データ収録とは何ですか?

データ収録(通常はDAQまたはDASと略されます)とは、物理現象を計測し,何らかの方法で記録して,解析するためのプロセスを指します。

データ収録は以前の形式であるテープや紙チャートへの記録とは異なり、信号はアナログドメインからデジタルドメインに変換され、ROM,フラッシュメディア,ハードディスクドライブなどのデジタルメディアに記録されます。

最新のデジタルデータ収録システムは、物理現象の計測チェーン全体を形成する4つのコンポーネントで構成されています。

  • センサ
  • シグナルコンディショナ
  • ADコンバータ(ADC)
  • 信号の収録と解析のためのDAQソフトウェアを搭載したコンピュータ

現代のデジタルデータ収録システムの要素

一般的なデータ収録(DAQ)システムでは、外部センサとA / D変換サブシステム間のインタフェースを提供するシグナルコンディショニング回路が複数のチャネルに対応しています。

DAQシステムは何を計測しますか?

データ収録システムは、主に次のような物理現象を計測する用途があります。

  • 温度
  • 電圧
  • 電流
  • ひずみと圧力(ひずみと圧力の計測方法を参照)
  • 衝撃と振動
  • 距離と変位
  • RPM、角度、および離散イベント
  • 重量(荷重の計測方法を参照 )

データ収録システムには他にも計測できる、光量や画像,音,質量,位置,速度などいくつかのパラメータがあることに注意してください。

データ収録の目的

データ収録システムの主な目的は、データを収録して保存することです。それらはまた、データのリアルタイムおよびポストレコーディングでの視覚化と解析を提供することも目的としています。さらに、ほとんどのデータ収録システムには、解析およびレポート作成機能が組み込まれています。

最近のイノベーションでは、データ収録と制御の組み合わせで、DAQシステムがリアルタイム制御システムと緊密に接続され同期されています。

もちろん、さまざまなアプリケーションではそれぞれ多様な要求があるので、これらの機能はさまざまな割合でデータ収録システムの中に存在します。

  • データの記録
  • データ保存
  • リアルタイムにデータを視覚化
  • 記録後の視覚化
  • さまざまな演算および統計的計算を使用したデータ解析
  • レポートの作成

DEWESoftデータ収録システムは、データの記録,保存,視覚化,解析,レポート作成のための
ソリューションを1つのパッケージで提供します

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データ収録システムの重要性

データ収録システムまたはDAQデバイスは、自動車から医療機器まで、基本的に人々が使用するあらゆる電気,機械,機器の製品テストに不可欠です。

データ収録システムの登場前には、開発された製品は非構造化された非常に主観的な方法でテストされました。たとえば、自動車で新しいサスペンションをテストする場合、担当者はサスペンションがどのように「感じられる」かについて、テストドライバーの意見に頼ることがよくありました。

多種多様なセンサからデータを収録できるデータ収録システムの発明と開発により、これらの種類の主観的意見は客観的な計測値に置き換えられました。これらは繰り返し,比較し,数学的に解析し,多くの方法で視覚化できます。

【動画】DEWESoftのデータ取得システムを使用して、トラック車両の極度の重量負荷テスト中に
データを記録,保存,解析するテストシナリオの例 

今日ではデータ収録システムを利用してパフォーマンス,安全性,信頼性を客観的に計測することなく、航空機,医療機器,大規模機械などの車両の開発を検討することはありません。

計測プロセス

データ収録は実際の信号をデジタルドメインに変換して表示,保存,解析するプロセスです。さまざまな物理現象はアナログ領域を計測し、後にデジタル領域に変換する必要があります。

このプロセスは、さまざまなセンサとシグナルコンディショナを使用して行われます。前述のように、シグナルコンディショナからの出力はアナログデジタルコンバータ(ADC)によってサンプリングされ、時間ベースのストリームでデジタルメモリメディアに書き込まれます。通常、このようなシステムを計測システムと呼びます。

アナログデータ収録システム

各要素をさらに詳しく見てみましょう。

センサまたはトランスデューサ

温度,音源のレベル,一定の動きから発生する振動などの物理現象の計測はセンサから始まります。センサはトランスデューサとも呼ばれ、物理現象を計測可能な電気信号に変換します。

