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Erstellung eines modularen Systems zur dynamischen

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1. Messeinstellt engen Die Standardeinstellungen sollten im Regelfall belassen werden da es sonst zu Problemen bei der Korrektur kommen kann DAQmx Taskname OErweiterten Modus aktivieren KalibrierungMesskarte El Abtastrate 1000 Hz de 0 001 Anzahl Abtastwerte 10000 N d 0 1 Zeitreihe und gemitteltes Spektrum Zeitreihendiagramm Spannung WV FFT RMS Maxwerte _Kanal 1 FFT RMS 120 80 1004 3 70 sua 65 607 60 40 Si 50 207 v 3 E 3 45 H 0 E 40 J a35 201 H P 20 40 25 607 20 3 15 80 10 100 5 T ARO nn ernennen Ltr lalo gien 01 00 00 01 00 10 01 00 20 01 00 30 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Zeit Frequenz Reset des Maxwertspeichers Werteaufnahme Starten Weiter gt gt gt P Kontexthilfe einfausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 9 Messkettenkalibrierung Erfassen Frontpanel 65 Kapitel 6 Softwaresystem Interpolieren Auf dieser Registerkarte Abb 6 10 erfolgt nach vorheriger Spitzenwerterkennung die In terpolation der Werte zu einer bertragungsfunktion mit einem df 0 1Hz Es lassen sich allerdings auch Werte manuell eingeben Dies ist praktisch bei Werten aus fr heren Kalibrie rungen die in Papierform vorliegen Weiterhin lassen sich Wertepaare auch aus einer Datei einlesen oder in eine Datei speichern Das Ergebnis der Interpolation wird an die n chste Registerkarte Speichern bergeben gu
2. Kontexthilfe einfausblenden Abbildung 6 18 Aufnehmerkalibrierung Kalibrierbericht Frontpanel W hrend der Programmentwicklung wurden nahezu alle Frontpanel Elemente mit Tool tips und Beschreibungen versehen Aufgrund der leichteren Verst ndlichkeit von Win Help wurde die Programmhilfedatei ins Win Help Format compiliert Die Hilfedatei liegt dem Programmsystem im Ordner Hilfedateien bei In allen Modulen gibt es entweder die M g lichkeit die Hilfe ber das Men oder ber eine Schaltfl che im Frontpanel zu ffnen Es wird dann zum betreffenden Thema gesprungen Au erdem existiert die Kontexthilfe Sie l t sich durch Strg H ber das Men oder eine Schaltfl che im Frontpanel ffnen oder schlie en 74 Kapitel 7 Kalibriermessungen Zur berpr fung der Funktionsweise des Programms und zur Ermittlung des bertragungs verhaltens von Aufnehmern und Messsystem wurden an der Versuchstechnischen Einrichtung der Bauhaus Universit t Weimar Kalibrierungsmessungen durchgef hrt Dabei handelte es sich um zwei verschiedene Vorgehensweisen 7 1 Messsystem Zur Messung des bertragungsverhaltens des Messsystems wurde mittels eines Signalge nerators der Firma Bruel Kjaer ein Sinussignal mit definierter Frequenz und Amplitude erzeugt Dabei wurde im Frequenzband von 0 1 bis 5HAz in Schritten von 0 1Hz von 5 bis 10Hz in 0 5H z Schritten von 10 bis 30Hz in 5Hz Schritten und von 50 bis 200 Hz i
3. coswt sin wt 7 w Ww 2 und f r die Verschiebung gilt somit A Ge sinwt a Sin wt m Wie aus diesem Beispiel ersichtlich wird besitzt bei der Differentiation eines Signals die Frequenz w dieses Signals einen quadratischen Einfluss auf die Amplituden des Weges Abb 2 3 Entscheidend an der Messung einer Schwingung ist also nicht unbedingt welche Gr e man tats chlich aufzeichnet sondern wie gut sich daraus die abh ngigen Gr en berechnen lassen Im Allgemeinen l sst sich eine numerische computergest tzte Integration leichter als eine Differentiation durchf hren Dies f hrt bei Schwingungs und Ersch tterungsmessungen zur vorrangigen Verwendung von Geschwindigkeits und Beschleunigungsaufnehmern Im Folgenden sollen diese beiden Sensortypen n her betrachtet werden 2 2 1 Geschwindigkeitssensoren Die Urspr nge der Schwingungs und Ersch tterungsmessung liegen im Bereich der Geophy sik Die Erforschung der Plattentektonik und die damit zusammenh ngenden Erscheinungen 13 Kapitel 2 Messtechnik und Sensoren 100 000 10 000 3 1000 2 100 a 10 lt 1 2 10 s 100 e 1000 10 000 100 000 0 1 1 10 100 1k 10 kHz Frequenz Abbildung 2 3 Frequenzabh ngigkeit der Amplituden von x amp und aus 2 wie Vulkanismus und Erd und Seebeben machten die genaue Bestimmung von Daten dieser Prozesse n tig und f rderten die Entwicklung verschiedener Theorien So zum Beispiel die Theorie
4. 2 3 2 DIN 4150 Ersch tterungen im Bauwesen 2 3 3 DIN 45669 Messung von Schwingungsimmisionen 2 3 4 VDI 2057 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf Menschen 3 Werteerfassung und Ausgabe 31 cnale ind Umwandlung cn 2 2 2 2 a a A eh a A A 3 2 Datenerfassung Analog Digital o en 3 2 1 Analog Digital Wandler x 4222 uw 322 Bestie s Jaaa ee as 3 3 Datenausgabe Digital Analog 3 3 1 Digital Analog Wandler o e e 34 Digitale Fins und Ausgabe A u aa e EE AAT TN AA 4 Filterungstechnik Al Begriffe 21 003 al an eao and Er en een ag 4 1 1 Analsefker 2 user anna a ae nn ae 41 2 Dieit l lter ooo e sa Asa 42 Eilterispen o re en BR 4 3 Digitale Pilterarten s a me 2 224 24 2 a ae nt 11 11 12 13 16 17 17 18 20 21 23 23 24 24 26 30 30 31 33 33 34 35 35 37 Inhaltsverzeichnis dal FIR Eilier s 23 a ciar e a an a 432 IR Filler ee e NEE o E AE ad A 4 3 3 bersicht gebr uchlicher Implementierungen 2 2 22 2 2020 5 National Instruments LabVIEW 5 1 Entwicklung ec A 20 aa med A el A A a 5 2 LabVIEW Programmierung sidra as a a ana an AS Virtuele Instrumente e aaa ceca ee 8 8 Barker ne es 9 2 2 Frontpanel a ses A a ee ee a DAs Blockdiastamm s v s acam A 2a na ale ara a A A 5 3 Datenerfassung und Datenanalyse DL Datenerassune sa dui a aa aar A a 3 2 BUS Systeme A a aoi e A ANEN a 5 3 3 Datena
5. Aufnehmer 3 Aufnehmer 3 FFT RMS Zeitreihendiagramm Aufnehmer3 FFT RMS Maxwerte Aufnehmer3 FFT RM5 0 27 0 0014 d Referenz FFT RMS lt RER 0 12 E 0 13 0 001 0 0012 0 27 E 3 0 34 3 E az Amplitude VOLT 0 54 T 0 0004 Dez 0 77 0 0002 D aA A ER Kiel i i 1 i 1 i 1 1 01 00 00 01 00 02 01 00 05 01 00 07 01 00 10 01 00 12 01 00 15 0 0 5 1 15 2 2 5 3 3 5 Zeit Frequenz Werteaufnahme Starten Weiter gt gt gt Kontexthilfe ein ausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 13 Aufnehmerkalibrierung Erfassen Frontpanel Spitzenwertdetektor Im Teil Spitzenwertdetektor Abb 6 14 des Programms gibt es zwei M glichkeiten die Amplituden zu den angefahrenen Frequenzen zu ermitteln entweder durch die manuelle Ein gabe von Frequenzen und die automatische Berechnung der zugeh rigen Amplituden oder durch ein automatisiertes Unterprogramm Der Vorteil dieses Programms ist die Schnellig keit der Nachteil liegt in der mangelnden Erkennung eng beieinander liegender Frequenzen Dabei handelt es sich ja eigentlich auch nicht um Spitzen sondern eher um Buckel In solchen Situatuionen muss auf die manuelle Erkennung zur ck gegriffen werden 69 Kapitel 6 Softwaresystem Konfiguration Erfassen Spitzenwertdetektor Korrektur
6. bertragungsfaktor mV Messgr e 0 4 98 613412 0 5 100 731828 0 6 101 509077 0 8 102 607503 1 102 906909 ka 103 342363 1 6 103 340598 2 103 294007 4 103 051982 8 102 379689 16 101 666913 500 101 666913 Seite 3 von 5 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2003 12 bertragungsverhalten Graph 103 4 N 2 gt 2 3224 ME gt gt 8 MW el lee BE SE gt gt gt gt gt MA gt gt 2 O E BEE EEE EE MA ee gt ee an EE O EE Amplitude mY m s 2 Seite 4 von 5 FALSE H DFT diskrete Division und iDFT zur Erstellen der Signal verl ufe bernehmen der Originalattrbute dt tO Hinzuf gen R cktransformation in den Zeitbereich beim Namen von Aufnehmernummer NI_ChannelName attributes anpassen der bertragungsfunktion an die aktuelle Abtastrate und die Abtastdauer des Messsignals durch Interpolation von Werten oberhalb der Nyquist Frequenz NNI_ChannelName NI_ExpXDimension NI_UnitDescription Yerwendete Kan le Eigenschaften ermitteln y In dieser For Schleife werden die In dieser For Schleife werden die i g INamenstrings der Aufnehmer zu lermitttelten Ref Mums zum Lesen der P y y Abfragen in die Messdatei Kanaleigenschaften benutzt ausgegeben verarbeitet Am Ausgang liegen die werden Kanalname Aufnehmertyp f r die IRef Nums der jeweiligen Kan le an jeweili
7. 32 16 31 Kapitel 3 Werteerfassung und Ausgabe 32 Kapitel 4 Filterungstechnik Bei jeder Erfassung von Messwerten kommt es durch verschiedene Effekte zur Ver nderung des gemessenen erfassten Signals verglichen mit der zu messenden realen physikalischen Gr e Beispielsweise m ssen Signale verst rkt werden oder es k nnen durch nicht gen gend abgeschirmte Komponenten Einstreuungen von nieder oder hochfrequenten Signalen der Spannungsversorgung der Messtechnik auftreten Ein weiteres Problem ist die Realisierung einer beispielsweise normativ bestimmten Amplituden Frequenz Kurve Um diese Proble matiken zu l sen bedient man sich Filtern die analoger oder digitaler Art sein k nnen Filter lassen sich immer auf zwei Arten charakterisieren durch ihr Verhalten im Frequenz bereich und ihr Verhalten im Zeitbereich Bei der Betrachtung von analogen Filtern ist der Frequenzbereich entscheidend bei der digitaler Filter hingegen auch der Zeitbereich 4 1 Begriffe Im Folgenden sollen h ufig benutzte Begriffe der Filterungstechnik n her erl utert werden e bertragungsverhalten Unabh ngig von der Art von Filtern analog oder digital aktiv oder passiv linear oder nicht linear l sst sich ihre Funktionsweise entweder durch ihre bertragungsfunktion Frequenzbereich oder ihre Impulsreaktionsfunktion Zeitbe reich inverse Fouriertransformierte der bertragungsfunktion beschreiben Dadurch l sst sich erken
8. 60 6 3 Unterprogramme Taskeinstellungen In diesem Reiter Abb 6 3 werden alle Einstellungen die die Messung betreffen festge legt Im oberen Teil k nnen Einstellungen des Messtasks der Abtastrate und der Abtast dauer getroffen werden Im linken unteren Bereich k nnen vier verschiedene Typen von Butterworth Filtern dritter Ordnung konfiguriert werden ein Hoch und ein Tiefpass ein Bandpass und ein Bandstop Die wichtigste Konfiguration l sst sich aber in dem Unterpanel auf der rechten Seite einstellen die Aufnehmerzuordnung zu den Kan len Dazu werden alle in der Datenbank vorhandenen Aufnehmernamen eingelesen und in den pull down Men s zur Verf gung gestellt Mit dem Schalter Aktivieren l sst sich die Korrektur einschalten Dieselbe Prozedur vollzieht sich auch f r die Korrektur des Messsystems Task DAQmx Taskname Kalibrierung Abtastfrequenz 500 Filtereinstellungen Tiefpass AUS EIN Grenzfrequenz lo Hochpass AUS EIN Grenzfrequenz pel Messprogrammeinstellungen nn Taskeinstellungen Pfadeinstellungen H a e Anzahl Abtastwerte pro Kanal Korrektur Messsystem Korrektur Aufnehmer Messsystem Aufnehmerzuordnung zu den Kan len Korrektur des Messystems O Aus n Frequenzbewertung Frequenzbewertung nach DIN 4150 HB Soll O AusfAn Bandpasss Bandsperre O AUSJEIN O AUS EIN obere Grenzfreq obere Grenzfreg 0 lt 0 E u
9. Butterworth 39 D mpfung 34 Digital 35 FIR 37 Grenzfrequenz 33 TIR 38 Kaskadierung 34 Ordnung 34 Passive 34 Tschebyscheff 40 FireWire 51 Frontpanel 46 Geophon 16 GPIB 49 50 Hochpass 36 IEC 652 49 IEEE 50 1014 50 1394 51 1394b 51 488 50 Impulsreaktionsfunktion 33 Induktion 15 KB Wert 19 Knoten 48 LabVIEW Datenanalyse 49 91 Index Datenerfassung 49 DSC 45 FPGA 46 Geschichte 43 PDA 45 Programmierung 46 Real Time 45 Virtuelle Instrumente 46 LSB 26 LTI System 38 Masse 28 MEMS 16 Messung direkt 11 indirekt 11 Multiplexer 26 Multithreading 44 NRSE 30 OLE 53 Piezoeffekt 16 PXI 50 Rampenverfahren 24 RS 232 49 50 422 50 RSE 29 Seismograph 14 Sensor Dehnung 12 Geschwindigkeit 13 Sensoren Beschleunigung 16 Serielle Schnittstelle 50 Symbol 46 Tiefpass 35 TTL 31 USB 50 Verbindungen 48 Verst rkung 27 VI 46 VXI 50 W geverfahren 26 Wandlung A D 24 27 D A 30 92 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2000 02 Aufnehmerkennlinienprotokoll Allgemeines Datum der Kalibrierung Uhrzeit Kalibrierung durchgef hrt von Auftraggeber Bauhaus Universit t Weimar Fakult t Bauingenieurwesen Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 15 99421 Weimar Umgebungsbedingungen Temperatur des Pr flings Rel
10. Seit Beginn naturwissenschaftlicher Betrachtungen bedient man sich entsprechender Me thoden zur Messung verschiedener physikalischer Gr en Dabei kann die Erfassung von Messwerten einer Messgr e in zwei Arten unterteilt werden in direkte und indirekte Mes sungen Direkte Messmethoden bezeichnen die Registrierung eines Messwerts und den darauf fol genden Vergleich mit einem Normal oder einem Ma stab Nennenswert sind zum Beispiel eine L ngenmessung durch einen direkten Vergleich des Wertes mit einem Ma stab oder die Massebestimmung eines K rpers aufgrund einer Referenzmasse Balkenwaage Alle anderen Methoden bei denen nicht ber einen direkten Vergleich von gemessenem Wert und Ver gleichswert gearbeitet wird sondern sich eine Berechnung oder Umrechnung des gemessenen Wertes zur Messgr e anschlie t werden als indirekte Messung bezeichnet So arbeitet die klassische Geod sie mit Winkelmethoden Triangulation oder moderner mit Laufzeitmes sungen von elektromagnetischen Wellen zur Entfernungsmessung Dabei wird durch einen indirekten Vergleich zwischen der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts und der daf r be n tigten Zeit die dabei zur ckgelegte Strecke die Entfernung bestimmt Fast alle modernen Messmethoden beruhen auf dem Prinzip der indirekten Messung Indirekte Messtechnik rea giert naturgem wesentlich empfindlicher auf Fehler und besitzt auch eine h here Tendenz zur Fehlerfortpflanzung da die Messkette d h
11. auch nach einer Digital Analog Wandlung durchgef hrt wird Kommen bei analogen Filtern Bauteile zum Einsatz die sich durch ein frequenzabh ngiges Verhalten auszeichnen wie Widerst nde Quarze Spulen oder Kondensatoren spricht man von passiven Filtern Neben dem Vorteil des einfachen Aufbaus haben sie allerdings den 34 4 2 Filtertypen Nachteil dass bei niedrigen Frequenzen meist gro e Bauteile eingesetzt werden m ssen und dass sie schlecht kaskadierbar sind da sie sich gegenseitig beeinflussen Aktive Filter hingegen sind aus Verst rkern und Kondensatoren aufgebaut und ben tigen eine Stromversorgung Durch aktive Filter kann fast jedes bertragungsverhalten erreicht werden bei gleichzeitig geringeren Bauteilaufwand als bei passiven Filtern Den Vorteilen wie Kaskadierbarkeit und geringer Gr e steht ihre Temperaturabh ngigkeit und die M g lichkeit der bersteuerung gegen ber Durch die aktiven Elemente werden diese Filter auch zur Signalverst rkung eingesetzt Siehe 17 34 27 1 4 1 2 Digitalfilter Mit der Entwicklung der digitalen Technik und entsprechenden M glichkeiten der Mikrochip industrie wie die Herstellung preisg nstiger ADCs und DACs halten zunehmend digitale Filter in allen Bereich der Signalverarbeitung Einzug Jede Prozedur die einem Eingangs signal analog oder digital durch digitale Bearbeitung ein definiertes Ausgangssignal ana log digital zuordnet kann als digitales Filter
12. die verschiedenen Bestandteile eines Messsys tems wesentlich komplexer ist als bei einer direkten Methode Aus diesem Grund werden in der modernen Messtechnik oft umfangreiche Methoden zur Fehlerkorrektur und Redundanz einer Messkette eingesetzt Beispielsweise bedient man sich zur Bestimmung der inneren mechanischen Spannungen eines Bauteils einer indirekten Methode der Dehnungsmessung Die Messgr e ist dabei 11 Kapitel 2 Messtechnik und Sensoren die durch eine Materialdehnung verursachte Widerstands nderung des Dehn Mess Streifens Abb 2 1 Abbildung 2 1 Dehnmessstreifen Die Dehnung wird h ufig mit einer Anordnung aus vier DMS bestimmt Beispiel Balken 2 oberseitige und zwei unterseitige DMS Dabei erlaubt die spezielle Verschaltung der Sen soren Wheatstonesche Br ckenschaltung Abb 2 2 eventuelle St reinfl sse aus Tempera turdifferenzen zu eliminieren In dl Abbildung 2 2 Wheatstonesche Br ckenschaltung Heutzutage existiert f r jeden gew nschten Einsatzzweck eine gro e Anzahl verschiedener Sensoren und Auswertungssysteme Die Entwicklung von mechanischen ber elektromecha nische hin zu elektronischen Messsystemen ist fast abgeschlossen Somit vereinfacht sich die Auswertung und Analyse sowie Speicherung und Weiterverarbeitung von Messwerten Mit der rasanten Entwicklung der Digitaltechnik ab Anfang der 1970er Jahre und der da mit einhergehenden gesteigerten Le
13. ftechnik erobert Mit PXI wurde ein Schritt unternommen die Verbreitung und die Leistungsf higkeit des PCI Bus f r die Mehrheit der industriellen Mess und Pr ftechnik bereitzustellen Er schlie t somit die L cke zwischen klassischer PC Messtechnik und dem VXI Bereich Die unterschiedlichen Spezifikationen zusammengefasst zeigt Tabelle 5 2 GPIB VXI PC basierte PXI Erfassung Busbreite 8 8 16 32 8 16 ISA 8 16 32 64 Datendurch 1 Mbyte s 40 Mbyte s 1 2 Mbyte s 132 264 satz Mbytes s Timing definiert herstellerspez definiert Synchron Verf gbare gt 10000 gt 1000 gt 1000 neu Ger te Erweiterbar m glich MXI Bus herstellerspez PCI Bridge keit Gr e Ab gro mittel klein klein messung Software herstellerspez VXI herstellerspez definiert Plug amp Play Modularit t nein ja nein ja Kosten hoch mittel bis gering gering bis hoch mittel Tabelle 5 2 Vergleich verschiedener Bus Systeme aus 16 5 3 3 Datenanalyse Im direkten Anschluss an die Messung von Daten folgt im Regelfall eine Weiterbearbei tung im Computer Moderne digitale Flie kommasignalprozessoren sind in Echtzeit und 5l Kapitel 5 National Instruments LabVIEW Analysesystemen immer wichtiger geworden Die Rohdaten die aus dem Datenerfassungs ger t gelesen werden enthalten nicht immer sofort verwertbare Informationen Oft muss das Signal umgewandelt oder Raus
