Novas possibilidades de aplicação para medições de torque inovadoras em bancadas de testes com PMX

A medição de torque, velocidade e ângulo de rotação e as grandezas provenientes destas variáveis estão assumindo um papel cada vez maior na concepção de novas bancadas de ensaio para utilização em ambientes industriais. Além dos requisitos mais elevados de precisão e velocidade, determinar critérios para a seleção são opções para uma operação automatizada e eficiente. Como tudo isso pode ser conseguido?

Este artigo considera os fatores de sucesso mais importantes:

  1. Quais requisitos são mais importantes em bancadas inovadoras de ensaios?
  2. Como os sensores de torque deveriam ser projetados?
  3. O que pode ser feito para melhorar ainda mais o desempenho de medições de torque?
  4. Quais características de desempenho deveriam ter nos sistemas de aquisição de dados e de automação?
  5. Quais conceitos de uma tarefa de automação deveriam ser selecionados? Tecnologia de medição baseada em fieldbus?
  6. Quais são as características do conceito de serviço?

1. Quais requisitos são mais importantes em bancadas inovadoras de ensaios?

O alvo principal da política e da economia é desenvolver padrões para a próxima geração de veículos mais eficientes em termos de combustível, especialmente direcionado para frotas de veículos médios e pesados. Isso vai ajudar a reforçar a segurança energética e reduzir a poluição de carbono, assim poupando dinheiro e apoiando a inovação na fabricação. Como tal, os fabricantes de motores e engenheiros de embreagem têm um desafio: melhorar o desempenho dos motores atuais e futuros com eficiência de combustível de modo a serem compatíveis com os padrões, bem como satisfazer as expectativas dos clientes e superar seus concorrentes.

Os fatores de sucesso essenciais de hoje incluem resposta ultra-rápida às necessidades do mercado por novos produtos. Os fabricantes devem responder a isso com tempos mais curtos de desenvolvimento e métodos de ensaio que sejam simultaneamente eficientes e flexíveis. Este, por sua vez, requer a separação organizacional e em termos de tempo na preparação e realização de tarefas de teste. O atingimento de uma eficiência de 100% pode ser conseguida aqui. A eficiência energética é uma questão importante para as indústrias automotiva e de aviação. O foco está mudando cada vez mais para o desenvolvimento de motores, resistência dos rolamentos e eficiência na conversão de energia.

Em primeiro lugar, deve ser possível implementar estruturas de teste rapidamente. Isto pode ser conseguido com sensores inteligentes e sistemas de medição que se comunicam uns com os outros e trocam dados de configuração, como por exemplo, usando TEDS. Pré-condições essenciais para isso são a alta qualidade e a precisão dos valores medidos. Os sensores de torque da HBM de série T10T12 e T40 atendem a estas duas condições prévias: alta precisão combinada com elevada dinâmica e velocidade de rotação.

Além disso, o amplificador de medição e o sistema de controle devem ser capazes de processar dados de medição em tempo real, de modo que a bancada de ensaio possa então ser regulada. É também essencial conseguir os dados de medição disponíveis em alta resolução para análise e gravação. Para conseguir ganhos reais de eficiência, todas estas funções devem ser combinadas em um único dispositivo. O sistema amplificador de medição PMX® foi desenvolvido pela HBM com base nestes requisitos. Ele permite a utilização em ensaios e campos de prova e também pode ser utilizado como um sistema de medição e automação na área de produção. Isto é possível pela flexibilidade de conexão com os canais de medição e de saída. Dependendo do grau de automação, interfaces analógicas ou de fieldbus com base em Ethernet, podem ser utilizados em tempo real.

É exatamente essa flexibilidade de hardware, combinada com a possibilidade de gravação de dados na maior taxa de dados e resolução que proporciona aos usuários 30 vezes mais eficiência.

