KIT4-käyttöohje Mika Mononen mikaesa.mononen@uku.fi Inversio-ongelmien tutkimusryhmä Fysiikan laitos 1. kesäkuuta 2008
Sisältö 1 Johdanto 4 2 Laitteisto 4 3 Käyttöönotto 6 4 Mittausohjelmisto ja mittausten suorittaminen 7 4.1 Mittausasetusten asettaminen......................... 9 4.2 Mittauksen suoritus ja tietojen talletus.................... 11 4.3 Mittauksen päättäminen ja datan käsittely.................. 12 4.4 Raakadatan katseleminen ja tallennus..................... 14 4.5 Viankorjaus................................... 15 4.5.1 Sulakkeen palaminen.......................... 15 4.5.2 Kaapelin rikkoutuminen........................ 18 4.6 Esimerkkimittaus KIT4:lla........................... 18 4.6.1 Mittausasetelma............................ 18 4.6.2 Asetukset ja saatu data........................ 19 Viitteet 20 Kuvat 1 KIT4-laitteisto kokonaisuudessaan....................... 4 2 Virransyöttöyksikkö sekä sen kaapelien sisääntulojen numerointi....... 5 3 Jännitteenmittausyksikkö sekä sen kaapelien sisääntulojen numerointi... 6 4 Jännitteenmittausyksikkö, ympyröitynä käynnistyskytkin.......... 7 5 Virransyöttöyksikkö, ympyröitynä käynnistyskytkin............. 7 6 RT-kontrolleri, ympyröitynä käynnistyskytkin laitteen takapuolella..... 7 7 KIT4HostV05:n päävalikko........................... 8 8 KIT4HostV05:n päämittausasetukset...................... 9 9 KIT4HostV05:n mittauksen lisäasetukset................... 11 10 Data Graph -ikkuna.............................. 12 11 Esimerkki datatiedoston mittausarvoista.................... 13 12 Raakadatan katseluikkuna............................ 14 13 Jännitteenmittausyksikön takapuolen neljä oikeammaista datakaapelia... 16 14 Jännitteenmittausyksikön takapuolen datakaapelin liitoskohdan kiinnitysruuvit ympyröitynä............................... 16 2
15 Jännitteenmittausyksikön yhden ohjauskortin (toinen vasemmalta) etupuolen kiinnitysruuvit ympyröitynä........................... 17 16 Jännitteenmittausyksikön ohjauskortti. 400mA:n sulakkeet ympyröitynä.. 17 17 Esimerkkimittauksen mittausasetelma. Virta- ja jännite-elektrodien numeron 1 paikka merkitty valkoisella teipillä.................. 18 18 Esimerkkimittauksen mittausasetukset..................... 19 19 Esimerkkimittauksen Data Graph -ikkuna.................. 20 3
1 Johdanto KIT4 (Kuopio Impedance Tomograph 4) on impedanssitomografiaan soveltuva mittalaite. Se perustuu National Instruments:n kehittämälle PXI -alustalle (eng. PCI extension for Instrumentation). Alusta on laajennus virtuaaliselle instrumentoinnille, jossa fyysisen systeemin toimintoja hallitaan ohjelmistosta käsin. KIT4 on kehitetty teollisuuskäyttöön ja se kykenee datan hankintaan ja on-line -visualisointiin 3D:ssä. Laitteiston mittausnopeus on maksimissaan noin 64. Mittausnopeudella tarkoitetaan taajuutta, jolla laite mittaa kaikkia käytettäviä virransyöttöjä vastaavat jännitteet. Näin mitatusta datajoukosta käytetään jatkossa nimitystä mittaussarja. Systeemin nopeus riippuu pääasiassa virransyöttöjen ja