14. mV durch die zugeh rigen Werte der bertragungsfunktion der Referenz geteilt mV mm s oder mV mm s Es entsteht eine Funktion der realen Messgr e mm s oder mm s abh ngig von der Fre quenz Abschlie end werden die gemessenen Werte aller Aufnehmer durch diese Funktion geteilt Es entsteht dadurch die bertragungsfunktion jedes Aufnehmers mV mm s oder mV mm s 70 6 3 Unterprogramme Konfiguration Erfassen Spitzenwertdetektor Korrektur Interpolieren Speichern Kalibrierbericht Aufnehmerauswahl Aufnehmer 1 Aufnehmer 2 O Aufnehmer 3 O Aufnehmer 4 O Aufnehmer 5 O Referenzaufnehmer Aufnehmernummer Si Referenzwerte Spitzenwerte Kanal Interpolationstabelle X Y Werte der F 0 N X Y Werte der F 0 N X Y Werte der F 0 N X Y Werte der F 0 N Gew hker Aumehmir gemessen aus Kalibrierung volt Volt Messgr e Volt volt Messgr e Aufnehmernummer a E E A O f Ist Wert A f Ist Wert A f Ist Wert A f Ist Wert A Aufnehmertyp P Hersteller Typ Herstellerseriennummer F 2002 01 44 267 266 eg EE YA E y 264 bebe EE 261 Ki R lt lt Weiter gt gt gt Kontexthilfe ein ausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 15 Aufnehmerkalibrierung Korrektur Frontpanel Interpolieren Die Interpolationsoberfl che Abb 6 16 beinhaltet eine Tabelle mit den Frequenz A
15. oo o 29 Non Referenced Single Ended NRSE o 30 Geringe Ausgaberate des D A Wandlers 2 2 2 22 o e 30 Hohe Ausgaberate des D A Wandlers o oo o 31 Mies A ee EE a ge Er ec ae Eee be 36 HoOcHpas aa ar aaa ne 36 Bandpass und Bandstop e e e i ie tsa qoa t aeea nennen 37 Amplituden Frequenzgang verschiedener Filtertypen GF 0 5Hz aus 39 39 Amplituden Frequenzg nge verschiedener Ordnungen eines Butterworth Filters aus Slate a een 40 Frontpanel eines LabVIEW VIs o o 47 Blockdiagramm eines LabVIEW VIs o o 48 Anschlussblock eines SubVis sca ra ceada a e ma ak Kk a a a a 49 Hauptprogramm Frontpanel ee saa saa a a u sadia doa a arwa didaa 58 Grundeinstellungen Programm Frontpanel aoaaa aaua eaaa 60 Grundeinstellungen Taskeinstellungen Frontpanel 61 Grundeinstellungen Pfadeinstellungen Frontpanel 62 Kanalkorrektur Anschlussblock 62 Kanalkorrektur Blockdiagramm 63 Messstatistik Frontpanel e 64 87 Abbildungsverzeichnis 6 8 6 9 6 10 6 11 6 12 6 13 6 14 6 15 6 16 6 17 6 18 Gel 7 2 7 3 7 4 HB Soll Test Frontpanel 2 2 2 Co Con une 64 Messkettenkalibrierung Erfassen Frontpanel 65 Messkettenkalibrierung Interpolieren Frontpanel 66 Messkettenkalibrierung Speichern Frontpanel e 67 Aufnehmerk
16. 0 6000 43 9762 165 7864 625 0000 18 0000 J 20 E 0 7000 32 3091 142 1026 625 0000 21 0000 1000 df 0 8000 24 7366 124 3398 625 0000 24 0000 R 01 0 9000 19 5450 110 5243 625 0000 27 0000 al u 1 0000 15 8314 99 4718 625 0000 30 0000 1004 A ERA Konstante Gr e 1 1000 13 0838 90 4289 625 0000 33 0000 Beschleunigung K 1 2000 10 9941 82 8932 625 0000 36 0000 v A Gr e Einheit 1 3000 9 3677 76 5168 625 0000 39 0000 E 10 ERS 625 zl mmisrz 1 4000 8 0773 71 0513 625 0000 42 0000 1 5000 7 0362 66 3146 625 0000 45 0000 1 6000 6 1842 62 1699 625 0000 48 0000 1 7000 5 4780 58 5128 625 0000 51 0000 1 8000 4 8862 55 2621 625 0000 54 0000 1 9000 4 3854 52 3536 625 0000 57 0000 0 2 mm Minimalweg 2 0000 3 9579 49 7359 625 0000 60 0000 o 2 1000 3 5899 47 3675 625 0000 63 0000 2 2000 3 2710 45 2145 625 0000 66 0000 Se 2 3000 2 9927 43 2486 625 0000 69 0000 0 A do no 2 4000 2 7485 41 4466 625 0000 72 0000 2 ennn rann 2n 7007 emp annn ae ona Frequenz ES Weiter gt gt gt Kontexthilfe ein ausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 12 Aufnehmerkalibrierung Konfiguration Frontpanel Auf dieser Oberfl che Abb 6 12 werden allgemeine Einstellungen zur Messung festgelegt wie Taskname Abtastrate und Anzahl der Samples Au erdem befindet sich im unteren Teil des Frontpanels ein Hilfsmittel zur Berechnung der Wegamplituden des Schwingerre gers abh ngig von der Frequenz Dabei wird
17. Anf ngen der Computertechnologie zur Standardanwendung geh rte war es im Bereich der Messtechnik lange Zeit nicht m glich ohne gro en Aufwand eine kleine Anzahl von Messwerten mit einem Rechner zu erfassen oder auszuwerten 1983 begann Jeff Kodos ky Mitbegr nder von National Instruments mit einer kleinen Gruppe von Studenten nach einer Methode zu suchen mit der der Zeitaufwand zur Erstellung von Messsystemen redu ziert werden k nnte So entstand LabVIEW eine intuitive verst ndliche Benutzeroberfl che kombiniert mit einer innovativen Programmiermethodik basierend auf dem Datenflussmo dell 5 1 Entwicklung e 1986 wurde nach drei Jahren Entwicklungsarbeit die Pionierversion der heutigen Soft ware auf einem Macintosh Computer der Firma Apple vorgestellt Die grafischen M g lichkeiten des Computersystems schienen f r die Realisierung von LabVIEW am bes ten geeignet 43 Kapitel 5 National Instruments Lab VIEW e 1990 erschien die zweite Version von LabVIEW Sie beinhaltete auch einen grafischen Compiler der die Umsetzung des Blockdiagramms in optimierten Maschinencode rea lisierte e 1992 erschien LabVIEW f r Windows und f r Sun e 1993 erschien LabVIEW 3 f r Windows Sun und Macintosh Durch die Plattfor munabh ngigkeit von LabVIEW lie en sich Programme die auf einer bestimmten Plattform geschrieben waren auch auf andere bertragen e 1994 wurde der Umfang der Computersysteme auf Windows NT Pow
18. Bandpass und Bandstop 4 3 Digitale Filterarten Im Folgenden wird die Betrachtung digitaler Filter im Vordergrund stehen da sie bei der Realisierung eines computergest tzten Messsystems eine ma gebliche Rolle spielen So wer den Eingangssignale generell gefiltert um St ranteile oder Offset zu eliminieren Desweiteren ist es m glich durch die Benutzung digitaler Filter welche auch individuell auf den jeweili gen Aufnehmer abgestimmt sein k nnen die verwendete Messtechnik zu kalibrieren Siehe Kapitel 2 Hier sollen kurz die standardm igen auch in LabVIEW Siehe Kapitel 5 um setzbaren digitalen Filter vorgestellt werden 4 3 1 FIR Filter Sind Filter nicht rekursiv also ohne Schleifen oder R ckkopplungen aufgebaut und besit zen sie eine endliche Impulsreaktionsfunktion werden sie als FIR Finite duration Impulse Response Filter bezeichnet Das bedeutet FIR Filter k nnen egal wie die Filterparameter gew hlt werden niemals instabil werden oder zu einer selbstst ndigen Schwingung ange regt werden FIRs haben keine Entsprechung bei analogen Filtern k nnen also nicht analog implementiert werden FIR Filter weisen folgende weitere Eigenschaften auf e FIR Filter sind immer stabil Dies folgt aus der Notwendigkeit dass die einzige n fache Polstelle der bertragungsfunktion immer im Ursprung und somit innerhalb des Einheitskreises liegt 37 Kapitel 4 Filterungstechnik e Die Gleichspannungsverst rkung eine
19. der Um setzung Ein weit verbreitetes ist wie bei der A D Wandlung das W geverfahren ber ein Widerstandsnetzwerk werden je nach Wert der bin ren Zahl im Register verschiedene Widerst nde geschaltet wobei jedes Bit einen Widerstand schaltet Bei einem 4 Bit D A Wandler entspricht die Zahl 0 0 0 0 einem Widerstand von nahezu oo w hrend die Zahl 1 1 1 1 einem Widerstand von 0 entspricht Entsprechend liegt am Analogausgang des Wand lers eine Spannung von OV bis zum Maximum der Referenzspannung an Diese Spannung ndert sich mit der Zeit und zwar mit der Frequenz der Ausgaberate des Wandlers F r die Qualit t des erzeugten Signals sind die Bit und Ausgaberate des verwendeten Wand lers sowie die Gr e des sogenannten Glitch Effektes ma geblich Als Glitches werden Spannungsspitzen Spikes bezeichnet die beim Umschalten der Widerst nde des DAC auftreten k nnen 3 4 Digitale Ein und Ausgabe Um Schaltzust nde zu lesen oder auszugeben werden digitale Ein und Ausg nge benutzt Es wird nicht eindeutig nach Ein und Ausgabe unterschieden Die Kan le k nnen softwa rem ig einzeln oder in Ports zu 4 oder 8 St ck umgeschaltet werden Verarbeitet werden k nnen in der Regel TTL Pegel Transistor Transistor Logic das hei t Signale zwischen 0 und 0 8 Volt Low Signal als digitaler 0 oder Aus Zustand Signale zwischen 2 und 5 25 Volt High Signal als 1 oder Ein Zustand interpretiert werden 26
20. die zweifache Zielfrequenz als Abtastfre quenz Abtastdauer Das zweite Kriterium zur Bestimmung des Frequenzgehaltes ist die Abtastdauer F r die Festlegung der Abtastdauer ist die tiefste zu untersuchende Frequenz ma geblich Es gilt hierbei 1 Abtastd rue tiefsteFrequenz Hz Das hei t bei einer untersten zu untersuchenden Frequenz von beispielsweise 0 25H z sollte die Abtastdauer mindestens 1 0 25Hz 4s betragen damit alle Perioden der Frequenz erfasst werden Besser w re aber das doppelte oder dreifache der Perioden l nge damit gen gend viele Perioden erfasst werden Aufl sung und Verst rkung Die Aufl sung eines Analog Digital Wandlers oder AD Cs Analog Digital Converter wird in Bit angegeben Gebr uchlich sind 12 16 und 24 Bit Aufl sungen Sie gibt Aufschluss ber die Genauigkeit mit der ein A D Wandler arbeitet Bei einer Aufl sung von 12 Bit und einem Wandelbereich von 10V ergibt sich die kleinste erkennbare Spannungsdifferenz zu 20V Dieser Wert entspricht dem 20 fachen des LSB bei 12 Bit Misst man bei einem Wan delbereich von 10 Volt und einer Aufl sung von 12 Bit ein Signal mit einer Amplitude 27 Kapitel 3 Werteerfassung und Ausgabe von 12 Bit so nutzt man die maximale Aufl sung von 1LSB 4 88mV und kann somit eine Genauigkeit von 4 88mV 20V erreichen Wiirde jedoch die Amplitude des Signals nur 25mV betragen so w re die Genauigkeit nur noch bei 25 Das en
21. gr er die zugelassene Welligkeit ist Es wird zwischen Tschebyscheff Filter vom Typ I und vom Typ II unter schieden Tschebyscheff Filter vom Typ I besitzen im Durchlassbereich einen oszillierenden Verlauf der bertragungsfunktion Tschebyscheff Filter vom Typ II besitzen die Welligkeit der bertragungsfunktion im Sperrbereich Das Tschebyscheff Filter besitzt folgende Eigenschaften e welliger Frequenzverlauf je nach Typ im Durchlassbereich oder im Sperrbereich e sehr steiles Abknicken bei der Grenzfrequenz verbessert sich mit der Ordnung und der Welligkeit 40 4 3 Digitale Filterarten e betr chtliches berschwingen bei der Sprungantwort verschlechtert sich mit der Ord nung und Welligkeit Siehe 39 22 Bessel Filter Ein Bessel Filter ist ein Frequenzfilter bei dessen Entwurf folgende Eigenschaften angestrebt wurden e optimales Rechteck bertragungsverhalten d h eine Wellenform deren Frequenzan teile innerhalb des Durchlassbereichs des Filters liegen erscheint bis auf eine Verz gerung unver ndert am Ausgang s mtliche Frequenzanteile des Signals ben tigen dieselbe Zeit um den Filter zu durch queren konstante Gruppenlaufzeit im Durchlassbereich e linearer Phasengang im Durchlassbereich Dabei wird in Kauf genommen dass der Amplitudenverlauf nicht so scharf wie beim Butterworth Filter oder Tschebyscheff Filter abknickt Das Bessel Filter besitzt folgende Eigenschaften e glat
22. nnen jedoch komplette Datens tze gel scht werden Aufgrund der Architektur der TDM Files k nnen nach dem L schen von Daten erst nach Schlie en der Datei also einem Programmneustart wieder Schreibvorg nge ausgef hrt werden Das heisst das L schen von Daten muss immer nach der Bearbeitung anderer Daten erfolgen 6 3 7 Aufnehmerkalibrierung Das Modul Aufnehmerkalibrierung erm glicht alle Vorg nge die n tig sind um das Auf nehmer bertragungsverhalten zu messen oder manuell einzugeben Aus diesen Werten wird 67 Kapitel 6 Softwaresystem nach einer etwaigen Korrektur mit einer Referenz eine bertragungsfunktion interpoliert und diese dann in die interne Datenbank gespeichert Dabei m ssen alle Informationen in der Eingabemaske ausgef llt werden Dieses VI ist das komplexeste Unterprogramm des Softwaresystems Konfiguration Konfiguration Erfassen Spitzenwertdetektor Korrektur Interpolieren Speichern Kalibrierbericht Messeinstellungen DAQmx Taskname OErweiterten Modus aktivieren Die Standardeinstellungen sollten im Regelfall belassen werden da es sonst zu Problemen bei der Korrektur kommen kann KalibrierungAufnehmer El Abtastrate 1000 dt 0 001 Anzahl Abtastwerte 10000 d 0 1 Einstellungen f r den Schwingerreger Berechnungstabelle weg Geschwindigkeit Beschleunigung f s Y a wdh Al 10000 0 5000 63 3257 198 9437 625 0000 15 0000 I f_max
23. plate muss sich in dem Ordner Reportvorlagen befinden 72 6 4 Hilfefunktion Konfiguration Erfassen Spitzenwertdetektor Korrektur Vorhandene Datenbankeintr ge ER Aufnehmernummer Aufnehmertyp Interpolieren Speichern Kalibrierbericht Aufnehmerauswahl Aufnehmer 1 O Aufnehmer 2 Neue Aufnehmerkennlinie Aufnehmernummer v O Aufnehmer 3 O Aufnehmer4 O Aufnehmer 5 v Aufnehmertyp Hersteller v Neuer Typ Hersteller v Anderer Hersteller Typ Herstellerseriennummer Typ Herstellerseriennummer AR bertragungsfunktion 700 0 001 0 01 Nicht Speichern Speichern und Beenden Kalibrierbericht gt gt gt Frequenz Hz Kontexthilfe ein ausblenden TE Abbildung 6 17 Aufnehmerkalibrierung Speichern Frontpanel 6 3 8 Aufnehmersteuerdatei ndern Die Funktionsweise dieses Programms ist gleich der des Programms zum ndern der Mess systemsteuerdatei Das hei t es k nnen neue Eintr ge angelegt bestehende modifiziert oder gel scht werden 6 4 Hilfefunktion LabVIEW ist mit einem umfassenden System zur Hilfeerstellung ausgestattet So kann man jedem Element des Programms unabh ngig ob Frontpanel oder Blockdiagrammobjekt so genannte Tooltips und Beschreibungen zuweisen Ein Tooltip erscheint wenn die Maus ber ein Objekt bewegt wird Die Beschreibung erscheint zeitgleich in der Kontexth
24. tterungsquellen gegeben e In Teil 2 11 wird die Einwirkung von Schwingungen auf Menschen in Geb uden be handelt Es werden Hinweise zur Messung und zur Auswertung gegeben Anschlie end wird ein Verfahren beschrieben das die Beurteilung bez glich einer Bel stigung von Menschen erlaubt Als weitere Grundlage ist hier die VDI 2057 zu nennen e In Teil 3 10 wird die Einwirkung auf bauliche Anlagen behandelt wobei frequenz abh ngige Grenzwerte f r die maximal zul ssigen Schwinggeschwindigkeiten am Bau werk angegeben werden Ersch tterungen k nnen folgende Auswirkungen haben e Direkte Gef hrdung von Bauwerken e Indirekte Gef hrdung von Bauwerken e Bel stigung von Menschen in ihrem Wohn und Arbeitsbereich Direkte Gef hrdung von Bauwerken Darunter versteht man direkte Sch den an der Bausubstanz durch berschreiten der zu l ssigen Spannungen einzelner Bauteile aufgrund dynamischer Beanspruchungen Durch Schwingungsmessungen kann eine Gef hrdung von Bauwerken durch dynamische Belastun gen abgesch tzt werden Dazu werden am Geb ude an verschiedenen Stellen Messpunkte zur Schwingungsmessung angebracht In der Regel werden triaxiale Messpunkte am Fundament horizontale Messpunkte in der obersten Deckenebene sowie vertikale Messpunkte auf den Deckenmitten installiert die den Schwingungseintrag in das Geb ude die Immission und die Schwingungsbelastung aufnehmen Als Messgr e werden in der Norm Schwinggesch
25. verstanden werden Sie sind das Pendant zu analogen Filtern mit den Vorteilen besserer Reproduzierbarkeit leichterer Anpassung ohne Hardwarever nderungen und keiner Alterung von Bauteilen Nachteilig an digitalen Filtern ist ihre hohe Latenzzeit d h ihre Ansprechverz gerung zwischen Signaleingabe und gefilter ter Signalausgabe Es lassen sich digitale Filter sowohl im Zeit als auch im Frequenzbereich realisieren Sie k nnen soft oder hardwarem ig implementiert sein Das hei t digitale Filter lassen sich mit A D Wandler Filter im IC und D A Wandler auch als quasi analoge Bau teile einsetzen Daneben besteht die M glichkeit der softwarem igen digitalen Filterung wie beispielsweise in der LabVIEW Entwicklungsumgebung Siehe Kapitel 5 Dadurch ist es auch m glich aufw ndige Berechnungen nicht in Echtzeit zu erledigen Beispielsweise las sen sich so alte Schallplatten restaurieren oder durch Analyse von R umen Bestimmung der Impulsreaktionsfunktion und anschlie ender Faltung mit einem Eingangssignal l sst sich die Klangcharakteristik dieses Raumes nachbilden Siehe 33 34 22 1 4 2 Filtertypen Durch Kombination der zur Verf gung stehenden Filterarten l sst sich beinahe jedes ge w nschte Verhalten eines Systems erzeugen Nachfolgend werden die grunds tzlichen Filter typen dargestellt Dabei spielt es keine Rolle ob sie analog oder digital ausgef hrt sind e Tiefpass Ein Tiefpass Filter l sst alle Frequenze
26. 488 Bus be kannt erlangte f r die Messtechnik eine weitreichende Bedeutung Unabh ngig davon welche Schnittstelle zum Einsatz kommt ist das prim re Ziel Daten rechnergest tzt zu erfassen 49 Kapitel 5 National Instruments LabVIEW 5 3 2 BUS Systeme GPIB Der von Hewlett Packard in den sp ten 1960er Jahren entwickelte GPIB General Purpose Interface Bus Schnittstelle fiir allgemeine Zwecke sollte die Kommunikation zwischen Messger ten und Computer erleichtern Uber ihn werden Daten zwischen Computer und Ger ten bertragen Das Institute of Electrical and Electronics Engineers IEEE stan dardisierte den GPIB 1975 zum IEEE 488 GPIB verwendet ein asynchrones Daten ber tragungsformat bei dem 8 Bit parallel Byte f r Byte bertragen werden dabei wird die Geschwindigkeit vom langsamsten Teilnehmer bestimmt Serielle Schnittstelle Sie stellt eine weitere M glichkeit dar um Daten zwischen verschiedenen Ger ten zu trans portieren Standartisiert sind die RS232 und die RS422 Schnittstellen Serielle Kommunika tion verwendet einen Sender der einzelne Bits auf einer Leitung nacheinander seriell ber eine Leitung an einen Empf nger bertr gt In Zukunft wird auch in der Messtechnik die RS232 weitestgehend von neueren seriellen Schnittstellen wie USB oder FireWire abgel st werden VXI PXI Der VXIbus eine Abk rzung f r VMEbus eXtensions for Instrumentation Erweiterung des VMEbus f r die Intrumentier
