Simplifique os testes eletromecânicos com um sistema de aquisição de dados baseado em USB

Os sistemas eletromecânicos combinam componentes elétricos e mecânicos para dispositivos como motores, compressores, bombas, sensores, atuadores e eletrônica de controle em aplicações de manufatura, aeroespacial, automotiva, médicas e robótica. Esses dispositivos devem ser testados e monitorados elétrica e mecanicamente para garantir a operação adequada.

Para fornecer dados precisos e confiáveis, o equipamento necessário deve ser compatível com o dispositivo em teste e com o método ou os procedimentos de teste. O equipamento de teste deve lidar com vários canais de entrada/saída (E/S) analógicos e digitais para medir e controlar esses dispositivos, aliado aos instrumentos básicos de medição, como contadores/temporizadores e fontes de alimentação. Os instrumentos de teste devem funcionar com software integrado para fornecer medições, exibições em tempo real e relatórios detalhados.

A seleção e a integração do hardware e do software necessários para realizar esses testes podem ser demoradas e caras. Para auxiliar os projetistas, foram desenvolvidos instrumentos modulares para aquisição de dados via USB, que combinam a tecnologia mais moderna com uma ampla gama de ferramentas de teste de software para validar os sistemas eletromecânicos mais complexos.

Este artigo descreve os desafios enfrentados pelos projetistas que testam dispositivos eletromecânicos. Em seguida, apresenta os instrumentos mioDAQ da NI e mostra como eles podem ser utilizados para simplificar os testes eletromecânicos padrão para acelerar o desenvolvimento e a implantação.

Testes eletromecânicos

Considere um equipamento simples de teste de motor composto por um motor montado em um dispositivo de teste conectado a uma carga suspensa entre dois blocos de rolamento (Figura 1). O equipamento é controlado por um controlador de motor, que controla a velocidade do motor com base em uma tensão elétrica. O arranjo usa um tacômetro óptico para medir a velocidade de rotação do motor e três acelerômetros para medir a vibração mecânica nas direções X, Y e Z no bloco de rolamento interno.

Figura 1: É mostrado um equipamento de teste de vibração de motor que usa um tacômetro óptico para medir a velocidade de rotação do motor e acelerômetros para medir a vibração relacionada ao motor ao longo de três eixos ortogonais do bloco de rolamento interno. (Fonte da imagem: NI)

O objetivo do equipamento de teste é determinar os níveis de vibração de pico e a velocidade de rotação em que eles ocorrem. O procedimento envolve variar a velocidade do motor linearmente, enquanto monitora os níveis de vibração e registra ambos.

São necessários vários instrumentos para executar esse teste. Primeiro, são necessários canais de medição analógicos para monitorar e registrar as três saídas do acelerômetro. Outro canal analógico deve monitorar o tacômetro para medir a velocidade de rotação do motor. É necessária uma tensão de saída analógica para controlar a velocidade do motor. Uma saída de sinal digital alerta o controlador para ligar e desligar o motor. Outra saída de sinal digital pode ser usada para selecionar o sentido de rotação do motor.

Portanto, em sua forma mais simples, esse teste de motor requer um mínimo de quatro entradas analógicas, uma saída analógica e duas saídas digitais. Testes mais complexos podem incluir sensores de vibração adicionais, sensores de temperatura, como termopares, e transdutores de pressão, entre outros.

O sistema de aquisição de dados

Para testes eletromecânicos, é necessário um sistema de aquisição de dados (DAQ) que inclua um dispositivo DAQ para medição e controle, um computador e um software de suporte. O hardware de aquisição de dados via USB NI mioDAQ atende a essa necessidade com a série NI USB-6400, que oferece quatro dispositivos USB DAQ à sua escolha (Figura 2).

