Modulare USB-Datenerfassungssysteme
Effizienter Test elektromechanischer Systeme
Der Test elektromechanischer Systeme ist oft komplex und fehleranfällig. Eine einfache und sichere Lösung für Standardtests bieten modulare, USB-basierte Datenerfassungssysteme wie die mioDAQ-Plattform von NI, die Hard- und Softwarekomponenten effizient integriert. Ein Beispiel aus der Praxis.
Elektromechanische Systeme kombinieren elektrische und mechanische Komponenten für Geräte wie Motoren, Kompressoren, Pumpen, Sensoren, Aktuatoren und Steuerelektronik in Anwendungen etwa der Fertigung, Luft- und Raumfahrt, Automobiltechnik und Robotik. Um ihren sicheren Betrieb zu gewährleisten, müssen all diese Geräte elektrisch und mechanisch geprüft und überwacht werden. Das ist aber oft nicht ganz einfach. Um genaue und zuverlässige Daten zu erhalten, muss das Messequipment exakt auf das zu prüfende Gerät und die Testmethode abgestimmt sein. Die Messgeräte müssen mehrere analoge und digitale Eingangs-/Ausgangskanäle (I/O) zur Messung und Steuerung sowie grundlegende Messinstrumente wie Zähler/Zeitgeber und Stromversorgungen handhaben. Und sie müssen mit spezifischer Software arbeiten, um Messungen, Echtzeitanzeigen und detaillierte Berichte zu liefern.
Die Auswahl und Integration der Hardware und Software für elektromechanische Tests kann langwierig und teuer sein. Abhilfe schaffen modulare USB-Datenerfassungsgeräte, die moderne Hardware mit einer breiten Palette von Software-Tools zur Validierung komplexer elektromechanischer Systeme kombinieren.
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Elektromechanisches Testen
Betrachten wir elektromechanisches Testen anhand eines Beispiels: Ein einfacher Motorprüfstand besteht aus einem auf einer Prüfvorrichtung montierten Motor, der mit einer zwischen zwei Lagerböcken aufgehängten Last verbunden ist (Bild 1). Gesteuert wird die Anlage über einen Motorcontroller, der die Drehzahl des Motors auf der Grundlage einer elektrischen Spannung regelt. Der Aufbau verwendet einen optischen Tachometer zur Messung der Motordrehzahl und drei Beschleunigungsmesser, die die mechanischen Schwingungen in X-, Y- und Z-Richtung am inneren Lagerblock erfassen. Ziel des Prüfstandes ist es, die Spitzenschwingungspegel und die Drehzahl, bei der sie auftreten, zu ermitteln. Bei diesem Verfahren wird die Motordrehzahl linear variiert, während die Schwingungspegel überwacht und aufgezeichnet werden.
Für diesen Test sind verschiedene Geräte nötig. Zunächst braucht man analoge Messkanäle zur Überwachung und Aufzeichnung der drei Ausgänge der Beschleunigungsmesser. Ein weiterer analoger Kanal muss den Tachometer überwachen, um die Drehzahl des Motors zu messen. Zur Steuerung der Motordrehzahl ist eine analoge Ausgangsspannung erforderlich. Ein digitaler Ausgang liefert das Signal an die Motorsteuerung zum Ein- und Ausschalten des Motors. Ein weiterer digitaler Signalausgang kann dazu dienen, die Drehrichtung des Motors zu wählen.
Im einfachsten Fall erfordert dieser Motortest also mindestens vier analoge Eingänge, einen analogen Ausgang und zwei digitale Ausgänge. Bei komplexeren Tests können auch beispielsweise zusätzliche Schwingungssensoren, Temperatursensoren wie Thermoelemente und Druckmessumformer zum Einsatz kommen.
Das Datenerfassungssystem
Für elektromechanische Tests ist ein Datenerfassungssystem (DAQ) nötig, bestehend aus einem DAQ-Gerät zur Messung und Steuerung, einem Computer und unterstützender Software. NI adressiert dies mit seiner mioDAQ-USB-Datenerfassungshardware der Serie NI-USB-6400 ab (Bild 2).
Die bei DigiKey erhältliche mioDAQ-Serie bietet vier Möglichkeiten für die Konfiguration eines DAQ-Gerätes:
- 16- oder 20-bit-Amplitudenauflösung für die Eingänge mit ±10 Volt max.
