Nouvelles possibilités d’application pour la mesure de couple dans les bancs d'essai avec la solution PMX

Les mesures du couple, de la vitesse de rotation, de l'angle de rotation et des autres grandeurs associées à ces variables jouent un rôle toujours plus grand dans la conception de nouveaux bancs d'essais destinés aux environnements industriels. En plus des exigences toujours plus élevées en termes d’exactitude et de vitesse, les options d’automation et un fonctionnement plus efficace sont aussi les autres critères décisifs pour le choix du système de mesure. Comment faire pour obtenir tout cela ?

Cet article traite les plus importants facteurs de succès :

  1. Quelles sont les exigences demandées pour les bancs d'essais modernes ?
  2. Comment les capteurs de couple doivent-ils être conçus ?
  3. Qu’est-ce qui peut être fait pour augmenter encore plus les performances de la mesure du couple ?
  4. Quelles performances le système d’acquisition et d’automatisation doit-il proposer ? Technologie de mesure et bus de terrain ?
  5. Quel concept de fonctionnement en automation doit être choisi ?
  6. Quels sont les concepts service attendus ?

1. Quelles sont les exigences demandées pour les bancs d'essais modernes ?

Le principal objectif des instances politiques et économiques est de développer, dans une prochaine phase, des normes sur la réduction de consommation des véhicules en taxant moyennement ou fortement les flottes de véhicule. Ceci devrait contribuer à soutenir la sécurité énergétique et à stopper la pollution des émissions carbone et de ce fait devrait entraîner des économies financières tout en participant activement à l'innovation de nouvelles fabrications. En soi, les fabricants et les ingénieurs développant les moteurs et les transmissions doivent relever un énorme challenge pour augmenter la performance des moteurs actuels et futurs en travaillant sur les rendements et la consommation en carburant afin de répondre aux normes. Cela leur permettra de se distinguer de la concurrence mais ils pourront satisfaire aussi leurs clients.

Aujourd'hui, les facteurs essentiels de réussite concernent la possibilité de pouvoir répondre rapidement aux besoins du marché avec des nouveaux produits néanmoins aboutis. Pour cela, les fabricants doivent répondre avec des temps de conception extrêmement courts et employer des méthodes d’essais plus rapides, plus efficaces et beaucoup plus flexibles. Ces exigences demandent une bonne séparation des tâches administratives et en termes de temps une bonne préparation et réalisation des opérations d’essai. Améliorer l’efficacité dans un rapport de 10 peut être atteint ici. L'efficacité énergétique est une question importante dans l’industrie automobile et aéronautique. L’essentiel se porte de plus en plus vers le développement des moteurs, vers une meilleure résistance au roulement et une plus grande efficacité de conversion énergétique.

Tout d’abord, il doit être possible de mettre rapidement en œuvre les processus d'essai. Ces essais peuvent être réalisés à l’aide de capteurs intelligents et de systèmes d’amplificateurs de mesure ou d’acquisition qui puisent communiquer les uns avec les autres et échanger les données de configuration, par exemple en utilisant la fonction de détection automatique des données capteurs nommée TEDS. Les deux conditions préalables et essentielles pour cela sont la qualité des valeurs mesurées et l’exactitude des appareils. Les capteurs de couple HBM des séries T10, T12 et T40 répondent à ces deux conditions préalables en proposant une très grande précision tout en travaillant à des dynamiques élevées et à de grandes vitesses de rotation.

De plus, l'amplificateur et système de contrôle de mesure doivent être capables de prendre en compte des données en temps réel et de pouvoir les traiter ultérieurement afin de régler par la suite le banc. Il est également essentiel de mettre à disposition les données et de les sauvegarder avec une grande résolution pour en faire l'analyse. Pour obtenir un réel gain d’efficacité, toutes ces fonctions doivent être associées dans le même appareil de mesure. Le système d’amplificateurs de mesure PMX® a été développé par HBM en respectant ces exigences. Il peut être utilisé pour des tests sur bancs et sur le terrain et peut également équiper les systèmes de mesure et d'automation dans les lignes de production. Cette polyvalence est possible grâce à la grande flexibilité de ses modules d’entrée et sortie enfichables. Selon le niveau d’automation recherchée, il dispose de plusieurs interfaces et bus de terrain, sorties analogiques ou liaison Ethernet pour des mesures temps réel.

Grâce à la flexibilité du matériel combinée avec les possibilités d'enregistrement haut débit et haute  résolution, les utilisateurs dispose d’une solution technologique qui leur procure encore plus d'efficacité avec un gain allant jusqu’à un facteur de 30.

