Schwingungsanalysen am Fahrzeug müssen nicht teuer sein

Schwingungsanalysen sind ein Klassiker für Messtechniker. Betrachtet man jedoch die Komplexität dieser Analysen und die erforderlichen Hardware-Investitionen, kommt man aus dem Staunen nicht mehr heraus: Als Hardware werden typischerweise so genannte Expertensysteme eingesetzt, die für 48 Kanäle mindestens 100.000 € kosten. Voll ausgestattet inkl. Software bis zu 250.000 €.

Bei PANDA bieten wir diese Art von Systemen zu einem wesentlich günstigeren Preis an, der bei ca. 60 € pro Kanal beginnt, was bedeutet, dass das gleiche Ergebnis mit ca. 4 % des Standardpreises erreicht werden kann, und wir entwickeln auch die komplette Open-Source-Software für die Datenaufzeichnung.Einer der Gründe, warum die teure Hardware als Expertensystem bezeichnet wird, ist, dass die Zeit, die benötigt wird, um sie zu verstehen und ihre Bedienung zu erlernen, in den Kosten für die Anschaffung verloren geht, so dass Sie gleichzeitig zu einem Experten in der Messtechnik werden, obwohl Sie nur ein paar Daten aufzeichnen wollten.

Wenn man bedenkt, dass man für jede KI-Anwendung Daten braucht und mit einem Raspberry Pi, den es schon ab 40€ gibt, ist es eigentlich nicht mehr nötig, so viel in Hardware zu investieren.Was die meisten jedoch unterschätzen, ist, dass die Daten von Sensoren nicht von Anfang an digital sind, sondern aufwändig umgewandelt werden. Im Prinzip werden die Elektronen so genau und schnell wie möglich gezählt. In einer solchen hochsensiblen Fertigungskette kann viel schief gehen. Die Elektronik eines solchen Messsystems ist deshalb voller ausgeklügelter Schaltungstricks, bevor sie den eigentlichen Analog-Digital-Wandler erreicht.

Sobald dies erreicht ist, bestimmt der gewählte Chip, wie genau die Werte und wie viele Werte pro Sekunde aufgezeichnet werden können. Während die Amplitudenauflösung bei Schwingungen in der Regel nicht der entscheidende Faktor ist, besteht bei der Zeitauflösung das Problem des Nyquist-Shannon-Abtasttheorems. Ohne hier ins Detail zu gehen, sollte die Abtastrate mindestens doppelt so hoch sein wie die maximal auftretenden Frequenzen des umzuwandelnden Signals. Um diese Anforderung zu erfüllen, werden in der Labormesstechnik Filter eingesetzt, die vor der eigentlichen Wandlung höhere Signalanteile aus dem Signal herausfiltern, um der theoretischen Nyquist-Grenze möglichst nahe zu kommen. Dies erfordert sehr steile, aktive Filter, die schwierig zu entwerfen sind und im Allgemeinen Rauschen verursachen. Außerdem sollte die Abtastung gleichmäßig sein, mit sogenannter äquidistanter Abtastung. Bei professioneller Messtechnik ist dies jedoch immer der Fall, im Gegensatz zu preisgünstigen Consumer-Lösungen. Oft werden in der Consumer-Technik gar keine Filter oder nur rudimentäre Schaltkondensator-Schaltungen eingesetzt, die weitere Nachteile mit sich bringen.

Um auf Nyquist zurückzukommen: Das kann wirklich schlecht sein. Sie können das Signal im Computer nicht digital filtern, wenn Sie die analoge Filterung nicht korrekt durchführen. Selbst bei einem einfachen Schaltkondensator-Analogfilter ist statt des zweifachen Mindestabstands für die Unterabtastung der 10-fache Abstand zur Abtastrate erforderlich, da man durch Spiegeleffekte nicht mehr erkennen kann, welche Frequenzen in der analogen Welt tatsächlich aufgetreten sind. Bei einer FFT beispielsweise treten Spitzenwerte an anderen Stellen auf, als sie eigentlich sein sollten. Man kann den Ergebnissen einer Schwingungsanalyse nicht mehr trauen und hat keine Chance, den Fehler in den Daten selbst zu erkennen. Das ist auch seltsam, wenn man mit 20.000 Hz abtastet und nur 1000 Hz sinnvoll ausgewertet werden können. Leider ist dies kein theoretischer Faktor, sondern kommt in der Praxis häufiger vor als erwartet. Ohne ins Detail zu gehen, sollte man dies übrigens nie tun, wenn man Schwingungen auswerten will.

In unseren Timeswipe-Karten verwenden wir 16 Bit Amplitudenauflösung, was 65.000 verschiedenen Messwerten entspricht, und tasten 48.000 Werte pro Sekunde und Kanal ab. Mit einem steilen und rauscharmen 5-pol-Filter können Frequenzen bis ca. 20.000 Hz im Signal ausgewertet werden. Höhere Frequenzen im Signal werden korrekt ausgefiltert, bevor sie den Wandler erreichen. Um Nyquist müssen Sie sich also keine Sorgen machen, denn durch die digitale Nachfilterung im Treiber wird eine niedrigere gewünschte Aufzeichnungsrate erreicht.

Schauen wir uns an, wie eine Messung für eine Schwingungsanalyse mit PANDA-Technologie im Fahrzeug möglich ist.

Die Sensoren, die pro Stück ca. 300€ kosten und passend zu den Boards über 20.000 Hz auflösen, werden mit einem Zweikomponentenkleber an den verschiedenen Positionen im Fahrzeug angebracht. Die Kabel werden mit Kabelbindern sorgfältig in den Kofferraum verlegt, wo sie an mehrere Timeswipe-Geräte angeschlossen werden, die von USB-Powerbanks versorgt werden und die Werte über WLAN an einen Laptop oder ein iPad zur Datenaufzeichnung senden.Der Open-Source-Ansatz von PANDA ermöglicht es, die Werte nicht nur zu speichern, sondern auch für Echtzeit-KI-Anwendungen im Fahrzeug zu nutzen, wie z. B. eine intelligente Zustandsüberwachung. Hier kommen unsere Metrischen Algorithmen oder neuronalen Netze zum Einsatz.

Inklusive Zubehör liegen wir bei etwa 7.000 € für 16 Messstellen. Das ist immer noch viel Geld, aber es ist um den Faktor 20 billiger als ein Expertensystem.

Wir bei Panda arbeiten daran, die Kosten dafür in Zukunft um einen weiteren Nullpunkt zu senken, indem wir auch den Expertenstatus der Sensoren entfernen.

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