Simplifique las pruebas electromecánicas con un sistema de adquisición de datos basado en USB

Los sistemas electromecánicos combinan componentes eléctricos y mecánicos para dispositivos como motores, compresores, bombas, sensores, actuadores y electrónica de control en aplicaciones de fabricación, aeroespaciales, de automoción, médicas y de robótica. Estos dispositivos deben probarse y controlarse eléctrica y mecánicamente para garantizar su correcto funcionamiento.

Para proporcionar datos precisos y fiables, el equipo necesario debe ser compatible con el dispositivo sometido a prueba y con el método o los procedimientos de prueba. El equipo de pruebas debe manejar múltiples canales de entrada/salida (E/S) analógicos y digitales para medir y controlar estos dispositivos, junto con instrumentos de medición básicos como contadores/temporizadores y fuentes de alimentación. Los instrumentos de TEST deben funcionar con software integrado para proporcionar mediciones, pantallas en tiempo real e informes detallados.

Seleccionar e integrar el hardware y el software necesarios para realizar estas pruebas puede llevar mucho tiempo y ser costoso. Para ayudar a los diseñadores, se han desarrollado instrumentos modulares USB de adquisición de datos que combinan la tecnología más avanzada con una amplia gama de herramientas de prueba de software para validar los sistemas electromecánicos más complejos.

Este artículo describe los retos a los que se enfrentan los diseñadores que prueban dispositivos electromecánicos. A continuación, presenta los instrumentos mioDAQ de NI y muestra cómo pueden aplicarse para simplificar las pruebas electromecánicas estándar con el fin de acelerar el desarrollo y la implantación.

Pruebas electromecánicas

Consideremos un sencillo banco de pruebas de motores compuesto por un motor montado en un banco de pruebas conectado a una carga suspendida entre dos bloques de cojinetes (figura 1). El equipo se controla mediante un controlador de motor, que controla la velocidad del motor en función de un voltaje eléctrico. La disposición utiliza un tacómetro óptico para medir la velocidad de rotación del motor y tres acelerómetros para medir la vibración mecánica en las direcciones X, Y y Z en el bloque de cojinetes interior.

Figura 1: Se muestra un banco de pruebas de vibración de motores que utiliza un tacómetro óptico para medir la velocidad de rotación del motor y acelerómetros para medir la vibración relacionada con el motor a lo largo de tres ejes ortogonales del bloque de cojinetes interior. (Fuente de la imagen: NI)

El objetivo del banco de pruebas es determinar los niveles máximos de vibración y la velocidad de rotación a la que se producen. El procedimiento consiste en variar linealmente la velocidad del motor mientras se controlan los niveles de vibración y se registran ambos.

Para realizar esta prueba se necesitan varios instrumentos. En primer lugar, se necesitan canales de medición analógicos para supervisar y registrar las tres salidas del acelerómetro. Otro canal analógico debe controlar el tacómetro para medir la velocidad de rotación del motor. Se necesita una tensión de salida analógica para controlar la velocidad del motor. Una salida de señal digital avisa al controlador del motor para encenderlo y apagarlo. Otra salida de señal digital permite seleccionar el sentido de giro del motor.

Así, en su forma más simple, esta prueba de motor requiere un mínimo de cuatro entradas analógicas, una salida analógica y dos salidas digitales. En pruebas más complejas podrían añadirse sensores de vibración, sensores de temperatura, como termopares, y transductores de presión, entre otros.

El sistema de adquisición de datos

Para los ensayos electromecánicos, se necesita un sistema de adquisición de datos (DAQ) que incluya un dispositivo DAQ para medición y control, una computadora y software de apoyo. El hardware de adquisición de datos USB de NI mioDAQ cubre esta necesidad con la Serie NI USB-6400, que proporciona cuatro dispositivos DAQ USB entre los que elegir (Figura 2).

