测试台扭矩测量应用扩展的可能性– 采用 PMX

扭矩,转速,转角 这些机械量在现代化测试台 中发挥越来越大的作用。除了对于 精度和速度更高的需求 外, 还有 自动化和高效运行 的要求,如何满足用户的要求呢?

这篇文章讨论了最重要的一些 成功要素:

  1. 现代测试台的需求
  2. 如何选择扭矩传感器
  3. 如何进一步提高扭矩测量的性能?
  4. 数据采集系统和自动化系统必备的特性
  5. 应该选择哪种自动化概念?
  6. 特色服务

1. 现代化测试台的需要

今天成功的必要因素包括对市场的快速反应,推出成熟的新产品。产品的开发和测试时间需要大大缩短。通过现代化的测量设备和方法,效率能提高10倍。在汽车和航空工业,能源效率始终是个重要的议题,焦点逐渐转移到发动机开发,滚动阻力和能量转换效率。

带有扭矩测量和控制功能的现代化测试台

首先, 测试设备必须要能够快速执行测试。这可以采用智能传感器和放大器来完成,通过两者之间通讯并交换配置数据来完成。例如采用 TEDS 传感器,能够保证测量数据的高精度和高可靠性。HBM 扭矩传感器T12T40 系列产品都能够满足以上要求 – 对扭矩和转速进行高精度测量。

HBM 扭矩传感器

另外,测量放大器和控制系统必须能够进一步实时处理测量数据,以便测试台进行调整。此外,还需要高分辨率对测量数据进行分析并保存。为提高效率,所有这些功能都需要在一个设备中完成。 HBM 开发的 PMX 测量放大器系统就是根据这些需求开发的。其不仅用于 测试与验证,还可以用于生产部门的 测量和自动化系统。这可以通过配置输出通道来实现,包括模拟,或基于 Ethernet 的总线接口。

通过高采样率,高精度,高速数据记录并实时处理,效率增益可高达 30倍

HBM PMX 模块化放大器

2.如何选择扭矩传感器?

现代扭矩传感器,例如 HBM T12 和 T40 系列,都必须 对测量数据进行数字化,并有极高的采样率,只有这样才能满足功能性测试的高要求。不仅输出扭矩信号,还包括 转速和转角 信号。通过 PMX 可以通过这些物理量计算功率和能源转换率。

测量信号需要转换为 频率信号 以确保对噪声免疫,这在恶劣的环境下会经常遇到,例如大型的发动机或变频器会产生影响测量结果的电磁干扰。扭矩传感器最重要的 计量属性 包括:

  • 精度等级
  • 灵敏度误差
  • 温度稳定性
  • 线性和滞后误差

但是,用户还需要关注 应用领域和负载限制:

  • 转速限制
  • 可允许震荡带宽
  • 侧向力和纵向力限制
  • 最高温度

3. 如何进一步提高扭矩测量的性能?

扭矩传感器的测量信号可以通过 PMX 频率测量模块 PX460 采集。其精度高达 0.01%,并且可以同时连接 4个 T12 或 T40 扭矩传感器,并且可以混合操作。为进一步优化测试数据, PMX 测量放大器包括扭矩传感器操作和使用的完整内部计算通道,计算速率高达 50 微妙,可以用于实时计算。

  • 这包括 扭矩传感器特性曲线的 21点线性化。 这意味着通过 PMX® 可以改进原始信号质量 – 超出技术参数表中的精度。这些测量信号能够进行进一步处理,并提高测试台的测量质量。
  • 另外一个重要的功能是并联,对原始测量数据独立处理,例如 滤波。 这有利于信号处理以适合用于测试台自动化。通过模拟信号 和/或 PMX 实时以太网总线,能够实现高效的测试台自动化。
  • 用于内燃机测试的特殊滤波: 由于气缸的压缩和膨胀和燃烧对应的波动, 内燃机产生的扭矩展现出非常高的动态性。在很多的测量系统中,显示为 "噪声" (或快速变化)。这可以通过 CASMA 滤波器消除。下图显示的为采用CASMA 滤波的结果。可以看出 CASMA 滤波具有极高的稳定性,此过滤的宽度越大,效果越好。
  • 附加的功能包括测量 峰值和均值,并记录测试极限。这些控制值反过来可以用于实时监控 限位值 或容差带,从而控制测试台。
  • 如果扭矩和转速的原始值可以获得,就可以采用数学计算通道实时计算并输出。可连接的时间元件可被用于校正测量信号的附加运行时间的差异。这些差异会对测量结果产生负面影响。
  • 测试信号: PMX 还提供给用户很多方便的选项,模拟信号和系统状态进行功能性测试,而测试台无需真正启动。通过激活扭矩传感器“分流信号”,扭矩传感器发射 50% 的额定信号,即可进行“空运行”测试。PMX 还带有内部信号发生器,其可以用于模拟静态或动态测试序列。

