Die neue Generation Drehmomentmesstechnik für Antriebe Dr.-Ing. Ernst Manner 25. November 2015 Aufgabenstellung: Drehmomenterfassung Antriebsmotor Drehmomentmessflansch Mechanische Entkopplung Verbindungsstück Kupplung MODULFLEX 40 Industrieanlage Prozess Alternativ: Kardanwelle 24 Volt 0 ... ±10 Volt, 4 ... 20 mA, Frequenz 10 ±5 KHz Digitale Schnittstelle (CAN, USB, EtherCat, Ethernet) Auswerteeinheit Telemetry - Manner proprietary information 2 2 Topologie eines digital geregelten Antriebs mit Feldbusanbindung Aggregat Antrieb Messflansch mit Drehzahlerfassung Drehmoment Regeleinrichtung Drehzahl 3 Neue Generation Drehmomentmessflansche Kennzeichen: Kurzbauend Maßgeschneiderte Ausführung für die Integration Digitalisierung bereits im Rotor hohe Genauigkeit 0,05 % (Lin./Hysterese/Remanenz) hohe Überlast-Kapazität Verschiedene Messbereiche integriertes Drehzahlerfassungssystem (optional) integrierte Temperaturerfassung Netzwerkfähig (EtherCAT, CAN, Ethernet) Steuerung Datenfluß >> Für die Anwendung in modernen Anlagen ist die Netzwerkfähigkeit unabdingbar 4 Kennzeichen frühere Prüfstände Eine zentrale Steuerung Eine Vielzahl von digitalen und analogen Signalein- und Signalausgängen Riesige Schaltschränke Kabelsalat Unübersichtliche Signalführung Störanfällig Kennzeichen moderner digitale Prüfstände Eine zentrale Steuerung Verkabelung aller Signalgeber und Aktoren mittels digitalen Bussystemen Geringe Anzahl an Netzwerkleitungen Übersichtliche Signalführung Störsicher Höhere Regelgenauigkeit 5 Netzwerktauglich mit Echtzeiterfassung mittels EtherCat Typische Konfiguration Messflansch Steuerung Datenfluss 6 Technische Merkmale EtherCAT Zeitgleiche Erfassung aller Messgrößen Minimale Zykluszeit 100 us (40 us), hohe Abtastrate Hochfrequente Auflösung der Aufnehmerdaten Echtzeittauglich Optimal für Regelungsaufgaben Preiswerte und bewährte Verkabelungstechnik (in Kupfer, Glasfaser, etc.) 7 Anwendung am Hubschraubergetriebeprüfstand mit 4 Aufnehmern zeitgleiche Erfassung der Drehmoment- und Drehzahldaten Hauptrotor Heckrotor Input-Welle 1 Input-Welle 2 Steuerung Bus-Struktur Monitoring 8 Problemlose Montage, kontaktlose zuverlässige Übertragungstechnik Großer Abstand Pick Up – Rotor bringt Sicherheit (bis zu 5 mm) Kompakte Pick Up (keine Umschließung notwendig) Technologie Drehmomenterfasssung an der Welle mittels DMS zur Drehmomenterfassung (Torsion) (bewährtes Verfahren seit 80 Jahren) DMS + Deformation > Veränderung des elektronischen Widerstandes Deformation der Oberfläche DMS Ub + 1 3 4+ - 3 R+ R R- 1 + -2 M Verstärkung R Ud R- R 2 + - Ua R+ R GND Für die optimale Kompensation der Temperaturdrift werden normalerweise zwei doppelte DMS zu einer Wheatstone-Brücke verbunden. Die Ausgangsspannung der DMS Ud und der Ausgang des Messverstärkers Ua sind proportional zum Drehmoment M Ua + 4 M Transfer characteristic Hohe Genauigkeit Kalibrierprotokoll für einen 20 kNm Drehmomentmessflansch 12 Darstellung der Ergebnisse in Diagrammen / Results in diagrams Bezugswert / Reference value: range: 20 kNm VDC 4,0016 Links- bzw. Rechtsdrehmoment / clockwise resp. anticlockwise torque % Abweichungen bezogen auf den Endwert / deviation relative to max. calibration torque 0,04 0° inc 0,03 0° dec 0,02 0° inc2 0,01 120° inc 120° dec 0,00 240° inc -0,01 240° dec -0,02 -0,03 -20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20 kN·m Digitale