wykorzystanie modułów pomiarowych lan

MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Dr inż. Dariusz RODZIK
Mgr in. Stanisław GRZYWIŃSKI
Dr inż. Maciej PODCIECHOWSKI
Dr inż. Stanisław ŻYGADŁO
Wojskowa Akademia Techniczna
WYKORZYSTANIE MODUŁÓW POMIAROWYCH LAN-XI
DO REJESTRACJI I AKWIZYCJI PARAMETRÓW
WIBROAKUSTYCZNYCH LOTU BEZZAŁOGOWEGO
STATKU POWIETRZNEGO
Streszczenie: W referacie opisano przykład wykorzystania modułów
pomiarowych LAN-XI do rejestracji i akwizycji parametrów wibroakustycznych lotu bezzałogowego statku powietrznego. Podano parametry
i konfigurację toru pomiarowego. Zaprezentowano przykładowe wyniki.
USING LAN-XI MEASUREMENT MODULAR UNITS
FOR REGISTRATION AND ACQUISITION OF VIBROACOUSTIC
PARAMETERS OF UNMANNED AERIAL VEHICLE FLIGHT
Abstract: In the paper the example of using LAN-XI measurement modules
for registration and acquisition of vibroacoustic parameters of unmanned
aerial vehicle flight is described. Parameters and configuration of
measurement channel are given. Examples of results are presented.
Słowa kluczowe: wibroakustyka, system pomiarowy, BSL
Keywords: vibroacoustic, measurement system, UAV
1. WPROWADZENIE
Wraz z ciągłym wzrostem wymagań wobec wydajności pracy w pomiarach dźwięku i drgań,
spotyka się często potrzebę, aby wykonywać pomiary szybciej, z większą liczbą kanałów
pomiarowych jednocześnie, bez znajomości skomplikowanych przyrządów pomiarowych.
Niemniej jednak nieocenioną zaletą jest możliwość wykonania pomiarów w różnych
warunkach, bardzo często przy braku dostępu do zewnętrznego zasilania oraz z wymogami
zwartej i ograniczonej wymiarowo aperturze pomiarowej. Jakkolwiek w dziedzinie
pomiarowej nastąpił ogromny postęp, to w przypadku mobilnej wersji części sprzętowej
dedykowanej zadaniom pomiaru zaburzeń wibroakustycznych nie odnotowano na przestrzeni
ostatnich lat znaczących ulepszeń.
Z przeprowadzonego sondażu wynika, że dobry system akwizycji danych powinien
charakteryzować następujący zestaw cech: łatwość uruchomienia i obsługi, szybka zmiana
konfiguracji, przystosowanie do użycia w terenie (trwałość, zwartość, poręczność) oraz duża
dokładność pomiarów [1].
W rezultacie powstała generacja modułów pomiarowych nazwana LAN-XI, w których dzięki
wykorzystaniu tych samych elementów (kaset) można zestawiać od kilku do kilkuset kanałów
637
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
w jednym systemie pomiarowym. Dowolna liczba kaset, stojaków i pojedynczych modułów
może być przez użytkownika łączona lub dzielona na mniejsze układy pomiarowe.
Celem artykułu jest prezentacja możliwości pomiarowych technologii LAN-XI na przykładzie
przeprowadzonych badań odgłosów małego modelu samolotu w locie [2].
2. CHARAKTERYSTYKA TECHNOLOGII POMIAROWEJ LAN-XI
Technologia LAN-XI wykorzystuje rozwiązania zasilania poprzez sieć typu PoE (ang. Power
over Ethernet) oraz synchronizacji za pomocą protokołu PTP (ang. Precision Timing
Protocol), a zarówno komunikacja pomiędzy modułami, jak i transmisja danych oparta jest na
gigabitowym interfejsie LAN. Dzięki przepustowości interfejsu wyeliminowano protokoły
synchronizujące i stosowanie dodatkowych przewodów. Co więcej, uzyskano możliwość
połączenia nawet kilkuset oddzielnych modułów pomiarowych, co pozwoliło na jednoczesną
rejestrację i podgląd dużej ilości kanałów. Taka struktura systemu pomiarowego może
obsługiwać wirtualnie połączone ze sobą moduły tworzące rozproszoną sieć pomiarową.
Każdy moduł pomiarowy jest sam w sobie kompletnym systemem i może pracować osobno.