Figura 2: Esta tabla resume las características de los cuatro dispositivos de la Serie mioDAQ USB-6400. (Fuente de la imagen: NI)

La serie mioDAQ ofrece a los ingenieros de TEST cuatro opciones en la configuración de un dispositivo DAQ:

• Resolución de amplitud de 16 o 20 bits con entradas de ±10 voltios de escala completa máxima
• Muestras de 250 kilo por segundo (kS/s) multiplexadas o frecuencias de muestreo de 1 mega muestra por segundo (MS/s)
• Canales de entrada dispuestos como 16 ó 32 canales de un extremo (SE) u 8 ó 16 canales diferenciales (DI)
• Dos o cuatro canales de salida con un rango de ±10 voltios para control, simulación o generación de señales

Todos los modelos se controlan y alimentan a través de un puerto USB-C e incluyen 16 líneas de E/S digitales y cuatro contadores/temporizadores de 32 bits. También utilizan una base de tiempo integrada de 100 megahercios (MHz) que controla todos los circuitos digitales, incluidos los relojes de muestreo, las líneas de disparo y los contadores/temporizadores. Cada tipo de canal tiene un motor de temporización independiente basado en la base de tiempos integrada. La temporización de los canales de entrada y salida analógicos y de las líneas de E/S digitales puede ajustarse a diferentes velocidades. Los dispositivos USB NI mioDAQ también incluyen autocalibración a través del software de control, que inicia la autocalibración y compensa las variaciones ambientales y sistemáticas utilizando una ecuación de calibración multivariable para una calibración rápida sin retraso de procesamiento perceptible. Almacena los datos resultantes en una EEPROM integrada.

Otra característica del dispositivo mioDAQ es el pin de identificación inteligente, que añade inteligencia al banco de pruebas. El pin de conexión Smart DI se comunica con una EEPROM de 1 cable suministrada por el usuario para leer la información del dispositivo bajo prueba (DUT) y garantizar que los cables están conectados a los puertos correctos. El pin permite ahorrar tiempo y reducir errores en el banco de pruebas.

Existen cuatro modelos de dispositivos específicos de adquisición de datos. El USB-6421 (789887-01) es el dispositivo más económico. Proporciona 16 canales SE u 8 DI utilizando un único convertidor de analógico a digital (ADC) multiplexado muestreado a una velocidad de hasta 250 kS/s e incluye canales de salida analógica duales.

El USB-6423 (789882-01) duplica el número de canales multiplexados a 32 SE o 16 DI y aumenta la capacidad de salida analógica a cuatro canales.

El USB-6451 (789888-01) aumenta el número de ADC a ocho. También aumenta la resolución de CA a 20 bits y la frecuencia de muestreo máxima a 1 MS/s. Ofrece ocho canales con muestreo simultáneo y hasta 16 canales en modo multiplexado.

El USB-6453 (789884-01) ofrece la capacidad más significativa; duplica el número de ADC de 20 bits y 1 MS/s hasta 16 y aumenta el número máximo de canales hasta 16 con muestreo simultáneo y 32 en modo de muestreo multiplexado.

Los cuatro modelos están alojados en un receptáculo de 177 milímetros (mm) de ancho por 30.4 mm de alto y 116.7 mm de profundidad (Figura 3).

Figura 3: Vista completa del USB-6453 (izquierda), miembro de la serie USB-6400, junto con sus paneles frontal (derecha, arriba) y trasero (derecha, abajo). (Fuente de la imagen: NI)

El panel frontal proporciona acceso a todas las señales analógicas y digitales. Las conexiones se realizan mediante dos conectores de terminal de resorte de montaje frontal de 36 posiciones, que aceptan cables de #26 AWG a #16 AWG. Las carcasas traseras de los conectores de los bornes de resorte se suministran para aliviar la tensión. La compensación de la soladura en frío (CJC) está integrada para las mediciones de termopares.

El paquete del dispositivo mioDAQ incluye orificios de montaje con cremallera en la parte posterior y en los laterales y un tornillo de bloqueo USB en la parte posterior para fijar rápidamente los cables e integrar el instrumento. Existen kits de montaje opcionales para fijar el dispositivo a un bastidor de 19 pulgadas (in) o a carriles DIN con orientación horizontal o vertical.

