Messdatenerfassung und verarbeitung mit dem PC

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1 Messdatenerfassung und verarbeitung mit dem PC 1. Einführung in das Themengebiet und Versuchsziel Die Erfassung und Bearbeitung von Messdaten findet heutzutage in vielen Bereichen mit Unterstützung leistungsfähiger Rechner statt. Auch wenn heute fast jeder PC mit der Sound-Karte standardmäßig über Hardware zur Messwerterfassung verfügt, wird für professionelle Anwendungen aufwendige zusätzliche Hardware benötigt. Auch werden Programme benötigt, die den Anwender bei komplexen Problemlösungen unterstützen. Bei den Messungen in diesem Versuch wird das Programmsystem DIA/DAGO, welches ein integriertes System zur Realisierung messtechnischer Aufgaben wie Erfassen, Auswerten und Dokumentieren bzw. Präsentieren ist, angewendet. Dabei können einfache Grafiken schnell erstellt sowie umfangreiche Messdatensammlungen interaktiv bearbeitet werden. Dieses Programm stammt von der Gesellschaft für Strukturanalyse mbh Aachen (GfS) und wird in der Version 5 verwendet. 2. Messdatenerfassung mit DIA/DAGO Dia/Dago besteht aus dem Auswerteteil DIA und dem Erfassungsteil DAGO. Der Erfassungsteil DAGO, der mittels der Funktionstasten F1 bis F10 oder der Maus zu bedienen ist, ermöglicht es dem Anwender, die Messdatenerfassung je nach Anforderung zu konfigurieren. Seine Menüstruktur ist hierarchisch in Form einer Baumstruktur aufgebaut. Vom Hauptmenü (Bild 1) aus lassen sich die jeweils untergeordneten Menüs anwählen. Im Folgenden werden die Funktionen und Einstellungen des Programms, anhand der Strukturbilder von Dia/Dago erläutert. Beispiel: ( für den Versuch sind andere Einstellungen einzutragen) Bild 1: Haupt-Funktionsebene von Dia/Dago M03 1

2 Bevor eine Messung gestartet werden kann, ist es notwendig, dass die Software im PC-Speicher eine Datenmatrix einrichtet. In ihr werden die gemessenen Daten von jeder Messung gespeichert. Bild 2: Definition der Eingänge Für jede Messaufgabe müssen zunächst Eingänge definiert werden. Die Eingangsdefinitionsmaske (Bild 2) wird über die Haupt-Funktionsebene und dem Menüpunkt Eingänge (Quellen) aufgerufen. Eingänge werden durch einen frei wählbaren Namen und die Zuordnung weiterer Angaben, wie Quell-Typ, Klemmstellenummer usw. spezifiziert. Weiterhin kann der Benutzer festlegen, ob der Eingang bei der Messung aktiv ist und die Messdaten gespeichert werden sollen. Der Quell-Typ legt in Verbindung mit der Klemmstellennummer fest, woher die gemessenen Daten stammen. Das Kalibrierungssetup (Bild 3) ist über die Menüfunktion Kalib. Name aufzurufen. In diesem muss angegeben werden, wie die Eingangsdaten in physikalische Größen umgerechnet werden, da es sich bei den erfassten Daten um Spannungen handelt. M03 2

