Forenkle elektromekanisk testing med et USB-basert system for datainnsamling

Elektromekaniske systemer kombinerer elektriske og mekaniske komponenter for enheter som motorer, kompressorer, pumper, sensorer, aktuatorer og styringselektronikk i utrustninger forbundet med produksjon, romfart, bilindustrien, medisin og roboter. Disse enhetene må testes og overvåkes elektrisk og mekanisk for å sikre riktig drift.

For å gi nøyaktige og pålitelige data må det nødvendige utstyret være kompatibelt med enheten som testes og testmetoden eller -prosedyrene. Testutstyret må håndtere flere analoge og digitale inngangs-/utgangskanaler (I/O-kanaler) for å måle og styre disse enhetene, i tillegg til grunnleggende måleinstrumenter som tellere/timere og strømforsyninger. Testinstrumentene må fungere med integrert programvare for å gi målinger, sanntidsvisninger og detaljerte rapporter.

Det kan være tidkrevende og kostbart å velge og integrere den nødvendige maskinvaren og programvaren som trengs for å utføre disse testene. Modulære USB-datainnsamlingsinstrumenter har blitt utviklet for å hjelpe konstruktører, og disse kombinerer den mest oppdaterte teknologien med et bredt spekter av programvaretestverktøy for å validere de mest komplekse elektromekaniske systemene.

Denne artikkelen beskriver utfordringene som konstruktører som tester elektromekaniske enheter står overfor. Den introduserer deretter mioDAQ-instrumentene fra NI og viser hvordan disse kan brukes til å forenkle standard elektromekaniske tester for å akselerere utvikling og distribusjon.

Elektromekanisk testing

Ta i betraktning en enkel motortestrigg som består av en motor montert på en testfesteanordning koblet til en last som er opphengt mellom to lagerblokker (figur 1). Riggen styres via en motorstyring, som regulerer motorens hastighet basert på en elektrisk spenning. Sammenstillingen bruker en optisk turteller til å måle rotasjonshastigheten til motoren og tre akselerometre til å måle den mekaniske vibrasjonen i X-, Y- og Z-retningene på den indre lagerblokken.

Figur 1: Her vises en testrigg for motorvibrasjoner som bruker en optisk turteller til å måle motorens rotasjonshastighet og akselerometre til å måle motorrelaterte vibrasjoner langs tre ortogonale akser i den indre lagerblokken. (Bildekilde: NI)

Målet med testriggen er å fastsette de høyeste vibrasjonsnivåene og den høyeste rotasjonshastigheten som dette oppstår ved. Prosedyren innebærer å variere motorhastigheten lineært og overvåke vibrasjonsnivåene, og registrere begge.

Forskjellige instrumenter er nødvendig for å kjøre denne testen. Først kreves analoge målekanaler for å overvåke og registrere de tre akselerometerutgangene. En annen analog kanal må overvåke turtelleren for å måle motorens rotasjonshastighet. En analog utgangsspenning er nødvendig for å styre motorens hastighet. En digital signalutgang varsler motorstyringen om å slå motoren av og på. En annen digital signalutgang kan brukes til å velge motorens rotasjonsretning.

Denne motortesten, i sin enkleste utforming, krever minst fire analoge innganger, én analog utgang og to digitale utganger. Mer komplekse tester kan legge til ekstra vibrasjonssensorer, temperatursensorer som termoelementer og trykktransdusere, for å nevne noen.

Systemet for datainnsamling

For elektromekanisk testing er det nødvendig med et datainnsamlingssystem (DAQ – data acquisition system) som omfatter en DAQ-enhet for måling og styring, en datamaskin og støtteprogramvare. NI mioDAQ USB-datainnsamlingsmaskinvaren fyller dette behovet med NI USB-6400-serien, som gir fire USB DAQ-enheter å velge mellom (figur 2).

