Simplificați testarea electromecanică cu un sistem de achiziție de date bazat pe USB

Sistemele electromecanice combină componentele electrice și mecanice pentru dispozitive precum motoare, compresoare, pompe, senzori, actuatoare și electronice de control în aplicații de producție, aerospațiale, auto, medicale și robotice. Aceste dispozitive trebuie testate și monitorizate din punct de vedere electric și mecanic pentru a se asigura funcționarea corectă.

Pentru a furniza date exacte și fiabile, echipamentul necesar trebuie să fie compatibil cu dispozitivul supus testării și cu metoda sau procedurile de testare. Echipamentul de testare trebuie să gestioneze mai multe canale de intrare/ieșire (I/O) analogice și digitale pentru a măsura și controla aceste dispozitive, împreună cu instrumente de măsurare de bază, cum ar fi contoare/temporizatoare și surse de alimentare. Instrumentele de testare trebuie să funcționeze cu software integrat pentru a furniza măsurători, afișări în timp real și rapoarte detaliate.

Selectarea și integrarea hardware-ului și a software-ului necesare pentru efectuarea acestor teste pot fi procese costisitoare care durează mult timp. Pentru a veni în ajutorul proiectanților, au fost dezvoltate instrumente modulare de achiziție de date USB care combină cea mai modernă tehnologie cu o gamă largă de instrumente software de testare, pentru validarea celor mai complexe sisteme electromecanice.

Acest articol descrie provocările cu care se confruntă proiectanții care testează dispozitive electromecanice. Apoi, prezintă instrumentele mioDAQ de la NI și arată cum pot fi acestea aplicate pentru a simplifica testele electromecanice standard, în scopul de a accelera dezvoltarea și implementarea.

Testele electromecanice

Să luăm în considerare o instalație simplă de testare a motoarelor care cuprinde un motor montat pe un dispozitiv de testare conectat la o sarcină suspendată între două tălpi de lagăr (Figura 1). Echipamentul este controlat prin intermediul unui controler de motor, care controlează viteza motorului în funcție de o tensiune electrică. Instalația utilizează un tahometru optic pentru a măsura viteza de rotație a motorului și trei accelerometre pentru a măsura vibrațiile mecanice în direcțiile X, Y și Z pe talpa de lagăr interioară.

Figura 1: Este prezentată o instalație de testare a vibrațiilor motorului care utilizează un tahometru optic pentru a măsura viteza de rotație a motorului și accelerometre pentru a măsura vibrațiile asociate motorului de-a lungul a trei axe ortogonale ale tălpii de lagăr interioare. (Sursa imaginii: NI)

Scopul instalației de testare este de a determina nivelurile maxime de vibrații și viteza de rotație la care acestea apar. Procedura implică variația liniară a vitezei motorului în timp ce se monitorizează nivelurile de vibrații și se înregistrează ambele valori.

Pentru efectuarea acestui test sunt necesare diverse instrumente. În primul rând, sunt necesare canale de măsurare analogice pentru a monitoriza și înregistra cele trei ieșiri ale accelerometrului. Un alt canal analogic trebuie să monitorizeze tahometrul pentru a măsura viteza de rotație a motorului. O tensiune de ieșire analogică este necesară pentru a controla viteza motorului. O ieșire de semnal digital alertează controlerul motorului pentru a porni și opri motorul. O altă ieșire de semnal digital poate fi utilizată pentru a selecta direcția de rotație a motorului.

Astfel, în cel mai simplu mod, acest test al motorului necesită un minim de patru intrări analogice, o ieșire analogică și două ieșiri digitale. Testele mai complexe pot adăuga senzori suplimentari de vibrații, senzori de temperatură, cum ar fi termocuplurile, și traductoare de presiune, printre altele.

Sistemul de achiziție de date

Pentru testarea electromecanică, este nevoie de un sistem de achiziție de date (DAQ) care să cuprindă un dispozitiv DAQ pentru măsurare și control, un computer și software de asistență. Hardware-ul de achiziție de date USB mioDAQ de la NI satisface această nevoie cu seria NI USB-6400, care oferă patru dispozitive DAQ USB dintre care puteți alege (Figura 2).

