YHTEISTYÖARTIKKELI Langattomat ratkaisut yleistyvät IoT-ratkaisujen kautta, mutta teollisuudessa ongelmana on rajallinen akkuteho. Avuksi tarvitaan uusia mittauskeinoja, kertoo Keysightin Carlo Canzian artikkelissaan.

Langattomien antureiden avulla saadaan hyvin tietoa ympäristöolosuhteiden tai teollisten laitosten ja koneistojen tarkkailussa. Niiden käyttö lisääntyy lähivuosina räjähdysmäisesti, kun esineiden internet (IoT) ja teollisen internetin ratkaisut yleistyvät. Esineiden internetistä tulee totta vasta kun antureiden paristojen käyttöaikaa voidaan pidentää riittävästi

Langattomien anturien käyttöä rajoittaa kuitenkin niiden kyky toimia kohtuullisen pitkän ajan. Kun langattoman anturin toiminta on täysin pariston varassa, siitä tulee pariston tyhjentyessä täysin turha. Paristokäyttöisten langattomien sensorien suunnitteluun liittyy monenlaisia haasteita, kun laitteelle yritetään saada kohtuullisen pitkä käyttöaika.

Tyypillisesti pitempää käyttöä pyritään hakemaan rajoittamalla kohteen energiankäyttö vain tietyn toiminnon ajalle, jonka jälkeen laite siirtyy lepotilaan. Langattoman anturien käyttö voidaan jaksottaa erilaisiin tiloihin, joista kukin vaatii tietyn virtamäärän tiettynä ajanjaksona. Käytännössä tämä on toteutettu niin, että käyttöjakso määritetään mahdollisimman lyhyeksi ja lepojakso mahdollisimman pitkäksi.

Yleisiä toimintotiloja ovat:

• Laitteen herätys, mittaus ja tiedon muokkaus viestimuotoon.
• RF-vahvistimen käynnistäminen, viestin välittäminen ja RF-vahvistimen sammuttaminen.
• Kaksisuuntaisissa antureissa (lähetys ja vastaanotto): herätys, vastaanottimen käynnistys, tiedon vastaanotto ja käsittely, viestiin reagointi ja sammuttaminen.

Helpoin keino käyttöiän pidentämiselle olisi käyttää isompaa, suurikapasiteettista paristoa. Aina se ei ole mahdollista, koska antureiden halutaan olevan pienikokoisia. Piiritekniikalla niissä voi silti olla melkoisesti suoritustehoa suurien tietomäärien lähettämiseen, älykkäiden toimintojen ja analyysien tekemiseen. Siksi odotukset voivat ovat ristiriidassa helpoimman ratkaisutavan kanssa.

Miten arvioida pariston kestämistä?

Uusien IoT-järjestelmien suunnittelutyössä on aina tehtävä ensin kompromisseja ja löydettävä tasapaino pariston ulkomittojen ja halutun langattoman anturin toiminnallisuuden välillä. Vain näin voidaan saada pienellä paristolla aikaan halutut toiminnot ja paristokin olisi vaihdettava mahdollisimman harvoin.

Uuden anturin optimointiprosessissa on ensin selvitettävä energiantarve. Laitteen toiminnan määritystä varten kerätään tietoa energiankulutuksesta.

Jokaisella paristolla on tietty teoreettinen energiamäärä, joka ilmaistaan wattitunteina (Wh), ja kapasiteetti, joka ilmaistaan ampeeritunteina (Ah).

Kun laitteen virrantarve on tiedossa, sen perusteella voidaan laskea pariston käyttöikä.

Pariston käyttöikä (tuntia) = pariston kapasiteetti (Wh) / keskimääräinen virrankulutus (W)

Pariston energia riippuu myös jännitteestä (V) ja kapasiteetista (Ah). Jännitearvo on pariston purkauskäyrän keskiarvo, joka määritetään empiirisesti pariston energian ja kapasiteetin mukaan. Näin ollen pariston käyttöikä voidaan määrittää myös seuraavalla kaavalla:

Pariston käyttöikä (tuntia) = pariston kapasiteetti (Ah) / keskimääräinen virrankulutus (A)

Todellisessa käytössä pariston käyttöikä on yleensä laskennallista arvoa lyhyempi. Usein puhutaankin pariston huonosta laadusta, mutta tietyn paristotyypin kapasiteetti voi vaihdella 5–10 prosenttia. Suuret paristovalmistajat tarjoavat yksityiskohtaisia teknisiä tietoja paristojen todellisesta käyttöajasta.

