PL238650B1

PL238650B1 - Method and the measuring-transmission device for acquisition of the mechatronic devices measuring data

Info

Publication number: PL238650B1
Application number: PL423514A
Authority: PL
Inventors: Adam Jabłoński; Wojciech Staszewski
Original assignee: Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2021-09-20
Also published as: PL423514A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób akwizycji danych pomiarowych służących do diagnostyki układów mechatronicznych oraz urządzenie pomiarowo-transmisyjne do akwizycji tych danych. Przeznaczony jest szczególnie do uzyskiwania danych z trudnodostępnych elementów maszyn. Rozwiązanie dotyczy zwłaszcza obrabiarek mechanicznych o ruchomych, wirujących elementach. Wykorzystuje najnowsze cyfrowe techniki pomiarowe i komunikacyjne. Wynalazek umożliwia pobieranie danych diagnostycznych urządzeń, dla których stosowanie typowego systemu akwizycji danych było do tej pory niemożliwe ze względu, między innymi na zbyt duży rozmiar urządzenia pomiarowego lub brak możliwości poprowadzenia odpowiedniego okablowania szczególnie w trudnych warunkach środowiskowych, takich jak zmienna temperatura i wilgotność powietrza.The subject of the invention is a method of acquisition of measurement data for the diagnosis of mechatronic systems and a measurement and transmission device for the acquisition of these data. It is especially designed to obtain data from machine parts that are difficult to access. The solution applies especially to mechanical machine tools with moving, rotating parts. It uses the latest digital measurement and communication techniques. The invention enables the collection of diagnostic data of devices for which the use of a typical data acquisition system has so far been impossible due to, inter alia, the too large size of the measuring device or the inability to run the appropriate wiring, especially in harsh environmental conditions, such as variable temperature and humidity.

Z opisu CN204461486U znane jest rozwiązanie bezprzewodowego systemu akwizycji danych bazującego na „Internet-of-things”. System ten jest oparty o czujnik prędkości lub przemieszczenia, bazę danych, serwis typu WEB oraz moduł komunikacji wykorzystujący technologię WiFi lub GSM w celu udostępnienia danych pomiarowych. Za pomiar i przetwarzanie, filtrację, amplifikację i konwersję, odpowiedzialny jest układ pomiarowy składający się z czujnika analogowego oraz przetwornika analogowo-cyfrowego.The description of CN204461486U describes a solution for a wireless data acquisition system based on "Internet-of-things". This system is based on a speed or displacement sensor, database, WEB service and a communication module using WiFi or GSM technology to provide measurement data. The measuring system, consisting of an analog sensor and an analog-to-digital converter, is responsible for measurement and processing, filtration, amplification and conversion.

Ze zgłoszenia CN104931264A znana jest metoda akwizycji danych i monitorowania stanu maszyn przy pomocy układu składającego się z czujnika, mikroprocesora oraz źródła zasilania. Określony jest również sposób monitorowania przekroczenia progu ustalonego jako próg alarmowy.From the application CN104931264A, there is known a method of data acquisition and monitoring of the condition of machines by means of a system consisting of a sensor, a microprocessor and a power source. The method of monitoring the exceeding of the threshold set as the alarm threshold is also defined.

Z opisu wzoru użytkowego CN203534695U znany jest układ akwizycji danych, służący do pomiaru drgań maszyn przy użyciu czujników akcelerometrycznych, przy czym dane z czujników po konwersji analogowo-cyfrowej wysyła się interfejsem radiowym Bluetooth do centralnego komputera.From the description of utility model CN203534695U there is known a data acquisition system for measuring machine vibrations with the use of accelerometric sensors, the data from the sensors after analog-to-digital conversion is sent via a Bluetooth radio interface to a central computer.

