Telemetrie-Messtechnik Theorie und Praxis

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1 Telemetrie-Messtechnik Theorie und Praxis Inhaltsverzeichnis: Einleitung 2 Aufbau von analogen Telemetriesystemen 1. Analoge 1- und 2-Kanal Telemetriesysteme Aufbau und Funktionsweise B1A und B2A, Applikationsbeispiele 7 Aufbau von digitalen Telemetriesystemen 2. Digitale Telemetriesysteme in PCM-Technik Erzeugung eines PCM-Signals Multiplexen und Demultiplexen Aufbau von Mehrkanal-Telemetriesystemen Synchronisation von Encoder und Decoder HF-Übertragung HF-Modulation Diversity-HF-Empfänger 21 Einsatzbeispiele von digitalen Telemetriesystemen in der Praxis 5. PCM-Telemetriesysteme Kanal-Telemetrie mit PCM-Modulation Telemetrische Übertragung von TTL-Signalen Programmierbare 8-Kanal-Telemetrie Hochkompakte, programmierbare Telemetrie mit Kanälen KFZ-Telemetrie-Messlenkrad Kanal Thermo-Telemetrie Komponeneten-Messrad für Fahrversuche, WFT Komponeneten-Messrad für Brems- und Antriebsmomente, TWT Rotations-Telemetriesysteme, CT4-Weel P32 Messen mit 350 Sachen Telemetriesysteme für Pass-By-Noise, Akustikmessung am Fahrzeug Messung der beschleunigten Vorbeifahrt mit Telemetrie Signalübertragung aus dem Fahrzeug mit MOPS Modulares-Mini-Telemetriesystem Applikationsbeispiele mit MT

2 Telemetrie - Messtechnik Theorie und Praxis Dipl.-Ing. Werner Schnorrenberg, CAESAR Datensysteme GmbH, München Die Erfassung von Messdaten an schwer zugänglichen oder räumlich begrenzten Orten und ihre störsichere Übertragung zu einer mehr oder weniger weit entfernten Wiedergabestation, stellt oft eine besonders knifflige Messaufgabe dar. Telemetriesysteme bieten für solche Fälle flexible Lösungen - sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen. Waren Telemetriesysteme in den vergangenen Jahren noch exotisch anmutende Messgeräte, hauptsächlich in Luft- und Raumfahrt eingesetzt, ist der Begriff Telemetrie spätestens seit wachsender Popularität der Formel1 allgemein bekannt geworden. Fernsehreporter geben regelmäßig darüber Auskunft, dass während des Rennens Motor- und Fahrzeugdaten telemetrisch zur Box übertragen werden, dort ausgewertet und neue Einstellwerte vom Leitstand zurück zum Rennboliden geschickt werden. In der industriellen Messtechnik sind Telemetriesysteme inzwischen zu einem festen und unverzichtbaren Bestandteil geworden und erobern durch ihre Flexibilität und Anwendungsvielfalt ständig neue Einsatzbereiche. Der nachfolgende Artikel soll einen Überblick über den technischen Stand der modernen Telemetrie-Messtechnik geben und deren Einsatzmöglichkeiten in Forschung, Entwicklung und Produktion näher beschreiben. Sensor Messwerterfassung Signalverarbeitung Sensor Telemetrie Sender Telemetrie Empfänger Messwerterfassung Signalverarbeitung Bild 1: Konventionelle (oben) und telemetrische Übertagung von Sensordaten (unten) Standardmäßig werden Sensoren zur Ermittlung physikalischer Größen, wie Dehnungsmessstreifen, Thermoelemente NiCrNi, Potentiometer, Druckaufnehmer, Piezoaufnehmer, kapazitive Beschleunigungssensoren, u.s.w. über abgeschirmte oder verdrillte Leitungen mit dem nachgeschalteten Messwerterfassungssystem verbunden. In vielen Fällen ist es aber sehr schwierig oder auch unmöglich eine elektrische Verbindung zwischen Sensor zur Messwerterfassung zu realisieren. Dann liegt ein klassische Einsatzfall für Telemetrie-Messtechnik vor. Beispiel: Es besteht die Aufgabe, das Drehmoment (Nm) von der Kardanwelle eines PkW s, zu einer im Fahrzeuginnenraum positionierten Messwerterfassungsanlage zu übertragen. Als Sensor wird ein Dehnungsmessstreifen (DMS) in Vollbrücke 2

3 verwendet, der zur Messung der Torrosion auf die Kardanwelle geklebt wird. Da von der drehenden Kardanwelle keine elektrischen Verbindungsleitungen zur Messwerterfassungsanlage verlegt werden können, muss die Übertragung der Messsignale telemetrisch, d.h. berührungslos erfolgen. Telemetriesysteme kommen grundsätzlich da zum Einsatz, wo Kabelverbindungen zwischen Messwertaufnehmer (Sensor) und Signalerfassung nicht möglich sind, gleichgültig ob die zu überbrückende Entfernung nur einige Millimeter oder Kilometer beträgt. Telemetrie-Messtechnik erfüllt prinzipiell die Aufgabe des Leitungsersatzes zwischen Sensor und Signalverarbeitung und ermöglicht das berührungslose Messen und -Übertagen elektrischer Signale. 1. Analoge 1- und 2-Kanal-Telemetriesysteme 1- und 2-Kanal-Telemetriesysteme werden vorwiegend für rotierende Applikationen eingesetzt, wie z.b. zur Übertragung von Drehmomenten, Schwingungen oder Temperaturen von drehenden Wellen, Achsen, Flanschen, Rädern, Scheiben, Schaufeln, Flügeln oder Propellern. Der Telemetrie-Sender (Rotorelektronik) ist in einem kleinen, und stabilen Metallgehäuse untergebracht, entweder in flacher Bauform für radiale- oder runder Bauform für axiale Applikationen. Da die Rotorelektronik nur ca. 15g wiegt, beeinflusst sie Steifigkeit, Masse und Unwucht der Welle nur unwesentlich. Die am Gehäuse seitlich herausgeführten Lötanschlüsse dienen zum Anschluss von Sensor, Antenne und Stromversorgung. Bild 2 zeigt unterschiedliche Ausführungen von 1- und 2-Kanal-Rotorelektoniken, sowie ein komplettes Telemetriesystem mit Sender und Wiedergabe im Transportkoffer. Bild 2: 1- und 2-Kanal-Telemetriesender für radiale und axiale Montagen (links) und komplettes Telemetriesystem (B1A) mit Montagematerial im Transportkoffer (rechts) 1.1 Funktionsweise einer 1- Kanal-Telemetrie für rotierende Applikationen Den prinzipiellen Aufbau eines analogen 1-Kanal-Telemetriesystems zeigt Bild 4 und das Beispiel einer Applikation auf einer Antriebswelle mit DMS-Sensor Bilder 5 und 6. Zunächst werden DMS und Rotorelektronik auf der Welle befestigt und eine elektrische Verbindung zwischen Sensorausgang und den Lötanschlüssen der Rotorelektronik hergestellt. Die Rotorelektronik versorgt die DMS-Brücke mit einer konstanten Brückenspannung. Das Ausgangssignal der Messbrücke wird von der Rotorelektronik einstellbar um Faktor verstärkt und mit einer Grenzfrequenz von f g =1 khz 3

