Tehokasta tiedonkeruuta tarvitaan yhä useammissa teollisuuden kohteissa. Sovellusten erityisparametrit sanelevat datankeruuseen tarvittavan resoluution ja kanavien määrän sekä DAQ-järjestelmän nopeusvaatimukset. Avuksi tiedonkeruuseen on tarjolla eritasoisia ratkaisuja aina käteen sopivista dataloggereista pitkälle integroituihin monitoimijärjestelmiin asti.

Tiedonkeruuseen tarkoitetut DAQ-järjestelmät (data acquisition) keräävät hyödyllistä mittausdataa karakterisointia, valvontaa ja ohjaustoimintoja varten. Niitä voidaan käyttää mittaamaan erilaisia fysikaalisia parametreja kuten lämpötilaa, painetta, tärinää, ääntä, jännitettä, virtaa, kiihtyvyyttä, rasitusta, valon intensiteettiä, pyörimisnopeutta ja virtausnopeutta. Ne voivat myös käynnistää tiettyjä toimintoja järjestelmän vastaanottaman datan perusteella: äänihälytys, tuotantolinjan pysäytys tai vain valojen kytkeminen päälle.

Yksi kriittisimmistä tiedonkeruulaitteiden käyttötavoista on teollisuustuotannon laadun ylläpitäminen sekä erilaisten koneiden kunnonvalvonta huoltotarpeiden ennakoimiseksi (näin voidaan välttää mahdolliset seisokit, joilla voi olla vakavia kustannusvaikutuksia). Sovellusten erityisparametrit sanelevat tarvittavan resoluution ja kanavien määrän sekä DAQ-järjestelmän nopeusvaatimukset.

Valmistavassa tuotannossa ja prosessiteollisuudessa halutaan jatkuvasti nostaa tehokkuuden tasoa, vähentää kustannuksia ja pyrkiä tuottamaan yhä korkealaatuisempia tuotteita, joten tarve lukuisten parametrien seuraamiseen erilaisten anturien avulla edistää myös suorituskykyisten datankeruulaitteiden ja tukiohjelmistojen kehittämistä. Samoin esimerkiksi polttoaineiden tai veden siirtämiseen tarkoitettuja pumppausasemia ja voimalaitoksia hallinnoivien yritysten on valvottava laitteidensa toimintaa ja kuntoa sekä lisäksi oman laitoksensa ympäristöä optimaalisten toimintaolosuhteiden varmistamiseksi.

Suunniteltavasta sovelluksesta riippuen markkinoilla on nyt saatavana useita eritasoisia ratkaisuja, joita voidaan harkita. Ne ulottuvat suhteellisen pelkistetyistä ’kytke ja käytä’ -tyyppisistä dataloggereista aina erittäin pitkälle integroituihin, monitoimilaitteista koostuviin DAQ-järjestelmiin. Seuraavassa tarkastellaan näitä eritasoisia ratkaisumalleja.

Kompaktit pikkumoduulit

Advantechin USB-4700-sarjaan kuuluvat DAQ-moduulit voidaan kytkeä tutkittavaan järjestelmään laitteita avaamatta. Käyttäjä vain liittää moduulit järjestelmään ja kerää tarvittavan datan. Nämä laitteet ovat luotettavia ja riittävän kestäviä teolliseen käyttöön, mutta soveltuvat kohtuuhintaisina myös kotijärjestelmiin. Moduulien avulla voidaan helposti lisätä ohjaus- ja mittauslaitteita USB-yhteensopiviin tietokoneisiin.

Malli USB-4716 tarjoaa 16 yksipuolista/8 differentiaalista analogiatuloa 16 bitin resoluutiolla 200 kS/s näytetaajuuteen saakka, 16 digitaalista I/O-linjaa, yhden käyttölaskurin sekä kaksi 16 bitin tarkkuudella toimivaa analogista lähtöä. Laite ei myöskään tarvitse ulkoista teholähdettä, sillä se saa käyttötehonsa USB-portin kautta.

