Auswahl der richtigen DAQ-Hardware für Ihr Messsystem

5 Fragen zur Auswahl der richtigen DAQ-Hardware

1. Welche Arten von Signalen muss ich messen oder erzeugen?
2. Benötige ich eine Signalaufbereitung?
3. Wie schnell müssen Samples des Signals erfasst oder erzeugt werden?
4. Was ist die kleinste Signalveränderung, die ich erkennen muss?
5. Wie viel Messfehler lässt meine Anwendung zu?

1. Welche Arten von Signalen muss ich messen oder erzeugen?

Unterschiedliche Arten von Signalen müssen auf unterschiedliche Weise gemessen oder erzeugt werden. Ein Sensor ist ein Gerät, mit dem eine physikalische Größe in ein messbares elektrisches Signal (z. B. Spannung oder Strom) umgewandelt wird. Sie können auch ein messbares elektrisches Signal an Ihren Sensor senden, um ein physikalisches Phänomen zu erzeugen. Daher ist es wichtig, die verschiedenen Arten von Signalen und ihre Eigenschaften zu verstehen. Anhand der Signale in Ihrer Anwendung können Sie sich überlegen, welches DAQ-Gerät Sie verwenden möchten.

Funktionen von DAQ-Geräten

• Analogeingänge messen analoge Signale
• Analogausgänge erzeugen analoge Signale
• Digitale Ein- und Ausgänge messen und erzeugen digitale Signale
• Counter/Timer zählen digitale Ereignisse oder erzeugen digitale Impulse/Signale

Es gibt Geräte, die nur für eine der oben aufgeführten Funktionen bestimmt sind, sowie auch Multifunktionsgeräte, die alle Funktionen unterstützen. Sie können nach DAQ-Geräten mit einer unveränderlichen Anzahl von Kanälen für eine einzelne Funktion suchen, einschließlich analoger Eingänge, analoger Ausgänge, digitaler Ein-/Ausgänge oder Zähler. Sie sollten jedoch erwägen, ein Gerät mit mehr Kanälen zu kaufen, als Sie derzeit benötigen, damit Sie die Kanalanzahl bei Bedarf erhöhen können. Wenn Sie ein Gerät kaufen, das nur für Ihre aktuelle Anwendung geeignet ist, wird es schwierig sein, die Hardware in Zukunft an neue Anwendungen anzupassen.

Multifunktions-DAQ-Geräte haben eine unveränderliche Kanalanzahl, bieten jedoch eine Kombination aus analogen Eingängen, analogen Ausgängen, digitalen Ein-/Ausgängen und Zählern. Multifunktionsgeräte unterstützen verschiedene I/O-Typen, sodass Sie viele verschiedene Anwendungen abdecken können, die mit einem DAQ-Gerät mit nur einer Funktion nicht möglich wären.

Eine weitere Option ist eine modulare Plattform, die Sie genau an Ihre Anforderungen anpassen können. Ein modulares System besteht aus einem Chassis zur Steuerung von Timing und Synchronisation sowie einer Vielzahl von I/O-Modulen. Ein Vorteil eines modularen Systems besteht darin, dass Sie verschiedene Module mit unterschiedlichen Zwecken auswählen können, sodass mehr Konfigurationen möglich sind. Mit dieser Option können Sie nach Modulen suchen, die eine Funktion genauer ausführen als ein Multifunktionsgerät. Ein weiterer Vorteil eines modularen Systems ist die Möglichkeit, die Anzahl der Steckplätze für Ihr Chassis auszuwählen. Ein Chassis hat eine unveränderliche Anzahl von Steckplätzen. Sie können jedoch auch ein Chassis mit mehr Steckplätzen erwerben, als Sie derzeit benötigen, um in Zukunft erweitert werden zu können.

2. Benötige ich eine Signalaufbereitung?

Ein typisches Allzweck-DAQ-Gerät kann +/-5 V oder +/-10 V messen oder erzeugen. Einige Sensoren erzeugen Signale, die zu kompliziert oder zu gefährlich sind, um sie mit einem solchen DAQ-Gerät direkt zu messen. Die meisten Sensoren erfordern eine Signalaufbereitung wie Verstärkung oder Filterung, bevor ein DAQ-Gerät das Signal effektiv und genau messen kann.

