Az elektromechanikai vizsgálatok egyszerűsítése USB-alapú adatgyűjtő rendszerrel

Az elektromechanikus rendszerek a gyártási, repülőgépipari, űrhajózási, gépjárműipari, orvosi és robotikai felhasználási területeken villamos és mechanikus alkatrészeket kombinálnak, olyan eszközöket hozva létre, mint a villanymotorok, kompresszorok, szivattyúk, érzékelők, működtetőelemek és vezérlőelektronika. Ezeket az eszközöket a megfelelő működés biztosítása érdekében villamos és mechanikai szempontból is kell tesztelni és ellenőrizni.

A pontos és megbízható adatok szolgáltatásához a szükséges berendezéseknek kompatibiliseknek kell lenniük a vizsgált eszközzel, valamint a vizsgálati módszerrel vagy technológiával. Az ellenőrző berendezésnek több analóg és digitális be- és kimeneti (I/O) csatornát kell kezelnie ezeknek az eszközöknek a méréséhez és vezérléséhez, valamint kezelnie kell a tápegységeket és az olyan alapvető mérőműszereket is, mint a számlálók és az időzítők. Az ellenőrző műszereknek beépített szoftverrel kell működniük, hogy méréseket, valós idejű kijelzést és részletes kimutatásokat szolgáltassanak.

A tesztek elvégzéséhez szükséges hardverek és szoftverek kiválasztása és rendszerbe illesztése időigényes és költséges lehet. A tervezők segítésére olyan modulrendszerű USB-s adatgyűjtő berendezéseket fejlesztettek ki, amelyek a legkorszerűbb technikát a szoftveres ellenőrző eszközök széles skálájával ötvözik, hogy képesek legyenek akár a legösszetettebb elektromechanikus rendszerek kiértékelésére is.

Ez a cikk röviden tárgyalja az elektromechanikus eszközöket tesztelő tervezők előtt álló kihívásokat. Ezután bemutatja az NI cég mioDAQ műszereit, és ismerteti, hogyan lehet ezeket a szokványos elektromechanikai ellenőrzések egyszerűsítésére használni, felgyorsítva a fejlesztést és a piaci bevezetést.

Elektromechanikai vizsgálat

Vizsgáljunk meg egy egyszerű villanymotorpróbára szolgáló berendezést, amely egy próbapadra szerelt, két csapágyazott tartóbak közé felfüggesztett terheléshez csatlakoztatott villanymotorból áll (1. ábra). Az összeállítást egy villanymotor-vezérlő egység felügyeli, amely villamos feszültség útján szabályozza a motor fordulatszámát. Az összeállítás egy optikai fordulatszámmérőt (tachométer) használ a motor fordulatszámának mérésére, valamint három gyorsulásmérőt a belső csapágyblokk X, Y és Z irányú mechanikai rezgéseinek mérésére.

1. ábra: A képen egy villanymotor-rezgésvizsgáló összeállítás látható, amely optikai fordulatszámmérőt használ a motor fordulatszámának mérésére, valamint gyorsulásmérőket a motorral kapcsolatos rezgéseknek a belső csapágyblokk három egymásra merőleges tengelye mentén történő mérésére (kép: NI)

A próbapad célja a legnagyobb rezgésszintek meghatározása, és azé a fordulatszámé, amelynél ezek a rezgések jelentkeznek. Az eljárás során a motor fordulatszámát lineárisan változtatjuk, miközben figyeljük a rezgésszinteket, és mindkettőt rögzítjük.

A vizsgálat elvégzéséhez különböző műszerek szükségesek. Először is szükség van analóg mérési csatornákra a három gyorsulásmérő kimenőjelének figyeléséhez és rögzítéséhez. Egy további analóg csatornának a motor fordulatszámának mérésére szolgáló fordulatszámmérőt kell figyelnie. A motor fordulatszámának szabályozásához analóg kimenőfeszültségre van szükség. Egy digitális kimenőjel utasítja a motorvezérlő egységet a motor indítására és leállítására. Egy másik digitális kimenőjel a motor forgásirányának megadására használható.

