Telemetrie-Messtechnik Schnorrenberg

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1 1. Funk-Telemetrie 1.1 HF-Übertragung Die telemetrische Verbindung zwischen Encoder und Decoder erfolgt auf dem Funkweg mittels HF-Sender und -Empfänger. Für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Funkübertragungszwecke wurden sog. ISM-Bänder (Industry, Science and Medicine) freigegeben. Die Benutzung dieser Frequenzbänder bedürfen keiner Einzelgenehmigung, für den Anwender besteht der Vorteil einer kosten- und anmeldefreien allgemeinen Betriebserlaubnis. Die erlaubten Frequenzen liegen im 70cm-Band bei 433,92 +/- 0,8 MHz und im S-Band bei bis 2.483,5 MHz mit einer max. Strahlungsleistung von 10 mw im 70 cm-band und 25 mw im S-Band. Die erzielbaren Reichweiten werden durch die Trägerfrequenz, den Aufbau der Antenne (Antennengewinn), dem Umfeld und der zu übertragende Datenbandbreite bestimmt. Im 70 cm-band lassen sich im Freifeld mit Lambda/4 Stabantennen bei 8 Kanälen und einer Datenübertragungsrate von 320 kbit/s ca. 300m Entfernung überbrücken, mit Richtantennen > 1km. In einer bebauten Umgebung, wie in einer Maschinenhalle, wirken sich Dämpfung und Reflexion auf das Funkfeld aus, und die Entfernungen können kürzer ausfallen. Grundsätzlich gilt, dass bei schmalbandigen Übertragungssystemen, (niedrige Übertragungsrate, wenig Kanäle) die Übertragungsreichweite höher ausfällt als bei breitbandigen Systemen (viele Kanäle, hohe Übertragungsraten). Gegenüberstellung von MHz- und GHz-Telemetrie: 433 MHZ: max. 160 kbit/s = 16 Kanäle@150 Hz Signalfrequenz max. 10 mw Sendeleistung = m keine Störungen durch Reflexionen keine individuelle Sendeerlaubnis MHZ: typ. 2,56 Mbit/s = 16 Kanäle@2.400 Hz Signalfrequenz max. 500 mw Signalfrequenz = m nur bei optischer Sichtverbindung mit Richtstrahlantennen kann Entfernung vergrößert werden 1.2 Modulation Die Modulation des HF-Senders erfolgt durch das digitale Signal des PCM-Coders. Ein High-Signal verschiebt die nominelle Trägerfrequenz um + 50 khz, ein Low-Signal um 50 khz. Eine solche Modulation des Trägersignals bezeichnet man als FSK (Frequenzy Shift Keying), eine Sonderform der FM-Modulation. Bild 1 zeigt das Signal - 1 -

2 einer 8-Kanal-Telemetrie mit 160 kbit/s Übertragungsrate im Zeitbereich (links) und das resultierende HF-Spektrum im 70 cm-ism-band (rechts). Takt PCM-Signal Bild 1: PCM-Signal im Zeitbereich (links) und im Frequenzbereich (rechts) Im Frequenzbereich ist zu erkennen, dass aufgrund der harten FSK-Modulation ein relativ breites Spektrum erzeugt wird und für weitere Kanäle relativ weinig Platz bleibt. Bei -40 dbc Abstand vom Träger beträgt die spektrale Bandbreite ca. 700 khz. Mit dieser Bandbreite muss die Selektion des Zwischenfrequenzverstärkers (ZF) des Telemetrie-Empfänger ausgestattet sein, damit im Abstand von +/-700 khz noch ein weiterer, artgleicher Telemetriekanal platziert werden kann. Damit wäre die erlaubte Gesamtbandbreite (Bandbelegung) von 1,6 MHz schon fast erreicht. Als Faustregel gilt: Mit einer Abtastrate von 40 kbit/s können vier Telemetriesysteme parallel und gleichzeitig im 70cm-Band betrieben werden, mit 160 kbit/s noch zwei Systeme. 1.3 Diversity-Empfänger Dem gegenüber stehen im S-Band über 80 MHz nutzbarer Trägerfrequenzbereich zur Verfügung, so dass selbst Datenströme mit 1280 kbit/s inklusive eventuell zusätzlicher Videosequenzen problemlos gleichzeitig in diesem Band übertagen werden können. Das Mikrowellen-ISM-Band ist jedoch empfindlich gegenüber Reflexionen und Mehrfachausbreitung (Bild 2). Diese Mehrwegausbreitung kann zu einem gleichzeitigen Empfang von laufzeitdifferierenden Signalanteilen führen, so dass sich bei der Signaldemodulation Signalverzerrungen und Signalauslöschungen ergeben können. Diese Effekte können besonders bei bewegtem Telemetriesender entstehen, so dass unsystematische, kurze Unterbrechungen der Übertragung auftreten. Metallfläche reflektierter Funkweg direkter Funkweg Telemetrie- Sender Telemetrie- Empfänger Bild 2: Entstehung von Signalauslöschung durch Reflexionen im Mikrowellen-S-Band - 2 -