Technik – Signalfluss der digitalen Drehmomenterfassung kompakte Auswerteeinheit Flansch (C-Schienenfähig) Digitale Technik: Der EtherCAT® Datensatz Einfache Pick Up Keine Umschließung notwendig Der intelligente Rotor 14 Hochgenaue Leistungmessung an Elektromotoren Hochgenaue Messglieder mit Zerodriftfunktion durch elektronische Onlinekorrektur der Nullpunkts Hochgenaue Leistungmessung an Elektromotoren über große Umgebungstemperaturbereiche -40 ... +160°C Speziell bei Wirkungsgradanalysen und Reibleistungsuntersuchungen Problem: E-Modul- und Nullpunktsdrift über Temperatur >> Notwendigkeit der Korrektur Torque Drehmomentmessung E-Modul ändert sich über Temperatur E-Modul E-Modul ändert sich über Temperatur ca. 2,5%/100°C 20° Temperatur Kalibration über Temperatur Korrektur 20° Temperatur Hochgenaue Leistungmessung an Elektromotoren im Teillastbereich hochgenaue 2–Bereichsmessflansche (elektronische Spreizung) Hochgenaue 2-Bereichmessglieder mit Zerodrift durch elektronische Online Korrektur der Nullpunkts- und E-Moduländerungsfehler unter Kenntnis der Driftparameter Auswerteeinheit Drehmoment Me ßbereich 1 Flansch real time Temper aturdrift corre ction E chtzeitle istungsbe rechnung x D rehmom en tbereich 1 Drehmom en tbereich 2 Me ßneh mertem pera tur (Option ) Drehmomentmeßbereichskonditionierung digitaler Messverstärker mit µP B etriebssicherheitübe rwachung Pick uP Kabel ma x. 50 m Dreh zahl ind uctive spee d sensor Drehmoment Me ßbereic h 2 Drehm om ent Drehzahl Temperatur Speed Dre hzahl real time Temperaturdrift corre ction EtherCAT Mux I nterf ace EtherCAT digi tale Iden taddress e Sign alverarbeitung USB -Interface for Set Up Erhöhte Genauigkeit im Teillastbereich durch hochgenaue 2–Bereichsmessflansche echte mechanische Spreizung Hochgenaue 2-Bereichmessglieder mit Zerodrift durch elektronische Online Korrektur der Nullpunkts- und E-Moduländerungsfehler unter Kenntnis der Driftparameter Auswerteeinheit Drehmoment Me ßbereich 1 Flansch real time Temper aturdrift corre ction E chtzeitle istungsbe re chnung x Drehmom entbereich 1 Drehmom en tbereich 2 Me ßneh me rte mpera tur (Option ) Drehmomentmeßbereichskonditionierung digitaler Messverstärker mit µP B etriebssicherheitübe rwachung Pick uP Kabel ma x. 50 m Dre h zahl ind uctive spee d sensor Drehmom ent Me ßbereic h 2 Dre hm om ent Drehzahl Temperatur Sp eed Dre hzahl real time Temperaturdrift corre ction EtherCAT Mux I nterf ace EtherCAT digi tale Iden taddress e Sign alverarbeitung USB -Interface for Set Up Messbereich 1 Messbereich 2 Merkmale der neuen Generation von Drehmomentflanschen der Firma MANNER - Kompakte Bauweise (L = 60 mm bei 3 KNm) Hohe Überlastfestigkeit (Biegemoment, Seitenkraft,..) Verbesserte Genauigkeit Verbessertes Hysteresefehler < 0,02 % Verbessertes Linearitätsfehler < 0,02 % Verbessertes Remanenzverhalten < 0,02% Autozerodriftfunktion Digitalisierung im Rotor mit 16 Bit Direkter Netzwerkanschluß (CAN, EtherCat, Ehternet, USB) Option erhöhte Temperaturfestigkeit (-40 … +160°C) Verfügbar in der Schutzart IP67 bzw. ATEX Hohe Standfestigkeit Integrierte Überwachungsfunktionen (Temperatur, max. Belastung 19 MANNER Drehmomentmesstechnik Manner hat Erfahrung mit Drehmomentmesstechnik seit 1992 Manner ist spezialisiert auf rotierende Drehmomentmessflansche Schleifringlose und lagerfreie Signalübertragung basierend auf Sensortelemetrie >> absolut