- Abtastraten von 250 kSamples/s gemultiplext oder 1 MSamples/s
- 16 oder 32 Eingangskanäle referenzbezogen (SE) oder acht oder 16 Differenzsignalkanäle (DI)
- Zwei oder vier Ausgangskanäle mit einem ±10-Volt-Bereich für Steuerung, Simulation oder Signalerzeugung
Alle Modelle werden über einen USB-C-Anschluss gesteuert und mit Strom versorgt. Sie bieten 16 digitale I/O-Leitungen und vier 32-bit-Zähler/Timer. Außerdem verwenden sie eine integrierte Zeitbasis von 100 MHz, die alle digitalen Schaltkreise, einschließlich der Abtasttakte, Triggerleitungen und Zähler/Timer, steuert. Jeder Kanaltyp hat ein separates, auf der integrierten Zeitbasis basierendes Zeitmesssystem. Das Timing für die analogen Ein- und Ausgangskanäle und die digitalen I/O-Leitungen ist auf unterschiedliche Raten einstellbar. Außerdem bieten die mioDAQ-USB-Geräte eine Selbstkalibrierung über die Steuerungssoftware, die eine Selbstkalibrierung einleitet und Umgebungs- und systematische Schwankungen mittels einer multivariablen Kalibrierungsgleichung kompensiert. Das sorgt für eine schnelle Kalibrierung ohne spürbare Verzögerung bei der Verarbeitung. Die resultierenden Daten werden in einem integrierten EEPROM gespeichert.
Ein weiteres Merkmal des mioDAQ ist der Smart-ID-Pin, der den Teststand quasi intelligenter macht. Der Smart-ID-Pin kommuniziert mit einem vom Anwender bereitgestellten 1-Draht-EEPROM, um die Informationen über das zu testende Gerät (DUT) zu lesen und sicherzustellen, dass die Kabel an die richtigen Anschlüsse angebracht sind. Das spart Zeit und reduziert Fehler auf dem Teststand.
Vier mioDAQ-Varianten
Die vier Modelle der mioDAQ-Serie unterscheiden sich in einigen Aspekten:
- Das USB-6421 (789887-01) ist das wirtschaftlichste Gerät. Es bietet 16 SE- oder acht DI-Kanäle unter Verwendung eines einzigen gemultiplexten Analog/Digital-Wandlers (ADC) – der mit bis zu 250 kSamples/s abgetastet wird – und hat zwei analoge Ausgangskanäle.
- Das USB-6423 (789882-01) verdoppelt die Anzahl der gemultiplexten Kanäle auf 32 SE oder 16 DI und erhöht die analogen Ausgangskanäle auf vier.
- Mit dem USB-6451 (789888-01) erhöht sich die Anzahl der ADCs auf acht, die AC-Auflösung auf 20 bit und die maximale Abtastrate auf 1 MSamples/s. Das Modell bietet acht Kanäle mit simultaner Abtastung und bis zu 16 Kanäle im Multiplex-Modus.
- Das USB-6453 (789884-01) bietet die beste Performance: Es verdoppelt die Anzahl der 20-bit-ADCs mit 1 MSamples/s auf 16 und erhöht die maximale Kanalanzahl auf 16 bei simultaner Abtastung und 32 im Multiplexmodus.
Alle vier Modelle sind jeweils in einem 177 mm breiten, 30,4 mm hohen und 116,7 mm tiefen Gehäuse untergebracht (Bild 3).
Über die Frontplatte hat der Anwender Zugriff auf alle analogen und digitalen Signale. Die Anschlüsse erfolgen über zwei 36-polige, frontseitig montierte Federklemmenanschlüsse, die Drähte mit einem Querschnitt von 26 AWG bis 16 AWG aufnehmen können. AWG steht für American Wire Gauge und ist eine amerikanische Maßeinheit für Drahtdurchmesser. 26 AWG entspricht einem dünneren Draht (ca. 0,405 mm Durchmesser). 16 AWG entspricht einem dickeren Draht (ca. 1,29 mm Durchmesser).
Zur Zugentlastung werden Endgehäuse für die Federklemmenanschlüsse mitgeliefert, und für Thermoelementmessungen ist eine Kaltstellenkompensation (CJC) integriert. Das mioDAQ bietet Befestigungslöcher für Kabelbinder auf der Rückseite und an den Seiten sowie eine USB-Sicherungsschraube auf der Rückseite, um Kabel schnell zu befestigen und das Gerät zu integrieren. Mittels optionaler Montagesätze lässt sich das mioDAQ auch im 19-Zoll-Rack oder auf DIN-Schienen mit horizontaler oder vertikaler Ausrichtung befestigen.
