Беспроводной сбор данных: практическое руководство по вибрационным и динамическим испытаниям

Инженер по вводу в эксплуатацию выходит на турбинную площадку с восемью акселерометрами, ноутбуком и отсутствием возможности проложить кабели от корпусов подшипников в диспетчерскую, не пересекая проход. Это тот момент, когда беспроводной сбор данных перестает быть удобством и становится единственным практическим вариантом. Но фраза «беспроводной сбор данных» описывает две совершенно разные системные архитектуры, и выбор неправильной архитектуры для испытаний на вибрацию или шум может стоить вам точности фазы, количества каналов и недель поиска и устранения неисправностей. Короткая версия: для большинства механических измерений беспроводная связь находится между интерфейсом сбора данных и главным компьютером, а не между датчиком и дигитайзером.

Что на самом деле включает в себя «беспроводной сбор данных»

Когда поставщики используют этот термин, они обычно имеют в виду одну из двух компоновок.

Автономные беспроводные сенсорные узлы

Каждый узел представляет собой автономную точку измерения: вход датчика, маломощный аналого-цифровой преобразователь, аккумулятор и радио. Эти узлы напрямую взаимодействуют со шлюзом, который пересылает данные в программное обеспечение. Они хорошо подходят для широко распределенных точек, где частота дискретизации остается низкой и вам не требуется межканальное согласование фаз между отдельными узлами.

Сетевой интерфейс сбора данных с беспроводной передачей

Вторая архитектура позволяет расположить дигитайзер рядом с датчиками, но заменяет последний кабель радиоканалом. Многоканальный динамический анализатор сигналов находится в месте измерения и подключается к главному ПК через Wi-Fi, сотовый модем или частный радиомост. Датчики все еще подключены, но долгий и хрупкий путь возврата в диспетчерскую исчез.

Это различие имеет значение, поскольку оно определяет, какую часть каждого атрибута измерения вы сохраните. Узел с батарейным питанием, который производит отбор проб со скоростью несколько килограммов в секунду, полезен для регулярной проверки состояния. Это не инструмент для 16-канального модального теста, для которого требуется полоса анализа 20 кГц. Прежде чем оценивать какого-либо поставщика, определите, какая архитектура соответствует вашему объекту тестирования и типу сигнала.

Пять вещей, которые нужно проверить, прежде чем сделать выбор

Реализации беспроводных сетей предсказуемо терпят неудачу. Прежде чем принять решение, сверьте эти пять пунктов с любой указанной системой.

1. Синхронизация каналов. Каждый радиоподключенный узел имеет свои собственные часы. Если узлы не имеют общей временной базы, относительная фаза между каналами смещается. Проверьте механизм синхронизации: некоторые системы фиксируют время каждой выборки и исправляют отклонение в программном обеспечении; другие привязаны к радиомаяку. Запросите конкретный показатель фазовой ошибки за определенный период измерения.
2. Частота дискретизации в зависимости от пропускной способности. Один канал Wi-Fi имеет общую пропускную способность. Восемь узлов со скоростью 51,2 тыс. выборок в секунду каждый в одной точке доступа не будут доставлять непрерывные данные; они будут буферизовать, отбрасывать кадры или понижать дискретизацию. Подтвердите непрерывную скорость на канал с учетом количества узлов и ожидаемого рабочего цикла.
3. Совместимость датчиков. Преобразователи вибрации далеко не однородны. Акселерометрам заряда необходим усилитель заряда; Акселерометрам IEPE требуется возбуждение постоянным током; тензоперемычки нуждаются в доработке моста и прецизионном источнике напряжения. Если беспроводной узел не может правильно подать возбуждение или отключить датчик, значит, вы не удалили блок формирования сигнала из цепи.
4. Энергетическая логистика. Батареи являются обычной причиной бесшумной потери данных. Для приложения мониторинга, которое должно работать в течение нескольких месяцев, «беспроводной» узел с трехнедельным сроком службы батареи по-прежнему представляет собой кабель к солнечной панели или адаптеру переменного тока. Честный вопрос заключается в том, удаляете ли вы кабель передачи данных или просто заменяете его более коротким кабелем питания.
5. Радиосреда. Корпуса из листового металла, бетонные настилы, моторные приводы и другие конструкции предприятия ослабляют сигналы диапазонов 2,4 ГГц и 5 ГГц. Планируйте размещение антенны снаружи тестовых объектов и проверяйте возможности линии связи, а не доверяйте заявленному радиусу действия на открытом воздухе.

Архитектура, которая подходит для испытаний на вибрацию и шум

Для вибрации, шума и модальной работы лучше всего подходит подход локального дигитайзера. Анализатор остается полноценным анализатором динамических сигналов — с 24-битным преобразователем, поканальными фильтрами сглаживания, входами IEPE и заряда, а также управляемым межканальным фазовым согласованием — и только транзитная связь с хостом является беспроводной. Несколько анализаторов могут быть размещены в нескольких физических кластерах, каждый из которых обрабатывает шесть, восемь или шестнадцать каналов, в то время как один компьютер контролирует испытание из прицепа или кабины управления.

