Frank Kameier Computerunterstützte Messdatenverarbeitung und –erfassung Motivation des Kurses Messdaten sollten auch im alltäglichen Laborbetrieb.

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1 Frank Kameier Computerunterstützte Messdatenverarbeitung und –erfassung Motivation des Kurses Messdaten sollten auch im alltäglichen Laborbetrieb nicht von Hand notiert werden. Eine optische Mittelung der Messdaten ist nicht sinnvoll oder Übertragungsfehler können sich einschleichen. Angeblich sei Expertenwissen und spezielle Software für computer- unterstützte Messdatenerfassung notwendig. Schwingungen oder akustische Signale werden nur als Einzahlenwerte betrachtet. Wertvolle Informationen gehen verloren.

2 Softwareeinsatz im Labor für Strömungstechnik und Akustik
DASYlab MATLAB LabVIEW PAK Excel  langsame Größen  Mittelung  in Tabellen speichern  Zeilen orientierte Programmierung  Prüfstandssteuerung  16-kanalige Messungen  Messung von schnellen und langsamen Größen  langsame Größen sind sogenannte Führungsgrößen  offline Verrechnung von langsamen Messgrößen  maximal 1000 Zeilen (besser nicht mehr als 100)  Grundlagen der Signalanalyse erproben  Visualisierung  vielseitige grafische Ausgabe  begrenzte grafische Möglichkeiten bei den Plots  Geräuschmessungen  Schmalbandspektren  gefilterte Zeitdaten  Gesamtpegel (Terz- und Oktavspektren sind nicht möglich)  offline Verarbeitung von Messdaten wie Wave-Files (Audiostandard, 16 bit 44.1 kHz)  Geräuschmessung  Speichern von Wave-Files zur Offline MATLAB-Auswertung  Geräusch und Schwingungs­messungen in Abhängigkeit von zeit, Drehzahl oder Strömungs­geschwindigkeit  Formeln lassen sich einfach ändern  bei Verwendung von „Namen“ übersichtlich und einfach zu kontrollieren  alle Datenformate für ein und Ausgabe möglich  Dokumentation - Benutzer muss eigene Systematik entwickeln  umfangreiche automa-tische Dokumentation jedes einzelnen Messdetails  Kommentare und Ergänzungen nahezu beliebig erweiterbar  Datenbankanbindung möglich

3 Theorie Skript Seite 8 bis 13
Theorie Skript Seite 8 bis 13

4 zeitliche Schwankungsgrößen
Kameier September 2004

5 zeitliche Schwankungsgrößen
Momentanwert=Mittelwert + Schwankungsgröße [ V ] [VDC] [VAC] Kameier September 2004

6 Abtastung von Messwerten
Schwankung, Rauschen, Amplitude 1 [m/s] durch arithmetische Mittelung: Gleichanteil 11 [m/s] Schwankung, Sinus, 10 Stützstellen pro Periode

7 Abtastung von Messwerten
durch arithmetische Mittelung: Gleichanteil 11 [m/s] Schwankung, Sinus, 10 Stützstellen pro Periode Schwankung, Sinus, 5 Stützstellen pro Periode

8 Volumenstromberechnung
Berechnung aus Geschwindigkeitsprofil (kreisrundes Rohr) flächenbezogene Mittelung Beliebige Abstände durch Integration möglich! Geschwindigkeitsprofil_ xlsx

9 flächenbezogene Mittelung
Volumenstrom – Schwerlinienverfahren – VDI 2640 (1983) flächenbezogene Mittelung Wahl der Messpunktabstände derart, dass arithmetische Mittelung möglich ist! (jede Teilfläche ist gleich groß) 𝑦 𝑖 𝐷 = − 1− 2𝑖−1 2𝑛 Messwert ist repräsentativ für eine Fläche!

10 Volumenstrom – Schwerlinienverfahren – VDI 2640 (1983)
flächenbezogene Mittelung genügend Messpunkte notwendig - 3 hier nur exemplarisch !!! schwerlinien_verfahren xlsx

11 allgemeine Rechenregeln
zeitliche Schwankungsgrößen allgemeine Rechenregeln Kameier September 2004

12 dynamisches Signal: AC, DC oder AC+DC transientes Signal: stationäres Signal = ??? Statisch AC = alternating current = Wechselspannung DC = direct current = Vorsicht! Gleichspannung = auch: Signal ohne Filter Was passiert, wenn man ein DC+AC Signal in AC und DC Anteil trennt? Kameier September 2004

