Drehmomentmessung ­mit «Plug & Play»-Prinzip

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Nordson (Schweiz) AG - EFD Dosiertechnik

Drehwinkel- und Drehzahlmessung

Die Erfassung des Winkels beziehungsweise der Drehzahl erfolgt nach zwei unterschiedlichen Methoden. Beim Drehwinkel werden vom TTL-Signal des Winkelsensors nur die Flanken weiterverarbeitet, so dass für jede Flanke ein impulsförmiges Signal vorliegt. Damit erhält man bei zwei Winkelspuren mit je 360° pro Umdrehung 4 x 360, also 1440 Impulse, was einer Auflösung von 1/4 ° entspricht. Die Information der Drehrichtung erhält man aus der Phasenverschiebung der zwei Winkelspuren. Vom Sensor werden nicht wie üblich TTL-Signale ausgegeben, sondern direkt das aufbereitete Winkelsignal in der Einheit Grad. Man erhält also immer zum Drehmoment den korrekten Drehwinkel.

Zur Drehzahlmessung wird anders vorgegangen, hier wird eine Periodendauermessung durchgeführt und daraus die Drehzahl bestimmt. Auch hier hat man nicht ein TTL-Signal als Wert zur Verfügung, sondern direkt die Drehzahl in der Einheit 1/min. Sowohl bei der Drehzahlmessung als auch bei der Winkelmessung wird das Ergebnis als 16-bit-Wert vom Sensor ausgegeben.

Sensorkommunikation

Die Kommunikation mit dem Sensor erfolgt mittels eines von Lorenz entwickelten Protokolls. Dieses enthält eine Anzahl von Befehlen, mit denen der Sensor konfiguriert werden kann und stellt sicher, dass die Messwertübertragung reibungslos funk-tioniert. Weiter beinhaltet es unterschiedliche Übertragungsmodi, von denen zwei bei diesem Sensor zum Einsatz kommen.

Im Grundmodus werden alle wichtigen Kommandos zum Steuern und Konfigurieren des Sensors zur Verfügung gestellt. Die Kommunikation ist mit Checksummen abgesichert und bietet bei der Übertragung hohe Datensicherheit. Einziger Nachteil ist, dass keine hohen Messraten erreichbar sind. Dieser Modus wird für die Übertragung der Konfigurationsdaten und für Messdatenraten von 1 pro Stunde bis 10 pro Sekunde verwendet.

Für die Übertragung von Messwerten unter 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 kontinuierlich mit der eingestellten Messrate. Diese kann bei Bedarf vom Anwender im Bereich zwischen 20/s und 2500/s umgestellt werden.

Kommunikation über USB

Für die Übertragung zwischen Rechner und Sensor wird aber das Protokoll des USB-Anschlusses verwendet. Deshalb werden die Befehle des Lorenzprotokolls mit den Messwerten zu Datenpaketen zusammengefasst und vom USB-Protokoll als Dateninformation übertragen. Die Elemente wie Messdaten, Steuerbefehle, Prüfsummen usw. des Sensors werden durch den USB-Bus getunnelt. Vereinfacht läuft die Kommunikation zwischen dem Sensor und der auf dem Rechner installierten Software wie im Bild 4 dargestellt ab.

Der Ausgang aus dem Prozessor im Drehmomentsensor ist ein serielles Datensignal, das dem einer RS-232-Schnittstelle entspricht. Dieses Signal wird in einem Konverter in einen USB-Anschluss mit dem zugehörigen USB-Protokoll umgewandelt. Der auf den Rechner aufgespielte Treiber übernimmt die Kommunikation über die USB-Schnittstelle und gibt ein serielles Signal zurück. Die Kommunikationssoftware auf dem Rechner sieht also keine USB-Schnittstelle, sondern einen COM-Port, der durch den Treiber virtuell dargestellt wird.

Bei der Kommunikation des Rechners mit dem Sensor werden vom Rechner Befehle an den Sensor gesendet, der diese verarbeitet und ausführt. Da intern eine serielle Schnitt-stelle simuliert wird, muss die Baudrate für Sender und Empfänger eingestellt werden und identisch sein. Dies geschieht automatisch durch die Kommunikationssoftware.

Die Datenübertragung erfolgt sowohl für den Drehmomentmesswert als auch für Winkel beziehungsweise Drehzahl jeweils als 16 bit Datenwort. Damit werden über die USB-Schnittstelle nicht einmal 2 Mbit Daten pro Sekunde übertragen. Somit wird nur ein kleiner Teil der Übertragungsmöglichkeit durch den Drehmomentsensor verwendet. Selbst bei einem USB-1.1-Anschluss wird die mögliche Bandbreite von 12 Mbit/s nur zum Teil benötigt.

Kommunikationssoftware wird mitgeliefert

Zur Komplettierung des Messsystems wird die notwendige Kommunikationssoftware zum Sensor mitgeliefert. Diese kann ohne Installation auf den Rechner aufgespielt werden. Für die Kommunikation mit dem Sensor ist lediglich ein USB-Treiber notwendig, der auf dem Rechner installiert wird. Die Kommunikationssoftware kann gleichzeitig die Messgrössen Drehmoment und Drehwinkel beziehungsweise Drehzahl, je nach Sensorausführung, erfassen. Aus Drehmoment und Drehzahl berechnet die Software die mechanische Leistung und bringt sie zur Anzeige (Bild 5).

«Plug and Play»-Drehmomentmessung

Ein typischer Ablauf einer Messung sieht wie folgt aus: Zuerst wird der Sensor an den Rechner angeschlossen, dann wird die Software gestartet, die den Sensor automatisch erkennt. Dann beginnt die Messung mit «Messen Start». Die Messwerte werden im Anzeige- und im Diagrammbereich der Bildschirmoberfläche dargestellt.

Nach «Messen Stopp» können die erhaltenen Messwerte als CSV-Datei abgespeichert werden. Die Sicherung der grafischen Darstellung erfolgt als Bilddatei.

Anwendung in einer Belastungseinrichtung

Die Belastungseinrichtung (Bild 6) besteht aus einer Bremse und einem Prüfling, dazwischen ist der Drehmomentaufnehmer fliegend mit zwei Halbkupplungen eingebaut. Kupplungen werden verwendet, um nicht zu vermeidende Verlagerungen der Wellen auszugleichen. Denn durch Wellenverlagerungen werden undefiniert grosse Störkräfte in den Drehmomentsensor eingeleitet, welche zu markanten Messfehlern führen können. Wird der Aufnehmer zwischen zwei Halbkupplungen eingebaut, bildet er das Zwischenstück für eine Vollkupplung. Damit kann diese Anordnung axiale, radiale und winklige Verlagerungen zwischen den beiden Wellen von Bremse und Prüfling ausgleichen.

Mit der Rechnersoftware können diverse Messkurven und Kennlinien beispielsweise von Motoren aufgenommen werden. Als X-Achse der grafischen Darstellung ist eine der gemessenen beziehungsweise berechneten Grösse oder aber die Zeit wählbar.

AutorDr. Wilfried Krimmel, Lorenz Messtechnik

InformationLorenz Messtechnik GmbHD-73553 Alfdorf

Vertretung in der SchweizTransmetra Haltec GmbHRundbuckstrasse 28212 NeuhausenTel. 052 624 86 26Fax 052 624 86 11info@transmetra.ch www.transmetra.chBilder: Lorenz Messtechnik

go: Halle 2.1, Stand B09