Sensores de torque da HBM
Amplificador modular de medição PMX e sistema de automação da HBM

2. Como os sensores de torque deveriam ser projetados?

Os modernos sensores de torque das séries T10, T12 e T40 da HBM trabalham com dados digitais e em altas taxas de amostragem para serem capazes de satisfazer às elevadas exigências das provas da função. Sinais de saída disponíveis incluem não só os de torque, mas também de velocidade e ângulo de rotação. Estas grandezas são importantes para serem capazes de calcular as quantidades delas derivadas, como a potência e conversão de energia no sistema de automação PMX® da HBM. Os sinais de medição são convertidos em sinais de frequência para garantir a transmissão sem ruído. Isso é indispensável para as condições ambientais adversas freqüentemente encontradas, assim como em motores grandes ou em inversores de frequência para que campos eletromagnéticos não prejudiquem a qualidade da medição. As propriedades metrológicas mais importantes de sensores de torque incluem:

  • Classe de precisão;
  • Tolerância da sensibilidade;
  • Estabilidade de temperatura;
  • Desvio da linearidade e histerese.

Uma ênfase especial foi dada na qualidade e na conformidade dos dados de operação no desenvolvimento dos sensores de torque da HBM.

No entanto, o usuário também deve observar as áreas de aplicação e os limites de carga:

  • Limites da velocidade de rotação;
  • Largura de banda admissível;
  • Limite de forças laterais e axiais;
  • Temperaturas máximas.

3. O que pode ser feito para melhorar ainda mais o desempenho de medições de torque?

Sinais de medição dos sensores de torque são adquiridos com o módulo plug-in PX460 do PMX® para medições de freqüência. Ele funciona com uma precisão de 0,01% e podem ser operados até quatro sensores de torque de série T10, T12 ou T40. Uma operação mista também é possível. Para otimizar ainda mais os dados de medição, o sistema amplificador de medição PMX® inclui uma série de canais internos de computação especialmente concebidos para funcionamento e utilização de sensores de torque. Funcionam exatamente como canais de medição em tempo real a uma taxa de cálculo de 50 microssegundos.

Isso inclui, por exemplo, uma linearização de 21 pontos da curva característica do sensor para o sensor de torque. O resultado é uma melhoria do sinal bruto do sensor no PMX®, além da precisão especificada na folha de dados. O sinal de medição melhorado pode então ser utilizado, o que aumenta a qualidade medida da bancada de ensaio.

Outras formas de escala é a utilização de polinómios. Com a utilização da escala polinomial, um aumento de 100% pode ser conseguido. Os coeficientes do polinômio do sensor são determinados já na produção e a conseqüente calibração dos sensores. Apenas polinômios de 3ª ordem são necessários aqui: a parametrização posterior dos canais de medição do PMX® é muito simples e evita entradas incorretas.

Para aumentar a precisão dos sensores de torque, equipamentos de calibração podem ser usados para capturar o comportamento do sensor sob vários tipos de carregamento. Estes carregamentos incluem,  por um lado, a rotação dinâmica sentido horário e anti-horário e, por outro, torques próximos de 100% do range nominal do sensor. Isto é necessário, por exemplo, para capturar o torque de ruptura residual. Para este efeito, estas diferentes aplicações são medidas durante a calibração do sensor e determina as curvas características correspondentes de acordo com a DIN51309 ou VDI / VDE 2646, mantido no protocolo de calibração. Estas características podem, então, serem armazenadas no PMX® e, em seguida, utilizadas para ensaio, dependendo da aplicação. O PMX® reconhece, a partir dos parâmetros de medição atuais, qual aplicativo está presente e, em seguida, compartilha automaticamente as características de sensores pré-definidos.

Outra função importante é o processamento paralelo dos valores de medição, independentemente dos valores brutos, como por exemplo, na filtragem. Isso torna possível adaptar os sinais de regulação e automação das bancadas de ensaios. É esta combinação de saídas analógicas e/ou fieldbuses Ethernet PMX® em tempo real que torna possível implementar a eficiente automação da bancada de ensaio.

Filtro especial para ensaio de motores de combustão: devido ao ciclo de trabalho com compressão e expansão nos cilindros individuais e as flutuações correspondentes em combustão, o torque gerado por um motor exibe um comportamento altamente dinâmico. Em muitos sistemas de medição, ele aparece como "ruído" (ou variações bruscas). Isto pode ser eliminado pela utilização de um filtro CASMA (um filtro que funciona com sincronização de fase).

O diagrama acima mostra o resultado da implementação deste filtro. Pode ser claramente percebido que o filtro CASMA alcança uma excelente estabilização das medições de torque em relação à velocidade do motor, o que também se altera ao longo do tempo. Quanto maior for a largura deste filtro, melhor o resultado.