Dzięki standaryzacji może on być elementem połączonym z innymi w sieci lub zostać
zainstalowany w kasecie lub na stojaku, co upraszcza obsługę, serwis i skraca czas potrzebny
na przeszkolenie personelu. LAN-XI korzysta z nowoczesnych technik Dyn-X i REq-X [1],
dzięki którym wyeliminowany został problem z przesterowaniem kanałów przez
zastosowanie dopasowanych układów automatycznej regulacji wzmocnienia. Ponadto
zastosowanie technologii REq-X poszerza zakres częstotliwości przetworników pomiarowych
przez programowe spłaszczenie odpowiedzi częstotliwościowej przy wykorzystaniu filtru
dopasowanego.
a)
b)
c)
Rys. 1. Wyświetlacz komunikacyjny (a), wskaźnik stanu modułu zasilania (b), moduł
pomiarowy i zasilania kasety LAN-XI (c) [3]
Każdy moduł LAN-XI wyposażony jest w miniaturowy wyświetlacz, informujący o jego
stanie oraz podający dane identyfikacyjne (rys. 1a), a każdy kanał monitoruje ewentualne
przesterowania, błędy w połączeniach i zasilaniu przetworników. Moduły mają własne strony
internetowe do przechowywania różnych informacji, np. dotyczących kalibracji.
638
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
Poprawne przygotowanie torów pomiarowych i wprowadzenie nastaw przetworników
zapewnia wbudowana standardowo funkcja TEDS (ang. Transducer Electronic Data Sweet).
Część sprzętowa LAN-XI współpracuje ze wszystkimi aplikacjami systemu PULSE i I-deas
Test [1]. Z punktu widzenia obsługi i dokładności pomiarów, oba rozwiązania są w pełni
zgodne i mogą bez przeszkód współpracować. Moduły nie mają żadnych wentylatorów, przez
co ich praca jest praktycznie bezszmerowa.
3. REJESTRACJA I AKWIZYCJA PARAMETRÓW WIBROAKUSTYCZNYCH
LOTU BEZZAŁOGOWEGO STATKU POWIETRZNEGO
Opisaną technologię LAN-XI zastosowano w badaniach bezzałogowego statku powietrznego
(BSL) [2]. Celem prowadzonych badań było określenie wartości poziomu wibracji i emisji
akustycznej wywołanych pracą elementów mechanicznych BSL oraz wyznaczenie stosunku
S/N dla stosowanej aparatury pomiarowej. Wykonano serię pomiarów, aby określić wartości
parametrów drgań i emisji akustycznej w wybranych miejscach wykorzystanego w badaniach
modelu samolotu.
3.1. Podstawowe wymagania dla toru pomiarowego [4]
Tor pomiarowy powinien odpowiadać rygorom określonym następującymi normami serii
IEC: 61000, 61010, 61326, 60068 oraz ISO 7637. Pasmo pracy toru pomiarowego powinno
zawierać się w przedziale od kilkudziesięciu Hz do kilkudziesięciu kHz oraz zapewnić
rejestrację sygnału na poziomie do 160 dB. Układy elektroniczne powinny posiadać zasilanie
autonomiczne. Przedział częstotliwości pracy układów przetwarzania i akwizycji danych
powinien pokrywać się z zakresem pracy używanych czujników pomiarowych,
a stosowane oprogramowanie powinno być funkcjonalne, niezawodne i łatwe w obsłudze.
3.2. Konfiguracja toru pomiarowego
Schemat blokowy zastosowanego systemu pomiarowego przedstawiono na rys. 2.
Rys. 2. Schemat funkcjonalny systemu do pomiaru
W skład skonfigurowanego systemu pomiarowego wchodzą następujące elementy:
‒ czujniki pomiarowe (M1, M2 – mikrofony i ACC – akcelerometr 3-osiowy), których
zadaniem jest przemiana sygnałów akustycznych i drgań w sygnały elektryczne;
‒ układy dopasowujące, których zadaniem jest dopasowanie impedancyjne czujników
pomiarowych do wejściowych układów wzmacniających oraz filtracja rejestrowanych
sygnałów;
‒ układy wzmacniające, mające za zadanie wzmocnić sygnał w postaci analogowej do
odpowiedniego poziomu, umożliwiającego dalszą jego obróbkę;
‒ obwody wejściowe ADC, których zadaniem jest zamiana sygnału z postaci
analogowej na cyfrową;
639
ME
ECHANIK 7/2
2014
XVIII Międzynaroddowa Szkoła Komputeroweg
K
go Wspomagaania Projektow
wania, Wytwaarzania i Eksp
ploatacji
‒
‒
uukłady przzetwarzania i akwizyccji danych
h, które przetwarzają i gromadzą dane
w odpowieddniej postacci;
ooprogramow
wanie do an
nalizy i prezzentacji wyn
ników.