Tehát ehhez a motorpróbához a legegyszerűbb esetben is legalább négy analóg bemenetre, valamint egy analóg és két digitális kimenetre van szükség. Az összetettebb ellenőrzések többek között további rezgésérzékelőket, hőmérséklet-érzékelőket – például hőelemeket – és nyomásérzékelőket is igényelhetnek.

Az adatgyűjtő rendszer

Az elektromechanikai vizsgálatokhoz adatgyűjtő (DAQ, data acquisition) rendszerre van szükség, amely egy mérésre és vezérlésre szolgáló adatgyűjtő eszközből, egy számítógépből és valamilyen támogató szoftverből áll. Az NI mioDAQ USB-s adatgyűjtő hardver kielégíti ezt az igényt az NI USB-6400 sorozattal. A sorozatot négy USB-s adatgyűjtő eszköz alkotja (2. ábra).

2. ábra: Ez a táblázat a mioDAQ USB-6400 sorozat négy altípusának jellemzőit foglalja össze (táblázat: NI)

A mioDAQ sorozat négyféle lehetőséget kínál a tesztmérnököknek az adatgyűjtő eszköz beállításához:

• 16 vagy 20 bites amplitúdófelbontás ±10 V-os legnagyobb teljes skálájú bemenőjelekkel
• 250 ezer minta/másodperc (kS/s) (multiplexelt) vagy 1 millió minta/másodperc (MS/s) mintavételi gyakoriság
• a bemeneti csatornák elrendezése: 16 vagy 32 közös földpontú (SE, single-ended), illetve 8 vagy 16 különbségi (DI, differential)
• kettő vagy négy kimeneti csatorna ±10 V-os feszültségtartománnyal a vezérléshez, szimulációhoz vagy jelelőállításhoz

Minden altípus USB-C porton keresztül vezérelhető és táplálható, és 16 digitális be- és kimeneti vonalat és négy 32 bites számlálót/időzítőt tartalmaz. Emellett egy 100 MHz-es belső időbázist is használnak, amely az összes digitális áramkört vezérli, beleértve a mintavételezés-vezérlő órákat, az indítóvonalakat és a számlálókat/időzítőket. Minden csatornatípushoz a belső időbázis alapján működő külön időzítőmotor tartozik. Az analóg be- és kimeneti csatornák és a digitális be- és kimeneti vonalak időzítése különböző frekvenciára állítható. Az NI mioDAQ USB-s eszközök önkalibrációt is tartalmaznak. Az önkalibrációt a vezérlőszoftver kezdeményezi, és a gyors kalibrálás érdekében egy többváltozós kalibrációs egyenlet segítségével helyesbíti a környezeti és rendszer működéséből fakadó eltéréseket, észrevehető feldolgozási késések nélkül. Az eszközök a kapott adatokat egy belső EEPROM-ban tárolják.

A mioDAQ eszköz másik jellemzője a Smart ID (okosazonosító) érintkező, amely intelligenciával ruházza fel a próbapadot. Az eszköz a Smart ID érintkezőn át kommunikál a felhasználó által biztosított 1-Wire protokollos EEPROM-mal a vizsgált eszköz (DUT, device under test) adatainak kiolvasása érdekében és annak garantálására, hogy a kábelek a megfelelő portokhoz legyenek csatlakoztatva. Ez az érintkező időmegtakarítást és hibaszámcsökkentést tesz lehetővé a próbapados vizsgálat során.

Az egyedi adatgyűjtő eszköznek négy altípusa van. Az USB-6421 (789887-01) a leggazdaságosabb változat. Egyetlen multiplexelt analóg–digitális átalakító (ADC) segítségével 16 közös földpontú vagy 8 különbségi jelcsatornát kínál, és akár 250 kS/s mintavételi gyakoriságra is képes. Emellett két analóg kimeneti csatornát is tartalmaz.