13 Sinus-Funktion mit rms-, Spitze- und Spitze-Spitze-Wert
Crest-Faktor (Sinus) = 1.41 Kameier September 2004

14 Vergleich von Gleich- und Wechselstrom
mit Kameier September 2004

15 Standardabweichung - Gleich- und Wechselgröße
Kameier September 2004

16 Abtastrate – Matlab-Beispiel
Kameier September 2004

17 Darstellung über Ort und Zeit
Kameier September 2004

18 Hardware Skript Seite 3 bis 4
Hardware Skript Seite 3 bis 4

19 Digitalmultimeter DMM 4660M – True RMS Multimeter
Anzeige von 4 Zahlen, die auch zum Computer übertragen werden müssen! serielle Schnittstelle (RS232) Spannungsversorgung DC 9 V oder Akkubetrieb Kameier September 2004

20 Praxis - DASYlab Skript Seite 5 bis 7 und Schaltbilder 1 bis 6
Praxis - DASYlab Skript Seite 5 bis 7 und Schaltbilder 1 bis 6

21 Einwert-Messverfahren
langsam (slow, =1s), zur Bestimmung des Effektivwertes, schnell (fast, =125ms), zur Anzeige schwankender Pegel, -Impuls (Anstieg=35ms, Abkling=1,5s) zur Erfassung schnell veränderlicher Ereignisse. Diese Anzeige ist in Impulsschallmessern eingebaut.

22 Module Mittelung – Blockmittelung - Statistik
Mittelung: mittelt die Werte eines Blocks, Blocklänge am Ausgang läßt sich variabel einstellen, Anzahl der Mittelungen läßt sich über globale Variable einstellen. Blockmittelung: mittelt die Werte aufeinanderfolgender Blöcke, Blockgröße bleibt erhalten, Anzahl der Mittelungen läßt sich über globale variable einstellen. Statistik: mittelt die Werte eines Blocks zu einem ein Zahlenwert, Anzahl der Mittelung kann nur fest vorgegeben werden. Kameier September 2002

23 Theorie Skript Seite 16 bis 17
Theorie Skript Seite 16 bis 17

24 10 lg (Argument) oder 20 lg (Argument)
Dezibel lg (10) = 1 lg (100) = 2 usw. lg (2) = 0,3 10 lg (Argument) oder 20 lg (Argument) 10 lg findet immer nur dann Anwendung, wenn es sich um die lineare Beschreibung einer Wechselgröße handelt wie zum Beispiel bei der Leistung. Wechselgrößen an sich geben im zeitlichen Mittel nur als quadratische Größen einen Sinn, diese Größen werden mit 20 lg verrechnet. Kameier September 2004

25 Dynamik in dB = 20 lg (Faktor)
Dynamik und Dezibel Dynamik in dB = 20 lg (Faktor) Dynamik in bit Faktor Dynamik in dB 8 256 48 12 4096 72 16 65536 96 Kameier September 2004

26 Skript Seite 17 bis 23 und Schaltbilder 7 bis 9 und Geräte
Praxis - DASYlab Skript Seite 17 bis 23 und Schaltbilder 7 bis 9 und Geräte

27 Praxis – Excel – DASYlab-Vergleich Skript Seite 25 und 26
Praxis – Excel – DASYlab-Vergleich Skript Seite 25 und 26 Schaltbilder 9 und 10

28 Praxis – Matlab Skript Seite 27 bis 30 Beispiel mit Multimeter DMM4660
Praxis – Matlab Skript Seite 27 bis 30 Beispiel mit Multimeter DMM4660

29 Theorie – Frequenzanalyse Skript Seite 31
Theorie – Frequenzanalyse Skript Seite 31

30 Allgemeine Eigenschaften der Frequenzanalyse
Periodische Zeitfunktion Linienspektrum (Klang, Tongemisch) (diskretes Spektrum) Kameier September 2004

31 Sampling-Rate und Blocksize - Motivation
Globale Variable „Samplingrate“ Die Samplingrate steht nur in der Einheit ms zur Verfügung. Frequenzspanne Frequenzauflösung f

32 Allgemeine Eigenschaften der Frequenzanalyse
Kameier September 2004

33 Allgemeine Eigenschaften der Frequenzanalyse
Kameier September 2004

34 Praxis – DASYlab Skript Seite 33 und 34 Schaltbilder 11 bis 14
Praxis – DASYlab Skript Seite 33 und 34 Schaltbilder 11 bis 14