4. 数据采集系统和自动化系统必备的特性

测量系统信号范围必须广泛,并且运行 单一信号, 可以采集低频信号(例如,缓慢变化的温度值),也可以采集 复杂的测量数据(在高测量频率下同步采集),例如扭矩信号以及转速和转角信号需要同步采集。

决定性的因素不仅包括结实,高精度传感器,同时还需要 高精度,高可靠的测量采集。这两者应该有 同样精度等级,并且至少要达到 0.1%。采样率 和精度等级同样重要。采样率必须足够高以便能获取微小的变化。能够采集峰值,测量和计算通道必须能平行处理,速率至少应该达到 20 kHz, 这相当于 测量和计算网络达到 50 微妙 。在扭矩测量方面,PMX 的 PX460 板卡采样率高达 38.4 kHz,能够全面利用扭矩传感器信号带宽。

除了处理数据,用户必须能够实时访问 诊断信息。通过 实时以太网接口,PMX 支持总线周期时间 ≤ 10 kHz,能够最大限度地减少消息传输的等待时间。

依据不同的自动化应用,可获得以下实时以太网接口:

  • EtherCAT
  • PROFINET (IRT protocol)
  • Ethernet/IP

除了产生测量和控制信号,这些场总线还可以在 PMX 中并行运行。PMX 可以作为 “从机” 使用。

5. 应该选择哪种自动化概念?

基本的区别包括基于PC 的系统和嵌入式系统。这包括 测量数据采集,控制/ 调整 以及 可视化。如果高实时性非常重要,应该使用嵌入式系统。虽然所涉及的数据量非常小。

自动化概念的实时数据采集; PMX 负责测量,调整和自动化

实时调整 无法在基于PC 的系统上完成。因为资源在所有部件上使均一分配的,在某些情况下,控制任务需要等待。周期时间有时需要 50 ms 或更多,这无法满足测试台快速,可靠调整的要求。

嵌入系统则完全不同,通过在内部 CPU 中专门为调节任务分配了资源,这哈在测量系统中内置软 PLC 解决方案相同。PMX 可以通过内置 CODESYS 软 PLC 实现这种功能,控制完整的测试序列。

可视化系统 越来越多地使用新的,基于网络的技术。只使用现代 oweb 浏览器有着无可比拟的优势,因为其可以用于所有现代终端设备,包括电脑,平板电脑和智能手机。这些设备的移动性,不仅对于用户,包括维护人员来说,都非常方便。另外一个优势是无需安装其他额外的软件。

通过 Web 浏览器进行操作和可视化

两者的另外的区别来自 数据存储。如果只是最终的结果被记录,这可以采用嵌入式系统。PC 系统在大容量数据存储是具有明显的优势。

在这种情况下,在测量和控制操作同时,数据采集软件可以在 PC 上并行记录。 对于特殊应用来说,可以通过软件的驱动或 APIs (应用编程接口) 来实现。

测试结果的文档化 可以以多种形式实现。PC 系统可以存储并实现打印功能。目前的趋势在将结果传输到大型数据库中,以便查询。

6. 特色服务

通过集成的诊断功能提高服务效率

服务需求可以分为 "现场服务" 或 "远程服务"。在现场启动和维护过程中,测量和控制系统需要提供支持,能够 查询设备和测量值状态,从设备的 LED 显示或 web 浏览器中获取所需的相关信息。日志文件需要 记录所有错误信号和设备运行的细节。 这对于搜索的零星的错误或影响是非常有帮助的,另外还可以用作 "监控信号"。在现场,测量可以由任何的服务工程师执行,设备的故障信息都存储在日志文件中,并可通过浏览器进行下载或归档。

结论

强大的现代 扭矩传感器 例如 T12 和 T40, 结合带有开放通讯接口的嵌入式系统,例如PMX 放大器系统 , 非常适合用于 高质量的测量和自动化系统

目前的趋势是 传统的测量技术系统自动化解决方案 以及控制测量序列紧密地结合在一起。这种类型的现代化系统可以用于 系统控制 和实施现代, 前瞻性的测试台

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