Usein varovaisia kapasiteettiarvioita käyttämälläkin pariston käyttöikä jää arvioitua lyhyemmäksi. Laite lakkaa toimimasta ennen aikojaan, joten miksi näin tapahtuu? Onko energiankulutus arvioitu väärin vai onko muitakin mahdollisuuksia. Sitä käsitellään artikkelissa seuraavaksi.

Langattomissa antureissa kuten muissakin paristokäyttöisissä laitteissa energiaa säästetään siten, että laitteen apuvirtapiirit ovat käytössä vain tarvittaessa.

Laite suunnitellaankin olemaan suuren osan ajasta lepotilassa, jolloin virrankulutus on pieni.  Lepotilassa vain reaaliaikakello on käytössä. Laite herää suorittamaan mittauksia tietyin väliajoin. Tämän jälkeen tieto välitetään vastaanottimelle.

Vaihtelevan virrankulutuksen mittausongelmat

Uusien antureiden kanssa perinteisin virranmittausmenetelmä on hyödyntää digitaaliyleismittarin virtamittaritoimintoa. Vaikka nykyaikaisten digitaalimittareiden virranmittaustarkkuus on hyvä, ne eivät sovellu kovin hyvin vaihtelevan virrankulutuksen mittaamiseen. Yleismittarin mittaukset tehdään kiinteillä mittausalueilla ja pysyvillä signaalitasoilla.

Yleismittari voidaan kytketä mittaustilanteessa sarjaan pariston ja laitteen välille. Lukemissa nähdään ajoittain heittoa anturin käyttöjakson ja jopa lähetystilan yhteydessä. Yleismittareissa on useita erilaisia mittausalueita, ja automaattisen mittausaluevalinnan pitäisi osata valita sopivin mittausalue ja antaa näin tarkin mahdollinen tulos.

Digitaaliyleismittari ei ole ihanteellinen ratkaisu uusien älyantureiden kanssa. Automaattinen mittausaluevalinta ja mittaustulosten arviointi kestävät turhankin pitkään. Automaattisen mittausaluevalinnan kesto on usein 10 – 100 ms, joka on pidempi kuin varsinainen lähetys- tai aktiivitilan kesto. Tästä syystä automaattinen mittausaluevalinta joudutaan poistamaan käytöstä ja käyttäjän on valittava sopivin mittausalue manuaalisesti.

Digitaaliyleismittari tekee mittauksen asettamalla piiriin shunttivastuksen ja mittaamalla jännitepudotuksen vastuksen yli. Heikkovirta mitataan yleensä valitsemalla matala mittausalue suuriohmisella vastuksella, ja vastaavasti suurvirtatestaus tehdään valitsemalla korkea mittausalue pieniohmisella vastuksella.

Jännitepudotuksesta käytetään joskus termiä haittajännite. Jännitepudotuksesta johtuen langattoman anturin saama jännite laskee.

Lepotilan virrankulutuksen mittauksessa tarkimmissa matalissa mittausalueissa virtapiikkien aikana voi esiintyä haittajännite, joka voi jopa aiheuttaa laitteen nollauksen.

Käytännössä on tehtävä kompromisseja ja käytettävä korkeaa mittausaluetta, joka pitää laitteen toiminnassa virtapiikkien aikana. Tällöin laite kestää huippuvirran ja lepotilan virrankulutus voidaan mitata, mutta kompromissilla on myös haittansa.

Koska offset-virhe määritetään täydelle mittausalueelle, se vaikuttaa merkittävästi heikkovirtatasojen mittaustuloksiin. Virhevaikutus voi olla 0,005 % virhe mittausalueella 100 mA = 5 µA, mikä vastaa 50 % virhettä 10 µA:lla tai 500 % virhettä 1-µA virtatasolla.

Koska laitteen virrankulutus on suurimman osan ajasta tällä tasolla, virheellä on erittäin suuri vaikutus pariston käyttöikäarvioon. Kun anturin heikkovirrankulutus on mitattu lepotilassa, tämän jälkeen mitataan aktiivi- ja lähetystilojen pulssit. Mittauksissa on huomioitava sekä virrankulutustaso että aika, jonka anturi on kyseisellä tasolla.