Figura 2: Esta tabela resume as características dos quatro dispositivos da série mioDAQ USB-6400. (Fonte da imagem: NI)

A série mioDAQ oferece aos engenheiros de teste quatro opções na configuração de um dispositivo DAQ:

• Resolução de amplitude de 16 ou 20 bits com entradas de fundo de escala a ±10 volts
• 250 mil amostragens por segundo (kS/s) multiplexadas ou taxas de amostragem de 1 milhão de amostragens por segundo (MS/s)
• Canais de entrada dispostos em 16 ou 32 canais simples (SE), ou 8 ou 16 canais diferenciais (DI)
• Dois ou quatro canais de saída com uma faixa de ±10 volts para controle, simulação ou geração de sinal

Todos os modelos são controlados e alimentados por uma porta USB-C e incluem 16 linhas de E/S digitais e quatro contadores/temporizadores de 32 bits. Também usam uma base de tempo integrada de 100 megahertz (MHz) que aciona todos os circuitos digitais, inclusive os clocks de amostragem, as linhas de gatilho e os contadores/temporizadores. Cada tipo de canal tem um mecanismo de temporização separado, baseado na referência de tempo na placa. A temporização dos canais de entrada e saída analógicos e das linhas de E/S digitais pode ser definida para taxas diferentes. Os dispositivos USB NI mioDAQ também incluem autocalibração por meio do software de controle, que inicia a autocalibração e compensa as variações ambientais e sistemáticas, usando uma equação de calibração multivariada para calibração rápida sem atraso perceptível no processamento. Ele armazena os dados resultantes em uma EEPROM na placa.

Outro recurso do dispositivo mioDAQ é o Smart ID Pin, que acrescenta inteligência à bancada de testes. O Smart ID Pin se comunica com uma EEPROM por meio de um fio, fornecida pelo usuário para ler as informações do dispositivo em teste (DUT) e garantir que os cabos estejam conectados às portas corretas. Ele oferece economia de tempo e redução de erros na bancada de testes.

Estão disponíveis quatro modelos de dispositivos específicos para aquisição de dados. O USB-6421 (789887-01) é o dispositivo mais econômico. Ele fornece 16 canais SE ou 8 canais DI, usando um único conversor analógico-digital (ADC) multiplexado com amostragem de até 250 kS/s e inclui dois canais de saída analógica.

O USB-6423 (789882-01) dobra o número de canais multiplexados para 32 SE ou 16 DI e aumenta a capacidade de saída analógica para quatro canais.

O USB-6451 (789888-01) aumenta a quantidade de ADCs para oito. Também aumenta a resolução da conversão para 20 bits e a taxa de amostragem máxima para 1 MS/s. Oferece oito canais com amostragem simultânea e até 16 canais no modo multiplexado.

O USB-6453 (789884-01) oferece o recurso mais significativo; ele dobra a quantidade de ADCs de 20 bits e 1 MS/s para 16, além de aumentar a quantidade máxima de canais para 16 com amostragem simultânea e para 32 no modo de amostragem multiplexada.

Todos os quatro modelos estão alojados em um gabinete que mede 177 milímetros (mm) de largura, 30,4 mm de altura e 116,7 mm de profundidade (Figura 3).

Figura 3: É mostrada a vista completa do USB-6453 (à esquerda) da série USB-6400, junto com seus painéis frontal (à direita, em cima) e traseiro (à direita, embaixo). (Fonte da imagem: NI)

O painel frontal fornece acesso a todos os sinais analógicos e digitais. As conexões são feitas usando dois conectores de terminal de mola na montagem frontal de 36 posições, que aceitam fios com bitolas de n.º 26 a 16 AWG. Para alívio de tensão, são fornecidas carcaças posteriores para os conectores de terminal de mola. A compensação de junção fria (CJC) é incorporada para medições de termopar.

O invólucro do dispositivo mioDAQ inclui furos de montagem para abraçadeira na parte traseira e nas laterais e um parafuso de travamento USB na parte traseira para prender rapidamente os cabos e integrar o instrumento. Estão disponíveis kits de montagem opcionais para fixar o dispositivo em um rack de 19 polegadas (pol.) ou em trilhos DIN com orientação horizontal, ou vertical.

