Gør elektromekanisk testning nemmere med et USB-baseret dataindsamlingssystem

Elektromekaniske systemer kombinerer elektriske og mekaniske komponenter til enheder som motorer, kompressorer, pumper, sensorer, aktuatorer og kontrolelektronik inden for produktion, rumfart, bilindustri, medicin og robotteknologi. Disse enheder skal testes og overvåges elektrisk og mekanisk for at sikre, at de fungerer korrekt.

For at give nøjagtige og pålidelige data skal det nødvendige udstyr være kompatibelt med den enhed, der testes, og testmetoden eller -procedurerne. Testudstyret skal kunne håndtere flere analoge og digitale input/output-kanaler (I/O) til at måle og styre disse enheder sammen med grundlæggende måleinstrumenter som tællere/timere og strømforsyninger. Testinstrumenterne skal arbejde sammen med integreret software for at give målinger, realtidsvisninger og detaljerede rapporter.

Det kan være tidskrævende og dyrt at vælge og integrere den nødvendige hardware og software til at udføre disse tests. For at hjælpe designere er der udviklet modulære USB-dataindsamlingsinstrumenter, der kombinerer den nyeste teknologi med en bred vifte af softwaretestværktøjer til validering af de mest komplekse elektromekaniske systemer.

Denne artikel beskriver de udfordringer, som designere står over for, når de tester elektromekaniske enheder. Derefter introduceres mioDAQ-instrumenterne fra NI, og det vises, hvordan de kan anvendes til at forenkle elektromekaniske standardtests for at fremskynde udvikling og implementering.

Elektromekanisk testning

Betragt en simpel motorteststand med en motor monteret på et testfikstur, der er forbundet med en belastning, som er ophængt mellem to lejeblokke (figur 1). Riggen styres via en motorstyring, som kontrollerer motorens hastighed baseret på en elektrisk spænding. Arrangementet bruger en optisk omdrejningstæller til at måle motorens rotationshastighed og tre accelerometre til at måle den mekaniske vibration i X-, Y- og Z-retningen på den indre lejeblok.

Figur 1: Her ses en motorvibrationstestrig, der bruger en optisk omdrejningstæller til at måle motorens rotationshastighed og accelerometre til at måle motorrelaterede vibrationer langs tre ortogonale akser i den indre lejeblok. (Billedkilde: NI)

Målet med testriggen er at bestemme de maksimale vibrationsniveauer og den rotationshastighed, de forekommer ved. Proceduren går ud på at variere motorhastigheden lineært, mens man overvåger vibrationsniveauerne og registrerer begge dele.

Der er brug for forskellige instrumenter til at udføre denne test. For det første er der brug for analoge målekanaler til at overvåge og registrere de tre accelerometerudgange. En anden analog kanal skal overvåge omdrejningstælleren for at måle motorens rotationshastighed. En analog udgangsspænding er nødvendig for at styre motorens hastighed. En digital signaludgang giver motorstyringen besked om at tænde og slukke for motoren. En anden digital signaludgang kan bruges til at vælge motorens rotationsretning.

Så i sin enkleste form kræver denne motortest mindst fire analoge indgange, en analog udgang og to digitale udgange. Mere komplekse tests kan tilføje yderligere vibrationssensorer, temperatursensorer som f.eks. termoelementer og tryktransducere, blandt andre.

Dataindsamlingssystemet

Til elektromekanisk testning er der brug for et dataindsamlingssystem (DAQ), der består af en DAQ-enhed til måling og styring, en computer og understøttende software. NI mioDAQ USB-dataindsamlingshardware opfylder dette behov med NI USB-6400-serien, som giver fire USB DAQ-enheder at vælge imellem (figur 2).