Figura 2: Acest tabel rezumă caracteristicile celor patru dispozitive din seria mioDAQ USB-6400. (Sursă imagine: NI)

Seria mioDAQ oferă inginerilor de testare patru opțiuni pentru configurarea unui dispozitiv DAQ:

• Rezoluția amplitudinii pe 16 sau 20 de biți cu intrări pe scară maximă de ±10 volți
• Rate de eșantionare cu 250 kilo-eșantioane pe secundă (kS/s) multiplexate sau 1 mega-eșantion pe secundă (MS/s)
• Canale de intrare dispuse ca 16 sau 32 de canale cu un singur capăt (SE) sau 8 sau 16 canale diferențiale (DI)
• Două sau patru canale de ieșire cu o gamă de ±10 volți pentru control, simulare sau generare de semnal

Toate modelele sunt controlate și alimentate prin intermediul unui port USB-C și includ 16 linii I/O digitale și patru contoare/temporizatoare pe 32 de biți. De asemenea, acestea utilizează o bază de timp de 100 megahertzi (MHz) încorporată care acționează toate circuitele digitale, inclusiv ceasurile de eșantionare, liniile de declanșare și contoarele/temporizatoarele. Fiecare tip de canal are un motor de temporizare separat în funcție de baza de timp încorporată. Temporizarea canalelor de intrare și ieșire analogice și a liniilor I/O digitale poate fi setată la rate diferite. Dispozitivele USB mioDAQ de la NI includ, de asemenea, autocalibrarea prin intermediul software-ului de control, care inițiază autocalibrarea și compensează variațiile de mediu și sistematice utilizând o ecuație de calibrare multivariată pentru calibrarea rapidă și fără întârzieri notabile de procesare. Acesta stochează datele rezultate într-un EEPROM încorporat.

O altă caracteristică a dispozitivului mioDAQ este pinul Smart ID, care adaugă inteligență la bancul de testare. Pinul Smart ID comunică cu un EEPROM cu 1 fir furnizat de utilizator pentru a citi informațiile despre dispozitivul testat (DUT) și pentru a asigura conectarea cablurilor în porturile corecte. Pinul oferă economii de timp și asigură reducerea erorilor la bancul de testare.

Sunt disponibile patru modele de dispozitive specifice de achiziție de date. USB-6421 (789887-01) este cel mai economic dispozitiv. Acesta oferă 16 canale SE sau 8 canale DI utilizând un singur convertor analogic-digital multiplexat (ADC) eșantionat până la 250 kS/s și include două canale de ieșire analogice.

USB-6423 (789882-01) dublează numărul de canale multiplexate la 32 SE sau 16 DI și crește capacitatea de ieșire analogică la patru canale.

USB-6451 (789888-01) mărește numărul de ADC-uri la opt. De asemenea, crește rezoluția AC la 20 de biți și rata maximă de eșantionare la 1 MS/s. Acesta oferă opt canale cu eșantionare simultană și până la 16 canale în modul multiplexat.

USB-6453 (789884-01) oferă cea mai semnificativă capacitate; acesta dublează numărul de ADC-uri pe 20 de biți, 1 MS/s la 16 și crește numărul maxim de canale la 16 cu eșantionare simultană și la 32 în modul de eșantionare multiplexată.

Toate cele patru modele sunt adăpostite într-o carcasă care măsoară 177 milimetri (mm) lățime, 30,4 mm înălțime și 116,7 mm adâncime (Figura 3).

Figura 3: Este prezentată vederea completă a dispozitivului USB-6453 (stânga), membru al seriei USB-6400, împreună cu panourile frontale (dreapta, sus) și posterioare (dreapta, jos). (Sursa imaginii: NI)

Panoul frontal oferă acces la toate semnalele analogice și digitale. Conexiunile sunt realizate cu ajutorul a doi conectori terminali cu arc cu 36 de poziții montați frontal, care acceptă fire de la #26 AWG la #16 AWG. Sunt furnizate carcase posterioare pentru conectorii terminalului cu arc, pentru reducerea solicitării. Compensarea joncțiunii reci (CJC) este încorporată pentru măsurătorile cu termocuplu.

Capsula dispozitivului mioDAQ include găuri de montare cu bridă autoblocantă pe spate și pe laterale și un șurub de blocare USB pe spate pentru fixarea rapidă a cablurilor și integrarea instrumentului. Sunt disponibile kituri de montare opționale pentru fixarea dispozitivului pe un rack de 19 inch (in.) sau pe șine DIN cu orientare orizontală sau verticală.

