Zjednodušení elektromechanických zkoušek pomocí systému získávání dat s rozhraním USB

Elektromechanické systémy kombinují elektrické a mechanické součástky pro zařízení, jako jsou motory, kompresory, čerpadla, senzory, ovládače a řídicí elektronika ve výrobních, leteckých, automobilových, lékařských a robotických aplikacích. K zajištění správné funkce musí být tato zařízení zkoušena a monitorována po elektrické a mechanické stránce.

K poskytování přesných a spolehlivých údajů musí být potřebné vybavení kompatibilní se zkoušeným zařízením a zkušební metodou nebo postupy. Zkušební zařízení musí zvládat více analogových a digitálních vstupně/výstupních („input/output“, I/O) kanálů pro měření a řízení těchto zařízení spolu se základními měřicími přístroji, jako jsou čítače/časovače a napájecí zdroje. Zkušební přístroje musí pracovat s integrovaným softwarem, aby poskytovaly měření, zobrazení v reálném čase a podrobné zprávy.

Výběr a integrace potřebného hardwaru a softwaru k provedení těchto zkoušek mohou být časově náročné a také nákladné. Na pomoc konstruktérům byly vyvinuty modulární přístroje USB pro získávání dat, které kombinují nejmodernější technologie se širokou škálou softwarových zkušebních nástrojů pro ověřování i těch nejsložitějších elektromechanických systémů.

V tomto článku jsou popsány výzvy, kterým čelí konstruktéři při zkouškách elektromechanických zařízení. Poté jsou zde představeny přístroje mioDAQ společnosti NI a ukázáno, jak je lze použít ke zjednodušení standardních elektromechanických zkoušek pro urychlení vývoje a nasazení.

Elektromechanické zkoušky

Vezměme v úvahu jednoduché zkušební zařízení motoru obsahující motor namontovaný na zkušebním přípravku připojeném k zátěži zavěšené mezi dvěma ložiskovými bloky (obrázek 1). Zařízení je řízeno řídicí jednotkou motoru, která řídí otáčky motoru na základě elektrického napětí. Uspořádání využívá optický otáčkoměr k měření otáček motoru a tři akcelerometry pro měření mechanických vibrací ve směrech X, Y a Z na vnitřním ložiskovém bloku.

Obrázek 1: Zkušební zařízení vibrací motoru, které používá optický otáčkoměr k měření otáček motoru a akcelerometry k měření vibrací souvisejících s motorem podél tří ortogonálních os vnitřního ložiskového bloku. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Cílem zkušebního zařízení je určit špičkové úrovně vibrací a rychlost otáčení, při kterých k nim dochází. Postup zahrnuje lineární změnu otáček motoru při současném monitorování úrovní vibrací a jejich zaznamenávání.

K provedení této zkoušky jsou zapotřebí různé přístroje. Nejprve jsou třeba analogové měřicí kanály pro monitorování a záznam tří výstupů akcelerometru. Další analogový kanál musí monitorovat otáčkoměr k měření otáček motoru. K řízení otáček motoru je nutné analogové výstupní napětí. Výstup digitálního signálu upozorňuje řídicí jednotku motoru na zapnutí a vypnutí motoru. Další výstup digitálního signálu lze použít pro volbu směru otáčení motoru.

Tato zkouška motoru tedy ve své nejjednodušší podobě vyžaduje minimálně čtyři analogové vstupy, jeden analogový výstup a dva digitální výstupy. Složitější zkoušky mohou mimo jiné přidat další senzory vibrací, teplotní senzory, jako jsou termočlánky, a tlakové převodníky.

Systém získávání dat

Pro elektromechanické zkoušky je nutný systém získávání dat („data acquisition system“, DAQ) obsahující zařízení DAQ pro měření a řízení, počítač a podpůrný software. Tuto potřebu splňuje hardware pro získávání dat mioDAQ USB společnosti NI řadou USB-6400 společnosti NI, která nabízí výběr čtyř zařízení USB DAQ (obrázek 2).

