CASMA-Filter für die Drehmomentmessung: Tips & Tricks

Beim Prüfen und Testen etwa von Verbrennungsmotoren weist das Drehmomentsignal ein dynamisches Verhalten auf. Grund ist der Arbeitstakt des Motors mit Verdichtung und Ausdehnung der einzelnen Zylinder, sowie der zugehörigen Schwankungen beim Verbrennungsvorgang. 

Diese Störungen sind systembedingt und können das gewünschte Messsignal erheblich beeinträchtigen.

Das CASMA-Filter eliminiert diese periodischen Störungen, die synchron zur Drehung einer Welle sind. Es führt ein Verfahren des gleitenden Mittelwerts aus. Das Filter arbeitet nicht wie gewöhnlich zeitsynchron. Es arbeitet vielmehr synchron zur Wellenumdrehung. Die Filterwirkung hängt daher nicht von der Rotationsgeschwindigkeit ab.

Hier zeigen wir Ihnen, wie Sie das CASMA-Filter in den HBM-Messverstärkern TIM-PN, TIM-EC und PMX einsetzen können. 

Filter für die Drehmomentmessung

Filter im Zeitbereich

Üblicherweise kommen dafür Filter zum Einsatz, die im Zeitbereich arbeiten. Dazu zählen beispielsweise IIR-Filter wie Bessel-Filter oder Butterworth-Filter.

 

Winkelsynchroner Filter

Es ist zudem möglich, das Messsignal über ein spezielles Moving-Average-Filter zu glätten, auch CASMA-Filter (Crank Angle Synchronous Moving Average) genannt. Dieser Filter arbeitet nicht im Zeitbereich, sondern winkelsynchron. Es mittelt periodisch auftretende dynamische Drehmomentanteile im Signal über einen definierbaren Winkelbereich.

So nutzen Sie den CASMA-Filter in den Produkten TIM-EC und TIM-PN:

Web Interface

Die Produkte TIM-EC und TIM-PN verfügen über einen integrierten Webserver. Hier können Sie auch die notwendigen Einstellungen für den CASMA-Filter vornehmen.

Der Einstiegspunkt zum CASMA-Filter ist im Menü „Einheiten und Filter“ integriert.

 

 

Features des CASMA-Filters

Parametrisierung

Parameter Funktion
Winkel-Divisor Reduziert die Winkelauflösung und ermöglicht so höhere Drehzahlen bei gleicher Fensterbreite
Winkelbereich (Grad) Winkelbereich (Fensterbreite), über den gleitend gemittelt wird
Pseudo-Drehzahl (min-1) Ab der Drehzahl min-1 werden Pseudo-Impulse bzw. eine Pseudo-Drehzahl erzeugt. Andernfalls würde das Filter stehen bleiben und der Messwert einfrieren

 

Informations-Feature

Information  Funktion
Maximale Drehzahl (min-1) Die Winkelimpulse/s müssen kleiner sein als die Abtastrate der Drehmomentmessung. Andernfalls wird der Mittelwert über den gleichen Messwert gebildet
Impulse pro Umdrehung Ergibt sich aus der Anzahl der Inkremente sowie der Auswertung. Bei aktiver Quadratur-Auswertung vervierfacht sich die Winkelauflösung
Winkelauflösung in Grad Berechnet sich aus der Anzahl der Impulse pro Umdrehung und dem Divisor
Anzahl der gemittelten Werte Errechnet die Anzahl der Messwerte, über die der gleitende Mittelwert gebildet wird

So nutzen Sie das CASMA-Filter in PMX

Berechnungskanal erstellen

Erstellen Sie einen neuen Berechnungskanal „Winkelsynchrones Filter“ in der Kategorie Auswertung.



Parameter einstellen

  • Filtereingabe: Geben Sie hier das zu filternde Signal an.
  • Winkel: Geben Sie hier das Signal des Drehwinkelsensors an. Die Messwerte müssen zwischen 0° und 360° liegen.
  • Fensterbreite: Geben Sie hier an, über welchen Bereich die gleitende Mittelwertbildung erfolgen soll. Die Breite muss zwischen 30° und 720° liegen, die Voreinstellung ist 180°. Das Verhältnis zwischen Fensterbreite und Auflösung muss kleiner als 180 sein.