4 gefiltert. Die Auswahl der Signalverstärkung erfolgt durch Anbringen von Lötbrücken oder Widerständen auf der Kontaktleiste der Rotorelektronik. Anschließend durchläuft das Signal einem linearen Spannungs-/Frequenz-Wandler, der aus dem verstärkten und konditionierten Eingangssignal von max. +/-5V ein proportionales Frequenzsignal von khz erzeugt. Mit diesem Schaltungstrick gewinnt man ein hohes Maß an Messdynamik, indem zur hochdynamischen und genauen Übertragung auch sehr kleiner Eingangssignale, grundsätzlich alle Signalspannungen in amplitudenkonstante, frequenz-variable Messwert gewandelt werden (Bild 3). A 5V Eingangssignal +5V A' Ausgangssignal t 5kHz 15kHz -5V -5V u/f-wandler f/khz Bild 3: U/F-Wandlung des Sensorsignals Dabei gilt: Der entstehende Frequenzhub (Delta f) ist proportional äquivalent der momentanen Signalamplitude (A) und die Modulationsfrequenz (fm) entspricht der Signalfrequenz (fe). Bei der HF-Übertragung von Sensorsignalen arbeiten Telemetriesysteme grundsätzlich mit Frequenzmodulation (FM), weil die abgestrahlte Leistung bei FM - im Gegensatz zu AM - unabhängig von der Signalamplitude konstant bleibt. Außerdem sind frequenzmodulierte Signale sehr störfest gegenüber Amplitudenüberlagerungen und Störeinstrahlungen (EMV), da die gesamte Information ausschließlich in einer Änderung der Frequenz enthalten ist. ROTOR SENSOREN Rotorelektronik TE u/f +/-5V Sender DMS Empfänger PT100 Shunt-Kalibr. Poti Ringantenne Messergebnis: Frequenz-Modulation Träger: 10, MHz max. 38mm Stromversorgung induktive Übertragung 22kHz Induktivkopf STATOR Wiedergabe Sender (Power) Empfänger f/u Stromvers. Kalibr. U F RS232 DC AC TTL-Sig. Kal. Bild 4: Blockschaltbild einer analogen 1-Kanal-Telemetrie, Typ B1A 4

5 Nach der Frequenzkonvertierung wird das Messsignal dem Eingang eines in der Rotorelektronik integrierten Miniatur-HF-Senders zugeführt, dessen HF-Ausgangssignal zur Abstrahlung auf eine Kupfer-Ringantennen geleitet wird, welche in Form einer einzelnen Drahtwindung um die Welle herum ausgeführt ist. Die Trägerfrequenz der Rotorelektronik ist wählbar zwischen 10 bis 40 MHz, so dass bis zu 7 Systeme am gleichen Ort betrieben werden können, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen. Durch Verwendung eines weiteren Trägerfrequenzoszillators auf dem gleichen Chip, ist neben der 1-kanaligen Standardlösung (B1A) auch eine 2-Kanal- Version (B2A) möglich. 1 Kanal-Telemetriesystem, B1A für Drehmomentmessungen auf rotierenden Antriebswellen Wiedergabeeinheit Welle (rotierend) Sensor (DMS, Thermo oder 0...5V) Anschlußkabel, 5m Induktiv- und Empfangskopf (stationär) LCD-Display Verstärkung Offset Spannungsversorgung V= Analogausgang +/-10V, +/-5V Frequenzausgang 10 khz, +/- 5kHz <=38mm Distanz Rotor Elektronik Mu-Metall Einkanal-Rotorelektronik Ringantenne (Cu) Bild 5: Schematischer Aufbau einer Rotortelemetrie (B1A) zur Messung von Drehmomenten auf einer rotierenden Antriebswelle Zum Empfang des HF-Signals, wird ein Empfangskopf (Stator) in geringem Abstand zur Ringantenne befestigt. Vom Empfangskopf wird das verstärkte HF-Signal einer Wiedergabeeinheit zugeführt. Dort wird das frequenzmodulierte Signal demoduliert, f/u-gewandelt, amplitudenverstärkt, gefiltert und steht an den Ausgangsklemmen der Wiedergabeeinheit als normiertes +/-5 oder +/-10 Volt-Signal oder als Frequenzsignal 10 khz, +/- 5 khz zur weiteren Signalverarbeitung zur Verfügung. Zur einfachen und schnellen Funktionskontrolle und Nachjustierung des gesamten Meßsystems, kann von der Wiedergabe aus per Knopfdruck jederzeit eine drahtlose Shunt-Kalibration auch im laufenden Versuch ausgelöst werden. Wird die Rotorelektronik auf der rotierenden Welle mit Hilfe einer 9-Volt-Batterie versorgt, ist der Messaufbau hiermit abgeschlossen. Die Spannungsversorgung mit Batterie oder Akku hat jedoch den Nachteil, dass die Telemetrie nur eine begrenzte Zeit von etwa 8 Stunden betriebsbereit ist. Um einen Dauerbetrieb des Systems in Maschinen, Fahrzeugen oder Prüfständen zu ermöglichen, muss die Rotorelektronik induktiv spannungsversorgt werden. Zu diesem Zweck befindet sich im Empfangskopf 5

6 ein induktiver Leistungsübertrager, der ein starkes, niederfrequentes Wechselfeld erzeugt. Diese Wechselfeld induziert nach dem Transformatorprinzip eine Wechselspannung in die Ringantenne, welche in der Rotorelektronik gleichgerichtet wird und zu deren Stromversorgung dient. Mit diesem Schaltungstrick wird die Rotorelektronik ferngespeist und ist damit für Dauerversuche geeignet (Bild 5/6). Zu beachten ist hierbei, dass der Induktivkopf nicht weiter als 4 cm von der Leiterschleife montiert wird, da ansonsten die induzierte Leistung nicht mehr ausreicht und die telemetrische Übertragung abreißt. Weiterhin muss die um die Welle gelegte Ringantenne zur magnetischen Isolierung mit MU-Metall unterlegt werden, da ansonsten das Magnetfeld des Induktivkopfes vom Ferritanteil der Welle aufgesaugt wird, und sich der Wirkungsgrad der induktiven Übertagung erheblich reduzieren würde. Bei sehr großen Wellendurchmessern (>1m), wie z.b. bei Antriebswellen von Walzwerken, kann ein Resonanzabgleich der Ringantenne mit Hilfe von Kondensatoren erforderlich sein. MU-Metall Ringantenne, Kupferband Rotorelektronik DMS Induktivkopf Bild 6: Kontinuierliche, telemetrische Drehmomentmessung auf einer Kardanwelle mit induktiver Versorgung der Rotorelektronik (2-Kanal-Telemetriesystem, Typ B2A). 6