27. 6 JAMAL R HAGESTEDT A LabVIEW f r Studenten 4 Auflage Pearson Education 2004 ISBN 3 8273 7154 6 LOHNINGER H Angewandte Mikroelektronik E Book http www vias org mikroelektronik filter_basic_terms html Version Juni 2006 NATIONALINSTRUMENTS LabVIEW Benutzerhandbuch 1 11500 North Mopac Ex pressway Austin Texas 78759 3504 USA Juni 2003 NATIONALINSTRUMENTS LabVIEW Measurements Manual 1 11500 North Mopac Expressway Austin Texas 78759 3504 USA April 2003 NATIONALINSTRUMENTS LabVIEW Erste Schritte mit LabVIEW 1 11500 North Mopac Expressway Austin Texas 78759 3504 USA Juni 2004 NATIONALINSTRUMENTS Sound and Vibration Toolkit User Manual 1 11500 North Mopac Expressway Austin Texas 78759 3504 USA April 2004 PH D SMITH S W The Scientist and Engineer s Guide to Digital Signal Processing E Book http www dspguide com Version November 2001 SCHLEMMER H Grundlagen der Sensorik Eine Instrumentenkunde f r Vermessungs ingenieure 1 Auflage Wichmann 1996 ISBN 3 87907 278 7 TR NKLER H R OBERMAYER E Hrsg Sensortechnik Handbuch f r Praxis und Wissenschaft 1 Auflage Springer Verlag 1998 ISBN 3 540 58640 7 WIELANDT E Seismographen Wechselwirkungen Jahrbuch aus Lehre und For schung der Universit t Stuttgart http www geophys uni stuttgart de lehre skripte old_skripte seismometry seismo_htm seismographen htm Version Juli 1996 WIKIPE
28. Auswahl einer gemeinsamen Anzeigegr e aller Aufnehmer abh ngig vom Aufnehmertyp wird integriert oder differenziert Im Aufbau des Hauptprogramms wurden grundlegende nderungen eingef hrt konsequente Benutzung eigener SubVls zwei getrennte Unterprogramme f r Interaktion mit dem Nutzer und programmatische Aufgaben programmeigene Hilfe und Kontexthilfe ge ndertes LabVIEW Standardlayout der Benutzeroberfl che konsequente Benutzung von Systemanzeige und Bedienelementen benutzen von Unterpanels M glichkeit der Darstellung von programmatisch ange passten Anzeigeelementen verst rkter Einsatz von Schieberegistern Globalen Variablen Eigenschaftsknoten und Konfigurationsdateien In dieser Arbeit ist ein komplexes Softwaresystem entstanden welches eine gro e Anzahl verschiedener Funktionen in sich vereint Durch den Aufbau des Programms und die gute Dokumentation lassen sich auch zuk nftige Erweiterungen leicht hinzugef gen 82 Literaturverzeichnis 1 2 3 4 5 6 7 8 9 BEST R Handbuch der analogen und digitalen Filterungstechnik 2 Auflage AT Verlag 1987 ISBN 3 85502 148 1 BR EL amp KJAER Vibration Transducers and Signal Conditioning 2005 BA 7675 12 BR EL amp KJAER Introduction to Shock amp Vibration 2006 BA 7674 12 Norm DIN 1319 Teil 3 Mai 1995 Grundlagen der Messtechnik Auswertung von Mes sungen einer einzelnen Messgr e Norm DIN 1319
29. Bauhaus Universit t Weimar Fakult t Bauingenieurwesen Institut f r Strukturmechanik Professur Baumechanik Diplomarbeit ERSTELLUNG EINES MODULAREN SYSTEMS ZUR DYNAMISCHEN MESSWERTERFASSUNG MIT HILFE DER GRAFISCHEN PROGRAMMIERUMGEBUNG LABVIEW cand Ing Johannes Gramse geb am 6 August 1978 in Erfurt Matrikelnummer 990775 Erstpr fer Prof Dr Christian Bucher Zweitpr fer Dr Ing Volkmar Zabel Reg Nr B 2006 35 Ausgabedatum 28 Juni 2006 Abgabedatum 29 September 2006 Eidesstattliche Erkl rung Hiermit versichere ich die vorliegende Arbeit selbst ndig und unter ausschlie licher Verwendung der angegebenen Literatur und Hilfsmittel erstellt zu haben Die Arbeit wurde bisher in gleicher oder hnlicher Form keiner anderen Pr fungsbe h rde vorgelegt und auch nicht ver ffentlicht Weimar 29 September 2006 Unterschrift Inhaltsverzeichnis Eidesstattliche Erkl rung 1 Einleitung LE Mouva om mase rs aaa a e a a eh 1 2 Probleme der Vorg ngersoftware e L Zus tzliche Erweiterungen d ew a 3 dadaa a aaa nn a 1A Bine bersicht EE 2 Messtechnik und Sensoren 2 1 Allgemeines zur Messtechnik o o e e o e 0 2 250 Bl a EB Bee 2 2 1 Geschwindigkeitssensoren o 2 2 2 Beschleunigungssensaren o s oo essa A 2 9 Normen deriye do da aa a guy a gni e a 2 3 1 DIN 1319 Grundlagen der Messtechnik
30. DIA Analog Digital Umsetzer Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki A D Wandler Version Juli 2006 WIKIPEDIA Analogfilter Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org w index php title Analogfilter amp oldid 18590938 Version Juli 2006 WIKIPEDIA bertragungsfunktion Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org w index php title C3 9Cbertragungsfunktion amp oldid 17889280 Version Juli 2006 WIKIPEDIA Beschleunigungssensor Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Beschleunigungsmesser Version Juli 2006 84 Literaturverzeichnis 30 31 82 33 84 35 36 87 38 39 WIKIPEDIA Besselfilter Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Besselfilter Version Juli 2006 WIKIPEDIA Butterworthfilter Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Butterworthfilter Version Juli 2006 WIKIPEDIA Digital Analog Umsetzer Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki D A Wandler Version Juni 2006 WIKIPEDIA Digitales Filter Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Digitales_Filter Version Juni 2006 WIKIPEDIA Filter Elektronik Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Filter_ 28Elektronik 29 Version Juli 2006 WIKIPEDIA Filter mit endlicher Impulsantwort Wikipedia Die freie Enzyklop di
31. G DB 338 Fr t gt 5 EEE DEFEEGGEZE Eee e a a pp Fe E H Seite 4 von 5 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2003 12 Aufnehmerkennlinienprotokoll Allgemeines Datum der Kalibrierung Uhrzeit Kalibrierung durchgef hrt von Auftraggeber Bauhaus Universit t Weimar Fakult t Bauingenieurwesen Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 15 99421 Weimar Umgebungsbedingungen Temperatur des Pr flings Relative Luftfeuchte Lage des Pr flings im Erdschwerefeld Kalibriergegenstand Aufnehmer Aufnehmertyp Hersteller Typ Seriennummer 20 09 2006 16 22 Johannes Gramse 22 Grad 60 horizontal 2003 12 Beschleunigung PCB 393A03 M116 11703 003442 Seite 1 von 5 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2003 12 Messbedingungen Hersteller Typ Seriennummer Schwingerreger WPM SHSE 300 Messkette Hersteller Typ Seriennummer Multiplexer National Instruments BNC 2120 Messkarte National Instruments DAQ Card 6062E 1031076 PC Dell Latitude D800 Software National Instruments LabVIEW 8 0 1 Anschlusskabel Hersteller Typ L nge Kabel 1 Metra BNC 10 m Kabel 2 Kabel 3 Kabel 4 Seite 2 von 5 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2003 12 bertragungsverhalten Tabelle Frequenz Hz
32. Interpolation einer bertragungsfunktion gt gt gt Speichern und Schlie en Yorhandene Datembankeintr ge Neuer Datembankeintrag Unter welchem Messsystem sollen die Daten der Steuerdatei hinzugef gt werden Um vorhandene Eintr ge zu ndern einen bestehenden Namen ausw hlen Vorhandene Datens tze y o Messkarte Messkarte v Anderer Hersteller Hersteller Hersteller Typ Seriennummer Typ Herstellerserienmummer Signal SCXI bertragungsfunktion Fee 1 2 T KEE 1 1 1 08 1 1 06 1 04 4 1 02 2 ee E 0 98 0 96 GE 0 94 0 92 da E Z EE D 1 i i i 1 H H i 1 D ue 1 10 100 200 0 20 340 60 80 100 120 140 160 180 200 Frequenz Nicht Speichern Speichern und Beenden Kontexthilfe einfausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 11 Messkettenkalibrierung Speichern Frontpanel 6 3 6 Messsystemsteuerdatei ndern In diesem Unterprogramm k nnen gezielt Datens tze aus der Messsystemsteuerdatei ge l scht hinzugef gt oder ge ndert werden Dabei beschr nken sich die Manipulationen an der Datenbank auf nderungen an den Eigenschaften der Aufnehmer Anders gesagt es kann alles manipuliert werden au er der bertragungsfunktion des Datensatzes Der Schl ssel ist dabei der Messkartenname Wird ein Eintrag unter einem schon vorhandenem Namen gespei chert werden alle Eigenschaften dieses Eintrags berschrieben Es k
33. Interpolieren Speichern Kalibrierbericht A en ES k Aufnehmerauswahl Referenz Aufnehmer 1 O Aufnehmer 2 O Aufnehmer 3 O Aufnehmer 4 O Aufnehmer 5 O Spitzenwertdetektor Spitzenwerte gemessenes Spektrum X Y Werte der F 0 N Volt 0 025 f Ist Wert Al 0 02 e 3 0 015 E 0 01 Tabelle Leeren 0 005 Ke 1 1 1 1 0 5 1 10 100 500 Frequenz Gemessene Frequenzen Spitzenwertdetektor Frequenzen Ermittelte Amplituden Gemessene Frequenz A Amplitude EH 2 3 a vi l In Tabelle bernehmen gt gt gt Weiter gt gt gt el Kontexthilfe ein ausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 14 Aufnehmerkalibrierung Spitzenwertdetektor Frontpanel Korrektur Aus dem Spitzenwertdetektor in die Korrekturoberfl che Abb 6 15 bernommene Werte werden automatisch in die richtigen Tabellen bernommen auf dieser Oberfl che ist nur in dem pull down Men links oben auszuw hlen welcher Aufnehmer als Referenz Kanal 0 gilt Entscheidend ist nat rlich dass sich ein Datenbankeintrag zu diesem Aufnehmer finden l sst Dadurch werden die vorhandenen Daten der Referenz in die zweite Tabelle eingetragen Die Korrektur der Messwerte erfolgt sobald ein Referenzaufnehmer gew hlt wurde Zur Korrektur des gemessenen Signals eines nicht kalibrierten Aufnehmers mit dem einer Referenz werden zuerst die gemessenen Werte der Referenz
34. Kapitel 1 Einleitung 1 1 Motivation Bei der Anfertigung einer Studienarbeit mit dem Titel Erstellung eines Messsystems nach DIN 45669 mit Hilfe der Programmiersprache Lab VIEW 15 wurde klar dass dieses Thema einer weiteren Betrachtung bedarf In der vorliegenden Diplomarbeit sollen die bei der Erstellung der Studienarbeit gewonnenen Erfahrungen vertieft und aufgetretene Probleme weitgehend gel st werden 1 2 Probleme der Vorg ngersoftware In der Vorg ngersoftware traten vielf ltige Probleme hinsichtlich der Datenanalyse und speicherung der Auswertungs und Reporterstellungsm glichkeiten der Automatisierungen im Programmablauf und andere auf Au erdem waren aufnehmerspezifische Probleme Kali brierung bertragungsfunktion und die gleichzeitige Verwendung verschiedener Aufnehmer und unterschiedliche Anzahl von Kan len in einem Programm ohne manuellen Eingriff in das Blockdiagramm Integration Differentiation ein Schwerpunkt 1 3 Zus tzliche Erweiterungen Neben der L sung vorhandener Probleme steht die Erweiterung des Programmsystems um zus tzliche Funktionen im Mittelpunkt z B Schwingungsmessung an Masten und T rmen Br cken o nach den entsprechenden Vorgaben der jeweiligen Normen Ziel ist eine auto matisierte Einbindung der unterschiedlichen Aufnehmer hinsichtlich bertragungsfaktoren bzw funktionen und Aufnehmertypen Weg Geschwindigkeit Beschleunigung Dies leis tet das Kalibriermodul des Progr
35. Teil 4 Mai 1995 Grundlagen der Messtechnik Auswertung von Mes sungen mehrerer Messgr en Norm DIN 1319 Teil 2 Mai 1995 Grundlagen der Messtechnik Begriffe f r die Anwen dung von Messger ten Norm DIN 1319 Teil 1 Mai 1995 Grundlagen der Messtechnik Grundbegriffe Norm DIN 45669 Teil 2 Juni 1995 Messung von Schwingungsimmisionen Messverfah ren Norm DIN 45669 Teil 1 Mai 1995 Messung von Schwingungsimmisionen Schwingungs messer Anforderungen Pr fung 10 Norm DIN 4150 Teil 3 Februar 1999 Ersch tterungen im Bauwesen Einwirkungen auf bauliche Anlagen 11 Norm DIN 4150 Teil 2 Juni 1999 Ersch tterungen im Bauwesen Einwirkungen auf Menschen in Geb uden 12 Norm DIN 4150 Teil 1 Juni 2001 Ersch tterungen im Bauwesen Vorermittlung von Schwingungsgr en 13 Norm VDI 2057 Teil 1 September 2002 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf Menschen Ganzk rperschwingungen 14 Norm VDI 2057 Teil 2 September 2002 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf Menschen Hand Arm Schwingungen 83 Literaturverzeichnis 15 16 17 18 19 20 21 22 Ga 24 25 26 27 28 29 GRAMSE J PROF DR BUCHER C Hrsg DR ING ZABEL V Hrsg Entwicklung eines Messsystems zur Schwingungsmessung nach DIN 45669 mit Hilfe der Program miersprache LabVIEW Studienarbeit Bauhaus Universit t Weimar 200
36. abe Verst rker CH0 CH1 CH2 CHn AIGND Abbildung 3 5 Non Referenced Single Ended NRSE 3 3 Datenausgabe Digital Analog 3 3 1 Digital Analog Wandler D A Wandler oder DAC Digital Analog Converter setzen eine bin re Zahl in eine pro portionale Gr e wie Spannung oder Strom um So lassen sich rechnergesteuert beliebige Spannungen zwischen den Grenzen der Referenzspannung erzeugen Durch die zeitlichen n derungen der bin ren Zahl erh lt man am Analogausgang des Wandlers eine treppenf rmige Spannungskurve Abb 3 6 ein wertdiskretes zeitkontinuierliches Ausgangssignal Bei einer Ua Abbildung 3 6 Geringe Ausgaberate des D A Wandlers hohen nderungsrate und Aufl sung des D A Wandlers Abb 3 7 l sst sich jedes beliebige h herfrequente Signal am Ausgang erzeugen Entscheidend ist dass der Zeitabschnitt einer konstanten Spannung wesentlich k rzer ist als die Frequenz des zu erzeugenden Signals und das die Spannungsspr nge sehr viel kleiner sind als die maximale Signalamplitude Aufgrund dieser Faktoren werden in der Praxis h ufig Tiefpassfilter nachgeschaltet um ein wertkon tinuierliches Signal zu erzeugen 30 3 4 Digitale Ein und Ausgabe Ua Abbildung 3 7 Hohe Ausgaberate des D A Wandlers Funktionsweise hnlich wie bei A D Wandlern gibt es auch bei D A Wandlern mehrere Verfahren
37. alibrierung Konfiguration Frontpanel 68 Aufnehmerkalibrierung Erfassen Frontpanel o 69 Aufnehmerkalibrierung Spitzenwertdetektor Frontpanel 70 Aufnehmerkalibrierung Korrektur Frontpanel e 71 Aufnehmerkalibrierung Interpolieren Frontpanel 72 Aufnehmerkalibrierung Speichern Frontpanel e 73 Aufnehmerkalibrierung Kalibrierbericht Frontpanel 2 2 2 74 SCXI bertragungsverhalten Eigene Darstellung 76 WPM Schwingerreger mit Hydraulikaggregat 2 220 76 Weg bei konstanter Beschleunigung 77 Montierte SM 6 Horizontal Aufnehmer 78 88 Tabellenverzeichnis 2 1 2 2 Dl 5 2 Aufnehmertypen Eigene Darstellung 13 Wahrnehmung der bewerteten Schwingst rke KB aus 11 20 LabVIEW Ausdr cke und konventionelle Argumente aus 16 47 Vergleich verschiedener Bus Systeme aus 16 51 89 Tabellenverzeichnis 90 Index bertragungsfunktion 33 Abtastdauer 27 Abtastrate 27 ActiveX 44 53 ADC 27 Aliasing 27 35 Anschlussblock 46 49 Bandpass 36 Bandstop 36 Blockdiagramm 46 48 DAC 30 DAQ 45 DAQmx 45 Daten quelle 47 senke 47 Datenfluss 49 Digital I O 31 DLL 52 54 DMS 12 Element Anzeige 47 Bedien 47 Steuer 48 Erfassung arten 28 EXE 54 Filter bertragungsverhalten 33 Aktive 35 Analog 34 Bessel 41
38. amms Die dabei gewonnenen Werte werden in einer Datei gespeichert die anderen Anwendungen zur Verf gung steht Kapitel 1 Einleitung 1 4 Eine bersicht Die Arbeit gliedert sich in einen Textteil und einen Softwareteil Die ersten Kapitel des Text teils zeigen den theoretischen Hintergrund der Messtechnik und der verwendeten Program miersprache LabVIEW Danach schlie t sich eine Erl uterung des in LabVIEW erstellten Programmsystems an Im siebten Kapitel wird auf die durchgef hrten Kalibrierungsmessun gen eingegangen Das achte Kapitel gibt eine kurze Zusammenfassung der gewonnenen Erfah rungen Im Anhang finden sich zwei Beispielprotokolle der Aufnehmerkalibrierung erstellt mit dem LabVIEW Programmsystem sowie das Blockdiagramm des Aufnehmerkorrektur VIs Das eigentliche Softwaresystem steht inklusive aller Hilfsprogramme als LabVIEW Projekt ausf hrbare Exe Datei und als Setup Version auf der beilegten CD zur Verf gung F r die Ausf hrung wird die LabVIEW Runtime 8 0 1 ben tigt Der Datentr ger enth lt auferdem die vorliegende Arbeit im PDF und Latex Format Protokolle der Aufnehmerkalibrierungen die Messprogramm Hilfe und die ben tigten Steuerdateien f r Aufnehmer und Messpro gramm 10 Kapitel 2 Messtechnik und Sensoren Im folgenden Abschnitt soll ein berblick zu Prinzipien der Messtechnik und im Speziellen ber Methoden der Schwingungsmesstechnik gegeben werden 2 1 Allgemeines zur Messtechnik
39. ative Luftfeuchte Lage des Pr flings im Erdschwerefeld Kalibriergegenstand Aufnehmer Aufnehmertyp Hersteller Typ Seriennummer 20 09 2006 19 01 Johannes Gramse 22 Grad 60 horizontal 2000 02 Geschwindigkeit 10 SM 6 Horizontal Seite 1 von 5 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2000 02 Messbedingungen Hersteller Typ Seriennummer Schwingerreger WPM SHSE 300 Messkette Hersteller Typ Seriennummer Multiplexer National Instruments BNC 2120 Messkarte National Instruments DAQ Card 6062E 1031076 PC Dell Latitude D800 Software National Instruments LabVIEW 8 0 1 Anschlusskabel Hersteller Typ L nge Kabel 1 Metra BNC 10 m Kabel 2 Kabel 3 Kabel 4 Seite 2 von 5 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2000 02 bertragungsverhalten Tabelle Frequenz Hz bertragungsfaktor mV Messgr e 0 4 0 215123 0 5 0 335405 0 6 0 481021 0 8 0 851018 1 1 327772 1 2 1 905205 1 6 3 430165 2 5 386337 2 5 8 541067 3 2 14 204282 4 21 485807 4 2 23 034056 4 5 25 125277 4 7 26 283875 5 27 747776 6 3 31 523772 8 32 335741 10 32 281871 12 5 31 201171 16 29 895088 500 29 895088 Seite 3 von 5 Bauhaus Universit t Weimar Institut f r Strukturmechanik Marienstra e 13 Protokoll Aufnehmer 2000 02 Ubertragungsverhalten Graph NH 2 gt gt 23 32 een o E
40. btastung 10 Sekunden dauert Deshalb bleibt f r die Korrektur genug Zeit und es gibt keine L cken im Signalverlauf Im darge Abbildung 6 6 Kanalkorrektur Blockdiagramm stellten Blockdiagramm Abb 6 6 kann man den Case des Falldiagramms erkennen der ausgef hrt wird wenn das Programm aktiviert ist Im linken Bereich werden die Abfragen an die Aufnehmer Datenbank durchgef hrt Oben ist die Trennung von unkorrigiertem und korrigiertem Eingangssignal zu erkennen In der Mitte befindet sich die Korrektur FFT Division IFT im unteren Bereich die Signal berpr fung und Neuabtastung Im rechten Auschnitt werden die Werte wieder zu einem Signalverlauf mit den Eigenschaften des Ein gangssignals Zeitstempel Kanalname dt umgewandelt Dem Kanalnamen wird entweder der Name des Messsystems oder des korrigierten Aufnehmers in Klammern angehangen Sollte der Fall auftreten dass bei aktivierter Korrektur f r einen Kanal kein Aufnehmer gew hlt wurde ko