Thermoelemente geben beispielsweise Signale im mV-Bereich aus, die verstärkt werden müssen, um die Grenzen der Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler) zu optimieren. Darüber hinaus profitieren Thermoelement-Messungen von der Tiefpassfilterung, um hochfrequentes Rauschen zu entfernen. Die Signalaufbereitung bietet gegenüber DAQ-Geräten allein einen entscheidenden Vorteil, da sie sowohl die Leistung als auch die Messgenauigkeit von DAQ-Systemen verbessert.

Tabelle 1 gibt eine Zusammenfassung der gängigen Signalkonditionierungsarten für unterschiedliche Sensor- und Messarten.

Tabelle 1: Signalaufbereitung für verschiedene Arten von Sensoren und Messungen

Wenn Ihr Sensor in Tabelle 1 aufgeführt ist, sollten Sie die Signalaufbereitung in Betracht ziehen. Sie können eine externe Signalaufbereitung hinzufügen oder ein DAQ-Gerät mit integrierter Signalaufbereitung verwenden. Viele Geräte verfügen außerdem über integrierte Konnektivität für bestimmte Sensoren zur bequemen Sensorintegration.

3. Wie schnell müssen Samples des Signals erfasst oder erzeugt werden?

Eine der wichtigsten Spezifikationen eines DAQ-Geräts ist die Sample-Rate, also die Geschwindigkeit, mit der der A/D-Wandler des DAQ-Geräts Samples eines Signals aufnimmt. Typische Sample-Raten sind entweder hardware- oder softwaregetaktet und können bis zu 2 MS/s betragen. Die Sample-Rate für Ihre Anwendung hängt vom höchsten zu erfassenden Frequenzanteil des Signals ab, das Sie messen oder erzeugen möchten.

Das Nyquist-Theorem besagt, dass ein Signal genau rekonstruiert werden kann, indem der höchste zu erfassende Frequenzanteil zweimal abgetastet wird. In der praktischen Anwendung sollte jedoch mindestens das Zehnfache der maximalen Frequenz abgetastet werden, um die Form Ihres Signals darstellen zu können. Durch die Verwendung eines DAQ-Geräts mit einer Abtastrate, die mindestens das Zehnfache der Frequenz Ihres Signals beträgt, wird sichergestellt, dass Sie eine genauere Darstellung Ihres Signals messen oder erzeugen.

Angenommen, Sie möchten in Ihrer Anwendung eine Sinusschwingung mit einer Frequenz von 1 kHz messen. Auf Grundlage des Nyquist-Theorems müssen Sie mit mindestens 2 kHz abtasten, aber es wird dringend empfohlen, mit 10 kHz abzutasten, um eine genauere Darstellung des Signals zu messen oder zu erzeugen. In Abbildung 1 wird eine bei 2 kHz und 10 kHz gemessene 1-kHz-Sinusschwingung verglichen.

Abbildung 1: Darstellung einer 1-kHz-Sinusschwingung bei 1. 10 kHz gegenüber 2 kHz

Sobald Sie den höchsten Frequenzanteil des zu messenden oder zu erzeugenden Signals kennen, können Sie ein DAQ-Gerät mit der für die Anwendung geeigneten Sample-Rate auswählen.

4. Was ist die kleinste Signalveränderung, die ich erkennen muss?

Die kleinste erkennbare Änderung im Signal bestimmt die erforderliche Auflösung Ihres DAQ-Geräts. Die Auflösung bezieht sich auf die Anzahl der Binärpegel, mit denen ein A/D-Wandler ein Signal darstellt. Um diesen Punkt zu veranschaulichen, stellen Sie sich vor, wie eine Sinusschwingung dargestellt werden würde, wenn sie durch einen A/D-Wandler mit unterschiedlicher Auflösung geleitet würde. In Abbildung 2 wird ein 3-Bit-A/D-Wandler mit einem 16-Bit-A/D-Wandler verglichen. Ein 3-Bit-A/D-Wandler kann acht (2³) diskrete Spannungspegel darstellen. Ein 16-Bit-A/D-Wandler kann 65.536 (2¹⁶) diskrete Spannungspegel darstellen. Die Darstellung einer Sinusschwingung mit einer 3-Bit-Auflösung ähnelt eher einer Schrittfunktion als einer Sinusschwingung, bei der der 16-Bit-A/D-Wandler eine saubere Sinusschwingung liefert.