7 Applikationsbeispiele Sensoren DMS Rotorelektronik Ringantenne Bild 7: Betriebsfestigkeitsmessung einer PKW-Schwungscheibe mit 2-Kanal-Telemetrie zur Messung von Zug- und Druckspannungen während des Betriebs. Antenne axial appliziert, Spannungsversorgung induktiv Bild 8: Applikation einer 1-Kanal-Telemetrie an einer Förderkette zur Bestimmung der Kettenzugkräfte. Eine DMS-Vollbrücke wird an einem Kettenglied angebracht. Die Zugkraft wird an die in einem Kettenglied montierten Rotorelektronik weitergegeben. Das Gewicht der Rotorelektronik ist mit 15 g so minimal, dass es das Messergebnis nicht beeinflusst. 7

8 Bild 9: Prüfstand mit berührungsloser Messtechnik zur Ermittlung von Drehmomenten (Nm) und Drehzahl auf einer Antriebswelle eines E-Motors. Durch Multiplikation von Drehmoment mit Drehzahl wird die Antriebsleistung ermittelt. Bild 10: 4-Kanal-Telemetrie zur Messung von Temperaturen auf einem Bremsenprüfstand. Als Sensoren werden NiCr-Ni, Typ K Thermoelemente eingesetzt, mit einem Messbereich von C entsprechen V Ausgangsspannung an der Wiedergabe. Die Stromversorgung der Telemetrie erfolgt induktiv, so dass ein Dauerlauf des Prüfstands gewährleistet ist. 8

9 Agro-K45.asc :00-3:50-3:40-3:30-3:20-3:10-3:00-2:50 Agro-Hinten-r [Nm] Agro-vorn-r [Nm] min:s Agro-k45: ganz langsam ohne Allrad in der Halle ca. 3 Radumdrehungen vorne: Agro-K :00-3:55-3:50-3:45-3:40-3:35-3:30-3:25-3:20 Agro-Hinten-r [Nm] Agro-vorn-r [Nm] Agro-k46: langsam vor der Halle mit Allrad vorwärts Agro-K47 min:s :00-3:55-3:50-3:45-3:40-3:35-3:30-3:25-3:20 Agro-Hinten-r [Nm] Agro-vorn-r [Nm] min:s Agro-k47: langsam vor der Halle mit Allrad rückwärts Bild 11: Messung von Kräften und Drehmomenten an landwirtschaftlichen Maschinen (FH-Köln) Bild 12: Drehmomentmessung an einer Kardanwelle (BMW München) 9

10 DMS 1 DMS 2 Bild 13: Applikation einer 2-Kanal-Telemetrie (B2A) zur kontinuierlichen Messung von zwei Drehmomenten einer Antriebswelle mit Hilfe von zwei DMS-Sensoren Stator Rotor Bild 14: 1-Kanal Telemetriesystem für axiale Montage an das Wellenende, Infrarot-Datenstrecke mit induktiver Versorgung der Rotorelektronik und DMS, geschlossenes Gehäuse mit lagergebundenem Statorbaustein für axiale Montage (Flanschdurchmesser 140 oder 90mm) 10

11 Bild 15: 1-Kanal-Telemetrie zur Öldruckmessung in einem Formel-1-Motor Bild 16: 1-Kanal-Telemetrie zur Drehmomentüberwachung an einem Walzwerkantrieb 11

12 Bild 17: Fertig applizierte 1-Kanal Telemetrie auf einer Antriebswelle zur kontinuierlichen Erfassung von Drehmomenten 12

13 2. Digitale Telemetriesysteme in PCM-Technik Sollen mehrere Kanäle nach der beschriebenen, analogen FM-Technik übertragen werden, müssen mehrere unterschiedliche Trägerfrequenzen und eben so viele selektive HF-Empfänger verwenden werden, was das Kosten/Nutzen-Verhältnis unverhältnismäßig vergrößern würde. Die Lösung des Problems bietet die digitale Überragungstechnik. Die eigentliche Aufgabe von Mehrkanal-Telemetriesystemen besteht darin, die einzelnen Kanäle zeitlich so miteinander zu verschachteln und zu bündeln, dass sie am Ausgang auf einer 2-Draht-Leitung zur Verfügung stehen und über einem einzigen HF-Sender abgestrahlt oder über LWL bzw. Datenleitung übertragen werden können. Diese Art der Übertragungstechnik wird durch Digitalisieren, Multiplexen und PCM-Encodieren sämtlicher Kanäle realisiert. Die digitale PCM-Übertragungstechnik (Puls-Code-Modulation) wird seit vielen Jahren in der Kommunikations- und Nachrichtentechnik eingesetzt, z.b. weltweit zur Übermittlung von Fernsprechkanälen. Selbst im Konsumerbereich macht die PCM neuerdings von sich Reden, wo sie zur Übertragung von Audiosignalen über die Fire- Wire-Schnittstelle zwischen digitaler Video-Kamera und PC eingesetzt wird. Die Vorteile der PCM-Übertragungstechnik sprechen für sich: gleichbleibender Signal/Rausch-Abstand durch Digitalisierung des Signals Mehrfachausnutzung eines Nachrichtenkanals durch Multiplexing sehr störfeste Signalübertragung, geringe Empfindlichkeit gegen Übersprechen direkte Übernahme und Verarbeitung des empfangenen digitalen PCM-Signals in einem PC Sender A t Encoder a(t) in TP f Gg A D P 12 1 S Takt, t S PAM Empfänger bitparallel wortseriell PCM Decoder bitseriell Übertragungsweg a(t) out f g TP A D 12 P S 1 Bild 18: Blockschaltbild einer 1-Kanal-PCM-Übertragungsstecke 13