センサは私たちの日常生活で使用されています。たとえば、一般的な水銀温度計は温度の計測に使用される非常に古いタイプのセンサです。閉じたチューブで着色された水銀を使用することは、この化学物質が温度の変化に対して一貫した線形の反応をするという事実に依存しています。チューブに温度値をマークすることにより温度計を見て、限られた精度で温度を確認できます。

古典的な温度計は何世紀にもわたって温度を計測するために使用されています

この方法はもちろん、視覚的な出力以外のアナログ出力はありません。この種の原始的な温度計は、オーブンの中やキッチン窓の外では便利ですが、データ収録アプリケーションには特に役立ません。

そのため、熱電対,サーミスタ,RTD(抵抗温度検出器),さらには赤外線温度検出器など他のタイプのセンサが温度を計測するために発明されました。これらのセンサは自動車のダッシュボードに表示されるエンジン温度から医薬品製造で計測される温度まで、あらゆる用途で毎日稼働しています。実際にはすべての業界が何らかの方法で温度計測を利用しています。

温度センサ:(左から右へ)熱電対,サーミスタ,RTDセンサ

もちろん、別の物理現象を計測するために発明された他の多くの種類のセンサがあります。

  • ロードセル:重量と荷重の計測
  • LVDTセンサ:距離,変位の計測
  • 加速度センサ:振動と衝撃の計測
  • マイク:音の計測
  • ひずみゲージ:物体のひずみ量の計測。たとえば、力,圧力,張力,重量など
  • 電流トランスデューサ: ACまたはDC電流の計測
  • その他多数

センサのタイプに応じて、その電気出力は、電圧,電流,抵抗,または時間とともに変化する別の電気属性になります。これらのアナログセンサの出力は、通常、次のセクションで説明するシグナルコンディショナの入力に接続されます。

シグナルコンディショナ

シグナルコンディショナはアナログセンサからの出力を取得し、デジタルでサンプリングする準備をしています。

熱電対の例を見てみます。シグナルコンディショナ回路は、センサからの出力を線形化し絶縁と増幅を行います。非常に小さな電圧をデジタル化するためにアナログデジタルコンバータに必要な公称レベルに引き上げる必要があります。

アナログ信号源から、コンピュータやソフトウェアで処理できるデジタル化データまで

各シグナルコンディショナは、センサ出力の要素正規化を実行してソースの現象に対するその線形性と忠実度を確保しデジタル化の準備をするよう設計されています。また、センサのタイプはそれぞれ異なるため、シグナルコンディショナはそれらセンサタイプに完全に対応する必要があります。

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絶縁(ガルバニックアイソレーション)

ガルバニックアイソレーションとも呼ばれます。電気的絶縁は、回路を他の電位源から分離することです。ほとんどの信号は比較的低いレベルで電位源が存在するため計測システムでは特に重要です。また、外部の電位が信号品質に大きく影響し、誤った読み取りを引き起こす可能性があります。干渉電位は本質的にAC(交流)とDC(直流)の両方が存在します。

たとえば、センサがテスト対象の製品(電源など)に直接設置されている場合、これは地面(グランド)より高い電位(つまり0Vではない)であり、ときには数百ボルトのDCオフセットを加える可能性があります。電気的干渉またはノイズは、信号経路またはテスト環境内の他の電気コンポーネントによって作成されたAC信号の形をとることもあります。たとえば、室内の蛍光灯は50/60Hzを放射する可能性があり、これは非常に高感度なセンサには影響を及ぼす可能性があります。

これがデータ収集システムに絶縁された入力がある理由です - シグナルチェーンの整合性を維持し、センサ出力が本当に読み取られたものであることを確認します。現在採用されている絶縁方法にはいくつかの種類があります。

【動画】DEWESoftデータ収録システムの高ガルバニックアイソレーション

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フィルタリング

計測するほぼすべての信号は、電気的干渉やノイズの影響を受ける可能性があります。これには高ゲイン信号ラインに誘導される周囲の電磁場や、センサまたは計測システムとテスト対象のオブジェクトの間に存在する単純な電位など、さまざまな原因があります。したがって最高のシグナルコンディショナには、これらの干渉を取り除きより良い計測を行うために選択可能なフィルタが搭載されています。