Именно здесь компромисс между удобством и точностью наконец приходит в равновесие. Сетевой прибор, такой как ZTN8208I, принимает входные сигналы напряжения и IEPE по восьми каналам и непрерывно передает данные по каналу Ethernet со скоростью 100 Мбит/с, который можно подключить к беспроводному мосту без каких-либо изменений в пути измерения. Если вы хотите знать чем динамический анализатор сигналов отличается от традиционного регистратора данных , ответ заключается в согласовании входного сигнала и архитектуре фиксированной выборки, а не в радио.

ZT-N8208I Динамический анализатор сигналов напряжения/IEPE с потоковой передачей данных по Ethernet Этот восьмиканальный анализатор поддерживает входы напряжения и IEPE с 24-битной архитектурой, обеспечивая низкий уровень шума и непрерывную потоковую передачу данных по Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Он подходит для высокоточных измерительных систем, где сигналы датчиков должны быть точно оцифрованы перед беспроводной передачей. Посмотреть продукт →

Когда тест требует более низкого уровня шума и более высокой пропускной способности, следующим шагом являются гигабитные анализаторы сетей. ZTG8204C, четырехканальная малошумящая модель с той же 24-битной архитектурой, подходит для высокоточных измерений частотной характеристики, когда уровень возбуждения невелик и каждый микровольт сигнала датчика должен выдержать оцифровку без изменений.

ZT-G8204C Малошумящий четырехканальный динамический анализатор сигналов Благодаря частоте дискретизации Gigabit Ethernet до 128 кГц на канал и тому же 24-битному преобразователю этот малошумящий анализатор подходит для испытаний частотных характеристик с малым возбуждением, где сохранение каждого микровольта сигнала датчика имеет решающее значение. Посмотреть продукт →

Где беспроводной сбор данных приносит прибыль

Самым веским оправданием использования беспроводной связи является не удобство в лаборатории; это доступ. Три группы приложений продолжают возвращаться.

Вращающееся оборудование и внутризаводской мониторинг состояния

Двигатели, насосы, компрессоры и вентиляторы располагаются в местах, где прокладка контрольно-измерительного кабеля во время работы машины является дорогостоящей, небезопасной или невозможной. Локальный анализатор, подключенный к сети предприятия, сообщает об общих уровнях, частотах подшипников и спектрах на центральный экран мониторинга, при этом никто не поднимается на конструкцию.

Гражданские конструкции и испытания на открытом воздухе

Обследования мостов, башен и трубопроводов обычно охватывают большие пролеты при отсутствии электропитания на объекте. Распределенные анализаторы с локальными источниками постоянного тока и беспроводной транспортной связью позволяют испытательной бригаде регистрировать вибрацию, вызванную дорожным движением, без протягивания кабеля вдоль пролета. Компактный четырехканальный блок, такой как ZTN8204C, обеспечивает низкую стоимость точки при сохранении напряжения и входов IEPE, которых обычно достаточно для этого класса работ.

Испытания автомобилей и транспорта

Когда тестируемый объект движется, кабель к стационарному компьютеру либо ограничивает движение, либо представляет опасность. Беспроводная связь между бортовым анализатором и следующим за ним транспортным средством или кабиной управления легко решает эту проблему.

ZT-N8204C Многоканальный анализатор сбора данных «три в одном» Этот анализатор принимает входы IEPE, заряда и напряжения со встроенной регулировкой усиления, исключающей использование внешних адаптеров. Он хорошо подходит для перемещения или вращения тестовых объектов, где встроенная оцифровка и беспроводная передача данных заменяют ограничения по кабелю. Посмотреть продукт →

В каждом случае общей особенностью является то, что датчики записывают данные в месте измерения, близком к сооружению, а передача данных осуществляется только по беспроводной сети. Там, где достаточно простых уровней вибрации, по-прежнему имеют место узлы малой мощности; там, где важны фаза, полоса пропускания или динамический диапазон, оцифровывайте локально и передавайте позже.

Практический контрольный список для сравнения

При параллельной оценке котировок таблица более полезна, чем список функций. Приведенное ниже сравнение отражает типичные характеристики трех обсуждаемых подходов.

Обратите внимание на то, что дает вам средний столбец: те же параметры измерения, что и у анализатора с кабельным подключением, за исключением длинного кабеля. Когда область применения выходит за рамки одного анализатора — программное обеспечение для возбуждения, датчиков, сбора данных и анализа в одном готовом пакете — комплексные системы вибрационных и динамических испытаний охватить эту область как единую инженерную работу.

Практическое правило беспроводного сбора данных коротко и несентиментально: сделать так, чтобы радиоканал передавал наименее чувствительную часть сигнальной цепи. Держите датчики подключенными к реальному интерфейсу сбора данных, держите этот интерфейс близко к точке измерения и используйте беспроводную связь только для окончательного обратного подключения к человеку, которому нужны данные. Когда вы это сделаете, беспроводная связь перестанет быть компромиссом и станет надежным инструментом для испытаний на вибрацию, шум и модальные испытания, а длинные кабели останутся в ящике, где им и место.