14 2.1 Erzeugung eines PCM-Signals Die Pulscodemodulation (PCM) spielt bei der Erfassung, Übertragung und Auswertung von Messwerten eine immer größer werdende Rolle. Nachfolgend soll die Erzeugung eines digitalen PCM-Signals und der Prozess der Abtastung, Quantisierung, und Codierung näher beschrieben werden. Das Meßsignal a(t) wird zunächst pegelangepasst (konditioniert) und in seiner Bandbreite gefiltert (Bild 18). Dem folgt als wesentliche Schritt, die Diskretisierung des kontinuierlichen Messsignals. Ein elektronischer Schalter (Sample & Hold), gesteuert von einem Taktgenerator, entnimmt dem Messsignal einzelne Signalproben, wobei die Pulsamplitude jedes Mal dem Augenblickswert der analogen Eingangsspannung entspricht. Auf diese Weise erhält man am Ausgang des elektronischen Schalters ein pulsamplitudenmoduliertes Signal, das PAM-Signal. Das Abtasttheorem gibt an, mit welcher Mindestfrequenz ein analoges Signal abzutasten ist, damit ohne Informationsverlust aus den Abtastwerten wieder das ursprüngliche Signal gewonnen werden kann. Die Abtastfrequenz (f S ) muss größer sein als das Doppelte der höchsten im analogen Signal enthaltenen Frequenz (f g ): f S > 2 f g In der Praxis werden 4 bis 5 Abtastwerte (Samples) je Hz Bandbreite entnommen. Die Wirkung von Pulsamplitudenmodulation wird bei einer Betrachtung der Signale im Zeit- und Frequenzbereich deutlicher (Bild 19). Beim Abtasten entsteht eine Pulsfolge, die nach der Fourieranalyse durch einen Gleichanteil und eine Summe von sinusförmigen Spannungen, die ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz sind, dargestellt werden kann. Im Frequenzbereich erzeugen die Abtastpulse systematisch Spektrallinien im Abstand von f S. Rechts und links dieser Träger entstehen Modulationsseitenbänder - ähnlich der Amplitudenmodulation - mit oberen und unteren Seitenbändern bei f S -f g, f S +f g, 2f S +f g, 2f S -f g, u.s.w.. Die Information steckt in jedem Seitenband, zur weiteren Übertragung wird jedoch lediglich das rot markierte Basisband verwendet. Aus dem Frequenzbereich wird auch ersichtlich, dass bei einer Vergrößerung der Signal-Grenzfrequenz die Modulationsseitenbänder sich ausweiten und ineinander fallen würden. In diesem Moment entsteht das sog. Aliasing, welches nur durch eine höhere Abtastrate verhindert werden könnte. In der Praxis tritt dieses Problem nicht auf, da das Signal schon im Eingang durch einen Tiefpass (Anti- Aliasing-Filter) bandbegrenzt ist. 14

15 Zeitbereich Fourier-Analyse Frequenzbereich A t A f Signal t f f g S t S f fs = 1/ts Abtast-Pulse (Dirac-Pulse) t f S 2f S f A f * S f A t * S t PAM t f f g f s -f g f s f s +f g 2 f Bild 19: Abtastvorgang im Zeit- und Frequenzbereich Das pulsamplitudenmodulierte Signal in Bild 18 ist immer noch eine analoge Form des Einganssignals. Die Abtastwerte lassen sich aber viel besser in digitaler Form übertragen und weiterverarbeiten. Zur abschließenden Quantisierung und Codierung, wird das PAM-Signal einem 12-bit-A/D-Wandler zugeführt. Der A/D-Wandler konvertiert (quantisiert) die einzelnen PAM-Impuls entsprechend ihrer momentanen Amplitude in 12-bit-Worte, einer digitalen Auflösung von 1024 Schritten. Ein PAM- Impuls der Amplitude 1 Volt wird demnach mit einer Auflösung < 1mV digitalisiert. Das digitalisierte PAM-Signal nennt man PCM-Signal. Auf den 12-Bit-A/D-Wandler folgt ein Parallel/Serien-Wandler, der die 12-bit-Worte in einen bitseriellen Datenstrom umsetzt und sich das Signal auf einer Datenleitung, LWL oder über eine HF-Strecke übertragen lässt. Damit der Empfänger auf den serielle Datenstrom synchronisieren kann, werden vor jedem Datenwörtern noch sog. Synchronbits mit übertagen. Auf der Empfangsseite geschieht der Gleiche, nur rückwärts. Nach erfolgter Serien/Parallel-Wandlung werden die 12-bit-Worte mit Hilfe von D/A-Wandlern in PAM-Signale umgesetzt und durch ein Tiefpassfilter von zeitdiskreten zu amplitudenkontinuierlichen Signalen geglättet. Jeder einzelne Signalwert ist gleich dem Mittelwert des entsprechenden Quantisierungsintervalls. Nach Verstärkung zur Pegelanpassung steht das ursprüngliche Messsignal a(t) wieder zur Verfügung. 15

16 2.2 Multiplexen und Demultiplexen Multiplexen ermöglicht das mehrkanalige, synchrone Übertagung von PCM-Kanälen. Wie aus Bild 18 und 19 zu erkennen, nehmen die Abtastpulse jeweils nur eine sehr begrenzte Zeitdauer in Anspruch und zwischen ihnen liegen verhältnismäßig große freie Zeitlücken. Nach dem Zeitmultiplexverfahren kann man die 12-bit-Codewörter von mehreren zu übertragenden Signalen zeitlich so staffeln, dass sie sich gegenseitig nicht beeinflussen, sondern nur die sonst freien Lücken ausfüllen. So entsteht ein PCM-Multiplexsignal. Das Grundprinzip der zeitlichen Verschachtelung mehrerer Nachrichten (Codewörter) in einer Weise, dass sie über eine gemeinsame Leitung übertragen werden können, veranschaulicht Bild 20. Sender 12-bit-Codewort Empfänger K1 Übertragungsstrecke K1 K2 A Pulsrahmen B K2 K3 K3 Zeitschlitz K4 K4 einzelne PCM-Kanäle Multiplexen PCM-Zeitmultiplex- Kanal Demultiplexen einzelne PCM- Kanäle Bild 20: Prinzipdarstellung der Zeitmultiplexbildung und der Demultiplexbildung Die Vorgänge beim Multiplexen werden vollelektronisch abgewickelt. Zur Erläuterung des Prinzips zeigt Bild 20 vier Einganssignale, die von einem umlaufenden Schalter A zyklisch abgetastet werden. Synchron mit der Folge der ankommenden Codewörter wird der Schalter A auf den nächsten Eingang gesteuert. Am Ausgang des Schalters A steht dann das PCM-Zeimultiplexsignal zur Verfügung. Der Zeitabschnitt, in dem ein Codewort übertragen wird, heißt Zeitschlitz (Time Slot). Eine Bitfolge, die von jedem Eingangssignal ein Codewort enthält, bezeichnet man als Pulsrahmen. Für das aufgeführte Beispiel in Bild 20 besteht ein Pulsrahmen aus vier aneinandergereihten Codewörtern der Eingangssignale K1...K4. Die erforderliche Abtastfrequenz des Multiplexer zur vollständigen Übertragung der digitalen Informationen beträgt f S > 2 x f g x Kanalanzahl Auf der Empfangsseite werden aus dem Zeitmultiplexsignal die einzelnen PCM- Signale zurückgewonnen, d.h. die 12-bit-Codewörter werden auf die entsprechenden Ausgänge verteilt. Der umlaufende Schalter B verteilt im Synchronlauf die Codewörter auf die vier Ausgänge. Wie bei der Zeitmultiplexbildung auf der Senderseite, laufen die Vorgänge beim Demultiplexen vollelektronisch ab. 16