Dank des QR-Codes am mioDAQ gehören verlorene Unterlagen der Vergangenheit an. Durch Scannen des QR-Codes auf der Rückseite des Moduls kann der Anwender schnell auf das Benutzerhandbuch, die technischen Daten, die Anschlussbelegung und die Links zum Herunterladen von Steuer- und Analysesoftware und Treibern zugreifen.
Kanal-Spezifikationen
Es stehen bis zu 32 analoge Eingangskanäle mit einem maximalen Skalenendwert von -10 V bis +10 V, einer Auflösung von 16 bit oder 20 bit und einer maximalen Abtastrate von 250 kSamples/s oder 1 MSamples/s (modellabhängig) zur Verfügung. Für niedrigere Bereiche von -0,2 V bis +0,2 V, -1 V bis +1 V und -5 V bis +5 V lässt sich das Eingangssignal auf den Eingangsbereich anpassen, um den Dynamikbereich zu optimieren.
Die Analogausgänge weisen einen Spannungsbereich von -10 V bis +10 V auf und werden mit 200 kSamples/s pro Kanal getaktet. Sie können nichtperiodische oder periodische Wellenformen erzeugen, um analoge Steuersignale zu generieren oder Sensoren zu simulieren.
Die digitalen I/O-Leitungen lassen sich unabhängig voneinander entweder als Eingang oder als Ausgang konfigurieren. Sie sind mit logischen Spannungsschwellen von 5 V, 3,3 V oder 2,5 V programmierbar und können externe Takt- oder Triggersignale in das Gerät leiten oder die internen Zähler/Timer steuern.
DAQ-Software
Die mioDAQ-Geräte lassen sich mit verschiedenen Softwarepaketen steuern, darunter NI LabVIEW, LabVIEW+, Python und die Protokollierungssoftware FlexLogger von NI. Die Treibersoftware NI-DAQmx unterstützt die benutzerdefinierte Programmierung in C/C++, C#, VB 6.0 und VB.NET und enthält Programmierbeispiele sowie Bibliotheksfunktionen für DAQ-Operationen.
FlexLogger ist eine programmfreie Software, mit der Testdaten von DAQ-Instrumenten gesteuert, angezeigt und gespeichert werden können. Sie ermöglicht die Festlegung von Grenzwerten für Messwerte, während Alarme bei Bereichsüberschreitungen warnen und die detaillierte Analyse von Testdaten mit integrierten Verarbeitungstools ermöglichen. Der kostenlose FlexLogger Lite ist für die manuelle Datenprotokollierung und den grundlegenden Betrieb von NI-DAQ-Hardware vorgesehen. Ein Beispiel für die Einrichtung eines Kanals für den USB-6421 zeigt Bild 4. Die analogen Eingangskanäle sind so konfiguriert, dass sie drei Achsen von Schwingungsdaten und Messungen von Druck, Temperatur und Schallpegel erfassen können. Jeder Eingang ist so skaliert, dass die Signale in den für die Messung geeigneten Einheiten gelesen werden. Die analogen Ausgänge liefern 5 V und 3,3 V, während der digitale I/O so eingerichtet ist, dass er zwei digitale Eingänge lesen kann.
Mit seinen vielseitigen Funktionen eignet sich FlexLogger speziell für automatisierte Tests und erweiterte Datenanalysen. Durch Hinzufügen von Diagrammen, numerischen Indikatoren und Instrumentenanzeigen lassen sich die Visualisierungstools der Benutzeroberfläche einfach anpassen. Bild 5 zeigt beispielsweise die Daten eines Motortests. Die Wellenformen von drei Beschleunigungsmessern und einem Tachometer erscheinen im oberen Raster. Die Beschleunigungsdaten sind der skalierte Schwingungspegel in g über der Zeit. Die Tachometeranzeige, die die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) misst, ist als Messuhr in der unteren rechten Ecke zu sehen. Die schnelle Fourier-Transformation (eines der Signalverarbeitungstools) der Schwingungsdaten zeigt im unteren Diagramm den Schwingungspegel über der Frequenz.
Fazit
Die mioDAQ-Datenerfassungsgeräte von NI vereinen moderne Messtechnik mit einem komfortablen Benutzererlebnis. Anwender können elektromechanische Prüfsysteme mit mioDAQ-Komponenten erstellen, die mit programmierfreier Software wie FlexLogger von NI oder anderer Systemsoftware wie LabVIEW von NI für weiterreichende Testanforderungen kombiniert werden.
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