Hvorfor velge en alt-i-et datalogger?

Grunnleggende om datainnsamling

Datainnsamling refererer til prosessen med å måle fysiske fenomener som temperatur, kraft (inkludert trykk og tøyning), strømningshastighet og mye mer. Det første trinnet er å omdanne det fysiske fenomenet til et elektrisk signal, som spenning eller strøm. Dette er funksjonen til en sensor eller transduser. Ytterligere signalbehandling, som forsterkning, demping, linearisering, isolasjon og filtrering, kan være nødvendig. Denne signalbehandlingen kan utføres gjennom ekstern elektronikk, men mange datainnsamlingssystemer har innebygd signalbehandling.

For å konvertere det elektriske signalet til en digital verdi benytter datainnsamlingssystemer analog-til-digital-omformere (ADC-er). Samplingshastigheten og antall bit i ADC-en bestemmer den maksimale frekvensen på signalet som kan måles, samt oppløsningen signalet kan registreres med. For å gjenskape et analogt signal digitalt sier Nyquists teorem at samplingshastigheten må være minst dobbelt så høy som den høyeste frekvensen som måles. Dette sikrer imidlertid bare at signalets frekvens kan gjengis korrekt. For en nøyaktig gjengivelse av signalformen kreves det generelt samplingshastigheter som er fem til ti ganger høyere enn frekvensen til signalet som registreres.

Måleoppløsning refererer til hvor mange deler et signal kan deles inn i. Generelt gjør flere bit det mulig å oppdage mindre endringer i signalet. Moderne ADC-er tilbyr vanligvis 12 eller 16 bits oppløsning. En ADC med 12 bits oppløsning betyr at den minste målbare endringen i signalet kan bestemmes ved å dele inngangsområdet på 2¹², eller 4096 trinn. For et inngangsområde på 0–10 volt er den minste målbare endringen med en 12-bits ADC 2,4 millivolt.

Når signalet er konvertert til digital form, kan instrumentet vise og lagre informasjonen i sitt minne. Innsamlede data kan også bearbeides videre av en mikrokontroller eller FPGA. Eksempler på dette er matematiske operasjoner eller digital filtrering.

Oscilloskop eller datainnsamlingssystem?

Digitale lagringsoscilloskoper (DSO-er) og datainnsamlingssystemer ligner på mange måter hverandre. Funksjonsmessig er begge allsidige instrumenter som registrerer og viser tidsvarierende signaler. Begge inkluderer også signalanalyseverktøy og muligheter for datalogging. Disse instrumentene skiller seg imidlertid fra hverandre på flere områder, blant annet samplingshastighet, signalbehandlingsmuligheter og lagringskapasitet. Som følge av dette brukes de til svært ulike applikasjoner.

Oscilloskopets høye samplingshastigheter (vanligvis fra flere hundre megahertz til gigahertz) gjør det ideelt for analyse av høyhastighets- eller transiente signaler. Datainnsamlingssystemer, med større minnekapasitet og et bredt spekter av signalbehandlingsmuligheter, er bedre egnet for innsamling av ulike statiske og dynamiske signaler over lengre tidsperioder. Datainnsamlingssystemer har ofte ADC-er med høyere oppløsning, men lavere samplingshastigheter enn et oscilloskop.

Datainnsamlingssystemer tilbyr også flere kanaler, flere inngangstyper og tilleggsfunksjoner som alarmutganger. Mens et typisk DSO har 2 eller 4 innganger, kan datainnsamlingssystemer skaleres fra 4 til flere hundre kanaler. I tillegg gjør dedikerte inngangsmoduler med innebygd signalbehandling det mulig å koble vanlige sensorer direkte til systemet, som termoelementer, RTD-er, tøyningsgivere og mer. Datainnsamlingssystemer gjør det også enkelt å konfigurere inngangskanaler for spesifikke sensorer, inkludert skalering. For full systemintegrasjon kan de tilby digitale innganger for overvåking av statusen til eksterne enheter og utganger som kan aktiveres basert på brukerdefinerte betingelser.

Hvorfor velge en datalogger?

Alt-i-et dataloggere gir mange fordeler sammenlignet med andre typer datainnsamlingssystemer. Med stort internminne, en skjerm for visualisering av målekurver og analyseverktøy for etterbehandling eliminerer disse instrumentene behovet for en ekstern PC, samtidig som de tilbyr ulike kommunikasjonsporter for fjernaksess og nettverkstilkobling. Deres kompakte format, robuste design og interne batteripakke gjør dessuten datainnsamlingsopptakere ideelle for et bredt spekter av applikasjoner, inkludert vedlikehold og testing ute i felt.
 

