Einfaches elektromechanisches Testen mit einem USB-basierten Datenerfassungssystem

Elektromechanische Systeme kombinieren elektrische und mechanische Komponenten für Geräte wie Motoren, Kompressoren, Pumpen, Sensoren, Aktuatoren und Steuerelektronik in der Fertigung, Luft- und Raumfahrt, Automobiltechnik und Robotik. Diese Geräte müssen elektrisch und mechanisch geprüft und überwacht werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu gewährleisten.

Um genaue und zuverlässige Daten zu erhalten, muss die erforderliche Ausrüstung mit dem zu testenden Gerät und der Testmethode oder den Testverfahren kompatibel sein. Die Testgeräte müssen mehrere analoge und digitale Eingangs-/Ausgangskanäle (I/O) zur Messung und Steuerung dieser Geräte sowie grundlegende Messinstrumente wie Zähler/Zeitgeber und Stromversorgungen handhaben. Die Testinstrumente müssen mit integrierter Software arbeiten, um Messungen, Echtzeitanzeigen und detaillierte Berichte zu liefern.

Die Auswahl und Integration der erforderlichen Hardware und Software zur Durchführung dieser Tests kann zeit- und kostenintensiv sein. Zur Abhilfe wurden modulare USB-Datenerfassungsgeräte entwickelt, die die modernste Technologie mit einer breiten Palette von Software-Testtools zur Validierung der komplexesten elektromechanischen Systeme kombinieren.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen beschrieben, die auftreten, wenn Verkabelungsoptionen für raue Umgebungen in Betracht gezogen werden. Anschließend werden die mioDAQ-Instrumente von NI vorgestellt und gezeigt, wie sie zur Vereinfachung elektromechanischer Standardtests eingesetzt werden können, um die Entwicklung und Bereitstellung zu beschleunigen.

Elektromechanisches Testen

Ein einfacher Motorprüfstand besteht beispielsweise aus einem auf einer Prüfvorrichtung montierten Motor, der mit einer zwischen zwei Lagerböcken aufgehängten Last verbunden ist (Abbildung 1). Gesteuert wird die Anlage über einen Motorcontroller, der die Drehzahl des Motors auf der Grundlage einer elektrischen Spannung regelt. Die Anordnung verwendet einen optischen Tachometer zur Messung der Motordrehzahl und drei Beschleunigungsmesser zur Messung der mechanischen Schwingungen in X-, Y- und Z-Richtung am inneren Lagerblock.

Abbildung 1: Die Abbildung zeigt einen Motorschwingungsprüfstand, bei dem ein optischer Tachometer zur Messung der Motordrehzahl und Beschleunigungsmesser zur Messung der motorbedingten Schwingungen entlang dreier orthogonaler Achsen des inneren Lagerblocks verwendet werden. (Bildquelle: NI)

Ziel des Prüfstandes ist es, die Spitzenschwingungspegel und die Drehzahl, bei der sie auftreten, zu ermitteln. Bei diesem Verfahren wird die Motordrehzahl linear variiert, während die Schwingungspegel überwacht und aufgezeichnet werden.

Für die Durchführung dieses Tests werden verschiedene Instrumente benötigt. Zunächst werden analoge Messkanäle zur Überwachung und Aufzeichnung der drei Ausgänge der Beschleunigungsmesser benötigt. Ein weiterer analoger Kanal muss den Tachometer überwachen, um die Drehzahl des Motors zu messen. Zur Steuerung der Motordrehzahl ist eine analoge Ausgangsspannung erforderlich. Ein digitaler Ausgang liefert das Signal an die Motorsteuerung zum Ein- und Ausschalten des Motors. Ein weiterer digitaler Signalausgang kann verwendet werden, um die Drehrichtung des Motors zu wählen.

Im einfachsten Fall erfordert dieser Motortest also mindestens vier analoge Eingänge, einen analogen Ausgang und zwei digitale Ausgänge. Bei komplexeren Tests können unter anderem zusätzliche Schwingungssensoren, Temperatursensoren wie Thermoelemente und Druckmessumformer eingesetzt werden.

Das Datenerfassungssystem

Für elektromechanische Tests wird ein Datenerfassungssystem (DAQ) benötigt, das ein DAQ-Gerät zur Messung und Steuerung, einen Computer und unterstützende Software umfasst. Die mioDAQ-USB-Datenerfassungshardware von NI deckt diesen Bedarf mit der Serie NI-USB-6400 ab, die vier USB-DAQ-Instrumente zur Auswahl stellt (Abbildung 2).

