DE102009022769B4

DE102009022769B4 - Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor

Info

Publication number: DE102009022769B4
Application number: DE200910022769
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Kumme; Andre Buß
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Vertrdd Bundesministerium fur Wirtschaft und Technologie; Bundesrepublik Deutschland; Bundesministerium fuer Wirtschaft und Technologie
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2011-05-19
Anticipated expiration: 2029-05-26
Also published as: DE102009022769A1

Abstract

Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor in Form eines Weg-Kraft-Sensors mit
(a) einer Feder (12) und
(b) einem Wegsensor (16) zum Messen eines Wegs (Δd),
gekennzeichnet durch
(c) einen Kraftsensor (14) zum Messen der Kraft (F),
(d) wobei der Kraftsensor (14) und der Wegsensor (16) so angeordnet sind, dass bei einem Ausüben einer Kraft auf die Feder (12) und einer daraus resultierenden Verformung der Feder (12) die Kraft (F) von dem Kraftsensor (14) messbar ist und simultan die Verformung der Feder (12) vom Wegsensor (16) messbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Raumgrößen-Dynamikgrößensensor mit einer Feder und einem Dynamikgrößen-Sensor zum Messen einer dynamischen Größe in Form einer Kraft oder eines Drehmoments. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur dynamischen Kraft- oder Drehmomentmessung.
In zahlreichen Anwendungen in der Forschung und in der Industrie müssen Kräfte und Wege sowie Drehmomente und Drehwinkel gemessen werden. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Wege und Kräfte bzw. Winkel und Drehmomente statisch zu kalibrieren. Nachteilig hieran ist, dass bei dynamischen Messungen Messfehler entstehen können.
Aus der DE 48853 ist ein Kraftmesser bekannt, bei dem mittels einer Feder eine Kraft dadurch gemessen werden kann, dass eine Skala vorhanden ist, die die Längung der Feder anzeigt. Ein derartiger Kraftmesser ist zum Prüfen einer Werkstoffprüfmaschine dann und nur dann geeignet, wenn die Feder die gleichen Eigenschaften bei dynamischer Auslenkung hat wie die von der Werkstoffprüfmaschine zu prüfenden Bauteile. Nachteiligerweise ist das nur selten der Fall.
Aus der ASTM-Norm E 467-98a ist ein Sensor bekannt, bei dem nur die Kraft über die Dehnung eines Probekörpers gemessen wird. Nachteilig hieran ist, dass die Dehnung nicht rückgeführt gemessen werden kann. Das heißt in anderen Worten, dass es nicht möglich ist, einen derartigen Sensor beispielsweise mit einem Laserinterferometer direkt zu kalibrieren. Das führt zu zusätzlichen Messfehlern. Des Weiteren muss ein derartiger Messaufnehmer für eine große Vielzahl an Kalibrieraufgaben jeweils neu entwickelt werden, was aufwändig und teuer ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und ein Verfahren anzugeben, mittels dem Kraftmessvorrichtungen wie Werkstoffprüfmaschinen mit hoher Genauigkeit dynamisch kalibriert werden können.
Die Erfindung löst das Problem durch einen Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor in Form eines Weg-Kraft-Sensors nach Anspruch 1 oder eines Drehmoment-Winkel-Sensors nach Anspruch 7.
Gemäß einem zweiten Aspekt löst die Erfindung das Problem durch ein Verfahren zur dynamischen Kraftmessung gemäß Anspruch 11. Die Erfindung löst das Problem zudem durch ein Verfahren zur dynamischen Drehmomentmessung gemäß Anspruch 14.
Vorteilhaft an der Erfindung ist, dass beispielsweise eine Werkstoffprüfmaschine mit hoher Kalibriergenauigkeit kalibriert werden kann. Der Grund dafür ist, dass sowohl der Dynamikgrößensensor als auch der Raumgrößensensor für eine dynamische Messung kalibriert sein können. Dadurch, dass sowohl die Dynamikgröße als auch die Raumgröße simultan messbar sind, können beide Größen rückführbar gemessen werden.
Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird unter einem Raumgrößensensor jede Vorrichtung verstanden, die eine Messung einer räumlichen Größe in zumindest einer Dimension, insbesondere in genau einer Dimension, gestattet. Bei der Raumgröße kann es sich um einen Weg oder einen Winkel handeln. Insbesondere ist der Raumgrößensensor ausgebildet zum Messen des Wegs entlang einer geradlinigen Strecke, also beispielsweise eines Abstands zwischen zwei Referenzflächen. Der Begriff Raumgrößensensor steht folglich als Oberbegriff für einen Wegsensor oder einen Winkelsensor.
Unter dem Dynamikgrößensensor wird insbesondere jeder Sensor verstanden, der ausgebildet ist, um eine Kraft bzw. ein Drehmoment zu messen, das zur Veränderung der Raumgröße, also einem Abstand oder einem Winkel, führt. Bei der dynamischen Größe handelt es sich beispielsweise um eine Kraft oder um ein Drehmoment. Der Begriff Dynamikgrößensensor steht also für einen Kraftsensor oder einen Drehmomentsensor.
Gemäß einer Ausführungsform werden ein Kraftsensor und ein Wegsensor eingesetzt. Dabei sind der Kraftsensor und der Wegsensor so angeordnet, dass beim Ausüben einer Kraft auf die Feder die Kraft von dem Kraftsensor erfassbar ist und die resultierende Verformung der Feder vom Wegsensor erfassbar ist. Bei der Verformung der Feder handelt es sich insbesondere um eine Längung oder Stauchung.
Bei dem Wegsensor handelt es sich bevorzugt um einen Sensor, der ausgebildet ist, um einen Weg gegenüber einer Referenzfläche zu messen, so dass der Wegsensor auch als Referenzsensor bezeichnet werden kann. Der Wegsensor kann berührungslos oder berührend ausgebildet sein. Eine Möglichkeit, den Wegsensor berührungslos auszubilden, ist, ihn als kapazitiven Wegsensor auszubilden. Eine mögliche berührende Ausführungsform ist ein induktiver Taster, wobei aber auch andere Messprinzipien denkbar sind.
Besonders günstig ist es, wenn der Wegsensor den Weg rückführbar misst. In anderen Worten wird der Weg zwischen einem Bezugspunkt und einer Referenzfläche direkt gemessen, das heißt, dass die ermittelte Messgröße nicht von einer Materialkonstante abhängig ist, wie es beispielsweise dann der Fall wäre, wenn anstatt des Weges eine Dehnung gemessen würde.
Der Kraftsensor kann die Kraft insbesondere indirekt messen, also anhand einer Materialgröße, wie beispielsweise eines Elastizitätsmoduls. In letzterem Fall umfasst der Kraftsensor einen Dehnungsmessstreifen, der die Dehnung eines Bauelements misst. Alternativ ist es möglich, dass der Kraftsensor ein Piezoelement aufweist.
Besonders bevorzugt ist der Wegsensor ausgebildet, um einen Abstand zweier Bezugspunkte voneinander zu messen, wobei der Abstand der beiden Bezugspunkte sich mit der Verformung der Feder ändert. Insbesondere entspricht eine Änderung des Abstands einer Änderung einer Länge der Feder. Beispielsweise ist die Feder benachbart zu einer Wegreferenzfläche oder zwischen zwei Wegreferenzflächen angeordnet und der Wegsensor ist ausgebildet, um einen Wegreferenzflächenabstand zumindest einer der beiden Referenzflächen von einem Bezugspunkt zu messen. Auf diese Weise kann eine Verformung der Feder mit sehr hoher Genauigkeit gemessen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Feder in ihrer Federkonstante einstellbar ausgebildet, das heißt, dass eine Vorrichtung vorgesehen ist, um die Federkonstante zu variieren. Vorteilhaft hieran ist, dass Kräfte unterschiedlicher Größen erfasst und somit beispielsweise Werkstoffprüfmaschinen mit unterschiedlichen Arbeitskräften kalibriert werden können.
Alternativ oder Additiv ist die Feder austauschbar ausgebildet. Das heißt, dass die Feder lösbar mit den benachbarten Komponenten des Kraft-Weg-Sensors verbunden ist. Soll beispielsweise eine Werkstoffprüfmaschine für Proben kalibriert werden, die größere Wege aufbringen, so kann eine existierende Feder durch eine Feder mit einer geringeren Federkonstante ausgetauscht werden.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ist ein Verfahren zum Kalibrieren einer Kraftmessvorrichtung, insbesondere einer Werkstoffprüfmaschine. In diesem Fall wird die dynamische Kraft mittels einer Werkstoffprüfmaschine angelegt.