41. chiedene Typen von Beschleunigungsaufnehmern aus 2 Sensoren mit piezoelektrischer Funktionsweise zeichnen sich durch ein gutes dynamisches Verhalten aus In diesem Material werden durch Aufbringen einer mechanischen Spannung elektrische Ladungen getrennt Diese Ladungen k nnen an der Oberfl che abgef hrt und zur Messung genutzt werden Technische Anwendung haben nur der longitudinale Piezoef fekt und der Schubeffekt Da die verwendeten dielektrischen Quarzkristalle sehr steif sind 16 2 3 Normen haben sie in der Regel einen Messweg von wenigen um Die Eigenverformungen k nnen hier meist vernachl ssigt werden Es lassen sich Vorg nge unter einer us messen Die Anforde rungen an das Isolationsmaterial des Aufnehmers sind relativ hoch da geringe Fehler gro e Messabweichungen zur Folge haben k nnen Mikro Elektro Mechanische Systeme oder Mikroaufnehmer werden aus Silizium hergestellt Dabei handelt es sich um Feder Masse Systeme bei denen die Federn nur wenige um breite Silizium Stege sind und auch die Masse aus Silizium hergestellt ist Durch die Auslenkung bei Beschleunigung kann zwischen dem gefedert aufgeh ngten Teil und einer festen Bezugselek trode eine nderung der elektrischen Kapazit t gemessen werden Der gesamte Messbereich entspricht einer Kapazit ts nderung von nur ca 1 pF Durch ihre geringe Gr e besitzen sie eine hohe Messgeschwindigkeit Deshalb werden sie beispielsweise auch im Kraftfahrzeugbau zu
42. chst rungen entfernt werden Daten die durch fehlerhafte Ausr stung verf lscht wurden oder Umgebungseffekte wie Temperatur oder Luftfeuchtigkeit m ssen korrigiert werden Die Analyse VIs von Labview decken die folgenden Hauptanwendungsgebiete ab e Digitale Signalverarbeitung e Digitale Filterung e Fensterung e Statistische Analyse e Kurvenanpassung e Lineare Algebra e Numerische Analyse 5 4 Konnektivit t In manchen F llen sollen Daten mit anderen Programmen oder Anwendungen geteilt werden LabVIEW verf gt ber eingebaute Funktionen die diesen Vorgang vereinfachen Diese VIs erleichtern die Kommunikation ber ein Netzwerk rufen DDLs oder externen Quelltext auf und unterst tzen ActiveX Wird das SQL Erweiterungs Toolkit verwendet kann LabVIEW auch mit den meisten SQL Structured Query Language Datenbanken kommunizieren 5 4 1 DLL und CIN LabVIEW kann externe textbasierte Programmroutinen oder DLLs Dynamic Link Li braries aufrufen und diese in seine eigene Programmausf hrung einbinden Eine DLL ist eine Bibliothek gemeinsamer Funktionen die eine Anwendung w hrend der Ausf hrung einbinden kann nicht w hrend der Kompilierung Seit der Version 6i von LabVIEW gibt es die M glichkeit eine beliebige Labview Applikation in eine DLL zu konvertieren um die Funktionen des LabVIEW VIs auch anderen Anwendungen die beispielsweise in C oder Delphi programmiert wurden zur Verf gung zu stellen 52 5 5 Zusam
43. der Wellenausbreitung in festen Medien Um diese Daten messen zu k nnen bedien te man sich einfacher schwingender Massen deren Tr gheit eine relative Gegenbewegung der seismischen Masse gegen ber der sich bewegenden Erdoberfl che bewirkt So entstanden die ersten Seismometer Abb 2 4 Abbildung 2 4 Vertikalseismograph von Cancani im Vesuvobservatorium 1902 aus 25 In Kombination mit einer Aufzeichnungseinheit wird dieser Ein Massen Schwinger auch als Seismograph bezeichnet Durch verschiedene Probleme dieser Technik war die Genauigkeit 14 2 2 Sensoren der Messungen nicht sehr gro Urs chlich hierf r waren vor allem die Temperaturabh n gigkeit und Reibung der Mechanik Abbildung 2 5 Das Z rcher Blattfederseismometer aus 25 Ein weiteres Problem war die genaue Aufzeichnung der Daten auf Papierrollen und die f r globale Messungen Laufzeit und Entfernung exakte Messzeit Mit zunehmender Ent wicklung der Elektrotechnik Anfang des 20 Jahrhunderts wurde durch den Einsatz von elektromechanischen Elementen Tauchspulen Wirkung durch elektrische Induktion die Auswertem glichkeiten des Systems verbessert da sich dadurch erstmals Messwerte elek trisch aufzeichnen lie en Abb 2 5 Abbildung 2 6 Modernes Geophon aus 25 15 Kapitel 2 Messtechnik und Sensoren Mittlerweile sind diese Sensoren Masse Feder Spule Geh use wesentlich handlicher und genauer als ihre Vorg nge
44. digitales Signal also eine bin re Zahl zu konvertieren Jede dieser Methoden hat ihre Vor und Nachteile und findet je nach Anforderungen wie Schnelligkeit Genauig keit oder St ranf lligkeit ihren Anwendungszweck M gliche Verfahren sind z B das Ein Zwei oder Vierrampenverfahren Als eine M glichkeit sei hier das Einrampenverfahren n her erl utert Ein A D Wandler der nach dem Einrampenverfahren arbeitet besteht im Wesentlichen aus e Rampengenerator 24 3 2 Datenerfassung Analog Digital e Fensterkomparator e Taktgenerator e Z hler Der Rampengenerator bildet eine linear ansteigende Spannung Ug von z B 0 bis 10V Der Fensterkomparator vergleicht laufend die zu messende Spannung Up mit der definierten Rampenspannung Us Beim Nulldurchgang von Us startet er einen Z hler der die Impulse des Taktgenerators z hlt Wird Us gt Ug so wird der Z hler gestoppt Der Z hlerstand stellt dann ein digitales Maf f r die Spannung Upg dar Vorraussetzung f r dieses Verfahren sind eine Rampenspannung konstanter Steigung und eine konstante Frequenz des Taktgenerators Die Steigung der Rampe und die Frequenz des Taktgenerators sind so aufeinander abgestimmt dass der Z hler bei maximaler Amplitude der Rampenspannung seinen h chsten Wert erreicht Der Wandelbereich resultiert aus der Amplitude der Rampenspannung und betr gt typi scherweise 0 10V Die Aufl sung des D A Wandlers errechnet sich aus dem maxima
45. e http de wikipedia org wiki FIR Filter Version Juni 2006 WIKIPEDIA Filter mit unendlicher Impulsantwort Wikipedia Die freie En zyklop die http de wikipedia org wiki Filter_mit_unbegrenztem_ Impulsansprechverhalten Version Juni 2006 WIKIPEDIA Grenzfrequenz Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Grenzfrequenz Version Juni 2006 WIKIPEDIA Seismograph Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Seismometer Version Mai 2006 WIKIPEDIA Tschebyschefffilter Wikipedia Die freie Enzyklop die http de wikipedia org wiki Tschebyschefffilter Version Juli 2006 85 Literaturverzeichnis 86 Abbildungsverzeichnis SN 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 1 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 1 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 Dal 5 2 5 3 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 6 6 6 7 Dehnmessstreifen gt aac cea Cm une 12 Wheatstonesche Br ckenschaltung 2 222 on nn 12 Frequenzabh ngigkeit der Amplituden von x t und aus 2 14 Vertikalseismograph von Cancani im Vesuvobservatorium 1902 aus 25 14 Das Z rcher Blattfederseismometer aus 25 15 Modernes Geophon aus Dal 15 Verschiedene Typen von Beschleunigungsaufnehmern aus 2 16 Grunds tzliche Behandlung von Signalen 2 2m nn nn 23 SIENAHYPEN sean e ua haha 24 Differentielle Messung das uw u u en ae ia rn A A 29 Referenced Single Ended RSE o
46. ei im Ordner Steuerdateien befindet In dieser Datei werden alle relevanten Programminforma tionen gespeichert Sollte keine Steuerdatei gefunden werden wird eine neue Datei erstellt Weiterhin berpr ft das Programm ob die Aufnehmer und Messsystem Steuerdateien ge laden werden k nnen Wenn ja werden sie ge ffnet und eine Referenz an das Programm wei tergegeben Der haupts chliche Unterschied zu anderen Programmen ist hier die getrennte Behandlung von Benutzerereignissen in einer Schleife und Messtechnik in einer anderen Ein gro es Problem bei tieffrequenten Messungen ist die zur Aufl sung des Frequenzbereichs n tige lange Abtastdauer W hrend dieser Zeit kann ein Programm welches aus nur einer Schleife besteht keine anderen Prozeduren abarbeiten Diese Problematik ist somit umgan gen Der Datenaustausch zwischen diesen zwei Schleifen geschieht ber lokale Variablen So wird eine Messung zwar vom Nutzer in der Steuerschleife gestartet und beendet aber der eigentliche Stop findet erst dann statt wenn die Messschleife ihr OK gibt Die GUI Schleife enth lt alle Elemente mit denen der Nutzer in Interaktion tritt Dies sind z B die Men berwachung und Auswertung alle Bedienelemente auf dem Frontpanel sowie die SubVIs f r Einstellung Kalibrierung HB Soll Test und Statistik Desweiteren wird auch die Online und die Programmbhilfe von hier aus gestartet Die Messschleife enth lt die SubVIs zum Starten des Messtasks d
47. ektrodynamischen Schwingerregers und Vergleich mit einem Normal bereits das bertragungsverhalten einiger Aufnehmer bei bestimmten Frequenzen aufgenommen Diese 77 Kapitel 7 Kalibriermessungen Werte wurden mit Hilfe der Interpolationsfunktion des Aufnehmer Kalibrierungs Moduls in die Datenbank eingegeben Somit standen die bereits gemessenen Werte als Referenz zur Verfiigung Die damals benutzten Frequenzen wurden auch jetzt wieder angefahren F r die Messungen der bertragungsfunktionen der Geschwindigkeitsaufnehmer wurde ein SM6 Horizontal mit der internen Nummer 200 01 als Referenzaufnehmer gew hlt Bei der Messung der Beschleunigungsaufnehmer wurde ein KB12V mit der internen Nummer 2002 01 verwendet Au er der Referenz wurden drei weitere Aufnehmer des gleichen Messtyps am Erreger befestigt Abb 7 4 Die Signale der Aufnehmer wurden mit dem BNC An Abbildung 7 4 Montierte SM 6 Horizontal Aufnehmer schlussblock und einer Datenerfassungskarte DAQ 6062 der Firma National Instruments digitalisiert F r die gesamte Kalibrierung kam das entsprechende Modul des LabVIEW Hauptprogramms zum Einsatz Im Einzelnen waren das folgende Schritte Aufzeichnen der Daten mit dem Programm dt 0 001s df 0 1Hz Spitzenwertdetektion durch Vorgabe der Einzelfrequenzen Korrektur der Daten mit der Referenz FFT RMS Messwerte der Referenz geteilt durch die bertragungsfunktion der Referenz ergibt die realen Beschleunig
48. enen Erfah rungen vertieft und aufgetretene Probleme weitgehend gel st Durch die Entwicklung des Softwaresystems ist es gelungen die Schwachstellen der Vorg ngerversion zu eliminieren Es wurde ein Modul zur Erfassung von Kalibrierinformationen programmiert welches alle gestellten Anforderungen erf llt Dazu geh ren programmatische Erfassung von Kennwerten ohne Vergleich einer Referenz programmatische Erfassung von Kennwerten mit Vergleich einer Referenz und Kor rektur manuelle Eingabe von Kennwerten und Weiterverarbeitung speichern von Kennwerten in einer gemeinsam genutzten Datenbank integrierte Berichterstellung Die Korrektur des bertragungsverhaltens der Aufnehmer funktioniert problemlos Sie wird realisiert durch ein Modul zur Korrektur im Frequenzbereich mit folgenden Eigenschaften dynamisch aktivierbar Datenbankzugriff auf die Steuerdateien mit den Kalibrierinformationen Analyse des Eingangssignals und der Korrekturwerte automatische Anpassung der Signale am Modulausgang liegen sowohl das korrigierte und das nicht korrigierte Signal als auch die Korrekturfunktion an Die dynamische Korrektur der Messwerte hinsichtlich ihrer Messgr e und der anzuzeigenden Gr e kann realisiert werden Das VI besitzt folgende Eigenschaften dynamisch einstellbare Korrektur ber Konfiguration festgelegte Eigenschaften 81 Kapitel 8 Schlussbetrachtung Datenbankzugriff zu Bestimmung des Aufnehmertyps
49. entweder eine konstante Geschwindigkeit oder Beschleunigung angenommen Au erdem gibt die Tabelle Aufschluss ber die Anzahl von Wiederholungen einer Schwingung bei einer Frequenz um eine gleichlange Messzeit zu er reichen Die angesetzte Messzeit bestimmt sich aus n x dt x 3 in Sekunden Wobei n gleich die Anzahl von Samples und dt die Zeitaufl sung ist das hei t die Dauer einer Erregung bei einer bestimmten Frequenz betr gt immer drei Messtakte 68 6 3 Unterprogramme Erfassen Abbildung 6 13 zeigt die Messoberfl che des Programms Auf dem Frontpanel werden die Zeitverl ufe und Spektren der Signale dargestellt Es existiert ein Reset Knopf zum L schen des Maximalwertspeichers der FFT In der Aufnehmerauswahlleiste kann der darzustellende Kanal ausgew hlt werden Bei Umschalten der Aufnehmerauswahl vergeht aber bis zu ein Messtakt zur Aktualisierung der Programmanzeigen Wenn die Messung gestartet wurde werden die Weiter Schaltfl che und die Registerkartenleiste deaktiviert Konfiguration Erfassen gt Spitzenwertdetektor Korrektur Interpolieren Speichern _Kalibrierbericht i Aufnehmerauswahl Alle Aufnehmer Referenzaufnehmer O Aufnehmer 1 O Aufnehmer 2 O Aufnehmer 3 O Aufnehmer 4 O Aufnehmers O Zeitreihe und gemitteltes Spektrum Anzahl Abtastungen E fo E Referenz F Aufnehmer 1 Aufnehmer 1 FFT RMS SE Werte Aufnehmer 2 7 Reset des Maxwertspeichers Aufnehmer 2 FFT RMS
50. er Macintosh und HP Workstations ausgedehnt e 1995 erschien die f r Windows 95 geschriebene Variante von LabVIEW e 1996 erschien LabVIEW Version 4 Sie wurde 1997 um die M glichkeiten der LabVIEW Assistenten erg nzt 4 1 Auf Vorgabe des Anwenders erstellen die Wizzard Hilfsprogramme sofort lauff hige LabVIEW Programme e 1998 erschien die Version 5 der LabVIEW Entwicklungs Umgebung Sie enthielt be reits viele der heutigen zukunftsweisenden Technologien wie Multithreading parallele Abarbeitung verschiedener Prozesse ActiveX Einbindung Steuerung und Wiederverwendung von Softwarekompo nenten Assistenten zur Ger testeuerung automatische Erstellung von Anwendungen zur Ger testeuerung Werkzeuge zur Dokumentationserstellung automatische Werkzeuge zum Er stellen von HTML oder RTF Dokumentationen bersetzungswerkzeuge Generierung mehrsprachiger Programme Konfigurierbare Men leisten strukturierte Auswahlm glichkeiten Undo Redo Funktionen Hilfen zur Programmerstellung und Fehlerbehebung Werkzeuge zum grafischen Vergleich Abstimmen verschiedener Programmver sionen mittels grafischem Vergleich der Blockdiagramme e 2000 erschien Version 6i der LabVIEW Entwicklungs Umgebung Sie wurde konzipiert um in den Bereichen Integration Information Intelligenz und Intranet Internet neue Ma st be zu setzen Die Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen internetopt
51. er zu integrieren oder zu differenzieren ist Bisher lie sich dies nur durch eine fes te Programmierung im Blockdiagramm erreichen Bei einer Mehrkanalmessung ist dies ein erheblicher Aufwand der sich noch vergr ert sobald Aufnehmer w hrend einer Messung getauscht werden m ssen Zu Beginn der Entwicklung des Systems gab es also keine M glichkeiten der programmati schen Korrektur des Aufnehmer bertragungsverhalten sowie der Auswahl der Anzeige von Messgr en abh ngig vom Aufnehmertyp Beschleunigung gt Geschwindigkeit gt Weg 6 1 2 L sung Die L sung wurde in Form einer Datenbank gefunden in der einerseits alle zu verwenden den Aufnehmer mit ihrem bertragungsverhalten andererseits auch das Messsystem ber tragungsverhalten abgespeichert werden k nnen Programmatisch k nnen Eintr ge in diese Datenbank hinzugef gt und gel scht werden Damit besitzt man vor einer Messung die M glichkeit jedem Messkanal einen Aufnehmer zu zuweisen Dies erm glicht gezielte Korrekturen oder kanalweise abh ngig vom Aufnehmer typ eine unterschiedliche Umwandlung der Messwerte Es stellen sich zwei Fragen e Was muss in dieser Datenbank enthalten sein und auf welche Art wird diese mit Werten gef llt e Eine Integration oder Differentiation abh ngig vom Aufnehmertyp l sst sich relativ leicht bewirken aber wie kann das Aufnehmer bertragungsverhalten korrigiert wer den Die erste Frage ist aufgrund der geforder
52. erung gebr uchlichen Begriffe 5 2 2 Frontpanel Der Benutzer tritt ber das Frontpanel Abb 5 1 in Interaktion mit einem LabVIEW Programm In Anlehnung an ein reales Messinstrument dient das Frontpanel zur Eingabe oder Einstellen von Daten sowie zur Anzeige von Werten und sonstiger Statusanzeigen Es besteht aus den unterschiedlichsten Bedien und Anzeigeelementen In Analogie zum 46 5 2 LabVIEW Programmierung LabVIEW Herk mmliche objektorientierte Programmierung VI Haupt Programm SubVI Unterprogramm Frontpanel Benutzeroberfl che Blockdiagramm Source oder Quellcode Funktion Funktion Schleifen Strukturen Schleifen Strukturen Konstanten Variablen Konstanten Variablen Tabelle 5 1 LabVIEW Ausdr cke und konventionelle Argumente aus 16 konventionellen Messger t stellen Bedienelemente typische Eingabeobjekte wie Drehkn pfe Schalter und hnliches dar Sie dienen der Eingabe und bermitteln Daten an das Block diagramm des VI Anzeigeelemente zeigen vom Programm erzeugte oder gemessene Werte und Daten an Die Ermittlung der bertragungsfunktion des Aufnehmers erfolgt durch Amplitudenmessung bei mehreren Frequenz Shaker und Vergleich mit bekanntem Referenzaufnehmer Konfiguration Erfassen Spitzenwertdetektor Korrektur Interpolieren Speichern Kalibrierbericht Referenzaufnehmer Aufnehmerauswahi ner Aufnehmer 1 Aufnehmer2 O Aufne
