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Die Messaufgabe steht im Mittelpunkt - Polyscope

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MESS- UND PRÜFTECHNIK
DREHMOMENTMESSUNG
www.polyscope.ch
«Plug and Play»-Sensoranschluss dank USB
Die Messaufgabe steht im Mittelpunkt
Ziel der neuen rotierenden Drehmomentsensoren ist es, dem Anwender die Drehmomentmesstechnik
so einfach wie nur möglich zu machen. Dies wurde durch konsequente Weiterentwicklung
der bestehenden digitalen Drehmomentsensoren erreicht. Dank einem einfachen elektrischen
Messaufbau kann sich der Anwender mehr auf die Messaufgabe konzentrieren.
» Dr. Wilfried Krimmel
Im Sensor sind die Kalibrierdaten hinterlegt,
die für die Konfiguration der Messsoftware
ausgelesen werden. Der nach dem «Plug and
Play»-Prinzip aufgebaute Sensoranschluss
benötigt keine Benutzereinstellungen. So
konnten die Entwickler das logisch aufgebaute Bedienkonzept der mitgelieferten Software
einfach und übersichtlich gestalten. Damit
die vorgenommenen Einstellungen für weitere Messungen zur Verfügung stehen, werden
sie automatisch gespeichert. Die gemessenen
Werte lassen sich als CSV-Datei abspeichern
und anschliessend mittels eines Tabellenkalkulationsprogramms weiter auswerten.
Stromversorgung ist stark reduziert
Als Anzeige und Auswerteeinheit genügt ein
handelsüblicher Rechner mit USB-Anschluss.
Der Stromverbrauch der neuen Sensorgeneration wurde so stark verringert, dass sie über
den USB-Anschluss versorgt werden kann.
Der Sensor verfügt standardmässig über eine
integrierte Winkel- und Drehzahlmessung.
Aufbau eines Drehmomentsensors
Auf der im Gehäuse gelagerten Welle befindet
sich eine im Durchmesser verjüngte Stelle,
auf welche die Dehnungsmessstreifenbrücke
appliziert ist. Mit auf der Welle sind auch der
rotierende Teil des Transformatordrehübertragers und die Elektronik befestigt. Ersterer
besteht aus zwei zueinander konzentrischen
Spulen, die durch einen Luftspalt voneinan-
Autor
Dr. Wilfried Krimmel
Lorenz Messtechnik GmbH
DE-73553 Alfdor
der getrennt sind. Die Übertragung von Energie bzw. Messsignalen erfolgt nach dem
gleichen Prinzip wie bei einem
Transformator. Zum elektrischen
Anschluss des Sensors befindet
sich ein Stecker im Gehäuse.
Funktionsprinzip
der Elektronik
Die Messwertaufnahme erfolgt
mittels
Dehnungsmessstreifen
(DMS) auf der rotierenden Welle. Das hier abgegriffene Messsignal
wird verstärkt, gefiltert und digitalisiert.
Dieses digitale Signal
gelangt anschliessend in einen Prozessor, der es zur Übertragung in Form
eines seriellen Wortes auf den Stator
vorbereitet. Die Übertragung vom Rotor
zum Stator erfolgt über einen Transformatordrehübertrager. Der grosse Vorteil dieses
Drehübertragers liegt in seiner bidirektionalen Verwendung. Signale lassen sich von der
rotierenden Welle auf den Stator wie auch in
umgekehrter Richtung übertragen.
Im Stator wird das Datensignal aufbereitet und in ein serielles Datensignal umgesetzt
und anschliessend über den USB-Anschluss
auf den Rechner übertragen. Die abgespeicherten Sensordaten wie Seriennummer,
Kalibrierwerte, Messbereich, Kalibrierdatum
usw. lassen sich dann zur automatischen
Konfiguration der Messsoftware verwenden,
was zu einer hohen Betriebssicherheit führt.
Drehwinkel- und Drehzahlmessung
Eine Winkel- und Drehzahlmessung wurde
ebenfalls in die Messwertübertragung mit ein-
Der Drehmomentaufnehmer DR-3000 ist mit
einem USB-Anschluss ausgestattet
gebunden. Pro Umdrehung erhält man 1440
Impulse, was einer Auflösung von ¼ Grad
entspricht. Der Sensor gibt nicht wie üblich
TTL-Signale aus, sondern direkt das aufbereitete Winkelsignal in der Einheit Grad oder das
Drehzahlsignal in der Einheit min–1.
Sensorkommunikation
erfolgt mit eigenem Protokoll
Die Kommunikation mit dem Sensor erfolgt
mit einem von Lorenz entwickelten Protokoll. Es enthält eine Anzahl von Befehlen, mit
denen der Sensor konfiguriert werden kann,
und stellt sicher, dass die Messwertübertragung reibungslos funktioniert.
