Förenkla elektromekanisk testning med ett USB-baserat system för datainsamling

Elektromekaniska system kombinerar elektroniska och mekaniska komponenter för enheter som t ex motorer, kompressorer, pumpar, givare, ställdon och styrelektronik för tillverknings-, flyg-, fordonstillämpningar och för tillämpningar inom medicin- och robotteknik. Konstruktionerna måste testas och övervakas elektroniskt och mekaniskt för att garantera korrekt funktion.

För att tillhandahålla korrekt och tillförlitlig data måste den nödvändiga utrustningen vara kompatibel med den enhet som testas och testmetoden eller testförfarandet. Testutrustningen måste hantera flera analoga och digitala in-/utgångskanaler (I/O), för att mäta och styra enheterna, tillsammans med enkla mätinstrument som t ex räknare/timer och strömförsörjning. Testinstrumenten måste fungera med integrerad programvara för att tillhandahålla mätningar, visning i realtid och detaljerade rapporter.

Att välja och integrera nödvändig hård- och mjukvara för att utföra testerna kan vara tidskrävande och kostsamt. För att hjälpa konstruktörerna har modulära instrument med USB för insamling av data utvecklats som kombinerar den senaste tekniken med ett brett utbud av mjukvarubaserade testverktyg för att validera de mest komplexa elektromekaniska systemen.

Artikeln beskriver de utmaningar som konstruktörer ställs inför när de testar elektromekaniska enheter. Därefter visas instrumenten mioDAQ från NI och hur de kan användas för att förenkla gängse tester av elektromekaniska enheter och därmed påskynda utveckling och driftsättning.

Elektromekanisk testning

Föreställ dig en enkel testrigg för motorer med en motor monterad på en testfixtur som är ansluten till en last som är upphängd mellan två lagerblock (figur 1). Riggen styrs av en motorstyrenhet som reglerar motorns varvtal baserat på en elektrisk spänning. Anordningen använder en optisk varvräknare för att mäta motorns varvtal samt tre accelerometrar för att mäta den mekaniska vibrationen för det inre lagerblockets X-, Y- och Z-riktningar.

Figur 1: På bilden visas en rigg för testning av motorvibrationer som använder en optisk varvräknare för att mäta motorns varvtal och accelerometrar för att mäta motorrelaterade vibrationer längs det inre lagerblockets tre ortogonala axlar. (Bildkälla: NI)

Målet med testriggen är att bestämma de högsta vibrationsnivåerna och vid vilket varvtal dessa uppstår. Tillvägagångssättet är att variera motorns varvtal linjärt samtidigt som vibrationsnivåerna övervakas och registreras.

Olika instrument behövs för att genomföra testet. För det första krävs analoga kanaler för mätning för att övervaka och registrera de tre accelerometrarnas utgångar. En annan analog kanal måste övervaka varvräknaren för att mäta motorns varvtal. En analog utgång med spänning krävs för att styra motorns hastighet. En digital signalutgång talar om för motorstyrenheten om motorn ska slås på eller av. En annan digital signalutgång kan användas för att välja motorns rotationsriktning.

I sin enklaste form kräver detta motortest därför minst fyra analoga ingångar, en analog och två digitala utgångar. Mer komplexa tester kan addera ytterligare vibrations- och temperaturgivare som t ex termokopplare och tryckgivare.

Systemet för datainsamling

För elektromekanisk testning behövs ett system för datainsamling (DAQ) som består av en DAQ-enhet för mätning och styrning, en dator samt stödjande programvara. Hårdvaran mioDAQ med USB för datainsamling från NI uppfyller detta behov med serien USB-6400. Det finns fyra USB DAQ-enheter att välja mellan (figur 2).

Figur 2: I tabellen sammanfattas egenskaperna hos de fyra mioDAQ-enheterna i serien USB-6400. (Bildkälla: NI)

I serien mioDAQ finns det fyra alternativ för testingenjörerna att välja emellan när det gäller konfiguration av en DAQ-enhet:

• En amplitudupplösning på 16 eller 20 bitar med ±10 V maximala fullskaliga ingångar
• Samplingsfrekvenser på 250 kS/s multiplexerat eller 1 MS/s
• Ingångskanalerna är uppdelade i 16 eller 32 obalanserade kanaler eller 8 eller 16 differentiella kanaler
• Två eller fyra utgångskanaler med ett område på ±10 V för styrning, simulering eller signalgenerering

Alla modeller styrs och drivs via en port med USB-C och har 16 digitala I/O-linjer och fyra 32-bitars räknare/timers. De använder även en inbyggd tidsbas på 100 MHz som driver alla digitala kretsar, inklusive samplingsklockor, triggerkanaler och räknare/timers. Respektive typ av kanal har en separat tidtagningsmotor som baseras på den inbyggda tidsbasen. Timingen för de analoga in- och utgångskanalerna och de digitala I/O-linjerna kan ställas in för olika hastigheter. MioDAQ-enheterna med USB från NI inkluderar även självkalibrering via styraprogramvaran, som initierar självkalibrering och kompenserar för miljövariationer och systematiska variationer med hjälp av en multivariat kalibreringsekvation för snabb kalibrering utan märkbar fördröjning. Den data som genereras lagras i ett inbyggt EEPROM.

En annan funktion i mioDAQ-enheten är stiftet för Smart ID, som tillför intelligens till testbänken. Stiftet för Smart ID kommunicerar med ett 1-tråds EEPROM som levereras av användaren för att läsa av informationen om den enhet som testas (DUT) och säkerställa att kablaget är anslutet till rätt portar. Stiftet sparar tid och minskar antalet fel i testbänken.

Fyra modeller av enheter för insamling av specifik data finns tillgängliga. USB-6421 (789887-01) är den mest prisvärda enheten. Den har 16 obalanserade eller 8 differentiella kanaler med en multiplexerad analog- till digitalomvandlare (ADC) och en samplingshastighet på upp till 250 kS/s med dubbla analoga utgångskanaler.

USB-6423 (789882-01) fördubblar antalet multiplexerade kanaler till 32 obalanserade eller 16 differentiella och ökar den analoga utgångskapaciteten till fyra kanaler.

USB-6451 (789888-01) utökar antalet analog- till digitalomvandlare till åtta. Den ökar även signalens analoga upplösning till 20 bitar och den maximala samplingsfrekvensen till 1 MS/s. Den har åtta kanaler för samtidig sampling och upp till 16 kanaler i multiplexerat läge.

USB-6453 (789884-01) har den bästa kapaciteten. Den fördubblar antalet 20-bitars analog- till digitalomvandlare med 1 MS/s till 16 och ökar det maximala antalet kanaler med samtidig sampling till 16 och till 32 vid multiplexerad sampling.

Alla fyra modellerna är inrymda i en kapsling med måtten 177 x 30,4 x 116,7 mm i bredd, höjd och djup (figur 3).

Figur 3: Här visas en fullständig bild av USB-6453 (vänster) i serien USB-6400, inklusive framsida (höger, överst) och baksida (höger, nederst). (Bildkälla: NI)

På enhetens framsida ansluts alla analoga och digitala signaler. Anslutningarna sker med fjädrande kontaktdon som har 36 stift på enhetens framsida och kan hantera kabelareor mellan 0,1288 och 1,307 mm². Bakstycken med dragavlastning för de fjädrande kontaktdonen medföljer. Kompensation för kalla övergångar (CJC) är inbyggt för mätningar med termokopplare.

MioDAQ-enhetens kapsling innehåller monteringshål för buntband på baksidan och på sidorna samt en låsskruv för USB på baksidan för att snabbt fästa kablar och integrera instrumentet. Som tillval finns monteringssatser för att fästa enheten i ett 19-tums stativ eller på DIN-skenor för horisontell eller vertikal montering.

Tack vare att mioDAQ använder en QR-kod är borttappad dokumentation ett minne blott. Genom att skanna QR-koden på modulens baksida får man snabbt tillgång till användarhandbok, specifikationer, stiftfördelning och länkar för att hämta programvara och drivrutiner för styrning och analys.