Die Fensterbreite kann ganz einfach experimentell ermittelt werden, indem man  die Periodendauer der Störung auf den Drehwinkel projiziert (siehe Screenshot). In diesem Beispiel ergibt sich eine periodische Störung alle 720°.

  • Minimale Drehzahl: Diese virtuelle Drehzahl kommt zum Einsatz, wenn das anliegende Drehzahlsignal kleiner ist als die definierte Minimaldrehzahl.
  • Auflösung: Dieser Wert legt fest, wie häufig (alle wie viel Grad) ein neuer Mittelwert berechnet wird. Beachten Sie, dass die maximal zulässige Drehzahl von diesem Wert abhängt, da die Berechnungsgeschwindigkeit durch die Gesamtaktualisierungsrate festgelegt ist. Als theoretischer Wert ergibt sich:

Maximale Drehzahl = Auflösung * Gesamtaktualisierungsrate / 6.

Sie sollten jedoch in der Praxis Werte verwenden, die nur 10% bis 20% dieser theoretisch maximal möglichen Drehzahl betragen.

Auflösung

Theoretische max. Drehzahl bei 19.200 Hz Gesamtaktualisierungsrate

Theoretische max. Drehzahl bei 38.400 Hz Gesamtaktualisierungsrate

3200 U/min

6400 U/min

6400 U/min

12.800 U/min

12.800 U/min

25.600 U/min

19.200 U/min

38.400 U/min

25.600 U/min

51.200 U/min

Die folgenden Vielfachen der Drehzahl werden abhängig von der Fensterbreite unterdrückt:

Fensterbreite

Vielfache

90°

4, 8, 12, …

120°

3, 6, 9, …

180°

2, 4, 6, …

360°

1, 2, 3, …

720°

0, 5, 1, 1, 5, …

Hinweis: Falls eines der Quellsignale ungültig ist, wird auch das Ausgangssignal ungültig.

CASMA in Aktion

Ungefiltertes Drehmomentsignal (rot), durch CASMA gefiltertes Drehmoment (grün).
Hierbei ist klar zu sehen, dass das CASMA-Filter eine sehr gute Stabilisierung der Drehmomentmessungen in Korrelation zur Motordrehzahl erreicht, die sich ebenfalls im Zeitverlauf ändert. Je größer die Breite des Filters ist, desto besser sind die Ergebnisse.

Beispiel

In diesem kleinen Beispiel wurden neben dem Drehmoment M [Nm] und dem dazugehörigen CASMA-Filter auch die Leistung P [W], die Drehzahl n [1/s] und die Beschleunigung a [1/s²] durch das PMX ausgewertet. Dazu wurden die Berechnungskanäle aus dem Screenshot unten angelegt. Die Signale werden in catman dargestellt.

 

Berechnungen

Leistung:

Winkelgeschwindigkeit:

Winkelbeschleunigung:

Wichtig: Für alle Berechnungen muss die Drehzahl n von Umdrehungen pro Minute in Umdrehungen pro Sekunde umgerechnet, also durch 60 geteilt werden.

Kanäle

Auf der nächsten Seite finden Sie alle Kanäle grafisch in catman dargestellt. Die Farben in Klammern beziehen sich auf die Farbe der Kurven. Die Signale setzen sich aus den nachfolgenden Kanälen zusammen:

Drehmoment M (rot):

  • Direkt vom Messkanal der PX460


CASMA-Filter (grün):

  •  Bereits ausführlich erläutert


Leistung P (gelb):

  •    Dividierer (Drehzahl n / 60), Drehzahl pro Sekunde
  •    Konstantes Signal (2*pi)
  •    Multiplizierer (M * n [1/s] * 2*pi]


Drehzahl n (orange):

  •    Direkt vom Messkanal der PX460


Winkelbeschleunigung (blau):

  •  Multiplizierer (2*pi * n [1/s]), ergibt die Winkelgeschwindigkeit w
  •   Differenzierer (w)

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