Yksinkertaista sähkömekaanista testausta USB-pohjaisella tiedonkeruujärjestelmällä

Sähkömekaanisissa järjestelmissä, kuten moottoreissa, kompressoreissa, pumpuissa, antureissa, aktuaattoreissa ja ohjauselektroniikassa, käytetään sähköisiä ja mekaanisia komponentteja mm. valmistusteollisuudessa, ilmailu- ja avaruusalalla, autoteollisuudessa, lääketieteessä ja robotiikassa. Näitä laitteita täytyy testata ja valvoa sekä sähköisesti että mekaanisesti niiden toiminnan varmistamiseksi.

Käytettävien laitteiden täytyy olla yhteensopivia testattavan laitteen ja testimenetelmän tai -menettelyjen kanssa tarkan ja luotettavan datan saamiseksi. Testauslaitteiston täytyy tukea useita analogisia ja digitaalisia tulo- ja lähtökanavia (I/O) näiden laitteiden mittaamiseksi ja ohjaamiseksi sekä tarjota sellaiset perusmittausinstrumentit, kuten laskurit/ajastimet ja virtalähteet. Testausinstrumenttien täytyy toimia integroidun ohjelmiston kanssa mittausten, reaaliaikaisten näyttöjen ja yksityiskohtaisten raporttien tuottamiseksi.

Näiden testien suorittamiseen tarvittavan laitteiston ja ohjelmiston valinta ja integrointi voi viedä paljon aikaa ja osoittautua kalliiksi. Suunnittelijoiden avuksi on kehitetty modulaarisia USB-tiedonkeruulaitteita, joissa yhdistyvät uusin tekniikka ja laaja valikoima ohjelmistotestaustyökaluja, joiden avulla voidaan validoida kaikkein kompleksisimmatkin sähkömekaaniset järjestelmät.

Tämä artikkeli kuvaa suunnittelijoiden kohtaamia sähkömekaanisten laitteiden testaukseen liittyviä haasteita. Se esittelee sen jälkeen NI:n mioDAQ-instrumentteja ja osoittaa, miten niiden avulla voidaan yksinkertaistaa sähkömekaanisia perustestejä kehitystyön ja käyttöönoton nopeuttamiseksi.

Sähkömekaaninen testaus

Tarkastellaanpa yksinkertaista moottorin testijärjestelmää, jossa moottori on asennettu testilaitteeseen ja yhdistetty kahden laakeripesän väliin ripustettuun kuormaan (kuva 1). Testijärjestelmää ohjataan moottorinohjaimella, joka ohjaa moottorin nopeutta sähköjännitteen perusteella. Järjestelyssä käytetään optista kierroslukumittaria moottorin pyörimisnopeuden mittaamiseen ja kolmea kiihtyvyysmittaria mekaanisen värähtelyn mittaamiseen sisemmästä laakeripesästä X-, Y- ja Z-suunnissa.

Kuva 1: Kuvassa on moottorin värähtelytestijärjestelmä, joka käyttää optista kierroslukumittaria moottorin pyörimisnopeuden mittaamiseen ja kiihtyvyysmittareita moottorin synnyttämän värähtelyn mittaamiseen sisemmän laakeripesän kolmelta ortogonaaliselta akselilta. (Kuvan lähde: NI)

Testijärjestelmän tavoitteena on määrittää värähtelyn huipputasot ja pyörimisnopeus, jolla ne esiintyvät, Menettelyyn kuuluu moottorin nopeuden vaihtelu lineaarisesti ja samalla värähtelytasojen monitorointi ja kummankin rekisteröinti.

Tämän testin suorittamiseen tarvitaan monenlaisia instrumentteja. Ensinnäkin tarvitaan analogisia mittauskanavia kolmen kiihtyvyysanturilähdön monitorointia ja tallennusta varten. Yksi analoginen kanava tarvitaan monitoroimaan kierroslukumittaria moottorin pyörimisnopeuden mittaamiseksi. Moottorin nopeuden ohjaamiseen tarvitaan analoginen lähtöjännite. Digitaalinen signaalilähtö ilmoittaa moottorinohjaimelle, kun sen täytyy käynnistää ja sammuttaa moottori. Toista digitaalista signaalilähtöä voidaan käyttää moottorin pyörimissuunnan valintaan.