17 3. Aufbau von Mehrkanal-Telemetriesystemen Bilder 21 und 22 zeigen den prinzipiellen Aufbau eines Mehrkanal-Telemetriesystems, als Beispiel mit 4 Übertragungskanälen. Das PCM-Übertragungssysteme besteht im wesentlichen aus zwei Einheiten, einem PCM-Encoder zur Erfassung und Codierung der Messwerte auf der Sendeseite und einem PCM-Decoder zur Decodierung und Ausgabe der Messwerte auf der Empfangsseite. Im Encoder werden folgende Funktionen durchgeführt: Signalaufbereitung des analogen Eingangssignals (Sensorsignal) Bandbreitenbegrenzung durch TP-Filter Simultane Signalabtastung durch einen Sample & Hold Verstärker A/D-Wandlung (ADC) des abgetasteten Signals Parallel-Serien-Wandlung der 12-bit Wörter Einblendung von Synchronzeichen Konvertierung in einen PCM-Code FSK-Modulation eines HF-Sender PCM-ENCODER K1 Signalaufbereitung Anti- Aliasing Filter S&H ADC 12 bit 12 P/S- 1 Wandler K2 K3 Signalaufbereitung Anti- Aliasing Filter Signalaufbereitung Anti- Aliasing Filter S&H S&H ADC 12 bit ADC 12 bit P/S- Wandler P/S- Wandler Multiplexer HF- Sender K4 Signalaufbereitung Anti- Aliasing Filter S&H ADC 12 bit P/S- Wandler simultan sampling Abtastrate Bild 21: Blockschaltbild eines PCM-Mehrkanal-Encoders Der Decoder auf der Empfangsseite erfüllt folgende Aufgaben: selektive Verstärkung und Demodulation des HF-Signals Regenerierung des eintreffenden seriellen PCM-Signals Erzeugung eines zum Eingangssignal synchronen Taktes Erkennung der Synchronzeichen und Generierung der zugehörigen Messwertadressen Ausgabe von Daten in bit-paralleler, wort-serieller Form an eine PC- Interfacekarte (IF16) D/A-Wandlung der Daten und Ausgabe als analoges Signal 17

18 PCM-DECODER PCM-out 1 S/P- Wandler 12 DAC 12 bit TP- Filter K1 HF- Empfänger Demultiplexer PCM-Decoder S/P- Wandler S/P- Wandler DAC 12 bit DAC 12 bit TP- Filter TP- Filter K2 K3 S/P- Wandler DAC 12 bit TP- Filter K4 Abtastrate simultan Sampling Bild 22: Blockschaltbild eines PCM-Mehrkanal-Decoders 3.1 Synchronisation von Encoder und Decoder Damit der Decoder in der Lage ist, die zeitliche Zuordnung der digitalisierten Messwerte wieder zu erkennen, wird an eine bekannten Stelle des Abfragezyklus ein sog. Synchronwort eingefügt. Dieses Synchronwort besteht aus einer festen Länge von 4 Bit und wird zum Anfang jedes PCM-Pulsrahmens eingefügt. Der Decoder synchronisiert auf dieses Synchronwort und ist dadurch stets in exaktem Gleichlauf mit dem zugehörigen Sender. Außerdem liefert das Synchronwort über seine Codierung weitere nützliche Informationen, wie z.b. die Batteriekapazität des Senders. Bild 23 zeigt den Aufbau eines einzelnen Pulsrahmens, bestehend aus Synchronwort und 4 Kanälen. Die Länge des seriellen PCM-Pulsrahmens beträgt 4 x 12 bit + 4 bit = 52 bit. PCM-Pulsrahmen sync 4 bit K1 12 bit K2 12 bit K3 12 bit K4 12 bit 1. Datenwort 2. Datenwort 3. Datenwort 4. Datenwort 1. Synchronisationswort 2. Synchronisationswort Bild 23: PCM-Rahmen mit Synchronisationswort, Beispiel: 4 Kanäle Die max. übertragbare Signalbandbreite der einzelnen Kanäle steht in einem direkten Zusammenhang mit der Abtastgeschwindigkeit des Multiplexers. Tabelle 1 gibt einen 18

19 Überblick der erreichbaren Signalbandbreiten (Sb) in Abhängigkeit der Abtastrate (Abt) des PCM-Systems. Die jeweilige Rahmenlänge (s. Bild 23) errechnet sich aus der Anzahl der zu übertragenden Kanäle. Die Übertragungsrate eines Telemetriesystem ergibt sich somit aus dem Produkt von Abtastrate und Rahmenlänge. Übertragungsrate (bit/s) = Abtastrate (Hz) x Rahmenlänge (bit) Bitrate 40 Kbit/s 80 Kbit 160 Kbit 320 Kbit 640 Kbit 1280 Kbit Abt Hz Sb Hz Abt Hz Sb Hz Abt Hz Sb Hz Abt Hz Sb Hz Abt Hz Sb Hz Abt Hz Sb Hz Rahmen länge 16 Kanal bit 8 Kanal bit 4 Kanal bit 2 Kanal bit Abt. = Abtastrate (Hz), Sb = Signalbandbreite der Kanäle Rahmen errechnet sich, z.b. für 8-Kanäle: Berechnung Übertragungsrate, z.b. für 8 Kanäle: 8 x 12 bit = 96 bit + 4 bit sync. = 100 bit Bitrate = 6400 Hz x 100 bit = 640 kbit/s Tabelle 1: Zusammenhänge zwischen Übertragungsrate, Kanalanzahl und PCM- Rahmenlänge 4. 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 Übertragungs- 19

20 systemen, (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 4.1 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 24 zeigt das Signal 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 24: PCM-Signal im Zeitbereich (links) und im Frequenzbereich (rechts) 20

21 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. 4.2 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 25). 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 25: Entstehung von Signalauslöschung durch Reflexionen im Mikrowellen-S-Band Diese Einflüsse lassen sich durch geeignete Auswahl und Anordnung von Antennen und/oder Einsatz von Diversity-Empfangsanlagen deutlich verringern (Bild 26). 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 27). S-Band-Telemetrie-Antennen sind zumeist als Richtantennen mit zirkularer Polarisation ausgeführt (Bild 28). Zirkular polarisierte Antennen haben den Vorteil, unempfindlich gegenüber Polarisationsänderungen des elektromagnetischen Feldes zu sein und ein gleichbleibendes Feldstärkesignal zu liefern. 21

22 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 26: Prinzipschaltbild einer Diversity-Empfangsanalge für den GHz-Bereich 22