Znane są systemy umożliwiające bezprzewodowy pomiar, analizę i transmisję danych, ale ze względu na wymiary i wagę nie mogą być stosowane w trudnodostępnych elementach układów mechatronicznych. Przykładowy system umożliwiający bezprzewodowy pomiar, analizę i transmisję danych, zawiera czujnik drgań, którego waga wynosi 454 g i tym samym wyklucza z rozpatrywanych zastosowań. Innym znanym rozwiązaniem jest czujnik drgań, którego wysokość wynosi 100 mm i tym samym wyklucza z rozpatrywanych zastosowań. Kolejnym przykładem jest bezprzewodowy akcelerometr G-Link2-LXRS w klasie IP 67 do pomiaru drgań, ale ze względu na zastosowaną technologię modułu radiowego, wymiary jego podstawy wynoszą aż 68 mm x 85 mm i tym samym wykluczają z rozpatrywanych zastosowań.There are known systems that enable wireless measurement, analysis and data transmission, but due to their dimensions and weight, they cannot be used in elements of mechatronic systems that are difficult to access. An exemplary system enabling wireless measurement, analysis and data transmission includes a vibration sensor whose weight is 454 g and thus excludes it from the considered applications. Another known solution is a vibration sensor, the height of which is 100 mm and thus excludes it from the considered applications. Another example is the G-Link2-LXRS wireless accelerometer in the IP 67 class for vibration measurement, but due to the radio module technology used, the dimensions of its base are as much as 68 mm x 85 mm and thus exclude it from the considered applications.

Istotą rozwiązania sposobu akwizycji danych pomiarowych służących do diagnostyki układów mechatronicznych, według wynalazku, jest to, że sygnał odwzorowujący drgania uzyskuje się za pomocą przetwornika przyspieszenia, wykonanego w technologii MEMS, zamontowanego na diagnozowanym obiekcie. Sygnał ten przetwarza się za pomocą konwertera analogowo-cyfrowego połączonego z mikroprocesorem. Wszystkie wymienione podzespoły zamontowane są w miniaturowym, obudowanym urządzeniu pomiarowo-transmisyjnym, który montuje się na elemencie diagnozowanego obiektu. W miarę potrzeb, zapisane dane za pomocą interfejsu komunikacyjnego, wykonanego w technologii Bluetooth Low Energy, BLE, przesyła się bezprzewodowo do centrum danych. Interfejs komunikacyjny znajduje się też w urządzeniu pomiarowo-transmisyjnym. Centrum danych może stanowić komputer klasy PC, telefon komórkowy lub chmura danych.The essence of the solution of the method of acquisition of measurement data for the diagnosis of mechatronic systems, according to the invention, is that the signal representing the vibrations is obtained by means of an acceleration converter made in the MEMS technology, mounted on the object to be diagnosed. This signal is processed by an analog-to-digital converter connected to a microprocessor. All the above-mentioned components are mounted in a miniature, encapsulated measuring and transmission device, which is mounted on an element of the object to be diagnosed. If necessary, the stored data is sent wirelessly to the data center via a communication interface made in Bluetooth Low Energy, BLE technology. The communication interface is also located in the measuring and transmission device. The data center can be a PC, a mobile phone or a data cloud.

Korzystnym jest, jeśli przetworzone dane, przedstawione jako ciąg danych cyfrowych, zapisuje się w pamięci flash znajdującej się wraz ze wszystkimi wymienionymi elementami w miniaturowym urządzeniu pomiarowo-transmisyjnym.It is advantageous if the processed data, presented as a sequence of digital data, is stored in a flash memory with all the mentioned elements in a miniature measuring and transmission device.