Rozwiąązania w zakresie czujników
w pomiarowych i układów dopasowu
ujących.
Zastosoowane do baadań czujnik
ki pomiarow
we (rys. 3) charakteryzu
c
ują się barddzo wysoką jakością
wykonaania. Konstrrukcja wyk
konana jestt ze stali nierdzewnej,
n
, o dużej cczułości meembrany
spawaneej laserowoo. Wykorzy
ystane w baadaniach prrzetwornikii charakteryyzują bardzzo dobre
dopasow
wanie fazow
we w obręb
bie danego typu i wb
budowana funkcja
f
TED
DS, która służy
s
do
przechoowywania wewnątrz
w
przetwornikó
p
ów ich ind
dywidualnycch danych, tj. numer seryjny,
czułość,, parametrry kalibraccji i charaakterystyki częstotliw
wościowe. T
Takie rozw
wiązanie
zapewnnia następująące możliwo
ości:
 zmnniejszenie ryyzyka popełłnienia błęddów w okablowaniu i połączeniachh;
 idenntyfikacja i pełen
p
opis za
z pomocą ccyfrowej traansmisji dan
nych;
 techhnologia Pluug and Playy;
 skróócenie czasuu zestawiania systemu ppomiaroweego;
 uprooszczenie baazy wynikó
ów kalibracjji.
a)
b)
Rys. 3.
3 Zastosow
wane czujnik
ki pomiarow
we [3]:
a) mikrofon pojemnościo
p
owy 1/4ʺ tyypu 4135 z przedwzmac
p
cniaczem 1//4ʺ typu 2619,
b) akceleerometr typ
pu 4524B
Przedw
wzmacniaczze. Zastoso
owane prz edwzmacniiacze to niskoszumo
n
owe układy
y, które
zapewnniają dopasoowanie falow
we przetwoorników aku
ustycznych. Nowym treendem w dzziedzinie
nu pomiaro
owego z prrzedwzmaccniaczem
pomiaróów akustyccznych jestt integracjaa mikrofon
(rys. 3aa). Taki zesttaw cechujee się dużą sskutecznośccią pomiaru
u, długoterm
minową stab
bilnością
oraz odppornością na
n korozję.
Układyy wejściowee, przetwarrzania i ak
kwizycji da
anych. W badaniach
b
zzastosowano
o system
rejestrujjący z autonnomicznym
m zasilaniem
m bateryjnym, w skład
d którego w
wchodzą nasstępujące
urządzeenia i oprogrramowanie::
A) Czteerokanałowyy rejestratorr typu 3050--A-060 (ryss. 1c) o nasttępujących pparametrach
h:
‒ lliczba kanałów 6 (IEEE
E 1588 Preccision Timee);
‒ m
możliwościi zapisu reko
ordów na kaarcie pamięęci;
‒ ssygnalizacja stanu kanałów wejściiowych na panelu
p
czołowym modu
dułu;
‒ kkonfiguracja za pomoccą wbudowaanego wyśw
wietlacza lub
b komputerra klasy PC;;
‒ zzdalne steroowanie za pomocą
p
Inteernetu (stand
dard LAN);
‒ pprotokoły: TCP,
T
DHCP
P (incl. Autto), DNS, IE
EEE 1588–2
2002, IP, Etthernet;
‒ zzapis w form
macie WAV
V lub Matlaab;
‒ zzakres częstotliwości 0-51,2
0
kHz;
‒ ppróbkowaniie 131 kS/s;
‒ kkonwersja A/C
A 2x24 bit;
‒ ddynamika 160
1 dB bez przełączani
p
ia zakresu;
640
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
‒ zakres napięć wejściowych 10 lub 31 Vpeak;
‒ gniazda wejściowe BNC;
‒ zasilacz.
B) Moduł baterii typu 2831 o pojemności 6400 mAh, przeznaczony do zasilania rejestratora
napięciem wyjściowym 14,8 V, zapewniający przeszło 7 h rejestracji danych. Moduł posiada
wskaźnik naładowania i ładowarkę.
Oprogramowanie. Wykorzystano oprogramowanie współpracujące z rejestratorem, które
umożliwia:
‒ zapis rejestrowanych danych na karcie pamięci SD w module rejestrującym, bez
udziału zewnętrznego komputera klasy PC;
‒ zapis rejestrowanych danych na komputerze klasy PC;
‒ konwertowanie danych zapisanych na karcie pamięci SD lub dysku twardym
komputera do formatów: *.uff, *.tdf, *.wav, *.hdr, *.mat, *.hdf, *.ati;
‒ możliwość odczytu oraz wycięcia dowolnej części w formatach wymienionych
powyżej;
‒ dostęp do danych o dużej objętości bez obciążenia pamięci komputera;
‒ podgląd wielu kanałów równocześnie;
‒ odtwarzanie całego sygnału, pojedynczego kanału lub jego części;
‒ ustawianie ram czasowych sygnałów do przyszłych analiz.
