Semplificare i test elettromeccanici con un sistema di acquisizione dati basato su USB

I sistemi elettromeccanici combinano componenti elettrici e meccanici per dispositivi quali motori, compressori, pompe, sensori, attuatori ed elettronica di controllo in applicazioni manifatturiere, aerospaziali, automotive, medicali e robotiche. Questi dispositivi devono essere testati e monitorati dal punto di vista elettrico e meccanico per garantirne il corretto funzionamento.

Per fornire dati accurati e affidabili, le apparecchiature necessarie devono essere compatibili con il dispositivo sotto test e con il metodo o le procedure di test. L'apparecchiatura di test deve gestire più canali di ingresso/uscita (I/O) analogici e digitali per misurare e controllare questi dispositivi, oltre a strumenti di misurazione di base come contatori/timer e alimentatori. Gli strumenti di test devono funzionare con un software integrato per fornire misurazioni, visualizzazioni in tempo reale e rapporti dettagliati.

La selezione e l'integrazione dell'hardware e del software necessari per eseguire questi test può richiedere tempo e denaro. Per assistere i progettisti, sono stati sviluppati strumenti modulari di acquisizione dati via USB che combinano la tecnologia più moderna con un'ampia gamma di strumenti di test software per convalidare i sistemi elettromeccanici più complessi.

Questo articolo descrive le sfide che i progettisti devono affrontare per testare i dispositivi elettromeccanici. Presenta quindi gli strumenti mioDAQ di NI e mostra come utilizzarli per semplificare i test elettromeccanici standard e accelerare lo sviluppo e l'implementazione.

Test elettromeccanici

Consideriamo un semplice banco di prova per motori che comprende un motore montato su un dispositivo di test collegato a un carico sospeso tra due blocchi di cuscinetti (Figura 1). L'impianto è controllato da un controller per motori, che ne regola la velocità in base a una tensione elettrica. Il sistema utilizza un tachimetro ottico per misurare la velocità di rotazione del motore e tre accelerometri per misurare le vibrazioni meccaniche nelle direzioni X, Y e Z sul blocco cuscinetti interno.

Figura 1: Un banco di prova per le vibrazioni del motore che utilizza un tachimetro ottico per misurare la velocità di rotazione del motore e accelerometri per misurare le vibrazioni relative al motore lungo tre assi ortogonali del blocco cuscinetti interno. (Immagine per gentile concessione di NI)

L'obiettivo del banco di prova è quello di determinare i livelli di vibrazione di picco e la velocità di rotazione a cui si verificano. La procedura prevede la variazione lineare della velocità del motore, il monitoraggio dei livelli di vibrazione e la registrazione di entrambi.

Per eseguire questo test sono necessari diversi strumenti. In primo luogo, sono necessari canali di misurazione analogici per monitorare e registrare le tre uscite dell'accelerometro. Un altro canale analogico deve monitorare il tachimetro per misurare la velocità di rotazione del motore. Per controllare la velocità del motore è necessaria una tensione di uscita analogica. Un segnale digitale in uscita avverte il controller di accendere e spegnere il motore. Un'altra uscita di segnale digitale può essere utilizzata per selezionare il senso di rotazione del motore.

Quindi, nella sua forma più semplice, questo test del motore richiede un minimo di quattro ingressi analogici, una uscita analogica e due uscite digitali. Test più complessi possono aggiungere, tra gli altri, sensori di vibrazione, sensori di temperatura come le termocoppie e trasduttori di pressione.

Sistema di acquisizione dati

Per i test elettromeccanici, è necessario un sistema di acquisizione dati (DAQ) che comprende un dispositivo DAQ per la misurazione e il controllo, un computer e il software di supporto. L'hardware di acquisizione dati USB mioDAQ di NI soddisfa questa esigenza con la serie USB-6400, che offre quattro dispositivi USB DAQ tra cui scegliere (Figura 2).