Istotą urządzenia pomiarowo-transmisyjnego jest umieszczenie wszystkich podzespołów wraz z przetwornikiem przyspieszenia w jednej miniaturowej obudowie, sytuowanej podczas akwizycji danych na elemencie diagnozowanego układu mechatronicznego. Urządzenie ma przetwornik przyspieszenia wytworzony w technologii MEMS o liniowej charakterystyce w paśmie powyżej 10 kHz przy zachowaniu poziomu szumu nie większego niż 4 mg/^Hz. Jest on połączony konwerterem analogowocyfrowym z mikroprocesorem wyposażonym w pamięć. W tej samej obudowie umieszczony jest interfejs komunikacyjny technologii BLE umożliwiający bezprzewodową komunikacje z centrum danych, którym może być komputer klasy PC, telefon komórkowy lub chmura danych. Obudowa urządzenia pomiarowotransmisyjnego jest w klasie minimum IP 64, wodoodporna i pyłoodporna, przystosowana do zamocowania, w znany sposób, na elemencie diagnozowanego układu mechatronicznego i do bezprzewodowego połączenia z urządzeniem centrum danych.The essence of the measuring and transmission device is to place all components together with the acceleration converter in one miniature housing, located during data acquisition on an element of the mechatronic system to be diagnosed. The device has an acceleration converter made in the MEMS technology with a linear characteristic in the band above 10 kHz while maintaining the noise level not higher than 4 mg / ^ Hz. It is connected by an analog-to-digital converter with a memory-equipped microprocessor. The BLE technology communication interface is located in the same housing, enabling wireless communication with a data center, which can be a PC, mobile phone or data cloud. The housing of the measuring and transmission device is at least IP 64, waterproof and dustproof, adapted to be mounted, in a known manner, on an element of the mechatronic system being diagnosed and for wireless connection with a data center device.

PL 238 650 B1PL 238 650 B1

Korzystnie jest, jeśli obudowa urządzenia ma kształt zbliżony do prostopadłościanu o proporcjach około 4:3:2, przy czym najdłuższa krawędź tego prostopadłościanu jest prostopadła do powierzchni styku przetwornika przyspieszenia z elementem diagnozowanego układu mechatronicznego.Preferably, the device housing has a shape similar to a cuboid with the proportions of approximately 4: 3: 2, the longest edge of the cuboid being perpendicular to the contact surface of the acceleration transducer with the element of the mechatronic system being diagnosed.

Korzystnie jest, jeśli obudowa urządzenia pomiarowego ma wysokość nie przekraczającą 20 mm, długość podstawy 15 mm, a szerokość podstawy 10 mm.Preferably, the housing of the measuring device has a height not exceeding 20 mm, a base length of 15 mm, and a base width of 10 mm.

Korzystnie jest, jeśli masa elementów elektronicznych urządzenia z baterią, bez obudowy, jest nie większa niż 5 g.Preferably, the weight of the electronic components of the device with the battery, without the housing, is not more than 5 g.

Korzystnie jest też, jeśli przetwornik przyspieszenia jest wymienny, a obudowa dostosowana do jego wymiany.It is also advantageous if the acceleration transducer is replaceable and the housing is adapted to be replaced.

Tak opracowany sposób i wykonane urządzenie pozwala na montowanie w miejscach trudno dostępnych, takich jak na przykład wrzeciono obrabiarki mechanicznej. Wyposażenie w procesor z wbudowanym interfejsem komunikacyjnym bezprzewodowej transmisji danych BLE pozwala na akwizycję danych z miejsc takich, gdzie nie jest możliwe wykorzystanie transmisji przewodowej. Znacząco też redukuje zużycie energii elektrycznej, a co za tym idzie umożliwia długotrwałą pracę urządzenia bez konieczności ładowania lub wymiany baterii. Zużycie energii podczas przesyłu danych wynosi nie więcej niż 15 mA, natomiast w czasie spoczynku pomiędzy 5 μΛ, a 0.8 mA, w zależności od wybranego stanu wstrzymania.The method developed in this way and the device made in this way allows for mounting in hard-to-reach places, such as, for example, the spindle of a mechanical machine tool. Equipped with a processor with a built-in communication interface for wireless BLE data transmission allows you to acquire data from places where it is not possible to use wired transmission. It also significantly reduces electricity consumption, and thus enables long-term operation of the device without the need to recharge or replace the battery. The power consumption during data transfer is not more than 15 mA and when idle it is between 5 μΛ and 0.8 mA, depending on the selected standby mode.

