Temperatursimulation

Die Steuerelektronik von Großdieselmotoren für Hochseeschiffe erfordert zahlreiche Temperatursensoren, die den korrekten Betrieb der Motoren überwachen. Pickering Interfaces

Für den Systemtest seiner Großdieselmotoren suchte ein Unternehmen, dessen Dieselmotoren in Schiffen und Kraftwerken eingesetzt werden, nach einer kostengünstigen und praktikablen Lösung für die Temperatursimulation. Die Steuerelektronik solcher Großdieselmotoren für Hochseeschiffe erfordert zahlreiche Temperatursensoren, die den korrekten Betrieb der Motoren überwachen. Die Sensoren stellen sicher, dass der Motor im richtigen Temperaturbereich arbeitet und Überhitzungen schnell erkannt werden.

Sensor-Simulationen

Für den Systemtest einen Motor zur Verfügung zu stellen, wäre äußerst zeit- und kostenaufwendig. Sensor-Simulationen sind hier eine kostengünstige Alternative. Diese Vorgehensweise erfordert die Entwicklung eines Motorsteuergeräts (Engine Control Unit ECU) für Schiffsdiesel mit 40.000 kW. Neben anderen ECU-Aufgaben bestand eine Anforderung darin, gleichzeitig 144 Kanäle für PT100-Temperatursensoren zu simulieren. Bei diesen Sensoren handelt es sich im Gegensatz zu Thermoelementen um Widerstandsthermometer (RTDs = Resistant Temperature Detectors). Der Temperaturbereich erstreckte sich bei den Systemtests von -20 bis +250  °C, der Widerstandsbereich reicht von 92,160342 bis 194,074250 Ω. Extrem hoch waren die Genauigkeitsanforderungen. So lag die zulässige Temperaturabweichung beim unteren Grenzwert von -20 °C bei 0,11 °C (entsprechend einer Widerstandsabweichung von weniger als 43 mΩ) und beim oberen Grenzwert von +250 °C bei 0,65  °C (entsprechend einer Widerstandsabweichung von weniger als 220 mΩ).

Die ursprüngliche Vorgehensweise des Kunden bei der Sensor-Simulation war rein manuell. Die Testhardware umfasste 288 Präzisionspotentiometer mit Grob- und Feineinstellung sowie 144 Schalter zur Simulation von Kurzschlüssen und weitere 144 Schalter zur Simulation von Unterbrechungen, um fehlerhafte Verdrahtungen der Sensoren zu simulieren. Alle Komponenten wurden während der Tests manuell justiert beziehungsweise geschaltet. Um Zeit zu sparen und die Wiederholbarkeit zu verbessern, war es notwendig, die Simulation zu automatisieren.

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Die PXI-Plattform wurde als beste Wahl betrachtet, um neue Produktdesigns zu entwickeln. Ausschlaggebend für diese Entscheidung waren zum einen die zahlreichen Stimulus- und Messeinheiten, die bereits als PXI-Module vorhanden waren und zum anderen die Anforderung, RTOS-Software zu unterstützen. Je nach Ausführung bietet das Modul einen Widerstandsbereich von 90 bis 250 Ω beziehungsweise 900 bis 2500 Ω, um PT100- beziehungsweise PT1000-Widerstandsthermometer zu simulieren. Beide Widerstandsbereiche können einen Temperaturbereich von zirka -25 bis +410 °C ihrer jeweils zugeordneten Sensortypen nachbilden.

Die Lösung besteht aus 3 HE PXI-Modulen (Modell 40-262), die je sechs RTD-Simulationskanäle in einem Slot oder 18 Kanäle in zwei Slots unterstützen. Die Module bieten eine Sollwert-Auflösung von 2 mΩ und eine Genauigkeit des Widerstandswerts von besser als 0,1 % auf allen Kanälen. Jeder Simulationskanal kann einen Kurzschluss oder eine Unterbrechung realisieren und so eine fehlerhafte Verdrahtung eines Sensors simulieren. Ein an den Kalibrationsport des Moduls angeschlossenes hochgenaues digitales Multimeter kalibriert die Widerstandskanäle. Zur Programmierung des Moduls werden über die Programmierschnittstelle (API) einfach Widerstandswerte aufgerufen. Die API setzt die Temperaturanforderungen je nach Sensortyp in Widerstandssollwerte um.

In dieser Anwendung stellten acht Module die benötigten 144 PT100-Simulationskanäle zur Verfügung (18 Kanäle je Modul) und belegten dabei 16 Slots im 3 HE PXI-Chassis. Das 40-262 ist ein 3 HE PXI-Modul, das 6, 12 oder 18 Kanäle einer RTD-Widerstandssimulation bietet.

Je nach Ausführung bietet das Modul einen Widerstandsbereich von 90 bis 250 Ω beziehungsweise 900 bis 2500 Ω, um PT100- beziehungsweise PT1000-Widerstandsthermometer zu simulieren. Beide Widerstandsbereiche können einen Temperaturbereich von zirka -25 bis +410 °C ihrer jeweils zugeordneten Sensortypen nachbilden.

(ah)