Figur 2: Denne tabel opsummerer egenskaberne for de fire enheder i mioDAQ USB-6400-serien. (Billedkilde: NI)

mioDAQ-serien giver testingeniører fire valgmuligheder i konfigurationen af en DAQ-enhed:

• 16- eller 20-bit amplitudeopløsning med ±10 volt maksimal fuldskalaindgang
• 250 kilo sampler per sekund (kS/s) multiplexed eller 1 mega sample per sekund (MS/s) samplingfrekvens
• Indgangskanaler arrangeret som 16 eller 32 enkeltleder (SE) eller 8 eller 16 differentielle (DI) kanaler
• To eller fire udgangskanaler med et spændingsområde på ±10 volt til styring, simulering eller signalgenerering

Alle modellerne styres og forsynes med strøm via en USB-C-port og omfatter 16 digitale I/O-linjer og fire 32-bit tællere/timere. De bruger også en indbygget tidsbase på 100 megahertz (MHz), som driver alle digitale kredsløb, herunder sample clocks, triggerlinjer og tæller/timere. Hver kanaltype har en separat timermotor baseret på den indbyggede tidsbase. Timing for de analoge ind- og udgangskanaler og de digitale I/O-linjer kan indstilles til forskellige hastigheder. NI mioDAQ USB-enhederne omfatter også selvkalibrering via den styrende software, som igangsætter selvkalibrering og kompenserer for miljømæssige og systematiske variationer ved hjælp af en multivariat kalibreringsligning for hurtig kalibrering uden mærkbar behandlingsforsinkelse. Den gemmer de resulterende data i en indbygget EEPROM.

En anden funktion i mioDAQ-enheden er Smart ID-benet, som tilføjer intelligens til testbænken. Smart ID-ben kommunikerer med en brugerleveret 1-leder EEPROM for at aflæse oplysninger om enheden under test (DUT) og sikre, at kablerne er sat i de rigtige porte. Benet giver tidsbesparelser og fejlreduktion på testbænken.

Der findes fire modeller af specifikke dataindsamlingsenheder. USB-6421 (789887-01) er den mest økonomiske enhed. Den giver 16 SE- eller 8 DI-kanaler ved hjælp af en enkelt multiplexet analog-til-digital-konverter (ADC), der samples med op til 250 kS/s, og omfatter to analoge udgangskanaler.

USB-6423 (789882-01) fordobler antallet af multiplexede kanaler til 32 SE eller 16 DI og øger den analoge udgangskapacitet til fire kanaler.

USB-6451 (789888-01) øger antallet af ADC'er til otte. Den øger også AC-opløsningen til 20 bit og den maksimale samplingshastighed til 1 MS/s. Den tilbyder otte kanaler med samtidig sampling og op til 16 kanaler i multiplexet tilstand.

USB-6453 (789884-01) tilbyder den mest betydningsfulde kapacitet; den fordobler antallet af 20-bit, 1 MS/s ADC'er til 16 og øger det maksimale kanalantal til 16 med samtidig sampling og 32 i multiplexed sampling-tilstand.

Alle fire modeller er anbragt i et kabinet, der måler 177 millimeter (mm) i bredden, 30,4 mm i højden og 116,7 mm i dybden (figur 3).

Figur 3: Her ses USB-6453 (til venstre) i USB-6400-serien i sin helhed sammen med front- (til højre, øverst) og bagpanelerne (til højre, nederst). (Billedkilde: NI)

Frontpanelet giver adgang til alle analoge og digitale signaler. Tilslutningerne sker ved hjælp af to 36-positioners frontmonterede fjederklemmer, som accepterer #26 AWG til #16 AWG ledninger. Der medfølger rygskaller til fjederklemmestikkene til trækaflastning. Koldsamlingskompensation (Cold junction compensation - CJC) er indbygget for termoelementmålinger.

Pakken med mioDAQ-enheder indeholder monteringshuller med kabelbånd på bagsiden og siderne og en USB-låseskrue på bagsiden, så man hurtigt kan fastgøre kabler og integrere instrumentet. Der findes valgfrie monteringssæt til at fastgøre enheden til et 19 tommer rack eller DIN-skinner med vandret eller lodret retning.

mioDAQ's brug af en QR-kode betyder, at tabt dokumentation hører fortiden til. Brugerne scanner QR-koden på bagsiden af modulet for hurtigt at få adgang til brugervejledningen, specifikationer, benlayout og links til download af kontrol- og analysesoftware og drivere.

