Schwingungsanalysen sind ein Klassiker für Messtechniker. Wenn man jedoch die Komplexität dieser Analysen und den erforderlichen Hardware-Investment bedenkt, wird man staunen. Typischerweise kommen als Hardware sogenannte Expertensysteme zum Einsatz, die für 48 Kanäle mindestens 100.000 € kosten. Komplett ausgestattet inkl. Software bis 250.000 €.
Bei PANDA bieten wir diese Art von System zu einem viel günstigeren Preis an, beginnend bei etwa 60 € pro Kanal, was bedeutet, dass das gleiche Ergebnis für etwa 4 % des Standardpreises erzielt werden kann Wir entwickeln auch die komplette Open-Source-Datenaufzeichnungssoftware. Einer der Gründe, warum die teure Hardware als Expertensystem bezeichnet wird, ist, dass die Zeit, die benötigt wird, um sie zu verstehen und zu erlernen, in den Anschaffungskosten verloren geht, sodass Sie zu einem Expertensystem werden gleichzeitig ein Experte für Messtechnik, obwohl Sie nur wenige Daten erfassen wollten.
Wenn man bedenkt, dass man für jede KI-Anwendung und mit einem Raspberry Daten benötigt Da es den Pi schon ab 40€ gibt, muss man heutzutage eigentlich nicht mehr so viel in Hardware investieren. Was die meisten jedoch unterschätzen, ist, dass Daten von Sensoren nicht von vornherein digital sind, sondern mit großem Aufwand konvertiert werden. Im Prinzip werden Elektronen so genau und schnell wie möglich gezählt. In einer so hochsensiblen Fertigungskette kann viel schiefgehen. Die Elektronik eines solchen Messsystems ist daher voller ausgeklügelter Schaltungsspielereien, bevor sie den eigentlichen Analog-Digital-Wandler erreicht.
Sobald dieser erreicht ist, bestimmt der ausgewählte Chip, wie genau die Werte sind und wie viele Es können Werte pro Sekunde erfasst werden. Während die Amplitudenauflösung bei Schwingungen meist nicht der entscheidende Faktor ist, weist die Zeitauflösung das Problem des Nyquist-Shannon-Abtasttheorems auf. Ohne hier ins Detail zu gehen, sollte die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein wie die maximal auftretenden Frequenzen im umgewandelten Signal. Um dieser Anforderung gerecht zu werden, werden in der Labormesstechnik Filter verwendet, um höhere Signalanteile vor der eigentlichen Wandlung aus dem Signal herauszufiltern, um möglichst nahe an die theoretische Nyquist-Grenze zu kommen. Dies erfordert sehr steile, aktive Filter, die schwierig zu konstruieren sind und in der Regel Rauschen verursachen. Darüber hinaus sollte die Probenahme gleichmäßig erfolgen, mit der sogenannten äquidistanten Probenahme. Bei professioneller Messtechnik ist dies jedoch im Gegensatz zu kostengünstigen Consumer-Lösungen immer der Fall. In der Verbrauchertechnik kommen oft gar keine Filter zum Einsatz oder nur rudimentäre Schalter-Kondensator-Schaltungen mit weiteren Nachteilen.
Um auf Nyquist zurückzukommen: Es kann wirklich schlimm sein. Sie können das Signal im Computer nicht digital filtern, wenn Sie die analoge Filterung nicht korrekt durchführen. Selbst wenn es einen einfachen Schaltkondensator-Analogfilter gibt, ist anstelle des mindestens zweifachen Abstands für die Unterabtastung der 10-fache Abstand zur Abtastrate erforderlich, da durch Spiegeleffekte nicht mehr erkennbar ist, welche Frequenzen in der analogen Welt tatsächlich aufgetreten sind. Bei einer FFT beispielsweise treten Spitzen an einer anderen Stelle auf, als dort, wo sie eigentlich sein sollten. Sie können den Ergebnissen einer Schwingungsanalyse nicht mehr vertrauen und haben keine Chance, den Fehler in den Daten selbst zu bemerken. Das ist auch seltsam, wenn man mit 20.000 Hz abtastet und nur 1000 Hz sinnvoll ausgewertet werden können. Dies ist leider kein theoretischer Faktor, sondern kommt in der Praxis häufiger vor als erwartet. Dann kommen extreme Maßnahmen zum Einsatz, wie beispielsweise ein gleitender Mittelwertfilter. Ohne ins Detail zu gehen, sollten Sie dies übrigens nie tun, wenn Sie Vibrationen auswerten möchten.
In unseren Timeswipe-Boards verwenden wir 16-Bit-Amplitude Auflösung, die 65.000 verschiedenen Messwerten entspricht, und Abtastung von 48.000 Werten pro Sekunde und Kanal. Mit einem steilen und rauscharmen 5-Pol-Filter werden Frequenzen bis ca. Im Signal können 20.000 Hz ausgewertet werden. Höhere Frequenzen im Signal werden korrekt herausgefiltert, bevor sie den Konverter erreichen. Dadurch müssen Sie sich um Nyquist überhaupt keine Sorgen machen, da durch die digitale Nachfilterung im Treiber eine geringere gewünschte Aufnahmerate erreicht wird.
Sehen wir uns an, wie eine Messung für a Schwingungsanalyse mit PANDA-Technologie im Fahrzeug ist machbar.
Die ca. Die jeweils ca. 300€ teuren und auf die Platinen abgestimmten Auflösungen über 20.000 Hz werden mit einem Zweikomponentenkleber an den unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug befestigt. Die Kabel werden sorgfältig mit Kabelbindern in den Kofferraum geführt und dort mit mehreren Timeswipe-Geräten verbunden, die von USB-Powerbanks versorgt werden und die Werte per WLAN an einen Laptop oder ein iPad zur Datenaufzeichnung senden. Der Open-Source-Ansatz von PANDA ermöglicht die Werte nicht nur gespeichert, sondern auch für Echtzeit-KI-Anwendungen im Fahrzeug genutzt werden, etwa für die intelligente Zustandsüberwachung. Hier kommen unsere metrischen Algorithmen oder neuronalen Netze zum Einsatz.
Inklusive Zubehör liegen wir bei ca. 7.000€ für 16 Messpunkte. Das ist immer noch viel Geld, aber um den Faktor 20 günstiger als ein Expertensystem.
Wir bei Panda arbeiten daran, die Kosten hierfür in Zukunft um einen weiteren Nullpunkt zu senken.