mittauskanavien lukumäärästä. KIT4:n konfigurointi suoritetaan LabView-ohjelmointikieltä käyttäen Ethernet-portin kautta. Yksityiskohtaisempi laitteiston kuvaus löytyy viitteestä [2]. Käyttöohje on jaettu kolmeen osaan: laitteisto, käyttöönotto sekä mittausohjelmisto ja mittausten suorittaminen. Ensimmäisessä osassa esitellään laitteistoon kuuluvat osat. Käyttöönotto-osiossa kerrotaan, kuinka mittausjärjestelyt valmistellaan ja kuinka laitteisto saatetaan käyttövalmiiksi. Viimeisessä osassa esitellään käytettävä ohjelmisto sekä näytetään kuinka sillä suoritetaan mittaukset. 2 Laitteisto Kuva 1: KIT4-laitteisto kokonaisuudessaan. KIT4:n laitteisto koostuu kuvan 1 merkintöjä mukaillen neljästä osasta: 4
1. Tietokone, jolla ohjataan laitteistoa ohjelmistosta käsin. Ohjelmistosta syötetään esimerkiksi halutut virtakuviot sekä sen muistiin talletetaan saatu jännitedata. 2. Laitekehikko: Sisältää PXI-väylän, RT-kontrollerin, virransyöttöjen vaatimat AOkortit sekä datankeruukortit 3. Virransyöttöyksikkö: Yksikkö huolehtii RT-kontrollerin AO-korttien avulla vaihtovirran syötöstä. Se sisältää 16 itsenäistä virran syöttökanavaa, joiden ulostulot sekä numerointi ovat esillä kuvassa 2. 4. Jännitteenmittausyksikkö. Laitteessa tapahtuu vahvistimien ja DAQ-korttien kautta jännitearvojen mittaaminen. Yhden kortin kautta voidaan mitata yhteensä kahdeksaa kanavaa ja systeemi on varustettu kymmenellä kyseisellä kortilla, joten mahdollista on mitata 80 eri kanavaa yhtäaikaisesti. Näiden ulostulot sekä numerointi ovat esillä kuvassa 3. Yksikön vasemmanpuolimmaisesta kortissa on myös triggeröintilaite, jonka painiketta painamalla voidaan ottaa mittaussarjoja triggeröintiasetuksen ollessa päällä. Kuva 2: Virransyöttöyksikkö sekä sen kaapelien sisääntulojen numerointi. 5
Kuva 3: Jännitteenmittausyksikkö sekä sen kaapelien sisääntulojen numerointi. 3 Käyttöönotto Ennen kuin KIT4-laitteistolla voidaan suorittaa mittaus, täytyy sille tehdä varaus. Se onnistuu viitteen [1] www-sivuilta. Kun varaus on tehty ja laitteistoa asetetaan mittausta varten käyttökuntoon, suoritetaan seuraavat vaiheet: 1. Kytketään jännitteenmittaus- sekä virransyöttöyksiköstä tulevat mittauskaapelit mittauskohteen ympärille kuvien 3 ja 2 paikkakarttojen numeroinnin mukaisesti. Virransyöttöjen ja jännittenmittauksen maapotentiaalina toimivana elektrodina on kussakin virransyötössä toinen virtaa syöttävän elektrodiparin elektrodista (Kts. myös kappale 4.1). 2. Kytketään kuvien 4, 5 ja 6 osoittamista paikoista jännitteenmittaus- ja virransyöttöyksiköt sekä RT-kontrolleri päälle käynnistämällä ensin virransyöttöyksikkö ja tämän jälkeen muut laitteet (vältetään mahdollisten virtapiikkien seuraukset). 3. Saatetaan mittausohjelmisto valmiiksi käynnistämällä systeemiä ohjaava, esimerkiksi Ethernet-portin kautta operoiva tietokone. 4. Käynnistetään tietokoneen työpöydältä löytyvä KIT4HostV05-ohjelmisto. 6