53. et werden Diese Karten bieten sowohl die M glichkeit analoge Spannungen zu messen oder auszugeben als auch digitale Signale Schaltzust nde Bitmuster Tastraten aufzunehmen oder zu erzeu gen 3 1 Signale und Umwandlung Signale werden im wissenschaftlichen Bereich zur Erfassung von Informationen eingesetzt Im Allgemeinen versteht man unter einem Signal einen Verlauf von Messwerten als Funk tion der Zeit oder des Ortes aber auch ein einzelner Wert kann ein Signal sein Beispiele solcher Funktionen sind akustische Signale Geschwindigkeiten und Beschleunigungen oder Temperaturen Wie in Abbildung 3 1 zu erkennen ist muss jede zu erfassende physikalische Gr e zun chst durch einen Messaufnehmer in ein elektrisches Signal umgewandelt werden entweder in eine Spannung oder in einen Strom Ist eine Messgr e in ein elektrisches Signal umgewandelt k nnen die Daten gemessen und interpretiert werden Messgr e Sigsnalumformung Messwert Abbildung 3 1 Grunds tzliche Behandlung von Signalen Normalerweise wird die Information eines Signals mittels eines der folgenden Parameter bermittelt Zustand Form Geschwindigkeit Frequenzgehalt Eine erste Klassifizierung er folgt in Analoge oder Digitale Signale Ein analoges Signal enth lt Informationen in der fortlaufenden Ver nderung des Signals in Bezug auf die Zeit und kann jeden beliebigen Wert 23 Kapitel 3 Werteerfassung und Au
54. ge Einheit und eventuelle Integration e Efryeasufnehmer Differentiation und die l bertragungsfunktion zur Korrektur der Fehlersuche Bei mehr Messkan len als Ees x Korrekturkan len wird die F 1 gesetzt mm Festlegen der Eigenschaften der bertragungsfunktionen jedes Kanals
55. gelegt sind dass der Fre quenzgang unterhalb der Grenzfrequenz wg m glichst lange horizontal verl uft Erst kurz vor dieser Grenzfrequenz soll die bertragungsfunktion abnehmen und in die Verst rkungsab nahme von n 20dB pro Frequenzdekade bergehen Dabei ist n die Ordnung des Butterworth Filters Die D mpfung bei der Grenzfrequenz betr gt 3dB Butterworth Filter haben sowohl im Durchlassbereich als auch im Sperrbereich einen gleichm igen glatten Verlauf der ber tragungsfunktion Siehe Abb 4 5 Das Butterworth Filter besitzt folgende Eigenschaften e linearer Frequenzverlauf im Durchlassbereich e schnelles Abknicken bei der Grenzfrequenz verbessert sich mit der Ordnung 39 Kapitel 4 Filterungstechnik 20 3 ep 1 Ordnung 2 2 Ordnung O 3 Ordnung 60 4 Ordnung 0 5 Ordnung A 80 100 0 01 0 1 1 10 100 Frequenz rad s Abbildung 4 5 Amplituden Frequenzg nge verschiedener Ordnungen eines Butterworth Filters aus 31 e betr chtliches berschwingen bei der Sprungantwort verschlechtert sich mit der Ord nung Siehe 31 22 Tschebyscheff Filter Tschebyscheff Filter sind kontinuierliche Frequenzfilter die auf ein m glichst scharfes Abkni cken des Frequenzgangs bei der Grenzfrequenz ausgelegt sind Daf r verl uft die Verst rkung im Durchlassbereich oder im Sperrbereich nicht monoton sondern besitzt eine festlegbare Welligkeit Innerhalb einer Ordnung ist der Abfall umso steiler je
56. hmer 3 O Aufnehmer 4 O Aufnehmer 5 O Y Referenzwerte Spitzenwerte Kanal Interpolationstabelle X Y Werte der F O N X Y Werte der F 0 N X Y Werte der F 0 N X Y Werte der F 0 N Gew hlter Aufnehmer Eee ee volt volt Messgr e Volt volt Messgr e Aufnehmernummer e gt d f Ist Wert a f Ist Wert f Ist Wert f Ist Wert A Aufnehmertyp Hersteller S A Typ Herstellerseriennummer F 2002 01 AV 267 266 7265 E Be 3 263 a E 262 261 O e 0 1 1 10 100 500 e u Y E weiter gt gt gt Kontexthilfe einfausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 5 1 Frontpanel eines LabVIEW VIs e Bedienelement Eingabe des Anwenders Datenquelle im Blockdiagramm e Anzeigeelement Ausgaben an den Anwender Datensenke im Blockdiagramm Diese beiden Typen von Frontpanelobjekten sind im Regelfall nicht austauschbar Man plat ziert Frontpanelelemente aus den Elementepaletten am gew nschen Platz durch Drag amp Drop 47 Kapitel 5 National Instruments LabVIEW Ziehen und Fallenlassen Dies wird durch das benutzerdefinierte Ausrichtungsgitter erleich tert Danach k nnen alle Eigenschaften wie Gr e Form Farbe und Schriftgr e aber auch Wert Wertebereich Aktivstatus Aktualisierungsgeschwindigkeit und andere Attribute ver ndert werden Dabei kann der Programmierer ber direkte Methoden rechter Mausklick gt Kontextmen oder ber
57. hwingst rke KB Beschreibung der Wahrnehmung lt 0 1 nicht sp rbar 0 1 F hlschwelle 0 1 0 4 gerade sp rbar 0 4 1 6 gut sp rbar 1 6 6 3 stark sp rbar gt 6 3 sehr stark sp rbar Tabelle 2 2 Wahrnehmung der bewerteten Schwingst rke KB aus 11 Zur Beurteilung der aufgezeichneten Schwinggeschwindigkeiten wird die Messzeit in einzelne Takte von jeweils 30s Dauer unterteilt F r jeden Takt wird die maximale bewertete Schwing st rke aus dem Verlauf KB F t ermittelt und als Taktmaximalwert K Bpr bezeichnet Die maximale bewertete Schwingst rke K Bpmax ist der gr te Taktmaximalwert der w hrend der jeweiligen Beurteilungszeit auftritt und der zu untersuchenden Ursache zuzuordnen ist Mit der Berechnung der gleitenden Effektivwerte und der Informationsbeschr nkung auf die Taktmaximalwerte wird gewisserma en eine dem menschlichen Empfinden angepasste gut zu beurteilende Informationsbeschr nkung durchgef hrt In DIN 4150 Teil 2 werden f r die KBpmar Werte obere und untere Anhaltswerte A und Au angegeben F r KBrmaz lt Au sind die Anforderungen der Norm eingehalten f r KBrmar gt Ao sind die Anforderungen nicht eingehalten Liegt der Wert innerhalb der Grenzen Au lt KBrmaw lt Ao muss die Beurteilungsschwingst rke KB p ber die Beurteilungszeit berechnet werden und kleiner als ein vorgegebener Anhaltswert A sein 2 3 3 DIN 45669 Messung von Schwingungsimmisionen Eine weitere wicht
58. ibt ist in der Praxis eine Einschwingphase zu ber cksichtigen In praktischen Implementierungen werden IIR Systeme h herer Ordnung oft durch eine serielle Aneinanderreihung von IIR Filtern zweiter Ordnung gebildet Siehe 36 33 34 22 4 3 3 bersicht gebr uchlicher Implementierungen In Abbildung 4 4 ist der Amplituden Frequenzgang der im Folgenden genauer vorgestellten digitalen Filtertypen dargestellt Dabei lassen sich die Unterschiede dieser Filter hinsichtlich Welligkeit Steilheit im Grenzbereich und D mpfung im Sperrbereich gut erkennen Der einzusetzende Filtertyp um ein bestimmtes Systemverhalten zu erreichen wird sich immer am jeweiligen Einsatzzweck wellig oder glatt kleiner oder gro er Grenzbereich D mpfung und berschwingen etc und der zur Verf gung stehenden Hard und Software orientieren 38 4 3 Digitale Filterarten Eines der meist verwendeten Filter in der digitalen Signalverarbeitung ist das Butterworth Filter aufgrund seines glatten Frequenzverlaufs Butterworth Filter Tschebyscheff Filter Type I 0 8 0 6 0 4 0 2 0 A 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Tschebyscheff Filter Cauer Filter Type II Elliptischer Filter 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Abbildung 4 4 Amplituden Frequenzgang verschiedener Filtertypen GF 0 5Hz aus 39 Butterworth Filter Butterworth Filter sind kontinuierliche Frequenzfilter die so aus
59. ie Aufnehmerkorrektur die Frequenzbewertung die Korrektur der Messgr e durch Integration oder Differentiation verschiedene Unterprogramme zum Anzeigen der unterschiedlichen Messoberfl chen sowie die Datenspeicher VIs 6 3 Unterprogramme In diesem Abschnitt sollen alle gr eren wichtigen Unterprogramme f r das Messsystem n her erl utert werden Dabei werden nur Unterprogramme vorgestellt die im Rahmen dieser Arbeit entstanden sind Alle hier vorgestellten Unterprogramme werden als SubVls in das Programm eingebunden d h sie besitzen einen Anschlussblock zur Kommunikation mit dem Hauptprogramm Dar ber erhalten sie alle f r ihre Ausf hrung n tigen Parameter und Daten Meist besitzen sie ein Frontpanel welches nach dem Start aufgerufen wird und bei beendigen des Unterpro gramms wieder geschlossen wird Das Korrektur VI die HB Soll Frequenzbewertung und 59 Kapitel 6 Softwaresystem einige andere SubVls besitzen allerdings kein Frontpanel da sie nur interne Aktionen ohne Nutzerinteraktion erledigen 6 3 1 Grundeinstellungen In diesem Unterprogramm k nnen alle Einstellungen f r das Hauptprogramm und die Un terprogramme getroffen werden Es untergliedert sich in drei Teile Messprogrammeinstellungen Hier werden die haupts chlichen Einstellungen f r die Funktionsweise des Hauptprogramms getroffen Abb 6 2 So kann festgelegt werden auf welcher Norm die Messung basiert Dementsprechend ndern sich im Un
60. ige Norm f r die Pr fung von Messtechnik und die Durchf hrung von Schwingungsmessungen ist die DIN 45669 Hier werden unter anderem Anhaltswerte f r Amplituden Frequenzg nge bestimmter Aufnehmer die Berechnung des KB Wertes die De finition bestimmter Genauigkeitsklassen und Probleme bei Filtern n her erl utert Die Norm untergliedert sich in zwei Teile 20 2 3 Normen e Teil 1 Pr fung Kalibrierung und Beurteilung der Schwingungsmesseinrichtung Erst pr fung Nachpr fung Zwischenpr fung Pr fung beim Messeinsatz 9 e Teil 2 Messverfahren 8 2 3 4 VDI 2057 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf Menschen Ein neuere Richtlinie zur Beurteilung der Auswirkungen von Schwingungsimmissionen f r den Menschen ist die VDI 2057 Dabei werden im Gegensatz zur DIN 4150 keine frequenz bewerteten Geschwindigkeiten sondern frequenzbewertete Beschleunigungen als Grenzwerte angegeben Weiterhin findet auch keine quadratische Mittelwertbildung KB Wert Verfahren statt Diese Norm besitzt zwei Teile e Teil 1 Ganzk rperschwingungen 13 e Teil 2 Hand Arm Schwingungen 14 21 Kapitel 2 Messtechnik und Sensoren 22 Kapitel 3 Werteerfassung und Ausgabe Dieses Kapitel gibt einen kurzen berblick ber die M glichkeiten analoger und digitaler Signalerfassung und verarbeitung geben Das Erfassen von Messwerten mit Hilfe von Ein steckkarten am Computer soll im Folgenden als Datenerfassung bezeichn
61. ilfe Aus diesen Beschreibungen l sst sich dann eine Dokumentation des Programms im Rich Text Format er stellen Mit Hilfe des MS Help Workshop kann man RTF Dateien in Windows Hilfe Dateien hlp compilieren Eine weitere M glichkeit der Erstellung einer professionellen Hilfedatei ist die Erstellung einer Programmhilfe mit dem MS HTML Help Workshop HTML Help ist das aktuelle Format zur Erstellung von Hilfedateien chm 73 Kapitel 6 Softwaresystem Konfiguration Erfassen Spitzenwertdetektor Korrektur Interpolieren Speichern Kalibrierbericht SS Angaben zur Durchf hrung Kalibrierung durchgef hrt von Auftraggeber Bemerkungen Volkmar Zabel Bauhaus Universit t Weimar Keine Fakult t Bauingenieurwesen Temperatur srel Feuchte Institut f r Strukturmechanik 22 ep Marienstra e 15 99421 Weimar Lage des Pr flings horizontal Aufnehmerauswahl des Reports Aufnehmer 1 Aufnehmer 2 Aufnehmer 3 O Aufnehmer 4 O Aufnehmer 5 Angaben zur Aufnehmerkennlinienermittlung Schwingungserreger Hersteller Typ Seriennummer Schwingerreger WPM SHSE 300 Schwingungsmesskette Hersteller Typ Seriennummer Multiplexer National Instruments BNC 2120 8 Messkarte National Instruments DAQ Card 6062E 1031076 PC Dell Latitude D800 E Software National Instruments LabVIEW 8 0 1 Anschlusskabel Hersteller Typ L nge Kabel 1 Metra BNC 10m Kabel 2 C Kabel 3 Kabel 4
62. imiert leichter Datenaustausch und sofortige Auswertung zwischen vernetzten Rechnern mittels DataSocket TCP IP und ActiveX 44 5 1 Entwicklung intelligentes Messen konfigurieren statt programmieren neuer Datentyp Wa veform Signalverlauf enth lt alle wichtigen Informationen zur Messung wie Abtastrate und physikalische Einheit au erdem Einf hrung des MAX Mea surement and Automation Explorer welcher die zentrale Schnittstelle f r die Konfiguration s mtlicher Messanwendungen ist weiterhin wurde eine Reihe neu er vorkonfigurierter VIs f r Mess und Analyseanwendungen zur Verf gung ge stellt intuitive neue Benutzeroberfl che ansprechendes benutzerfreundliches Design wie 2D und 3D Look Tipp Strips und Registerkarten sowie systemeigene Ge staltungselemente wie Dialogboxen u Integration Einbindung externen Programmcodes in Form von DLLs oder Sha red Libraries m glich ab sofort auch umgekehrter Weg m glich LabVIEW VIs k nnen in DLLs oder EXE Dateien kompiliert werden und stehen externen An wendungen zur Verf gung e 2003 erschien LabVIEW 7 0 Express Es wurde klar das die Ans tze einer grafischen Programmiersprache auch Unterschiede in den Anwendern ber cksichtigen m ssen So sind die meisten Problemstellungen in der MSR bereits durch sogenannte Express VIs abgedeckt andererseits k nnen aber auch die vielen enthaltenen Sub Level VIs zur L sung heran gezogen werden erstma
63. indirekte Methoden Eigenschaftsknoten im Blockdiagramm vorgehen Weiterhin ist es m glich eigene Frontpanelobjekte zu erzeugen z B ber ActiveX Elemente oder anderen externen Code 5 2 3 Blockdiagramm Das Blockdiagramm Abb 5 2 stellt das Steuerprogramm eines LabVIEW VI dar ge schrieben in der grafischen Programmiersprache G Es ist nicht nur als blo e Illustration ei nes technischen Sachverhaltes zu sehen sondern stellt vielmehr das unmittelbar ausf hrbare Programm dar Das Blockdiagramm wird erstellt in dem die Datenquellen und Datensenken einzelner Elemente miteinander verdrahtet also verbunden werden Sobald ein Element auf dem Frontpanel platziert wird werden von LabVIEW automatisch die dazu korrespondierenden Symbole und Anschl sse im Blockdiagramm erzeugt Dabei werden Anschl sse von Bedienelementen dick und die von Anzeigeelementen d nn umrahmt Diese Anschl sse werden nur entfernt wenn das entsprechende Element entfernt wurde Na t rlich gibt es auch Elemente die keine Entsprechung auf dem Frontpanel besitzen m ssen Dazu geh ren z B mathematische Operatoren Formelknoten Datenspeicher und Lese Vls sowie Steuerelemente wie Case Bedingungen Schleifen und Strukturen also alle Elemente bei denen nicht unbedingt eine Nutzerinteraktion n tig ist Diese Elemente werden Knoten genannt Abbildung 5 2 Blockdiagra
64. inem BNC Anschlussblock der Firma National Instruments Wie in Abb 7 1 zu SCXI 1531 mV mV 0 1 1 10 100 1000 Frequenz Hz Abbildung 7 1 SCXI bertragungsverhalten Eigene Darstellung erkennen ist besitzt das System eine starke D mpfung des Signals im tieffrequenten Be reich Dies resultiert aus einem integrierten Hochpass Besselfilter zweiter Ordnung mit einer Eckfrequenz von 0 2Hz Wie aus der Abbildung zu erkennen wirkt sich der Filter bis in den Bereich von 5Hz aus 7 2 Aufnehmer F r die Messung des bertragungsverhalten der Aufnehmer wurde eine andere Methode gew hlt Mit Hilfe eines servohydraulischen Schwingerregers der Firma WPM Werkstoff Pr fmaschinen Abb 7 2 Leipzig und einer geeigneten Steuersoftware auf einem PC wur den verschiedene Aufnehmer gepr ft Der Erreger besitzt eine maximale Wegamplitude von Abbildung 7 2 WPM Schwingerreger mit Hydraulikaggregat 76 7 2 Aufnehmer 100mm und bedingt durch die Konstruktion und die Regeltechnik einen maximal m gli chen Frequenzbereich von 0 1 bis 30 Hz Dabei k nnen frequenzabh ngig auch nur bestimmte maximale Amplituden angefahren werden So liegt begrenzt durch die Hydraulik die Ober grenze des Schwingweges bei 16H z im Bereich von ZZ Zum da sonst die entstehenden Kr fte zu gro w rden Als Pr fobjekte dienten 12 Beschleunigungsaufnehmer der Firma PCB vom Typ 393 A 03 M116 vier Beschleunigungsauf
65. irkungen von Schwingungen auf den Menschen ist die DIN 4150 T2 Einwirkungen auf Menschen in Geb uden Mit Hilfe des in dieser Norm beschriebenen Beurteilungsverfahrens k nnen beliebige Schwingungsvorg nge bewertet wer den Die aufgenommenen Schwinggeschwindigkeiten v t werden nach DIN 45669 Teil 1 zun chst mit HB f frequenzbewertet um den Einfluss der Frequenz auf die menschliche Empfindlichkeit zu ber cksichtigen hnlich wie in der Akustik mit der dem H rempfinden angepassten A Bewertung v t HB f KB t Die so erhaltenen bewerteten Schwingst rken KB t werden auf den Frequenzbereich von 1 bis 80Hz beschr nkt Mit einer Fast Bewertung Zeitkonstante 125ms wird f r jeden Zeitpunkt der gleitende Effektivwert berechnet und mit KBr t bezeichnet KB t gt KB t e 7 KB E dE gt T 125ms gt KBp t 0 Diese Werte werden als Wahrnehmungsst rke oder auch bewertete Schwingst rke K Bp be zeichnet Im Allgemeinen werden Schwinggeschwindigkeiten ab 0 1 bis 0 Amm s als sp rbar eingestuft Die F hlschwelle wurde normativ auf K Bp 0 1 festgesetzt Dies entspricht ei ner harmonischen Sinus Erregung von 0 14mm s Im Vergleich dazu liegen die kleinsten zul ssigen Anhaltswerte f r das Fundament eines Bauwerkes bei 3mm s Eine Bel stigung von Menschen kann also bereits stattfinden wenn eine Gef hrdung f r das Bauwerk noch ausgeschlossen ist 19 Kapitel 2 Messtechnik und Sensoren Bewertete Sc
66. istungsf higkeit von Personal Computern bei gleichzeitig sinkendem Preis treten zunehmend vom Anwender auf Softwarebasis frei konfigurierbare Systeme in den Vordergrund 2 2 Sensoren Zur Messung mechanischer Gr en wie Kraft F Dehnung e und Verschiebung x sowie Geschwindigkeit x und Beschleunigung 1 gibt es verschiedene Kategorien von Mess 12 2 2 Sensoren aufnehmern Tabelle 2 1 gibt einen berblick ber die in der dynamischen Messtechnik gebr uchlichen Sensoren Die Gr en Verschiebung s x Geschwindigkeit v und Messgr e Aufnehmertyp Messart Kraft Kraftmessdose induktiv piezoresistiv pie zoelektrisch magnetoelas tisch Dehnung Dehnmessstreifen piezoresistiv Verschiebung x Wegaufnehmer induktiv kapazitiv Geschwindigkeit 1 Beschleunigung 2 Geschwindigkeitsaufnehmer Beschleunigungsaufnehmer piezoelektrisch induktiv kapazitiv piezoelektrisch Tabelle 2 1 Aufnehmertypen Eigene Darstellung Beschleunigung a amp besitzen f r die Schwingungsmesstechnik eine besondere Bedeu tung da sie durch einfache mathematische Operationen direkt ineinander berf hrbar sind Somit ist es zur Bestimmung der maximalen Amplituden einer Schwingung fast nebens ch lich welcher Aufnehmertyp zur Messung verwendet wird Ist die Beschleunigung mit der Amplitude A und der Frequenz w folgt a Asinwt nach Integration ergibt sich die Geschwindigkeit zu A T v t