Dataloggerne leveres med ferdig systemprogramvare for konfigurering av målekanaler, sanntidsvisning av data og analyse etter innsamling. Ingen programmering er nødvendig. Kanaloppsett er enkelt takket være forhåndsdefinerte måletyper og skalering for både standard- og spesialsensorer. For visualisering av data kan programvaren gi mulighet til å velge mellom ulike forhåndsdefinerte visninger, for eksempel tidsserier, XY-grafer eller numeriske verdier, eller la brukeren lage egne visninger. Noen dataloggere tilbyr også applikasjonsspesifikke funksjoner, som effektanalyse, som kan redusere eller eliminere behovet for ekstra instrumenter.

Figur 1: Kanaloppsettet gjør det enkelt å velge måletype, sette måleområde og konfigurere triggere.
 

For visning og analyse etter datainnsamling kan dataloggere la deg velge en fil, spille av dataene på nytt og benytte en rekke innebygde analyseverktøy.

Det kan også være tilgjengelig tilleggsprogramvare for offline-analyse, eksport av data til vanlige filformater og fjernstyring av instrumentene.

Valg av datalogger

Ved valg av dataopptaker er det viktig å sikre at instrumentet oppfyller både dagens og fremtidige målebehov. Dette kan omfatte antall kanaler, maksimal samplingshastighet, støttede måletyper, samplingsmetode og lagringskapasitet. Andre krav, som behov for synkronisering med andre systemer eller innsamling av CAN-bus-signaler, kan også være viktige vurderinger. Likevel er det ofte de mindre håndfaste faktorene – som brukervennlighet, programvarefunksjoner, leverandørstøtte, tjenester og utvidelsesmuligheter – som gir størst forretningsverdi og langsiktig tilfredshet.

Samplingshastigheten bør velges ut fra hvilken type signaler som skal registreres. Miljøparametere som temperatur og luftfuktighet er statiske og langsomt varierende signaler som kan registreres nøyaktig ved lave samplingshastigheter (typisk 10 til flere hundre målinger per sekund). Dynamiske signaler som vibrasjon og mekanisk støt endrer seg derimot raskt og krever langt høyere samplingshastigheter (typisk tusenvis eller millioner av målinger per sekund). Som nevnt tidligere krever nøyaktig gjengivelse av et dynamisk signal en samplingshastighet på minst det dobbelte av den forventede frekvensen.

I tillegg til maksimal samplingshastighet er det viktig å forstå hvordan målingene samles inn. Dataloggere registrerer målinger på én av to måter: multiplekset eller simultan sampling.

Ved multiplekset sampling skanner instrumentet de aktiverte inngangskanalene og registrerer ett datapunkt fra hver kanal. Alle kanalene deler én felles ADC. Siden det finnes en fast forsinkelse mellom kanalene på grunn av kobling og stabiliseringstid, begrenses den maksimale samplingshastigheten av antallet kanaler. Dataloggere med multiplekset sampling passer best til innsamling av statiske målinger over mange kanaler og over lange tidsperioder.

Ved simultan sampling har hver kanal sin egen ADC, og alle målinger registreres samtidig med en brukerdefinert hastighet. ADC-ene er også synkronisert mot en felles tidsbase slik at målingene kan knyttes til samme tidsstempel. Dette er viktig ved sammenligning av dynamiske signaler. Det er mulig å registrere både statiske og dynamiske signaler samtidig, men å registrere langsomt varierende signaler med høy samplingshastighet er en lite effektiv bruk av lagringsplass.

For applikasjoner der det er ønskelig å måle både statiske og dynamiske signaler, er det en fordel å velge en dataopptaker som støtter flere samplingshastigheter. Dette gjør det mulig å registrere langsomme signaler med lav hastighet og raske signaler med høy hastighet samtidig som tilgjengelig lagringsplass utnyttes best mulig. Produsentene tilbyr ofte produktserier med ulike kanalantall, samplingsmetoder og maksimale samplingshastigheter.

Mange dataloggere har spor for dedikerte målemoduler. Denne modulære arkitekturen gjør det mulig å konfigurere systemet med riktig kombinasjon av inngangsmoduler, maksimere ytelsen og eliminere behovet for ekstern signalbehandling. Et konfigurerbart system gjør det også mulig å oppgradere instrumentet etter hvert som testbehovene endrer seg.