Kuva 4: Jännitteenmittausyksikkö, ympyröitynä käynnistyskytkin. Kuva 5: Virransyöttöyksikkö, ympyröitynä käynnistyskytkin. Kuva 6: RT-kontrolleri, ympyröitynä käynnistyskytkin laitteen takapuolella. 4 Mittausohjelmisto ja mittausten suorittaminen Kun KIT4HostV05-ohjelmisto ajetaan, aukeaa kuvaruudulle kuvan 7 kaltainen ikkuna. 7
Kuva 7: KIT4HostV05:n päävalikko. Kun laitteistolla halutaan ohjelmiston kautta tehdä mittaus, suoritetaan seuraavat vaiheet: 1. Mittausasetusten asettaminen. 2. Mittauksen suoritus ja tietojen talletus. 3. Mittauksen päättäminen ja datan käsittely. 8
4.1 Mittausasetusten asettaminen Kun halutaan asettaa mittaukselle virtakuviot sekä muut asetukset, siirrytään ohjelmiston päävalikossa kuvan 7 kohtaan 1. Init. Tällöin aukeaa esille pääasetusten ikkuna: Kuva 8: KIT4HostV05:n päämittausasetukset. Tällöin syötetään seuraavat tiedot vastaten kuvan numerointia: 1. Haluttujen virransyöttöjen määrän asettaminen. Numeron kasvattaminen lisää oikealla näkyvän kohdan 5. rivien lukumäärää, jolloin yksi rivi vastaa yhtä injektiota. 2. Vaihtovirran taajuuden asettaminen. 3. Haluttujen jännitemittauselektrodien lukumäärän asettaminen. 4. Katso kohta 5. 5. Kunkin virransyötön virransuuruuden ja maaelektrodin (signaalimaa) asettaminen. Sarakkeet vastaavat numerojärjestyksessä virransyöttöyksikön virtaelektrodeja. Tällöin yhteen rivin soluista syötetään halutun virran suuruuus milliampeereina ja johonkin saman rivin toiseen soluun maapotentiaalia vastaava elektrodi antamalla sille arvoksi edellisen virran suuruuden käänteisluku (eli jos haluttu virran amplitudi on 3, asetetaan yhteen soluista 3 ja toiseen maapotentiaalia kuvaamaan - 3). Vaihtoehtoisesti maapotentiaalilla voi olla arvo -1. Näin syötetty virtaelektrodi 9
toimii sekä virransyötön että kunkin jännitteenmittauksen maapotentiaalina. Kuvan tilanteessa syötetään elektrodien 1 ja 2 välillä 1mA:n suuruista vaihtovirtaa elektrodin 2 toimiessa signaalimaana. Kaikkien virta-amplitudien suuruutta voidaan muuttaa myös kohdasta 4. Tämä lukuarvo kertoo millä kerrannaisena sen hetkisiä amplitudeja kerrotaan (eli jos virtainjektioissa on amplitudi 2 ja kenttään syötetään 0.5, muuttaa se kaikkien amplitudeiksi 1). Elektrodien numerointi vastaa nyt kuvan 2 perusteella tehtyjä kytkentöjä. Jos mittaussarjoja halutaan mitata tietyillä aikaväleillä, voidaan tämä tehdä kohdasta 9. Tällöin kenttään syötetään arvo sekunteina ja asetus kytketään päälle painamalla oheista painiketta. Valmis virransyöttökuvio ladataan kohdan 8. Load -painikkeesta. Tällaisia tiedostoja voidaan generoida viitteen [1] sivuston tiedostolla MakeKIT4InjectionPattern.m. Tällöin kyseisen funktion viimeisenä parametrina annetaan kohdan 5. taulukkoa vastaava matriisi virtainjektioista. Kun mittauksen aikana on tarkoitus käyttää mittaussarjan laukaisevaa, jännitteenmittausyksikössä kiinni olevaa triggeröintilaitetta, muutetaan kohdan 10. valinta joko Triggered once tai Triggered continuous -kohdaksi. Ensimmäisessä asetuksessa painalluksessa otetaan vain yksi mittaussarja, kun taasen toisessa voidaan ottaa useampia mittaussarjoja painiketta painamalla. 10