Um die Werkstoffprüfmaschine unter besonders realistischen Bedingungen zu kalibrieren, ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass ein Kraft-Weg-Sensor verwendet wird, der Krafteinleitungselemente aufweist, die denjenigen Krafteinleitungsteil entsprechen, die an Probewerkstücken angeordnet sind, die mit der Werkstoffprüfmaschine geprüft werden.
Gemäß dem zweiten Aspekt wird das Verfahren zum Kalibrieren einer Drehmomentmessvorrichtung durchgeführt, wobei der Winkel-Drehmoment-Sensor in der zu kalibrierenden Drehmomentmessvorrichtung angeordnet wird. Danach wird ein dynamisches Drehmoment an den Winkel-Drehmoment-Sensor angelegt, so dass sich die Feder verformt, wobei simultan der Deformationswinkel der Feder und das Drehmoment gemessen werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines exemplarischen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein erfindungsgemäßen Raumgrößen-Dynamikgrößensensor in Form eines Weg-Kraft-Sensors.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Raumgrößen-Dynamikgrößensensor in Form eines Weg-Kraft-Sensors 10, der eine Feder 12 und einen Kraftsensor 14 aufweist.
Der Weg-Kraft-Sensor 10 umfasst zudem einen Wegsensor 16, der ein Wegreferenzflächenelement 18 und eine Wegmesseinheit 20 umfasst. An dem Wegreferenzflächenelement 18 ist eine Wegreferenzfläche 22 ausgebildet und die Wegmesseinheit 20 ist eingerichtet zum Messen des Abstands d und/oder einer Änderung des Abstands d, der einer Änderung der Länge der Feder 12 entspricht.
Bezüglich einer Längserstreckung L außen liegend umfasst der Weg-Kraft-Sensor 10 ein erstes Krafteinleitungselement 24 und ein zweites Krafteinleitungselement 26. Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens können die Krafteinleitungselemente 24, 26 beispielsweise mit einer zu prüfenden Werkstoffprüfmaschine verbunden werden.
Die einzelnen Komponenten des Weg-Kraft-Sensors haben jeweilige Federkonstanten k, wobei die Federkonstante k₁₂ der Feder 12 klein ist gegenüber den Federkonstanten k₁₈ des Wegreferenzflächenelements 18, der Federkonstante k₂₀ der Wegmesseinheit 20, der Federkonstante k₁₄ des Kraftsensors 14 sowie der Federkonstanten k₂₄ und k₂₆ der Krafteinleitungselemente 24 bzw. 26. Beispielsweise ist die Federkonstante k₁₂ der Feder 12 kleiner als ein Zehntel aller anderen Federkonstanten.
Die Feder 12 ist lösbar an dem Wegreferenzflächenelement 18 und der Wegmesseinheit 20 befestigt, so dass sie gegen eine eingezeichnete zweite Feder mit einer anderen Federkonstante ausgetauscht werden kann.
Zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Weg-Kraft-Sensor mit seinen Krafteinleitungselementen 24 bzw. 26 in entsprechende Aufnahmen der zu kalibrierenden Kraftmessvorrichtung, beispielsweise einer Werkstoffprüfmaschine, befestigt. Danach wird mittels der Kraftmessvorrichtung eine Kraft F in die Krafteinleitungselemente 24, 26 angelegt, woraufhin sich die Feder 12 um eine Längendifferenz Δd verformt.
Dadurch verändert sich der Abstand der Wegreferenzfläche 22 von einem Bezugspunkt auf einer gegenüberliegenden Wegreferenzfläche 28 um die Längendifferenz Ad. Der Bezugspunkt ist derjenige Punkt, an dem ein nicht eingezeichnetes kapazitves Messelement angeordnet ist, das den Abstand zur Wegreferenzfläche 22 misst. Die Änderung des Abstands d bzw. die Längendifferenz Δd und die Kraft, die die Feder 12 auf das Wegreferenzflächenelement 18 und die Wegmesseinheit 20 ausübt, werden simultan und zeitaufgelöst erfasst, beispielsweise mittels einer elektronischen Auswerteeinheit.
Aus den aufgenommenen Messdaten werden dann die zeitabhängige Kraft und der zeitabhängige Weg ermittelt und mit den von der zu kalibrierenden Kraftmessvorrichtung verglichen.
Bezugszeichenliste