Figur 2: Denne tabellen oppsummerer egenskapene til de fire enhetene i mioDAQ USB-6400-serien. (Bildekilde: NI)

MioDAQ-serien gir testteknikere fire konfigurasjonsvalg for en DAQ-enhet:

• 16- eller 20-bits amplitudeoppløsning med maksimale fullskalainnganger på ±10 volt
• Samplingsfrekvenser på 250 kilosamplinger per sekund (kS/s) multiplekset eller 1 megasampling per sekund (MS/s)
• Inngangskanaler sammenstilt som 16 eller 32 ensidig jordet (SE – single-ended) eller 8 eller 16 differensialkanaler (DI – differential)
• To eller fire utgangskanaler med et spenningsområde på ±10 volt for styring, simulering eller signalgenerering

Alle modellene styres av og drives via en USB-C-port, og inkluderer 16 digitale I/O-linjer og fire 32-bits tellere/timere. De bruker også en integrert tidsbase (time base) på 100 megahertz (MHz) som driver alle digitale kretser, som omfatter samplingsklokker, utløserlinjer og tellere/timere. Hver kanaltype har en egen timingmotor basert på den integrerte tidsbasen. Timing for de analoge inngangs- og utgangskanalene og de digitale I/O-linjene kan angis til forskjellige hastigheter. NI mioDAQ USB-enhetene inkluderer også selvkalibrering via styringsprogramvaren, som initierer selvkalibrering og kompenserer for miljømessige og systematiske variasjoner ved å bruke en multivariabel kalibreringsligning som gir rask kalibrering uten noen merkbar prosesseringsforsinkelse. Den lagrer de resulterende dataene i en integrert EEPROM.

En annen funksjon i mioDAQ-enheten er Smart ID-pinnene, som bringer intelligens til testbenken. Smart ID-pinnen kommuniserer med en brukerforsynt EEPROM med 1-leder for å lese av informasjon om enheten under test (DUT – device under test) og sikre at kablene er plugget inn i de riktige portene. Pinnen bringer tidsbesparelser og feilreduksjon til testbenken.

Fire modeller med spesifikke datainnsamlingsenheter er tilgjengelige. USB-6421 (789887-01) er den mest økonomiske enheten. Den gir 16 SE-kanaler eller 8 DI-kanaler ved å bruke en enkel multiplekset analog-til-digital-omformer (ADC) samplet ved opptil 250 kS/s, og den inkluderer to analoge utgangskanaler.

USB-6423 (789882-01) dobler antallet multipleksede kanaler til 32 SE eller 16 DI og øker den analoge utgangskapasiteten til fire kanaler.

USB-6451 (789888-01) øker antallet A-D-omformere til åtte. Den øker også AC-oppløsningen til 20 bits og den maksimale samplingsfrekvensen til 1 MS/s. Den tilbyr åtte kanaler med samtidig sampling og opptil 16 kanaler i multipleksmodus.

USB-6453 (789884-01) tilbyr den mest signifikante kapasiteten. Den dobler antallet 20-bits, 1 MS/s A-D-omformere til 16 og øker det maksimale kanalantallet til 16 med samtidig sampling og 32 i multiplekset samplingsmodus.

Alle fire modellene er plassert i et kabinett som er 177 millimeter (mm) bredt, 30,4 mm høyt og 116,7 mm dypt (figur 3).

Figur 3: Her vises hele bildet av USB-6453-medlemmet (venstre) i USB-6400-serien, sammen med frontpanelet (høyre, øverst) og bakpanelet (høyre, bunnen). (Bildekilde: NI)

Frontpanelet gir tilgang til alle analoge og digitale signaler. Tilkoblinger oppnås ved å bruke to frontmonterte fjærterminalkoblinger med 36 posisjoner, som godtar ledningsstørrelser fra 0,14 mm² til 1,5 mm² (#26 AWG til #16 AWG). Den bakre delen av de fjærende terminalkontaktene forsynes for strekkavlastning. Kaldpunktskompensasjon (CJC – cold junction compensation) er integrert for termoelementmålinger.

MioDAQ-enhetspakken inkluderer monteringshull for buntebånd på baksiden og sidene og en USB-låseskrue på baksiden som muliggjør rask sikring av kabler og integrering av instrumentet. Valgfrie monteringssett er tilgjengelige for å feste enheten til en 19-tommers rack eller DIN-skinner med horisontal eller vertikal orientering.