67. l m glichen Z hlerstand der in der Zeit in der die Rampenspannung den Wandelbereich durchl uft erreicht werden kann d h aus der Frequenz des Taktgenerators bezogen auf den Anstieg der Rampe Hier kommen standardm ig Z hler mit 8 12 16 und 24 Bit zum Einsatz Damit l sst sich dann bis e 28 256 e 21 4096 e 216 65536 e 22 16777216 z hlen Aus Wandelbereich und Aufl sung in Bit l sst sich nach folgender Beziehung die kleinste erkennbare Spannungs nderung berechnen W andelbereich AU 9Aufl sung Bit Ein Wandelbereich von 0 10V und eine Aufl sung von 16 Bit ergeben somit eine kleinste erkennbare Spannungs nderung von 152 6uV 25 Kapitel 3 Werteerfassung und Ausgabe W geverfahren Die Erfassung dynamischer Signale bedingt eine Wiederholung dieser Konvertierung in kur zen Zeitabschnitten Man spricht hierbei von der Abstastrate in Hertz und meint damit die Wiederholung der Abtastung pro Sekunde Dabei verh lt sich die Abtastrate zur An stiegsgeschwindigkeit der Rampe proportional Bei einer Abtastrate von 100Hz und einer Aufl sung von 12 Bit muss die Rampe in wenigstens 0 01 Sekunden durchlaufen sein und die Frequenz des Taktgenerators so hoch gew hlt werden dass innerhalb von 0 01 Sekunden bis 4096 gez hlt werden kann Dies ergibt eine Taktfrequenz von 21 409 6k Hz F r heute bliche Abtastfrequenzen von mehreren kHz und Aufl sungen bis zu 24 Bit kom men aus Geschwi
68. ldung 6 8 HB Soll Test Frontpanel 64 6 3 Unterprogramme 6 3 5 Messkettenkalibrierung In diesem Unterprogramm k nnen Kalibriermessungen durchgef hrt und Datens tze zur Messkettensteuerdatei hinzugef gt werden Die endg ltige bertragungsfunktion l sst sich durch tabellarische Eingabe oder durch eine Messung Referenz einer Referenzspannungsquel le bestimmen Nach Ermittlung dieser Funktion wird diese der Steuerdatei mit dem Mess systemnamen dem Hersteller der Herstellerseriennummer und dem Typ der Steuerdatei hinzugef gt Erfassen Dies ist die Messoberfl che dieses Moduls Es k nnen Einstellungen zum Task gemacht und Messwerte erfasst werden Abb 6 9 Im unteren Bereich befindet sich wie bei allen Hilfs programmen der Bereich zum Einblenden der Kontexthilfe und der Hilfedatei Durch Starten der Messung wird die Registerkartenleiste ausgeblendet und die Weiter Schaltfl che deak tiviert Durch den Reset des Maxwert Speichers kann eine Messung zur ckgesetzt werden Standardm ig befinden sich die Maximalwerte bis zum Programmende im Maxwertspei cher der FFT Das hei t es lassen sich unterbrochen Messungen auch wieder fortsetzen ohne dass wieder dieselben Frequenzen angefahren werden m ssen Werteaufnahme bei bestimmten Frequenzen gt gt gt Interpolation einer bertragungsfunktion gt gt gt Speichern und Schlie en
69. ls Unterschied zwischen LabVIEW Base Full und Professional Development Systems ber 400 neue vorkonfigurierte VIs zur Erstellung eines Programms Interaktive Instrumenten I O neue Werkzeuge die die Datenerfassung und Ge r testeuerung weiter vereinfachen neuartige Architektur des NI DAQ Treibers NI DAQmx ab LabVIEW 7 1 sowie neue interaktive Assistenten die den An wender schrittweise durch Konfiguration Pr fung und Programmierung von Messaufgaben f hren LabVIEW Real Time erstellen einer Anwendung auf einem Hostrechner und portieren auf ein Zielger t mit Echtzeitbetriebssystem LabVIEW DSC Datalogging and Supervisory Control unkomplizierte Ent wicklung und Nutzung verteilter Regel Steuer und berwachungssysteme von National Instruments optimierter Viewer f r historische Daten ODBC und Da tenbanknutzung LabVIEW PDA Entwicklung mobiler Mess Steuer und Regelanwendungen am Hostrechner und Download auf PDA oder Palm unterst tzte Systeme Pocket PC von Microsoft und Palm OS pr destiniert f r mobile Pr f und Datenerfas sungsl sungen sowie Fernsteuerungs und berwachungssysteme 45 Kapitel 5 National Instruments LabVIEW LabVIEW FPGA Field Programmable Gate Array frei programmierbarer Logikschaltkreis Programmierung ber LabVIEW Entwicklung einer Anwen dung auf Host Rechner und Brennen auf Hardware kostensparende Entwick lung von In Box MSR S
70. menfassung 5 4 2 ActiveX Seit Version 5 von LabVIEW wird Microsofts ActiveX Technologie unterst tzt Fr her be kannt unter dem Namen OLE Object Linking and Embedding bekannt wurde sie mit der Vorstellung von 32 Bit Windows Systemen erweitert ActiveX ist der Sammelbegriff f r eine Reihe verschiedener M glichkeiten wie Anwendungen untereinander kommunizieren k nnen e ActiveX Automation e ActiveX Controls e ActiveX Container e ActiveX Dokumente 5 5 Zusammenfassung Die PC orientierte Mess und Regeltechnik MSR w chst ungleich st rker als der tradi tionelle Markt rund um den Bereich der monolithisch konzipierten Stand alone Ger te und Steuerungseinheiten Integraler Bestandteil diese Wachstums ist unter anderem die Softwa re die sich immer mehr in Richtung der grafischen Programmierumgebung verlagert Mit Hilfe einfacher grafischer Verkn pfungen kann der Anwender seine MSR Aufgaben schnell und kosteng nstig l sen LabVIEW und die Expresstechnologie verfolgen zwei Themenkomplexe Zum einen geht es um die Art und Weise wie eine Applikation unter LabVIEW erstellt wird Die Ans tze Programmieren und Konfigurieren stehen nicht mehr im Widerspruch sondern k nnen je nach Kenntnisstand des Anwenders gew hlt werden Zum anderen sind Applikationen nun auf unterschiedliche Ziel Hardwareplattformen wie PDAs und FPGA basierten I O Karten ausf hrbar Die Schritte Konfiguration der Messkarte Starten und Darstellung der Mes
71. mm eines LabVIEW VIs Die Funktionalit t von VIs wird durch die Verbindungen zwischen Knoten und Anschl ssen bestimmt Dabei handelt es sich um Datenpfade zwischen Datenquellen und Datensenken welche Daten von einer Quelle an eine oder mehrere Senken liefern Verbindet man mehr als eine Quelle oder schlie t keine Quelle an wird das VI nicht lauff hig sein Jede Verbindung 48 5 3 Datenerfassung und Datenanalyse besitzt entsprechend ihrem Datentyp eine bestimmte Farbe Blau Rosa Gr n Orange und einen bestimmten Linientyp einzeln d nn einzeln dick doppelt gestrichelt Die Ausf hrung des LabVIEW Blockdiagramms folgt streng dem Datenfluss Der einge bettete Compiler f hrt nur dann eine Anweisung aus wenn alle seine Eingangsparameter vorliegen Im Gegensatz zu einem C Compiler der nur dann eine Anweisung ausf hrt wenn die zuvor im Code geschriebene Anweisung ausgef hrt wurde Damit unterscheidet sich die Datenflusstheorie erheblich von der prozeduralen Ausf hrung W hrend herk mmliche Anwendungen befehlsgesteuert ablaufen erfolgt die Ausf hrung des LabVIEW Codes da tengesteuert oder datenabh ngig bertragungsfunktion Korrektur Signalverl ufe Ausgang SkKan le korrigiert AufnehmerDatei Datei Ausgang Fehler Ausgang AufnehmerDatei Datei Eingang Kan le Eingang Aktivieren verwendete Aufnehmer Fehler Eingang kein Fehler Abbildung 5 3 Anschlussblock eines SubVis Kommt ei
72. mpli tuden Werten der bertragungsfunktionen aller gemessenen Aufnehmer Die Darstellung ist abh ngig von dem in der Aufnehmerauswahl eingestellten Aufnehmer Es lassen sich aber auch problemlos Wertepaare z B einer Herstellerkalibrierung manuell eintragen Desweitern besteht die M glichkeit Werte aus einer Datei zu laden und in eine Datei zu speichern Mit bernehmen werden diese Werte aus der Tabelle mit einem df 0 1 interpoliert und im Graph angezeigt Durch die problematische Art der Werte bernahme aus einem Array lassen sich einmal interpolierte Funktionen in diesem Graphen nicht mehr anzeigen Es ist aber m glich sich die Graphen in der Speichern Oberfl che anzusehen Au erdem kann aus der Tabelle beliebig oft neu interpoliert werden Beim Interpolieren ist darauf zu achten dass der bertragungsfaktor des gr ten Frequenzwertes typischerweise 16 Hz der Oberfrequenz von 500 Hz zugeordnet wird Dies stellt nur eine grobe N herung dar erm glicht aber die sp tere Korrektur nicht nur im tieffrequenten Bereich bis 16Hz Nachdem alle Aufnehmer Tabellenwerte in Graphen umgewandelt sind k nnen sie gespeichert werden 71 Kapitel 6 Softwaresystem a gt ZZ FT Konfiguration Erfassen Spitzenwertdetektor Korrektur Interpolieren Speichern Kalibrierbericht Aufnehmerauswahl Aufnehmer 1 Aufnehmer 2 O Aufnehmer 3 O Aufnehmer 4 O Aufnehmer 5 O Interpolationstabelle Interpolati
73. n die ber die Steckdose mit der Systemerde verbunden sind Eine Signal das nicht auf irgendeine gemeinsame Erde bezogen ist wird als ungeerdete Quelle bezeichnet z B Batterien Transformatoren oder Trennverst rker Erfassungsarten Die meisten Datenerfassungskarten bieten zwei Modi zur Datener fassung Die in ihnen eingebauten Verst rker und Multiplexer besitzen meist zwei ver schiedene Eingangstypen einen invertierten und einen nicht invertierten Damit sind zwei Erfassungsarten m glich Differential Abb 3 3 und Single Ended Abb 3 4 und 3 5 Im Differential Modus stehen nur halb so viele Eingangskan le zur Ver f gung wie im Single Ended Modus daf r werden durch die Schaltung St rungen die auf die Messleitungen wirken eliminiert Er sollte also besonders bei langen Messlei tungen und st rtr chtigen Umgebungen eingesetzt werden Au erdem ist zu berle gen ob massebezogene grounded oder massefreie floating Signalquellen eingesetzt 28 3 2 Datenerfassung Analog Digital MUX Multiplexer CH0 CH 1 CH 2 Verst rker CHn CH0 CH1 CH2 CHn AIGND Abbildung 3 3 Differentielle Messung werden Diese Einstellungen an der DAQ Karte k nnen auf Soft oder Hardwarebasis Jumper festgelegt werden MUX Verst rker Multiplexer CH0 CH1 CH2 Vm CHn AISENSE Abbildung 3 4 Referenced Single Ended RSE 29 Kapitel 3 Werteerfassung und Ausg
74. n 50H z Schritten die Frequenz gesteigert Es wurde immer eine konstante Amplitude von 1 0 Volt RMS erzeugt dies entspricht 1 41 v2 Volt Spitzenspannung Dieses Signal wurde auf den Analogeingang der Messkette gegeben und mit dem Messketten kalibrier Modul des Hauptprogramms aufgezeichnet Dabei wurde eine Maximalspannung von 1 5V in der Konfiguration der Messkarte verwendet Dies sichert die volle digitale Aufl sung von 16 Bit ber den gesamten Wandelbereich des ADC Es wurde mit einer Abtastrate von 1000Hz und einer Anzahl von n 10000 Samples pro Erfassungsdurchlauf gearbeitet Daraus folgt eine zeitliche Aufl sung von dt 0 001s und eine Frequenzaufl sung von df 0 1Hz Durch die hohe Abtastfrequenz von 1000Hz liegt die Nyquist Frequenz bei 500Hz das hei t es gibt keine Aliasing Effekte bis zur obersten erzeugten Frequenz von 250Hz Aus den berechneten Spektren wurden mittels des Spitzenwertdetektors des Kalibriermoduls die angefahrenen Frequenzen und die zugeh rigen Amplitudenwerte in ein 2D Array extrahiert Daraufhin wurde mit diesen Werten durch Splineinterpolation mit einer Frequenzaufl sung df 0 1Hz eine bertragungsfunktion des Messsystems erzeugt Diese Funktion wurde in die programmeigene Datenbank gespeichert und steht nun zu Korrekturen des Messsystems zur Verf gung 75 Kapitel 7 Kalibriermessungen Durchgef hrt wurden diese Messungen an verschiedenen Eing ngen des SCXI Erfassungssystem sowie an e
75. n VI als SubVI zum Einsatz k nnen seine Daten an das aufrufende VI ber den Anschlussblock Abb 5 3 transferiert werden Symbolisch wird ein SubVI in einem anderen Blockdiagramm mittels eines Anschlussblocks der durch sein Symbol charakterisiert ist dargestellt Dabei kann das Symbol eine bildliche Darstellung eine kleine Textbeschreibung des VIs oder eine Kombination aus beiden enthalten Jeder Anschluss des Anschlussblocks entspricht dabei einer Eingabe oder einer Anzeige auf dem Frontpanel W hrend des SubVI Aufrufs werden die Werte der Eingabeparameteranschl sse auf die angeschlossenen Eingaben bertragen und das SubVI wird ausgef hrt Nach der Ausf hrung werden die Ergebnisse ber den Anschlussblock an das aufrufende VI zur ckgegeben Das VI Symbol und der Anschlussblock lassen sich frei konfigurieren dabei k nnen einem SubVI bis zu 28 Anschl sse zugewiesen werden 5 3 Datenerfassung und Datenanalyse 5 3 1 Datenerfassung Datenerfassungssysteme bestehend aus einem Standard PC mit eingebauten Datenerfass ungs und Ger testeuerungskarten sind heute aus der Mess und Automatisierungstech nik nicht mehr wegzudenken Seit der Standardisierung universeller Bussysteme zur Kopp lung von Messeinrichtungen mit Rechnern beschleunigte sich die Verbreitung PC gest tzter Messtechnik Beispiele solcher Schnittstellen sind die serielle RS232 Schnittstelle oder der Byte parallele GPIB Der letztgenannte Bus auch als IEC 652 Bus oder IEEE
76. n bis zu einer bestimmten Grenz frequenz fa passieren h here Frequenzen werden ged mpft Man spricht hierbei von Grenz oder Eckfrequenz wenn der Betrag der Amplitude um 0 3 dB abgenommen hat Tiefpass Filter finden z B eine Anwendung als Rausch oder Anti Aliasingfilter Siehe auch Kapitel 3 35 Kapitel 4 Filterungstechnik Amplitude 0 3 Abbildung 4 1 Tiefpass e Hochpass Das Hochpass Filter ist das Gegenteil eines Tiefpasses Es l sst alle Fre quenzen ab der Grenzfrequenz fa passieren niedrigere werden ged mpft M gliche Anwendungen sind die Reduktion von Gleichspannungsanteilen oder langsamen Drif ten Amplitude dB 0 0 3 Abbildung 4 2 Hochpass e Bandpass Kombiniert man Tief und Hochpass so erh lt man einen Bandpass oder einen Bandstop Bandp sse d mpfen Frequenzen die au erhalb eines Intervalls zwi schen zwei Grenzfrequenzen liegen Sie kommen h ufig zum Einsatz wenn es darum geht Informationen die als frequenz oder amplitudenmoduliertes Signal vorliegen herauszufiltern e Bandstop Das Bandstopfilter ist wiederum die Umkehrung des Bandpasses Es k n nen alle Frequenzen passieren wenn sie nicht im Intervall zwischen fu und fo liegen Durch diese Filterart lassen sich leicht bekannte feste Frequenzen wie Netzfrequenzen gut heraus filtern 36 4 3 Digitale Filterarten Amplitude Bandpass dB Bandstop Abbildung 4 3
77. n e Werteaufnahme bei bestimmten Frequenzen gt gt gt Interpolation einer bertragungsfunktion gt gt gt Speichern und Schlie en Spitzenwertdetektor Interpolationstabelle Interpolationsergebnis gemessenes Spektrum x Y Werte der F i F 80 F Ist Wert A 11 60 1 08 En E 1 06 20 1 04 0 H i 1 1 0 1 1 10 100 500 1 02 Frequenz 2 2 a 1 Schwellwert Breite Spitzen T ler E l 2 all a Spitzen E SET Gefundene Frequenzen Anzahl pS o 0 94 A F 0 92 d d v T Sado ao a ae In Tabelle bernehmen gt gt gt Tabelle Leeren NEN 5 i Kontexthilfe einfausblenden Abbildung 6 10 Messkettenkalibrierung Interpolieren Frontpanel Speichern In diesem Teil werden die interpolierten Daten in die interne Messsystem Datenbank Steuer dateien gt KalibrierungMesskarte gespeichert Es k nnen auch alte Datens tze berschrie ben werden wenn der Name eines Messsystems gew hlt wird der schon in der Datenbank vorhanden ist Dies l sst sich auf der linken Seite erkennen Abb 6 11 Dabei m ssen die Angaben in der Eingabemaske immer vollst ndig ausgef llt werden da sonst nichts gespeichert wird Das Programm kann durch Abbrechen oder Speichern und Beenden geschlossen werden In beiden F llen wird vor dem Beenden nachgefragt 66 6 3 Unterprogramme Werteaufnahme bei bestimmten Frequenzen gt gt gt
78. n verf gen meist ber nur einen A D Wandler k nnen aber bis zu 64 Kan le messen Dies geschieht dann im Multiplexbetrieb Das 26 3 2 Datenerfassung Analog Digital hei t dass die Kan le nacheinander auf den Wandlereingang geschaltet werden Dar aus ensteht ein geringer zeitlicher Versatz zwischen den Abtastungen der einzelnen Kan le Die maximal m gliche Abtastrate pro Kanal ergibt sich aus der Division der maximalen Abtastrate des A D Wandlers und der Kanalanzahl Abtastrate Umsetzer Abtastrate Kanal AnzahlliKan le Man spricht von Summenabtastrate wenn die maximal m gliche Abtastfrequenz bei der Messung von nur einem Kanal gemeint ist Abtastrate Die n tige Abtastfrequenz h ngt von der h chsten zu erfassenden Si gnalfrequenz ab Nach dem Theorem von Shannon Nyquist muss die Abtastfrequenz mindestens das Doppelte der h chsten Zielfrequenz betragen fabtast gt 2fmax da ansonsten Pseudofrequenzen im abgetasten Signal auftreten Aliasing Bekanntestes Beispiel daf r sind sich r ckw rts drehende R der in Kino oder Fernsehfilmen da hier die Bildfrequenz der aufnehmenden Kamera nicht ber der zweifachen Drehzahl des Rades liegt Um qualitative Aussagen im Zeitbereich treffen k nnen sollten die Abtastraten bei dem 5 bis 10 fachen der gr ten zu untersuchenden Frequenz liegen F r eine Frequenzanalyse mittels Fouriertransformation blich FFT Fast Fourier Transformation ben tigt man mindestens
79. nalyse EE EEN E EE EE EE de 54 Konnektivit t ui a ass EE E E EN a A A E 341 beet CIN socias A A aa 54 2 ActiveX e A er waere ini id 30 EE idad AI A Main een 6 Softwaresystem NEE 6 1 1 Probleme oscura dara td Ae rb A 6 1 2 IL SUDE een rasa e e a a E E E a 6 2 Haupipresratin a to a E EEN le nina 6 2 1 Frontpanel a0 0 0 wu a we ds e A A a 6 2 2 Funktionsweise ooo a a a e css nenne 63 Usnterprogramme oo s a lA ef 031 Grundemstellingen ciu aa a A A AN E 6 3 2 Kanalkorrektur eos o aoa anna a da e 6 3 3 Messstabisbille cio ses Die IE A nnd 0 3 4 BUT EEGENEN 6 3 5 Messkettenkalibrierung a 6 3 6 Messsystemsteuerdatei ndern 6 3 7 Aufmehmerkalibrier ng EE naar era 6 3 8 Aufnehmersteuerdatei ndern 6 4 Hilfef nktien lt oe e e e 4 boa NA E EE e dd aca E de dd 7 Kalibriermessungen del Messsystem uta 4 4 ar AI A DR A ai a p a Ta Aulnehmer ss ig La a a ee AL dee e 8 Schlussbetrachtung 43 43 46 46 46 48 49 49 50 51 52 52 53 53 55 55 55 56 57 58 59 59 60 62 63 64 65 67 67 73 73 75 75 76 81 Inhaltsverzeichnis Literaturverzeichnis 83 Abbildungsverzeichnis 87 Tabellenverzeichnis 89 Index 91 Anhang 93 Protokoll der Aumehmer 2000 20 i i i i s y a 4 4 ws a AE e e A 93 Protokoll der Aumehmer 2003 12 vu e a la caia a ad 98 Blockdiagramm Kanalkorrektur 103 Blockdiagramm Hauptprogramm 105 Inhaltsverzeichnis