Tämä moottoritesti vaatii siis yksinkertaisimmillaan vähintään neljä analogista tuloa, yhden analogisen lähdön ja kaksi digitaalista lähtöä. Monimutkaisemmissa testeissä tarvitaan lisäksi muun muassa värähtelyantureita, lämpötila-antureita, kuten lämpöpareja, ja painemuuntimia.

Tiedonkeruujärjestelmä

Sähkömekaanista testausta varten tarvitaan tiedonkeruujärjestelmä (DAQ), johon kuuluvat DAQ-mittaus- ja ohjauslaite, tietokone ja niiden kanssa yhteensopiva ohjelmisto. NI:n USB-tiedonkeruulaitteisto mioDAQ täyttää tämän tarpeen NI USB-6400 -sarjalla, joka tarjoaa neljän USB-DAQ-laitteen valikoiman (kuva 2).

Kuva 2: Tämä taulukko näyttää yhteenvedon mioDAQ USB-6400 -sarjan neljän laitteen ominaisuuksista. (Kuvan lähde: NI)

mioDAQ-sarja tarjoaa testaajille neljä vaihtoehtoa DAQ-laitteen konfigurointiin:

• 16- tai 20-bittinen amplitudiresoluutio enintään ±10 voltin täyden jännitealueen tuloilla
• näytteenottonopeudet 250 tuhatta (kilo) näytettä sekunnissa (kS/s) multipleksoituna tai 1 miljoona (mega) näytettä sekunnissa (MS/s)
• tulokanavat on järjestetty 16 tai 32 epäsymmetriseksi (SE) tai 8 tai 16 differentiaalikanavaksi (DI)
• kaksi tai neljä lähtökanavaa ±10 voltin jännitealueella ohjausta, simulointia tai signaalien generointia varten.

Kaikkia malleja ohjataan ja ne saavat virtansa USB-C-portin kautta, ja ne sisältävät 16 digitaalista I/O-linjaa ja neljä 32-bittistä laskuria/ajastinta. Niissä käytetään myös 100 megahertsin (MHz) integroitua aikaperustaa, joka ohjaa kaikkia digitaalisia piirejä, kuten näytteenottokelloja, laukaisulinjoja ja laskureita/ajastimia. Kullakin kanavatyypillä on oma erillinen ajastinmoottorinsa, joka perustuu integroituun aikaperustaan. Analogisten tulo- ja lähtökanavien sekä digitaalisten I/O-linjojen ajastukselle voidaan valita eri nopeudet. NI:n mioDAQ USB -laitteet tarjoavat myös itsekalibroinnin ohjausohjelmiston kautta. Se käynnistää itsekalibroinnin ja kompensoi ympäristölliset ja systemaattiset vaihtelut käyttämällä usean muuttujan kalibrointiyhtälöä, mikä mahdollistaa nopean kalibroinnin ilman huomattavaa prosessointiviivettä. Se tallentaa tuloksena saatavan datan integroituun EEPROM-muistiin.

Toinen mioDAQ-laitteen ominaisuus on Smart ID -nasta, joka lisää testijärjestelmään älyä. Smart ID -nasta kommunikoi käyttäjän tarjoaman 1-johtimisen EEPROM-muistin kanssa testattavan laitteen (DUT) tietojen lukemiseksi ja varmistaa, että kaapelit kytketty oikeisiin portteihin. Nasta mahdollistaa testipenkissä ajansäästöä ja virheiden vähentämistä.