Outras funções incluem os valores determinantes de pico ou valores médios de sinais de medição para determinar e documentar os limites do teste. Estes valores de controle podem ser monitorados, por sua vez, com valores limites ou faixas de tolerância em tempo real, tornando possível controlar a bancada de ensaio.

Se os valores brutos de medição de torque com torque e velocidade estão disponíveis, podem ser utilizados para calcular e dar saída à aplicação de torque em tempo real, utilizando canais de computação matemática. Elementos de temporização conectáveis podem ser utilizados para corrigir diferenças adicionais de tempo de execução nos sinais de medição. Estas diferenças ocorrem em casos de carga de alta performance do lado do sensor e podem ter efeitos negativos sobre os resultados das medições. 

Sinais de teste: o PMX® oferece aos usuários a opção de ser capaz de simular sinais e estados do sistema e testar a capacidade funcional já durante sua inicialização sem colocar a bancada de ensaio completamente em funcionamento. Isto pode ser feito no lado do sensor através da ativação de um shunt. Em seguida, o sensor de torque emite 50% do seu sinal nominal (taxa) e seu funcionamento já pode ser testado sem a necessidade de clocar a bancada em funcionamento. O PMX® também tem geradores de sinais internos que podem ser utilizados para simular as sequências de ensaio estático e dinâmico.

4. Quais características de desempenho deveriam ter os sistemas de aquisição de dados e de automação? Tecnologia de medição baseada em fieldbus?

A gama de sinais de medição para aquisição é extensa, indo de sinais simples, adquiridos a uma frequência baixa (um valor de temperatura que muda lentamente, por exemplo) até dados de medição complexos que tem de ser medidos simultaneamente com uma frequência elevada de medição (por exemplo, sinais de torque, ângulo e velocidades de rotação que devem ser adquiridos de forma sincronizada). Fatores decisivos incluem não só sensores resistentes e precisos, mas também a aquisição de medição robusta e precisa. Os dois devem estar na mesma classe de precisão e devem ser de, pelo menos, 0,1%, ou melhor ainda, de 0,01%.

A taxa de amostragem de sinais é tão importante quanto a precisão de medição. Ela deve ser suficientemente elevada para que as alterações rápidas ou parciais ainda possam ser resolvidas e exibidas de forma confiável. Para ser capaz de captar valores de aquisição de pico, a velocidade de computação e a qualidade de regulação, todos os canais de medição e de computação devem colher amostras em paralelo a uma taxa de, pelo menos, 20 kHz, o que é equivalente a uma grade de medição e cálculo de 50 microssegundos. Nas áreas de medições de torque, o PMX® oferece a placa plug-in PX460 que roda a 38,4 kHz para tirar o máximo proveito da largura de banda de sinais de medição dos sensores de torque.

Junto com os dados de processo, o usuário também tem acesso a uma extensa informação de diagnósticos na configuração padrão. Devido ao desenho do seu hardware, o PMX® suporta bus cycle times tão baixos como ≤ 10 kHz com suas interfaces Ethernet em tempo real e também minimiza a latência de transferência de mensagens.

Dependendo da aplicação de automação, as seguintes interfaces Ethernet em tempo real estão disponíveis para seleção:

  • EtherCAT;
  • PROFINET (protocolo IRT);
  • Ethernet/IP.

Além de gerar sinais de medição e de controle, estes fieldbuses também podem ser operados em paralelo no PMX®. O PMX® irá funcionar como um "escravo" em conjunto com um controlador principal na bancada de ensaios. Desta forma, o sistema é capaz de fornecer as dinâmicas necessárias para implementar simulações dos ciclos altamente dinâmicos de carga e de acionamento.

5. Quais conceitos de uma tarefa de automação deveriam ser selecionados?

É feita uma distinção básica entre sistemas baseados em PC e sistemas incorporados. Isso se aplica para aquisição de dados de medição, controle/regulação e também visualização. Se for necessário um alto tempo real (determinante) para a regulamentação, são utilizados sistemas incorporados. A quantidade de dados envolvidos é bastante pequena, mas também o tempo crítico é grande.