Rozmiar urządzenia pomiarowo-transmisyjnego został znacząco zmniejszony, względem dostępnych urządzeń, przy zachowaniu pożądanych parametrów przetwarzania danych oraz pomiarowych dzięki wykorzystaniu przetwornika przyspieszenia wykonanego w technologii MEMS i nowoczesnego procesora z wbudowaną technologią BLE oraz opcjonalnie do zastosowania do przechowywania danych, pamięci komputerowej flash, jak na przykład micro SD.The size of the measuring and transmission device has been significantly reduced in relation to the available devices, while maintaining the desired data processing and measurement parameters thanks to the use of an acceleration converter made in MEMS technology and a modern processor with built-in BLE technology and optionally for data storage, flash computer memory, as in micro SD example.

Wynalazek pozwala na modularyzację urządzenia pomiarowego dzięki wykorzystaniu niskonapięciowego procesora pozwalającego na implementację różnych sposobów komunikacji, a więc wybór odpowiedniego interfejsu komunikacyjnego w celu optymalizacji stosunku czasu pracy do maksymalnych dostępnych parametrów pomiarowych, w tym częstotliwości próbkowania. Ponadto na stosowanie wymiennych elementów, takich jak przetworniki drgań mechanicznych, czy zewnętrzna antena do komunikacji bezprzewodowej.The invention allows the modularization of the measuring device thanks to the use of a low-voltage processor that allows the implementation of various communication methods, and thus the selection of an appropriate communication interface in order to optimize the ratio of operating time to the maximum available measurement parameters, including sampling frequency. In addition, the use of removable elements, such as mechanical vibration transducers or an external antenna for wireless communication.

Wykorzystanie w urządzeniu przetworników drgań mechanicznych wykonanych w technologii MEMS pozwala na utrzymanie parametrów pomiarowych urządzenia na wysokim poziomie, w tym częstotliwości próbkowania oraz akwizycji sygnałów szerokopasmowych. Zapewnia niski poziomu szumu własnego, co przyczynia się do polepszenia jakości wykonywanych pomiarów. Znacząco też ogranicza zużycia energii elektrycznej.The use of mechanical vibration transducers made in the MEMS technology in the device allows to maintain the measurement parameters of the device at a high level, including the sampling frequency and acquisition of broadband signals. It provides a low self-noise level, which contributes to the improvement of the quality of the measurements performed. It also significantly reduces electricity consumption.

Wymiana czujnika może zapewnić poprawę zadanych minimalnych wartości parametrów. I tak przy zwiększeniu pasma do około 20 kHz, poziom szumu własnego wynosi ok 4 mg/^Hz, natomiast zmniejszenie szumu własnego do około 30 ng/sHz zwiększy pasmo do około 11 kHz.The replacement of the sensor can improve the set minimum values of the parameters. And so, when increasing the bandwidth to about 20 kHz, the self-noise level is about 4 mg / ^ Hz, while reducing the self-noise to about 30 ng / sHz will increase the bandwidth to about 11 kHz.

Rozwiązanie, według wynalazku, znajdzie w szczególności zastosowanie w miejscach, do których człowiek nie ma dostępu w trakcie pracy maszyny, między innymi klatek bezpieczeństwa, w obrębie których pracują roboty lub nowoczesne urządzenia sterowane numerycznie. Ponadto w warunkach o zmiennej temperaturze i wilgotności, między innymi do akwizycji danych pomiarowych urządzeń pracujących przy wydobyciu surowców lub urządzeń pokonujących znaczące dystanse, jak na przykład samochody. Zastosowanie znajdzie również w miejscach narażonych na działanie płynów i w urządzeniach posiadających otwarte systemy smarowania, w tym obecność płynów chłodniczych lub olejów smarujących.The solution according to the invention will find application in particular in places that cannot be accessed by a human during machine operation, including safety cages, within which robots or modern numerically controlled devices work. In addition, in conditions with variable temperature and humidity, among others for the acquisition of measurement data of devices working in the extraction of raw materials or devices covering significant distances, such as cars. It will also be used in places exposed to liquids and in devices with open lubrication systems, including the presence of cooling fluids or lubricating oils.