Kanalspecifikationer

Upp till 32 analoga ingångskanaler finns tillgängliga, med ett maximalt fullskaligt område på -10 till +10 V, upplösning för 16 eller 20 bitar och en maximal samplingshastighet på 250 kS/s eller 1 MS/s (modellberoende). Lägre intervaller på -0,2 till +0,2 V, -1 till +1 V och -5 till +5 V kan matcha insignalen till ingångsområdet för att optimera det dynamiska området.

De analoga utgångarna har ett spänningsområde på -10 till +10 V och klockas med 200 kS/s per kanal. De kan skapa icke-periodiska eller periodiska vågformer för att generera analoga styrsignaler eller simulera givare.

De digitala I/O-linjerna kan ställas in oberoende av varandra för att vara antingen in- eller utgångar. De är programmerbara med logiska spänningsgränser på 5, 3,3 eller 2,5 V och kan styra externa klockor eller triggersignaler in i enheten eller driva interna räknare/timers.

Programvara för datainsamlingssystem

MioDAQ-enheterna kan styras med flera olika programvarupaket, bland annat LabVIEW, LabVIEW+ från NI, Python och loggningsprogrammet FlexLogger från NI. Drivrutinen NI-DAQmx från NI stödjer anpassad programmering i C/C++, C#, VB 6.0 och VB.NET och innehåller programmeringsexempel och biblioteksfunktioner för DAQ-funktioner.

FlexLogger är ett programvarupaket som inte kräver någon kodning för att göra det möjligt för testingenjörer att styra, visa och spara testdata från DAQ-enheter. Den gör det möjligt att ställa in gränser för mätvärden samtidigt som larm varnar för förhållanden utanför mätområdet och möjliggör detaljerad analys av testdata med inbyggda bearbetningsverktyg. FlexLogger Lite, som är gratis, är avsedd för manuell loggning av data och förenklad drift av DAQ-hårdvara från NI. Ett exempel på en kanalinställning för USB-6421 visas (figur 4).

Figur 4: Här visas en bild på vyn i FlexLogger Lite vid konfiguration av kanaler för USB-6421, inklusive inställningar för analog ingång, analog utgång och digital I/O. (Bildkälla: Art Pini)

De analoga ingångskanalerna är konfigurerade för att läsa av vibrationsdata från tre axlar och mätningar av tryck, temperatur och ljudnivå. Varje ingång skalas för att läsa de signaler i enheterna som är lämpliga för mätningen. De analoga utgångarna producerar spänningsnivåer på 5 och 3,3 V, medan den digitala I/O:n är inställd för att läsa av två digitala ingångar.

FlexLogger är en komplett mjukvara avsedd för automatiserad testning och utökade dataanalyser. Det gör det möjligt att anpassa visualiseringsverktygen i användargränssnittet genom att lägga till diagram, numeriska indikatorer och mätare. Figur 5 visar data från ett test av en motor (infällt).

Figur 5: Bild på testresultat för en motor i FlexLogger. (Bildkälla: NI)

Vågformerna från tre accelerometrar och en varvräknare visas i den övre delen av fönstret. Accelerationsdata är den skalade vibrationsnivån i g mot tiden. Varvräknarens avläsning, som mäter varvtalet i varv per minut (RPM) visas som en mätklocka i det nedre högra hörnet. Genom att tillämpa en snabb Fourier-transformering (ett av de tillgängliga signalbehandlingsverktygen) för vibrationsdata visas vibrationsnivån (amplitud) jämfört med frekvensen i det nedre diagrammet.

Sammanfattning

MioDAQ-enheterna från NI kombinerar modern mätteknik med en enkel användarupplevelse. Testingenjörer kan bygga sofistikerade elektromekaniska testsystem med mioDAQ-komponenter som används tillsammanss med programvara som inte kräver programmering, som t ex FlexLogger från NI, eller prisbelönt systemprogramvara som t ex LabVIEW från NI för mer sofistikerade testkrav.