Obrázek 2: Tato tabulka shrnuje charakteristiky čtyř zařízení řady mioDAQ USB-6400. (Zdroj obrázku: společnost NI)

Řada mioDAQ nabízí zkušebním technikům čtyři možnosti konfigurace zařízení DAQ:

• 16- nebo 20bitové amplitudové rozlišení s maximálním ±10voltovým plným vstupem
• 250 kilo vzorků za sekundu (kS/s) multiplexované vzorkovací frekvence nebo 1 mega vzorek za sekundu (MS/s) vzorkovací frekvence
• Vstupní kanály uspořádané jako 16 nebo 32 jednosměrných („single-ended“, SE) nebo 8 nebo 16 diferenciálních („differential“, DI) kanálů
• Dva nebo čtyři výstupní kanály s rozsahem ±10 V pro řízení, simulaci nebo generování signálu

Všechny modely jsou ovládány a napájeny přes port USB-C a zahrnují 16 digitálních I/O linek a čtyři 32bitové čítače/časovače. Používají také 100MHz vestavěnou časovou základnu, která řídí všechny digitální obvody, včetně vzorkovacích hodin, spouštěcích linek a čítačů/časovačů. Každý typ kanálu má samostatný modul časování založený na vestavěné časové základně. Časování pro analogové vstupní a výstupní kanály a digitální I/O linky lze nastavit na různé rychlosti. Zařízení mioDAQ USB společnosti NI obsahují také autokalibraci prostřednictvím řídicího softwaru, který spouští samokalibraci a kompenzuje změny prostředí a systematické odchylky pomocí vícerozměrné kalibrační rovnice pro rychlou kalibraci bez znatelného zpoždění zpracování. Výsledná data ukládá do integrované paměti EEPROM.

Další funkcí zařízení mioDAQ je chytrý pin ID, který zkušební stolici přidává inteligenci. Chytrý pin ID komunikuje s uživatelem dodanou 1vodičovou pamětí EEPROM, aby přečetl informace o zkoušeném zařízení („device under test“, DUT) a zajistil zapojení kabelů do správných portů. Pin nabízí úsporu času a snížení chybovosti zkušební stolice.

K dispozici jsou čtyři modely konkrétních zařízení pro získávání dat. Model USB-6421 (789887-01) je nejekonomičtějším zařízením. Poskytuje 16 kanálů SE nebo 8 kanálů DI pomocí jediného multiplexovaného analogově-digitálního převodníku („analog-to-digital converter“, ADC) se vzorkováním až 250 kS/s a zahrnuje dva analogové výstupní kanály.

Model USB-6423 (789882-01) zdvojnásobuje počet multiplexovaných kanálů na 32 kanálů SE nebo 16 kanálů DI a zvyšuje možnosti analogového výstupu na čtyři kanály.

Model USB-6451 (789888-01) zvyšuje počet ADC na osm. Také zvyšuje rozlišení AC na 20 bitů a maximální vzorkovací frekvenci na 1 MS/s. Nabízí osm kanálů se současným vzorkováním a až 16 kanálů v multiplexovaném režimu.

Model USB-6453 (789884-01) nabízí nejvýznamnější možnosti: zdvojnásobuje počet 20bitových ADC s rychlostí 1 MS/s na 16 a zvyšuje maximální počet kanálů na 16 při současném vzorkování a na 32 v režimu multiplexovaného vzorkování.

Všechny čtyři modely jsou umístěny v krytu o rozměrech 177 mm na šířku, 30,4 mm na výšku a 116,7 mm do hloubky (obrázek 3).

Obrázek 3: Na obrázku je celkový pohled na člen USB-6453 (vlevo) řady USB-6400 spolu s jeho předním (vpravo nahoře) a zadním panelem (vpravo dole). (Zdroj obrázku: společnost NI)

Přední panel poskytuje přístup ke všem analogovým a digitálním signálům. Připojení se provádí pomocí dvou 36polohových předních konektorů pružinových koncovek, které přijímají kabely o průměru 26 AWG až 16 AWG. K odlehčení tahu se dodávají zadní kryty pro konektory pružinových koncovek. Pro měření termočlánky je zabudována kompenzace studeného spoje („cold junction compensation“, CJC).

Pro rychlé zajištění kabelů a integraci přístroje obsahuje pouzdro zařízení mioDAQ montážní otvory pro stahovací pásky na zadní straně a na bocích a zajišťovací šroub USB na zadní straně. K dispozici jsou volitelné montážní sady pro připevnění zařízení k 19palcovému racku nebo na lištu DIN s horizontální nebo vertikální orientací.

Použití QR kódu v zařízení mioDAQ znamená, že ztracená dokumentace je minulostí. Uživatelé naskenují QR kód na zadní straně modulu a rychle získají přístup k návodu k obsluze, specifikacím, zapojení a odkazům ke stažení ovládacího a analytického softwaru a ovladačů.

