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Hochauflösend und in Echtzeit

Drehzahlmeßtechnik im Wandel
Hochauflösend und in Echtzeit

In der Automatisierungs- und Antriebstechnik steigen die Anforde-rungen an die Drehzahlmeßtechnik. Komplexe Bewegungsabläufe an rotierenden und schwingenden Systemen müssen heute schnell und mit hoher Genauigkeit ausgewertet und geregelt werden. Dies bedeutet neben der schnellen Erfassung von Drehzahlen auch die Analyse von Drehschwingungen.

J. Tauscher, SMART Electronic Development GmbH

Zur Erfassung mittlerer Drehzahlen und Drehschwingungen an rotierenden Systemen finden digitale Echtzeit-Auswertesysteme mit inkrementalen Drehzahlgebern breiten Einsatz. Der Maschinenbau, die Elektro- und Automobilindustrie setzen hochauflösende Drehzahlmeßgeräte für Steuer- und Regelaufgaben sowie zur Qualitätssicherung ein. Rundlauf und geometrische Teilungsgüte von Geberrädern, Gleichlauf von Elektromotoren oder die Gütebeurteilung von Drehzahlreglern sind Beispiele hierfür. Bisher werden zur hochauflösenden Drehzahlmessung oft teuere und unflexible Einzellösungen verwendet. Ge-fordert sind daher flexible, hochauflösende Drehzahlmeßsysteme mit folgenden Eigenschaften:
l Erfassung der mittleren Drehzahl und der Momentan-Drehzahl
l Auswertung beliebiger Geberräder mit hohen Impulszahlen und hohen Impuls- frequenzen
l einstellbare Winkelteilung
l schneller Drehzahl-Analogausgang
l einfache anwenderorientierte Bedienung und Konfiguration
Digitale Drehzahlmessung in Echtzeit
Das neue Drehzahlmeßgerät n-mess (Abb. 1) wird den heutigen Anforderungen gerecht. Damit steht ein multifunktionales, hochauflösendes Meßgerät zur Verfügung, das Drehzahlen im Bereich von 5- 200 000 U/min (500 000 kHz maximale Impulsfrequenz) sowie Momentan-Drehzahlverläufe in Echtzeit erfaßt.
Ein eigens für n-mess entwickelter Hochgeschwindigkeits-Prozessor sorgt dafür, daß innerhalb von nur 3 µs die erfaßten Drehzahlen als analoge Spannungswerte (0 bis 5V oder 0 bis 10V) mit 12-Bit-Auflösung zur Verfügung stehen. Geberräder, auch unsymmetrische oder lückenbehaftete Zahnräder bis zu 3600 Pulsen, können mit einer Winkelauflösung von 0,01 Grad ausgewertet werden.
In Kombination mit einem digitalen Speicheroszilloskop kann das n-mess zu einem hochwertigen Drehzahl-Erfassungssystem (modular) ausgebaut werden, bei deutlich verminderten Kosten gegenüber den bekannten Komplettsystemen. Das n-mess ist mit einem 220V-Netzanschluß oder alternativ mit einem Gleichspannungseingang (7-36V) ausgestattet.
Anwendungsbeispiel: Diesel-Einspritztechnik
Bei der Prüfung von elektronischen Diesel-Einspritzsystemen spielt die schnelle Er-fassung von Drehzahlverläufen, und Drehschwingungen sowie Winkelpositionen eine entscheidende Rolle.
Durch digitale Drehzahlerfassung in Echt-zeit lassen sich wichtige Informationen zur Funktionalität, Betriebssicherheit und damit zur Wirtschaftlichkeit elektronisch geregelter Diesel-Einspritzsysteme gewinnen (Tab. 1).
Drehschwingungen – Messen und Auswerten
Das folgende Beispiel zeigt den Einsatz des n-mess als Prüfhilfsmittel bei der Untersuchung des elektrischen Antriebs einer Diesel-einspritzpumpe. Durch die mechanischen Be- und Entlastungen können Drehschwingungen auftreten, die sich auf die Regelgrößen der hydraulischen Pumpe (Förderbeginn und Einspritzmenge) störend auswirken. Zur Optimierung dieses Systems muß das Drehschwingungsverhalten der einzelnen Systemkomponenten (Abb. 2) bekannt sein.
Die universellen Eigenschaften des n-mess erlauben die Auswertung verschiedener Sensortypen bei gleicher vertikaler Auflösung (Abb. 3). Je Umdrehung der Nockenwelle (Kurve SI: Synchron-Impuls) erfolgen vier Einspritzungen. Während Drehzahlschwankungen am elektrischen Antrieb (Schwungmasse1!) nicht auftreten (Kurve n1), nimmt die Drehschwingung an der Pumpenwelle aufgrund der zyklischen Belastung der Pumpe nach der Lamellen-Kupplung (Kurve n2) in Richtung der Einspritzpumpe (Kurve n3) von 130 auf 300 U/min zu. Die Entlastung der Pumpe nach der Belastungsphase führt zu Drehzahlüberschwingungen von 240 U/ min. Die zwischen den Belastungsphasen auftretenden Drehschwingungen (Kurve n2: A, B) zeigen unterschiedliche Abklingverhalten. Nicht vollständig abgeklungene Dreh-schwingungen (Kurve n2: B) zwischen den Belastungsphasen übertragen sich auf den inneren Pumpenantrieb (Kurve n3). Mit Hilfe des n-mess konnte nachgewiesen werden, daß ein vollständiges Abklingen der Drehschwingungen stochastisch nicht erfüllt wird.
Fazit: Zur Optimierung des Gesamtsystems muß vor allem die Dämpfung im Bereich der Kupplung verbessert werden. Der elektrische Antrieb neigt nicht zum Schwingen und ist für diesen Einsatz geeignet. Insgesamt belegt die Leistungsstärke und Vielseitigkeit der digitalen Drehzahlerfassung in Echtzeit den komfortablen Einsatz des n-mess als hochwertiges und zuverlässiges Diagnosesystem für Drehschwingungsanalysen.
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