Using the CASMA Filter for Torque Measurements

O sinal de torque em ensaios de motores de combustão exibe um comportamento dinâmico. O motivo disso são vibrações e oscilações causadas pelos ciclos de trabalho individual de cada cilindro. Esses componentes de torque dinâmicos e, periodicamente oscilantes, se sobrepõem à medição do torque de interesse. O filtro CASMA (Crank Angle Sampled Moving Average) ou média móvel da amostragem em função do ângulo do virabrequim, trabalha em sincronismo angular e é independente do tempo, permitindo assim que ele responda automaticamente à mudanças de RPM. Neste artigo você vai aprender como usar o filtro CASMA nos condicionadores de sinal TIM-PN, THIM-EC e PMX da HBM.

Filtros sincrônicos com o tempo

Para garantir controle confiável, um sinal ruidoso deve ser filtrado ou suavizado. Filtros mais usuais como Bessel ou Butterworth trabalham sincronicamente com o tempo com características de passa-baixa.

Filtros angulares

O filtro CASMA (Crank Angle Sampled Moving Average) trabalha em sincronismo angular e é independente do tempo, permitindo assim que responda automaticamente às mudanças de RPM.

Interface Web

Os condicionadores TIM-EC e TIM-PN oferecem um servidor de rede integrado. Neste software, baseado em web browser, você pode fazer todos os ajustes relevantes para usar o filtro CASMA. Os parâmetros de filtro necessários são inseridos através de uma página HTML e verificados quanto à plausabilidade. O ponto de entrada ao filtro CASMA está integrado no menu “Unidades e filtros”.

Funcionalidades do filtro CASMA

Característica de Parametrização

Característica de Parametrização	Função
Divisor de ângulo	Reduz a resolução angular, permitindo assim maiores velocidades rotacionais na mesma largura de janela
Faixa de ângulo (graus)	Faixa de ângulo (largura de janela) no qual a média móvel é calculada
Pseudovelocidade (rpm)	Após a velocidade em rpm, pseudopulsos ou uma pseudovelocidade são gerados. Caso contrário, o filtro pararia de funcionar e o valor medido congelaria.

Funcionalidade da Área de Informação

Funcionalidade da Área de Informação	Função
Rotação máxima (rpm)	O número de pulsos por segundo deve ser inferiores à taxa de amostragem da medição de torque. Caso contrário, a média seria formada pelo mesmo valor medido.
Pulsos por rotação	Vem do número de incrementos e da análise de quadratura. Com análise de quadratura ativada, a resolução angular é quadriplicada.
Resolução angular em graus	Calculada a partir do número de pulsos por rotação e do divisor
Número de valores médios	Computa o número de valores medidos usados para formar a média móvel

Crie um canal matemático

Crie um novo canal matemático “filtro síncrono com rotação” na categoria de Análise.

Ajuste de parâmetros

Entrada de Filtro: Insira o sinal a ser filtrado aqui;
Entrada de Ângulo de Eixo: Insira o sinal do ângulo do sensor de rotação aqui. Os valores medidos devem ser entre 0° e 360°;
Largura de Janela: Especifique a faixa na qual será feita a média móvel. A largura deve ser entre 30° e 720°. O valor padrão é 180°. A razão da largura da janela pela resolução deve ser menor que 180.

A largura da janela pode ser facilmente determinada experimentalmente projetando-se o tempo periódico de perturbação ao ângulo de rotação (veja a imagem da tela). Neste exemplo, há uma perturbação periódica a cada 720°.

Rotação Mínima: Esta rotação virtual é utilizada quando a rotação real é menor que a rotação mínima definida;
Resolução: Este valor determina com qual periodicidade (quantos graus em cada tempo) uma nova média será calculada. Note que a rotação máxima admissível que é permitida depende deste valor porque a rapidez do cálculo é determinada pela taxa de atualização global.

O valor teórico é derivado por: Rotação máxima = resolução * taxa de atualização global / 6 Por motivos práticos você deve usar valores que abranjam somente até 10 ou 20% desta rotação máxima teoricamente possível.

Resolução	A rotação máxima teórica a uma taxa de atualização global de 19.200 Hz	A rotação máxima teórica a uma taxa de atualização global de 38.400 Hz
1°	3200 rpm	6400 rpm
2°	6400 rpm	12,800 rpm
4°	12,800 rpm	25,600 rpm
6°	19,200 rpm	38,400 rpm
8°	25,600 rpm	51,200 rpm

Os seguintes múltiplos da rotação são suprimidos dependendo da largura de janela:

Largura de janela	Múltiplos
90°	4, 8, 12, …
120°	3, 6, 9, …
180°	2, 4, 6, …
360°	1, 2, 3, …
720°	0.5, 1, 1.5, …

Observação: Se um dos sinais fonte for inválido, o sinal de saída também será inválido.

CASMA em funcionamento

Observe no gráfico o sinal de torque não filtrado (vermelho), e o sinal de torque filtrado utilizando o CASMA (verde).
Pode-se ver claramente que o filtro CASMA alcança excelente estabilização das medições de torque em correlação com a velocidade do motor, à qual também muda com o tempo. Quanto maior a largura deste filtro, melhores os resultados.

Exemplo

Neste breve exemplo, o PMX é usado para se analisar a potência P[W], a velocidade rotacional n [1/s] e a aceleração [1/s2], além do torque M [Nm] e o filtro CASMA correspondente. Os canais calculados como mostrados na imagem da tela abaixo foram criados com este propósito. Os sinais estão mostrados no catman.

Cálculos:

Potência:

Velocidade angular:

Aceleração angular:

Importante: Para todos os cálculos, a rotação n te que ser convertida de RPM (rotações por minuto) para RPS (rotações por segundo), ou seja, dividindo por 60.

Canais

Veja abaixo todos os canais mostrados graficamente pelo software catman. As cores entre parêntesis referem-se às cores das curvas. Os sinais consistem dos seguintes canais: Torque M (vermelho):

Diretamente do canal de medição do PX460

Filtro CASMA (verde):

Já explicado em detalhes

Potência P (amarelo):

Divisor (rotação n / 60), rotações por segundo
Sinal constante (2*pi)
Multiplicador (M * n [1/s] * 2*pi]

Rotação n (laranja):

Diretamente do canal de medição do PX460

Aceleração angular (azul):

Multiplicador (2*pi * n [1/s]), resulta na velocidade angular w
Diferenciador (w)

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Dicas & Sugestões Sobre Como Usar o Filtro CASMA Para Suas Medições de Torque

Filtrando o sinal de torque

Filtros sincrônicos com o tempo

Filtros angulares

Condicionadores de sinal da HBM com recurso de filtro CASMA

Como usar o filtro CASMA no TIM-PN e no TIM-EC

Interface Web

Funcionalidades do filtro CASMA

Característica de Parametrização

Funcionalidade da Área de Informação

Como usar o filtro CASMA com PMX

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Ajuste de parâmetros

CASMA em funcionamento

Exemplo

Cálculos:

Canais

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