Medición de temperatura a alta velocidad: el amplificador QuantumX mide temperaturas de motores en el banco de pruebas de Toyota Motorsport

A más de 320 km/h, con aceleraciones rápidas y frenadas bruscas: las carreras de larga distancia como Le Mans son una prueba de resistencia para los motores. En este tipo de competición, la distribución de la temperatura es un factor clave.

Toyota Motorsport GmbH (TMG) es una empresa líder en pruebas y desarrollo, especializada en alta tecnología y dedicada a optimizar motores y elevar su rendimiento con la ayuda de un nuevo banco de pruebas. Entre otras características, este banco de pruebas dispone de un sistema de adquisición de datos de  medición QuantumX de HBM.

Amplificador QuantumX MX1609 con 16 canales para termopares

Nuevo banco de pruebas de motores de combustión

Toyota Motorsport GmbH, con sede en Colonia, Alemania, ayudó en el proceso de desarrollo y pruebas de motores, chasis y otros componentes de coches de carreras durante los años que Toyota competió en Fórmula 1. Desde que el fabricante japonés abandonó la Fórmula 1 en 2009, Toyota Motorsport se convirtió en un centro de pruebas y desarrollo especializado en alta tecnología. Pero, en 2012, volvió al mundo del automovilismo de competición internacional con un vehículo híbrido que participó en el Campeonato Mundial de Resistencia de la FIA, del que forman parte las 24 Horas de Le Mans, entre otras carreras. TMG dispone de numerosos métodos de pruebas para diferentes elementos de los vehículos; incluso cuenta con un túnel de viento que, por cierto, no se utiliza solo para desarrollos internos, sino también en proyectos para otros proveedores de los deportes del motor y para el sector automovilístico.

Con el fin de ampliar su oferta de servicios, a principios de 2013 el departamento de motores decidió instalar un nuevo banco de pruebas de motores de combustión, capaz de llevar a cabo mediciones de temperatura en múltiples puntos. "De este modo simularemos la distribución de temperatura en los motores. Con esos datos, los ingenieros podrán, por ejemplo, optimizar el circuito de refrigeración e incrementar la eficiencia general del motor", explica Bruno Kanzenbach, ingeniero senior de TMG. "Sabemos bastante de bancos de pruebas, pero cuando hablamos de tecnología de medición, preferimos confiar en el saber hacer de proveedores especializados".

El sistema híbrido de Toyota

Mediciones que requieren un alto número de canales

Desde el primer momento, el sistema de adquisición de datos de medición QuantumX de HBM se incluyó en la lista de candidatos a equipar el banco de pruebas de TMG. "Conocemos a HBM desde hace muchos años y sabemos que son especialistas en mediciones de par de alto rendimiento. La práctica totalidad de nuestros bancos de pruebas de motores ya utilizan transductores de par de HBM" , apunta Kanzenbach, un experto que trabaja en el departamento de chasis y en el laboratorio de calibración, pero a quien se confió la responsabilidad de seleccionar la tecnología de medición debido a su amplia experiencia en metrología. Lo primero que hizo fue definir los requisitos: el sistema debía ser capaz de suministrar datos de al menos 100 puntos de medición, en tiempo real y forma síncrona, directamente al banco de pruebas. La tecnología de medición, por sí misma, debía ser capaz de detectar con precisión variaciones mínimas de temperatura.

"En nuestro proceso de selección ya habíamos reducido la lista de candidatos a cuatro sistemas amplificadores. Una evaluación práctica nos hizo decidirnos por el QuantumX de HBM, fundamentalmente por su incertidumbre de medida extremadamente baja", relata Kanzenbach. Gracias a su concepto de sistema modular y distribuido, QuantumX puede adaptarse de forma flexible al número de puntos de medición que se requieran. Además, es compatible con todas las tecnologías de transductores comúnmente utilizadas. HBM suministró a TMG ocho módulos tipo MX1609 (amplificador de medición de 16 canales de termopares tipo K). Gracias a su alta exactitud, las tomas de los termopares se conectan directamente a los módulos.

"Cuando se utilizan mordazas para cable hay un cierto riesgo de que la medida se vea distorsionada por el calor que el motor emite al recinto. Ese problema desaparece con esta solución de conexión", explica Kanzenbach. "Y, de paso, nos ahorra mucho tiempo durante la configuración. Un banco de pruebas de motores es una estructura compleja por principio, porque simula un vehículo completo, incluida la electrónica, el circuito de refrigeración y el escape. Por eso nos resulta muy práctico que los más de 100 puntos de medida se puedan conectar al amplificador de medición directamente con un conector, tal y como permite QuantumX. Con ello se elimina la necesidad de utilizar cableado adicional, que puede ser considerable". Igualmente, resulta más sencillo convertir el sistema con rapidez para hacer pruebas en diferentes motores.

Amplificador QuantumX MX1609 con 16 canales para termopares

Adquisición de datos en tiempo real

La tecnología de HBM resulta especialmente fácil de utilizar en aplicaciones prácticas. Antes de poner los termopares en servicio, se calibran con ayuda del software LabVIEW* a través de una interfaz abierta de QuantumX. Seguidamente, estos transductores de temperatura se distribuyen por todo el bloque motor, la culata y el sistema de escape, colocándose a distintas profundidades de los materiales. Durante el ensayo, el banco de pruebas trabaja en distintos puntos de operación, con el fin de simular los diferentes tipos de cargas que se producen durante la conducción. QuantumX registra las temperaturas y transmite la información al sistema del banco de pruebas por medio de salidas escalables, en tiempo real.

Medición de temperatura con QuantumX y LabVIEWTM

"Nuestro sistema se integra con el sistema de medición del banco de pruebas a través del gateway CANbus para QuantumX. Disponemos de acceso instantáneo a todos los datos de temperatura y podemos trabajar esos datos", comenta Kanzenbach. Se pueden registrar 300 valores de temperatura por segundo y transferirlos con un ancho de banda de hasta 15 Hz y resolución de 24 bits para cada canal, de forma totalmente inmune a las interferencias. La calibración térmica de la cadena de medida —basada en dos puntos de medición— aporta una significativa mejora a la precisión de medida. De este modo, resulta posible registrar incluso cambios dinámicos de temperatura muy pequeños.

T11F torque transducerDespués, los datos se combinan en el banco de pruebas con otros valores del motor, como pueden ser los de velocidad y par. Para esta aplicación se utiliza el transductor de par T11F de HBM, optimizado para mediciones de inercia y diseñado para velocidades extremadamente altas (hasta 30.000 rpm). Los resultados permiten calcular la distribución de temperatura en el motor a distintos niveles de carga. "Estas medidas de temperatura de alta precisión ayudan a los ingenieros a refinar aún más la eficiencia de los motores", concluye Kanzenbach.

* LabVIEW es una marca registrada de National Instruments Corporation.

El cliente

"En nuestro proceso de selección ya habíamos reducido la lista de candidatos a cuatro sistemas amplificadores. Una evaluación práctica nos hizo decidirnos por el QuantumX de HBM, fundamentalmente por su inceridumbre de medida extremadamente baja".

Bruno Kanzenbach, ingeniero senior de Toyota Motorsport GmbH (TMG)

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