23 Antenne 1 Antenne 2 Combiner Bild 27: Diversity-Antennenanlage mit zwei S-Band-Empfangsantennen und Combiner Bild 28: Telemetrie-Empfangsanlage mit vier zirkular polarisierten Rundumstrahlantennen und direkter, digitaler Einspeisung in das PCM-Interface eines CAESAR-MOPS Erfassungssystems 5. PCM-Telemetriesysteme in der Praxis Kanal-Telemetriesystem mit Pulscodemodulation, RTSE600 Eine digitale 1-Kanal-Telemetrie, RTSE600, zeigt Bild 29. Das System dient zur berührungslosen Sensorübertragung von drehenden und bewegten Maschinenteilen und arbeitet über eine Entfernung von bis zu 800m. Es können aktive- oder passive Sensoren angeschlossen werden, wie DMS, LVDT, F/V-Wandler, ICP, kapazitive Sensoren, Thermoelemente, Spannungen und PT100. 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. Sendeteil und Stromversorgung sind zu optimalen Nutzung in getrennten Gehäusen untergebracht. Die PCM- Übertragungsrate beträgt (wie in Kapitel 3.1 beschrieben) 2,5 kbit/s x 16 = 40 kbit/s. Die Empfangseinheit demoduliert das empfangene HF-Signal in einen digitalen PCM- 23

24 Strom. Dieser wird decodiert, analog umgesetzt und über ein Glättungsfilter als Spannung im Bereich +/-5V ausgegeben. Eine Bargraphanzeige signalisiert die Empfangsfeldstärke des HF-Signals und ermöglicht so eine optimale Antennenpositionierung. Übertragungsqualität und Senderbatteriekapazität werden kontinuierlich über zwei LED s angezeigt. Bild 29: Digitale 1-Kanal-Funktelemetrie und Applikation auf einer rotierenden Welle Das digitale PCM-Signal am Ausgang des Decoders kann auch direkt über eine PCM- Verarbeitungskarte (PCI, ISA, PCMCIA) eines PC s eingelesen und mit geeigneter Software weiter verarbeitet werden. PCM-Out Sensor Filter ADC Signalkondititionierung PCM- Encoder HF- Sender HF- Empfäng. PCM- Decoder DAC Filter +/- 5V Analog Out Batterie oder Akku Stromversorgung Bild 30: Blockschaltbild der digitalen 1-Kanal-Telemetrie RTSE600 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 31: Ausgangsspektrum eines 1-Kanal-PCM-Telemetriesenders mit 40 kbit/s Übertragungsrate. HF-Trägersignal (links) und moduliertes HF-Signal (rechts). 24

25 gearbeitet wird. Die Frequenzspektren aus Bild 31 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 433,3-434,5 MHz vier solcher Systeme parallel und gleichzeitig arbeiten, ohne sich gegenseitig zu stören oder die erlaubten Bandgrenzen zu überschreiten. 5.2 Telemetrische Übertagung von TTL-Signalen, TEL1-40kTTL Das System TEL1-40kTTL dient zur telemetrische Übertragung von TTL-Signalen im Bereich von 4 Hz bis 40 khz (Bild 32). Hierbei verschieben die High-/Low-Signale des TTL-Signals die Trägerfrequenz des HF-Senders um +/- 50kHz. Encoder Decoder Bild 32: Telemetriesystem zur Übertragung von TTL-Signalen Das Spektrum der entstehenden FSK-Modulation, bei unterschiedlichen TTL- Eingangsfrequenzen, zeigt Bild 33. 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 33: FSK-Modulation und die resultierenden Frequenzspektren 25

26 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. 5.3 Programmierbares, robustes 8-Kanal-Telemetriesystem, CR2 Eine programmierbare 8-Kanal-Telemetrie für den robusten Einsatz in wassergeschützter Ausführung, für z.b. Messungen an Fahrzeugen im realen Fahrbetrieb, zeigt Bild 34. Das System arbeitet im 70 cm-band wählbaren Übertragungsraten zwischen 40 und 320 kbit/s. Sämtliche Kanäle lassen sich vor Beginn der Messung über RS232-Schnittstelle auf unterschiedliche Sensoreingänge programmieren (DMS, Spannungen oder Thermoelemente), wodurch ein hohes Maß an Flexibilität erreicht wird. Die integrierte, wartungsfreie Akkumulatoreinheit ermöglicht eine einfache und schnelle Installation des Meßsystems. Bild 34: Programmierbare 8-Kanal-Telemetrie CR2 (links) und Konfigurier-Software (rechts) Empfangsseitig besteht die Möglichkeiten, die digitalisierten Sensorsignale über eine PCM-Karte direkt in einem Rechner zu Übernehmen oder als konditionierte, analoge +/-5 Volt-Signale auszugeben. Bild 35/36 zeigt praktische Applikationen des Telemetriesystems. Ein Hersteller von Leichtmetallrädern betreibt einen ZWARP- Dauerlaufprüfstand (ZWARP = Zwei-Axialer Radprüfstand) für Betriebsfestigkeitsprüfungen an Felgen aller Art. Dabei rollen die Räder in einer zylindrischen Lauffläche, welche die Simulation und vergleichende Messungen realer Betriebslasten aus Fahrversuchen am Prüfstand ermöglichen. Die Aufstand- und Seitenkräfte werden am Felgenkörper mittels Dehnungsmessstreifen (DMS) erfasst. Für die Aufzeichnung und Auswertung im Rechner müssen die Signale von der rotierenden Felge an eine statische Wiedergabeeinheit übertragen werden. Zur Lösung der Messaufgabe dient das Felgen-Telemetriesystem CR2. Zur Messung von Druck und Kräften an Tretlagern und Rahmen eines Mountain- Bikes, werden DMS-Sensoren an den zu prüfenden Stellen angebracht. Die 26

27 telemetrische und zeitsynchrone Übertragung sämtlicher Messwerte während der Fahrt übernimmt die CR2, montiert auf dem Gepäckträger des Fahrrads. Bild 35: 8-Kanal-Felgenprüfstand (ZWARP) für Betriebsfestigkeitsmessung Bild 36: Programmierbare 8-Kanal-Telemetrie zur Kräftemessung an Rahmen und Tretlagern eines Mountaine-Bikes (links) und in Miniaturausführung E8T auf einer Radfelge (rechts) 5.4 Hochkompakte, programmierbare Telemetrie für 2 32 Kanäle, E32 Die E32 ist eine programmierbare, hochkompakte Funktelemetrie, zur Übertragung von 4 bis zu 32 Kanälen. Sämtliche Eingangskanäle lassen sich über RS232- Schnittstelle zum Anschluss unterschiedlicher Sensoren programmieren, wie DMS, Thermoelemente oder Spannungen. 27

28 Bild 37: E32, programmierbare Kanal-Sub-Miniatur-Telemetriesystem (links) zur Übertragung von Motordaten aus einem Formel-3-Fahrzeug (rechts) 5.5 Messlenkrad mit Telemetrie, CL2 In Fahrversuchen wird das Serienlenkrad durch das CL2-Meßlenkrad mit eingebauter Telemetrie ersetzt. Im Lenkrad ist ein Akku mit intelligenter Ladeelektronik eingebaut. Von einem am Lenkrad integrierten Messkörper werden das Lenkmoment, der Lenkwinkel, die Lenkgeschwindigkeit, die Vibration und die Drehbeschleunigung gemessen. Die Daten werden an das Wiedergabesystem telemetrisch übertragen und stehen dort als +/-5V oder +/-10V an BNC-Buchsen zur Verfügung. Die Spannungsversorgung erfolgt über einen im Lenkrad integriertem Akku oder induktiv für den Dauereinsatz im Fahrversuch. Bild 38: Telemetrie-Messlenkrad CL2 und Wiedergabeeinheit 28