Saatavilla on neljä erityistä tiedonkeruumallia. USB-6421 (789887-01) on kaikkein edullisin laite. Se tarjoaa 16 SE- tai 8 DI-kanavaa käyttämällä yhtä ainutta multipleksoitua analogi-digitaalimuunninta (ADC), jonka näytteenottotaajuus on jopa 250 kS/s. Se sisältää lisäksi kaksi analogista lähtökanavaa.

USB-6423 (789882-01) kaksinkertaistaa multipleksoitujen kanavien määrän 32 SE- tai 16 DI-kanavaan ja kasvattaa analogisen lähtökapasiteetin neljään kanavaan.

USB-6451 (789888-01) kasvattaa ADC-muunninten määrän kahdeksaan. Se kasvattaa myös AC-resoluution 20 bittiin ja maksiminäytteenottotaajuuden arvoon 1 MS/s. Se tarjoaa kahdeksan kanavaa samanaikaisella näytteenotolla ja jopa 16 kanavaa multipleksoidussa tilassa.

USB-6453 (789884-01) tarjoaa korkeimman kapasiteetin: se kaksinkertaistaa 20-bittisten, 1 MS/s:n ADC-muunninten määräksi 16 ja kasvattaa kanavien enimmäismääräksi 16 samanaikaisella näytteenotolla ja 32 multipleksoidussa näytteenottotilassa.

Kaikki neljä mallia käyttävät koteloa, jonka leveys on 177 millimetriä (mm), korkeus 30,4 mm ja syvyys 116,7 mm (kuva 3).

Kuva 3: Kuvassa esitetään USB-6400-sarjaan kuuluva USB-6453 (vasemmalla kokonaiskuva) sekä sen etupaneeli (oikealla ylhäällä) ja takapaneeli (oikealla alhaalla). (Kuvan lähde: NI)

Etupaneeli tarjoaa käyttöön kaikki analogiset ja digitaaliset signaalit. Liitännät tehdään kahdella 36 nastan etupuolelta asennettavalla jousiliittimellä, joihin voidaan liittää #26 AWG – #16 AWG -paksuinen johto. Jousiliittimien kuoret tarjoavat vedonpoiston. Laite käyttää sisäänrakennettua CJC (Cold Junction Compensation) -korjausta lämpöparimittauksia varten.

mioDAQ-laitteen kotelon takapuolella ja sivuilla on kiinnitysreiät nippusiteitä varten sekä USB-lukitusruuvi takana kaapeleiden nopeaa kiinnittämistä ja instrumentin integrointia varten. Valinnaisia asennussarjoja on saatavana laitteen kiinnittämiseksi 19 tuuman (in.) telineeseen tai DIN-kiskoihin vaaka- tai pystysuunnassa.

QR-koodin käyttö mioDAQ-laitteessa tarkoittaa, etteivät laitteen dokumentit katoa enää koskaan. Käyttäjät skannaavat QR-koodin moduulin takaa ja saavat nopeasti käyttöönsä käyttöoppaan, spesifikaatiot, nastamääritykset sekä linkit ohjaus- ja analyysiohjelmistojen ja ajureiden lataamiseksi.

Kanavaspesifikaatiot

Laite tarjoaa jopa 32 analogista tulokanavaa, joiden maksimi täysi jännitealue on −10 V ... +10 V, 16- tai 20-bittisen resoluution ja maksimin näytteenottotaajuuden 250 kS/s tai 1 MS/s (riippuen mallista). Alemmilla alueilla −0,2 V ... +0,2 V, −1 V ... +1 V ja −5 V ... +5 V tulosignaali voidaan sovittaa tuloalueeseen dynaamisen alueen optimoimiseksi.

Analogisten lähtöjen jännitealue on −10 V ... +10 V, ja niiden kellotaajuus on 200 kS/s kanavaa kohti. Niillä voidaan luoda ei-jaksottaisia tai jaksottaisia aaltomuotoja analogisten ohjaussignaalien generoimiseksi tai antureiden simuloimiseksi.