Az USB-6423 (789882-01) megduplázza a multiplexelt csatornák számát 32 közös földpontú vagy 16 különbségi jelcsatornára, és 4-re növeli az analóg kimeneti csatornák számát.

Az USB-6451 (789888-01) esetében az analóg–digitális átalakítók száma nyolc. Emellett az analóg–digitális átalakítás felbontása 20 bitre, a legnagyobb mintavételi gyakoriság pedig 1 MS/s-ra nő. Nyolc csatornát kínál egyidejű mintavételezéssel, és akár 16 csatornát multiplexelt üzemmódban.

Az USB-6453 (789884-01) kínálja a legkiemelkedőbb képességeket, megduplázva a 20 bites, 1 MS/s mintavételi gyakoriságú analóg–digitális átalakítók számát 16-ra, a maximális csatornaszámot egyidejű mintavételezés esetén ugyancsak 16-ra, míg multiplexelt mintavételi módban 32-re növeli.

Mind a négy altípus 177 mm széles, 30,4 mm magas és 116,7 mm hosszú (3. ábra) házban van elhelyezve.

3. ábra: Az USB-6400 sorozat USB-6453 (balra) altípusának teljes nézete, valamint előlapja (jobbra fent) és hátlapja (jobbra lent) (kép: NI)

Az előlapon az összes analóg és digitális jelhez hozzáférhet. A csatlakoztatás két 36 érintkezős előlapi rugós csatlakozóval történik, amelyeknek érintkezői 26 AWG (Ø 0,4 mm) és 16 AWG (Ø 1,3 mm) közötti méretű vezetékek fogadására alkalmasak. A rugós csatlakozók hátsó burkolata huzalfeszülés-mentesítési célokat szolgál. Az eszköz a hőelemes mérésekhez beépített hidegpont-kompenzációval (CJC, cold junction compensation) is el van látva.

A kábelek gyors rögzítéséhez és az eszköz beépítésének elősegítéséhez a mioDAQ eszközök készülékházának hátoldalán és oldalain kábelkötegelővel való rögzítéshez kialakított rögzítőfuratok, a hátoldalán pedig egy rögzítőcsavaros USB-C csatlakozó található. Külön rendelhető szerelőkészletek is kaphatók hozzá a készülék 19 hüvelykes állványba, illetve vízszintes vagy függőleges tájolással DIN sínre rögzítéséhez.

Mivel a mioDAQ el van látva QR-kóddal is, az elveszett dokumentáció a múlté. A felhasználók a modul hátoldalán található QR-kódot beolvasva gyorsan hozzáférhetnek a használati utasításhoz, a műszaki adatokhoz, az érintkezőkiosztáshoz, valamint a vezérlő- és elemzőszoftverek és az illesztőprogramok letöltéséhez szükséges hivatkozásokhoz.

A csatornák jellemzői

Az eszközök akár 32 analóg bemeneti csatornát is tartalmaznak, –10 V és +10 V közötti legnagyobb teljes skálatartományban, 16 bites vagy 20 bites felbontással és 250 kS/s vagy 1 MS/s legnagyobb mintavételi gyakorisággal (alváltozatfüggő). A –0,2 V és +0,2 V, –1 V és +1 V, valamint –5 V és +5 V közötti kisebb feszültségtartományok segítségével a bemenőjel a dinamikatartomány optimalizálása érdekében a bemenőfeszültség-tartományhoz igazítható.

Az analóg kimenőfeszültség-tartomány –10 V és +10 V közötti, és a kimenetek csatornánként 200 kS/s-os órajelet használnak. A kimeneteken analóg vezérlőjelek előállításához vagy érzékelők szimulálásához periodikus és nem periodikus hullámformákat is létre lehet hozni.

A digitális be- és kimeneti vonalakat egymástól függetlenül lehet bemenetként vagy kimenetként beállítani. Ezek 5 V-os, 3,3 V-os vagy 2,5 V-os logikai feszültség-küszöbértékre programozhatók, és külső órajeleket vagy indítójeleket tudnak az eszközbe vezetni, illetve meg tudják hajtani a belső számlálókat/időzítőket.

Az adatgyűjtő szoftver

A mioDAQ eszközök több szoftvercsomaggal is vezérelhetők, beleértve az NI LabVIEW, a LabVIEW+ és a Python szoftvert és az NI FlexLogger naplózószoftvert. Az NI-DAQmx illesztőprogram C/C++, C#, VB 6.0 és VB.NET nyelvű egyéni programozást tesz lehetővé, és az adatgyűjtési műveletekhez felhasználható mintaprogramokat és könyvtárfunkciókat tartalmaz.

A FlexLogger egy kódolást nem igénylő szoftvercsomag, amely lehetővé teszi a tesztmérnökök számára az adatgyűjtő eszközökből származó mérési adatok ellenőrzését, megtekintését és mentését. Lehetővé teszi a mérési adatok határértékeinek beállítását úgy, hogy riasztások figyelmeztessenek a tartományon kívüli értékekre, és lehetővé teszi a mért értékeknek a beépített feldolgozóeszközökkel történő részletes elemzését. Az ingyenes FlexLogger Lite az NI adatgyűjtő hardver kézi adatnaplózására és alapvető műveleteinek elvégzésére használható. Alább egy példa látható az USB-6421 csatornabeállításaira (4. ábra).

4. ábra: A képen az USB-6421 csatornabeállításai láthatóak a FlexLogger Lite szoftverben, beleértve az analóg bemenetek, az analóg kimenetek és a digitális be- és kimenetek beállításait (kép: Art Pini)

Az analóg bemeneti csatornák a három tengely menti rezgésadatok, valamint a nyomás-, a hőmérséklet- és a zajszintértékek olvasására vannak beállítva. Minden bemenet úgy van skálázva, hogy a jeleket a mérésnek megfelelő mértékegységben lehessen leolvasni. Az analóg kimenetek 5 V-os és 3,3 V-os feszültségszinteket állítanak elő, míg a digitális be- és kimenetek két digitális bemenet olvasására vannak beállítva.

A FlexLogger egy több funkcióval rendelkező program, amely automatizált tesztelésre és bővített adatelemzésre szolgál. Lehetővé teszi a felhasználói felület képi megjelenítő eszközeinek grafikonok, digitális kijelzésű műszerek és mérőórák hozzáadásával történő testreszabását. Az 5. ábra egy villanymotorpróba (lásd a beszúrt képet) adatait mutatja.

5. ábra: A képen a FlexLogger egy villanymotorpróba eredményeit mutató képernyője látható (kép: NI)

A táblázat felső részén három gyorsulásmérő és egy fordulatszámmérő hullámformái jelennek meg. A gyorsulási adatok a g-ben (gravitációs gyorsulásértékben) kifejezett rezgésszintet mutatják az idő függvényében. A fordulatszámot 1/percben (vagy f/percben, angolul RPM, revolutions per minute) mérő fordulatszámmérő értékei a jobb alsó sarokban található mérőórás kijelzőn láthatóak. Az alsó grafikonon a rezgési adatok gyors Fourier-transzformációjával (FFT, fast Fourier transform) (az egyik rendelkezésre álló jelfeldolgozó eszköz) kapott görbe a frekvencia függvényében mutatja a rezgésszintet.

Összegzés

Az NI mioDAQ eszközök a korszerű méréstechnikát az egyszerű használati móddal egyesítik. A tesztmérnökök kifinomult elektromechanikus ellenőrző rendszereket építhetnek a mioDAQ eszközökből, amelyekhez olyan programozást nem igénylő szoftverek társulnak, mint az NI FlexLogger, illetve a bonyolultabb tesztelési követelményekhez olyan csúcsminőségű rendszerszoftverek, mint az NI LabVIEW.