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.  

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

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

zeitliche Schwankungsgrößen Kameier September 2004

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

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

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

Volumenstromberechnung Berechnung aus Geschwindigkeitsprofil (kreisrundes Rohr) flächenbezogene Mittelung Beliebige Abstände durch Integration möglich! Geschwindigkeitsprofil_300913.xlsx

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 2 1− 1− 2𝑖−1 2𝑛 Messwert ist repräsentativ für eine Fläche!

Volumenstrom – Schwerlinienverfahren – VDI 2640 (1983) flächenbezogene Mittelung genügend Messpunkte notwendig - 3 hier nur exemplarisch !!! schwerlinien_verfahren070713.xlsx

allgemeine Rechenregeln zeitliche Schwankungsgrößen allgemeine Rechenregeln Kameier September 2004

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

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

Vergleich von Gleich- und Wechselstrom mit Kameier September 2004

Standardabweichung - Gleich- und Wechselgröße Kameier September 2004

Abtastrate – Matlab-Beispiel Kameier September 2004

Darstellung über Ort und Zeit Kameier September 2004

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

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

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

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.

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

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

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

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

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  

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

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

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

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

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

Allgemeine Eigenschaften der Frequenzanalyse Kameier September 2004

Allgemeine Eigenschaften der Frequenzanalyse Kameier September 2004

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

normiertes und unnormiertes Fenster

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

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

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

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

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

Fensterung - Blöcke Kameier September 2004

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

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

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

Faktor *Frequenzspanne=Abtastrate Abtasttheorem Faktor *Frequenzspanne=Abtastrate Frequenzanalysatoren: 2.56 (aus n^2 Linien werden „runde“ Zahlen) CD-Player arbeiten mit 2.2 (44.100 Hz bei 20000 Hz für HiFi-Signal) Kameier September 2004

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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, 0-200 Hz 3-D, gleiche Einheit Nachauswertung: 4096, keine Mittelung, Speichern und schließen Nachauswertung: Grafikdefinition Auto, Datenbetrachtung, Dokumentationsmöglichkeiten zeigen