Gamme des capteurs de couple HBM
PMX - Système de mesure et d'automatisation modulaire de HBM

2. Comment les capteurs de couple doivent-ils être conçus ?

Les capteurs de couple modernes des séries T10, T12 et T40 de HBM doivent délivrer des données numériques à des taux d’échantillonnage élevés et pouvoir répondre à des exigences de fonctionnement également importantes. Les signaux de sortie disponibles représentent non seulement le couple mais aussi la vitesse et l'angle de rotation. Ces grandeurs sont importantes pour pouvoir calculer d’autres grandeurs telles que la puissance et le rendement énergétique du moteur dans le système d’automation downstream du PMX® de HBM. Les signaux de mesure sont convertis en signaux fréquence pour assurer une transmission sans bruit. C'est indispensable dans des conditions environnantes difficiles fréquemment rencontrées dans l’industrie, lorsque l’on teste par exemple de très gros moteurs et des inverseurs avec des champs électromagnétiques importants, qui ne doivent pas compromettre la qualité de la mesure. Les propriétés métrologiques les plus importantes des couplemètres sont les suivantes :

  • Classe d'exactitude
  • Tolérance sur la sensibilité
  • Stabilité en température
  • Erreur de linéarité et hystérésis  

HBM a porté une attention toute particulière sur la qualité des données et la conformité des données fonctionnelles lors du développement de ses capteurs de couple.

Cependant, l'utilisateur devra également prendre en considération les domaines d'application et les limites de charge pour utiliser correctement ces capteurs :

  • Limitations de vitesse de rotation
  • Largeurs de la bande passante permise
  • Efforts latéraux et longitudinaux limites
  • Températures maximales

3. Qu’est-ce qui peut être fait pour augmenter encore plus les performances de la mesure du couple ?

Les signaux de mesure de capteurs de couple sont acquis avec le module de mesure de fréquences PX460 , enfichable dans le système PMX. Ce module dispose d’une exactitude de 0.01% et permet le raccordement jusqu’à quatre couplemètres T10, T12 ou T40. Le mixage des capteurs est également possible. Pour optimiser encore plus les données de mesure, le système d'amplificateurs PMX® comporte une série de voies de calcul internes particulièrement conçues pour fonctionner avec les capteurs de couple. Elles travaillent exactement comme des voies de mesure temps réel à une vitesse de calcul de 50 micro-secondes.

L’accroissement des performances passe par la linéarisation en 21 points de la courbe caractéristique du capteur de couple. Le résultat de cette linéarisation est une nette amélioration du signal brut du couplemètre à l’entrée du PMX®, bien au-delà de l'exactitude spécifiée dans la fiche technique. Le signal de mesure ainsi amélioré peut être ensuite traité, ce qui augmente la qualité de mesure du banc d'essai.

Pour le calibrage, il existe également une autre façon de procéder. Il s’agit d’employer les  fonctions polynomiales. En utilisant le polynome, il est possible d’augmenter d’un facteur de 10 car celui-ci représente de manière encore plus précise la caractéristique du capteur. Le coefficient du polynôme du capteur est déterminé pendant la fabrication du capteur et aussi lors de l’étalonnage du capteur. Comme seuls les polynômes du 3ème degré sont nécessaires ici, le paramétrage ultérieur des voies de mesure du PMX est très simple et évite de faire faire des erreurs.

Pour élever l'exactitude des couplemètres, les équipements d’étalonnage peuvent être utilisés pour acquérir le comportement du capteur sous divers cas de charge. Ils permettent d’une part de charger le capteur à la fois dans le sens horaire et anti-horaire et d’autre part de le charger avec précision sur la plage maximale 100% ou sur une plage partielle. Cette possibilité de charge partielle est nécessaire par exemple lorsqu’on veut mesurer un couple résiduel. Pour cela, différents cas d’application sont mesurés pendant l’étalonnage du capteur et les courbes caractéristiques sont déterminées selon les normes DIN51309 ou VDI/VDE 2646 et indiquées dans le protocole d’étalonnage. Ces caractéristiques peuvent alors être stockées dans le  PMX® et ensuite employées dans un essai selon l'application. Le PMX® reconnaît à partir des paramètres mesurés courants que l'application est présente et puis automatiquement charge les caractéristiques prédéfinies du capteur.

Une autre fonction importante est le traitement parallèle et indépendant des valeurs brutes de mesure, par exemple le filtrage. Celui-ci permet d’adapter les signaux pour le régulation et l'automatisation du banc d'essai. C'est la combinaison des sorties analogiques et/ou des bus de terrain temps réel Ethernet du PMX® qui permet d’obtenir une plus grande efficacité en automation de bancs d'essai.

