Vereenvoudig elektromechanisch testen met een USB-gebaseerd gegevensverzamelsysteem

Elektromechanische systemen combineren elektrische en mechanische componenten voor apparaten zoals motors, compressors, pompen, sensors, actuators en besturingselektronica in productie-, ruimtevaart-, auto-, medische en robottoepassingen. Deze apparaten moeten elektrisch en mechanisch getest en gecontroleerd worden om een goede werking te garanderen.

Om nauwkeurige en betrouwbare gegevens te verkrijgen, moet de benodigde apparatuur compatibel zijn met het te testen apparaat en de testmethode of -procedures. De testapparatuur moet overweg kunnen met meerdere analoge en digitale input/output (I/O) kanalen om deze apparaten te meten en te besturen, samen met basismeetinstrumenten zoals tellers/timers en voedingen. De testinstrumenten moeten werken met geïntegreerde software om metingen, realtime displays en gedetailleerde rapporten te leveren.

Het selecteren en integreren van de benodigde hardware en software om deze tests uit te voeren kan tijdrovend en kostbaar zijn. Om ontwerpers te helpen zijn er modulaire USB data-acquisitie instrumenten ontwikkeld die de modernste technologie combineren met een breed scala aan software testtools om de meest complexe elektromechanische systemen te valideren.

Dit artikel beschrijft de uitdagingen waarmee ontwerpers die elektromechanische apparaten testen worden geconfronteerd. Vervolgens worden de mioDAQ-instrumenten van NI geïntroduceerd en wordt getoond hoe ze kunnen worden toegepast om standaard elektromechanische tests te vereenvoudigen en zo de ontwikkeling en toepassing te versnellen.

Elektromechanisch testen

Beschouw een eenvoudige motortestopstelling bestaande uit een motor gemonteerd op een testopstelling verbonden met een belasting opgehangen tussen twee lagerblokken (Afbeelding 1). De installatie wordt bestuurd via een motorcontroller, die de snelheid van de motor regelt op basis van een elektrische spanning. De opstelling gebruikt een optische tachometer om de rotatiesnelheid van de motor te meten en drie versnellingsmeters om de mechanische trillingen in de X-, Y- en Z-richting op het binnenste lagerblok te meten.

Afbeelding 1: Getoond wordt een testopstelling voor motortrillingen die een optische tachometer gebruikt om de rotatiesnelheid van de motor te meten en versnellingsmeters om motorgerelateerde trillingen langs drie orthogonale assen van het binnenste lagerblok te meten. (Bron afbeelding: NI)

Het doel van de testopstelling is het bepalen van de piektrillingsniveaus en de rotatiesnelheid waarbij deze optreden. De procedure bestaat uit het lineair variëren van de motorsnelheid terwijl de trillingsniveaus worden gecontroleerd en beide worden geregistreerd.

Er zijn verschillende instrumenten nodig om deze test uit te voeren. Ten eerste zijn er analoge meetkanalen nodig om de drie uitgangen van de versnellingsmeter te bewaken en op te nemen. Een ander analoog kanaal moet de tachometer controleren om de rotatiesnelheid van de motor te meten. Er is een analoge uitgangsspanning nodig om de snelheid van de motor te regelen. Een digitale signaaluitgang waarschuwt de motorbesturing om de motor aan en uit te zetten. Een andere digitale signaaluitgang kan worden gebruikt om de draairichting van de motor te selecteren.

Op zijn eenvoudigst vereist deze motortest dus minimaal vier analoge ingangen, één analoge uitgang en twee digitale uitgangen. Complexere tests kunnen onder andere extra trillingssensoren, temperatuursensoren zoals thermokoppels en drukomzetters toevoegen.

Het gegevensverzamelsysteem

Voor elektromechanische testen is een data-acquisitiesysteem (DAQ) nodig dat bestaat uit een DAQ-apparaat voor meten en regelen, een computer en ondersteunende software. De NI mioDAQ USB data acquisitie hardware voorziet in deze behoefte met de NI USB-6400-serie, die vier USB DAQ-apparaten biedt om uit te kiezen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Deze tabel vat de kenmerken van de vier apparaten in de mioDAQ USB-6400 serie samen. (Bron afbeelding: NI)

De mioDAQ-serie biedt testtechnici vier keuzes in de configuratie van een DAQ-apparaat:

• 16- of 20-bits amplituderesolutie met ±10 volt maximale volle schaalingangen
• 250 kilo monsters per seconde (kS/s) gemultiplexed of 1 mega monster per seconde (MS/s) bemonsteringsfrequenties
• Ingangskanalen gerangschikt als 16 of 32 single-ended (SE) of 8 of 16 differentiële (DI) kanalen
• Twee of vier uitgangskanalen met een bereik van ±10 volt voor besturing, simulatie of signaalgeneratie

Alle modellen worden aangestuurd en gevoed via een USB-C-poort en bevatten 16 digitale I/O lijnen en vier 32-bits teller/timers. Ze gebruiken ook een 100 megahertz (MHz) onboard tijdbasis die alle digitale schakelingen aanstuurt, inclusief de sampleklokken, triggerlijnen en tellers/timers. Elk kanaaltype heeft een aparte timingmotor gebaseerd op de onboard tijdbasis. De timing voor de analoge ingangs- en uitgangskanalen en de digitale I/O-lijnen kan op verschillende snelheden worden ingesteld. De NI mioDAQ USB-apparaten zijn ook voorzien van zelfkalibratie via de besturingssoftware, die zelfkalibratie initieert en compenseert voor omgevingsvariaties en systematische variaties met behulp van een multivariate kalibratievergelijking voor snelle kalibratie zonder merkbare vertraging in de verwerking. De resulterende gegevens worden opgeslagen in een ingebouwde EEPROM.

Een andere functie van het mioDAQ-apparaat is de Smart ID Pin, die intelligentie toevoegt aan de testbank. De Smart ID Pin communiceert met een door de gebruiker geleverde 1-draads EEPROM om de informatie van het te testen apparaat (DUT) uit te lezen en te zorgen dat de kabels in de juiste poorten worden gestoken. De pin zorgt voor tijdsbesparing en foutreductie op de testbank.

Er zijn vier modellen van specifieke data-acquisitieapparaten beschikbaar. De USB-6421 (789887-01) is het voordeligste apparaat. Hij biedt 16 SE- of 8 DI-kanalen met een enkele multiplex analoog-digitaalconvertor (ADC) met bemonstering tot 250 kS/s en bevat twee analoge uitgangskanalen.

De USB-6423 (789882-01) verdubbelt het aantal gemultiplexte kanalen tot 32 SE of 16 DI en verhoogt de analoge uitgangsmogelijkheid tot vier kanalen.

De USB-6451 (789888-01) verhoogt het aantal ADC's naar acht. Het verhoogt ook de AC-resolutie naar 20 bits en de maximale bemonsteringssnelheid naar 1 MS/s. Hij biedt acht kanalen met gelijktijdige bemonstering en tot 16 kanalen in multiplexmodus.

De USB-6453 (789884-01) biedt de belangrijkste mogelijkheid; deze verdubbelt het aantal 20-bits, 1 MS/s ADC's naar 16 en verhoogt het maximale aantal kanalen naar 16 met gelijktijdige bemonstering en 32 in multiplexed bemonsteringsmodus.

Alle vier de modellen zitten in een behuizing van 177 millimeter (mm) breed, 30,4 mm hoog en 116,7 mm diep (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Hier ziet u het volledige beeld van de USB-6453 (links), lid van de USB-6400-serie, samen met de voor- (rechts, boven) en achterpanelen (rechts, onder). (Bron afbeelding: NI)

Het frontpaneel biedt toegang tot alle analoge en digitale signalen. De aansluitingen worden gemaakt met behulp van twee veerklemconnectoren met 36 posities aan de voorkant, waarin draden van #26 AWG tot #16 AWG passen. Voor de trekontlasting worden backshells voor de veerklemconnectors meegeleverd. Voor thermokoppelmetingen is koudebrugcompensatie (CJC) ingebouwd.

Het mioDAQ-apparaatpakket bevat bevestigingsgaten met ritssluitingen aan de achterkant en zijkanten en een USB-borgschroef aan de achterkant om kabels snel vast te maken en het instrument te integreren. Er zijn optionele montagekits verkrijgbaar om het apparaat te bevestigen aan een 19 inch (in.) rek of DIN-rails met horizontale of verticale oriëntatie.

Doordat de mioDAQ een QR-code gebruikt, behoort verloren documentatie tot het verleden. Gebruikers scannen de QR-code op de achterkant van de module om snel toegang te krijgen tot de gebruikershandleiding, specificaties, pin-out en koppelingen om besturings- en analysesoftware en stuurprogramma's te downloaden.

