Immer im Takt: Die optimale Abtastrate für Ihre Datenerfassung

In diesem Artikel gehen wir der Frage nach, warum die Abtastrate für die Datenerfassung von grundlegender Bedeutung ist. Wir erörtern, in welchen Fällen eine hohe oder aber eine niedrige Abtastrate sinnvoll ist, und befassen uns mit modernsten technologischen Lösungen wie der Envelope-Funktion oder der Dual-Sampling-Funktion, die die Vorteile beider Ansätze vereinen: Abtastung mit hoher Geschwindigkeit und effiziente Langzeitdatenaufzeichnung. Wir geben Ihnen in diesem Artikel alle erforderlichen Informationen an die Hand, damit Sie die richtige Wahl für Ihre Datenerfassung treffen können.

Was versteht man unter der Abtastrate?

Die Abtastrate gibt an, wie oft ein analoges Signal pro Sekunde gemessen und in ein digitales Signal umgewandelt wird. Sie bestimmt die Auflösung und Genauigkeit des erfassten Signals. Eine höhere Abtastrate liefert mehr Details, erfordert jedoch auch mehr Speicherplatz und eine höhere Rechenleistung. Eine niedrigere Abtastrate hingegen spart Ressourcen, birgt jedoch auch das Risiko, dass wichtige Daten verloren gehen.

Das Nyquist-Theorem: eine elementare Orientierungshilfe

Die Abtastrate muss mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Frequenz des zu messenden Signals, um eine exakte Signalrekonstruktion zu gewährleisten. Dieser als Nyquist-Theorem bekannte Grundsatz stellt sicher, dass ein Signal ohne Detailverluste erfasst wird. Liegt die Abtastrate unterhalb dieses Schwellenwerts (in diesem Fall spricht man von Undersampling bzw. Unterabtastung), können Aliasing-Effekte auftreten. Bei diesem Phänomen werden hochfrequente Komponenten fälschlicherweise als niedrigere Frequenzen dargestellt, was zu verzerrten und unzuverlässigen Daten führt. 

Die Wahl der Abtastrate hängt wesentlich von der jeweiligen Anwendung ab. Bei Prozessen mit hohen Geschwindigkeiten sind hohe Abtastraten unerlässlich dafür, schnelle Änderungen und Transienten wie plötzliche Spitzen in elektrischen Signalen zu erfassen. Bei Anwendungen, die eine Langzeitüberwachung erfordern, sind hingegen niedrigere Abtastraten die bessere Wahl, da sie die Aufzeichnung gradueller Veränderungen über längere Zeiträume ermöglichen, beispielsweise die Messung von Temperaturänderungen über mehrere Tage oder Monate hinweg. Die Wahl der richtigen Abtastrate stellt sicher, dass Ihr Datenerfassungssystem die spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung erfüllt und dabei Präzision und Effizienz miteinander in Einklang bringt.

Bild 1 – Nyquist-Theorem – ursprüngliches Signal vs. rekonstruiertes Signal

Hohe oder niedrige Abtastrate: Abwägung der Vor- und Nachteile

Eine hohe Abtastrate hat insbesondere für Anwendungen, bei denen schnelle Signaländerungen erfasst werden müssen, deutliche Vorteile. Sie ist unverzichtbar für die Erkennung von Anomalien oder Transienten und liefert detaillierte Daten über hochfrequente Komponenten. Die Kehrseite der Medaille ist jedoch, dass große Datenmengen erzeugt werden, die viel Speicherplatz und Rechenleistung erfordern. Außerdem kann eine hohe Abtastrate bei Signalen, die sich nur langsam ändern, unverhältnismäßig sein und eine ineffiziente Nutzung der Ressourcen mit sich bringen. 

Eine niedrige Abtastrate wiederum ist die richtige Wahl für Anwendungen, die sich auf eine Langzeitüberwachung von Daten konzentrieren, bei der hochfrequente Details weniger wichtig sind. Sie spart Speicherplatz und Rechenleistung und ist damit die ideale Lösung für die Aufzeichnung gradueller Trends über längere Zeiträume. Der Nachteil einer niedrigen Abtastrate ist jedoch, dass schnelle Transienten und plötzliche Veränderungen unter Umständen nicht erfasst werden. In Szenarien, in denen diese Ereignisse von Bedeutung sind, kann dies zu unvollständigen oder ungenauen Analysen führen. 

Bei der Auswahl der richtigen Abtastrate müssen diese Vor- und Nachteile gut gegeneinander abgewogen werden, damit die Leistung des Systems den spezifischen Anforderungen Ihrer Anwendung in Einklang gelangt.