29 Bild 39: Montage eines Messlenkrades in einem FORD Galaxy Kanal Thermo-Telemetrie, T8 Zur leitungslosen Erfassung und Übertragung von bis zu 8 Temperaturen von Gelenkwellen und Antriebswellen aller Art, dient die ringförmig aufgebaute Thermo- Telemetrie T8. Hierbei werden Temperaturen von bis zu 8 Stück NiCr-Ni Typ K Thermoelementen von -100 C C bzw C C mit einer Genauigkeit von 1% per Funk zu einer kompakten Auswerteeinheit übertragen und dort als +/-10 Volt-Signale linerarisiert ausgegeben. Die Stromversorgung des Telemetriesystems erfolgt entweder über eine im Gehäuse integrieten1,5 Volt-Batterie (8 Stunden) oder durch induktive Versorgung für den Dauereinsatz. Sämtliche Kanäle werden mit 12 bit digitalisiert und mit 10 Messwerten/Sekunde übertragen. Neben der ringförmigen Ausführung, ist die Thermo-Telemetrie auch im kompakten Miniaturgehäuse (Bild 41) mit den Abmessungen 60mm x 35mm x 10mm lieferbar. 29

30 Bild 40: T8 8-Kanal Thermo-Telemetrie mit kompakter Wiedergabeeinheit Bild 41: T8U Subminiatur 8-Kanal-Thermotelemetrie zum Anschluss von bis zu 8 Stück Thermoelementen (NiCrNi), Abmessungen: 60x35x10mm Komponeneten-Telemetrie-Messräder (WFT) Die Kenntnis von realen Radlasten im Fahrbetrieb ist eine fundamentale Voraussetzung für die optimale Auslegung von Fahrzeugkomponenten hinsichtlich ihrer statischen und dynamischen Belastbarkeit. Speziell entwickelte Messräder erlauben die Erfassung von translatorischen und rotatorischen Lasten unmittelbar im Fahrbetrieb. Die telemetrisch erfassten und gespeicherten Daten dienen als Vorgabe für die Betriebslasten-Simulation auf dem Prüfstand und für die Lebensdauer- Abschätzungen. Außerdem liefern sie wichtige Informationen über das Fahr- und 30

31 Bild 42: 6-Komponenten Messrad, ohne Schleifring Bremsverhalten unter normalen und extremen Bedingungen. Als besonderes Highlight sind die Telemetrie-Meßräder von CAESAR für überflutete Wegstrecken bei vollständigem Eintauchen der Räder ausgelegt. Das Telemetriesystem ist in einem flachen, ringförmigen Gehäuse untergebracht, das zusammen mit dem Messkörper die mechanische Verbindung zwischen Radnabe und Felge bildet. Das Gehäuse beinhaltet die komplette Signalaufbereitung, für DMS, die Winkel-Encoder und den Temperatursensor, zusammen mit dem Übertragungsmodul für Daten und Stromversorgung. Weitere Sensoren, wie Druck- und Beschleunigungsgeber, LVDT s, RPM, Thermo, usw. können hinzugefügt oder beliebig getauscht werden. Bild 43: Das Vielkanal-Meßsystem MOPS ermöglicht die parallele Erfassung von Radlasten und beliebigen anderen Versuchsparametern und beliebigen anderen Versuchsparametern Die gemessenen Signale - je Rad 3 Kräfte, 3 Momente und 2 Winkelkoordinaten - werden mit einer Abtastrate von 10kHz (!) pro Kanal erfaßt, mit 16bit Auflösung digitalisiert und online weiter verarbeitet. Durch den integrierten DSP ist es erstmals möglich die Lastdaten während der Fahrt abzugleichen, zu kalibrieren und vom rotierenden Rad-Koordinatensystem ins stationäre Fahrzeug-Koordinatensystem zu transformieren. Dabei werden sämtliche Verzerrungen der Meßsignale - z.b. in Folge von Temperaturschwankungen oder auf Grund des unvermeidbaren geometrischen 31

32 Versatzes des Meßkörpers gegenüber der Radebene - automatisch korrigiert. Dies ermöglicht nicht nur eine unmittelbare Überwachung des Versuchs auf dem Display eines mit dem MOPS verbundenen PCs, sondern erspart darüber hinaus auch die bisher übliche, langwierige Nachbearbeitung der Daten. Neben den aufbereiteten Radlasten liefert der DSP auch noch den Drehwinkel, den Laufweg und die Geschwindigkeit des Rades und das alles mit höchster Genauigkeit und Auflösung. So bietet das System beispielsweise in Verbindung mit 14-Zoll-Rädern und bei einer Geschwindigkeit von 180 km/h für jeden Kanal und bezogen auf den Drehwinkel des Rades immer noch zwei Abtastungen pro Grad. Ein einziger "kleiner" MOPS (Baugröße ½ 19 Zoll) erfaßt dabei nicht nur die Signale von zwei oder vier Meßrädern, sondern zeichnet bei Bedarf gleichzeitig auch noch bis zu 80 weitere Meßgrößen auf. Der Anwender wird in allen Testphasen angefangen vom Setup, über die Messung bis hin zur Auswertung durch ein umfangreiches Softwarepaket mit Namen "Road Load Magic" geführt und unterstützt. Alle Ergebnisse und Einstellungen werden zusammen mit der Versuchsbeschreibung und den dazu gehörigen Datums- und Zeitangaben im PC gespeichert, was ein lückenlose Testdokumentation gewährleistet. Bild 44: Die Software unterstützt den Testingenieur in allen Phasen. Alle relevanten Meß- und Berechnungsgrößen werden kontinuierlich online angezeigt Eine Notizbuchfunktion ermöglicht die Speicherung der gesamten Versuchshistorie. Der Status aller Meßwertgeber wird dem Benutzer zusammen mit den berechneten Parametern vom Erfassungsprogramm µ-lab kontinuierlich online angezeigt. So können Fehler (wie z.b. Kabelbruch) während Setup und Versuch sehr schnell erkannt und behoben werden. Die gleiche Testprozedur kann unmittelbar nach Versuchsende benutzt werden, um die aufgezeichneten Meßdaten zu verifizieren. Das gibt dem Testingenieur zusätzliche Sicherheit. Die abgelegten Daten werden mit dem Auswerteprogramm µ-graph innerhalb kürzester Zeit anschaulich dargestellt und interaktiv analysiert. Hierfür stehen eine komfortable Grafik und eine große Anzahl flexibler Analysefunktionen wie z.b. Statistik, Klassierung, Frequenzanalyse uvm. zur Verfügung. Daneben ist ein Datenexport zu vielen weiter verarbeitenden Softwarepaketen wie z.b. RPC III, nsoft, Diadem und Matlab möglich. 32

