Elektronische Mess- und Diagnosetechnik

Prüfstände

Das Fachgebiet Elektronische Mess- und Diagnosetechnik verfügt über diverse Prüfstände und Messaufbauten, um das Verhalten von Prüflingen unter variablen Bedingungen zu analysieren. Größere Lager- und Antriebsprüfstände ermöglichen die Vermessung von mechanischen Komponenten wie Kugellagern im Betrieb. Mittels des Klimaschrankes können variierende Umgebungstemperaturen simuliert werden. Weiter gibt es noch verschiedenste Messvorrichtungen, um Bauteile zu prüfen und beispielsweise deren Oberflächenbeschaffenheit zu analysieren.

Getriebeprüfstand

Neben dem Verbrennungsmotor ist das Getriebe eine wesentliche Komponente, die die Leistungsfähigkeit und den Wirkungsgrad des gesamten Triebstrangs eines Strassenfahrzeuges beeinflusst.

Durch den Aufbau eines Getriebekompetenzzentrums an der Technischen Universität Berlin möchte wir die Möglichkeit schaffen am Standort Berlin Grundlagenforschung im Getriebebereich zu ermöglichen und so einen
entscheidenden Beitrag zur Weiterentwicklung von Getriebesystemen leisten.

Zu diesem Zweck wird parallel zu den Forschungsvorhaben der nichtlinearen Regelungstechnik, der Verschleissprozesse und der hybriden Modellbildung ein Getriebeprüfplatz aufgebaut. Dieser Prüfplatz soll sowohl für Einzelmessungen als auch für Dauerlaufversuche geeignet sein und sieht den elektrischen Antrieb des Prüflings (Kombination aus Getriebe und Anfahrelement) vor. Um die Simulation des Schub- und des Zugbetriebs zu ermöglichen wird eine elektrische Abtriebsmaschine den Getriebeausgang bremsen oder beschleunigen können. 

Messtechnik
Um das Betriebsverhalten des Prüflings beobachten zu können, ist der Einsatz von zwei Drehmomentmesswellen (an- und abtriebsseitig) vorgesehen. Darüber hinaus sollen unterschiedliche Druck-, Strom- und Temperaturmessmöglichkeiten eine möglichst komplette Erfassung der Systemzustände ermöglichen. Für die Messdatenverarbeitung und die Protokollierung wird ein PXI-System der Firma National Instruments eingesetzt.

Steuerungstechnik
Die Prüfplatzsteuerung erfolgt ebenfalls über das zuvor erwähnte PXI-System, welches die beiden Umrichtereinheiten für die Antriebs- und die Abtriebsseite durch den Prüfzyklus führt und verschiedene Sicherheitsfunktionen realisiert.
Übergeordnet wird eine Sicherheitssteuerung eingesetzt, um einen sicheren Betrieb des Prüfplatzes zu gewährleisten. So werden neben den NOT-HALT Informationen auch die Betriebsart oder Bereitschaftssignale der verbundenen Steuerungen fortlaufend überwacht und entsprechende Handlungen ausgeführt.
Innerhalb der Antriebssterung wird eine sichere Drehzahlüberwachung Safety Limited Speed (SLS) je nach Betriebsart durchgeführt. Im Falle eines NOT-HALT Ereignisses werden beide Antriebe innerhalb von 3 Sekunden auf Drehzahl 0 mit der Funktion Safe Stop 1 (SS1) zurückgefahren. Im Anschluss ist die Funktion Safe Toque Off (STO) aktiv. Diese sorgt dafür das die Motoren keine Momentenanforderungen umsetzen.

Kommunikation mit dem Getriebesteuergerät
Um einen möglichst realitätsnahen Betrieb des Prüfstands zu ermöglichen ist das PXI-System mit CAN-Schnittstellen versehen. Damit soll die Möglichkeit einer Restbussimulation (Momenteneingriff u.ä.) ermöglicht werden.

Gleitlagerprüfstand

Der Gleitlagerprüfstand entstand aus dem Projekt LAROS und dient zur Analyse von Gleitlagern und deren Verschleiß.