80. ndigkeitsgr nden keine Umsetzer nach dem Rampenverfahren zum Einsatz In den bei der computergest tzen Messtechnik eingesetzten Multifunktionskarten werden h ufig A D Wandler nach dem Prinzip der sukzessiven Approximation auch W geverfah ren genannt genutzt Diese Umwandler besitzen die Funktionsgruppen e Referenzquelle e Digital Analog Umsetzer e N herungsregister e Komperator Dabei wird im N herungsregister zun chst das h chste Bit gesetzt Bei einem 4 Bit Register entspricht dies der Bin rzahl 1 0 0 0 also der H lfte der gr tm glichen Zahl 1 1 1 1 Diese 4 Bit Zahl wird dann ber den D A Wandler in eine analoge Spannung konvertiert welche dann der H lfte des Wandelbereichs entspricht Referenzquelle und dann mit dem Eingangssignal verglichen wird Komperator Ist sie gr er als das analoge Eingangssignal bleibt das gr te Referenzbit im Register stehen ist sie kleiner wird es durch 0 ersetzt Danach wiederholt sich dieser Vorgang mit allen Bits im N herungsregister bis zum nieder wertigsten Bit dem LSB least significant bit welches bei 4 Bit einem 1 16 bei 12 Bit einem 1 4096 usw des Wandelbereichs entspricht Am Ende des Vorgangs ergibt sich eine Digitalzahl welche mit der Genauigkeit des LSB dem analogen Eingangssignal proportio nal ist Ein 12 Bit Wandler der nach diesem Prinzip arbeitet erreicht Umsetzzeiten von wenigen u Sekunden 3 2 2 Begriffe e Multiplexbetrieb Multifunktionskarte
81. nehmer der Firma Metra vom Typ KB12V und vier Ge schwindigkeitsaufnehmer der Firma JO vom Typ SM 6 Horizontal Um die bertragungsfaktoren der Aufnehmer m glichst genau zu bestimmen ist es n tig die digitale Aufl sung der Messkarte gut auszunutzen Das hei t es sollte ein der Sensitivit t des Aufnehmers entsprechender Messbereich verwendet werden Was wiederum bedeutet dass f r jeden Aufnehmertyp ein unterschiedlicher Messbereich und eine unterschiedliche Anre gung benutzt werden muss um diesen Bereich m glichst konstant zu halten Es sollte also Weg Geschwindigkeit Beschleunigung ER ke 3 2 Kei E Ka Frequenz Abbildung 7 3 Weg bei konstanter Beschleunigung entweder eine ann hernd konstante Schwinggeschwindigkeit oder eine konstante Schwingbe schleunigung erreicht werden Begrenzt durch die Grenzwerte der Schwingamplitude und die Sensitivit t ergab sich ein Frequenzbereich der Messung von 0 4 bis 16H z bei einem jewei ligen Schwingweg von 99 47mm bis 2 49mm bei den Geschwindigkeitsaufnehmern und 98 95mm bis 0 06mm bei den Beschleunigungsaufnehmern Dies entspricht einer kon stanten Schwinggeschwindigkeit von 250mm s beziehungsweise einer konstanten Schwing beschleunigung von 625mm s Abb 7 3 Bei einer Kalibrierungsmessung bei der Firma Spektra in Dresden im Herbst 2005 wurde mit tels eines el
82. nen wie das Ursprungssignal hinsichtlich Amplitude und Phase durch Filter oder Messkette ver ndert wird Siehe Abb 4 1 4 2 und 4 3 bertragungs funktionen verschiedener Filterarten e Grenzfrequenz Als Grenzfrequenz wird diejenige Frequenz bezeichnet bei der das Ausgangssignal 3 dB unter dem unged mpften Eingangssignal liegt Dies entspricht 70 7 oder dem 1 y 2 fachen der Spannung der Ausgangsgr e Grenzfrequenzen gibt es bei allen Filterarten sie werden zus tzlich in untere und obere Grenzfrequenz und Mittenfrequenz bei Bandp ssen unterschieden 33 Kapitel 4 Filterungstechnik e Ordnung Die Ordnung eines Filters bestimmt die Steilheit der bertragungsfunktion beim bergang vom Durchlassbereich in den Sperrbereich Die Steilheit steigt mit zunehmender Ordnung um jeweils 6 dB Oktave das hei t ein Filter erster Ordnung weist eine Steilheit von 6 dB Oktave auf ein Filter f nfter Ordnung bereits eine Steilheit von 30 dB Oktave e D mpfung Die D mpfung bezeichnet die Art des Einschwingverhaltens eines Filters und beeinflusst sein bertragungsverhalten Geringe D mpfungen f hren zu einem berschwingen bei starker nderung des Eingangssignals D mpfungen die gegen Null gehen f hren zu einem frei schwingenden Oszillator Beispielweise f hrt bei einem Filter zweiter Ordnung eine D mpfung von V2 1 41 zu einem optimalen Einschwingverhalten e Kaskadierung Zur Realisierung von Filtern h herer Ord
83. ngang Aktivieren verwendete Aufnehmer Fehler Eingang kein Fehler Abbildung 6 5 Kanalkorrektur Anschlussblock nehmername ein und korrigiert wenn dies aktiviert ist die einzelnen Kan le mit der bertra gungsfunktion des jeweiligen Aufnehmers Dies geschieht durch eine Fourier Transformation des gemessenen Eingangssignals eine Division der Einzelwerte des Spektrums durch die den jeweiligen Frequenzen entsprechenden Amplitudenwerte der bertragungsfunktion aus der Datenbank und eine inverse FFT Da es sich um unterschiedlich Eingangssignale handeln kann muss vorher gepr ft werden ob das dt der F und des Spektrums sowie die Signal verlaufsl nge gleich sind Wenn die Signalverl ufe unterschiedliche Abtastraten besitzen 62 6 3 Unterprogramme wird die bertragungsfunktion derart abgeschnitten dass die h chsten Frequenzen beider Signale gleich sind Danach wird berpr ft ob dieselbe Anzahl von Wertepaaren in bei den Spektren vorhanden ist Sollte dies nicht der Fall sein interpoliert das VI zus tzliche Zwischenwerte oder entfernt berz hlige vorhandene W rde man das VI nicht als Unter programm ausf hren sondern z B zur nachtr glichen Signalkorrektur an einer vorhandenen Zeitreihe m sste man immer blockweise Werte einlesen korrigieren und danach die Ergeb nisse wieder zu einem neuen Signalverlauf zusammenf gen Dies ist hier aber nicht n tig da bei einer Frequenzaufl sung von 0 1Hz jede A
84. ntere Grenzfreq untere Grenzfreq 0 0 Korrektur der Aufnehmer O Aus n Abbrechen Speichern und Zur ck Kontexthilfe einfausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 3 Grundeinstellungen Taskeinstellungen Frontpanel Pfadeinstellungen In dieser Oberfl che Abb 6 4 werden die Pfade zu einzelnen Programmkomponenten angezeigt oder k nnen ge ndert werden 61 Kapitel 6 Softwaresystem Messprogrammeinstellungen Taskeinstellungen Pfadeinstellungen Hauptprogrammverzeichnis Hilfeverzeichnis Messdatenwerzeichnis Konfigurationsdatei Aufnehmersteuerdatei Messkettensteuerdatei Kontexthilfe ein ausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 4 Grundeinstellungen Pfadeinstellungen Frontpanel 6 3 2 Kanalkorrektur Die Eing nge des Sub VIs sind die Kanalnamen eine Referenz auf die Aufnehmersteuerdatei die zu korrigierenden Kan le ein Aktivieren Schalter und der allgemeine Fehlerbehandler Ausg nge sind die korrigierten Kan le die unkorrigierten Kan le die einzelnen verwendeten bertragungsfunktionen die Referenz auf die Aufnehmersteuerdatei und der Fehlerbehand ler Das VI liest die bertragungsfunktionen der Aufnehmer aus der Steuerdatei nach Auf bertragungsfunktion Korrektur Signalverl ufe Ausgang Kan le korrigiert AufnehmerDatei Datei Ausgang Fehler Ausgang AufnehmerDatei Datei Eingang Kan le Ei
85. nung werden Filter erster und zweiter Ordnung hintereinander geschaltet Dies erfordert eine gute Entkopplung damit sich die Filter nicht gegenseitig beeinflussen Bei der Kaskadierung von Filtern ist darauf zu achten dass in den meisten F llen die einzelnen Teilfilter niemals gleich dimensioniert werden d rfen e Linearit t Man bezeichnet Manipulationen von Signalen bei denen dem Eingangs signal ein proportionales Ausgangssignal gegen ber steht als lineares System Fast alle verwendeten Filter sind lineare Systeme da sie Amplituden immer proportional zum Eingangssignal ver ndern Nichtlineare Systeme zeichnen sich dadurch aus dass sie Signale abh ngig vom Signalpegel und ihrem zeitlichen Verlauf ver ndern Sie fin den eine Anwendung in der Signalverzerrung so z B bei Verzerrern Begrenzern Gleichrichtern oder Medianfiltern Siehe 17 34 37 28 22 1 4 1 1 Analogfilter Die aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzten analogen Filter k nnen als rein elek trische elektronische oder als elektromechanische Elemente ausgef hrt sein Analoge Filter besitzen einen geringen Preis eine hoher Geschwindigkeit unterliegen allerdings Schwankun gen der Herstellung und m ssen kalibriert werden Je nach Anforderung steigt die Menge der Bauelemente und die Komplexit t der Schaltung Prinzipiell kommen auch digitale Fil ter nicht ohne analoge Teile aus da der Analog Digital Wandlung eine analoge Filterung vorausgeht bzw
86. on DLL Dynamic Link Libraries oder EXE Dateien Executable Diese erm glichen es die Funktionalit t eines LabVIEW Programms auch anderen Anwendungen zur Verf gung zu stellen Aus 16 20 18 21 19 54 Kapitel 6 Softwaresystem 6 1 Allgemeines Das vorliegende Messprogramm wurde urspr nglich mit dem Ziel entwickelt eine Messober fl che nach DIN 45669 zu erstellen Dabei sollten alle ben tigten Anzeigen und Werte zu einer Ersch tterungsmessung nach DIN 4150 T 2 enthalten sein 6 1 1 Probleme Mit der Erstellung des Softwaresystems sollten zwei haupts chliche Probleme des letzten Messsystems gel st werden Erstens erfordert die geforderte Frequenzbewertung nach DIN 45669 einen bestimmten Amplituden Frequenz Gang HB Soll Dies setzt aber ein bekanntes und darauf abgestimm tes bertragungsverhalten der Aufnehmer und der Messkarte voraus das aber unzureichend bekannt ist Meistens beschr nken sich die Hersteller auf die Angabe eines bertragungs faktors bei bestimmten Frequenzen Selbst wenn aber der genaue Amplituden Frequenzgang jedes Aufnehmers exakt bestimmt w rde stellt sich die Frage wie man diese Daten in einem Programm verwenden k nnte Die blichen Messprogramme beschr nken sich in den Einstel lungen des Aufnehmer und Messkartenverhaltens auf konstante oder lineare Faktoren der Form Y ax X b wobei X das Eingangssignal des Aufnehmers ist a der bertragungs faktor b eine Korrektur des Offsets
87. onsergebnis X Y Werte der F 0 1 volt Messgr e Element Plot 0 LY f Ist Wert A 1 Amplitude mv m s2 o 0 2 0 4 0 6 v Ss ESCH 0 8 Laden Speichern kk i i i i i i i i 1 1 SH 0 8 0 6 0 4 0 2 D 0 2 0 4 0 6 0 8 Tabelle Leeren Frequenz Hz Interpolieren gt gt gt Weiter gt gt gt Kontexthilfe ein ausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 16 Aufnehmerkalibrierung Interpolieren Frontpanel Speichern In diesem Teil des Programms Abb 6 17 k nnen den bertragungskurven der Sensoren die internen Namen Schema Jahr nn ein Aufnehmertyp Messgr e ein Hersteller ein Modell und eine Seriennummer zugewiesen werden Mit Abbrechen wird das Programm ohne Speichern durch Beenden mit Speichern der Daten geschlossen Es erfolgt in jedem Fall eine R ckfrage des Programms Sollten Aufnehmer unvollst ndig ausgef llte Daten besitzen wird ebenso nachgefragt Aufnehmer ohne oder mit nur unvollst ndigen Daten werden generell nicht gespeichert Kalibrierbericht Auf dieser Oberfl che Abb 6 18 befinden sich zahlreiche Eingabeelemente zur Beschrei bung der Konfiguration einer Messung Die Werte dieser Elemente werden zusammen mit den Daten des in der Auswahlleiste eingestellten Aufnehmers in ein Wordtemplate an durch Textmarken definierte Stellen bertragen sobald Report erstellen bet tigt wird Das Tem
88. r Die einfachsten dieser Aufnehmer die Geophone Abb 2 6 besitzen je nach Messbereich Abmessungen von Faustgr e bis zur Gr e einer Waschma schine Durch die spezielle Konstruktion der Aufh ngung der schwingenden Masse lassen sie sich nur in jeweils einer Messrichtung verwenden d h entweder horizontal oder vertikal Geophone als Teil eines Messsystems auf Computerbasis lassen eine digitale Speicherung der gemessenen Daten sowie die weltweite Verf gbarkeit dieser Werte zu Dies ist ein wichtiger Aspekt in der Entwicklung von Erd und Seebebenfr hwarnsystemen Der Messbereich die ser Technik ist von den Abmessungen des Sensors seiner seismischen Masse der D mpfung sowie der Empfindlichkeit seiner elektromechanischen Teile abh ngig 2 2 2 Beschleunigungssensoren Beschleunigungssensoren beruhen auf denselben Prinzipien der Massentr gheit wie Seismo meter Fr he Instrumente dieser Art besa en hnliche Masse Spule Systeme Diese wur den wegen ihrer Ungenauigkeit durch Systeme mit biegsamen Quarz St ben Q Flex oder magnetisch stabilisierten Massen ersetzt Die heutzutage blichen Beschleunigungsaufneh mer beruhen meist auf piezoelektrischer Systemen Abb 2 7 oder sind als MEMS Micro Electro Mechanical System aufgebaut Planar Shear Centre mounted Compression ThetaShear 3 P P Piezoelektrische Elemente E Eingebaute Elektronik S Feder R Spannring B Grundplatte M Seismische Masse Abbildung 2 7 Vers
89. r Airbag Ausl sung verwendet Beschleunigungsaufnehmer besitzen wie alle messtechnischen Systeme einen bestimmten Messbereich und spezielle Anforderungen an ihre Befestigung w hrend einer Messung Durch ihre hohe Sensivit t von wenigen ug ihren gro en Dynamikumfang die gro e Frequenzbrei te sowie ihre Richtungsunabh ngigkeit werden sie bevorzugt bei Ersch tterungsmessungen eingesetzt Siehe 3 2 24 23 19 25 29 38 25 2 3 Normen 2 3 1 DIN 1319 Grundlagen der Messtechnik In DIN 1319 werden die grundlegenden messtechnischen Begriffe und Zusammenh nge wie Messwert Messgr e Fehler Abweichung Toleranz etc erl utert Sie gliedert sich in vier Teile e Teil 1 Grundbegriffe 7 e Teil 2 Begriffe f r die Anwendung von Messger ten 6 e Teil 3 Auswertung von Messungen einer einzelnen Messgr e 4 e Teil 4 Auswertung von Messungen mehrerer Messgr en 5 17 Kapitel 2 Messtechnik und Sensoren 2 3 2 DIN 4150 Ersch tterungen im Bauwesen Ein wichtiger Aspekt der Bewertung von Geb uden stellt das Ma an eingetragenen Ersch t terungen dar Die f r Schwingungen im Bauwesen grundlegende Norm ist die DIN 4150 In dieser Norm werden Beurteilungsverfahren zur Bestimmung der Gr e der Beeintr chtigun gen f r Mensch und Geb ude erl utert Sie untergliedert sich in drei Teile e In Teil 1 12 werden Anhaltspunkte zur Vorermittlung von Schwingungsgr en bei verschiedenen Ersch
90. riedigenden Ergebnissen Eine weitere M glichkeit Frequenzg nge zu korrigieren stellt die Faltung eine Operation im Zeitbereich dar Die erzielten Ergebnisse konnten aber auch nicht berzeu gen Die offensichtlich beste Methode ist eine Transformation des Zeitbereichssignals in den Frequenzbereich und eine Division des resultierenden Spektrums mit der bertragungsfunk tion des Aufnehmer oder Messsystems Das Modul ist ebenfalls in das Programm integriert Der scheinbar hohe Rechenaufwand f hrt zu keinerlei Problemen Es ist ablaufinvariant d h in mehreren Instanzen ausf hrbar in das Programm eingebunden da mehrere Korrekturen erforderlich sein k nnen beispielsweise an Messkarte und Aufnehmern 6 2 Hauptprogramm Das Programm wird vom SubVI Start vi geladen W hrend die Unterprogramme des Hauptprogramms geladen werden zeigt das Unterprogramm Start vi den aktuellen Fort schritt an Im Hauptprogramm befinden sich alle Unterprogramme die Hauptmessoberfl chen die Kanalkorrektur die Grundeinstellungen sowie zwei getrennte Schleifen zur Be handlung der Abl ufe der Benutzeroberfl che und des Programmablaufs Weiterhin wird hier auch die Programm Aufnehmer und Messkettenkonfiguration eingelesen und an die Unterprogramme weitergegeben 57 Kapitel 6 Softwaresystem 6 2 1 Frontpanel IS Konfigurations bersicht E me Konfigurationsdatei Korrekturen an Messsystem Messung Abtastfrequenz o H
91. rrigiert das VI den Kanal mit dem Wert 1 und h ngt dem Kanalnamen den Wert nicht korrigiert an 6 3 3 Messstatistik In diesem Modul Abb 6 7 werden aktuelle Daten Anzahl der Samples Wartemodus etc ber den Messtask angezeigt Die Aktualisierungsgeschwindigkeit ist gleich der Abtastdauer Anzahl Samples Abtastrate der Messung 63 Kapitel 6 Softwaresystem C u zur ck zum Hauptprogramm Abbildung 6 7 Messstatistik Frontpanel 6 3 4 HB Soll Test In diesem Modul Abb 6 8 kann das gemessene mit dem korrigierten Signal verglichen werden Das Programm zeigt allerdings nur den letzten Block an gemessenen Daten an ab h ngig von der Anzahl der erfassten Samples Im Kanalumschalter l sst sich die Anzeige zwischen mehreren Kan len umstellen Auf der Konfigurationsoberfl che k nnen die unter schiedlichen Grenzwerte der Genauigkeitsklassen nach DIN 45669 betrachtet und ge ndert werden Zum ndern wird ein weiteres SubVI aufgerufen welches die Grenzwertberechnung durchf hrt und eine Datei Klassengrenzen lvm im Ordner Steuerdateien erzeugt Diese wird wiederum vom HB Soll Test VI eingelesen Grenzwerte Kanalauswahl 1 E zur ck zum Hauptprogramm Nach ndern der Genauigkeitsklasse eh Wes muss ein Reset der Anzeige erfolgen Reset e Test nie rta Resultat Grenzwert Test 13 1 Kontexthife enaustlenden Abbi
