Messtechnik Bild 4: Sensoren im Modell defekten Sensors ein vollständiger Austausch von Kabel, Sensor und Stecker stattfinden, die stets als komplett vergossene und geprüfte Einheit vorliegen. Dies führt zu Zeitverlusten im Testablauf. Zudem ist die Signalqualität herkömmlicher Sensorik durch elektromagnetische Störungen (EMV) und elektrostatische Entladungen (ESD) beeinflussbar, so wie sie typischerweise im Umfeld der Leistungselektronik (Umrichter) vorherrschen. FBG-Sensoren als Alternative Ein neues und für das HV-Umfeld in vieler Hinsicht geeigneteres Messprinzip stellt dagegen die faseroptische Messtechnologie dar, die Sensoren auf Basis von Faser-Bragg- Gittern einsetzt. Die Sensoren weisen nur sehr geringe Durchmesser auf, bieten durch das rein optische Messprinzip ein perfektes Isolationskonzept gegenüber Hochspannung und sind gänzlich immun gegen jegliche elektromagnetische Störungen. Eigenschaften von FBG-Sensoren und Messtechnologie Faser-Bragg-Gitter (Abk. FBG) sind optische Interferenzfilter im Kern einer Glasfaser. Im Messbetrieb wird in die Faser eingespeistes „weißes“ Licht einer breitbandigen Laserquelle an diesem Interferenzgitter selektiv reflektiert. Speziell entwickelte Sensorik-Technologie bettet die Faser in einer Glaskapillare mit einem Durchmesser von nur 0,51 mm ein. Dies geschieht mechanisch so entkoppelt und spannungsfrei, dass der sensitive Bereich der Faser nur auf die Temperatur-Eigenausdehnung α (T) sowie das Brechungsverhalten von Quarzglas als Funktion f(T) reagiert und nicht etwa auf mechanische Dehnung. Varianten mit zusätzlicher Keramik- und Teflonumhüllung sind mechanisch noch robuster und trotzdem nur auf 1,0 bzw. 1,5 mm vergrößert. Die extrem kleine Bauform und thermische Masse sichert eine entsprechend schnelle Ansprechgeschwindigkeit mit Zeitkonstanten von 100 ms. Solche extremen Dynamiken sind bei Hochlauftests an Elektromotoren relevant. Diese Prozesse lassen sich damit erstmals systematisch beobachten und optimieren (Bild 3). Für die Auswertung der Bragg-Wellenlänge des erfassten Spektrums wird beim FBG-Modul von imc eine innovative Technologie eingesetzt, die eine sehr kompakte, robuste und portable Bauweise ermöglicht. Kombinierbare faseroptische Messmodule Die Vorteile eines FBG-Messmoduls liegen damit auf der Hand: neben der sicheren und störungsfreien Messung durch die fehlende Leitfähigkeit der Glaserfaser ermöglichen die geringen Kabeldurchmesser der Sensoren ein einfaches Handling. Die Fahrzeugaufbauten werden einfacher und nehmen bei der Instrumentierung bis zu 80 % weniger Platz ein. Die kleinen Sensoren bieten ganz neue mechanische Möglichkeiten der Instrumentierung. So kann an Orten gemessen werden, die mit konventioneller Sensorik kaum erreichbar sind, wie beispielsweise in Steckverbindungen, Kabeln oder der Wicklung von Elektromotoren. Prädestinierte Anwendungen also für den E-Mobility und Automotive-Bereich (Bild 4) Dort müssen die neu hinzukommenden, anspruchsvollen Messstellen an HV-Komponenten mit der seit jeher auch im konventionellen Fahrzeug auftretenden Vielzahl von weiteren Sensoren, Messgrößen und ECU-Prozessgrößen gemeinsam aufgezeichnet und korreliert werden. Besonders praktisch, wenn man dann faser optische Messtechnik und klassische Messtechnik synchron miteinander in einer Anwendung betreiben kann. Das faseroptische Modul lässt sich mittels eines Klickmechanismus mit den klassischen elektrischen Messmodulen z. B. für DMS-Messungen wie auch mit einem Datenlogger zu einem kompakten Gesamtsystem verbinden (Bild 5). Damit kann sich der Anwender in Sekundenschnelle sehr flexibel ein maßgeschneidertes Messsystem zusammenklicken, passend zu den aktuellen Anforderungen an die verwendeten Sensoren und Signalquellen. Für jede Messstelle kann so die passende Technologie gewählt werden und das gefährliche HV-Umfeld komplett von Bediener und Mess datenerfassung entkoppelt werden. Dank eines CAN-Interfaces integriert sich das System dabei leicht in jedes bestehende Testumfeld eines Prüfstands oder eines mobilen Versuchsaufbaus. In Summe lässt sich so die Produktivität und Effizienz im Test von Elektrofahrzeugen steigern. ◄ Bild 5: Kombination von Datenloggern und CAN-Messmodulen mit einem faseroptischen Messmodul (rechts) 8 Einkaufsführer Messtechnik & Sensorik 2019
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