ノイズアナログ信号がローパスフィルタを通過して、不要な周波数がフィルタ処理される

フィルタは通常、動作する帯域で表現されます。信号フィルタには4つの基本的なタイプがあります。

  • ローパスフィルタ:特定の周波数より高い周波数を低減または「ロールオフ」します。
  • ハイパスフィルタ:特定の周波数を超える周波数を通過させます。
  • バンドパスフィルタとバンドリジェクトフィルタ: 与えられた2つの値の間の周波数を通過させる、もしくは停止(拒否)します。

基本的なフィルタの種類

アンチエイリアシングフィルタリングなどの一部のフィルタリングは、アナログドメインでのみ実行できます。これは、アンダーサンプリングによって引き起こされた誤った信号がデジタル化されると実際の信号がどのように見えるかを知る方法がないためです。ただし、他のほとんどすべてのフィルタリングは、信号がデジタル化された後、デジタルドメインつまりソフトウェアで実行できます。

フィルタは、極の数によっても定義されます。極が多いほど信号に対して実行できるロールオフが急になります。このロールオフまたはスロープはオクターブあたり何デシベルの信号をロールオフできるかを単純に意味します。問題のフィルタの仕様は通常、最大ロールオフをdB / Qで示します。

DEWESoft DAQハードウェアは通常、計測する信号のタイプに応じてローパスフィルタを提供します。一部のコンディショナは、たとえばチャージシグナルコンディショナなどのハイパスフィルタリングを追加で提供します。計測された信号が積分または二重積分される場合、不要な低周波要素を削除することは特に重要です。不要な要素は算出した速度または変位値をひどく歪めるためです。

ベッセル,バターワースおよびチェビシェフなどのフィルタタイプについてもいくつか説明します。すべてのフィルタはその性質上、信号自体に歪みを与えるため長年にわたって開発者は、特定の目的で可能な限り最良の結果を提供するために独自のフィルタタイプを開発してきました。

フィルタタイプ ロールオフ勾配 波紋または歪み その他の要因
バターワース 良好 リップルはないが、方形波は歪み
(ヒステリシス)を引き起こす
中程度の位相歪み
チェビシェフ 急勾配 通過帯域の波紋 過渡応答が悪い
ベッセル 良好 非正弦波形からのリンギングまたは
オーバーシュートなし
位相遅延の増加

これらのフィルタタイプにはトレードオフがあることがわかります。
アプリケーションに最適なフィルタタイプを選択するのは計測者の責任です。

DewesoftXソフトウェアは、ユーザが選択できる幅広いフィルタリングオプションを提供します。これには、上記のオプションすべてが含まれます。ソフトウェアフィルタは計測後でも適用でき、削除または変更することもできます。

DewesoftXデータ収録ソフトウェア内のフィルタリング設定

DewesoftXソフトウェアを使用すると、計測者はフィルタリングせずにデータを記録し、記録と実験後にさまざまなフィルタを適用できます。また元の信号と並べて比較することもできます。柔軟性があり設定は非常に簡単です。フィルタリングされていない生データを保持し必要に応じてフィルタを適用できます。

ADコンバータ(ADCまたはA / Dコンバータ)

ほとんどの物理的な計測信号条件の出力はアナログ信号です。データ収録システムで表示および保存できるように、この信号を一連の高速デジタル値に変換する必要があります。そのため、A / DカードまたはA / Dサブシステムを使用しこの信号を変換します。

ADコンバータスキーム(アナログ信号をデジタルドメインデータに変換します)

チャネルごとにマルチプレクスされたコンバータと単一のコンバータの両方を含む、さまざまなADCタイプがあります。マルチプレクスADCシステムでは、単一のアナログ-デジタル変換器を使用して、複数の信号をアナログからデジタル領域に変換します。これは、アナログ信号を一度に1つずつADCにマルチプレクスすることによって行われます。

これは、チャネルごとにADCチップを持つよりも低コストのアプローチです。しかし、その一方で、一度に1つの信号しか変換できないため、信号を時間軸上で正確に整列させることはできません。したがって、チャネル間には常に時間のずれがあります。

データ収録システムの初期には、8ビットADCが一般的でした。現在は、動的計測を行うように設計されたほとんどのデータ収録システムでは24ビットADCが標準であり、16ビットADCは一般に信号の最低限の分解能と見なされています。

信号が変換されるレートは、サンプルレートと呼ばれます。ほとんどの温度計測などの特定のアプリケーションでは、計測信号があまり急速に変化しないため、高いサンプルレートは必要ありません。ただし、AC電圧と電流、衝撃と振動、およびその他の多くの計測値では、1秒あたり数万または数十万サンプル以上のサンプルレートが必要です。サンプルレートは計測の時間軸またはX軸と見なされます。

