在测试台上实现扭矩测量的创新应用

扭矩、转速、转角这些机械量在现代化测试台中发挥越来越大的作用。除了对于精度和转速更高的需求外，还有自动化和高效运行的要求，如何满足用户的要求呢?今天我们来探讨下重要的成功要素:

1.现代测试台的需求

2.如何选择扭矩传感器

3.如何进一步提高扭矩测量的性能?

4.数据采集系统和自动化系统必备的特性

5.应该选择哪种自动化概念?

6.特色服务

    

1. 现代化测试台的需要

今天成功的必要因素包括对市场的快速反应，推出成熟的新产品。产品的开发和测试时间需要大大缩短。通过现代化的测量设备和方法，效率能提高10倍。在汽车和航空工业，能源效率始终是个重要的议题，焦点逐渐转移到发动机开发，滚动阻力和能量转换效率。

  

扭矩传感器

另外，测量放大器和控制系统必须能够进一步实时处理测量数据，以便测试台进行调整。此外，还需要高分辨率对测量数据进行分析并保存。为提高效率，所有这些功能都需要在一个设备中完成。我们开发的PMX测量放大器系统就是根据这些需求开发的。其不仅用于测试与验证，还可以用于生产部门的测量和自动化系统。这可以通过配置输出通道来实现，包括模拟，或基于Ethernet的总线接口。通过高采样率，高精度，高速数据记录并实时处理，效率增益可高达30倍。

PMX 模块化放大器

2. 如何选择扭矩传感器？

现代扭矩传感器，例如T12和T40系列，都必须对测量数据进行数字化，并有极高的采样率，只有这样才能满足功能性测试的高要求。不仅输出扭矩信号，还包括转速和转角信号。通过 PMX 可以通过这些物理量计算功率和能源转换率。

测量信号需要转换为频率信号以确保对噪声免疫，这在恶劣的环境下会经常遇到，例如大型的发动机或变频器会产生影响测量结果的电磁干扰。扭矩传感器最重要的计量属性包括：

• 精度等级
• 灵敏度误差
• 温度稳定性
• 线性和滞后误差

但是，用户还需要关注应用领域和负载限制：

• 转速限制
• 可允许震荡带宽
• 侧向力和纵向力限制
• 最高温度、

3. 如何进一步提高扭矩测量的性能？

扭矩传感器的测量信号可以通过PMX频率测量模块PX460采集。其精度高达 0.01%，并且可以同时连接4个T12或T40扭矩传感器进行混合操作。为进一步优化测试数据，PMX 测量放大器还带有内部计算通道，计算速率高达50微秒，可以用于实时计算。

• 这包括扭矩传感器特性曲线的21点线性化。这意味着通过PMX®可以改进原始信号质量，超出技术参数表中的精度。这些测量信号能够进行进一步处理，并提高测试台的测量质量。
• 另外一个重要的功能是并联，对原始测量数据独立处理，例如滤波。这有利于信号处理以适合用于测试台自动化。通过模拟信号和/或PMX实时以太网总线，能够实现高效的测试台自动化。
• 用于内燃机测试的特殊滤波：由于气缸的压缩和膨胀和燃烧对应的波动,内燃机产生的扭矩展现出非常高的动态性。在很多的测量系统中，显示为 "噪声" (或快速变化)。这可以通过CASMA滤波器消除。下图显示的为采用CASMA滤波的结果。可以看出CASMA滤波具有极高的稳定性，过滤的宽度越大，效果越好。

• 附加的功能包括测量峰值和均值，并记录测试极限。这些控制值反过来可以用于实时监控限位值或容差带，从而控制测试台。
• 如果扭矩和转速的原始值可以获得，就可以采用数学计算通道实时计算并输出。可连接的时间元件可被用于校正测量信号的附加运行时间的差异。这些差异会对测量结果产生负面影响。
• 测试信号：PMX 还提供给用户很多方便的选项，模拟信号和系统状态进行功能性测试，而测试台无需真正启动。通过激活扭矩传感器“分流信号”，扭矩传感器产生50% 的额定信号，即可进行“空运行”测试。PMX还带有内部信号发生器，其可以用于模拟静态或动态测试序列。