Mechanischer Aufbau
Ein Elektromotor treibt hierbei eine Welle, welche in das zu prüfende Gleitlager führt. Dieses ist selbst zwischen zwei Lagerhalterungen fixiert und mit Sensorik versehen.
Über einen pneumatischen Zylinder kann eine kontinuierliche, axiale Last auf das Lager ausgeübt werden, um Verschleiß durch seitlich auftretende Kräfte zu emulieren. 

Erweiterung
Im Jahr 2018 wurde der teststand um ein beheizbares Hydraulikaggregat ergänzt. Das Lager wird mit Hydraulik-Öl geschmiert, wobei hier der Öldruck und eine Öltemperaturwahl zwischen 15 °C und 100 °C einstellbar ist.

Mess- & Steuerungstechnik
Werte wie Drehmoment, Drehzahl, Temperaturen... werden über ein PXI-System aufgezeichnet und anschließend mittels LabView der Firma NI ausgewertet.  

Technische Daten

Drehzahl [max]6000 U/min
Axialkraft [max]3 kN
Einstellbare Öltemperatur15 °C - 100 °C

Asynchronmaschinenprüfstand

Für Versuche zur Messdatenerfassung mit drahtlosen Sensorknoten wurde am Fachgebiet ein Prüfstand für Asynchronmoteren aufgebaut.


Mechanischer Aufbau
Dieser besteht aus einem 3kW-Asynchronmotor als Antrieb und einem Gleichstromgenerator als Bremsmaschine. Des weiteren ist eine Halterung für einen drahtlosen Sensor in die Welle integriert. Diese ermöglicht es u.a. die Beschleunigung der Welle und die Temperatur des Rotors der Asynchronmaschine im Betrieb zu Messen. Darüber hinaus sind Sensoren für die folgenden Größen am Prüfstand angebracht:

  • Drehzahl
  • Drehmoment
  • Drehwinkel
  • Strom (3-Phasen)
  • Spannung (3-Phasen)
  • Körperschall

Anwendung
Dieser Aufbau wird auch dazu genutzt, um Alogrithmen zur Temperaturschätzung zu testen. Dazu wurde ein Modell des Asynchronmotors erstellt und auf einem drahtlosen Sensorknoten implementiert. Mehrere Sensorknoten erfassen unter anderem die Temperatur des Luftkühlmittels und die Momentanleistung am Motor selbst. Diese Messdaten dienen als Grundlage für die Temperaturschätzung. 

Verzahnungsprüfstand mit Magnetpulverbremse

Der Verzahnungsprüfstand dient zur Untersuchung des Verhaltens von Zahnrädern, um beispielsweise sich anbahnende Defekte frühzeitig zu erkennen.

Mechanischer Aufbau
Hierbei werden zwei Zahnräder aneinander gekoppelt und von einem Motor der Firma Mattke angetrieben. Die Wellen, auf denen sich die Prüflinge befinden, sind mit dem Torque Transmittler TE 106 verbunden. So können dynamisch auftretendes Drehmoment und Drehzahl ermittelt werden.
Zusätzlich ist das System einseitig an die Magnetpulverbremse 2PB43 gekoppelt, wodurch die Prüflinge unter eine beliebige Last gesetzt werden können.

Ergänzende Messtechnik
Weitere Sensorik, wie etwa Körperschallsensoren, können an beliebigen Stellen des Systems angebracht werden, um weitere Messdaten zu erfassen und Informationen über den Zustand der Prüflinge zu sammeln.

Messdatenverarbeitung
Die erfassten Daten werden über das PERMODUL-Tischgehäuse analog aufbereitet und über BNC-Kabel zur Digitalisierung weiter übertragen.Regelung und Messdatenerfassung (Digitalisierung) erfolgt über die USB-Messkarte USB6212 der Firma NI und der zugehörigen Software LabView.

Technische Daten - Antriebsmotor

ModellMattke MC19S R0026
Nennleistung1.6 kW
Nenndrehzahl3000 U/Min

Technische Daten - Magnetpulverbremse

ModellMattke 2PB43
Bremsleistung (bei Nenndrehzahl)1 kW
Nenndrehzahl955 U/Min
Maximaldrehzahl (Unerregt)4000 U/min
Maximaldrehzahl (Erregt)8000 U/min

Scheibenläuferteststand

Prüfstandaufbau

Innenansicht

Scheibenläufermotoren zählen zu den Gleichstrommaschinen. Der zugehörige Prüfstand, welcher in der Lehrveranstaltung "Modellbildung und Simulation mechatronischer
Systeme" eingesetzt wird, ermöglicht eine genauere Analyse der Motorengattung. So können verschiedene Ansteuerungsprofile gefahren und über eine NI-Messkarte Werte wie Drehzahl, Spannungen oder Temperaturen während der Laufzeit erfasst werden.