Pour tester les moteurs à combustion il existe un filtre spécial : En raison du cycle de travail particulier des phases compression et explosion dans les différents cylindres mais aussi des fluctuations correspondantes dans la combustion, le moteur présente un comportement  dynamique, le couple est donc fortement dynamique. Dans de nombreux systèmes de mesure cela se traduit par « bruit » (ou changements rapide). Ce phénomène peut être éliminé en utilisant un filtre CASMA (ce filtre fonctionne par synchronisation d’angle).

Les relevés ci-dessus montrent le résultat obtenu en mettant en fonction ce filtre CASMA. Nous pouvons  voir clairement le filtre CASMA effectue une excellente stabilisation des mesures de couple en corrélation avec la vitesse du moteur, qui change également au cours du temps. Plus la largeur de ce filtre est grande, plus les résultats sont meilleurs.

Les fonctions additionnelles comme la mesure des valeurs crêtes ou valeurs moyennes des signaux de mesure permettent de déterminer et documenter les limites d'essai. Ces limites peuvent être surveillées par des valeurs limites ou des bandes de tolérance en temps réel, permettant ainsi de piloter le banc d'essai.

Si les valeurs brutes de mesure de couple et de vitesse sont disponibles, elles peuvent être utilisées pour calculer et produire d’autres grandeurs en temps réel grâce aux voies de calcul mathématiques intégrées dans le PMX. Des fonctions de synchronisation permettent d’aligner dans le temps les différences entre divers signaux de mesure. Ces différences se produisent dans les cas d’application avec un rendement élevé de charge du côté capteur et pourraient  avoir des effets négatifs sur les résultats de mesure.

Signaux d'essai : Le système PMX offre aux utilisateurs une option très intéressante et pratique qui leur permet de pouvoir simuler des signaux et des états du système et d’examiner les possibilités fonctionnelles avant le démarrage du banc sans devoir le mettre complètement en fonction. Cela peut être fait du côté du capteur en activant la fonction « signal de shunt. » Le capteur de couple émet 50% de son signal nominal et le bon fonctionnement peut déjà être examiné dans un «dry run». Le PMX peut également en interne générer des signaux qui peuvent être utilisés pour simuler statiquement et dynamiquement des séquences d'essai.

4. Quelles caractéristiques de performance le système d’acquisition et d’automation doit-il proposer : Technologie de mesure avec bus de terrain?

L'étendue des signaux de mesure à acquérir est très vaste. Il faut pouvoir mesurer des signaux simples, acquis à basse fréquence (un changement lent de température, par exemple) mais aussi des mesures complexes avec de nombreuses données qui doivent être mesurées simultanément à des fréquences élevées, par exemple lorsqu’on veut mesurer un couple, une vitesse et l’angle de rotation de manière synchrone. Les facteurs décisifs ici concernent bien sûr les capteurs qui doivent être résistants et précis, mais également le système d’acquisition de données doit être robuste et précis. Les deux parties devraient être dans la même classe d'exactitude et devraient être au moins de 0.1% ou mieux encore à 0.01%. Le taux d’échantillonnage des signaux est tout aussi important que l'exactitude de mesure. Il doit être assez élevé de sorte que même des changements partiels très rapides ou infimes puissent être mesurés. De manière à mesurer ensemble les valeurs crêtes, faire des calculs rapides et obtenir une qualité de régulation, toutes les voies de mesure et de calcul doivent être acquises en parallèle à une vitesse d’au moins de 20 kHz, ce qui est équivalent à une mesure et à une grille de calcul de 50 microsecondes. Dans le domaine des mesures de couple, le module enfichable PX460 du PMX tourne à 38.4 kHz pour profiter pleinement de la bande passante des capteurs de couples.

En plus des données process, l'utilisateur a également accès à des informations de diagnostique disponibles dans la configuration standard. En raison de son concept temps réel, le PMX supporte des temps de cycle de bus de terrain  ≤ 10 kHz avec ses interfaces Ethernet temps réel et réduit au minimum également la latence du transfert des messages.

Selon l'application d'automation, les interfaces temps réel Ethernet suivantes sont disponibles  :

  • EtherCAT
  • PROFINET (protocole d'IRT)
  • Ethernet/IP

En plus de produire des signaux de mesure et de commande, ces bus de terrain peuvent également être actionnés en parallèle dans la PMX. PMX fonctionne alors comme « esclave » avec un maître intégré dans le banc d'essai. De cette façon le système peut répondre à la dynamique requise pour mettre en application la simulation des cycles de charge fortement dynamiques.

5. Quel concept d’automation doit être choisi ?

Une distinction de base est à faire entre les systèmes basés sur PC et les systèmes intégrés. Ceci s'applique à la partie acquisition des données, à la partie commande et régulation et également à la visualisation des mesures. Lorsqu’on recherche pour une meilleure régulation du banc l’aspect temps réel il faut privilégier les systèmes intégrés (système déterministe). 