92. s FIR Filters ist gleich der Summe aller Filter koeffizienten e Die Einheits Stobantwort ist die Folge seiner Koeffizienten Diese Folge ist bei einem FIR Filter mit Ordnung n immer n 1 Werte lang e Die Verst rkung eines FIR Filters bei der halben Abtastfrequenz ist gleich der im Wechsel mit 1 und 1 gewichteten Koeffizientensumme e Durch ihre grunds tzlich garantierte Stabilit t werden FIR Filter bei adaptiven Fil tern als Basis f r die Filterstruktur eingesetzt Siehe 35 33 34 22 4 3 2 IIR Filter Als IIR Infinite duration Impulse Response Filter bezeichnet man ein zeitdiskretes lineares zeitinvariantes Filter auch LTI System Linear Time Invariant genannt mit einem theo retisch unbegrenzten Impulsantwortverhalten Das hei t auf einen Impuls folgt nach einer Einschwingphase theoretisch unbegrenztes Nachschwingen Dieses wird nur durch die filterei gene D mpfung gemindert Praktisch realisierbar sind IIR Filter nur durch R ckkopplungen also rekursiv Gibt es eine Folge B n 0 1 81 Bn 0 so dass das Faltungsprodukt 9x S n ebenfalls eine endliche Folge afn 0 09 9 01 An 0 ergibt so spricht man von einem kausalen rekursiven System Dieses kann durch einen endlichen Algorithmus bzw eine Signalschaltung realisiert werden welche R ckkopplungen enthalten d h auf andere schon berechnete Glieder des Ausgangssignals zur ckgreifen Da es real immer ein erstes Glied g
93. sgabe zwischen einem Minimum und einem Maximum annehmen Da man bei analogen Signalen die Zeit in bestimmte Abschnitte einteilen kann spricht man auch von zeitdiskreten Signalen Digitale oder bin re Signale hingegen haben nur zwei Zust nde ein hohes An 1 und ein niedriges Aus 0 Niveau Somit l t sich sowohl der Zeit als auch der Wertebereich eines solchen Signals in bestimmte Abschnitte teilen Daher sind digitale Signale zeit und werte diskret Es existieren weitere Klassifizierungen von Signalen wie sie in Abb 3 2 dargestellt sind Z An Aus TTL Linie Zustand Digital Ba N Impulsfolge Z hler Timer Rate Signale Ki Z Spannung ADC DA langsam Niveau Analog Zeitbereich ADC DA schnell Form N Frequenzbereich ADC Analyse schnell Frequenzinhalt Abbildung 3 2 Signaltypen 3 2 Datenerfassung Analog Digital 3 2 1 Analog Digital Wandler Analog Digital Wandler A D Wandler wandeln eine analoge Spannung in ein digitales Si gnal um Als Beispiel sei ein DVM Digital Volt Meter genannt welches analoge Spannungen misst und in Dezimalzahlen anzeigt Der A D Wandler ist die zentrale Schnittstelle f r alle Mess Steuer und Regelanwendungen in Verbindung mit der Computertechnologie Rampenverfahren Es existiert eine Vielzahl von Methoden ein statisches d h zeitlich unver nderliches analo ges Signal in ein
94. sung Analyse und Speichern der Messdaten die bisher programmiert werden mussten lassen sich nun ber die Express VIs on the fly konfigurieren Wie es f r eine zeitgem e Programmierumgebung blich ist bietet LabVIEW auch alle Debugm glichkeiten wie Haltepunkte Einzelschrittausf hrung animierte Programmaus f hrung und gezielte Verfolgung von Variablenwerten LabVIEWs eingebaute Funktionen erleichtern Hardwarekommunikation mit externen Ger ten so dass keine komplizierten Programme daf r zu schreiben sind Virtuelle Ger te k nnen mit einer Vielzahl von Hardwarekomponenten arbeiten DAQ Einsteckkarten GPBI Karten serielle Schnittstellen PXI und VXI Schnittstellen sowie USB und FireWire 53 Kapitel 5 National Instruments Lab VIEW LabVIEWs Analyse VIs vereinfache es Daten zu bearbeiten und zu manipulieren Anstatt Low Level VIs zu verwenden kann auf vorgefertigte L sungen zur ck gegriffen werden wel che au erdem den eigenen Bed rfnissen angepasst werden k nnen Die eingebauten Konnektivit ts VIs LabVIEWs lassen vielf ltige M glichkeiten zur Kom munikation mit anderen ber Netzwerk verbundenen Computern oder Anwendungen auf demselben Computer zu LabVIEW enth lt VIs zur Unterst tzung etlicher Netzwerkproto kolle ActiveX Kompatibilit t und zum Aufruf von DLL oder externen textbasierten Quell textes Weiterhin besteht die M glichkeit der Erzeugung externen Programmcodes in Form v
95. ten Eigenschaften schnell beantwortet In der Da tenbank m ssen alle f r einen Aufnehmer relevanten Informationen enthalten sein Dies sind der interne Name des Aufnehmers z B 2000 01 der Aufnehmertyp Beschleunigung Ge schwindigkeit oder Weg und das bertragungsverhalten des Sensors oder Messsystems Als weitere Informationen sollen au erdem der Hersteller das Sensormodell und die Hersteller seriennummer gespeichert werden 56 6 2 Hauptprogramm Es musste also ein Programmmodul programmiert werden in dem die Datenbankeintr ge hinzugef gt ge ndert oder entfernt werden k nnen Daf r sollte ein geeignetes Speicherfor mat gew hlt werden um sp ter Daten gezielt z B nach Aufnehmername wieder einlesen zu k nnen Die bertragungsfunktion des Aufnehmers oder Messsystems sollte sich entweder aus vorhandenen Kalibrierdaten manuell durch Eingeben oder automatisch durch Einlesen oder aus einer Messung bestimmen lassen Dieses Modul ist als Aufnehmerkalibrierung und Messkettenkalibrierung im Programm in tegriert Als Datenbankformat wurde das bin re LabVIEW TDM Format gew hlt da sich hier gro e Datenmengen mit Abfragen schnell und gezielt wieder einlesen lassen Der Entwicklungsprozess einer funktionierenden Korrektur der Messdaten war schwieriger und f hrte ber mehrere Versuche So wurden vorgegebene Filter und deren Kombination getestet sowie eigene Filterkoeffizienten berechnet Dies f hrte aber nur zu unbef
96. ter Frequenzverlauf im Durchlassbereich e geringe Steilheit des Amplitudengangs geringer noch als beim Butterworth Filter im Bereich der Grenzfrequenz e geringes berschwingen bei der Sprungantwort verringert sich mit der Ordnung e konstante Gruppenlaufzeit im Durchlassbereich Siehe 30 22 41 Kapitel 4 Filterungstechnik 42 Kapitel 5 National Instruments LabVIEW Betrachtet man die Technologien um die Mess und Automatisierungstechnik so ist eine Wei terentwicklung zu sehen die ma geblich von der Computertechnik verursacht wird Wurden fr her Messger te oft f r einen bestimmten Einsatzzweck konstruiert ergaben sich daraus bestimmte Ger teklassen und Anwendungskategorien Durch die PC orientierte Messtech nik erschlie en sich v llig neue Anwendungsgebiete hinsichtlich der Softwarearchitektur der Datendurchg ngigkeit und verf gbarkeit Durch den verst rkten Einsatz des PC nicht nur im Expertenbereich ergeben sich auch nderungen bei den Betriebssystemen und Programmiersprachen So ist ein eindeutiger Trend zur grafischen Benutzeroberfl che vorhanden Dadurch lassen sich auch komplexe technische Sachverhalte die vorher haupts chlich von Experten mit fundiertem Wissen in textbasierter Softwareentwicklung programmiert wurden auch von Anwendern mit geringer Erfahrung in diesem Bereich umsetzen und l sen W hrend in vielen Bereichen die Behandlung gro er Zahlenmengen mit dem PC bereits seit den
97. terpanel des Hauptprogramms die Anzeigewerte und bestimmte Parameter wie Mittelwertbildung Frequenzbewertung und z B die Art des Spei cherns von Daten Diese Parameter k nnen aber auch manuell in dieser und in der n chsten Registerkarte Taskeinstellungen berschrieben werden Im unteren Bereich l sst sich der Messmodus festlegen Dies funktioniert aber nur wenn in der Registerkarte Taskeinstel lungen auch jedem Kanal ein Aufnehmer zugeordnet ist Ansonsten kann das Modul zur Kalibrierung nicht bestimmen um welchen Aufnehmertyp es sich handelt mn Messprogrammeinstellungen Taskeinstellungen Pfadeinstellungen Art der Messung Parameter der FFT einfache Messung Zeitverl ufe FFT Fenster A DIN 4150 45669 KB Wert Verfahren und Mittelung J Hann ODIN 4150 45669 KB Wert Verfahren und Mittelung Langzeitmessung Mittelwertbildungsparameter YDI 2057 Frequenzbewertete Beschleunigungen Mittelwertbildungsmodus Art des Speichern No averaging v Messwerte und korrigierte Werte in einer Datei E modus E O nur Messwerte ho aj O Messwerte und korrigierte Werte in zwei Dateien O nur ver nderte Werte Ansicht Integration Differentiation nen Angezeigte Gr e OI Grad F konvertieren d 2 Pi Spr nge entfernen F grund indigkeit Od an F AUSJEIN Beschleunigung Gi Kontexthilfe ein ausblenden Hilfe anzeigen Abbildung 6 2 Grundeinstellungen Programm Frontpanel
98. tspr che einem A D Wandler von 3 Bit Ge nauigkeit bei einem Wandelbereich von 10mV Da die zu messenden Signale oft nicht 0 025 zum Wandelbereich passen m ssen sie verst rkt werden beziehungsweise der Wandel bereich angepasst werden Dies l sst sich auch pro Kanal softwarem ig einstellen und ist meist in Schritten von 1 2 4 8 fach oder 1 10 100 500 fach abgestuft Damit ist gew hrleistet dass das Signal den gesamten Wandelbereich m glichst voll berstreicht Masse Spannung ist immer ein Potentialunterschied zweier K rper Normalerweise wird der Bezug auf OM angenommen der auf das Potential der Erde Earth Ground verweist Viele Steckdosen und angeschlossene Ger te sind geerdet also an Erde angeschlossen daher spricht man auch von Systemerde System Ground Dabei steht die Sicherheit im Vordergrund nicht die Verwendung als Bezugspotential In der MSR Technik spricht man dagegen h ufig von Bezugserde Reference Ground Die gemeinsame Erde kann muss aber nicht als Bezugspotential verwendet werden Viele messtechnische Ger te stellen einen gemeinsamen Bezugs Masse Punkt zur Ver f gung Datenerfassungskarten erwarten eine Vorgabe auf welchen Bezug eine Span nung gemessen werden soll geerdet ungeerdet potentialfrei Floating Ein Spannungssignal das sich auf die Erde als Bezugspotential bezieht wird als geer dete Quelle bezeichnet z B Signalgeneratoren oder Stromversorgunge
99. und Y die letztlich angezeigte Gr e Bei Messkarten und Beschleunigungsaufnehmern kann das bertragungsverhalten bedingt linear betrachtet werden bei Geschwindigkeitsaufnehmern handelt es sich hingegen um ein ausgesprochen nichtlineares Verhalten Dies bedeutet dass es nicht m glich ist mit dieser Korrektur eine gro e Genauigkeit zu erreichen Zweitens fordert die DIN 4150 als Messgr e die Geschwindigkeit Dies bedingt eine gro e Anzahl dieses Aufnehmertyps um Messungen mit vielen Kan len zu gew hrleisten Ge schwindigkeitsaufnehmer haben aber auf Grund ihrer Bauart ein schlechtes bertragungs verhalten im unteren Frequenzbereich neigen zu einer gro en Verst rkung in der N he ihrer Di Kapitel 6 Softwaresystem ersten Eigenfrequenz meist schon bei unter 10 Hz und zur Abnahme der Sensitivit t im Fre quenzbereich oberhalb ihrer Resonanzfrequenz Beschleunigungssensoren dagegen besitzen ein nahezu konstantes bertragungsverhalten im gesamten Messbereich da ihre Eigenfre quenz aufgrund der Bauart wesentlich h her liegt mehreren 100 Hz Au erdem besitzen sie einen finanziellen Vorteil in der Anschaffung verglichen mit Geschwindigkeitssensoren welche ein hnlich gutes bertragungsverhalten gew hrleisten Es m ssten also beide Auf nehmertypen in einer Messung verwendet werden k nnen Dies w rde bedeuten vor jeder Messung einzeln festzulegen ob ein Kanal entsprechend der Konfiguration des Messsystems entwed
100. ung und ein Messger testandard f r Intrument on a card Systeme Vorgestellt im Jahre 1987 und auf dem VMEbus IEEE 1014 basierend ist er eine interessante Plattform f r High End Anwendungen VXI besteht aus einem Mainframe Geh use mit Steckpl tzen f r modulare Messger te auf Steckkartenbasis Da VXI Systeme eine hoch entwickelte Ger teumgebung mit dem Hintergrund eines modernen Computer kombinieren haben VXI Ger te die F higkeit mit sehr hohen Geschwindigkeiten zu kom munizieren Eine weitere Eigenschaft von Ger ten die ber den Minimalstandards von VXI liegen ist VXI Plug amp Play USB und FireWire Der von Intel entwickelte USB Universal Serial Bus wurde in erster Linie zur Verbin dung mit von Peripherieger ten mit bis zu 12 Mbit s entwickelt USB 1 1 Moderne USB Produkte bertragen Daten mit bis zu 480 Mbit s und sind unter USB 2 0 bekannt 50 5 3 Datenerfassung und Datenanalyse Der sowohl synchron als auch asynchron zu betreibende FireWire oder IEEE 1394 Bus hat gegen ber anderen Architekturen vor allem Geschwindigkeitsvorteile Die derzeitige FireWire Technolgie erreicht bertragungsraten bis 1600 Mbit s und wird offiziell unter der Bezeichnung IEEE 1394b gef hrt Die Architektur dieser Spezifikation verspricht sogar eine Verdopplung der bertragungsrate auf bis zu 3200 Mbit s Vergleich der Bussysteme Im High End Bereich hat sich der VXI Bus einen festen Platz in der industriellen Mess und Pr
101. ungen FFT RMS Messwerte der Aufnehmer geteilt durch die realen Beschleunigungen ergibt die kalibrierte bertragungsfunktion des Aufnehmers bernahme der bertragungsfunktionswertepaare in die Interpolationstabelle und In terpolation Speichern der mit df 0 1Hz interpolierten bertragungsfunktion unter Angabe von Aufnehmername typ hersteller und seriennummer in die interne Datenbank Protokollerstellung als Word Datei durch die automatische interne Reportfunktion Siehe Anhang 78 7 2 Aufnehmer Die Kalibrierung ist noch nicht f r alle Aufnehmer des Instituts f r Strukturmechanik durch gef hrt worden aber es ist feststellbar dass die Ergebnisse ausreichend genau sind So be sitzen die jetzt aufgenommen Sensoren eine Abweichung von ca 1 in ihren bertragungs faktoren verglichen mit der Kalibrierung vor einem Jahr mit einem nationalem Messnormal Dies ist sicherlich der Art und Weise der Berechnung der FFT RMS Spektren geschuldet So wurde mit einem Maximalwerte Speicher des FFT Express VIs gearbeitet welcher even tuelle zu gro e Spitzen speichert und nicht mittelt Da dieser Effekt sowohl bei den zu kal brierenden Aufnehmern als auch bei der Referenz auftreten m sste sollte er sich aufheben Diese Problematik wird noch weiter untersucht werden 79 Kapitel 7 Kalibriermessungen 80 Kapitel 8 Schlussbetrachtung In dieser Arbeit wurden die bei der Erstellung der Studienarbeit 15 gewonn
102. windigkeiten bevorzugt da zwischen Schwing geschwindigkeiten und typischen Beanspruchungen mindestens n herungsweise ein linea rer Zusammenhang besteht Demzufolge werden vorzugsweise mit Geophonen direkt die Schwinggeschwindigkeiten an den festgelegten Messpunkten gemessen und mit zul ssigen frequenzabh ngigen Anhaltswerten der DIN verglichen Bei Unterschreitung der Anhaltswer te ist eine Verminderung des Gebrauchswertes des Geb udes nicht zu erwarten Bei ber schreitung muss der Schwingungseintrag durch Vermeidung von Resonanzen nderungen 18 2 3 Normen der Arbeitsfrequenzen Einsatz anderer Arbeitsger te oder verfahren vermindert werden Ferner ist auch Erm dungsversagen zu ber cksichtigen Auf Resonanzen speziell schwach ged mpfter Strukturen ist zu achten da die Schwingungsgr en in Resonanzn he beson ders gro werden Resonanzprobleme treten h ufig beim An oder Abschalten harmonisch arbeitender Maschinen auf Indirekte Gef hrdung von Bauwerken Darunter werden setzungsbedingte Sch den am Bauwerk verstanden Zur Vermeidung dieser Gef hrdung werden normativ keine Anhaltswerte genannt da eine allgemeine Charakteri sierung des Bodens bez glich der Setzungsempfindlichkeit bisher nicht angegeben werden kann Des Weiteren sind die Bodenkennwerte meist nicht bekannt so dass dieses Problem nur mit Erfahrungswerten beurteilt werden kann Bel stigung von Menschen Grundlage f r die Beurteilung der Einw
103. ystemen 5 2 LabVIEW Programmierung Eine LabVIEW Programmierung erfolgt in der grafischen Programmiersprache G Die ein zelnen Programmteile werden durch zusammenf gen von grafischem Code auf dem Block diagramm erstellt Dabei lassen sich nicht nur kleine im Laboralltag bliche Mess und Auswerteprogramme erstellen sondern durch einf gen von Unterprogrammen den SubVls auch schnell komplexe aber berschaubare L sungen programmieren 5 2 1 Virtuelle Instrumente LabVIEW Programme werden im Allgemeinen als Virtuelle Instrumente VI bezeichnet da ihr Aussehen und Funktion an reale Instrumente erinnern Praktisch sind alle LabVIEW Pro gramme durch eine Hierarchie einer unterschiedlich gro en Anzahl von VI in Form einzelner Softwaremodule verdrahtet und gesteuert durch Flussdiagramme Blockschaltbildern ge kennzeichnet F r Anwender werden die folgenden Komponenten eines VI offensichtlich e Frontpanel die interaktive Benutzerschnittstelle e Blockdiagramm enth lt die Programmierlogik e Anschlussblock und Symbol Zum Einsatz von VI in anderen VI m ssen ein Symbol und ein Anschlussblock vergeben werden Virtuelle Instrumente sind hierarchisch und modular aufgebaut und lassen sich als Haupt oder Unterprogramm verwenden Dadurch unterst tzt LabVIEW das Konzept der modula ren Programmierung In Tab 5 1 nachfolgend eine Gegen berstellung der in LabVIEW und in der herk mmlichen objektorientierten Programmi
104. z Zeitaufl sung dt o Hz Aufnehmer Aufnehmer O Bereit Abtastwerte pro Kanal 0 n Frequenzaufl sung df o In Messsystem Messsystem O L uft O Datum Uhrzeit Speicherort v lt gt le Abbildung 6 1 Hauptprogramm Frontpanel Abb 6 1 zeigt die Hauptbenutzeroberfl che des Programms Im oberen Bereich finden sich Statusanzeigen ber die aktuelle Konfiguration des Programms und die Messung Starten Schaltfl che Im unteren Bereich befinden sich die Anzeigen der Messwerte Hier erscheint je nach gew hlter Messmethode eine andere Anordnung von Anzeigeelementen In der Men leiste des Programms finden sich die Punkte Datei Einstellungen Report und Erweitert e Im Datei Men l sst sich eine Neue Datei zum Speichern von Messwerten erstellen Mit Beenden wird das Programm nach vorheriger R ckfrage geschlossen e Im Einstellungen Men k nnen die Grundeinstellungen festgelegt werden Desweite ren gibt es hier die Module zu Aufnehmer und Messsystemsteuerdateibearbeitung und zur Aufnehmer und Messkettenkalibrierung e Das Men Report ist aktuell noch ausgeblendet da das entsprechende Modul noch nicht funktioniert 58 6 3 Unterprogramme e Im Men Erweitert finden sich die Unterprogramme HB Soll Test Messstatistik sowie Hilfeanzeigen und Programminformation 6 2 2 Funktionsweise Beim Start des Programms wird berprift ob sich eine Programm Konfigurationsdat

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