10: Weg-Kraft-Sensor
12: Feder
14: Kraftsensor
16: Wegsensor
18: Wegreferenzflächenelement
20: Wegmesseinheit
22: Wegreferenzfläche
24: Krafteinleitungselement
26: Krafteinleitungselement
28: Wegreferenzfläche
F: Kraft
L: Längserstreckung
Δd: Längendifferenz
k: Federkonstante

Claims

Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor in Form eines Weg-Kraft-Sensors mit (a) einer Feder (12) und (b) einem Wegsensor (16) zum Messen eines Wegs (Δd), gekennzeichnet durch (c) einen Kraftsensor (14) zum Messen der Kraft (F), (d) wobei der Kraftsensor (14) und der Wegsensor (16) so angeordnet sind, dass bei einem Ausüben einer Kraft auf die Feder (12) und einer daraus resultierenden Verformung der Feder (12) die Kraft (F) von dem Kraftsensor (14) messbar ist und simultan die Verformung der Feder (12) vom Wegsensor (16) messbar ist.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – der Wegsensor (16) ausgebildet ist, um einen Abstand (d) zweier Bezugspunkte voneinander zu messen, – wobei der Abstand (d) sich mit der Verformung der Feder (12) ändert.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Feder (12) zwischen zwei Wegreferenzflächen (22, 28) angeordnet ist und – der Wegsensor (16) ausgebildet ist, um einen Wegreferenzflächen-Abstand (d) zumindest einer der beiden Wegreferenzflächen (22, 28) von einem Bezugspunkt zu messen.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (12) in ihrer Federkonstante (k) einstellbar ausgebildet ist.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (12) austauschbar ausgebildet ist.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Federkonstante (k) klein ist gegen eine Kraftsensor-Federkonstante (k₁₄) des Kraftsensors (14) und eine Wegsensor-Federkonstante (k₁₅) des Wegsensor (16), wobei die Federkonstante (k) insbesondere höchstens ein Zehntel der Kraftsensor-Federkonstante (k₁₄) und der Wegsensor-Federkonstante (k₁₆) des Wegsensor (16) beträgt.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor in Form eines Drehmoment-Winkel-Sensors mit (a) einer Feder (12), (b) einem Drehmomentsensor (14) zum Messen eines Drehmoments und (c) einem Winkelsensor (16) zum Messen eines Winkels, (d) wobei der Drehmomentsensor (14) und der Winkelsensor (16) so angeordnet sind, dass beim Ausüben einer Torsion auf die Feder (12) die Torsion von dem Drehmomentsensor (14) erfassbar ist und eine resultierende Verformung der Feder (12) vom Winkelsensor erfassbar ist.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die Feder (12) zwischen zwei Winkelreferenzflächen angeordnet ist und – der Winkelsensor ausgebildet ist, um einen Winkelreferenzflächen Winkel zwischen beiden Winkelreferenzflächen (18) voneinander zu messen.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (12) in ihrer Federkonstante (k) einstellbar ausgebildet ist.
Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (12) austauschbar ausgebildet ist.
Verfahren zum dynamischen Kalibrieren einer Kraftmessvorrichtung, mit den Schritten: (a) Anordnen eines Kraft-Weg-Sensors nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6 in der zu kalibrierenden Kraftmessvorrichtung, (b) Anlegen einer dynamischen Kraft an den Kraft-Weg-Sensor (10), so dass die Feder (12) sich verformt und (c) simultanes Messen eines Deformationswegs (Δd) der Feder (12), mittels des Wegsensor (16) und einer Federkraft, die an der Feder (12) anliegt, mittels des Kraftsensors (14)
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die dynamische Kraft mittels einer Werkstoffprüfmaschine angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumgrößen-Dynamikgrößen-Sensor (10) verwendet wird, der Krafteinleitungselemente (24, 26) aufweist, die denjenigen Krafteinleitungsteilen entsprechen, die an Probewerkstücken angeordnet sind, die mit der Werkstoffprüfmaschine geprüft werden.
Verfahren zum dynamischen Kalibrieren einer Drehmomentmessvorrichtung, mit den Schritten: (a) Anordnen eines Drehmoment-Winkel-Sensors (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche 7 bis 10 in der zu kalibrierenden Drehmomentmessvorrichtung, (b) Anlegen eines dynamischen Drehmoments an den Drehmoment-Winkel-Sensor (10), so dass die Feder (12) sich verformt, und (c) simultanes Messen eines Deformationswinkels der Feder (12) mittels des Winkelsensors (16) und eines Drehmoments, das an der Feder (12) anliegt, mittels des Drehmomentsensors (14).