3 Bild 3: Kalibrierungssetup Das zeitliche Verhalten einer Messung wird im Ablaufsetup (Bild 4) Menüfunktion Ablauf Name durch die Ablaufdefinitionen gesteuert. Hier werden die grundlegenden Größen einer kompletten Messaufgabe wie Abtastrate, Wertezahl, Art der Messung und die Triggereigenschaften festgelegt. Die Maske ist in drei Bereiche aufgeteilt: die Kopfdaten, die Kopfbedingungen und die Ablauf- Operationen. Bild 4: Ablaufsetup Die Kopfdaten: In den Kopfdaten werden die Abtastrate und die Anzahl der Messungen pro Kanal angegeben. Gibt man eine Abtastrate und die Anzahl der Messungen pro Kanal ein, dann lässt sich hieraus die Dauer einer Messung berechnen: Messzeit = Werteanzahl Abtastrate / Hz Die Kopfbedingungen: Über die Kopfbedingungen kann die Messung ereignisabhängig gesteuert werden. Hier sind Bedingungen zu bestimmen, wie Start, Datenübernahme und Datenspeicherung erfolgen. Die Ablauf-Operationen: Mit den zuvor beschriebenen Kopfdaten und Bedingungen lassen sich alle grundlegenden Abläufe realisieren. Die Ablauf-Operationen werden nur bei speziellen Anwendungen gebraucht. So lässt sich z.b. festlegen ob eine Messung getriggert werden soll. In dem Onlinesetup (Bild 5) wird das Aussehen der grafisch auf dem Bildschirm angezeigten Messdaten angezeigt. Das Onlinesetup ist in die Onlineliste und den Onlinelayer aufgeteilt. Hier werden den zuvor definierten Eingängen die Grafikfenster, Darstellungsfarben und die Darstellungsbereiche zugeordnet. Der Darstellungsbereich gibt dabei den maximal möglichen Wertebereich an, der angezeigt wird. M03 3

4 Bild 5: Onlinesetup Bild 6: Online Layout Im Menü Online Layout (Bild 6) ist die Darstellung einer Onlinemessung benutzerdefiniert festzulegen. Hier werden Zeitbereich, Skalierungsarten und das optische Erscheinungsbild, wie Fensterfarbe, Fenstergröße eingestellt. Nachdem die notwendigen Einstellarbeiten abgeschlossen sind, können sie im Menü Setup/Allg./Speich gespeichert werden, um sie bei späteren Messungen wieder zu verwenden. M03 4

5 3. Messdatenverarbeitung Der Auswerteteil DIA ist in der Lage Messdaten, die mit dem Programmteil DAGO aufgenommen werden, zu verarbeiten. Bild 7: Menüstruktur Im linken Teil von Bild 7 steht die Hauptebene mit den fünf Funktionsbereichen Daten, Analyse, Grafik, Ausgabe, und Sonstiges. Von dieser Hauptebene sind alle verfügbaren Funktionen dieses Programms erreichbar. Im Menü Daten können Messdaten von verschiedenen Datenträgern geladen werden. Sie können im Editor angesehen, gelöscht bzw. geändert werden. Falls gewünscht, können die Messdaten über das Menü Analyse mathematisch oder grafisch aufbereitet werden. Das Menü Analyse gliedert sich in Kanalwahl, mathematische- und grafische Analyse. Bei der grafischen Analyse ist es möglich die zuvor mit Kanalwahl gewählten Kanäle grafisch zu analysieren und zu bearbeiten. Hier ist es z.b. möglich Minima und Maxima einer Messung schnell zu ermitteln. Im Menü math. Analyse stehen dem Benutzer eine Vielzahl von Analysemethoden zur Verfügung. Um die Messdaten grafisch darstellen zu können, muss in dem Menü Grafik die Bildliste definiert werden (Bild 8). In diesem Submenü sind die Kanäle einzutragen, die auf der X- und Y Achse darzustellen sind. Zusätzlich wird das Achsenlayout und die Farbe der jeweiligen Kurve angegeben. Das Achsenlayout hat ein eigenes Menü, in welchem die Skalierung der Achsen sowie die Blattaufteilung bestimmt wird. Die Aufteilung der Achsen kann linear, nach Datum/Zeit, Wahrscheinlichkeit oder Terz gegliedert sein. M03 5

6 Bild 8: Bildliste von DIA Zusätzlich wird in diesem Menü bestimmt, ob ein Firmenlogo eingebunden werden soll. Alle weiteren Einstellungen können aus Bild 9 und Bild 10 entnommen werden. Bild 9: Achsenlayout Seite 1 M03 6