MonoDAQ-yhtiön kehittämät DAQ-instrumentit puolestaan voidaan liittää mihin tahansa antureihin rasitus- ja rakennekuormien tai kiihtyvyyden mekaanisia mittauksia varten. Ne siirtävät dataa EthrnetCAT-väylän kautta tietokoneelle, joka on varustettu tehokkaalla ja helppokäyttöisellä DEWESoft DAQ -ohjelmistolla.

Yhtiön MonoDAQ-E-STG on eristetty venymäliuskavahvistin, joka voi kerätä dataa venymäantureista ja kuormituskennoista. Mittausmuodoksi voidaan valita jännite-, potentiometri- ja virtamittauksen lisäksi neljännes- tai puolisiltamittaus. Vahvistin toimii ohjelmoitavin herättein ja erittäin vähäisellä kohinalla. Laitteen mittausalue on 100 mV – 50 V ja siinä on mukana 20 mA virtatulo (sisäinen shuntti).

Vahvistinta täydentää kaiken tarvittavan samassa paketissa sisältävä anturi-DAQ-laite MonoDAQ-E-gMeter. Se sisältää erittäin vähäkohinaisen 3-akselisen MEMS-kiihtyvyysanturin esimerkiksi siltojen tai antennirakenteiden valvontaan ja seismisiin mittauksiin. Saman kaapelin kautta kulkevan signaalin ja tehonsyötön ansiosta toiminta voidaan ulottaa kaikkiin rakenteisiin, jotka vaativat kiihtyvyyden valvontaa.

Kiihtyvyysanturivahvistin MonoDAQ-E-ACC puolestaan on tarkoitettu hyvin tarkkoihin värähtelymittauksiin ja tarjoaa korkealuokkaisen signaalinkäsittelyn IEPE-antureille (Integrated Electronic Piezo-Electric). Tyypillisiä sovelluksia ovat koneiden tärinänvalvonta, laakerivikojen havainnointi ja modaalinen rakenneanalyysi.

Kuva 1. MonoDAQ-yhtiön kehittämä E-gMeter sisältää kaiken tarvittavan kiihtyvyysmittauksiin.

Extech Instrumentsin kehittämä datankeruulaite RHT35 USB puolestaan on suoraviivaisesti toimiva laite, joka voi siirtää tietokoneelle jopa 48000 päivättyä ja aikaleimattua lukemaa mittauskohteen kosteuteen, lämpötilaan ja ilmanpaineeseen liittyen. Tiedot voidaan siirtää joko pdf- tai taulukkomuodossa. Laite tarjoaa myös kahdeksanpaikkaisen bookmark-muistin, kuusi kielivaihtoehtoa, ohjelmoitavan näytevälin, säädettävän hälytystoiminnon sekä salasanalla suojatun kirjautumisen.

Yhtiön kehittämä VB300 taas on G-voimien rekisteröintiyksikkö, joka tallentaa ja ajastaa kolmiakselisesti iskujen ja värähtelyjen kiihtyvyyslukemat mittausalueella +/- 18 g. Laite tallentaa G-voimat huippuarvoineen kolmiakselisesti antaen näin kattavan kuvan kohteen isku- ja tärinäolosuhteista lähimenneisyydessä esimerkiksi rahtikonttien valvonnassa kuljetuksen aikana. Siinä on myös USB-liitäntä, joka helpotta asennusta ja datan lataamista. Mukana on myös magneettinen/ruuvikiinnitteinen asennusalusta ja 3,6 voltin litiumakku sekä Windows-yhteensopiva analyysiohjelmisto.

Midén valmistamat Slam Stick -tuotteet taas ovat ladattavia ultrakannettavia dataloggereita, jotka pystyvät mittaamaan paineen ja lämpötilan lisäksi kiihtyvyyttä kaikilla kolmella akselilla. Laitteet käyttävät USB- tai microUSB-porttia datan konfigurointiin, lataamiseen ja tallentamiseen ’lennossa’. Konfigurointivaihtoehdot sisältävät säädettävän viiveajan ennen kutakin mittausta, eripituiset mittausjaksot sekä liipaisun ennalta määrätyn kiihtyvyystason perusteella.