Specifikace kanálů

K dispozici je až 32 analogových vstupních kanálů s maximálním plným rozsahem −10 V až +10 V, 16bitovým nebo 20bitovým rozlišením a maximální vzorkovací frekvencí 250 kS/s nebo 1 MS/s (závisí na modelu). Nižší rozsahy −0,2 V až +0,2 V, −1 V až +1 V a −5 V až +5 V mohou pro optimalizaci dynamického rozsahu přizpůsobit vstupní signál vstupnímu rozsahu.

Analogové výstupy mají rozsah napětí −10 V až +10 V a jsou taktovány na 200 kS/s na kanál. Mohou vytvářet neperiodické nebo periodické průběhy pro generování analogových řídicích signálů nebo simulaci senzorů.

Digitální I/O linky lze nezávisle nastavit jako vstupní nebo výstupní. Jsou programovatelné s prahovými hodnotami logického napětí 5, 3,3 nebo 2,5 voltů a mohou směrovat externí hodiny nebo spouštěcí signály do zařízení nebo řídit interní čítače/časovače.

Software DAQ

Zařízení mioDAQ lze ovládat pomocí několika softwarových balíčků, včetně LabVIEW, LabVIEW+ a Python společnosti NI, a softwaru pro zaznamenávání FlexLogger společnosti NI. Ovladač NI-DAQmx společnosti NI podporuje vlastní programování v jazycích C/C++, C#, VB 6.0 a VB.NET a obsahuje příklady programování a knihovní funkce pro operace DAQ.

FlexLogger je softwarový balíček bez nutnosti kódování, který umožňuje zkušebním technikům ovládat, zobrazovat a ukládat zkušební data ze zařízení DAQ. Umožňuje nastavit limity naměřených hodnot, zatímco alarmy upozorňují na stavy mimo rozsah a umožňují podrobnou analýzu zkušebních dat pomocí vestavěných nástrojů pro zpracování. Verze FlexLogger Lite, která je zdarma, je určena pro ruční záznam dat a základní operace s hardwarem DAQ společnosti NI. Příklad nastavení kanálu pro zařízení USB-6421 je uveden na obrázku (obrázek 4).

Obrázek 4: Zobrazení softwaru FlexLogger Lite s nastavením kanálu pro zařízení USB-6421, včetně nastavení analogového vstupu, analogového výstupu a nastavení digitálních vstupů/výstupů. (Zdroj obrázku: Art Pini)

Analogové vstupní kanály jsou nakonfigurovány pro čtení tří os vibračních dat a měření tlaku, teploty a hladiny zvuku. Každý vstup je škálován ke čtení signálů v jednotkách odpovídajících danému měření. Analogové výstupy produkují úrovně výkonu 5 a 3,3 V, zatímco digitální vstupy/výstupy jsou nastaveny pro čtení dvou digitálních vstupů.

FlexLogger je plnohodnotnější program určený pro automatizované zkoušky a rozšířenou analýzu dat. Přidáním grafů, číselných ukazatelů a měřidel umožňuje přizpůsobení vizualizačních nástrojů uživatelského rozhraní. Na obrázku 5 jsou uvedena data ze zkoušky motoru (osazeného).

Obrázek 5: Zobrazení softwaru FlexLogger s výsledky zkoušky motoru. (Zdroj obrázku: společnost NI)

V horní mřížce jsou zobrazeny průběhy ze tří akcelerometrů a otáčkoměru. Údaje o zrychlení jsou škálovanou úrovní vibrací v gramech v závislosti na čase. Údaj otáčkoměru, měřící rychlost otáčení v otáčkách za minutu (ot./min), se zobrazuje jako číselník v pravém spodním rohu. Použití rychlé Fourierovy transformace (jeden z dostupných nástrojů pro zpracování signálu) na data vibrací ukazuje v dolním grafu úroveň vibrací (amplitudu) v závislosti na frekvenci.

Závěr

Zařízení mioDAQ společnosti NI spojují moderní měřicí technologie se snadným používáním pro uživatele. Zkušební inženýři mohou vytvářet sofistikované elektromechanické zkušební systémy pomocí součástek mioDAQ sladěných se softwarem bez nutnosti programování, jako je FlexLogger od společnosti NI, nebo oceňovaným systémovým softwarem, jako je LabVIEW od společnosti NI, pro sofistikovanější požadavky na zkoušky.