Digitaaliset I/O-linjat voidaan asettaa erikseen joko tuloksi tai lähdöksi. Ne ovat ohjelmoitavissa 5, 3,3 tai 2,5 voltin loogisilla kynnysarvoilla, ja ne voivat reitittää ulkoisia kelloja tai laukaisusignaaleja laitteeseen tai ohjata sisäisiä laskureita/ajastimia.

DAQ-ohjelmisto

mioDAQ-laitteita voidaan ohjata monilla ohjelmistopaketeilla, kuten NI:n LabVIEW, LabVIEW+ ja Python sekä NI:n FlexLogger-loggeriohjelmisto. NI:n NI-DAQmx-ohjain tukee asiakaskohtaista ohjelmointia kielillä C/C++, C#, VB 6.0 ja VB.NET, ja tarjoaa ohjelmointiesimerkkejä ja kirjastotoimintoja DAQ-toimintoja varten.

FlexLogger on ohjelmistopaketti, joka ei vaadi koodaamista, ja jonka avulla testaajat voivat ohjata, tarkastella ja tallentaa DAQ-laitteiden testidataa. Sen avulla mittausarvoille voidaan asettaa raja-arvot. Hälytykset puolestaan varoittavat arvoalueen ylityksestä ja mahdollistavat testidatan yksityiskohtaisen analysoinnin käyttäen sisäänrakennettuja prosessointityökaluja. Maksuton FlexLogger Lite on tarkoitettu manuaaliseen tiedonkeruuseen ja NI DAQ-laitteiston perustoimintoihin. Kuvassa 4 näytetään esimerkki USB-6421-laitteen kanavan määrityksestä.

Kuva 4: Kuvassa esitetään FlexLogger Lite -näkymä USB-6421-laitteen kanavan määrityksestä, kattaen analogiset tulo-, analogiset lähtö- ja digitaaliset I/O-asetukset. (Kuvan lähde: Art Pini)

Analogiset tulokanavat on konfiguroitu lukemaan kolmen akselin värähtelytiedot sekä paineen, lämpötilan ja äänitason mittaukset. Kukin tulo skaalataan lukemaan signaalit mittaukselle sopivissa yksiköissä. Analogiset lähdöt tuottavat 5 ja 3,3 voltin jännitetason, kun taas digitaalinen I/O on määritelty lukemaan kahta digitaalista tuloa.

FlexLogger on kattavampi ohjelma ja tarkoitettu automatisoituun testaukseen ja kattavampaan data-analyysiin. Se mahdollistaa käyttöliittymän visualisointityökalujen räätälöinnin lisäämällä kuvaajia, numeerisia indikaattoreita ja mittareita. Kuva 5 näyttää moottorin testidatan (ohessa).

Kuva 5: Kuvassa on FlexLogger-näkymä moottorin testituloksista. (Kuvan lähde: NI)

Kolmen kiihtyvyysmittarin ja kierroslukumittarin aaltomuodot näkyvät ylemmässä ruudussa. Kiihtyvyysdata on värähtelytaso skaalattuna g-arvona ajan funktiona. Kierroslukumittarin lukema, joka mittaa pyörimisnopeutta kierroksina minuutissa (RPM), näytetään oikean alakulman mittarissa. Nopean Fourier-muunnoksen (yksi käytettävissä olevista signaalinkäsittelytyökaluista) soveltaminen värähtelytietoihin näyttää värähtelytason (amplitudin) taajuuden funktiona alemmassa kuvaajassa.

Yhteenveto

NI:n mioDAQ-laitteissa yhdistyvät nykyaikainen mittaustekniikka ja helppokäyttöisyys. Testaajat voivat luoda sofistikoituneita sähkömekaanisia testausjärjestelmiä käyttämällä mioDAQ-komponentteja yhdessä sellaisten ohjelmistojen kuten NI:n FlexLoggerin, joka ei vaadi ohjelmointia, tai palkittujen järjestelmäohjelmistojen, kuten NI:n LabVIEW:n, kanssa testausvaatimuksien ollessa sofistikoituneempia.