Midén pikkulaitteet ovat riittävän keveitä, jotta ne voidaan asentaa pysyvästi tai kiinnittää väliaikaisesti kaksipuolisella teipillä. Niitä voidaan käyttää esimerkiksi energiakeruujärjestelmissä tärinän karakterisointiin, modaalisiin tutkimuksiin ja erilaisten laitteiden valvontaan.

Integroidut monitoimijärjestelmät

Adlink-yhtiön USB DAQ -moduulit tarjoavat helppoa liitettävyyttä ’kytke ja käytä’ -tyyppisten laitteiden ja ohjelmistojenmuodossa. Tarjolla on kustannustehokkuutta ja helppokäyttöisyyttä tinkimättä kuitenkaan tarkkuudesta.

Moduulisarjaan kuuluvat muun muassa DSA-moduuli (Dynamic Signal Acquisition) USB-2405, eristetyt USB I/O -moduulit USB-7230/7250, nelikanavainen DAQ-moduuli USB-1210, yleiskäyttöisellä tuloasteella varustettu DAQ-moduuli USB-2401 sekä 8/16-kanavaiset 250 kS/s näytenopeuteen yltävät DAQ-moduulit USB-1901/1902/1903.

Yhtiö tarjoaa teolliseen käyttöön myös laajan valikoiman tietokone- ja PXI-alustoja, joiden avulla asiakkaat voivat valita sopivimmat tuotteet omiin audio- ja värähtelymittauksia hyödyntäviin sovelluksiinsa.

Eri väylästandardeihin perustuvat DSA-moduulit on suunniteltu erityisesti ääni-, melu- ja tärinämittauksiin koneiden valvontasovelluksissa. Ne yltävät jopa 432 kS/s näytenopeuksiin ja 24 bitin resoluutioon. IEPE-anturien signaalinmuokkausta hyödyntävä moduulisarja tarjoaa erittäin tarkan datankeruun ja häiriöttömät yhteydet mittaavaan mikrofoniin tai kiihtyvyysanturiin.

Jokainen yksikkö on varustettu neljällä analogisella tulokanavalla, jotka tarjoavat samanaikaisen näytteenoton jopa 128 kS/s nopeudella kanavaa kohti. Mukana ovat myös tulopuolen konfigurointia varten ohjelmallisesti valittavat vaihtovirta- ja tasavirtakytkennät sekä sisäänrakennettu erittäin tarkasti viritetty 2 mA virtasignaali. Lisäksi moduulin lämpöryömintä on hyvin vähäistä.

Kuva 2. Adlinkin kehittämä yleiskäyttöisellä tuloliitännällä varustettu nelikanavainen DAQ-moduuli USB-2401.

Moduuliin kuuluvat 24-bittiset sigma-delta-AD-muuntimet mahdollistavat valetoiston estosuodatuksen, jonka ansiosta modulaattorin ja kaistan ulkopuolisen alueen tuottama signaalikohina saadaan vaimennettua, ja käyttökelpoinen kaista voidaan hyödyntää Nyquist-nopeudella.

Tämän ansiosta moduulit soveltuvat mainiosti korkeaa dynamiikkaa vaativiin tärinämittauksiin ja akustiikan sovelluksiin. Ne tukevat digitaalisia ja analogisia liipaisulähteitä sekä joustavia liipaisumuotoja (jälkiliipaisu, viiveliipaisu, keskiliipaisu, porttiohjattu liipaisu, esiliipaisu) tehokkaan datankeruun aikaansaamiseksi ilman tarvetta jälkiprosessointiin.

USB-2401 on 24-bittinen neljältä kanavalta samanaikaisesti näytteitä ottava DAQ-moduuli, jonka tuloliitännät ovat yleiskäyttöisiä. Moduuliin on integroitu signaalinmuokkauspiiri, joka tarjoaa suorat mittaukset mm. seuraavilla yleisesti käytetyillä antureilla: virtamuuntimet, termoparit, RTD-lämpöanturit, kuormituskennot, venymäanturit. Erilliset kanavat voidaan ohjelmoida mittaamaan erilaisia signaalityyppejä.