Der Anwender hat zwei unterschiedliche Übertragungsmodi zur Auswahl. Im
Polyscope 5/10
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Kraftmessbolzen ATB-Z
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QWQ +CE
– Messbereich von 1 bis 1000 KN
– Wiederholgenauigkeit < 0,5 %
– Schutzklassen IP 54 oder IP 67
– Temperaturbereich bis 120 °C möglich
Polyscope 5/10
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MESS- UND PRÜFTECHNIK
DREHMOMENTMESSUNG
Grundmodus stehen alle wichtigen Kommandos zum Steuern und Konfigurieren des
Sensors zur Verfügung. Die Kommunikation
ist mit Checksummen abgesichert und bietet
bei der Übertragung höchste Datensicherheit.
Einziger Nachteil ist, dass keine hohen Messraten erreichbar sind. Dieser Modus wird für
die Übertragung der Konfigurationsdaten und
für Messdatenraten von 1/h bis 10/s (eine pro
Stunde bis zehn pro Sekunde) verwendet.
Für die Übertragung von Messwerten unter dem Betriebssystem Microsoft Windows
enthält das Protokoll noch den «Speed Optimized Streaming Mode». In diesem Modus
ist die Messrate auf einen festen Wert von
200 Messungen pro Sekunde eingestellt. Hierbei sendet der Sensor die Messdaten kontinuierlich an den Rechner. Der Anwender kann
die Messrate im Bereich zwischen 20/s und
2500/s umstellen.
Blockschaltbild für Sensor mit eingebauter Elektronik
Die Kommunikation geschieht über USB
USB, «Universal Serial Bus», ist ein Schnittstellensystem für den Anschluss von bis zu
127 Peripheriegeräten. USB-Geräte kann man
während des Betriebs ein- und ausstecken,
sie sind also «hot-plugging»- und «plug &
play»-fähig. Das Betriebssystem erkennt den
Gerätewechsel automatisch, sofern der Treiber auf dem Rechner vorhanden ist, sonst
fordert das Betriebssystem die Installation
des Treibers an.
Mit diesem Standard lassen sich bis zu
480 MBit/s an Daten übertragen, was für
Messzwecke eine ausreichende Geschwindigkeit darstellt. Die Datenübertragung erfolgt
sowohl für den Drehmomentmesswert als
auch für Winkel bzw. Drehzahl jeweils als
16-Bit-Datenwort. Damit werden über die
USB-Schnittstelle noch nicht einmal 2 MBit/s
übertragen. Wir sehen also, dass nur ein kleiner Teil der Übertragungsmöglichkeit durch
den Drehmomentsensor verwendet wird.
Selbst bei einem USB-1.1-Anschluss wird die
mögliche Bandbreite von 12 MBit/s nur zum
Teil benötigt.
Kommunikationssoftware benötigt nur
USB-Treiber
Zur Abrundung des Messsystems gehört noch
die notwendige Kommunikationssoftware
zum Sensor. Diese Software kann man ohne
Installation auf den Rechner aufspielen. Für
die Kommunikation mit dem Sensor ist lediglich ein USB-Treiber notwendig. Die Kommunikationssoftware kann gleichzeitig die
Messgrössen Drehmoment, Drehwinkel bzw.
Drehzahl je nach Sensorausführung erfassen.
Aus Drehmoment und Drehzahl berechnet
die Software die mechanische Leistung und
Prinzipieller Aufbau eines modernen Drehmomentsensors mit integrierter Elektronik
Belastungsvorrichtung für die Prüfung
von Elektromotoren
bringt sie zur Anzeige. Alle Grössen sind bei
Bedarf frei konfigurierbar. Als Verknüpfung
der beiden Messwerte sind weitere Operatoren integriert.
Die Grafik lässt sich als Bitmap-Datei abspeichern, die Messwerte sind als CSV-Datei
exportierbar. Damit sind weitere Auswertungen mit einem handelsüblichen Tabellenkalkulationsprogramm möglich.
Anwendungsbeispiel
einer Belastungseinrichtung
Die Belastungseinrichtung besteht aus einer
Bremse und einem Prüfling, zwischen die frei-
fliegend der Drehmomentaufnehmer mit zwei
Halbkupplungen eingebaut ist. Kupplungen
gleichen nicht vermeidbare Verlagerungen
der Wellen aus. Denn durch Wellenverlagerungen werden undefiniert grosse Störkräfte
in den Drehmomentsensor eingeleitet, welche
zu grossen Messfehlern führen können.
Fachbeitrag in ganzer Länge: 05_10.52.pdf
«
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Transmetra haltec GmbH
Rundbuckstrasse 2, 8212 Neuhausen a. Rhf.
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info@transmetra.ch, www.transmetra.ch
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