Das Beste aus zwei Welten: Envelope- und Dual-Sampling-Funktion

Die Envelope-Funktion bietet eine effektive Lösung dafür, eine Abtastung bei hoher Geschwindigkeit mit einer effizienten Nutzung von Speicherplatz in Einklang zu bringen. Die Envelope-Funktion ist für nahezu alle HIOKI-Speicherrekorder verfügbar. Mit diesem Ansatz können Nutzer kritische Details erfassen, ohne ihre Ressourcen zu überlasten. Im Envelope-Modus tastet das Gerät mit hoher Geschwindigkeit ab, zeichnet jedoch nur die Spitzenwerte, d. h. sowohl Minimal- als auch Maximalwerte, in einer langsameren, benutzerdefinierten Geschwindigkeit auf. Diese Methode stellt sicher, dass Ihnen Transienten und kritische Änderungen nicht entgehen, während jedoch gleichzeitig Speicherplatz eingespart wird. Da die Envelope-Funktion zudem das Datenvolumen insgesamt reduziert, vereinfacht sie die Datenanalyse und spart darüber hinaus wertvolle Zeit. Die Envelope-Funktion ermöglicht eine Langzeitüberwachung der Daten, ohne dass wesentliche Details verloren gehen. 

Zusätzlich zur Envelope-Funktion bietet der Speicherrekorder MR6000 die innovative Dual-Sampling-Funktion. Diese eignet sich hervorragend für Anwendungen, die sowohl eine detailreiche Abtastung bei hoher Geschwindigkeit als auch eine Langzeitüberwachung von Trenddaten erfordern. Bei Einsatz der Dual-Sampling-Funktion werden Daten gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten aufgezeichnet. Beim High-Speed-Sampling werden Transienten und andere ungewöhnliche Phänomene bis ins kleinste Detail erfasst, während beim Low-Speed-Sampling Trenddaten kontinuierlich über einen längeren Zeitraum überwacht werden. Mithilfe von nutzerdefinierten Triggern konzentriert sich das Gerät beim High-Speed-Sampling selektiv auf bestimmte relevante Zeiträume und stellt so eine effiziente Nutzung des Speicherplatzes bei gleichzeitig detailreicher Datenerfassung sicher. Die Dual-Sampling-Funktion vereint die detaillierte Ereignisanalyse mit einer unterbrechungsfreien Datenüberwachung. Nutzer haben somit die Gewissheit, dass alle wichtigen Daten zuverlässig aufgezeichnet werden. Die Abtastraten, Trigger und Speichereinstellungen der Dual-Sampling-Funktion können je nach Anwendung individuell angepasst werden.

Bild 2 – MR6000 mit Dual-Sampling-Funktion

Mit der Envelope- und Dual-Sampling-Funktion bietet HIOKI zwei hochmoderne Tools, mit denen Datenerfassungssysteme sowohl effizient als auch lückenlos arbeiten und sich nahtlos an die individuellen Anforderungen jeder Anwendung anpassen lassen.

Die wichtigsten Erkenntnisse zur Auswahl der richtigen Abtastrate

• Verwenden Sie eine hohe Abtastrate zur Erkennung von Transienten
• Verwenden Sie eine niedrige Abtastrate zur ressourcenschonenden Langzeitüberwachung von Daten
• Berücksichtigen Sie das Nyquist-Theorem zur Vermeidung von Aliasing-Effekten
• Ziehen Sie weitere, effizientere Abtastverfahren in Erwägung, wie z. B. die Envelope-Funktion oder die Dual-Sampling-Funktion

Fazit

Die Abtastrate ist weit mehr als nur eine Einstellung. Sie ist ein entscheidender Parameter für die Qualität und Nutzbarkeit Ihrer Daten. Wenn Sie die Vor- und Nachteile hoher und niedriger Abtastraten kennen und moderne Verfahren wie die Envelope-Funktion und die Dual-Sampling-Funktion nutzen, können Sie sicherstellen, dass Ihre Messungen präzise und effizient sind und den Anforderungen Ihrer Anwendung entsprechen. 

Ganz gleich, ob Sie Transienten in Bauteilen von Elektrofahrzeugen analysieren oder Langzeittrends in Industrieanlagen überwachen: Die innovativen Lösungen von HIOKI unterstützen Sie bei der Erfassung der relevanten Daten. Mit dem richtigen Ansatz können Sie in Ihrer Datenerfassung ein neues Maß an Effizienz erzielen und wichtige Erkenntnisse gewinnen.