Figura 2: Questa tabella riassume le caratteristiche dei quattro dispositivi serie mioDAQ USB-6400. (Immagine per gentile concessione di NI)

La serie mioDAQ offre ai tecnici quattro scelte per la configurazione di un dispositivo DAQ:

• Risoluzione dell'ampiezza a 16 o 20 bit con ingressi a fondo scala massimo di ±10 V
• 250 kS/s multiplati o velocità di campionamento di 1 MS/s
• Canali di ingresso disposti come 16 o 32 canali a terminazione singola (SE) o 8 o 16 canali differenziali (DI)
• Due o quattro canali di uscita con un intervallo di ±10 V per il controllo, la simulazione o la generazione di segnali

Tutti i modelli sono controllati e alimentati da una porta USB-C e includono 16 linee di I/O digitali e quattro contatori/timer a 32 bit. Utilizzano inoltre una base temporale di 100 MHz su scheda che pilota tutti i circuiti digitali, compresi i clock di campionamento, le linee di trigger e i contatori/timer. Ogni tipo di canale ha un motore di temporizzazione separato basato sulla base temporale su scheda. La temporizzazione dei canali di ingresso e uscita analogici e delle linee di I/O digitali può essere impostata su velocità diverse. I dispositivi USB mioDAQ di NI includono anche l'autocalibrazione tramite il software di controllo, che avvia la procedura e compensa le variazioni ambientali e sistematiche utilizzando un'equazione di calibrazione multivariata per una calibrazione rapida senza ritardi di elaborazione evidenti. Memorizza i dati risultanti in una EEPROM su scheda.

Un'altra caratteristica del dispositivo mioDAQ è lo Smart ID Pin, che aggiunge intelligenza al banco di prova. Lo Smart ID Pin comunica con una EEPROM 1-Wire fornita dall'utente per leggere le informazioni sul dispositivo sotto test (DUT) e garantire che i cavi siano collegati alle porte corrette. Il pin consente di risparmiare tempo e di ridurre gli errori sul banco di prova.

Sono disponibili quattro modelli di dispositivi di acquisizione dati specifici. Il dispositivo USB-6421 (789887-01) è il più economico. Fornisce 16 canali SE o 8 canali DI utilizzando un singolo convertitore analogico/digitale (ADC) multiplato con campionamento fino a 250 kS/s e due canali di uscita analogici.

USB-6423 (789882-01) raddoppia il numero di canali multiplati a 32 SE o 16 DI e aumenta la capacità di uscita analogica a quattro canali.

Il modello USB-6451 (789888-01) aumenta il numero di ADC a otto. Inoltre, aumenta la risoluzione c.a. a 20 bit e la frequenza di campionamento massima a 1 MS/s. Offre otto canali con campionamento simultaneo e fino a 16 canali in modalità multiplata.

USB-6453 (789884-01) offre la capacità più significativa: raddoppia il numero di ADC a 20 bit e 1 MS/s portandolo a 16 e aumenta il numero massimo di canali a 16 con campionamento simultaneo e a 32 in modalità di campionamento multiplato.

Tutti e quattro i modelli sono alloggiati in un involucro di 177 mm di larghezza, 30,4 mm di altezza e 116,7 mm di profondità (Figura 3).

Figura 3: Vista completa del componente USB-6453 (a sinistra) della serie USB-6400, con i pannelli anteriore (a destra, in alto) e posteriore (a destra, in basso). (Immagine per gentile concessione di NI)

Il pannello anteriore consente di accedere a tutti i segnali analogici e digitali. I collegamenti vengono effettuati mediante due connettori a molla a 36 posizioni con montaggio frontale, che accettano fili da 26 a 16 AWG. I gusci per i connettori dei terminali a molla sono forniti per lo scarico della trazione. La compensazione del giunto freddo (CJC) è integrata per le misurazioni con termocoppia.

Il contenitore del dispositivo mioDAQ comprende fori di montaggio per fascette sul retro e sui lati e una vite di blocco USB sul retro per fissare rapidamente i cavi e integrare lo strumento. Sono disponibili kit di montaggio opzionali per fissare il dispositivo a un rack da 19 pollici o a guide DIN con orientamento orizzontale o verticale.

Il ricorso a un codice QR per la serie mioDAQ fa sì che smarrire la documentazione non sia più un problema. Gli utenti scansionano il codice QR sul retro del modulo per accedere rapidamente al manuale d'uso, alle specifiche, alla piedinatura e ai link per scaricare il software di controllo e analisi e i driver.