Oskilloskoopit soveltuvat erinomaisesti signaalimuutosten mittaamiseen, mutta IoT-antureilla virrankulutus mitataan kymmeninä milliampeereina. Monet tällä hetkellä saatavissa olevat mittapäät soveltuvat tähän huonosti rajallisen herkkyytensä ja signaalin ryöminnän takia.

Hyvissä pihtimittapäissä pohjakohina on 2,5-mA rms, ja nollakompensointi on tehtävä usein. Ne mittaavat sähkökenttää langasta, joten herkkyyden lisäämiseksi langalta on otettava mittaus useita kertoja, jolloin magneettikenttä ja lukema voimistuvat ja mittaus helpottuu.

Tällä menetelmällä saadaan kuitenkin käsitys toiminnon virtapulssista ja siirtoajasta. Myös aktiivi- ja lähetystilassa virrankulutustaso vaihtelee aaltomaisesti. Keskimääräisen virrankulutuksen laskemiseksi aaltomuoto on siirrettävä sovellukseen ja kaikki mittauspisteet integroitava.

Oskilloskoopit mittaavat tehokkaasti myös yksittäisiä purskeita. Mittauksesta tulee kuitenkin monimutkaisempaa silloin, kun halutaan selvittää, montako kertaa anturi aktivoituu tietyn ajanjakson aikana ja kuinka usein se lähettää lähetyspurskeen.

Oskilloskoopit suoriutuvat lyhyen aikavälin mittauksista hyvin, mutta anturin käyttösykli voi olla pituudeltaan minuutteja tai jopa useita tunteja, jolloin tiedon sieppaus ja mittaus voi olla vaikeaa.

LAATIKKO: Käytännön virtamittaukset

Paristokäyttöisten laitteiden tehonkulutukseen mittauksiin liittyviä ongelmia on yritetty ratkaista jo vuosia. Testauksessa on käytetty oskilloskooppeja, digitaaliyleismittareita, virranlähteitä, virtakoettimia ja shunttivastuksia, mutta nämä monimutkaiset laitteistot eivät pysty näyttämään tietoja vaihtelevasta virrankulutuksesta.

Perinteiset mittausratkaisut eivätkä tarjoa IoT-laitteiden pariston virrankulutuksen optimointiin ja tarkistukseen tarvittavaa mittaustarkkuutta. Nyt tarjolle on tuotu erikoisratkaisuja, joiden avulla avulla saadaan paljon tietoa suunnitteluun.

Tässä esitellään IoT-laitteiden virtamittauksia Keysightin uusien SMU-yksiköiden avulla. Paristojen virrankulutusanalyysiin on N6781-mittausyksikkö, jota voidaan käyttää moduulivirtalähde Keysight N6700 tai N6705 -tasasähkötehoanalysaattorin kanssa.

Keysightin paristonkulutusta analysoivilla N6785A SMU -yksiköillä voidaan mitata virtaa nanoampeereista kahdeksaan ampeeriin asti.

Mittausyksikkö tarjoaa virrankulutusanalyysin yhdellä näytöllä, jossa on kaikki tarvittavat tiedot virrankulutuksesta ja energiahävikistä-

SMU-yksiköissä on Keysightin kehittämä ja patentoima saumaton (portaaton) aluevalinta ja pitkän aikavälin tiedonkeruumahdollisuus.

Saumattoman alueenvaihdon avulla mittausaluetta voidaan vaihtaa ja pitää silti antojännite tasaisena.

Uuden saumattoman aluevalinnan avulla virtapiikkejä voidaan mitata niin isoilla virroilla kuin pienilläkin virroilla. Esimerkiksi lepotilan virrankulutusta voidaan mitata 1-mA FS -alueella offset-virhearvolla 100 nanoampeeria.

Pieni offset-virhearvo (100-nA offset-virhearvo vastaa 10 % / 1 µA tai 1 % / 10 µA), joka on moninkertaisesti parempi kuin perinteisellä digitaaliyleismittarilla.

Portaaton mittausaluevalinta mittaa yhdessä kahden digitoijan kanssa jännitettä ja virtaa samanaikaisella näytteenotolla nopeudella 200 kSa/s (5-µs aikaresoluutio).

Digitoidut mittaukset saadaan kerättyä kahden sekunnin ajalta, ja ne voidaan näyttää täydellä aikaresoluutiolla ja suhteessa pidemmän ajan alhaisella resoluutiolla.