Abbildung 2: Diese Tabelle fasst die Eigenschaften der vier Modelle der mioDAQ-Serie USB-6400 zusammen. (Bildquelle: NI)

Die mioDAQ-Serie bietet vier Möglichkeiten für die Konfiguration eines DAQ-Instruments:

• 16- oder 20-Bit-Amplitudenauflösung für die Eingänge mit ±10 Volt max.
• Abtastraten von 250 kS/s gemultiplext oder 1 MS/s
• 16 oder 32 Eingangskanäle referenzbezogen (SE) oder 8 oder 16 Differenzsignalkanäle (DI)
• Zwei oder vier Ausgangskanäle mit einem ±10-Volt-Bereich für Steuerung, Simulation oder Signalerzeugung

Alle Modelle werden über einen USB-C-Anschluss gesteuert und mit Strom versorgt und verfügen über 16 digitale I/O-Leitungen und vier 32-Bit-Zähler/Timer. Außerdem verwenden sie eine integrierte Zeitbasis von 100 Megahertz (MHz), die alle digitalen Schaltkreise, einschließlich der Abtasttakte, Triggerleitungen und Zähler/Timer, steuert. Jeder Kanaltyp verfügt über ein separates Zeitmesssystem, das auf der integrierten Zeitbasis basiert. Das Timing für die analogen Ein- und Ausgangskanäle und die digitalen I/O-Leitungen kann auf unterschiedliche Raten eingestellt werden. Die mioDAQ-USB-Instrumente von NI verfügen außerdem über eine Selbstkalibrierung über die Steuerungssoftware, die eine Selbstkalibrierung einleitet und Umgebungs- und systematische Schwankungen mithilfe einer multivariablen Kalibrierungsgleichung kompensiert, um eine schnelle Kalibrierung ohne spürbare Verzögerung bei der Verarbeitung zu ermöglichen. Die resultierenden Daten werden in einem integrierten EEPROM gespeichert.

Ein weiteres Merkmal des mioDAQ-Instruments ist der Smart-ID-Pin, der den Teststand intelligenter macht. Der Smart-ID-Pin kommuniziert mit einem vom Benutzer bereitgestellten 1-Draht-EEPROM, um die Informationen über das zu testende Gerät (DUT) zu lesen und sicherzustellen, dass die Kabel an die richtigen Anschlüsse angeschlossen sind. Der Pin bietet Zeitersparnis und Fehlerreduzierung auf dem Teststand.

Es stehen vier Modelle spezifischer Datenerfassungsinstrumente zur Verfügung. Das USB-6421 (789887-01) ist das wirtschaftlichste Gerät. Es bietet 16 SE- oder 8 DI-Kanäle unter Verwendung eines einzigen gemultiplexten Analog/Digital-Wandlers (ADC), der mit bis zu 250 kS/s abgetastet wird, und umfasst zwei analoge Ausgangskanäle.

Das USB-6423 (789882-01) verdoppelt die Anzahl der gemultiplexten Kanäle auf 32 SE oder 16 DI und erhöht die analoge Ausgangsfähigkeit auf vier Kanäle.

Mit dem USB-6451 (789888-01) erhöht sich die Anzahl der ADCs auf acht. Außerdem wird die AC-Auflösung auf 20 Bit und die maximale Abtastrate auf 1 MS/s erhöht. Es bietet acht Kanäle mit simultaner Abtastung und bis zu 16 Kanäle im Multiplex-Modus.

Das USB-6453 (789884-01) bietet die beste Performance: Es verdoppelt die Anzahl der 20-Bit-ADCs mit 1 MS/s auf 16 und erhöht die maximale Kanalanzahl auf 16 bei simultaner Abtastung und 32 im Multiplexmodus.

Alle vier Modelle sind in einem Gehäuse untergebracht, das 177 Millimeter (mm) breit, 30,4 mm hoch und 116,7 mm tief ist (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die Abbildung zeigt die Gesamtansicht des USB-6453 (links), das zur Serie USB-6400 gehört, zusammen mit seiner Vorder- (rechts, oben) und Rückseite (rechts, unten). (Bildquelle: NI)

Über die Frontplatte haben Sie Zugriff auf alle analogen und digitalen Signale. Die Anschlüsse erfolgen über zwei 36-polige, frontseitig montierte Federklemmenanschlüsse, die Drähte von 26 AWG bis 16 AWG aufnehmen können. Zur Zugentlastung werden Endgehäuse für die Federklemmenanschlüsse mitgeliefert. Für Thermoelementmessungen ist eine Kaltstellenkompensation (CJC) integriert.

Das mioDAQ-Instrumentenpaket enthält Befestigungslöcher für Kabelbinder auf der Rückseite und an den Seiten sowie eine USB-Sicherungsschraube auf der Rückseite, um Kabel schnell zu befestigen und das Instrument zu integrieren. Es sind optionale Montagesätze erhältlich, um das Gerät in einem 19-Zoll-Rack oder auf DIN-Schienen mit horizontaler oder vertikaler Ausrichtung zu befestigen.

