Kraftmessung Genauigkeitsbewertung

Grundlagen über Sensoren zum Messen mechanischer Größen; Begriffe, Messfehler, ...
C.K

Kraftmessung Genauigkeitsbewertung

Beitragvon C.K » Fr 11. Jul 2014, 15:33

Sehr geehrter Herr Kabelitz

Ich habe einige Verständnis Fragen bezüglich der Genauigkeit und der Auswertung und hoffe Sie können mir weiterhelfen.

Ich bin zurzeit Student an der TFH Bochum und dabei meine Abschlussarbeit zu absolvieren. In Rahmen diese Arbeit soll ich ein Torsionsprüfstand für Gummifedern entwickeln. Das Konzept ist auch soweit ausgearbeitet, jedoch habe ich Schwierigkeiten bei der Auslegung bzw. Auswahl der Messtechnik. Ich bin Maschinenbaustudent und meine Kenntnisse in Messtechink beschränken daher wenn überhaupt auf die Grundlagen. Natürlicher habe ich mich versucht in der Thematik einzuarbeiten aber ich benötige an dieser Stelle den Rat von Experten.

Der Prüfstand tordiert die Gummifeder und nimmt dabei das Drehmoment und den Drehwinkel auf. Ziel ist es die Federhysterese ( also Belastungs- und Entlastungskennline) der Gummifeder aufzunehmen und mittels PC zu protokollieren. Der Messbereich liegt bei 0-60Nm Drehmoment und einen Drehwinkel von 0-50°. Beide Messwerte sind bis auf eine Nachkommastelle aufzulösen ( bsp. M = 49,7 Nm...).
Aus Kostengründen soll das Drehmoment über einen Hebelarm (l=0,12m) und einen Kraftsensor (500N),welcher durch Zugösen an dem Hebelarm befestigt ist, als Reaktionsmoment aufgenommen werden. Der Drehwinkel soll mit einem Inkrementalsensor, welcher A und B Signale zur Richtungserkennung liefert, gemessen werden.

Ich habe folgende Messkette im Sinn: PC --- GSV-3 USBx2 RPM --- Kraftsensor KD40S
--- Inkrementalsensor
Die Auswertung und Protokollierung soll via GSVmuli geschehen.

Ich habe nun diesbezüglich folgendes Problem: Der gesamte Messfehler der Messkette darf eine absolute Abweichung vom Istwert = +/- 0,2 Nm nicht überschreiten. Bezogen auf den Kraftsensor entspricht dies ( 0,2Nm/ 0,12m) eine absolute Abweichung vom Istwert = 1,66 N. Nach meine Berechnungen entspricht das eine zul. relative Abweichung bezogen auf die Nennkraft: 1,66N/500N = 0,33%. Ich möchte eine entsprechende Messkette aufbauen, die diese Genauigkeit erfüllt und möchte auch den Zusammenhang verstehen, da ich meine Auswahl auch begründen muss.

Frage 1: Im Datenblatt des Kraftensor finde ich Angaben über relative Liniaritätsabweichungen, Genauigkeitsklasse, Nullsignaltoleranz, Temperaturkoeffizient des Kennwertes, Temperaturkoeffizient des Nullpunktes,ect.
- Welche Angaben sind für mich von Bedeutung wenn die Temperatur während der Messung als konstant angenommen wird?
- Der Kraftsensor wird mit einer ansteigenden Belastung und direkt mit einer Absteigenden Belastung beaufschlagt. Ist dann verstärkt auf die relative Umkehrspanne zu achten ?.
- Wie sind die Genauigkeitsangaben überhaupt zu behandeln ? Addiert sich z.B. die relative Umkehrspanne und die Liniaritätsabweichung auf?
Kurz gesagt, wie würden sie die Auswahl des Sensors treffen und den zu erwartenen maximalen Messfehler ermitteln ?

Frage 2: Gehe ich richtig davon aus das die Ungenauigkeit des Sensor sich mit der Ungenauigkeit des Messverstärker addiert? Oder gibts es da etwa Schätzwerte bzw Näherungsformeln?

Frage 3: Welche Messfehler könnten durch Kalibrieren festgestellt werden und durch welche Maßnahmen "korrigiert" werden. Z.B durch Einmessen der aufgebauten Messtechnik und softwareseitige Korrektur des Skalierungsfaktors ?

Frage 3: Bei dem GSV-3 USB wird ein Messbereich von 2mV/V angegeben. Ich kenne von analogen Messverstärker den Messbereich von z.B 0-10V ect.
- Was hat es damit aufsich? Ist die Angabe mit den Kennwert des Sensors zu vergleichen oder handelt es sich um zwei verschiedene Sachverhalte?
- Wann macht es Sinn einen Messbereich von 1mV/V oder 3mV/V zu wählen ?
- Muss der Messbereich des Messverstärkers mit dem Kennwert des Sensors übereinstimmen?


Das sind leider eine ganze menge an Fragen aber ich hoffe Sie können mir weiterhelfen.
Vielen Dank im vorraus.

Kabelitz
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Re: Kraftmessung Genauigkeitsbewertung

Beitragvon Kabelitz » Di 15. Jul 2014, 07:34

Hallo,

zunächst vorab: bei der Drehmomentmessung über einen Kraftsensor mit einem Hebelarm kommen folgende Fehlerquellen in Betracht:

a) konstruktiver Aufbau: Lagerungen, Lagerreibung, Umkehrspiel in Gelenken, Haftreibung in Lagern
b) Fehler des Sensors
c) Fehler des Messverstärkers

Genau in dieser Reihenfolge würde ich die Größenordnung der Fehler einschätzen: Der konstruktive Aufbau dürfte entscheidend sein für die erreichbare Genauigkeit,
der Fehler des Messverstärkers dürfte vernachlässigbar sein.

Ein paar Hinweise gibt es hier:
http://www.me-systeme.de/docs/de/basics/kb-measure.pdf

Bei konstanter Temperatur gibt es nur Linearitätsfehler, Nullpunktrückkehrfehler und Hysterese.
Addieren der Fehler ist nicht sinnvoll. Ein Maß für für den Gesamtfehler (bei konstanter Temperatur) ist die Genauigkeitsklasse.
http://www.me-systeme.de/forum/grundlagen-f12/messunsicherheiten-t114.html#p289

Die Messfehler von Sensor und Messverstärker müssen addiert werden, sofern sie nicht gemeinsam als System kalibriert wurden.

Eingangsempfindlichkeit 2 mV/V: muss nicht angepasst werden, auch wenn man nur z.B. 25% davon (0,5mV/V) ausnutzt:
digitale-messelektronik-f14/nennkennwert-und-eingangsempfindlichkeit-t216.html#p567

Wichtig ist aus meiner Sicht der konstruktive Aufbau. Lagerungen und Gelenke haben den entscheidenden Einfluss.
Man sollte auch konstruktionen in Betracht ziehen, die ohne diese Elemente auskommen. Dann muss der Sensor meist Querkräfte und Momente aufnehmen, die sonst eine Lagerung übernimmt. Manchmal hilft die Parallelschaltung von 2 Sensoren, oder ein Drehmomentsensor, aber ich kenne den Aufbau nicht...

Viele Grüße
Holger Kabelitz

Kabelitz
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Re: Kraftmessung Genauigkeitsbewertung

Beitragvon Kabelitz » Mi 18. Jul 2018, 07:11

hallo,
neue Informationen zum Thema Genauigkeit sind nun hier:
https://www.me-systeme.de/de/technik-zu ... enauigkeit


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