O uso de um código QR pelo mioDAQ significa que a documentação perdida é coisa do passado. Os usuários fazem a leitura do código QR na parte de trás do módulo para acessar rapidamente o manual do usuário, as especificações, a pinagem e os links para download do software e dos drivers de controle e análise.

Especificações do canal

Estão disponíveis até 32 canais de entrada analógica, com uma faixa máxima de escala desde -10 V a +10 V, resolução de 16 bits ou 20 bits e uma taxa de amostragem máxima de 250 kS/s ou 1 MS/s (depende do modelo). As faixas inferiores de -0,2 V a +0,2 V, -1 V a +1 V e -5 V a +5 V podem combinar o sinal de entrada com a faixa de entrada para otimizar a faixa dinâmica.

As saídas analógicas têm uma faixa de tensão de -10 V a +10 V e são acionadas por clock com 200 kS/s por canal. Podem criar formas de onda não periódicas ou periódicas para gerar sinais de controle analógico ou simular sensores.

As linhas de E/S digital podem ser definidas independentemente como entrada ou saída. São programáveis com limites de tensão lógica de 5, 3,3 ou 2,5 volts e podem rotear clocks externos ou sinais de gatilho para o dispositivo ou acionar os contadores/temporizadores internos.

Software DAQ

Os dispositivos mioDAQ podem ser controlados com vários pacotes de software, incluindo o LabVIEW da NI, LabVIEW+, Python e o software de registro FlexLogger da NI. O driver NI-DAQmx da NI suporta programação personalizada em C/C++, C#, VB 6.0 e VB.NET e inclui exemplos de programação e funções de biblioteca para operações de DAQ.

O FlexLogger é um pacote de software sem código que permite aos engenheiros de teste controlar, visualizar e salvar dados de teste dos dispositivos DAQ. Ele permite a definição de limites para os valores medidos, enquanto os alarmes advertem sobre condições fora da faixa e permitem a análise detalhada dos dados de teste com ferramentas de processamento integradas. O FlexLogger Lite, que é gratuito, destina-se ao registro manual de dados e às operações básicas do hardware NI DAQ. Um exemplo de configuração de canal para o USB-6421 é mostrado (Figura 4).

Figura 4: É mostrada uma visualização do FlexLogger Lite da configuração do canal para o USB-6421, incluindo as configurações de entrada analógica, saída analógica e E/S digital. (Fonte da imagem: Art Pini)

Os canais de entrada analógica são configurados para ler três eixos de dados de vibração e medições de pressão, temperatura e nível sonoro. Cada entrada é dimensionada para ler os sinais em unidades apropriadas para a medição. As saídas analógicas produzem níveis de alimentação de 5 e 3,3 volts, enquanto a E/S digital está configurada para ler duas entradas digitais.

O FlexLogger é um programa com recursos mais completos, destinado a testes automatizados e análise de dados ampliada. Permite a personalização das ferramentas de visualização da interface do usuário, adicionando gráficos, indicadores numéricos e medidores. A Figura 5 mostra os dados de um teste de motor (imagem menor).

Figura 5: É mostrada a visualização do FlexLogger dos resultados do teste de um motor. (Fonte da imagem: NI)

As formas de onda de três acelerômetros e um tacômetro aparecem na grade superior. Os dados de aceleração são o nível de vibração escalonado em g's versus tempo. A leitura do tacômetro, que mede a velocidade de rotação em rotações por minuto (RPM), é mostrada como um indicador de ponteiro no canto inferior direito. A execução de uma transformada rápida de Fourier (uma das ferramentas de processamento de sinal disponíveis) aos dados de vibração mostra o nível de vibração (amplitude) versus a frequência no gráfico inferior.

Conclusão

Os dispositivos NI mioDAQ combinam tecnologia de medição moderna com uma experiência de usuário facilitada. Os engenheiros de teste podem criar sistemas de teste eletromecânicos sofisticados, usando componentes mioDAQ combinados com software sem programação, como o FlexLogger da NI, ou software de sistemas premiados, como o LabVIEW da NI, para requisitos de teste mais sofisticados.