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Modellbasierte Stoßkalibrierung von Kraftaufnehmern

29.09.2014

Im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes EMRP IND09 „Rückführbares dynamisches Messen mechanischer Größen“ wurde der Ansatz der modellbasierten dynamischen Kalibrierung an Kraftaufnehmern bei stoßförmiger Anregung erforscht. Das dynamische Verhalten von Kraftaufnehmer und Messeinrichtung wird mit Hilfe von Modellen beschrieben, deren charakteristische Parameter aus den Messdaten identifiziert werden sollen.

Kraftaufnehmer unterschiedlichen Designs, Größe und mechanischer Ankopplung wurden hierzu an der 20-kN-Stoßkalibriereinrichtung der PTB experimentell untersucht. Die 20-kN-Kraftstoßkalibriereinrichtung verwendet zwei luftlagergeführte Stoßkörper von je ca. 10 kg Masse, die mit dem Kraftaufnehmer zum Stoß gebracht werden.

Bild 1 zeigt exemplarisch einen der untersuchten Kraftaufnehmer mit 2,2 kN Nennlast, montiert auf der (ausgebauten) Reaktionsmasse. Die von einem Antrieb beschleunigte, auf den Kraftaufnehmer aufschlagende 10-kg-Stoßmasse erzeugt einen Kraftpuls von ca. 0,7 ms Dauer, gefolgt von einem stark ausgeprägten Nachschwingen von ca. 3,7 kHz (vgl. Bild 3 oben). 

Bild 1: Montierter Kraftaufnehmer.

Zur Rückführung der dynamischen Kraftkalibrierung werden die während des Stoßvorgangs auftretenden Inertialkräfte beider Stoßmassen mittels Laserinterferometrie gemessen. Das beobachtete dynamische Verhalten lässt sich mit Hilfe eines Modells verstehen. Bei dieser modellbasierten Kalibrierung werden sowohl der Kraftaufnehmer als auch die Kalibriereinrichtung im Modell als eine Serienanordnung von Feder-Masse-Dämpfer-Elementen beschrieben. Die für das dynamische Verhalten charakteristischen Modellparameter des Kraftaufnehmers, seine Massen, Steifigkeiten und Dämpfungen, sind hierbei zu bestimmen. Durch Fitten von gemessenen und modellierten Kraftstößen lassen sich die gesuchten Parameter des Kraftaufnehmers aus den Messdaten identifizieren.

Zur Verifizierung geeigneter Modelle und Entwicklung geeigneter Methoden zur Messdatenanalyse und Parameteridentifizierung wurden Modelle unterschiedlicher Komplexität verglichen. Bild 2 zeigt drei Modelle mit 3, 4 bzw. 5 Modellmassen, mit der neben der Steifigkeit des Kraftaufnehmers auch seine Ankopplungssteifigkeit an die Stoßmasse erfasst werden kann (4 und 5 Modellmassen).

Bild 2: Modelle der Kraftstoßkalibriereinrichtung mit montiertem Kraftaufnehmer (blaue Komponenten).

Das Ergebnis der Parameteridentifizierung ist am Beispiel des gezeigten Aufnehmers in Bild 3 veranschaulicht. Das Bild vergleicht die gemessenen und simulierten Stoßsignale. Es ist zu erkennen, dass die Ankopplungssteifigkeit des Kraftaufnehmers vom Modell erfasst werden muss, um das beobachtete Verhalten zu verstehen. Zur Klärung der noch verbleibenden Abweichungen bedarf es weiterer Forschungen.

Die hier vorgestellten Untersuchungen erfolgten in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe 8.42 „Datenanalyse und Messunsicherheit“der PTB. Detailliertere Informationen sind in [1] zu finden.

Bild 3: Vergleich von modellierten und gemessenen Stoßsignalen: Kraftaufnehmersignal (oben), Beschleunigung der Reaktionsmasse (unten).

Literatur:

[1] M. Kobusch, S. Eichstädt, L. Klaus, T. Bruns, “Investigations for the model-based dynamic calibration of force transducer by using shock forces”, Proc. of Joint IMEKO International TC3, TC5 and TC22 Conference, Kapstadt, Südafrika, 2014. online unter: Opens external link in new windowhttp://www.imeko.org/publications/tc22-2014/IMEKO-TC3-TC22-2014-005.pdf

Ansprechpartner:

Michael Kobusch, FB 1.7, AG 1.73, E-Mail: Opens window for sending emailmichael.kobusch(at)ptb.de
Sascha Eichstädt, FB 8.4, AG 8.42, E-Mail:Opens window for sending email sascha.eichstaedt(at)ptb.de