7 Bild 10: Achsenlayout Seite 2 Angaben zur Ausgabe der Grafiken sind in Bild 11 zu erkennen. Im Drucker/Plotter Menü sind außer Blatt - Format und Diagramm Format auch die Druckerschnittstelle und der verwendete Druckertyp einstellbar. Bild 11: Matrixdruckerkonfiguration M03 7

8 4. Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau besteht aus folgenden Geräten: Funktionsgenerator Typ PM5138 A der Firma Philips. Analog-Digital-Umsetzer: Seng-Box mit 12 Eingängen. PC mit Software zur Messdatenerfassung und -verarbeitung. Der Funktionsgenerator liefert ein Signal, dass von dem Analog-Digital-Umsetzer in einem vom PC vozugebenden zeitlichen Raster erfasst wird und in einen binären Zahlenwert umgewandelt wird. Der PC speichert die Messwerte. 5. Versuchsdurchführung Aufgabe 1: Bedienung der Software Machen Sie sich entsprechend der Angaben in den Abschnitte 2 und 3 mit der Bedienung der Software DIA/DAGO vertraut. Aufgabe 2: Einstellung des Funktionsgenerators Nehmen Sie am Funktionsgenerator folgende Einstellungen vor: Schwingungsform: Sinus Frequenz: 50 Hz Ausgangsspannung: 2 V ss Aufgabe 3: Messwerterfassung Schauen Sie sich in der Online-Darstellung des Datenerfassungsprogramms das Eingangssignal an. Es sind mit dem PC von dem Eingangssignal 3 Perioden bei einer Abtastrate von 100 Hz aufzunehmen. Berechnen Sie dazu Messzeit und Werteanzahl und nehmen Sie die entsprechenden Einstellungen im Programm vor. Schauen Sie sich die aufgenommenen Daten als Zahlen und in grafischer Form an. Speichern Sie die Daten unter Ihrem Gruppennamen. Aufgabe 4: Änderung der Abtastrate Wiederholen Sie die Arbeiten aus Aufgabe 3 jedoch mit einer Abtastrate von 500 Hz Aufgabe 5: weitere Messung Wiederholen Sie die Arbeiten aus Aufgabe 3 diesmal mit einer Abtastrate von 2000 Hz Aufgabe 6: Änderung der Amplitude Wiederholen Sie die Arbeiten aus Aufgabe 3 mit einer Abtastrate von 2000 Hz und mit einer geringeren Amplitude des Eingangssignals: V ss = 50 mv. Aufgabe 7: Fourier-Transformation Messen Sie wie in Aufgabe 3 (100 Hz) und Aufgabe 5 (2000 Hz) jedoch jeweils mit 1500 Werten. Führen Sie als Analyse der Messdaten eine schnelle Fourier-Transformation (FFT) aus. Mittels des Menüs Fensterfunktion wird die Fensterfunktion gewählt, die bei der Fourieranalyse benutz werden soll. Mit der Fensterfunktion wird eine Gewichtung des zeitabhängigen Signals durchgeführt, das analysiert werden soll. In diesen Fall wird das Rechteckfenster als Fensterfunktion eingestellt, da diese das Signal unverändert lässt. M03 8

9 Das Ergebnis der FFT-Berechnung wird in einem Datenkanal abgelegt. Dieser Datenkanal steht dann, wie alle anderen der Datenmatrix, sowohl für weiterführende Berechnungen als auch für die Darstellung zur Verfügung. 6. Versuchsauswertung Alle Aufgenommenen Kurvenverläufe sind im Protokoll grafisch darzustellen. Die Diagramme können zu einem späteren, verabredeten Zeitpunkt im Labor ausgedruckt werten. Beschreiben und kommentieren Sie die Messergebnisse. Zur Auswertung der Aufgabe 6 berechnen Sie die Auflösung (den Ziffernschritt) der Datenerfassung. Als Angaben benötigen Sie dazu die Angaben: Messbereich der Seng-Box: ± 10 V Auflösung des A/D-Umsetzers: 12 Bit Vergleichen Sie Ihre Berechnung mit den Merkmalen des Kurvenverlaufs zu Aufgabe 6. M03 9

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