3 Diese Einflüsse lassen sich durch geeignete Auswahl und Anordnung von Antennen und/oder Einsatz von Diversity-Empfangsanlagen deutlich verringern (Bild 3). Diversity Empfangsanlagen arbeiten mit zwei HF-Empfängern, die auf eine gemeinsame Zwischenfrequenz von 21 MHz umsetzen. Durch einen speziellen Antennenkoppler (Combiner) werden die zwei unabhängigen Signal phasengleich addiert, wobei die Feldstärke des resultierenden Signals immer höher ist, als die der Eingangssignale (Bild 4). S-Band-Telemetrie-Antennen sind zumeist als Richtantennen mit zirkularer Polarisation ausgeführt (Bild 5). Zirkular polarisierte Antennen haben den Vorteil, unempfindlich gegenüber Polarisationsänderungen des elektromagnetischen Feldes zu sein und ein gleichbleibendes Feldstärkesignal zu liefern. Antenne 1 Antenne 2 2,45 GHz 2,45 GHz Down-Converter Mischer Oszillator Mischer ZF ZF 21,4 MHz 21,4 MHz Receiver Feldstärkesignal PCM PCM Feldstärkesignal Controller Unit, Switch PCM, bitseriell Demodulator Demodulator PCM- Decoder PCM, wortseriell PCMCIA-Karte ECIA 100 Bild 3: Prinzipschaltbild einer Diversity-Empfangsanalge für den GHz-Bereich - 3 -

4 Antenne 1 Antenne 2 Combiner Bild 4: Diversity-Antennenanlage mit zwei S-Band-Empfangsantennen und Combiner Bild 5: Telemetrie-Empfangsanlage mit vier zirkular polarisierten Rundumstrahlantennen und direkter, digitaler Einspeisung in das PCM-Interface eines Erfassungssystems 2. Beispiele von Funk-Telemetriesystemen 2.1 Funk-Telemetrie für rotierende Anwendungen Bei der 1-Kanal-Telemetrie MT1-PCM handelt es sich um eine digitale Funk- Telemetrie, zur Messung von Drehmomenten, Temperaturen oder Signalspannungen auf rotierenden Wellen oder bewegten Maschinen und Anlagen (Bild 6). Das analoge Eingangssignal mit einer Grenzfrequenz von 600 Hz, wird mit 2,5kbit/s abgetastet, mit 12 bit (72dB Dynamik) digitalisiert, PCM-gewandelt und über einen HF-Sender im ISM-Band abgestrahlt. Die Sendeantenne besteht aus einem hochflexiblen strapazierfähigem Kabel, das leicht am Messobjekt zu fixieren ist. Die Empfangseinheit demoduliert das empfangene HF-Signal in einen digitalen PCM- Strom. Dieser wird decodiert, analog umgesetzt und über ein Glättungsfilter als Spannung im Bereich +/-10V ausgegeben. Eine Bargraphanzeige signalisiert die Empfangsfeldstärke des HF-Signals und ermöglicht so eine optimale Antennen

5 positionierung. Je nach Leistung und Ausführung von Sender und Antenne sind im 433- oder 868-MHz-Band, Übertragungsreichweiten von bis zu 50 Metern möglich. Die Versorgung des Senders erfolgt über Batterie oder optionalen Akku-Pack. Signalverstärkungen von 250 bis 8000 und "Auto-Zero" können komfortabel von der stationären Wiedergabe aus eingestellt werden, ohne die zu prüfende Welle oder Maschine im Betrieb stoppen zu müssen! Alle Einstellwerte bleiben im Flash-RAM der digitalen Telemetrie netzausfallsicher erhalten. Die stationäre Wiedergabe (Decoder) liefert am Ausgang das aufbereitete analoge Messsignal im Bereich +/-10V und als digitales, bitserielles PCM-Signal. Bild 6: Digitale 1-Kanal-Funktelemetrie und Applikation auf einer rotierenden Welle für berührungslose Drehmomentmessungen Die Modulation des HF-Signals erfolgt als FSK-Modulation (Frequency Shift Keying), wobei zur Einhaltung der Bandbreite mit einem konst. Frequenzhub von 50 khz Bild 7: Ausgangsspektrum eines 1-Kanal-PCM-Telemetriesenders mit 40 kbit/s Übertragungsrate. HF-Trägersignal (links) und moduliertes HF-Signal (rechts) gearbeitet wird. Die Frequenzspektren aus Bild 7 zeigen zum Vergleich das unmodulierte Trägersignal (links) und das modulierte PCM-Signal (rechts), mit seiner Übertragungsrate von 40 kbit/s. Deutlich ist die Bandbelegung des PCM-Signals von ca. 300 khz zu erkennen. Demnach können im ISM-Band zwischen vier solcher Systeme parallel und gleichzeitig arbeiten, ohne sich gegenseitig zu stören oder die erlaubten Bandgrenzen zu überschreiten