Kanalspecifikationer

Op til 32 analoge indgangskanaler er tilgængelige med et maksimalt fuldskalaområde på -10 V til +10 V, 16-bit eller 20-bit opløsning og en maksimal samplingshastighed på 250 kS/s eller 1 MS/s (modelafhængig). Lavere områder på -0,2 V til +0,2 V, -1 V til +1 V og -5 V til +5 V kan matche indgangssignalet til indgangsområdet for at optimere det dynamiske område.

De analoge udgange har et spændingsområde på -10 V til +10 V og clockes med 200 kS/s pr. kanal. De kan skabe ikke-periodiske eller periodiske bølgeformer til at generere analoge styresignaler eller simulere sensorer.

De digitale I/O-linjer kan uafhængigt indstilles til at være enten input eller output. De er programmerbare med logiske spændingstærskler på 5, 3,3 eller 2,5 volt og kan dirigere eksterne clocks eller triggersignaler ind i enheden eller drive de interne tællere/timere.

DAQ-software

mioDAQ-enhederne kan styres med flere softwarepakker, herunder NI's LabVIEW, LabVIEW+, Python og NI's logningssoftware FlexLogger. NI's NI-DAQmx-driver understøtter brugerdefineret programmering i C/C++, C#, VB 6.0 og VB.NET og indeholder programmeringseksempler og biblioteksfunktioner til DAQ-operationer.

FlexLogger er en softwarepakke uden kode, som gør det muligt for testingeniører at styre, se og gemme testdata fra DAQ-enheder. Det gør det muligt at indstille grænser for målte værdier, mens alarmer advarer om forhold uden for området og giver mulighed for detaljeret analyse af testdata med indbyggede behandlingsværktøjer. FlexLogger Lite, som er gratis, er beregnet til manuel datalogning og grundlæggende betjening af NI DAQ-hardware. Et eksempel på en kanalopsætning for USB-6421 er vist (figur 4).

Figur 4: Her ses en FlexLogger Lite-visning af kanalopsætningen for USB-6421, inklusive indstillingerne for analogt input, analogt output og digital I/O. (Billedkilde: Art Pini)

De analoge indgangskanaler er konfigureret til at aflæse tre akser med vibrationsdata og målinger af tryk, temperatur og lydniveau. Hver indgang er skaleret til at aflæse signalerne i enheder, der passer til målingen. De analoge udgange producerer 5 og 3,3 volt strømniveauer, mens den digitale I/O er sat op til at læse to digitale indgange.

FlexLogger er et program med flere funktioner, der er beregnet til automatiseret testning og udvidet dataanalyse. Det gør det muligt at tilpasse brugergrænsefladens visualiseringsværktøjer ved at tilføje grafer, numeriske indikatorer og målere. Figur 5 viser data fra en motortest (indsat).

Figur 5: Her ses FlexLogger-visningen af en motors testresultater. (Billedkilde: NI)

Kurveformerne fra tre accelerometre og en omdrejningstæller vises i det øverste gitter. Accelerationsdataene er det skalerede vibrationsniveau i g i forhold til tiden. Omdrejningstælleren, der måler rotationshastigheden i omdrejninger pr. minut (RPM), vises som en urskive i nederste højre hjørne. Ved at anvende en hurtig Fourier-transformation (et af de tilgængelige signalbehandlingsværktøjer) på vibrationsdataene kan man se vibrationsniveauet (amplituden) i forhold til frekvensen i den nederste graf.

Konklusion

NI mioDAQ-enhederne kombinerer moderne måleteknologi med en nem brugeroplevelse. Testingeniører kan bygge sofistikerede elektromekaniske testsystemer ved hjælp af mioDAQ-komponenter matchet med software uden programmering som NI's FlexLogger eller prisbelønnet systemsoftware som NI's LabVIEW til mere sofistikerede testkrav.