Codul QR utilizat de mioDAQ garantează că documentația nu va mai fi pierdută niciodată de acum înainte. Utilizatorii scanează codul QR de pe spatele modulului pentru a accesa rapid manualul de utilizare, specificațiile, schema de conectare și linkurile pentru descărcarea software-ului de control și de analiză, dar și a driverelor.

Specificațiile canalului

Sunt disponibile până la 32 de canale de intrare analogice, cu o gamă maximă la scară completă de la -10 V la +10 V, rezoluție de 16 sau 20 de biți și o rată maximă de eșantionare de 250 kS/s sau 1 MS/s (în funcție de model). Domeniile inferioare de la -0,2 V la +0,2 V, de la -1 V la +1 V și de la -5 V la +5 V pot adapta semnalul de intrare la intervalul de intrare pentru a optimiza intervalul dinamic.

Ieșirile analogice au un interval de tensiune de la -10 V la +10 V și sunt sincronizate la 200 kS/s per canal. Acestea pot crea forme de undă neperiodice sau periodice pentru a genera semnale de control analogice sau pentru a simula senzori.

Liniile I/O digitale pot fi setate independent să fie de intrare sau de ieșire. Acestea pot fi programate cu praguri logice de tensiune de 5, 3,3 sau 2,5 volți și pot direcționa ceasuri externe sau semnale de declanșare la dispozitiv sau pot comanda contoarele/temporizatoarele interne.

Software DAQ

Dispozitivele mioDAQ pot fi controlate cu mai multe pachete software, inclusiv NI LabVIEW, LabVIEW+, Python și software-ul de jurnalizare FlexLogger de la NI. Driverul NI-DAQmx de la NI acceptă programarea personalizată în C/C++, C#, VB 6.0 și VB.NET și include exemple de programare și funcții de bibliotecă pentru operațiunile DAQ.

FlexLogger este un pachet software fără cod care permite inginerilor de testare să controleze, să vizualizeze și să salveze datele de testare de la dispozitivele DAQ. Acesta permite stabilirea de limite pentru valorile măsurate, în timp ce alarmele avertizează cu privire la condițiile din afara intervalului și permit analiza detaliată a datelor de testare cu ajutorul instrumentelor de procesare încorporate. FlexLogger Lite, care este gratuit, este destinat înregistrării manuale a datelor și operațiunilor de bază ale hardware-ului NI DAQ. Este prezentat un exemplu de configurare a unui canal pentru USB-6421 (Figura 4).

Figura 4: Este prezentată o vizualizare FlexLogger Lite a configurării canalului pentru USB-6421, inclusiv setările de intrare analogică, ieșire analogică și I/O digitale. (Sursa imaginii: Art Pini)

Canalele de intrare analogice sunt configurate pentru a citi trei axe de date despre vibrații și măsurători de presiune, temperatură și nivel de sunet. Fiecare intrare este scalată pentru a citi semnalele în unități corespunzătoare măsurătorii. Ieșirile analogice produc niveluri de putere de 5 și 3,3 volți, în timp ce I/O digital este configurat pentru a citi două intrări digitale.

FlexLogger este un program cu funcții mai complete, destinat testării automate și analizei extinse a datelor. Acesta permite personalizarea instrumentelor de vizualizare a interfeței utilizatorului prin adăugarea de grafice, indicatori numerici și contoare. Figura 5 prezintă datele de la un test de motor (inserție).

Figura 5: Este prezentată vizualizarea FlexLogger a rezultatelor testelor unui motor. (Sursa imaginii: NI)

În grila superioară apar formele de undă de la trei accelerometre și un tahometru. Datele de accelerație reprezintă nivelul de vibrație scalat în g, în funcție de timp. Valorile tahometrului, care măsoară viteza de rotație în revoluții pe minut (RPM), sunt afișate sub forma unui cadran în colțul din dreapta jos. Aplicarea unei transformări Fourier rapide (unul dintre instrumentele disponibile de procesare a semnalului) la datele de vibrații arată nivelul vibrațiilor (amplitudinea) în funcție de frecvență în graficul inferior.

Concluzie

Dispozitivele mioDAQ de la NI combină tehnologia modernă de măsurare cu o experiență de utilizare ușoară. Inginerii de testare pot construi sisteme de testare electromecanică sofisticate folosind componente mioDAQ adaptate cu software fără programare, cum ar fi FlexLogger de la NI sau software de sistem premiat, cum ar fi LabVIEW de la NI pentru cerințe de testare mai sofisticate.