33 5.8 2-Komponenenten Messrad für Brems- und Antriebsmomente (TWT) Für die Messung von Antriebs- und Bremsmoment wurde der 6-Komponenten Meßkörper von RS-Technologies mit einer Akku-gespeisten Telemetrie kombiniert, mit der gleichzeitig zwei Momentensignale (200 und 3000 Nm) und ein weiterer Meßkanal, wie Temperaturen oder Dehnungen bzw. Reifendruck pro Rad in das Fahrzeug übertragen werden. Besondere Eigenschaften: Gleichzeitig zwei Meßbereiche 200 und 3000 Nm verfügbar Zusatzkanal für weitere Informationen Modularer Aufbau mit wechselbaren Naben- und Felgenadaptern für Räder von 14 bis 18 Wird wie normales Rad montiert, da Radschrauben frei zugänglich Permanente Funkübertragung ohne Kabelverbindung Nullabgleich für alle Kanäle bei Fahrzeugstillstand Betriebszeit über eingebauten Akku: ca. 8 Stunden 12 Kanal-Decoder für 4 Messräder Bild 45: 2-Komponenten-Messrad zur drahtlosen Übertragung von Brems- und Beschleunigungsmomenten (oben) und Empfangsanlage für vier Messräder mit 4 x 3 Kanälen 33

34 5.9 Rotations-Telemetriesysteme, CT4-Weel und CT8-Weel Eine weitere Lösung zur berührungslosen Messung kritischer Parameter von Reifen, Felgen und Bremsen in Fahrversuchen oder auf Prüfständen zeigen Bilder 46 und 47. Das akkugespeiste und wasserdichte Telemetriesystem erfasst 4 bis 8 Kanäle (Kraft, Dehnung, Moment, Temperatur, Reifendruck u.a.m.) vom rotierenden Rad und überträgt die Signale telemetrisch ins Fahrzeug, wo sie in einer Empfangsstation decodiert und als konditionierte +/-5Volt-Signale oder als digitales PCM-Signal zur Verfügung stehen. Zur schnellen und einfachen Montage, wird die Rotations- Telemetrie mit Hilfe einer Peiseler-Platte mit Zentrierstern auf den Radmuttern der Felge befestigt. 16-Kanal-Decoder für 4 Räder Bild 46: 4-Kanal-Radtelemetrie (oben) und Decoder (unten) zur Messung von Bremsscheibentemperatur und Reifenluftdruck im Fahrversuch (Continental TEVES, Frankfurt) Die Übertragungsrate pro Rad beträgt 40kbit/s, wodurch 190 Hz analoge Signalbandbreite pro Kanal zur Verfügung stehen. Bis zu vier Telemetriesysteme mit insgesamt 16 Kanälen können gleichzeitig und parallel betrieben werden. Über ein 34

35 separates QIC-CAN-Modul mit Vector-Karte, können die Telemetriesignale zusammen mit den Daten des zentralen Fahrzeug-CAN-Bus erfasst und verarbeitet werden. Telemetrie-Empfänger im Innenraum des Testfahrzeuges Testfahrzeug Telemetrie-Sender montiert auf allen vier Felgen/Rädern 8-Kanal Encoder 8-Kanal Decoder Bild 47: 8-Kanal-Rotationstelemetrie CT8-Weel zur Übertragung von Sensordaten, wie DMS (Drehmoment), Temperatur (NiCrNi), Beschleunigung (ICP) und Spannungen (V) von Rädern, Felgen, Windrädern, Hubschraubern, u.a.m. 35

36 5.10 P32A...Messen mit 350 Sachen Für Messungen am Rad-Schiene-System, speziell in den Hochgeschwindigkeitszügen der Deutschen Bahn, wurde das Telemetriesystem P32A entwickelt. Es ermöglicht die parallele Erfassung von bis zu 32 DMS-, aber auch Geschwindigkeits- und Winkelkanälen. Durch eine sensornahe Digitalisierung der Messsignale mit 14 bit Auflösung wird eine höchstmögliche Datenqualität erreicht. Die digitale Datenübertragung erfolgt über eine Infrarotstrecke, die Stromversorgung induktiv. Die Signalaufbereitung verfügt über jeweils separate Instrumentierungsverstärker, Antialiasingfilter und A/D-Wandler für jeden Kanal. Trotzdem findet die P32A erstaunlicherweise in einer zentrischen Wellenbohrung mit nur 64 mm Durchmesser ausreichend Platz. Das System hat sich im Einsatz auch bei Tempo 350 bestens bewährt und darüber hinaus auch seine Tauglichkeit für andere Applikationen (z.b. in Kaltwalzwerken) bewiesen. Bild 48: P32A-32-Kanal-Telemetriesystem. Die Kräfte zwischen Rad und Schiene können mit Hilfe der P32A-Telemetrie erfasst und in höchster Qualität übertragen 36

37 5.11 Telemetriesysteme für Pass By Noise, Akustikmessungen am Fahrzeug Sogenannte Vorbeifahrmessungen (englisch: Pass-by-Noise Tests) dienen der Ermittlung der Schallemissionen vorbeifahrender Fahrzeuge, z.b. bei Lkws (Bild 46). Ziel ist dabei naturgemäß die Reduktion des an die Umgebung abgegebenen Geräuschpegels. Für die Optimierung des Lärmverhaltens während der Entwicklungsphase ist es notwendig, die aufgezeichneten Außengeräusche mit Messdaten aus dem in Bewegung befindlichen Fahrzeug wie z.b. Innengeräusch, Geschwindigkeit, Drehzahl (bzw. Gangstellung) und Gaspedalstellung zu korrelieren. Bild 49: Pass-By-Noise-Versuch mit LKW-Zugmaschine Ein Telemetriesystem übernimmt auf der Teststrecke die Aufgabe, die entsprechenden Messsignale im Fahrzeug zu erfassen und aufzubereiten und sie dann simultan und in Echtzeit an einen stationären Meßstand zu übertragen. Das Pass-By-Noise - Telemetriesystem wurde speziell für mobile Akustikmessungen entwickelt und dient zur kabellosen Übertragung von wahlweise zwei oder vier Mikrofonkanälen, jeweils einem digitalen Impulssignal für Drehzahl und Geschwindigkeit und zwei zusätzlichen analogen Unterkanälen für beliebige Anwendungen. Die analogen Messsignale werden in der Sendeeinheit aufbereitet, gefiltert, 16-Bit-digitalisiert und zusammen mit den Digitalsignalen in einem digitalen Bitstrom zusammengefasst, der vom Sender moduliert und abgestrahlt wird. Bild 49: HF-Sender, Encoder, Decoder und Diversity-Empfangsantennen der PBN-Telemertrie 37