MioDAQs bruk av QR-kode betyr at tapt dokumentasjon tilhører fortiden. Brukere skanner QR-koden på baksiden av modulen for å få rask tilgang til brukerhåndboken, spesifikasjoner, utgangspinner og forbindelser for å laste ned styrings- og analyseprogramvare og drivere.

Kanalspesifikasjoner

Opptil 32 analoge inngangskanaler er tilgjengelige, med et maksimalt fullskalaområde på –10 V til +10 V, 16-bits eller 20-bits oppløsning og en maksimal samplingsfrekvens på 250 kS/s eller 1 MS/s (modellavhengig). Lavere områder på –0,2 V til +0,2 V, –1 V til +1 V og –5 V til +5 V kan samsvare inngangssignalet til inngangsområdet for å optimalisere det dynamiske området.

De analoge utgangene har et spenningsområde på –10 V til +10 V, og de har en taktklokke (clocked) på 200 kS/s per kanal. De kan opprette ikke-periodiske eller periodiske bølgeformer for å generere analoge styringssignaler eller simulere sensorer.

De digitale I/O-linjene kan angis uavhengig, slik at de enten kan være inngang eller utgang. De er programmerbare med logiske spenningsterskler på 5; 3,3 eller 2,5 volt og kan rute eksterne klokke- eller utløsersignaler inn i enheten eller drive de interne tellerne/timerne.

DAQ-programvare

MioDAQ-enhetene kan styres med flere programvarepakker, inkludert NI sin LabVIEW, LabVIEW+, Python og NI sin FlexLogger-loggingsprogramvare. NI sin NI-DAQmx-driver støtter tilpasset programmering i C/C++, C#, VB 6.0 og VB.NET, og inkluderer programmeringseksempler og biblioteksfunksjoner for DAQ-handlinger.

FlexLogger er en programvarepakke uten koding som gjør det mulig for testteknikere å styre, vise og lagre testdata fra DAQ-enheter. Den gjør det mulig å angi grenser for målte verdier, mens alarmer advarer om forhold utenfor det definerte området, og muliggjør detaljert analyse av testdata med integrerte behandlingsverktøy. FlexLogger Lite, som er gratis, er beregnet for manuell datalogging og grunnleggende drift av NI DAQ-maskinvare. Et eksempel på et kanaloppsett for USB-6421 er vist (figur 4).

Figur 4: Her vises en FlexLogger Lite-visning av kanaloppsettet for USB-6421, som omfatter analog inngang, analog utgang og digitale I/O-innstillinger. (Bildekilde: Art Pini)

De analoge inngangskanalene er konfigurert til å lese tre akser med vibrasjonsdata og målinger av trykk, temperatur og lydnivå. Hver inngang skaleres for å lese signalene i måleenheter som er egnet for målingen. De analoge utgangene produserer nivåer på 5 og 3,3 volt, mens den digitale I/O-en er konfigurert til å lese to digitale innganger.

FlexLogger er et program med flere funksjoner som er beregnet for automatisert testing og utvidet dataanalyse. Den gjør det mulig å tilpasse brukergrensesnittets visualiseringsverktøy ved å legge til grafer, numeriske indikatorer og målere. Figur 5 viser data fra en motortest (innfelt).

Figur 5: Her vises FlexLogger-visningen for testresultatene til en motor. (Bildekilde: NI)

Bølgeformene fra tre akselerometre og en turteller vises i det øvre rutenettet. Akselerasjonsdataene er det skalerte vibrasjonsnivået i g-verdi i forhold til tid. Turtelleravlesningen, som måler rotasjonshastigheten i omdreininger per minutt (o/min), vises som en måler nederst til hjørne. Ved å påføre en hurtig fouriertransform (FFT – fast Fourier transform) (et av de tilgjengelige signalbehandlingsverktøyene) til vibrasjonsdataene, vises vibrasjonsnivå (amplitude) i forhold til frekvens i den nedre grafen.

Konklusjon

NI mioDAQ-enhetene kombinerer moderne måleteknologi med enkel brukeropplevelse. Testteknikere kan bygge sofistikerte elektromekaniske testsystemer ved å bruke mioDAQ-komponenter som kombineres med programvare uten programmering, slik som NI sin FlexLogger eller prisbelønt systemprogramvare som NI sin LabVIEW for mer sofistikerte testkrav.