La régulation temps réel pur ne peut pas être obtenue avec les systèmes basés sur PC, puisque les ressources sont réparties uniformément sur tous les composants, les tâches de commande doivent « attendre » dans certains cas avant de pouvoir être exécutées. Les durées de cycle sont de l’ordre de 50 ms voir plus, ce qui est nullement approprié pour une régulation rapide et fiable du banc d'essai.

Les systèmes intégrés démontrent leur grande force dans ces cas-là, car leurs ressources sont entièrement réservées pour les tâches de régulation via un CPU interne. C’est également vrai pour les solutions soft PLC intégrées dans les systèmes de mesure. Le PMX peut être équipé du soft PLC - CODESYS, lui permettant de commander entièrement la séquence d’essai.

Aujourd’hui, les systèmes de visualisation sont de plus en plus demandés avec les nouvelles technologies basées sur le WEB. Il offre l’énorme avantage de ne disposer seulement que d’un navigateur internet récent et d'être disponible sur tous les terminaux modernes. Cela comprend les PCs, les tablettes et également des smartphones. La mobilité de ces dispositifs, et donc leur disponibilité, est appréciée de plus en plus non seulement par les utilisateurs, mais également les personnels de maintenance. Un autre grand avantage est qu'aucun logiciel additionnel ne doit être installé sur le terminal. Il y a toujours un navigateur présent.

Fonctionnement et visualisation via le web

Il est important de faire deux distinctions essentielles concernant le stockage des données pour les bancs d'essai. Si seuls les résultats finaux de l'essai seront acquis ou stockés, cela peut également être fait avec les systèmes intégrés. Les systèmes PC ont un avantage évident si de très grandes quantités de données doivent être acquises ou si ceux sont des données brutes qui doivent être stockées, car ils disposent d’options mémoire de grandes capacités telles que les disques durs.

Dans ce cas, le logiciel DAQ peut enregistrer les données sur un PC en parallèle de l'opération de mesure et de contrôle. La plage de bande passante, du logiciel standard prêt à l’emploi, préparée à l'avance pour ces types de tâches avec des solutions spéciales qui accomplissent très bien ces tâches au moyen de drivers et API (Application Programming Interface).

La documentation des résultats d'essai peut également être faite de diverses façons. Les systèmes PC peuvent facilement sauvegarder les résultats individuellement et au besoin les envoyer vers une impression pdf. Cependant, la tendance persiste vers une documentation orientée sur les bases de données avec les résultats et les données de mesure transférés sur de grandes bases de données où ils sont archivés. Alors des rapports peuvent être générés pour répondre à des demandes, décrivant des états, la capacité d’utilisation ou la qualité des composants.

6. Quelles sont les caractéristiques du concept service?

Les besoins service peuvent être classés selon deux catégories : « Service sur site » ou « Service à distance ». Les systèmes de mesure et de contrôle doivent soutenir activement les personnes en charge des mises en route et de la maintenance « sur site ». Cela signifie qu'il doit être possible d’avoir l’état des valeurs mesurées et celui de l’appareil et d’obtenir l'information désirée directement par l’affichage de LED sur l’appareil lui-même ou bien en employant un menu sur le navigateur web. Les fichiers de consignation rendent le système également facile pour questionner et enregistrer toutes les erreurs ou détails de fonctionnement de l’appareil.

C'est particulièrement utile pour rechercher des erreurs particulières ou des effets sporadiques. Une autre possibilité est de faire de la « Surveillance signaux » également disponible. Ce sont des signaux de tension auxquels des signaux de mesure ou de calcul peuvent être aussi bien reliés ensemble pour effectuer une surveillance. Une mesure simple peut être réalisée sur site par n’importe quel technicien. Les fichiers de consignation sont stockés par sécurité dans l’appareil et peuvent aussi être téléchargés et archivés par l'intermédiaire du navigateur pour être documenter.

Service efficace grâce aux fonctions intégrées de diagnostique et de mémorisation d'erreurs

Conclusion

Les capteurs de couple modernes et puissants comme les T10, T12, T40 de HBM, associés à un système de mesure intégré disposant d’interfaces de communication ouverts comme la plate-forme d'amplification PMX® de HBM, conviennent parfaitement pour mesurer avec une très grande précision et réguler correctement votre banc d’essai.

La tendance générale observée est que les systèmes de mesure conventionnels d'une part et les solutions d'automatisation d’autre part évoluent toujours plus étroitement ensemble. Tout en contrôlant la mesure, ce type de système moderne peut également piloter les machines et faire fonctionner les bancs d'essai modernes et progressistes.

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