35 normiertes und unnormiertes Fenster

36 Grundlagen der Funktionentheorie – komplexe Zahlen
harmonischer Ansatz: Kameier September 2004

37 3-dimensionale Wellenausbreitung
Lösung der akustischen Wellengleichung 3-dimensionale Wellenausbreitung axial - radial - azimutal

38 Mathematische Formulierung der Fouriertransformation
[V s] Fouriertransformierte Spektraldichte [V2 s] Kreuzspektraldichte [V2 s] Kameier September 2004

39 [-] [v2] Mathematische Formulierung der Fouriertransformation Kohärenz
Symmetrie der Spektraldichte: für alle positiven Frequenzen: [v2] Amplitudenspektrum Kameier September 2004

40 [v2] [-] Mathematische Formulierung der Fouriertransformation
für alle positiven Frequenzen: [v2] Kreuzspektrum [-] Transferfunktion Kameier September 2004

41 Fensterung - Blöcke Kameier September 2004

42 Praxis – Fensterung – Matlab - DASYlab Skript Seite 39 Schaltbild 15
Praxis – Fensterung – Matlab - DASYlab Skript Seite 39 Schaltbild 15

43 Praxis – DASYlab Skript Seite 40 Schaltbild 16
Praxis – DASYlab Skript Seite 40 Schaltbild 16

44 Disktrete Fouriertransformation
k sind die Stützstellen des Zeitfensters der Länge N. N ist gleich dem Kehrwert des Abtastintervalls T. Matlab-Beispiel - Berechnungszeit Kameier September 2004

45 Faktor *Frequenzspanne=Abtastrate
Abtasttheorem Faktor *Frequenzspanne=Abtastrate Frequenzanalysatoren: 2.56 (aus n^2 Linien werden „runde“ Zahlen) CD-Player arbeiten mit 2.2 ( Hz bei Hz für HiFi-Signal) Kameier September 2004

46 Theorem von Parceval und Gesamtpegel
Zeitebene Frequenzebene Effektivwert Gesamtpegel Kameier September 2004

47 Praxis – DASYlab Schaltbilder 17 und 18
Praxis – DASYlab Schaltbilder 17 und 18

48 Einfluss der Frequenzauflösung auf den Rauschpegel (Seite 43)
Kameier September 2004

49 Praxis – DASYlab Schaltbilder 19 und 20
Praxis – DASYlab Schaltbilder 19 und 20

50 Interpretation eines Phasenverlaufs
2 Samples pro Periode bei halber Abtastfrequenz 0° 180° 360° Frank Kameier September 2004

51 Anwendung „Phase“ - Rotation mit „Schlupf“
Frank Kameier Rotierende Instabilitäten - April 2001

52 Umfangsverteilung rotierender Instabilitäten
Wanddruckschwankung Amplitudenspektrum Kohärenz Phasenspektrum Frank Kameier Rotierende Instabilitäten - April 2001

53 Beispiel: negative Frequenzen und rotierende Ablösung
Frank Kameier Rotierende Instabilitäten - April 2001

54 Praxis – DASYlab Schaltbilder 21 bis 25
Praxis – DASYlab Schaltbilder 21 bis 25

55 Theorie - Zusammenfassung Skript Seite 44
Theorie - Zusammenfassung Skript Seite 44

56 Sampling-Rate und Blocksize – Motivation -DASYLab
Globale Variable „Samplingrate“ Die Samplingrate steht nur in der Einheit ms zur Verfügung. Kameier September 2004

57 Praxis – Matlab – DASYlab – 3-D Darstellungen Skript Seite 49
Praxis – Matlab – DASYlab – 3-D Darstellungen Skript Seite 49 Schaltbilder 26 und 27

58 PrüfstandAkustikSystem PAK
PrüfstandAkustikSystem PAK 3-D-standard-dreh: Ordnungsdiagramm (Campbell), Schnitt aktivieren, statt Frequenz, Ordnung 3-D VW: statt langsamer Größen Zeitsignal zum Abhören manuell ändern Anhoeren Kameier mit spec: Equalizer mit Filterung vorführen 3-D stand_rot_inst_haukap: Frequenzachse verschieben, interessanter physikalischer Hintergrund der Messung 3-D stand_rot_inst_ haukap2: 2 Seiten DMS und Mikro, Resonanz mit erster Biegeeigenfrequenz, Bandpass entspricht nahezu Gesamtpegel Nachauswertung: starten mit schlechter Frequenzauflösung, Hz 3-D, gleiche Einheit Nachauswertung: 4096, keine Mittelung, Speichern und schließen Nachauswertung: Grafikdefinition Auto, Datenbetrachtung, Dokumentationsmöglichkeiten zeigen