Zastosowanie wynalazku umożliwi rozwój metod wczesnego ostrzegania o pogarszającym się stanie technicznym diagnozowanej maszyny, gdyż ułatwienie akwizycji danych oraz idąca za tym redukcja kosztów przyczyni się do zwiększenia ilości potencjalnych punktów pomiarowych, dzięki czemu będzie możliwe opracowanie nowoczesnych metod diagnostycznych.The application of the invention will enable the development of early warning methods about the deteriorating technical condition of the diagnosed machine, as facilitating data acquisition and the resulting cost reduction will contribute to increasing the number of potential measurement points, thanks to which it will be possible to develop modern diagnostic methods.

Sposób akwizycji danych objaśniono i urządzenie pomiarowo-transmisyjne przedstawiono na przykładzie wykonania pokazanym na rysunku. Fig. 1 jest schematem blokowym urządzenia, fig. 2 jest widokiem pokazującym gabaryty urządzenia, a fig. 3 pokazuje szkic urządzenia, usytuowanego na elemencie diagnozowanego układu mechatronicznego.The method of data acquisition is explained and the measuring and transmission device is presented on the example shown in the drawing. Fig. 1 is a block diagram of the device, Fig. 2 is a view showing the dimensions of the device, and Fig. 3 shows a sketch of the device situated on an element of the mechatronic system being diagnosed.

Urządzenie pomiarowo-transmisyjne UPT do akwizycji danych pomiarowych służących do diagnostyki układów urządzeń mechatronicznych UM umieszczone jest bezpośrednio na elemencie diagnozowanego urządzenia. Zawiera przetwornik przyspieszenia CZP wytworzony w technologii MEMS o liniowej charakterystyce w paśmie powyżej 10 kHz przy zachowaniu poziomu szumu nie większegoThe UPT measurement and transmission device for the acquisition of measurement data used for diagnostics of mechatronic device systems UM is placed directly on the element of the device being diagnosed. It contains a CZP acceleration converter made in the MEMS technology with a linear characteristic in the band above 10 kHz while maintaining the noise level not greater

PL 238 650 B1 niż 4 mgNHz, połączony konwerterem analogowo-cyfrowym A/C z procesorem MP posiadającym pamięć M oraz interfejs komunikacyjny T technologii BLE, przy czym urządzenie pomiarowo-transmisyjne UPT umieszczone jest w miniaturowej, wodoodpornej i pyłoodpornej obudowie w kasie minimum IP 64. Obudowa tego przykładowego urządzenia ma wysokość h 20 mm, długość 1 podstawy 15 mm, a szerokość d podstawy 10 mm i przystosowane jest do zamocowania na elemencie diagnozowanego układu mechatronicznego UM. W obudowie urządzenia umieszczone jest źródło zasilania ZZ. Na szkicu, na fig. 3 uwzględniono zastosowany sposób mocowania za pomocą elementu mocującego EM, którym jest magnes. Z urządzenia dane są bezprzewodowo przesyłane do centrum danych BAD.PL 238 650 B1 than 4 mgNHz, connected with an A / C analog-to-digital converter with an MP processor with M memory and T communication interface of BLE technology, while the UPT measuring and transmission device is placed in a miniature, waterproof and dust-proof casing in the cash register minimum IP 64 The housing of this exemplary device is h 20 mm high, 1 base length 15 mm, and base width d 10 mm, and is adapted to be mounted on an element of the mechatronic system UM to be diagnosed. The ZZ power source is located in the housing of the device. In the sketch, Fig. 3 shows the method of fastening used by means of the EM fastening element, which is a magnet. From the device, data is transferred wirelessly to the BAD data center.

