Hochschule Offenburg Prof. Dr. H. Dahlmann Versuch 8 PC-Messplatz Labor für Messund Sensortechnik 1.Einleitung Moderne Messsysteme werden in der heutigen Zeit mit Hilfe leistungsstarker und kostengünstiger Computer aufgebaut. Zahlreiche Hersteller bieten hierfür eine Vielzahl von Hardware- und Softwarekomponenten an, mit denen Messdaten erfasst, verarbeitet und dokumentiert werden können. Einsteckkarten stellen in den meisten Fällen die preiswerteste Möglichkeit dar, einen PC zu einem Messgerät bzw. zu einem Messsystem aufzurüsten. Sie benötigen in der Regel weder ein Netzteil noch eine Anzeige, weil diese Komponenten vom PC standardmäßig zur Verfügung gestellt werden. Von den zahlreichen Einsteckkarten sollen einige Beispiele vorgestellt werden: Multifunktionskarte: 12 bzw. 16 Bit A/D-Wandler 16 single-ended oder 8 diff. Kanäle 2 D/A-Wandler mit 12 oder 16 Bit 24 Bit Digital I/O Abtastrate 330 khz I/O - Karte: Relais-Karte: 48 Digitale Eingänge 48 Digitale Ausgänge 2x 8 Relaisausgänge, 28VDC/2A, 120 VAC/0.6 A, Schliesser/Wechsler Schnittstellen-Karte: Zählerkarte: 2x RS-232 Ports 2x RS-422 oder RS-485 Ports 1x LPT-Schnittstelle (paralleler Druckerport) 5x 16 Bit-Zähler, 16 Digital I/O GPIB-Karte: IEEE-488.1 Standard Interface 1
Mit Hilfe einer GPIB-Karte lassen sich externe Messgeräte über einen IEC-Bus an einen PC anschliessen. Somit können nahezu alle gängigen stand-alone Messgeräte zu einem Messsystem integriert werden. Geschwindigkeit und Auflösung, mit der analoge Signale abgetastet werden, spielen bei der Auswahl von Messdatenerfassungskarten eine entscheidene Rolle. Als Maß für die Geschwindigkeit wird von den Herstellern die Abtastrate in Samples pro Sekunde angegeben. Abtastraten bis 100 MS/s bei einer Auflösung von 16 Bit werden von modernen Hochgeschwindigkeits-Digitalisierern erzielt. Einsteckkarten können in ihrer Leistungsfähigkeit bezüglich Messgeschwindigkeit und Genauigkeit in vielen Fällen stand-alone Messgeräte ersetzen. Für jedes Einsteckmodul werden Software-Treiber angeboten, mit denen die Software- Entwicklung unterstützt wird. Mit geeigneten Einsteckkarten und entsprechenden Software-Modulen lassen sich äußerst leistungsstarke, individuell anpassbare Messplätze erstellen. 2. Prinzipaufbau des Labor PC-Messplatzes Für den Aufbau des PC-Messplatzes wurde eine Einsteckkarte und eine GPIB-Karte der Firma National Instruments und eine im PC vorhandene RS-232 Schnittstelle verwendet. EINSTECKKARTE GPIB-BUSKARTE RS-232 NI 604DE IEEE 488.2 Ser. Schnittstelle Bild 1: PC-Labormessplatz Die Daten der verwendeten Einsteckkarte sind in der Tabelle 1 zusammengestellt. Mit dieser Multifunktionskarte lassen sich zeitveränderliche Grössen mit hoher Abtastrate erfassen. Eine GPIB-Buskarte gestattet es, stand-alone Geräte in den Messplatz zu integrieren. Die standardmässige serielle RS-232 Schnittstelle des Rechners dient dazu, Zeichenketten in die Motorsteuerung eines Linearverstellers zu übertragen. 2
Analog Inputs: Analog-Output: Digital I/O: Counter/Timer Triggering: 16 Single-Ended, 8 Differential Channels, 12 Bit Res., 500kS/s Single Channel Scanning 2 Channels, 12 Bit Resolution 8 TTL Lines 2 Up/Down, 24 Bit Resolution Analog and Digital Tabelle 1: Multifunktionskarte PCI-MIO-16E-4, National Instr. 3. Kennlinienaufnahme mit dem PC-Messplatz Die Strom-/Spannungskennlinie I = f(u) eines Bauelementes wird mit Hilfe einer IEC-Bus gesteuerten Spannungsquelle und eines Messobjekt R x IEC-Buskabel Spannungsquelle Amperemeter GPIB-BUSKARTE IEEE 488.2 DC-Kalibrator Knick JS 3010 6 1/2 stelliges DMM Keithley Bild 2: Messplatz für die Aufnahme von Bauelemente-Kennlinien IEC-Bus gesteuerten 6 1/2-stelligen Multimeters aufgenommen. Der DC-Kalibrator lässt sich wahlweise als Strom- oder Spannungsquelle einsetzen. Zunächst wird der DC-Kalibrator als Spannungsquelle konfiguriert und beim Digital- Multimeter ( DMM ) die Messart (DC, AC, Strom, Spannung etc.), der Messbereich ( µ A, ma oder A) eingestellt. Nach dieser Initialisierungsphase kann mit den eigentlichen Messungen begonnen werden. 3