For synkronisering av innsamlede data innenfor ett system eller mellom flere systemer tilbyr mange dataloggere innganger for tidssignaler. De vanligste typene er IRIG og GPS. Begge benytter dedikerte innganger på instrumentet.

Figur 3: Ti aktive kanaler på et 1 kHz multiplekset system sammenlignet med et 1 kHz system med simultan datainnsamling

IRIG ble utviklet på 1950-tallet av den amerikanske militære organisasjonen Inter-range Instrumentation Group (IRIG) som en protokoll for overføring av presis tidsinformasjon. Standarden har utviklet seg gjennom årene og inkluderer flere tidskodevarianter med bokstavbetegnelser. De nåværende tidskodene er A, B, D, E, G og H. Tidskoden spesifiserer bithastighet, bittid, antall bit per ramme, rammetid og rammefrekvens. Ved valg av datainnsamlingssystem er det viktig å kontrollere at ønsket tidskode støttes av instrumentet.

GPS-synkronisering er basert på et svært nøyaktig PPS-signal (Pulse Per Second) fra GPS-satellitter. En GPS-mottaker er nødvendig for å motta signalet og generere PPS-utgangen. Fordelen med GPS-synkronisering er at den gjør det mulig å utføre synkroniserte målinger over store geografiske områder. Den gir også et absolutt tidsstempel.

Tilgjengelig lagringskapasitet er en viktig faktor ved valg mellom ulike modeller. Applikasjoner som krever få kanaler eller lave samplingshastigheter trenger ikke mye lagringsplass, mens innsamling fra mange kanaler ved høye samplingshastigheter raskt kan fylle en harddisk. Ved bruk som frittstående enhet må instrumentet ha tilstrekkelig minne til å lagre alle målingene i ønsket tidsperiode.

B&K Precisions produktserie for dataloggere

B&K Precision tilbyr et komplett utvalg av alt-i-et dataloggere, fra portable flerkanalsystemer til høyhastighets og konfigurerbare systemer. Alle B&K Precisions dataloggere leveres med brukervennlig innebygd programvare, og programvareoppdateringer er gratis hele instrumentets levetid. Utvalgsguiden hjelper brukeren med å velge riktig produkt til den aktuelle applikasjonen.

DAS200-serien er B&Ks minste og mest portable løsning. DAS220 og DAS240 har en maksimal samplingshastighet på 1000 Sa/s og kan håndtere henholdsvis 10 og 20 kanaler. DAS240 kan dessuten utvides til 200 kanaler ved å seriekoble flere terminalblokker. Med universelle innganger og opptil 15 timers batteritid er DAS200-serien ideell for mange ulike applikasjoner, inkludert temperaturlogging og prosessovervåking.

DAS30/50/60-serien er en høyhastighets multifunksjonell dataopptaker som tilbyr samplingshastigheter opp til 1 MSa/s og opptil 6 kanaler. Den simultane innsamlingsmetoden gjør denne dataloggeren ideell for applikasjoner som vedlikehold og feilanalyse, elektrisk effektanalyse og motortesting. For utskrift av papirkopier av data finnes det en fabrikkmontert termoprinter på 110 mm som tilvalg.

DAS1700 er et høyhastighets, konfigurerbart system som tilbyr funksjoner og ytelse i toppklassen. DAS1700 leverer høy samplingshastighet (opptil 1 MS/s), høyt kanalantall (opptil 72), høy oppløsning (14 eller 16 bit) og stor lagringskapasitet for registrering av data over lange tidsperioder. Det modulære formatet med fire tilgjengelige målekort gjør instrumentet svært allsidig og egnet for nær sagt enhver applikasjon. Programvaren til DAS1700 inkluderer også en dedikert effektanalysemodus for testing av enfase- eller trefasenett.

Nye DAS1820 er et kompakt og portabelt høyhastighets dataregistreringssystem med to modulplasser og opptil 16 analoge kanaler. Systemet støtter samplingshastigheter på opptil 1 MSa/s per kanal og kan konfigureres med universelle, høyimpedante, høyspennings- eller multipleksede inngangsmoduler. Med mulighet for måling av signaler opptil ±1500 VDC, integrert effektanalyse for DC-, enfase- og trefasesystemer, samt avanserte trigge- og synkroniseringsfunksjoner, er DAS1820 velegnet for applikasjoner som effektanalyse, produktverifikasjon, feilsøking og prosessovervåking. Den 12" store berøringsskjermen, 500 GB intern SSD og batteridrift på opptil 4 timer gjør instrumentet godt egnet både i laboratoriet og ute i felt.

Figur 4: Innebygd programvare for trefase elektrisk effektanalyse.