Misurazione delle temperature ad alta velocità: l'amplificatore QuantumX registra le temperature del motore su un banco prova della Toyota Motorsport

320 km/h (200 mph) ed oltre, rapide accelerazioni e brusche frenate: le corse su lunga distanza come quella di Le Mans costituiscono una vera e propria prova di resistenza per i motori, ove la distribuzione della temperature gioca un ruolo importante.

La Toyota Motorsport GmbH (TMG), azienda leader nelle prove e sviluppo, specializzata nell'alta tecnologia, intende ottimizzare i motori e migliorarne l'efficienza mediante un nuovo banco prova. Fra le altre caratteristiche, il banco prova è equipaggiato con il sistema di acquisizione dati di misura QuantumX della HBM.

Amplificatore QuantumX MX1609 a 16 canali per termocoppie

Nuovo banco prova per motori a combustione

La Toyota Motorsport GmbH, con quartier generale a Colonia (Germania),  ha contribuito alle prove e sviluppo dei motori, telai ed altre parti delle auto da corsa durante le Giornate della Formula 1 dei produttori automobilistici giapponesi. Da quando abbandonò la Formula 1 nel 2009, la Toyota è diventata un centro di sviluppo e prova specializzato in alta tecnologia. Nel 2012 essa è tornata nel mondo dello sport motoristico internazionale con un veicolo ibrido, partecipando al FIA World Endurance Championship (che comprende la 24 ore di Le Mans). L'azienda dispone di numerosi metodi di prova per le differenti parti dei veicoli e perfino di una galleria del vento – utilizzata non solo per i progetti di sviluppo interni, ma anche per quelli di altri fornitori degli sport motoristici e del settore automobilistico.

Per ampliare ulteriormente la propria offerta, all'inizio del 2013 il Reparto Motori decise di realizzare un nuovo banco prova per motori a combustione, indirizzato alla misurazione multi-punto delle temperature. "Questo ci consentirà di simulare la distribuzione della temperatura nel motore. Ad esempio, grazie a questi dati gli ingegneri saranno in grado di ottimizzare il circuito di raffreddamento e di migliorare globalmente l'efficienza del propulsore," spiega Bruno Kanzenbach, Senior Engineer della TMG. "Disponiamo di grande esperienza sui banchi prova, ma per la tecnologia di misura preferiamo affidarci alla competenza di fornitori specializzati."

Sistema Ibrido Toyota

Le misurazioni richiedono un alto numero di canali

Le caratteristiche del sistema di acquisizione dati di misura QuantumX della HBM superavano il breve elenco di requisiti per il banco prova. "Già da molti anni abbiamo familiarità con la HBM, quale specialista di misurazioni della coppia ad alte prestazioni. Quasi tutti i nostri banchi prova sono dotati di torsiometri HBM," nota Kanzenbach, il quale lavora attualmente nel reparto telai e laboratorio di taratura ma che, grazie alla sua ampia esperienza metrologica, ha assunto la responsabilità di selezionare la tecnologia di misura. Egli ha iniziato definendo i requisiti necessari: il sistema deve essere in grado di rilevare i dati di almeno 100 punti di misura, sincronicamente ed in tempo reale, direttamente nel banco prova. La tecnologia di misura deve rilevare con precisione perfino le minime variazioni di temperatura.

"Abbiamo ristretto il nostro processo di selezione a quattro sistemi di amplificatori di misura. Il QuantumX della HBM ci ha convinto nella prova pratica, specialmente per la sua incertezza di misura estremamente bassa", afferma Kanzenbach. Con il proprio concetto di sistema modulare distribuibile, il QuantumX si può adattare in modo flessibile al numero di punti di misura e supporta tutte le comuni tecnologie dei trasduttori. La HBM fornisce otto tipi di moduli MX1609 (amplificatori di misura a 16 canali per termocoppie tipo K) alla TMG. L'accuratezza di misura particolarmente elevata rende possibile il collegamento dei connettori delle termocoppie direttamente allo strumento.

"Con i normali morsetti per cavi sussiste il rischio che le misurazioni vengano falsate dal calore emesso dal motore nell'ambiente. Il problema scompare con la soluzione a connettori," chiarisce Kanzenbach. "Inoltre si risparmia moltissimo tempo durante l'installazione. Il banco prova motori è una struttura complessa perché, in linea di principio, esso simula un veicolo completo, comprendendo l'elettronica, il circuito di raffreddamento e quello di scarico. Risulta perciò molto pratico se oltre 100 punti di misura possono essere collegati all'amplificatore di misura in modo semplice con i connettori, come consentito dal QuantumX. Non occorre alcun cablaggio addizionale che potrebbe essere molto esteso." Infine ciò facilita la rapida conversione del sistema per le prove su propulsori differenti.

Amplificatore QuantumX MX1609 a 16 canali per termocoppie

Acquisizione dati in tempo reale

Nelle applicazioni pratiche, la tecnologia HBM è particolarmente a misura di utente: prima dell'avvio, le termocoppie vengono comodamente tarate col software LabVIEW* tramite un'interfaccia aperta di QuantumX. Indi esse vengono distribuite lungo il blocco motore, le teste dei cilindri, il sistema di scarico ed inserite a diverse profondità nel materiale. Per simulare i differenti tipi di carico che si manifestano durante la guida, il banco prova attraversa i numerosi punti operativi della prova. Il QuantumX registra le  temperature ed inoltra le informazioni al sistema banco prova mediante le uscite in tempo reale scalabili.

Misurazione delle temperature con QuantumX e LabVIEWTM

"Il nostro sistema è integrato in quello di misura del banco prova mediante il QuantumX CANbus Gateway. Abbiamo l'accesso istantaneo a tutti i dati di temperatura, potendo così gestirli immediatamente," spiega Kanzenbach. Si possono registrare e trasferire 300 valori di temperatura al secondo per ogni canale con banda passante di fino a 15 Hz e risoluzione di 24 bit, immuni da interferenze. La taratura termica della catena di misura, basata su solo due punti di misura, consente l'ulteriore significativo miglioramento dell'accuratezza di misura. Ciò garantisce che vengano registrate anche le minime variazioni dinamiche di temperatura.

Poi, nel banco prova, i dati vengono combinati con gli altri T11F torque transducervalori,
quali velocità e coppia. In quest'applicazione viene utilizzato il torsiometro tipo T11F della HBM ottimizzato per l'inerzia, progettato per velocità molto alte (fino a 30000 giri/minuto). I risultati rendono possibile calcolare la distribuzione della  temperatura nel motore con differenti livelli di carico. "Grazie a tali misurazioni di alta precisione delle temperature, gli ingegneri possono addirittura migliorare ulteriormente l'efficienza del motore," conclude Kanzenbach.

* LabVIEW è un marchio commerciale registrato della National Instruments Corporation.

Il Cliente

"Abbiamo ristretto il nostro processo di selezione a quattro sistemi di amplificatori di misura. Il  QuantumX della HBM ci ha convinto nella prova pratica, specialmente per la sua incertezza di misura estremamente bassa."

Bruno Kanzenbach, Senior Engineer della Toyota Motorsport GmbH (TMG)

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