KON-C34 Kone- ja rakennustekniikan laboratoriotyöt Tiedonkeruu ja analysointi Panu Kiviluoma
Mitattava suure Tarkka arvo Mittausjärjestelmä Mitattu arvo Ympäristö Mitattava suure Anturi Signaalinkäsittely Tiedonkeruu Tiedon -Analyysi -Esittäminen -Tallennus Olosuhteet 2
Anturisignaali Jänniteviesti Standardialueet 1V 5V 1 5V -5 +5V -1 +1V Helppo ja halpa, altis häiriöille Virtaviesti o Standardialueet 2mA 4 2mA o Parempi häiriösieto Digitaalinen viesti o Älykkäät anturit o Jatkokäsittely helppoa 3
Amplitudi Taajuus Vaihe 2 1.5 1.5 x(t)=asin(ωt+ϕ) [V] -.5-1 -1.5-2.2.4.6.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 Aika [s] 4
Laahaus1 13 Signaali kanavasta:5 [m/s2] 1 5 Paperikoneen telan laakeripesän pystysuuntainen värähtely (m/s 2 ) Laahaus1 13 Signaali kanavasta:5.14 1 s -5-1 1 8 6 4 2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 4 Aika [s] Ampl [m/s2].12.1.8.6 Spektri (Hz) [m/s2].4-2.2 Laahaus1 13 Signaali kanavasta:5-4 6 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Taajuus [Hz] -6,1 s -8-1 4 3.2 3.21 3.22 3.23 3.24 3.25 2 3.26 3.27 3.28 3.29 3.3 Aika [s] [m/s2] -2,1 s -4-6 5 3.22 3.221 3.222 3.223 3.224 3.225 3.226 3.227 3.228 3.229 3.23 Aika [s]
Signaalinkäsittely Muunnokset: esim. vastus -> jännite, virta -> jännite, jännite -> virta, taajuus -> jännite Kapasitanssi -> taajuus -> jännite Vahvistus Vaimennus Suodatus Derivointi Integrointi Linearisointi Signaalien yhdistäminen... 6
Vahvistus Anturisignaali yleensä heikko, ~mv Heikko signaali altis häiriöille Mittalaitteiden mitta-alue yleensä muutaman Voltin luokkaa Peruskomponentti: operaatiovahvistin Käytännön anturivahvistimilla myös muita tehtäviä (jännitteen syöttö, suodatus jne.) 7
Suodatus Suodatintyypit Alipäästösuodatin (low pass filter) Ylipäästösuodatin (high pass filter) Kaistanpäästösuodatin (band pass filter) Kaistanestosuodatin (band rejection filter) passiivinen aktiivinen 8
Amplitudi [db] Alipäästösuodatin Amplitudi [db] Ylipäästösuodatin Taajuus [Hz] Taajuus [Hz] Amplitudi [db] Kaistanestosuodatin Amplitudi [db] Kaistanpäästösuodatin Taajuus [Hz] Taajuus [Hz] 9
Rajataajuus -3dB (7,7%) Ominaisuuksia Siirtokaistan leveys Päästökaistan tasaisuus Vaihevaste Analoginen suodatin ei ole ideaalinen - astelukua kasvattamalla jyrkempi vaste -> vaihesiirto 1
AD-muunnos 111111 Analogisen signaalin muuntaminen digitaaliseksi Näytteistäminen määrävälein Kvantisointi diskreeteiksi arvoiksi Koodaus digitaaliseksi signaaliksi 11
7 6 5 1Hz siniaalto: 1S/sec, 3bit 3bit 2 3 = 8 4 3 2 1,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1, Aika (s) 12
13
AD-muunnos Tärkeimmät valintaperusteet: Bittien lukumäärä Määrää resoluution, kvantisointikohinan Näytteenottotaajuus Määrää korkeimman mitattavan taajuuden Jännitealue Esim. 1V, ±5V Kanavien lukumäärä Monikanavainen Sample and Hold / multiplekseri 8bit -> 2 8 = 256 16bit -> 2 16 = 65536 22bit -> 2 22 = 419434 14
Laskostuminen Liian matala näytteenottotaajuus johtaa alkuperäisen signaalin vääristymiseen kun se yritetään palauttaa otettujen näytteiden perusteella Shannon-Nyquist: Näytteenottotaajuuden on oltava vähintään 2-kertainen mitattavan signaalin korkeimpaan taajuuteen nähden f s > 2 f max 15
Laskostuminen Liian alhainen näytteenottotaajuus Näytteiden pohjalta luotu signaali!!?? 16
Näytteenottotaajuus g Mitattavan ilmiön dynamiikka Lämpötila, tärinä, isku, Kiinnostava taajuusalue Laskostuminen Alipäästösuodatus Tahdistus Ulkoinen kello - esim. pulssianturi Sisäinen kello - mittakortin kellopulssi Mittauksen kesto Datan tallennus, säilytys ja käsittely 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Värähtelysignaali 1 khz näytteenottotaajuus =,1 sekunnin välein 17