Pitkän aikavälin mittauksissa Keysight N6705B modulaarisen tasasähkötehoanalysaattorin sisäinen dataloggeri integroi 200-kSa/s mittaukset käyttäjän määrittämällä integrointijaksolla (20 µs – 60 sekuntia) tallentaen kaikki näytteet myös integrointijaksojen väliltä.

Koska dataloggeri tallentaa tietoa aukottomasti, kaikki näytteet osuvat jollekin integrointijaksolle eikä näytteitä häviä. Dataloggerin avulla suunnittelijat voivat tehdä langattoman anturin virta- ja energiankulutusmittauksia jopa tuhannen tunnin ajanjaksolla.

Lepotilan virrankulutus voidaan mitata helposti kohdistamalla ilmaisimet ja lukemalla näyttöarvot. Kuvassa 4 näkyvä mittaus on otettu kerralla pitkän ajanjakson aikana, jolloin saadaan kokonaiskuva virrankulutuksesta sekä tarkka lepotilan virtalukema (599 nA).

Vieritys- ja zoomaustoiminnoilla virrankulutusta ja aikajaksoja voidaan tarkastella tehotasokohtaisesti. Näin voidaan tunnistaa ja mitata yksityiskohtia, joita perinteiset mittaustyökalut eivät näe. Tästä hyvä esimerkki ovat kuvassa 4 näkyvät ”???”-tunnisteella merkityt jälkipulssit.

Sovelluksesta ilmeni, että laitteen virrankulutuksessa on ~90 µA piikkejä, joiden kesto on 500 ms keskimääräisellä 3,3 µA virralla. Kun tämä lisätään lepotilan virrankulutusarvoon 599 nA, kulutus on yhteensä 730 nA, joka on 22 % odotettua suurempi. Tällainen yllätys voi olla yksi syy sille, miksi arvioitu energiatarve jää alakanttiin ja pariston käyttöikä on odotettua lyhyempi.

Näistä yksityiskohdista on merkittävää hyötyä langattomien antureiden virrankäytön optimoinnissa. Tieto siitä, kuinka paljon energiaa yhden paketin lähettämiseen vaaditaan, helpottaa käyttäjäkokemuksen ja virrankulutuksen yhteensovittamista.

Mittaustulos kertoo myös, kannattaako tieto lähettää yhden, viiden vai kymmenen sekunnin välein.  Suunnittelijat voivat mittaustulosten perusteella arvioida pariston kulutuksen avulla laitteen vaihdon tarpeet ja mittausten tekemiseen ei kulu liikaa aikaa.

Keysightin 14585A hallinta- ja analyysisovelluksella voidaan mitata energiaa myös suoraan jouleina. Se saadaan selville lähettämällä esimerkiksi paketti (ks. kuva 5) ja tallentamalla se liipaistulla mittauksella.

Joulearvot ovat hyödyllistä tietoa pariston käyttöiän arvioinnissa, sillä jokaisella toiminnolla on tietty energiamäärä. Laitteen toimintaa voidaan myös vertailla joulea/lähetetyt bitit -arvolla. Silti käytännössä suunnittelijat käyttävät joulearvoja harvoin, sillä ne on laskettava jännitteen, virran ja ajan perusteella.

Joulearvoista on erityistä hyötyä, jos käytössä on kaksi digitoijaa jännitteen ja virran samanaikaiselle näytteenotolle. Se voidaan toteuttaa pistemäisinä. Joulearvo voidaan lukea helposti ilmaisimien välistä, ja suunnittelutyössä voidaan hyödyntää myös joulea/lähetetty bitti -arvoa.

Artikkelin kirjoittaja on Carlo Canziani. joka toimii mittaus- ja testauslaitteita valmistavan eysightin teknisessä tuessa. Artikkeli on julkaistu nimellä ‘’IoT Wireless Sensors and the Problem of Short Battery Life’’ ja Suomessa Uusiteknologia.fi-lehden toukokuun 1/2016 -numerossa. Koko lehti on luettavissa veloituksetta netin sähköisenä näköislehtenä (ks. alempaa).

LISÄÄ: Keysight (LINKKI) ja video akkukäyttöisten välineiden tehomittaukset (LINKKI, video).

LUE – UUTTA  – LUE – UUTTA – LUE – UUTTA

Uusi ammattilehti huipputekniikan kehittäjille – Lue ilmaiseksi verkossa!

http://issuu.com/uusiteknologia.fi/docs/1_2016?e=19307983/35580639