Kompensation von Trägheitskräften in der Kraftmessung

Bei dynamischen Kräften verfälscht die Masse des Spannzeugs die Kraftmessung, sogar wenn die Probe noch nicht angekoppelt ist.

Bei dynamischen Kräften verfälscht die Masse des Spannzeugs die Kraftmessung, sogar wenn die Probe noch nicht angekoppelt ist.

Mechanisches Modell eines dynamischen Kraftaufnehmers

Mechanisches Modell eines dynamischen Kraftaufnehmers

Blockschaldbild zur Kompensation dynamischer Kräfte

Blockschaldbild zur Kompensation dynamischer Kräfte

Prinzipielle Versuchsergebnisse zur Ermittlung der Kompensationsparameter

Prinzipielle Versuchsergebnisse zur Ermittlung der Kompensationsparameter

Mit der Kompensation "zieht" man die Trägheitskräfte auf den Wert der gewünschten dynamischen Kraft zurück

Mit der Kompensation "zieht" man die Trägheitskräfte auf den Wert der gewünschten dynamischen Kraft zurück

Dynamische Kräfte sind in der industriellen Prüftechnik weit verbreitet. Die Messung dieser Kräfte ist genauer, wenn die Trägheitskräfte der Krafteinleitungsteile kompensiert werden. Wie sich eine Kompensation mit den integrierten Beschleunigungsaufnehmern der Serie DR-Kraftaufnehmer durchführen lässt, lesen Sie in der folgenden Verfahrensbeschreibung. Vorteilhaft ist dabei, dass Kenntnisse über den Wert der Massen oder der Beschleunigung nicht notwendig sind.

Das Problem der trägen Masse

Effekte durch träge Massen treten bei dynamischen Versuchen durch die Beschleunigung der Montageteile, beispielsweise Spannzeuge oder Probenhalter, auf. Zusätzlich zu der gewünschten Testkraft Ftest, wird durch dynamische Anregung eine unerwünschte Trägheitskraft Finert als Produkt aus Masse und Beschleunigung der Montageteile erzeugt. Finert verfälscht den gemessenen Kraftwert Fmeas. Der Kraftaufnehmer kann zunächst nicht unterscheiden, ob es sich um an der Probe ausgeübte Kräfte oder um unerwünschte Trägheitskräfte handelt.

Fmeas = Ftest + Finert

Durch Messung der Beschleunigung in der Kraftmessachse wird es möglich, die unerwünschte Kraft Finert zu ermitteln und durch eine gegengleiche Kompensationskraft Fcomp zu kompensieren:

Fmeas = Ftest + Finert + Fcomp

Mit Fcomp = - Finert folgt die richtige Messung der gewünschten Testkraft an der Probe:

Fmeas = Ftest

Mechanisches Modell

Das Modell besteht aus drei Komponenten: dem Aktor (z.B. Hydraulikzylinder), dem Kraftaufnehmer mit integrierten MEMS-Beschleunigungssensoren und den Montageteilen als angekoppelte, bewegte Masse (MEMS = microelectromechanical system).

  • Die Montageteile (= bewegte Masse) müssen auf der "schwingenden Seite" des Kraftaufnehmers montiert werden.
  • Der Kraftaufnehmer muss mit der "festen Seite" am Aktor montiert werden.

 Grundlegender Versuchsaufbau zur Kompensation

Die im Kraftaufnehmer eingesetzten Dehnungsmessstreifen sind zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet und wandeln eine aufgebrachte mechanische Belastung in ein elektrisches Signal. Verwenden Sie Ihren Anforderungen entsprechend einen Präzisions-DMS-Messverstärker mit analogem oder digitalem Ausgangssignal. Das zur elektrischen Signalverarbeitung (ESV) eingesetzte System muss in der Lage sein, die Spitze-Spitze-Werte des gemessenen dynamischen Signals zu ermitteln und zu verarbeiten. Mit der Verwendung der Spitz-Spitze-Werte eliminiert man die Einflüsse der unterschiedlichen Phasenlagen von den zur Kompensation verwendeten Signale.

Die Beschleunigungssensoren sind innerhalb der Kraftaufnehmer der Serie DR so nah wie möglich an der Kraftmessachse appliziert. Die MEMS-Bauelemente wandeln eine eingebrachte Beschleunigung in eine elektrische Ausgangsspannung. Es handelt sich um ratiometrische Systeme, die Ausgangsspannung ist also direkt von der Versorgungsspannung abhängig. Deshalb ist eine stabile Spannungsversorgung unerlässlich. Auch hier muss das Messsystem in der Lage sein, die Spitze-Spitze-Werte des Ausgangssignals zu berechnen.

Ermittlung der Kompensation

Die Ermittlung der Kompensationsparameter muss mit der Masse der Montageteile, jedoch ohne Ankopplung des Prüflings erfolgen. Während des Versuchs muss Ftest gleich Null sein.

Um die Einstellungen für Fcomp zu ermitteln, sollte das System über den gesamten Prüffrequenzbereich mit harmonischen Lastzyklen angeregt werden. Erfassen Sie dabei das Kraftaufnehmersignal Fmeas, welches im frei schwingenden Zustand der unkompensierten Trägheitskraft Finert entspricht, da die Probe ja noch nicht gekoppelt ist. Erfassen Sie ebenso das zugehörige Beschleunigungssensorsignal. Variieren Sie in einer Testreihe die Amplitude und Frequenz entsprechend Ihren Anforderungen.

Beispiel:

Beschreibung

 Kraft

 Beschleunigung

 Variable

 FinertSS

 aySS

 Einheit (Beispiel)

 V

V

 Kraftaufnehmer mit Anbauteilen, Statisch

 0

 0

 Test 1

 3

 2

 Test 2

 6

 4

 Test 3

 9

 6

 

Berechnen Sie den Proportionalitäts-Parameter für die Kompensation.

Dieser entspricht im Beispiel: FinertSS = 3/2 · aySS

Abhängig von Ihren Testanforderungen (Amplituden, Frequenzen) kann es notwendig sein, nicht nur eine lineare Korrektur, sondern auch eine zweite oder höhere Ordnung zu berechnen. Fassen Sie das Kraftsignal und das Beschleunigungssignal entsprechend der Bedingung zusammen:

Fcomp = - Finert

Als Ergebnis ist Fmeas über den gesamten Testbereich Null. Mit der Kompensation „zieht“ man die Trägheitskräfte auf den Wert der gewünschten dynamischen Kraft zurück.

Nach Ermittlung und Anwendung der Kompensationseinstellungen kann nun die Probe fest eingespannt werden. Die gemessene Kraft Fmeas wird nicht mehr von der unerwünschten Trägheitskraft beeinflusst.