on analogiasignaali ja sininen digitaalinen signaali. 5-bittisen AD-muuntimen mittausala on 0-1.
Datan tallennus Dataloggeri on AD-muuntimella, omalla muistilla ja muilla tarpeellisilla komponenteilla varusteltu laite, joka huolehtii mittausten suorittamisesta itsenäisesti Tietokone voi tallentaa datan kovalevylleen erillisen mittauskortin välityksellä
Dataloggeri Analogiaulostulo EX DA sarjaportti Esim. tietokone - Analogiasignaalit MUX + G AD prosessori kello Pulssisignaali laskuri muisti
Esimerkki yksinkertaisesta mittausjärjestelystä V 1 EX1 R R V 2 EX2 R T R R T R MUX Laskuri
Muisti Mittausjärjestelyissä täytyy huomioida tuotettavan datan määrä, jonka mukaan muisti täytyy mitoittaa tietokoneiden kovalevyt satoja gigatavuja dataloggereiden muistit joskus vain satoja kilotavuja Datan viemä tila riippuu myös tallennusmuodosta ASCII-data vie enemmän tilaa kuin binääridata datan pakkaaminen (esim. ZIP-pakettiin) kutistaa ASCIIdatan murto-osaan alkuperäisestä Riippuen tuotettavan datan määrästä suhteessa muistin kokoon, täytyy data siirtää mittauspaikalta ajoittain pois
Datan siirto Datan siirto mittauspaikalta jatkokäsittelyyn voidaan toteuttaa monella tavalla nettiyhteys (langallinen tai langaton) puhelinmodeemi fyysisesti esim. CD/DVD-levyillä tai USB-tikulla Siirtotapa riippuu mittauspaikan infrastruktuurista ja siirrettävän datan määrästä Osa datasta voidaan myös siirtää reaaliaikaisesti mittausten toiminnan valvomiseksi, vaikka pääosa datasta siirrettäisiinkin esimerkiksi CD/DVD-levyillä
Muita mittaussysteemin suunnitteluun vaikuttavia seikkoja Virrankulutus syrjäisillä paikoilla verkkosähkön saaminen vaikeaa, käytettävä akkuja, aurinkopaneeleita, tuuligeneraattoria jne passiivisten mittalaitteiden ja ilman kovalevyä toimivien dataloggereiden virrankulutus voi olla hyvinkin pieni aktiiviset mittalaitteen nostavat virrankulutuksen helposti moninkertaiseksi jos mittauksiin käytetään tietokonetta, tarvitaan paikalle käytännössä verkkosähkö Hinta
Mittausjärjestelmän dokumentointi Mittausjärjestelmän jokaisen kohdan tulisi olla dokumentoitu Anturit - tyyppi - sijoittelu - kalibrointiparametrit Analoginen signaalin muokkaus ja AD-muunnos - vahvistus - syötealue Digitaalinen signaalin muokkaus - kalibrointi - keskiarvoistus
Toiminnallinen kaavio Ympäristö x Anturi y 1 Analoginen signaalin muokkaus y 2 Datan siirto y 4 Digitaalinen signaalin muokkaus y 3 Analogia-digitaalimuunnos y 5 Tallennus y 6 Näyttö y 7 Käyttäjä
Ympäristö Eri komponenttien toimintaan vaikuttavia parametreja x i Anturi y 1 y 2 y 3 y 4 x o Analoginen signaalin muokkaus Analogia-digitaalimuunnos Digitaalinen signaalin käsittely Näyttö Siirtofunktio, aikavakio Vahvistus, suodatus Syötealue, muuntimen bittiluku, näytteenottotaajuus Kalibrointiyhtälö, keskiarvoistus yms. Käyttäjä
Ympäristö x i Anturi x i y 1 y 2 y 3 x o = -6.75 C y 4 y 1 y 2 y 3 y 4 x o Analoginen signaalin muokkaus Analogia-digitaalimuunnos Digitaalinen signaalin käsittely Näyttö Käyttäjä