4. 据采集系统和自动化系统必备的特性

测量系统信号范围必须广泛，并且运行单一信号, 可以采集低频信号（例如，缓慢变化的温度值），也可以采集复杂的测量数据（在高测量频率下同步采集），例如扭矩信号以及转速和转角信号需要同步采集。

决定性的因素不仅包括结实，高精度传感器，同时还需要高精度，高可靠的测量采集。这两者应该有同样精度等级，并且至少要达到0.1%。采样率和精度等级同样重要。采样率必须足够高以便能获取微小的变化。采集峰值，测量和计算通道必须能平行处理，速率至少应该达到20 kHz, 这相当于测量和计算网络达到50微秒。在扭矩测量方面，PMX的PX460板卡采样率高达38.4 kHz，能够全面利用扭矩传感器信号带宽。

除了处理数据，用户必须能够实时访问诊断信息。通过实时以太网接口，PMX支持总线周期时间≤10 kHz，能够最大限度地减少消息传输的等待时间。依据不同的自动化应用，可获得以下实时以太网接口:

• EtherCAT
• PROFINET (IRT protocol)
• Ethernet/IP

除了产生测量和控制信号，这些场总线还可以在 PMX 中并行运行。PMX可以作为 “从机” 使用。

5. 应该选择哪种自动化概念？

基本的区别包括基于PC 的系统和嵌入式系统。这包括测量数据采集，控制/调整 以及可视化。如果高实时性非常重要，应该使用嵌入式系统。虽然所涉及的数据量非常小。

自动化概念的实时数据采集：PMX 负责测量，调整和自动化

实时调整无法在基于PC 的系统上完成。因为资源在所有部件上使均一分配的，在某些情况下，控制任务需要等待。周期时间有时需要 50 ms 或更多，这无法满足测试台快速，可靠调整的要求。嵌入系统则完全不同，在内部 CPU 中专门为调节任务分配了资源，这与在测量系统中内置软PLC 解决方案相同。PMX 可以通过内置 CODESYS 软 PLC 实现这种功能，控制完整的测试序列。

可视化系统越来越多地使用新的，基于网络的技术。只使用现代web 浏览器有着无可比拟的优势，因为其可以用于所有现代终端设备，包括电脑，平板电脑和智能手机。这些设备的移动性，不仅对于用户，包括维护人员来说，都非常方便。另外一个优势是无需安装其他额外的软件。

通过Web浏览器进行操作和可视化

两者的另外的区别来自数据存储。如果只是最终的结果被记录，可以采用嵌入式系统。PC系统在大容量数据存储是具有明显的优势。在这种情况下，在测量和控制操作同时，数据采集软件可以在PC上并行记录。对于特殊应用来说，可以通过软件的驱动或APIs (应用编程接口) 来实现。测试结果的文档化可以以多种形式实现。PC系统可以存储并实现打印功能。目前的趋势在将结果传输到大型数据库中，以便查询。

6. 特色服务

通过集成的诊断功能提高服务效率   

   

服务需求可以分为 "现场服务"或 "远程服务"。在现场启动和维护过程中，测量和控制系统需要提供支持，能够查询设备和测量值状态，从设备的LED显示或 web 浏览器中获取所需的相关信息。日志文件需要记录所有错误信号和设备运行的细节。这对于搜索的零星的错误或影响是非常有帮助的，另外还可以用作 "监控信号"。在现场，测量可以由任何的服务工程师执行，设备的故障信息都存储在日志文件中，并可通过浏览器进行下载或归档。

结论

强大的现代扭矩传感器（例如T12和T40），结合带有开放通讯接口的嵌入式系统（例如PMX 放大器系统） , 非常适合用于高质量的测量和自动化系统。目前的趋势是将传统的测量技术系统和自动化解决方案以及控制测量序列紧密地结合在一起。这种类型的现代化系统可以用于系统控制并部署实施现代，前瞻性的测试台。

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