Aika vai taajuus? Aikataso Amplitudi/aika Yleiskuva signaalista Esim. jaksollisuus, kohina Maksimi- ja minimiarvot Vaimennus Milloin? Amplitudi [V] 1.5 1.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -.5-1 -1.5 Aika [s] Taajuustaso Amplitudi/taajuus Vaihe/taajuus Signaalin taajuuskomponentit (taajuusspektri) Ominaistaajuudet ja muodot, liiketilat, Kunnonvalvonta, moodianalyysi, Kuinka usein? Amplitudi [V].16.14.12.1.8.6.4.2 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 Taajuus [Hz] 18
FFT Fast Fourier Transform Algoritmi nopeaan Fourier-muunnokseen tietokoneella Näytteiden lukumäärä 2:n potenssi (124, 65536, ) Jaksollinen signaali Tarvittaessa ikkunointi Taajuusresoluutio: fs 1 1s ~ 1Hz, 1s ~,1Hz f = = N s T Kompleksinen Amplitudi A ( i) = real( i) 2 + imag( i) 2 Vaihe θ i = arctan( imag i, real i ( ) ( ) ( )) 19
Valinta AD-muuntimen bittimäärä Näytteenottotaajuus Kanavien lukumäärä Analogiset/digitaaliset Single-Ended/Differential Tahdistus Vahvistus, suodatus Liitäntäväylä Ohjelmisto- ja ajurituki Anturikohtaiset tarpeet Termoelementti, venymäliuska, antureiden tehonsyöttö, Liikuteltavuus ja koko Dataloggeri Hand-held Kannettava PC + usb-laite Pöytä-PC + tiedonkeruukortti Hinta USB Ethernet PCI PCI Express Wireless PCMCIA ISA PC/14 Serial I/O +Valmistajakohtaiset 2
Mittaus-PC Kintek Electronics Co., Ltd KP-6528T/M Alumiinirunko AMD Athlon XP 24+ 512 MB / 24 GB DVD +/-RW Windows 2 Tiedonkeruukortti PCI-väylä 21
Tiedonkeruukortti Microstar Laboratories, Inc DAP 52a 16-analogista tuloa (+2 lähtöä) 16-digitaalista tuloa/lähtöä Näytteenottotaajuus max. 8 ks/s 14 bitin A/D-muunnos...5V, ±2,5 V, ±5 V ja ±1 V DAP (Data Acquisition Processor) DAPL 2-ohjelmointi signaalinkäsittely digitaalinen suodatus laskenta ~5 22
Mittausohjelmisto Agilent Vee Mittausten online-seuranta Alustava signaalinkäsittely Tallennus kovalevylle 1 s mittaukset,25,5 milj. pistettä/kanava Analyysi Matlabohjelmistolla 23
~2 NI PCI-6259 16-Bit, 1 MS/s (Multichannel), 1.25 MS/s (1-Channel), 32 analogista tuloa Neljä 16-bit analogista lähtöä (2.8 MS/s); 48 digitaalista I/O:ta; 32-bit counters 24
Mittausohjelman teko Simulink-ohjelmistolla xpc Target reaaliaikakäyttöjärjestelmä orjakoneella Reaaliaikaiset mittaukset/ohjaukset Tulokset verkon yli isäntäkoneelle Isäntä -ohjelmointi -datan analysointi Orja -mittaus 25
USB-Tiedonkeruu Measurement Computing USB-168FS 8-analogista tuloa 8-digitaalista tuloa/lähtöä Näytteenottotaajuus max. 5 ks/s 16 bitin A/D-muunnos Samanaikainen kaikille kanaville Successive approximation ±1 V, ±2 V, ±5 V ja ±1 V Ohjelmistotuki Visual Studio DasyLab Vee Labview Matlab (Data Acquisition Toolbox) ~45 26
USB-Tiedonkeruu National Instruments USB-61/62/63 8-analogista tuloa (2 lähtöä) 13-digitaalista tuloa/lähtöä Näytteenottotaajuus max. 2/5/1 ks/s 14/16/16 bitin A/D-muunnos Multiplekseri Successive approximation max ±1 V ANSI C, C#.NET, VB.NET, LabVIEW, 179 /315 /472 27
RION SA-78 2 kanavainen FFT-analysaattori asd 8 khz Useita anturivaihtoehtoja mikrofoni, kiihtyvyys, voima,... Ali- ja ylipäästösuodatus Sisäinen ja ulkoinen tahdistus Mittaus Aikataso Analyysit Keskiarvostus Integrointi ja derivointi Taajuustaso (spektri) Taajuusvaste Tallennus muistikortille ~25 28
MUITA MENETELMIÄ Oskilloskooppi Signaalien tarkistus Alustava analyysi Myös ohjelmallisia (PC) PC-äänikortti Signaalitasot? Kohina? Halpis -laitteet Welleman-rakennussarjat LabJack (alk. n. 1 Eur) Omat rakentelut Mikrokontrollerit Valmiit piirit 29