Dla Instytutu Inżynierii Rolniczej Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu przygotowaliśmy zmodyfikowaną wersję mobilnego systemu pomiarowego wraz z dedykowanym oprogramowaniem do akwizycji danych. Specyfika badań naukowych instytutu wymusza realizację eksperymentów i pomiarów w terenie (pole, łąka, drogi nieutwardzone). Z tego powodu najważniejsze elementy systemu pomiarowego zostały zainstalowane w wytrzymałej walizce transportowej chroniącej układ i ułatwiającej jego przenoszenie. Gniazda niezbędne do podłączania czujników pomiarowych, komputera nadrzędnego i ewentualnie zewnętrznego źródła zasilania wyprowadzono na górnej ścianie walizki (obudowy).

Mobilny system pomiarowy w trakcie pracy może być zasilany dwojako. Prowadząc badania w terenie, podstawowym źródłem energii elektrycznej jest wbudowany akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy (LiFePO4) o napięciu 12,8 V i pojemności 8 Ah. Akumulator ten umożliwia nieprzerwaną pracę układu pomiarowego przez 8 godzin. Naładowanie akumulatora można sprawdzić na czterosegmentowym wskaźniku poziomu naładowania zainstalowanym na przednim panelu obudowy. Wewnątrz zainstalowano ładowarkę sieciową, dzięki czemu do naładowania akumulatora potrzebne jest jedynie podłączenie przewodu zasilającego 230 V AC. W walizce transportowej do akumulatora podłączono przetwornicę napięcia DC/DC Mean Weel SD-50A-24 o mocy 50 W, przetwarzającą napięcia z zakresu 9,2..18 V na napięcie 24 V DC, potrzebne do zasilania czujników i przetworników pomiarowych. W przypadku rozładowania akumulatora system pomiarowy można także podłączyć do zewnętrznego źródła zasilania 12 V DC (np. zasilacza sieciowego lub zapasowego akumulatora) poprzez gniazdo zasilające zamontowane na obudowie. Podłączenie zewnętrznego zasilania powoduje automatyczne odłączenie zasilania akumulatorowego.

Centralnym elementem mobilnego systemu pomiarowego jest karta akwizycji danych Digilent USB-1808X (ELMARK Automatyka) posiadająca między innymi 8 wejść analogowych i 2 wejścia enkoderowe. Wejścia analogowe obsługują zakresy napięć ±10 V, ±5 V, od 0 do 10 V i od 0 do 5 V i pracują z rozdzielczością 18-bitów oraz częstotliwością próbkowania 200 kS/s na kanał. Wejścia te wykorzystano do równoczesnego podłączenia czujnika tensometrycznego typu „S” +-100kg (Utilcell), trzech siłomierzy +-20 kN, +-100 kN i +-200 kN (Tecsis) i momentomierza +-1000 Nm (Kistler). Dwa wejścia enkoderowe standardu TTL pozwalają z kolei na współpracę z enkoderami kwadraturowymi działającymi z maksymalną częstotliwością do 50 MHz i trybami zliczania X1, X2 i X4. Do wejść enkoderowych podłączono dwa enkodery inkrementalne MOK40-1024-5-BZ-N (WObit) generujące 1024 impulsy na obrót. Kupując kartę pomiarową USB-1808X otrzymujemy także sterowniki do najpopularniejszych języków programowania (między innymi do LabVIEW).

Oprogramowanie do mobilnego systemu pomiarowego pozwala na monitorowanie, wizualizację i zapisywanie wyników uzyskanych w trakcie eksperymentów naukowych. Panel po lewej stronie ekranu służy do wyświetlania wyników pomiarów w formie liczbowej z dokładnością do dwóch miejsc po przecinku (za wyjątkiem enkoderów). Prawą stronę ekranu zajmuje wykres na którym wizualizowane są zmiany wartości monitorowanych parametrów w czasie badań (ostatnie trzydzieści sekund). Wykres posiada dwie oddzielne osie pionowe. Na pierwszej osi opisanej „Enkoder 1, Enkoder 2” prezentowane są wskazania enkoderów w zakresie od -50 000 do 50 000 impulsów. Druga oś jest wyskalowana w zakresie od -100 do 100. Aby zmieścić wskazania ze wszystkich czujników, które mogą być podłączone do mobilnego rejestratora, wyniki pomiarów z czujników przed umieszczeniem na wykresie podlegają przeskalowaniu (F1×1, F2×5, F3×1, F4/2, M/10). Rzeczywiste wyniki pomiarów (bez skalowania) są wyświetlane w formie liczbowej i zapisywane do pliku. Ponad wykresem znajduje się obszar legendy, w którym za pomocą pól wyboru (checkbox) operator może zdecydować, które z monitorowanych parametrów mają być wyświetlane w danym momencie na wykresie. Funkcja ta jest przydatna na przykład wtedy, gdy nie wszystkie czujniki są podłączone do układu pomiarowego.