Mechanischer Aufbau
Beim genutzten Prüfling handelt es sich um das Modell 75Z der Firma Mattke. Über eine Welle werden zwei Motoren gleicher Bauart in Verbund betrieben. So arbeitet eine Maschine im Motor- und eine im Generatorbetrieb. Über einen Tachogenerator des Modells T505, ebenfalls der Firma Mattke, an der Welle kann die Drehzahl des Aufbaus erfasst werden. Spannungen können direkt gemessen werden, Strommessungen werden über jeweilige Shunts ermöglicht. Digitalisiert werden die Werte über eine USB6009-Messkarte der Firma National instruments.

Webinterface
Ein Webinterface ermöglicht die Ansteuerung durch Studierende aus dem Universitätsnetzwerk oder per VPN von zu Hause. Über eine Anmeldemaske können sich Studierende am Prüfstandsserver verifizieren. Das Interface ermöglicht den Upload von CSV-Dateien mit Steuerspannungen und Zeitvorgaben. Nach dem Start der Messung kann die korrekte Funktionsweise des Durchlaufs mittels Live-Webcam kontrolliert werden. Am Ende der Versuchsreihe können direkt im Portal Zeitverläufe eingesehen werden. Wahlweise sind die Messwerte in Form einer CSV-Datei herunterladbar.

Über die Spannungsvorgabe wird die Spannung des in Motorbetrieb befindlichen Gerätes gesteuert.

Messtechnik
Folgende Werte des Aufbaus können durch den Prüfstand in Echtzeit erfasst werden:

  • Motorspannung
  • Generatorspannung
  • Motorstrom
  • Drehzahl
  • Motortemperatur

Technische Daten

ModellMattke 75Z
Nennleistung14 W
Nenndrehzahl3000 U/Min
Nenndrehmonent0.045 Nm

Gewächshaus-Prüfstand

Innenansicht

Der Gewächshaus-Prüfstand ist im Rahmen des Projektes BerDiBa entstanden und dient der Untersuchung des Wachstumes einer typischen Bahnrandpflanze unter idealen Bedingungen. Die Broschüre der schweizerischen Bundesbahn (Müller, Kuppelwieser, Arx, & Beyeler, 2001) fasst auf den Seiten 24 und 25 die häufigsten Problempflanzen im Gleisbereich der Bahn zusammen. Von diesen wurde die Spezies Rubus fructicousus (Wilde Brombeere) zur Untersuchung des Wachstums gewählt. Diese wird auch in weiteren Veröffentlichungen der Deutschen Bahn wie (Rühle, 1997) oder des Deutschen Pflanzenschutzdienstes (Eggers, Zwerger, & Aderhold, 2001) als typischer Bewuchs an Bahnstrecken genannt. Des Weiteren konnten in einer stichprobenartigen Begehung des Gleisabschnittes der Berliner Oderlandbahn zwischen den Bahnhöfen Neuenhagen und Fredersdorf zahlreiche Pflanzen dieser Spezies festgestellt werden.

Die wachsende Pflanze wird einmal pro Tag mit einem Stereokamerasystem vollautomatisch vermessen.

Technische Daten

BoxSecret Jardin DR240
Box-größe237 x 237 (L x B)
BeleuchtungLumatek ZEUS 600W PRO 2.9 LED
BelüftungPrimaklima PK250EC-TC
Sensorik2x Basler AC1920-150uc Objektiv Kowa LM8JC1MS 2/3" 8mm/F1.4
1x DHT 22 (Temperatur / Luftfeuchte)
1x DEBO CAP SENS Bodenfeuchtesensor (geplant)
Weitere Datenaugmentierung mittels Webcams (geplant)

Kupplungsscheibenscanner

Der Kupplungsscheibenscanner ist ein Laserprofilmessgerät zur genauen und berührungslosen Vermessung der Reibbelagsoberfläche von Trockenkupplungen.