Abbildung 2: Diagramm einer 16-Bit-Auflösung gegenüber einer 3-Bit-Auflösung einer Sinusschwingung

Typische DAQ-Geräte decken Spannungsbereiche von +/-5 V oder +/-10 V ab. Die dargestellten Spannungspegel sind gleichmäßig über einen ausgewählten Bereich verteilt, um die volle Auflösung zu nutzen. So kann beispielsweise ein DAQ-Gerät mit einem Bereich von +/-10 V und einer Auflösung von 12 Bit (2¹² oder 4.096 gleichmäßig verteilte Pegel) eine Änderung von 5 mV erkennen, während ein Gerät mit einer Auflösung von 16 Bit (2¹⁶ oder 65.536 gleichmäßig verteilte Pegel) eine Änderung von 300 μV erkennen kann. Geräte mit einer Auflösung von 12, 16 oder 18 Bit erfüllen viele Anwendungsanforderungen. Wenn Sie jedoch Sensoren mit kleinen und großen Spannungsbereichen messen, können Sie wahrscheinlich vom dynamischen Datenbereich von 24-Bit-Geräten profitieren. Der Spannungsbereich und die für Ihre Anwendung erforderliche Auflösung sind Hauptfaktoren bei der Auswahl des richtigen Geräts.

5. Wie viel Messfehler lässt meine Anwendung zu?

Genauigkeit ist ein Maß für die Fähigkeit eines Messgeräts, den Wert eines gemessenen Signals richtig anzuzeigen. Dieser Begriff hat nichts mit der Auflösung zu tun. Die Genauigkeit kann jedoch nie besser sein als die Auflösung des Geräts. Wie Sie die Genauigkeit Ihrer Messung festlegen, hängt vom Typ des Messgeräts ab. Ein ideales Instrument misst den wahren Wert immer mit 100-prozentiger Sicherheit, aber in Wirklichkeit geben Instrumente einen Wert mit einer vom Hersteller angegebenen Unsicherheit aus. Die Unsicherheit kann von vielen Faktoren abhängen, wie Systemrauschen, Verstärkungsfehlern, Offsetfehlern und fehlender Linearität. Eine gängige Spezifikation für die Unsicherheit eines Herstellers ist die absolute Genauigkeit. Diese Spezifikation definiert den maximal möglichen Fehler eines Datenerfassungsgeräts in einem bestimmten Bereich. Nachfolgend finden Sie ein Beispiel für die Berechnung der absoluten Genauigkeit eines Multifunktionsgeräts von National Instruments:

Absolute Genauigkeit = ([Messwert*Verstärkungsfehler] + [Spannungsbereich*Offsetfehler] + Rauschunsicherheit)
Absolute Genauigkeit = 2,2 mV

Beachten Sie, dass die Genauigkeit eines Geräts nicht nur vom Gerät, sondern auch von der Art des gemessenen Signals abhängt. Wenn das gemessene Signal verrauscht ist, wird die Genauigkeit der Messung beeinträchtigt. Es gibt eine Vielzahl von DAQ-Geräten mit unterschiedlichen Genauigkeitsgraden und unterschiedlichen Preisen. Einige Geräte bieten möglicherweise Selbstkalibrierung, Isolierung und andere Schaltungen zur Verbesserung der Genauigkeit. Wenn ein einfaches DAQ-Gerät eine absolute Genauigkeit bei über 100 mV liefern kann, kann ein leistungsstarkes Gerät mit solchen Funktionen eine absolute Genauigkeit von etwa 1 mV haben. Sobald Sie Ihre Genauigkeitsanforderungen kennen, können Sie ein DAQ-Gerät mit einer absoluten Genauigkeit auswählen, das Ihren Anwendungsanforderungen entspricht.

Nächste Schritte:

• Download: So erstellen Sie ein Messsystem
• Auswahl des richtigen Bus für Ihr Messsystem
• Auswahl des richtigen Computers für Ihr Messsystem
• Auswahl der richtigen Treibersoftware für Ihr Messsystem
• Auswahl der geeigneten Entwicklungsumgebung für Ihr Messsystem
• Auswahl der richtigen Visualisierungstechniken für Ihr Messsystem