Kun halutaan syöttää mittaukselle erikoisasetuksia, siirrytään Init -valikon ylävalikosta kohtaan Special settings. Tällöin ruudulle aukeaa lisäasetuksia tarjoava ikkuna: Kuva 9: KIT4HostV05:n mittauksen lisäasetukset. Tällöin kuvan 9 numerointia vastaavat, merkittävimmät asetukset ovat: 1. Voidaan muuttaa mittauksessa käytettävien pää- ja odotuslooppien arvoja ( Main loop period ja Wait loop period ) sekä kanavaa kohti otettavien näytteiden lukumäärää ( Number of samples/channel ). Yleensä vakioasetukset ovat näille arvoille toimivia. Virransyötön vaihetta muuttava asetus ( Phase ) ei ole nykyisessä ohjelmiston versiossa toiminnassa. 2. Käynnistää uudelleen RT-kontrollerin. Tämän voi tehdä myös fyysisesti RT-kontrollerin käynnistyspainikkeesta (Kuva 6). Kun myös lisäasetukset on syötetty, voidaan mittaus käynnistää. Ensin siirrytään takaisin välilehteen Main settings ja painetaan Close -painiketta (Kuva 8, kohta 6.). Tämän jälkeen painetaan päävalikossa Start measurement -painiketta (Kuva 7, kohta 3.). 4.2 Mittauksen suoritus ja tietojen talletus Kun mittaus on aloitettu, näkyy alkamisen merkiksi päävalikossa oleva nuoli mustana (Kuvan 7 ympyröity kohta) sekä FPS -kenttään tulee näkyviin mittausnopeus. Tällöin voidaan valita päävalikosta Data Graph (Kuva 7, kohta 2.). Nyt aukeaa uusi ikkuna: 11
Kuva 10: Data Graph -ikkuna Kuvassa 10 näkyy kohdassa 1. senhetkiset, mitatut jännitteen amplitudin arvot (pystyakseli). Kyseisen kuvan mittauksessa on käytetty 16 mittaavaa jännite-elektrodia kahdeksalle virransyötölle, joten mittauksia on yhteensä 16 8 = 128 (vaaka-akseli). Kohdan 2 vaihegraafi ei ole toiminnassa KIT4HostV05:n nykyisessä versiossa. Maksimiamplitudi, jonka laitteistolla voi mitata on 10V. Kun mittausarvoja halutaan tallentaa, painetaan kohdan 4. painiketta SAVE DATA. Ensimmäiseksi aukeaa ikkuna, josta valitaan mittauksesta tallennettavat arvot: aika, jännite, vaihe sekä vaihtojännitteen reaali- ja imaginääriosa. Kun nämä on merkitty, valitaan seuraavaksi tiedosto, johon arvot talletetaan ASCII-muodossa. Tämän jälkeen kohdassa 3. tekstin Number of SAVED frames alla näkyy juokseva numero talletetuista yksittäisistä mittaussarjoista. Jos käytössä on triggerintitoiminto, tämä luku kasvaa aina triggerointilaitteen painalluksen jälkeen, kun on otettu yksi mittaussarja. 4.3 Mittauksen päättäminen ja datan käsittely Kun mittaussarjoja on talletettu riittävästi, suljetaan Data Graph -ikkuna Close - painikkeesta. Tämän jälkeen ohjelma palaa päävalikkoon, josta mittaus täytyy päättää painamalla Stop and Exit -painiketta (Kuva 7, kohta 4.). Jos mittaus halutaan suorittaa 12
uudelleen, painetaan ensin päävalikon punaista ympyrää. Tämän jälkeen syötetään asetukset uudelleen Init -valikosta ja painetaan päävalikosta jälleen Start measurement - painiketta. Kun mittaus on suljettu, voidaan laitteisto sammuttaa ja siirtyä käsittelemään talletettua dataa. Mittauksen tiedot sijaitsevat nyt edellisen kappaleen työvaiheessa määritetyssä tiedostossa. Tiedoston alussa on tietoa mittauksen asetuksista (mittaustaajuus, virransyöttöjen lukumäärä