ADCサンプリングレート

Y軸または垂直軸ではADCはさまざまな分解能で利用できます。現在、最も一般的なのは16ビットと24ビットです。16ビットの分解能を持つADCは、理論上、1/65,535の分解能で入力信号をデジタル化できます(2 ^ 16 = 65,536)。 この数は、他の要因の中でも特にノイズや量子化誤差によって減少しますが比較のための良いスタートポイントとして適しています。分解能の各ビットは量子化分解能を事実上2倍にするため、24ビットADCを備えたシステムは2 ^ 24 = 16,777,216を供給します。したがって、1ボルトの入力信号は、Y軸上で1600万以上のステップに分割できます。

高いサンプルレートと高い振幅軸分解能を供給するADCは 、衝撃や振動などの動的信号解析に最適です。低いサンプルレートと高い振幅軸分解能は、振幅範囲が広いが状態が急速に変化しない熱電対やその他の計測値に最適です。

ADCにおいてアンチエイリアシングフィルタリング(AAF)は、低すぎるレートで信号をサンプリングすることによって引き起こされる計測エラーを防ぐため、動的計測を含むすべてのアプリケーションで非常に望ましい機能です。このエイリアシング は、高速で変化する信号に対してサンプリング数が低すぎるために誤った信号が作成された事象です。

入力信号に対してサンプリングが十分に速くない場合、収録された信号は実際の信号と
非常に異なる可能性があります。  WikiCommonsの画像提供

デジタルに変換されると、信号はいくつかの方法でコンピュータサブシステムによって処理されます。何よりもまずシステムの画面で表示して、目視検査とレビューを行うことができます。ほとんどのDAQシステムは、時間履歴(「ストリップチャート」)(Y / T)表示や数値表示など、いくつかの一般的な形式でデータを表示します。

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データストレージ

現在のデータ収録システムは通常、ソリッドステートハードディスクドライブ(SSDまたはHDD)を使用して、ADCサブシステムからデータを永続的なストレージに保存します。データをディスクに書き込むと、データを後解析することもできます。

ほとんどのDAQシステムでは、サードパーティのソフトウェアツールを使用して解析するために、データをさまざまなファイル形式にエクスポートできます。一般的なデータ形式には、CSV(カンマ区切り値),UNV(ユニバーサルファイル形式)などがあります。

Dewesoft Xデータ収録ソフトウェアは、両方のフォーマットに加えて他の多くのフォーマットにデータをエクスポートできます。

SBOXデータロガーの取り外し可能な大容量SSDデータストレージ

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データの視覚化と表示

DAQシステムの最も重要な機能の1つは、データストレージ中にデータをリアルタイムで視覚化する機能です。

波形データはほとんどの場合、グラフまたはグリッドに対するY / T波形や数値形式で表示できます。
ただし、棒グラフメータ,FFT(高速フーリエ変換)など、他のグラフィカルな表示を追加で使用できます。

現在、最も柔軟なDAQシステムでは、組み込みのグラフィカルウィジェットを使用して、1つ以上のディスプレイを簡単に構成できます。Dewesoft Xデータ収録ソフトウェアは、いくつかの組み込みの視覚機器を提供します。

  • レコーダ:水平,垂直,XYレコーダ
  • オシロスコープ:スコープ,スコープ3D,ベクトルスコープ
  • FFT: FFT,3D FFT,ハーモニックFFT,およびオクターブ
  • メータ:デジタル,アナログ,水平/垂直バーメータ
  • グラフ: 2D,3Dグラフ,オクターブ,オービット,キャンベルプロット
  • ビデオ:標準ビデオディスプレイおよび温度インジケータ付きサーマルビデオディスプレイ
  • GPS:インタラクティブなOpen Street Mapレイヤーサポートを備えたポジショニングディスプレイ
  • コントロール:ボタン,スイッチ,ノブ,スライダ,ユーザ入力
  • 燃焼分析: PVダイアグラム
  • ローターバランサ:フィールドバランシング用
  • 自動車用:移動するオブジェクトを表示するための3Dポリゴン
  • 航空宇宙用:高度または人工地平線インジケータ
  • DSA / NVH:モーダルサークル
  • その他: 2D / 3Dテーブル,画像、テキスト,線,過負荷インジケータ,インジケータランプ,ノート