wartungsfrei Basierend auf seit 80 Jahren bewährter Dehnungsmessstreifentechnik Einfache kompakte Pick Up mit Nenndistanz zum Rotor von 4-5 mm (keine Umschließung notwendig) Massgeschneiderte Lösungen digitale Schnittstellen (CAN, Ethernet, EtherCat ®) Hauptanwendungsgebiet: Prüfstände für Aggregate 20 Nicht überall ist der typische Standardmessflansch einsetzbar! Gründe für die Notwendigkeit massgeschneiderter Drehmomentmesseinrichtungen Einbauverhältnisse, verfügbarer Platz Freier Innenraum (Hohlwellenausführung) Hohe parasitäre Kräfte (überlagerte Biegemomente, Seiten- und Axialkräfte) Besondere Anforderungen an Wellendynamik (Drehsteifigkeit, Baulänge) 21 Nicht überall ist der typische Standardmessflansch einsetzbar ! Gründe für die Notwendigkeit massgeschneiderter Drehmomentmesseinrichtungen Notwendigkeit kundespezifischer Flanschbilder (Vermeidung von Adapterflanschen) Extreme Anforderungen an Umgebungstemperaturbereich (-45 ... +160°C) Extreme Anforderungen an Drehzahlbereich (bis zu 200 000 U/min) Extreme Anforderungen an Umweltfestigkeit (IP68, ATEX-Bedingung) 22 Weltweiter Service der Firma Manner Entwicklung Analyse und Beratung Zentrifugentest Schulung Installation / Wartung Drehmomentmessung Kalibrierung MANNER spezialisierte Drehmomentaufnehmer (digitale Erfassung im Rotor, Auflösung 16 Bit) Drehmomenterfassung zwischen Kurbelwelle und Schwungscheibe Verbindung Kurbelwelle Übertragung Sensoren Spezielle Herausforderungen: Anforderungen an hohe Genauigkeit: 0,1 % (innerhalb des kompletten Temperaturbereiches) Äußerst schwierige Einbauverhältnisse Ausgleich störender Belastungen auf die Messgenauigkeit Entwicklung kundenspezifischer Drehmoment-Messaufnehmer Funktionssicherheit über den kompletten Temperaturbereich –40 ... +160°C HybridBattery LE/ GÖP 1 6 Verbrennungsmotor 8 E-Motor LE DC/DC 5 7 2 Automatik- 3 getriebe 4 Ölbeständigkeit 5 Hochpräzise und zuverlässige Messaufnehmer (Manner Sensortelemetrie) Anwendung Gasturbine 40 kNm Drehmomentmessflansch an 200 MW Gasturbine (max. Temperatur 150°C) Hochgenaue Kalibrierstände (rückführbar auf nationalen Standard und DKD) Kalibrierstand I Kalibrierstand II Kalibrierstand III Luftgelagert Inline Inline 10 ... 1000 Nm 100 .... 5000 Nm 2 ... 50 kNm Alle Produkte von MANNER werden von MANNER entwickelt und produziert Produktion ISO 9001:2000 zertifiziert hochqualifizierte Mitarbeiter Produkte 28 Qualitätspolitik Maxime: keine Kompromisse höchstmögliches Qualitätsniveau Entwicklung - Produktion - Service Phone: +49 7424 9329-0 Eschenwasen 20 D-78549 Spaichingen Standort: (etwa 90 km südlich von Stuttgart, an der Autobahn A81) Fax: Email: +49 7424 9329-29 [email protected] Internet: www.sensortelemetrie.de Referenzen 1 Referenzen 2 Hauptkunden von Drehmomentmessungen der Firma Manner GmbH * Renk (Prüfstände mit hoher Drehzahl) * Siemens turbo machines * Snecma (Turbinen) * Winergy (Windkraftanlagen) * Eickhoff (Prüfstände für Windkraftanlagen) * Flender * ZF Kassel (Prüfstände für Helikopter) * Teamtechnik (Prüfstände für Getriebe) * ZF Friedrichshafen (Prüfstände für Getriebe) * Universität München * Augusta (Prüfstände für Helikopter) * Techno Mechanica * Hindustan India (Prüfstände für Helikopter) * Wärtsilä Motoren (Finland) * Daimler Benz (Prüfstände für Automobile * Daimler (Prüfstände für LKW) * Hörbiger * Universität Stuttgart * Iveco (Forschung Schweiz) * Schindler