jne.). Kohdan CP jälkeen on virransyöttökuvio peräkkäisinä numeroina. EndOfHeader -tekstin jälkeen tiedostosta löytyy valitut mittausarvot pystysarakkeina. Nämä arvot voisivat olla seuraavankaltaisia: Kuva 11: Esimerkki datatiedoston mittausarvoista. Tiedostoon on valittu tallennettavaksi seuraavat mittausarvot: aika, vaihtojännitteen amplitudi voltteina, vaihe, vaihtojännitteen reaaliosa ja vaihtojännitteen imaginääriosa. Mitatut mittaussarjat ovat peräkkäin, jolloin yhdestä mittaussarjasta ensin tulee ensimmäisen virransyötön mitatut arvot riveittäin määritetyissä jännite-elektrodeissa, tämän jälkeen seuraavan virransyötön jne. ja seuraavaksi seuraavan mittaussarjan mittausarvot. Aika on ns. offset-arvo, joka kertoo kunkin mitatun mittaussarjan aikavälin mittauksen alusta. Kuvan 11 mittauksessa on ensimmäinen tiedostoon talletettu mittaussarja tehty n. 114s:n jälkeen mittauksen aloituksesta. Saman mittaussarjan muiden mitattujen arvojen ajaksi tulee 0. 13
Mittauksista saatava ASCII-data parseroidaan MATLAB-ohjelmistoon matriiseiksi viitteestä [1] löytyvällä tiedostolla ParseKIT4File.m. 4.4 Raakadatan katseleminen ja tallennus Kun halutaan tarkastella virransyötöstä tulevaa moduloimatonta signaalia (etsitään esimerkiksi väärin toimivaa elektrodia), siirrytään päävalikon Init -kohdasta asetuksiin (Kuva 7, kohta 1) ja sieltä valitaan välilehti Raw Data. Tällöin aukeaa seuraavankaltainen ikkuna: Kuva 12: Raakadatan katseluikkuna. Raakadata haetaan nyt kuvan 12 kohdan 1. nappia painamalla. Tätä voi joutua painamaan kahdesti ellei ensimmäinen painallus anna kohdan 3. ikkunaan signaalin kuvaajaa. Kyseisessä ylemmässä ikkunassa on esitettynä kaikki mittauksen mittaussarjat kaikkine virransyöttöineen jokaisessa mittauselektrodissa (yhtä jännitteenmittausta varten otetaan kuvan 9 kohdan Number of samples ilmoittaman määrän verran näytteitä, jotka kaikki näkyvät graafissa). Kun halutaan tarkastella yksittäisiä mittaussarjoja, muutetaan kohtien 5. ja 6. arvoja halutuiksi tarkasteltaviksi virransyötöiksi ja näiden esitys tulee kohdan 4. ikkunaan. Jos graafeja halutaan tarkastella lähemmin, kuvan skaalausta ja tarkastelukohtaa voidaan muokata kuvassa ympyröityjen kohtien työkaluilla. Vaaka-akselien pituutta voidaan muoka- 14
ta klikkaamalla akselin suurinta arvoa oikeasta päästä ja asettamalla sille uusi arvo. Raakadata tallennetaan levylle kohdasta 2. Save -painiketta painamalla ja valitsemalla haluttu tiedoston nimi. Raakadatan voi ladata MATLAB:iin matriiseiksi viitteen [1] www-sivuilta löytyvällä scriptitiedostolla ReadRawData.m. 4.5 Viankorjaus 4.5.1 Sulakkeen palaminen Jos KIT4:n virransyöttöyksiköstä (Kuva 1, kohta 3) palaa sulake, täytyy ottaa yhteyttä laitteiston tuntevaan henkilöön kuten Inversio-ongelmien ryhmän Jari Kouruseen (puh.: 017-163003, e-mail: Jari.Kourunen(at)uku.fi). Taasen, jos jännitteenmittausyksikön sulake palaa, vaihdon voi suorittaa myös käyttäjä. Proseduuri noudattaa tällöin kaavaa: 1. Selvitetään mistä kahdeksan mittauselektrodia sisältävästä ohjauskortista sulake on palanut. Ohjauskortit ovat kuvassa 3 näkyvät kahdeksan pystysuoraa osasta, joissa jokaisessa on kiinni kahdeksan elektrodikaapelia. Sulakkeen näkyy kortissa ulospäin näkyvissä olevasta ledistä. 