Funktionsweise
Dieser Laser erfasst kontinuierlich Profildaten entlang der radialen Richtung. Die Gesamtdaten der Reibbelagoberfläche werden durch Drehen der Kupplung mit einem Schrittmotor erfasst. Die Rauheit als zusätzlicher Verschleißkennwert der Trockenkupplung kann mit einem Konfokalmikroskop gemessen werden.

 

Digatron-Batterie-Testsystem

Das Batterie-Testsystem EVT 300-0600-80 kW IGBT der Firma Digatron wurde konzipiert, um Battery-Packs von Elektrofahrzeugen zu testen. 

Funktionsweise

Das System kann hierbei sowohl als Quelle als auch als Senke, im Standalone-Betrieb mit bis zu 80 kW Leistungsabgabe / Aufnahme, der Prüflinge fungieren. Verschiedene Lastprofile können programmiert und vollautomatisch durchfahren werden. Weiter verfügt das System über eine Vollsinus-Netzrückspeisung und kann mit weiteren, baugleichen Schränken für größere Leistungsklassen paralellgeschaltet werden.

Technische Daten

Spannungsbereich0 / 50 V bis 600 V
Strom je Modul300 A / 400 A peak
Leistung je Modul80 kW / 135 kW peak

Klimaschrank

Der Klimaschrank Binder Mk 53 emöglicht die Simulation verschiedener Temperatureinflüsse auf frei wählbare Prüflinge.

Funktionsweise

Der Prüfling wird hierfür in die Versuchskammer des Klimaschranks platziert, welche vollisoliert ist und anschließend verschlossen wird. Der Umweltsimulationsschrank ist  programmierbar und kann bis zu 25 vorab speicherbare Abläufe aufnehmen. So können unterschiedlichste Temperaturprofile und Anstiegs-/Abfallzeiten im Bereich zwischen -40 °C und +180 °C durchfahren werden.

Technische Daten

Einstellbare Temperatur-40 °C bis +180 °C
Mittlere Aufheizgeschwindigkeit4.6 K/min
Mittlere Abkühlgeschwindigkeit4.1 K/min
Volumen Prüflingsraum (L x B x H)402 mm x 402 mm x 330 mm

Rundheitsmessgerät

Rundheitsmessgerät

Das Rundheitsmessgerät Rondcom Touch MA2102JL von Tokyo Seimitsu dient zur Formvermessung von Prüflingen wie beispielsweise Werkstücken aus der Werkstatt.

 

Funktionsweise

Das Werkstück, dessen Rundheut und Unwucht überprüft werden soll, wird auf den luftgelagerten Drehtisch der Messanlage gespannt. Der Tisch wird in Rotation gebracht und eine Messnadel nimmt Die Oberflächenbeschaffenheit beziehungsweise Abweichungen der Rundung auf. Das System ist mittels Touch-LCD steuerbar, die Messdaten können über Bluetooth oder USB übertragen und im Anschluss ausgewertet werden.

Technische Daten

Werkstück Maximaldurchmesser [mm]150 mm
Werkstück Maximalgewicht [kg]15 kg
Maximale Auflösung0.002 µm

Rauhheitsmessgerät

Rauhheitsmessgerät

Das kompakte Rauheitsmessgerät Surfcom Touch 50 von Accretech ermöglicht die Abtastung von Unebenheiten unterschiedlicher Prüflinge.

Funktionsweise

Das zu prüfende Objekt kann eine Fläche sein, eine Rundung oder individuelle Erhebungen vorweisen. EIne Testnadel wird in X-Y-Richtung über den Prüfling geführt. Die gefederte Messeinrichtung wird in Z-Richtung an der Oberfläche des Werkstücks entlang geführt, um die Distanz und somit Unebenheiten genau aufzeichnen zu können. Im Anschluss erfolgt eine digitale Verarbeitung und Speicherung der Messdaten.

Technische Daten

Auflösung (Z-Bereich)0.0001 µm
Maximalauslenkung (Z-Bereich)1000 µm
Messlänge (X-Achse)50 mm