Kanaalspecificaties

Er zijn maximaal 32 analoge ingangskanalen beschikbaar, met een maximaal bereik van -10 V tot +10 V, 16-bits of 20-bits resolutie en een maximale samplesnelheid van 250 kS/s of 1 MS/s (modelafhankelijk). Lagere bereiken van -0,2 V tot +0,2 V, -1 V tot +1 V en -5 V tot +5 V kunnen het ingangssignaal afstemmen op het ingangsbereik om het dynamisch bereik te optimaliseren.

De analoge uitgangen hebben een spanningsbereik van -10 V tot +10 V en worden geklokt met 200 kS/s per kanaal. Ze kunnen niet-periodieke of periodieke golfvormen maken om analoge besturingssignalen te genereren of sensoren te simuleren.

De digitale I/O-lijnen kunnen onafhankelijk worden ingesteld als ingang of uitgang. Ze zijn programmeerbaar met logische spanningsdrempels van 5, 3,3 of 2,5 volt en kunnen externe klokken of triggersignalen naar het apparaat leiden of de interne tellers/timers aansturen.

DAQ-software

De mioDAQ-apparaten kunnen worden aangestuurd met meerdere softwarepakketten, waaronder NI's LabVIEW, LabVIEW+, Python en NI's FlexLogger-loggingsoftware. NI's NI-DAQmx-driver ondersteunt aangepaste programmering in C/C++, C#, VB 6.0 en VB.NET en bevat programmeervoorbeelden en bibliotheekfuncties voor DAQ-bewerkingen.

FlexLogger is een softwarepakket zonder code waarmee testtechnici testgegevens van DAQ-apparaten kunnen controleren, bekijken en opslaan. Hiermee kunnen limieten worden ingesteld op meetwaarden, terwijl alarmen waarschuwen voor omstandigheden die buiten het bereik vallen en een gedetailleerde analyse van testgegevens mogelijk maken met ingebouwde verwerkingshulpmiddelen. FlexLogger Lite, dat gratis is, is bedoeld voor handmatig loggen van gegevens en basisbewerkingen van NI DAQ-hardware. Een voorbeeld van een kanaalopstelling voor de USB-6421 wordt getoond (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: Dit is een FlexLogger Lite-weergave van de kanaalinstelling voor de USB-6421, inclusief de analoge ingang, analoge uitgang en digitale I/O-instellingen. (Bron afbeelding: Art Pini)

De analoge ingangskanalen zijn geconfigureerd voor het uitlezen van drie assen trillingsgegevens en metingen van druk, temperatuur en geluidsniveau. Elke ingang wordt geschaald om de signalen af te lezen in eenheden die geschikt zijn voor de meting. De analoge uitgangen produceren 5 en 3,3 volt voedingsniveaus, terwijl de digitale I/O is ingesteld om twee digitale ingangen uit te lezen.

FlexLogger is een uitgebreider programma bedoeld voor geautomatiseerd testen en uitgebreide gegevensanalyse. De visualisatiehulpmiddelen van de gebruikersinterface kunnen worden aangepast door grafieken, numerieke indicatoren en meters toe te voegen. Afbeelding 5 toont de gegevens van een motortest (inzet).

Afbeelding 5: De FlexLogger-weergave van de testresultaten van een motor. (Bron afbeelding: NI)

De golfvormen van drie versnellingsmeters en een toerenteller verschijnen in het bovenste raster. De versnellingsgegevens zijn het geschaalde trillingsniveau in g's versus tijd. De uitlezing van de toerenteller, die de rotatiesnelheid in omwentelingen per minuut (RPM) meet, wordt rechtsonder weergegeven als een wijzerplaat. Het toepassen van een snelle Fouriertransformatie (een van de beschikbare signaalverwerkingstools) op de trillingsgegevens toont het trillingsniveau (amplitude) versus frequentie in de onderste grafiek.

Conclusie

De NI mioDAQ-apparaten combineren moderne meettechnologie met een eenvoudige gebruikerservaring. Testtechnici kunnen geavanceerde elektromechanische testsystemen bouwen met behulp van mioDAQ-componenten in combinatie met niet-programmeerbare software zoals NI's FlexLogger of bekroonde systeemsoftware zoals NI's LabVIEW voor meer geavanceerde testvereisten.