すべてのビジュアル機器は、リアルタイムのビジュアルフィードバックを備えたさまざまなカスタマイズオプションがあります。

【動画】DEWESoftのデータ収録システムで実行されているDewesoftX DAQソフトウェアからの典型的な表示で、
ユーザーが選択できるさまざまなグラフや視覚的な「ウィジェット」で計測データを表示します

データ解析

データ収録システムは、リアルタイムでのテストの状態に関する重要な視覚的リファレンスを提供します。ただし、保存されたデータは、DAQシステムに組み込まれたツールまたはサードパーティのソフトウェアを使用して、データを解析することもできます。

前述のように、現在市場に出ているほぼすべてのDAQシステムには、システム独自のデータ形式をオフライン解析用のサードパーティデータ形式に変換する組み込みのデータエクスポートフィルタがいくつかあります。

DEWESoftデータ収録システムは、DewesoftX(データ収録ソフトウェア)内に幅広いデータ解析機能を提供します

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基本的な種類のDAQシステム

DAQシステムには2つの基本的な種類があります。

  • 完結されたデータ収録システムまたは機器
  • 個別にカスタマイズするDAQ開発プラットフォーム

完結されたデータ収録システムまたは機器

完結されたデータ収録システムは、最小限のトレーニングで使用できる機器です。完全に統合された計測器は、プログラミング環境やプログラミング言語の使用を必要としません。

完結されたデータ収録システムはプログラムできるシステムと比較すると、機能が制限されていることがあります。DEWESoftのデータ収録システムはスタンドアロンのデータ記録システムを提供し、多くの場合データロガーと呼ばれています。

個別にカスタマイズする開発プラットフォーム

個別にカスタマイズする開発プラットフォームはNI社に代表され、担当者が独自のデータ収録システムを開発できるLavViewと呼ばれるソフトウェアパッケージを作成しています。オブジェクト指向のグラフィカルプログラミングモデルに基づいています。

ナショナルインスツルメンツのLabView DAQ開発プラットフォーム

NI社は、LabVIEWソフトウェアシステムと互換性のある幅広いハードウェアインタフェースを提供しています。これにより、ユーザが組み立てたりプログラムしたりする必要のない機器が作成されます。それぞれのアプローチには長所と短所があります。

NI社が提供するものなどの開発プラットフォームは、何でも作成できるため、最大限の柔軟性を供給します。ただし、ユーザは基本的に独自のシステムを構築してプログラムする必要がありこのシステムの保守、および必要なバグの修正とアップグレードにも責任があります。

最大の妥協点は、出荷時にすぐに使用できる完成されたデータ収録システムですが、プログラミングを必要とせずにエンドユーザがさまざまなアプリケーションに適応できる十分な柔軟性が組み込まれていることです。このようなシステムは、すべての計測システムに含まれているDewesoft Xと呼ばれるソフトウェアパッケージに基づいて、DEWESoft社から入手できます。

DEWESoftのSIRIUSターンキーデータ収録システムは、
最新のデータ収録タスクに使用できる十分な柔軟性を提供します

DAQハードウェア構成

DAQシステムは以下の要素で構成されますが、それらの構成は大きく異なります。実際、さまざまなメーカーとその製品ラインで使用されているいくつかの基本的な物理構成があります。

  • シグナルコンディショナ
  • ADC(アナログからデジタルへのコンバータ)
  • データ表示
  • データストレージ
  • 情報処理

モジュール式データ収録システム

この構成では、重要な要素は大きく分けられており、ケーブルを介して接続する必要があります。データの処理,保存,および表示は、通常、ノートブックやデスクトップコンピュータなどのサードパーティのコンピュータです。

多くの場合、製造元はシグナルコンディショナとADCを含む単一のボックスを提供します。ADCは、USB,firewire,イーサネットなどの高速インタフェースを介してコンピュータに接続します。 他のシステムでは、PCI,PCIe,VXIなどの標準形式でADCインタフェースをコンピュータにインストールする必要があります。

統合データ収録システム

この構成では、メーカーはシグナルコンディショナ,ADコンバータ,データストレージ,データディスプレイ,データ処理などのすべての必須要素を含む単一のハードウェアを提供しています。

DEWESoftの最新のデジタルデータ収録システムは、モジュール式および統合アプローチで提供されます。

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