Stufenschalter im Härtetest Robuste Transientenrecorder in der Anwendung

Um seine Arbeit gut zu bewältigen, muss ein Stufenschalter eine lange Lebensdauer haben und auch unter Extrembedingungen seinen Dienst tun. Die Härte eines sibirischen Winters muss er ebenso überstehen wie die Hitze eines Sommers in Abu Dhabi, einen Blitzschlag genau so wie Kurzschlüsse durch den Ausfall anderer Geräte im Stromnetz. Um genau dies zu gewährleisten, hat die Maschinenfabrik Reinhausen (kurz: MR) 2008 in Regensburg ein weltweit einmaliges Versuchszentrum eröffnet. Auf 4800 Quadratmeter Fläche wird hier jeder Stufenschalter-Typ vor seiner Erstauslieferung auf seine Tauglichkeit getestet. Die Prüflinge müssen einiges einstecken. Sie werden extremer Kälte oder Hitze ausgesetzt und müssen auch bei einer Erhöhung der Temperatur von minus 70°C Kälte bis auf 130° Hitze wie vorgesehen schalten. Die Temperaturprüfungen erfolgen in entsprechend dimensionierten Ölgefäßen, die mittels Wärmetauschern elektrisch beheizt oder gekühlt werden. Außerdem stehen zwei große Temperaturkammern als Kühlzellen zur Verfügung. In Gestängen aufgehängt, klackern und rattern die Geräte bei jeder Schaltung im 2,5-Sekunden-Takt. Tag und Nacht, sieben Tage die Woche, bis zu drei Monate lang. Die Prüfung soll klären, ob die Mechanik der Schalter während der vorgesehenen Lebensdauer einwandfrei funktioniert. Je nach Typ sollte ein Stufenschalter zwischen 40.000 und 100.000 Mal schalten können, bevor er routinemäßig kontrolliert wird. Vakuumschalter müssen sogar bis zu 600.000 Schaltungen absolvieren. Die Maschinenfabri Reinhausen (kurz MR) testet bis zu 1,5 Millionen solcher Schaltungen – und damit drei Mal so viele wie von der einschlägigen Norm IEC 60214-1 vorgeschrieben. Neben dem mechanischen Dauerlauf erfolgen auch Prüfungen der Schaltfolge, Druck-, Vakuum- und Dichtigkeitsprüfungen. Mit Hilfe von Sensoren, High-Speed-Kameras und Wärmebildern überprüfen die Mechatroniker und Elektroingenieure genau, wie viel Abrieb es im Stufenschalter gibt oder wie sich der Schaltprozess bei Wärme verhält. Außer Stufenschaltern kommen auch die dazu gehörigen Umsteller und Motorantriebe auf den Prüfstand. Vom Drehmoment bis hin zur Beschleunigung Das Messsystem für die mechanischen Prüfungen besteht aus einem Rechner mit integrierten I/O-Karten für die Ansteuerung des Motorantriebs zum Verfahren der Prüflinge, einem Universal-Messverstärker für die Aufbereitung der verschiedenen Sensorsignale, einer Widerstandsmessbox zur Erfassung der Kontaktfunktionen sowie einem Transientenrecorder als Aufzeichnungsgerät. Auf dem Messrechner läuft eine bei MR entwickelte Software. Diese steuert den Motorantrieb in verschiedenen Prüfvarianten und auch weitere automatische Prüfabläufe, wie zum Beispiel die Regelung von Temperatur und Druck. Gleichzeitig werden die unterschiedlichsten Messgrößen aufgezeichnet und ausgewertet. Dazu zählen neben dem Schaltablauf der Kontaktfunktionen auch Weg und Geschwindigkeit, Drehmomente, Drehwinkel und Drehzahl, Temperatur, Druck, Kräfte und Beschleunigungen, sowie mechanische Spannungen mittels DMS-Messtechnik – insgesamt typischer Weise bis zu 32 Kanäle (16 analog, 16 digital), je nach Prüfablauf zum Teil auch mehr. Damit auch schnelle Ereignisse präzise erfasst werden, können die erforderlichen Kanal-Abtastraten dabei – abhängig vom Prüfling – bis zu 50kHz betragen. Schnelle und sichere Messdatenerfassung Für die Messdatenerfassung setzt man bei MR auf den Würzburger Spezialisten für schnelle Messtechnik, LTT Labortechnik Tasler. Die Transientenrecorder vom Typ LTT-184 – eigentlich ja eher die \’Sprinter\‘ unter den Messsystemen – eignen sich auch besonders für Einsätze, bei denen viele Kanäle mit hoher Bandbreite und über längere Zeiträume erfasst werden müssen. Die maximal mögliche Abtastrate pro Kanal liegt je nach gewünschter Auflösung zwischen 2,5MHz bei 16Bit und bis zu 20MHz bei 12Bit. Ein separater Takteingang bietet außerdem die Möglichkeit, zeitsynchron zu externen Ereignissen zu messen. Über USB oder Ethernet lassen sich die Messdaten extrem schnell und online zum PC übertragen, was für die Langzeitüberwachung unabdingbar ist. Über schnelle RAM-Puffer wird dabei sichergestellt, dass auch bei Unterbrechungen keine Daten verloren gehen. Robuste Transientenrecorder für den rauen Dauereinsatz Ein einzelner Recorder verfügt über 8 oder 16 differenzielle Analogeingän­ge und zusätzlich 16 Digital-Inputs. Durch einfaches Kaskadieren mehrerer Geräte ist eine synchronisierte Erfassung aber auch mit viel mehr parallelen Kanälen möglich. Separate A/D-Wandler und Verstärker für jeden Eingang bieten eine simultane Abtastung aller differenziellen Kanäle mit individuell einstellbaren Eingangsbereichen und adaptiven Anti-Aliasing-Filtern. Und das bei höchster und stabiler Langzeitgenauigkeit von typisch 0.05% absolut. Mit den beiden SW-Paketen LTTview und LTTPro sind die Transientenrecorder im Laborbetrieb sehr leicht und komfortabel bedienbar. Daneben erlaubt eine mitgelieferte DLL die Integration in spezielle eigene Prüfstandsapplikationen. Ein Feature, das auch bei MR intensiv genutzt wird, weil sich die Prüfabläufe und Auswertungen dadurch weitestgehend automatisieren lassen, was für die Messingenieure eine große Zeitersparnis bedeutet. Selbst eine hohe EMV-Belastung beeinflusst die Messung nicht Eine weitere, ganz besondere Herausforderung stellt das Messumfeld dar: Es ist so extrem EMV verseucht, dass beispielweise Personen mit Herzschrittmachern das MR-Prüflabor gar nicht betreten dürfen. Die Messgeräte müssen jedoch trotz dieser speziellen Bedingungen über Monate hinweg zuverlässig einwandfreie Ergebnisse liefern. Messfehler oder gar Aussetzer in Folge externer Einstreuungen wä­ren fatal. Aber die sehr robusten und für den rauen Dauerbetrieb konzipierten LTT-Recorder meistern auch diese Aufgabe souverän.