2. Irroitetaan jännitteensyöttöyksikön takapuolelta kyseisen ohjauskortin RT-kontrolleriin menevä datakaapeli. Näistä neljä näkyy kuvassa 13. Irroituksessa täytyy käyttää erityistä varovaisuutta, ettei kumpikaan uros- tai naarasliittimistä rikkoudu. 3. Irroitetaan lisäksi jo edellä irroitetun datakaapelin liitoskohdan kiinnitysruuvit (2 kpl). Näiden paikat ovat esillä kuvassa 14. 4. Aukaistaan yksikön etupuolelta palaneen sulakkeen sisältävän ohjauskortin ylä- ja alakiinnitysruuvit. Ruuvit ainoastaan aukaistaan eikä oteta irti kortista. Ruuvit näkyvät kuvassa 15. 5. Vedetään kortti varovasti ulos ja vaihdetaan kuvassa 16 näkyvät 400mA:n sulakkeet. Varasulakkeita löytyy Inversio-ongelmien tutkimysryhmän laboratorion tarvikehyllystä. 6. Kiinnitetään kortti ja ruuvit takaisin käännetyssä järjestyksessä. 15
Kuva 13: Jännitteenmittausyksikön takapuolen neljä oikeammaista datakaapelia. Kuva 14: Jännitteenmittausyksikön takapuolen datakaapelin liitoskohdan kiinnitysruuvit ympyröitynä. 16
Kuva 15: Jännitteenmittausyksikön yhden ohjauskortin (toinen vasemmalta) etupuolen kiinnitysruuvit ympyröitynä. Kuva 16: Jännitteenmittausyksikön ohjauskortti. 400mA:n sulakkeet ympyröitynä. 17
4.5.2 Kaapelin rikkoutuminen Jos laitteistosta rikkoutuu elektrodikaapeli, varakappaleita löytyy laitteiston ohessa olevassa pahvilaatikossa KIT4 varapiuhat. Tämän lisäksi Inversio-ongelmien ryhmän laboratoriosta löytyy varalle National Instrumentsin AO- ja DAQ-kortteja laitekehikkoon (Kuva 1, kohta 2.). 4.6 Esimerkkimittaus KIT4:lla 4.6.1 Mittausasetelma KIT4-laitteistolla suoritettiin 2D -ERT-mittaus. Mitattava kohde oli vedellä täytetty, ympyränmuotoinen astia, jonka reunoilla oli 16 elektrodia. Kuva 17: Esimerkkimittauksen mittausasetelma. Virta- ja jännite-elektrodien numeron 1 paikka merkitty valkoisella teipillä. 18
4.6.2 Asetukset ja saatu data Kohteeseen syötettiin 3mA:n suuruista vaihtovirtaa kolmelta elektrodiparilta jälkimmäisen toimiessa maapotentiaalielektrodina: 1-2, 2-3, 3-4. Tällöin pääasetukset KIT4HostV05:ssa olivat seuraavankaltaiset (lisäasetukset vakioarvoissa): Kuva 18: Esimerkkimittauksen mittausasetukset. 19
Tämän jälkeen mittaus käynnistettiin ja siirryttiin ohjelman Data Graph -osioon datankeruuta varten. Yhden mittaussarjan mitatut jännitteen arvot ovat nyt havainnollistettuna auenneessa ikkunassa (3 virransyöttöä ja 16 mittaavaa jännite-elektrodia 48 mitattua arvoa/mittaussarja): Kuva 19: Esimerkkimittauksen Data Graph -ikkuna. Viitteet [1] KIT4 tomografialaitteiston varauslista, http://venda.uku.fi/~jkourune/kit4_ varaus_lst.php. [2] Kourunen J., Savolainen T., Lehikoinen A., Vauhkonen M. and Heikkinen L. Pxibased electrical impedance tomography system for industrial use. In Proceedings of the 5th International Symposium on Process Tomography, Poland, Zakopane, August 2008. 20