Der Rechner gibt den geeigneten Spannungswert vor und liest den Stromwert über das IEC- Buskabel aus dem DMM aus. Bauelemente-Kennlinien können aufgenommen werden, indem man den Anfangswert, Endwert und die Schrittweite des zu untersuchenden Spannungsbereiches über den PC eingibt. Der Rechner erfasst in dem vorgegebenen Bereich die Kennlinie und stellt sie graphisch dar. Die Programmierung erfolgt in LabVIEW, einer graphischen Programmiersprache, die durch umfangreiche Bibliotheksroutinen den Entwicklungsaufwand drastisch reduziert. 4. Kalibration von Wegaufnehmern mit dem PC-Messplatz Der PC-Messplatz für die Kalibration von Wegaufnehmern besteht im wesentlichen aus Motor- Steuerung RS 232 GPIB-Buskarte 6 1/2 stell. Multimeter Schnittstelle IEEE 488.2 Wegaufnehmer Motor Tisch Spindel Linear-Versteller Bild 3: PC-Messplatz für die Kalibration von Wegaufnehmer einem Präzisions-Linearversteller und einem 6½-stelligem Digital-Multimeter. Der zu untersuchende Wegaufnehmer wird mit dem Linearversteller mechanisch verbunden und dieser vom Rechner aus in die gewünschte Position gefahren. Das Ergebnis der Wegmessung wird als Strom- oder Spannungswert vom Multimeter erfasst und über eine GPIB-Schnittstelle in den Rechner übertragen. Der Linearversteller erhält seine Steuerzeichen über eine RS232- Schnittstelle als Strings - also als Zeichenketten - vom Rechner. Mit Hilfe von Strings wird die Bewegungsrichtung und die Anzahl der Schritte vorgegeben. Ebenso kann eine Ruheposition eingegebenen werden oder der Tisch kann in eine beliebige Position relativ zur Ruheposition gefahren werden. 4
5. Versuchsdurchführung Aufgabe 1: Programmentwicklung "Strom-/Spannungsquelle" Starten mit "Desktop/PC-Messplatz/Aufgabe1.vi". Im "Aufgabe 1.vi"- Diagram Menüpunkt "Windows/Show Diagram" anwählen. Öffnen von "Show Function Palette" und "Show Tools Palette". In der "Functions Palette" das "User Libraries"- Icon anwählen. Spannungsquellen- Icon per Mausklick anwählen und mit gedrückter Maustaste ins Fenster "Untitled 1 Diagram" einfügen. Amperemeter- Icon per Mausklick anwählen und mit gedrückter Maustaste ins Fenster "Aufgabe1 Diagram" einfügen. In der Tools Palette das Symbol "Connect Wire" anwählen. Punkt A der Spannungsquelle mit rechter Maustaste anklicken und die Funktion "Create Control" aus dem Menü anwählen. Punkt B der Spannungsquelle mit linker Maustaste anklicken und mit Punkt C des Amperemeters verbinden. Punkt D des Amperemeters mit rechter Maustaste anklicken und die Funktion "Create Indicator" aus dem Menü anwählen. Vergleichen Sie Ihr Programm mit der folgenden Darstellung: Überprüfen Sie die IEC-Bus-Verbindung zwischen Rechner, DC-Calibrator JS 3010 und dem Amperemeter (Keithley 196). Aus der "Tools Palette" das "OperateValue"-Icon auswählen. Eingabe im Feld "Spannung in V" auf 1.0 V einstellen. "Run" Button drücken. Strom und Spannung aus der Anzeige mit denen der Messgeräte vergleichen. Kennlinie im Bereich von 0 bis 10 V mit geeigneter Schrittweite aufnehmen und graphisch darstellen. Frontpanel "Aufgabe 1" schliessen. 5
Aufgabe 2 : Automatisierte Messungen a) Programmstart Desktop- Link "Aufgabe 2"öffnen. In der "Tools Palette" den Icon "Operate Value" anklicken und hiermit den Endwert (10,0 V), den Startwert (0,0 V) und die Schrittweite (0.5 V) einstellen. "Run" Button drücken. Ist die Messreihe beendet, erscheint in einem zweiten Fenster automatisch ein Diagramm. Füllen Sie das Kommentar-Feld aus. Ausdrucken dieser Seite über das Menue "File/Print Window". Als Drucker den "HP LaserJet Series II" auswählen und auf Querformat einstellen. Druckvorgang durch zweimaliges Betätigen des "OK"- Buttons einleiten. Schließen des VI "Print this Graf.vi" mit dem Button "Schliessen". Kennlinien für die Bauelemente 1, 2 und 3 im Bereich von 0 bis 10 V aufnehmen und auf dem Drucker ausgeben. b) Die graphische Programmoberfläche Öffnen des Menüs "Windows". Aus der Menüleiste "Show Diagramm" anwählen und zum Fenster "Aufgabe 2.vi Diagram" wechseln. Auswählen des "Highlight Execution"-Icon, und mit "Run"- Button das Programm starten. Einzelschritte mit "Pause"-Symbol starten. Programm mit "Single- Step"-, "Step Over"- und "Step Out"- Button starten. c) Programm- und Datenfluss in graphischer Darstellung Betätigen Sie den "Highlight Execution"-Button und starten Sie das Programm. Beobachten Sie, wie das Programm im Zeitlupentempo abgearbeitet wird. Kleine "Bläschen" markieren den Programm- und Datenfluss. Das Diagramm zeigt ausserdem die von den Schaltelementen gelieferten Daten. Starten Sie das Programm mit dem "Single Step"-, dem "Stop Over"- und dem "Step Out"-Button. Schliessen des Frontpanels "Aufgabe 2" mit dem Button "Schliessen". 6
Aufgabe 3 : Automatisierte Wegmessungen Überprüfen Sie die RS232-Verbindung COM1 / Motorsteuerung. Öffnen Sie das Messprogramm mit dem Desktop-Link "Aufgabe3.llb/Aufgabe3.vi". Mit dem Schalter Micropulse/Potentiometer (Punkt 1) den Sensor auswählen. Programm wird automatisch gestartet. a) Nullposition anfahren Lesen Sie die Mikrometerschraube aus und tragen Sie den Wert in das Feld "Verfahrweg" ein (s. Punkt 2). Mit den Button "Links / Rechts" wird die Bewegungsrichtung des Tisches vorgegeben Beachte: Sollte der Endschalter ausgelöst haben dies kann schon bei geringen negativen Koordinatenwerten von ca. x = -0.1mm auftreten, so ist der Tisch in wiederholten Verfahrschritten aus dem negativen Bereich heraus zu fahren. 3 1 4 2 5 b) Nullposition speichern Wurde der Tisch exakt in die Nullposition gefahren, wird durch Betätigung des Buttons "Nullposition festlegen" (Punkt 3) die momentane 6 Position als Nullposition für alle weiteren Messungen übernommen. Achten Sie dabei auf die Einstellung des Schalter unter Punkt 1. c) Messparameter-Eingabe In der "Tools Palette" das Symbol "Operate Value" anwählen und hiermit die Schrittweite, Startposition und Endposition einstellen (s. Punkt 4 ). d) Messung Die Messung wird mit dem Button "Messung starten" (s. Punkt 5) gestartet. Unterhalb des Bedienfeldes werden die momentanen Messwerte graphisch dargestellt. Nach Messende den Button "Fehlerrechnung Anzeigen" (s. Punkt 6 ) betätigen. Es erscheint ein Diagramm mit der Anzeige der Messwerte, einer Regressionsgeraden und einem Balkendiagramm mit den Linearitätsfehlern. Ausdrucken der Diagramme und Daten über den Button "Drucken auf HP DJ560C". Um die zweite Messreihe durchzuführen, schließen Sie die betreffende Seite mit dem Button "Zurück zur Messung". 7
Aufgabe 4: Messung des Schalleinfallswinkels Überprüfen Sie alle Kabel auf richtigen Anschluss: PCI-MIO-Anschlusskarte 4-poliges geschirmtes Kabel Mikrofone ; Rauschgenerator Lautsprecher. Öffnen Sie das Programm mit dem Desktop-Link "Aufgabe 4.vi". Bestimmen Sie die Schallgeschwindigkeit in Luft, indem Sie das Messprogramm mit dem Button "Schallgeschwindigkeit" starten und den dortigen Anweisungen folgen (Punkt 1). Stellen Sie den Abstand der Mikrofone auf M = 1 m ein und tragen Sie diesen Wert ein (Punkt 2). 3 4 1 6 9 7 5 2 8 Der Button "Korrelation messen" (Punkt 3) startet die Messung. Die Scanrate kann über die Zahl der Messpunkte und die Messdauer variiert werden (Punkt 4). Die Einstellungen sind mit den Anzeigen (Punkt 5) zu überprüfen. Die Mikrofonsignale und die Korrelationsfunktion werden graphisch dargestellt. Richten Sie den Lautsprecher (Punkt 6) genau auf die 90 - Markierung auf der Platte (Punkt 7) aus. Bei dieser Einstellung sollte die Anzeige (Punkt 8) null Grad ergeben. Ermitteln Sie die vorgegebenen Schalleinfallswinkel α mit folgenden Scanraten: - Scanraten [35, 250 ks/sec] Punkt 4 : - Winkel α [0, ±10, ±20, ±30, ±40, ±50, ±60, ±70, ±80, ±90 ] (L = 2 m, Punkt 7) Stellen Sie die gemessenen Winkel (Punkt 8) in Abhängigkeit des eingestellten Schalleinfallswinkels α tabellarisch und grafisch dar. Verringern Sie den Lautsprecherabstand auf L <= 1 m und wiederholen Sie die obige Messung. Welche parasitären Effekte könnten dabei das Ergebnis verfälschen? (doppeldeutige Punkte mit gleicher Laufzeit, Sinus- Annäherung der Hyperboloidenkrümmung ) 8