El uso de un código QR por parte de mioDAQ significa que la pérdida de documentación es cosa del pasado. Los usuarios escanean el código QR de la parte posterior del módulo para acceder rápidamente al manual de usuario, las especificaciones, la distribución de pines y los enlaces para descargar el software de control y análisis y los controladores.

Especificaciones del canal

Dispone de hasta 32 canales de entrada analógica, con un rango máximo de escala completa de -10 V a +10 V, una resolución de 16 o 20 bits y una frecuencia de muestreo máxima de 250 kS/s o 1 MS/s (según el modelo). Los rangos inferiores de -0.2 V a +0.2 V, -1 V a +1 V y -5 V a +5 V pueden adaptar la señal de entrada al rango de entrada para optimizar el rango dinámico.

Las salidas analógicas tienen un rango de tensión de -10 V a +10 V y se sincronizan a 200 kS/s por canal. Pueden crear formas de onda no periódicas o periódicas para generar señales de control analógicas o simular sensores.

Las líneas de E/S digitales pueden configurarse independientemente como entrada o salida. Son programables con umbrales de tensión lógica de 5, 3.3 o 2.5 voltios y pueden enrutar relojes externos o señales de disparo al dispositivo o controlar los contadores/temporizadores internos.

Software DAQ

Los dispositivos mioDAQ se pueden controlar con múltiples paquetes de software, incluyendo LabVIEW de NI, LabVIEW+, Python y el software de registro FlexLogger de NI. El controlador NI-DAQmx de NI soporta programación personalizada en C/C++, C#, VB 6.0 y VB.NET e incluye ejemplos de programación y funciones de biblioteca para operaciones DAQ.

FlexLogger es un paquete de software sin código que permite a los ingenieros de pruebas controlar, visualizar y guardar datos de pruebas de dispositivos DAQ. Permite establecer límites en los valores medidos, mientras que las alarmas advierten de las condiciones fuera de rango y permiten el análisis detallado de los datos de prueba con herramientas de procesamiento incorporadas. FlexLogger Lite, que es gratuito, está pensado para el registro manual de datos y las operaciones básicas del hardware DAQ de NI. Se muestra un ejemplo de configuración de canal para el USB-6421 (Figura 4).

Figura 4: Se muestra una vista de FlexLogger Lite de la configuración del canal para el USB-6421, incluidos los ajustes de entrada analógica, salida analógica y E/S digital. (Fuente de la imagen: Art Pini)

Los canales de entrada analógica están configurados para leer tres ejes de datos de vibración y mediciones de presión, temperatura y nivel sonoro. Cada entrada se escala para leer las señales en unidades adecuadas a la medición. Las salidas analógicas producen niveles de potencia de 5 y 3.3 voltios, mientras que la E/S digital está configurada para leer dos entradas digitales.

FlexLogger es un programa más completo destinado a la automatización de pruebas y al análisis ampliado de datos. Permite personalizar las herramientas de visualización de la interfaz de usuario añadiendo gráficos, indicadores numéricos y medidores. La figura 5 muestra los datos de una prueba con motor (recuadro).

Figura 5: Se muestra la vista de FlexLogger de los resultados de las pruebas de un motor. (Fuente de la imagen: NI)

Las formas de onda de tres acelerómetros y un tacómetro aparecen en la cuadrícula superior. Los datos de aceleración son el nivel de vibración escalado en g en función del tiempo. La lectura del tacómetro, que mide la velocidad de rotación en revoluciones por minuto (RPM), se muestra como un reloj comparador en la esquina inferior derecha. La aplicación de una transformada rápida de Fourier (una de las herramientas de procesamiento de señales disponibles) a los datos de vibración muestra el nivel de vibración (amplitud) frente a la frecuencia en el gráfico inferior.

Conclusión:

Los dispositivos NI mioDAQ fusionan la tecnología de medida moderna con una experiencia de usuario sencilla. Los ingenieros de pruebas pueden construir sofisticados sistemas de pruebas electromecánicas utilizando componentes mioDAQ emparejados con software sin programación como FlexLogger de NI o software de sistemas galardonado como LabVIEW de NI para requisitos de pruebas más sofisticados.