Specifiche del canale

Sono disponibili fino a 32 canali di ingresso analogici, con un campo di fondo scala massimo compreso tra -10 V e +10 V, una risoluzione a 16 o 20 bit e una frequenza di campionamento massima di 250 kS/s o 1 MS/s (a seconda del modello). Gli intervalli inferiori da -0,2 V a +0,2 V, da -1 V a +1 V e da -5 V a +5 V possono far corrispondere il segnale di ingresso all'intervallo di ingresso per ottimizzare la gamma dinamica.

Le uscite analogiche hanno un intervallo di tensione compreso tra -10 V e +10 V e clock a 200 kS/s per canale. Possono creare forme d'onda non periodiche o periodiche per generare segnali di controllo analogici o simulare sensori.

Le linee di I/O digitali possono essere impostate in modo indipendente come ingresso o uscita. Sono programmabili con soglie di tensione logica di 5, 3,3 o 2,5 V e possono indirizzare clock esterni o segnali di trigger nel dispositivo o pilotare i contatori/timer interni.

Software DAQ

I dispositivi mioDAQ possono essere controllati con diversi pacchetti software, tra cui LabVIEW, LabVIEW+, Python e il software di registrazione FlexLogger di NI. Il driver NI-DAQmx di NI supporta la programmazione personalizzata in C/C++, C#, VB 6.0 e VB.NET e include esempi di programmazione e funzioni di libreria per le operazioni DAQ.

FlexLogger è un pacchetto software senza codice che consente agli ingegneri di controllare, visualizzare e salvare i dati di test provenienti dai dispositivi DAQ. Consente di impostare i limiti in base ai valori misurati, mentre gli allarmi segnalano le condizioni fuori intervallo e permettono un'analisi dettagliata dei dati di test con strumenti di elaborazione integrati. FlexLogger Lite, gratuito, è destinato alla registrazione manuale dei dati e alle operazioni di base dell'hardware DAQ di NI. Un esempio di configurazione del canale per USB-6421 è mostrato nella Figura 4.

Figura 4: Una vista in FlexLogger Lite della configurazione del canale per USB-6421, comprese le impostazioni di ingresso analogico, uscita analogica e I/O digitale. (Immagine per gentile concessione di Art Pini)

I canali di ingresso analogici sono configurati per leggere tre assi di dati vibrazionali e misurazioni di pressione, temperatura e livello sonoro. Ogni ingresso è scalato per la lettura dei segnali in unità appropriate alla misurazione effettuata. Le uscite analogiche producono livelli di potenza di 5 e 3,3 V, mentre l'I/O digitale è impostato per la lettura di due ingressi digitali.

FlexLogger è un programma più completo, destinato a test automatizzati e all'analisi estesa dei dati. Consente di personalizzare gli strumenti di visualizzazione dell'interfaccia utente aggiungendo grafici, indicatori numerici e contatori. La Figura 5 mostra i dati di un test eseguito su un motore (a lato).

Figura 5: La vista in FlexLogger dei risultati del test su un motore. (Immagine per gentile concessione di NI)

Le forme d'onda di tre accelerometri e di un tachimetro appaiono nella griglia superiore. I dati di accelerazione sono il livello di vibrazione scalato in g rispetto al tempo. La lettura del tachimetro, che misura la velocità di rotazione in giri al minuto, è mostrata come un indicatore a quadrante nell'angolo in basso a destra. L'applicazione di una trasformata di Fourier veloce (uno degli strumenti di elaborazione del segnale disponibili) ai dati vibrazionali mostra il livello di vibrazione (ampiezza) in funzione della frequenza nel grafico inferiore.

Conclusione

I dispositivi mioDAQ di NI fondono la moderna tecnologia di misurazione a una facile esperienza d'uso. Gli ingegneri possono costruire sofisticati sistemi di test elettromeccanici utilizzando i componenti mioDAQ abbinati a software senza programmazione come FlexLogger di NI o a software di sistema pluripremiati come LabVIEW di NI per requisiti di test più sofisticati.