Widok rozmieszczenia w BSL systemu pomiarowego z kasetą LAN-XI przedstawiono na
rysunkach 4a-c.
a)
b)
a)
c)
Rys. 4. Implementacja na BSL systemu pomiarowego z kasetą LAN-XI:
a) kadłub modelu samolotu z kasetą LAN-XI, b) fragment skrzydła z mikrofonami
pomiarowymi, c) sposób łączenia czujników pomiarowych z kasetą w kadłubie BSL
641
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
4. PODSUMOWANIE
W pracy przedstawiono przykład wykorzystania technologii LAN-XI w badaniach wibroakustycznych lotu BSL. Dzięki zastosowaniu rozwiązań PoE i PTP w układach akwizycji
modułów LAN-XI, udostępniono rozwiązanie pozwalające na zestawianie systemu
pomiarowego według zasady „wszędzie tam, gdzie jest potrzebny”. Opisany system
pomiarowy ma następujące zalety:
‒ zmniejszenie liczby i długości kabli, skutkujące skróceniem czasu zestawiania
systemu pomiarowego i zmniejszeniem ryzyka popełnienia błędu;
‒ przeniesienie połączeń między kasetami na stronę cyfrową;
‒ eliminacja osobnych urządzeń zasilających;
‒ pełną autonomię każdego modułu pomiarowego;
‒ możliwość rejestracji i akwizycji pomiarów, a także ich analiza zarówno w czasie
rzeczywistym, jak i post factum.
Najważniejszymi cechami komputerowego wspomagania pomiaru sygnałów wibroakustycznych są:
‒ specjalistyczne oprogramowanie, które umożliwia komputerowo wspomagany pomiar,
który dodatkowo umożliwia zapisanie danych oraz ich późniejszą komputerową
analizę w dowolnym czasie;
‒ praca w czasie rzeczywistym, która pozwala na zminimalizowanie czasu pomiędzy
rejestracją danych a wyświetleniem wyników na ekranie komputera;
‒ jednoczesna możliwość analizowania danych z wielu kanałów pomiarowych
i prezentacja wyników analizy w czasie rzeczywistym;
‒ wykorzystanie powszechnie dostępnych standardów komunikacji pomiędzy układami
rejestrującymi a komputerem upraszcza proces zestawienia i konfigurowania
stanowiska.
Przykładowe wyniki przeprowadzonych badań przedstawiono na rys. 5 i 6a-c, szersze ich
omówienie można znaleźć w pracach [5] lub [2].
Rys. 5. Przebieg widma przyspieszeń BSL w płaszczyźnie pochylenia (niebieski)
i przechylenia (czerwony)
642
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
a)
b)
c)
Rys. 6. Krótkookresowe widmo odgłosów zarejestrowanych układem z kasetą LAN-XI:
a) lecącego BSL, b) pracy silnika BSL, c) opływu powietrza na skrzydle
643
MECHANIK 7/2014
XVIII Międzynarodowa Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania, Wytwarzania i Eksploatacji
***
Praca finansowana ze środków na naukę jako projekt badawczo-rozwojowy
realizowany w latach 2012-2015.
LITERATURA
[1] LAN-XI – nowy wymiar akwizycji danych, Brüel & Kjær Magazine, No. 02/2008, s. 8-9.
[2] Badanie tła zakłóceń w czasie lotu imitatora celu powietrznego, sprawozdanie z pracy
badawczo-rozwojowej nr O ROB 0068 03 01 pt. Opracowanie systemu oceny strzelań do
celów powietrznych, WAT, Warszawa, 2013.
[3] Katalog produktów firmy Brüel & Kjær, www.bksv.com
[4] Pietrasieński J., Rodzik D., Warchulski J., Warchulski M., Żygadło S.: Wspomagany
komputerowo pomiar parametrów hałasu emitowanego przez uzbrojenie, Mechanik,
nr 07/2010, CD, s. 395-402.
[5] Pietrasieński J., Grzywiński S., Rodzik D.: Wykorzystanie programu Pulse Reflex® do
analizy parametrów wibroakustycznych lotu bezzałogowego statku powietrznego,
materiały konferencyjne, XVIII Szkoła Komputerowego Wspomagania Projektowania,
Wytwarzania i Eksploatacji, 12-16 maja, Szczyrk, 2014.
644