Monitoiminen laite on helposti kytkettävissä irrotettavin kierreliittimin ja se voidaan sijoittaa pöydälle, asennuskiskoon tai seinälle. Tämä DAQ-moduuli sopii perusmittauksiin, jotka vaativat suurta erottelukykyä ja mittaustarkkuutta. Sitä voidaan käyttää sekä laboratoriotutkimuksissa että materiaalien testaamisessa ja teollisten sovellusten lämpötilamittauksissa. Mukana tulee ilmainen käyttövalmis ohjelmistopaketti U-test, joka antaa mahdollisuuden testata kaikkia avaintoimintoja ilman minkäänlaisia ohjelmointia.

Keysightin DAQ970A puolestaan on seuraavan sukupolven DAQ-järjestelmä, joka tarjoaa entistä parempaa suorituskykyä ja joustavuutta säilyttäen samalla yhteensopivuuden yhtiön suosittujen 34970A- ja 34972A-mallien kanssa. Järjestelmä voi mitata ja muuntaa kahtatoista erilaista tulosignaalia: termoparit, RTD-lämpöanturit, termistorit, tasa- ja vaihtojännitteet, kaksi- ja nelijohtimiset resistanssit, taajuudet, aikajaksot, kapasitanssit ja rasitusvoimat.

Kolme korttipaikkaa sisältävässä laitteessa on 6,5-numeroinen DMM-näyttö ja sen signaalinmuokkausominaisuudet nopeuttavat testien suunnittelua. Edeltäjäänsä verrattuna se yltää kaksinkertaiseen skannausnopeuteen, ja kanavia voidaan mitata sekunnissa jopa 450, mikä on kymmenkertainen nopeus.

Laitteen avulla voidaan mitata hyvin pieniä virtalukemia (1μA_AC - 100μA_AC) ja suuria resistanssilukemia (jopa 1000 megaohmia). Laite toimii 90 % entistä paremmalla tarkkuudella jännitteen, virran ja resistanssin mittauksissa. Mukana onmyös automaattinen kalibrointi, joka kompensoi sisäisen DMM-mittarin virheet.

Kuva 3. Keysightin kehittämä DAQ970A on erittäin tarkka ja monipuolinen DAQ-järjestelmä.

Tulevaisuuden näkymät

DAQ-markkinoiden kasvua edistävät muun muassa teollisuusautomaation kasvavat vaatimukset sekä lisääntyvät investoinnit infrastruktuuriin ja uusiutuvia energialähteitä hyödyntäviin voimalaitoksiin. Maailmanmarkkinoita tutkivan Global Industry Analysts -yhtiön analyytikot ennustavat, että DAQ-markkinoiden arvo kasvaa koko maailmassa 1,7 miljardiin dollariin vuoteen 2022 mennessä.

Tämä on enimmäkseen seurausta siitä, että kaikkialla painotetaan nyt voimakkaasti IIoT- ja Industry 4.0 -konseptien käyttöön ottamista. Lisäksi valmistavassa teollisuudessa halutaan saada tuotteet markkinoille yhä nopeammin (etenkin autoteollisuudessa).

Markkinoita analysoiva tutkimusyhtiö Market Insights puolestaan on arvioinut samansuuntaisesti, että DAQ-markkinat kasvavat vuosittain keskimäärin 6,4 % (CAGR) nykyisestä tasosta vuoteen 2026 mennessä, jolloin markkinat yltävät jo 3,61 miljardiin dollariin jakson lopussa.

Kaikilla sovellusaloilla halutaan selvästi saada yhä suurempia tietomääriä kerättyä yhä laajemmasta joukosta erilaisia lähteitä, joten sopivien tekniikoiden kehittäminen tällaiseen toimintaan on ensiarvoisen tärkeää. Tämä kehitys kannustaa esittelemään uusia tuotteita DAQ-alueelle ja johtaa jatkuvaan tekniseen innovointiin. Suorituskyvyssä halutaan päästä äärirajoille asti ja samalla kuitenkin varmistaa, että laitteiden hinnat säilyvät houkuttelevina.