Regulamentação em tempo real não pode ser implementado em sistemas baseados em PC. Como os recursos são distribuídos uniformemente sobre todos os componentes, as tarefas de controle devem "esperar" em alguns casos, antes de poderem ser executadas. Os tempos de ciclo são, portanto, 50 ms ou mais, os quais não são meios adequados para a regulagem rápida e confiável de uma bancada de teste.

Sistemas incorporados demonstram sua força total, neste caso, uma vez que reservam seus recursos exclusivamente para tarefas de regulação através da CPU interna. O mesmo é válido para soluções PLC integradas em sistemas de medição. O PMX® pode ser equipado com um CODESYS soft PLC para esta finalidade, o que torna possível controlar toda a sequência de ensaio.

Sistemas de visualização são cada vez mais requisitados hoje, com as novas tecnologias baseadas na web. Eles têm as vantagens imbatíveis da necessidade de apenas um navegador que esta disponível em todos os dispositivos de terminais modernos. Isso inclui PCs, tablets e smartphones. A mobilidade destes dispositivos e assim, sua disponibilidade, é cada vez mais apreciada não só pelos usuários, mas também pelo pessoal de manutenção. Outra grande vantagem é que nenhum software adicional deve ser instalado no dispositivo terminal. Há sempre um browser presente.

Operação e visualização baseada na web

Duas diferenças devem ser notadas novamente com o armazenamento de dados para bancadas de ensaio. Se somente os resultados finais do teste serão registados ou armazenados, isto também pode ser realizado com sistemas incorporados. Sistemas PC tem uma vantagem clara, se grandes quantidades de dados, junto com dados bruto, têm de ser armazenados, devido às suas opções de armazenamento em massa, tais como discos rígidos.

Neste caso, o software DAQ pode gravar os dados em um PC em paralelo para operações de medição e controle. A largura de banda varia do software padrão ready-to-use preparado com antecedência para estes tipos de tarefas para soluções especiais que realizam essas tarefas por meio de drivers e APIs (Application Programming Interface).

A documentação dos resultados de teste também pode ser implementada de várias maneiras. Sistemas de PC podem facilmente salvar resultados individualmente e, se necessário, enviá-los para uma impressora no formato PDF. No entanto, a tendência continua no sentido da documentação orientada para o banco de dados com os resultados e os dados de medição transferidos para grandes bases de dados onde são arquivados. Em seguida, os relatórios solicitados podem ser gerados através de consultas e informações que descrevem o status, a capacidade de utilização ou a qualidade dos componentes que podem ser gerados.

6. Quais são as características do conceito de serviço?

Solicitações de serviços podem ser categorizadas como "serviço no local" ou "serviço remoto". Sistemas de medição e controle devem apoiar ativamente o pessoal "no local" durante a inicialização e manutenção. Isto significa que deve ser possível consultar o status dos valores medidos e do aparelho, e obter a informação desejada diretamente de um display LED no dispositivo ou usando um menu no navegador da web.

Os arquivos de log também facilitam a gravação e a consulta de todos os erros e detalhes de funcionamento do dispositivo. Isto é especialmente útil na busca de erros esporádicos ou efeitos. Outra possibilidade é disponibilizar "sinais de monitoramento". Estes são sinais de tensão ou corrente aos quais sinais de medição ou canais de computação podem ser interligados para fins de controle. Em seguida, uma medida simples pode ser realizada no local por qualquer engenheiro de serviço. Os arquivos de log são armazenados no dispositivo por um sistema à prova de falhas de energia e também podem ser baixados e arquivados através do navegador web para fins de documentação.

Efficient service through integrated diagnostic functions and error memory

Conclusão

Sensores de torque modernos e poderosos, como das séries T10, T12 e T40 da HBM, combinados com sistemas incorporados com interface aberta de comunicação, como o amplificador PMX®  da HBM, são adequados para utilização em tarefas de medições de alta qualidade e de regulação.

A tendência geral observada aqui é que sistemas convencionais de tecnologia de medição, de um lado, e soluções de automação do outro, estão cada vez mais próximos. Assim como ccontrolar as próprias seqüências de medições, este tipo de sistema moderno também pode controlar máquinas e implantar bancadas de testes modernas, voltadas para o futuro.

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