Program ES-TMSE-01 po uruchomieniu automatycznie nawiązuje komunikację z kartą akwizycji danych USB-1808X. W przypadku błędu komunikacji wyświetlany jest stosowny komunikat. Należy wtedy usunąć przyczynę błędu (np. połączyć komputer z kartą pomiarową za pomocą przewodu USB) i ponownie uruchomić program. Po nawiązaniu komunikacji z kartą akwizycji danych USB−1808X program sygnalizuje poprawne działanie za pomocą ikony wtyczki USB (zmiana koloru z czerwonego na zielony) i okna tekstowego z nazwą karty DAQ „Karta pomiarowa: USB-1808X”. 

Dolną część ekranu zajmuje panel sterujący operatora. Przystępując do eksperymentu w pierwszej kolejności należy za pomocą listy rozwijanej wybrać właściwą częstotliwość próbkowania karty pomiarowej. Dostępne są częstotliwości próbkowania w zakresie od 1 Hz do 10 kHz (1 Hz, 10 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz, 5 kHz, 10 kHz). Domyślnie, po uruchomieniu programu, ustawiana jest częstotliwość pomiarów 500 Hz. Należy podjąć decyzję o tym, czy w trakcie pomiarów wyniki mają być zapisywane do pliku. Po naciśnięciu przycisku „Zapis” pojawi się standardowe okno systemu Windows przeznaczone do wybierania folderu i wprowadzania nazwy nowego pliku. Domyślnie program proponuje zapisywanie wyników w automatycznie tworzonym folderze „Dane” w tej samej lokalizacji na dysku komputera, w której znajduje się plik wykonywalny programu. Proponowana nazwa pliku jest zbudowana z aktualnej daty i godziny naciśnięcia przycisku „Zapis” oraz dopisku „Wyniki”. Operator może oczywiście wprowadzić inną nazwę pliku i wskazać odmienną lokalizację. Jeśli zapisywanie wyników nie zostanie włączone, to wyniki pomiarów będą jedynie wyświetlane na ekranie. Opcja ta może być przydatna na przykład do sprawdzenia poprawności podłączenia czujników i działania systemu pomiarowego. Ze względu na wysokie częstotliwości próbkowania w trakcie eksperymentów, wyniki pomiarów są zapisywane w specjalnym formacie plików z rozszerzeniem .tdms (ang. Technical Data Management System) np. „2025_11_11__11_11_23 Wyniki.tdms”. Wprowadzona nazwa pliku i wybrany folder zostaną wyświetlone w kolejnej części panelu operatora programu.

Plików typu .tdms niestety nie można otworzyć wprost w programie Excel. Z tego powodu w oprogramowaniu został zawarty konwerter plików .tdms do formatu tekstowego .lvm (LabVIEW Measurement File) akceptowanego przez program Excel. Po załączeniu przycisku „do .lvm” po zatrzymaniu eksperymentu plik .tdms jest automatycznie konwertowany do pliku/ów w formacie .lvm. W przypadku dużych ilości zebranych danych (np. przy pomiarach z częstotliwością 10 kHz wyniki z ostatnich 30 sekund zawierają  300 000 rekordów), plik .tdms zostanie automatycznie podzielony na kilka lub kilkanaście mniejszych plików .lvm zawierających po 60 000 rekordów każdy (w celu ułatwienia otwierania takich plików w programie Excel). Jeśli w trakcie eksperymentów oczekiwanie na automatyczną konwersję pliku .tdms po każdej serii pomiarów będzie niewygodne, można przycisk „do .lvm” pozostawić w pozycji wyłączonej i przekonwertować źródłowe pliki .tdms ręcznie, poprzez uruchomienie aplikacji „Konwerter” (przycisk w okolicy prawego górnego narożnika wykresu). Podprogram ten pozwala na wybranie dowolnego pliku .tdms z dysku komputera i przekonwertowanie go na odpowiednią ilość plików .lvm. Pliki .lvm będą zapisywane w tym samym folderze, w którym znajdował się wybrany do konwersji plik .tdms z dodaną w nazwie numeracją (_0, _1, _2 itd.). Pliki .lvm można otwierać bezpośrednio w programie Excel. W każdym pliku zapisana jest data i godzina rozpoczęcia pomiaru, okres próbkowania, wiersz nagłówkowy z symbolami i jednostkami oraz w wierszach kolejne wyniki pomiarów.   

Przedstawiony powyżej, mobilny system pomiarowy będzie wykorzystywany w badaniach naukowych z zakresu inżynierii rolniczej, między innymi do zbieranie danych potrzebnych do oceny właściwości wytrzymałościowych gleby, pomiaru zwięzłości i naprężeń ścinających, sporządzania przestrzennej mapy zagęszczenia gleby, wykonywania charakterystyk trakcyjnych różnych rozmiarów i konstrukcji opon do ciągników rolniczych, analizowania siły uciągu, poślizgu kół i oporów przetaczania.

Zapraszamy do kontaktu!!!