W czasie sesji pomiarowej urządzenie pomiarowo-transmisyjne zbiera dane pomiarowe z przetwornika przyspieszenia z zadaną częstotliwością, a następnie przetwarza pobrane dane. Częstotliwość próbkowania może być ustalona maksymalnie na dwukrotność zakresu liniowej charakterystyki czujnika, adekwatnie do wybranego przetwornika oraz konwertera analogowo-cyfrowego, jednak uwzględniając to, iż wraz ze wzrostem częstotliwości próbkowania wzrasta zużycie energii co skutkuje skróceniem czasu pracy urządzenia pomiarowego zasilanego z baterii. Przesyłanie zdarzeń BLE jest operacją asynchroniczną, dlatego nie jest wymagane utrzymywanie modułu komunikacyjnego w trybie aktywnym, jednak nie może zostać przekroczona granica 8 sekund pomiędzy poszczególnymi sesjami pomiarowymi. W czasie przesyłania danych moduły akwizycji i przetwarzania danych przechodzą w tryb wstrzymania, aby ograniczyć ilość zużywanej energii. Cykl ten jest powtarzany aż do momentu przerwania akwizycji przez operatora bądź do zakończenia ostatniej zadanej sesji pomiarowej, po której urządzenie przechodzi w stan głębokiego snu. Urządzenie może powrócić do stanu aktywności, gdy operator rozpocznie nową sesję pomiarową lub urządzenia automatycznie wybudzi się po zadanym interwale czasu, aby przeprowadzić zadaną ilość sesji pomiarowych, a następnie ponownie zostanie uśpione.During the measurement session, the measurement and transmission device collects measurement data from the acceleration converter with a given frequency, and then processes the collected data. The sampling frequency can be set up to twice the range of the linear sensor characteristic, adequately to the selected converter and analog-to-digital converter, however, taking into account the fact that the energy consumption increases with the increase of sampling frequency, which results in a shorter working time of the battery-powered measuring device. Sending BLE events is an asynchronous operation, therefore it is not required to keep the communication module active, however, the limit of 8 seconds between individual measurement sessions must not be exceeded. During data transfer, the data acquisition and processing modules go into standby mode to reduce the amount of energy consumed. This cycle is repeated until the acquisition is interrupted by the operator or until the end of the last set measurement session, after which the device enters the state of deep sleep. The device can return to the active state when the operator starts a new measurement session, or the device automatically wakes up after a preset time interval to perform the preset number of measurement sessions, and then goes to sleep again.

Claims

1. The method of acquiring measurement data of mechatronic systems used for their diagnostics, especially for rotating machines, in which the signal representing the vibrations obtained by means of an acceleration converter mounted on the diagnosed object is converted into a digital signal and sent via a communication module, characterized in that the signal is from the acceleration converter made in the MEMS technology, is processed using an analog-to-digital converter (A / C) connected to a microprocessor (MP), and then the data is processed using the communication interface (T) made in BLE technology, also placed in the measuring device. transmission, is sent via the BLE technology communication interface, directly from the measurement site, wirelessly to the data center.

2. Acquisition method, according to claim A method according to claim 1, characterized in that the processed data, presented as a series of digital data, is stored in a flash memory with all the mentioned elements in a miniature measuring and transmission device.

3.Measurement and transmission device for the acquisition of measurement data of mechatronic systems used for their diagnostics, especially for rotating machines, containing an acceleration converter, characterized by the fact that it has an acceleration converter (CZP) made in the MEMS technology with linear characteristics in the band above 10 kHz at maintaining the noise level of not more than 4 mgNHz, connected by an analog-to-digital converter (A / C) with a processor (MP) with memory (M) and a communication interface (T) of BLE technology, while the measurement and transmission device (UPT) is placed in a miniature, waterproof and dust-proof casing in a cash register of minimum IP 64 and is adapted to be mounted on an element of the mechatronic system (UM) to be diagnosed and is adapted for wireless transmission of data signals to a data center (BAD).

4. A measurement and transmission device according to claim 2. The method of claim 2, characterized in that the housing of the measuring device (UP) has a shape similar to a cuboid with the proportions approximately 4: 3: 2, the longest edge of the cuboid being perpendicular to the contact surface of the acceleration transducer (CZP) with the element of the mechatronic system (UM) to be diagnosed.

PL 238 650 Β1

5. A measuring and transmission device according to claim 1 A device according to claim 2, characterized in that the device housing (UPT) has a height (h) not exceeding 20 mm, a base length (1) of 15 mm, and a base width (d) of 10 mm.

6. A measurement and transmission device according to claim The device of claim 2, characterized in that the weight of the electronic components of the device with the battery without the housing is not more than 5 g.

7. A measuring and transmission device according to claim The method of claim 2, characterized in that the acceleration transducer is replaceable and the housing is adapted to be replaced.