Schweiz * MATSUI (Japan) * Boeing (Helikopter) * Toyota (Japan) * Siemens * Voith * Liebherr * Ina * LuK * DMT * TÜV Essen * Bosch Schwieberdingen * Bosch Rexroth * FM Blickle * MTU (Schiffsmotoren) * Kendrion Binder * SMS Buss (chemische Industrie) * Wackerchemie (chemische Industrie) * MAN (Schiffsmotoren) * Airbus (Prüfstände) * DAF (Prüfstände für LKW) * BMW formula 1 (Prüfstände) * Porsche (Prüfstände) * Ford (Prüfstände) * Nissan (Japan) * Voith Howden (China) * Universität Darmstadt * Siemens railways * HSVA (Forschung für Schiffspropeller) * GE (Nuova Pinigone, Gasturbinen) * Siemens (Gasturbinen) * Gazprom Russia (Gasturbinen) * ATEC (Kupplungen für hohe Drehzahlen) * Moog * Torque meters UK * Siemens Turbo pumps (Frankental) Hauptkunden für HochgeschwindigkeitDrehmomentmessungen der Firma Manner GmbH * GE (Nuovo Pignone , Gasturbinen) * Gasprom (Gasturbinen, Russia) * Siemens (Turbomaschinen, Gasturbinen) * Snecma (Jetturbinen Testanlagen) * Renk (Hochgeschwindigkeitstestanlagen) * ZF Kassel (Helikopter-Testanlagen) * Agusta (Helikopter-Testanlagen) * Boeing (Helikopter, Hochgeschwindigkeit) * BMW racing (Testanlagen, Hochgeschwindigkeit) * Eurocopter (Helikopter) * MTU (Aero Engines) * FEV Aachen (Turbolader, 200.000 U/Min) * Bosch Mahle (Turbolader, 200.000 U/Min) Verkaufs- und Servicestandorte weltweit Hamburg Hannover Leverkusen Cologne Frankfurt Nuremberg Stuttgart Spaichingen Verkauf und Servicestandorte Zentrale Munich Berlin Standorte für Verkauf und Service weltweit Lescate SAS Parc des Nations - Paris Nord 2 385, rue de la Belle Etoile B.P. 51231 F - 95956 Roissy Ch. De Gaulle Cedex, France Tel.: +33 148 63 95 10 Fax +33 148 63 77 60 www.lescate.com Senstel Sensor Telemetry UK 4 Cross Bank Skipton, North Yorkshire BD23 6 AH, United Kingdom Tel.+Fax. +44 1756709334 qqq.senstel.co.uk Aimil Ltd Naimex House, BSEL, Tech Park, B, Win, 906 Sector 30A, Opp Vashi Railway Station Vashi, avi Mumbai 400705, India Tel.: +91 22 396 466 00 Fax. +91 22 396 466 66 www.aimil.com DAEHYUN TECHNOLOGY CO., LTD. 1013, Biz-Center, SK-Technopark, 190-1, Sangdaewon-Dong, Jungwon-Gu, Seongnam-Si, Gyeonggi-Do, 462-721, South Korea Tel.: +82 31 776 2525 Fax. +82 31 776 2526 MEAS France 26 rue de Dames F - 78340 Les Clayes sous Bois, France Tel.: +33 130 79 33 00 Fax. +33 134 81 03 59 www.meas-spec.com Protección, Medición y Analysis s.l. Poligono La Casera - e/El Crusero, 20 Edificio Azul, 1 - D E - 48550 Muskiz (Viscaya), Spain Tel.+Fax. +34 94 636 88 20 www.promedyasistemas.com Kistler Nordic AB Särkiniementie 3 FIN - 00210 Helsinki, Finland Tel.: +358 961215 66 Fax. +358 961215 60 www.kistler.fi Load Indicator System AB E A Rosengrens Gata 32 SE - 421 31 Västra Frölunda, Sweden Tel.: +46 31 722 79 00 www.lisab.se S.I. Instruments Eric St. Martins 256 South road, Hilton, S.A. 5033 G.P.O. Box 1530, Adelaide 5001 Australia Tel.: +61 88 8352 5511 Fax. +61 88 8352 6011 MT-Solutions GmbH Pestalozzistraße 3 D - 76676 Graben-Neudorf, Germany Tel.: +49 7255 7624 181 Fax. +49 7255 7624 183 United Target 7B15 WestPoint Building No. 88 Yongding Road, 100039 Beijing, China Tel.: +86 10 588951 31/32/33 Fax. +86 10 588951 35 www.unitedtarget.com MS Tech 2803, U-Tower, 1029, Yeongdeok-dong, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi-do, 446-569, South Korea Tel.: +82 31 287 0316
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