Durch die Verwendung eines QR-Codes am mioDAQ gehören verlorene Unterlagen der Vergangenheit an. Durch Scannen des QR-Codes auf der Rückseite des Moduls kann schnell auf das Benutzerhandbuch, die technischen Daten, die Anschlussbelegung und die Links zum Herunterladen von Steuer- und Analysesoftware und Treibern zugegriffen werden.

Kanal-Spezifikationen

Es stehen bis zu 32 analoge Eingangskanäle mit einem maximalen Skalenendwert von -10 V bis +10 V, einer Auflösung von 16 Bit oder 20 Bit und einer maximalen Abtastrate von 250 kS/s oder 1 MS/s (modellabhängig) zur Verfügung. Für niedrigere Bereiche von -0,2 V bis +0,2 V, -1 V bis +1 V und -5 V bis +5 V kann das Eingangssignal auf den Eingangsbereich angepasst werden, um den Dynamikbereich zu optimieren.

Die Analogausgänge haben einen Spannungsbereich von -10 V bis +10 V und werden mit 200 kS/s pro Kanal getaktet. Sie können nichtperiodische oder periodische Wellenformen erzeugen, um analoge Steuersignale zu generieren oder Sensoren zu simulieren.

Die digitalen I/O-Leitungen können unabhängig voneinander entweder als Eingang oder als Ausgang konfiguriert werden. Sie sind mit logischen Spannungsschwellen von 5, 3,3 oder 2,5 Volt programmierbar und können externe Takt- oder Triggersignale in das Gerät leiten oder die internen Zähler/Timer steuern.

DAQ-Software

Die mioDAQ-Instrumente können mit verschiedenen Softwarepaketen gesteuert werden, darunter NI LabVIEW, LabVIEW+, Python und die Protokollierungssoftware FlexLogger von NI. Die Treibersoftware NI-DAQmx unterstützt die benutzerdefinierte Programmierung in C/C++, C#, VB 6.0 und VB.NET und enthält Programmierbeispiele und Bibliotheksfunktionen für DAQ-Operationen.

FlexLogger ist ein programmfreies Softwarepaket, mit dem Testdaten von DAQ-Instrumenten gesteuert, angezeigt und gespeichert werden können. Es ermöglicht die Festlegung von Grenzwerten für Messwerte, während Alarme bei Bereichsüberschreitungen warnen und die detaillierte Analyse von Testdaten mit integrierten Verarbeitungstools ermöglichen. Der kostenlose FlexLogger Lite ist für die manuelle Datenprotokollierung und den grundlegenden Betrieb von NI-DAQ-Hardware vorgesehen. Ein Beispiel für die Einrichtung eines Kanals für den USB-6421 wird gezeigt (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Abbildung zeigt eine FlexLogger-Lite-Ansicht des Kanal-Setups für das USB-6421, einschließlich der Einstellungen für Analogeingang, Analogausgang und digitale I/O. (Bildquelle: Art Pini)

Die analogen Eingangskanäle sind so konfiguriert, dass sie drei Achsen von Schwingungsdaten und Messungen von Druck, Temperatur und Schallpegel erfassen können. Jeder Eingang ist so skaliert, dass die Signale in den für die Messung geeigneten Einheiten gelesen werden. Die analogen Ausgänge liefern 5 und 3,3 Volt, während der digitale I/O so eingerichtet ist, dass er zwei digitale Eingänge lesen kann.

FlexLogger ist ein Programm mit umfangreicheren Funktionen, das für automatisierte Tests und erweiterte Datenanalysen gedacht ist. Es ermöglicht die Anpassung der Visualisierungstools der Benutzeroberfläche durch Hinzufügen von Diagrammen, numerischen Indikatoren und Instrumentenanzeigen. Abbildung 5 zeigt die Daten eines Motortests (eingefügtes Foto).

Abbildung 5: Das Bild zeigt die FlexLogger-Ansicht der Testergebnisse eines Motors. (Bildquelle: NI)

Die Wellenformen von drei Beschleunigungsmessern und einem Tachometer erscheinen im oberen Raster. Die Beschleunigungsdaten sind der skalierte Schwingungspegel in g über der Zeit. Die Tachometeranzeige, die die Drehzahl in Umdrehungen pro Minute (U/min) misst, wird als Messuhr in der unteren rechten Ecke angezeigt. Die schnelle Fourier-Transformation (FFT) (eines der verfügbaren Signalverarbeitungstools) der Schwingungsdaten zeigt im unteren Diagramm den Schwingungspegel über der Frequenz.

Fazit

Die mioDAQ-Instrumente von NI vereinen moderne Messtechnik mit einem einfachen Benutzererlebnis. Testingenieure können anspruchsvolle elektromechanische Prüfsysteme mit mioDAQ-Komponenten erstellen, die mit programmierfreier Software wie FlexLogger von NI oder preisgekrönter Systemsoftware wie LabVIEW von NI für anspruchsvollere Testanforderungen kombiniert werden.