6 2.2 Telemetrische Übertragung von TTL-Signalen Das System TEL1-40kTTL dient zur telemetrische Übertragung von TTL-Signalen im Bereich von 40 Hz bis 40 khz (Bild 8). Hierbei verschieben die High-/Low-Signale des TTL-Signals die Trägerfrequenz des HF-Senders um +/- 50kHz. Encoder Decoder Bild 8: Telemetriesystem zur Übertragung von TTL-Signalen Das Spektrum der entstehenden FSK-Modulation, bei unterschiedlichen TTL- Eingangsfrequenzen, zeigt Bild 9. Der Frequenzhub beträgt konstant 50 khz, zu erkennen an der Flankenbreite des Hüllspektrums (links). Die momentane Frequenz des an der Filterflanke demodulierten TTL-Signals beträgt 1 khz (Mitte). Bei einer TTL-Signalfrequenz von 20 khz einsteht sog. Schmalbandmodulation, mit einer ersten Träger-Nullstelle bei m=2,4 (rechts). Bild 9: FSK-Modulation und die resultierenden Frequenzspektren Weiterhin lässt sich die belegte Bandbreite des HF-Signals aus dem Spektrum ermittelt, sie beträgt unabhängig von der Signalfrequenz konst. 300 khz. Sollen parallel noch weitere Telemetriesysteme im gleichen Umfeld betrieben werden, müssen dieses mindestens 300 khz oberhalb oder unterhalb der verwendeten Trägerfrequenz positioniert werden

7 2.3 Funk-Telemetrie mit Diversity-Empfänger Bild 10 zeigt als Beispiel zwei kompakte 8-Kanal und 2-Kanal-Telemetriesysteme, bestehend aus Sender- und Wiedergabeeinheit, bestückt mit bis zu acht bzw. zwei frei konfigurierbaren Aufbereitungsmodulen im Sendeteil. CT8, 8-Kanal CT2-Mini, 2-Kanal Bild 10: CT8 und CT2-Mini kompakte, modulare allround -Telemetriesysteme mit bis zu 8- Kanälen und wählbarer Übertragungsrate von kbit/s Je nach Applikation stehen unterschiedliche, berührungslose Übertragungsstrecken zur Verfügung, z.b. eine Nahfeld-Funktelemetrie für Distanzen bis zu 10 Meter mit einer Übertragungsrate von 1280kbit pro Sekunde. Dies ermöglicht abgestufte Signalbandbreiten zwischen Hz (Abtastung 6350Hz/Kanal) bei 16 parallelen Messkanälen und Hz (Abtastung 91428Hz/Kanal) bei nur zwei Kanälen. CT Telemetriesystem Blockschaltbild - Prinzipaufbau analog in Sensor: DMS IPC 0...5V MT32 Acqusition Module ADC 12 Bit PCM- out up to 32 Channels in ADC 12 Bit ADC 12 Bit ADC 12 Bit MT32-Encoder Modul MT32-Sender Modul Empfänger Decoder analog out up to 32 Channels out Bild 11: Bockschaltbild des modularen Telemetriesystems - 7 -

8 Für größere Entfernungen bis zu 100 Metern (abhängig vom Antennentyp und den Umgebungsbedingungen) wird eine Funkstrecke mit größerer Sendeleistung und einer Übertragungsrate von 320kbit oder 40kbit pro Sekunde angeboten. Dies reduziert allerdings die Bandbreite auf 375Hz (95Hz) bei acht bzw. 3000Hz (750Hz) bei zwei Kanälen. Kontakt: TMS Telemetrie-Messtechnik Schnorrenberg Habichtweg 30 D Bergisch Gladbach Tel: Fax: Web: