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Analyse von Stoßmessungen für die modellbasierte dynamische Kalibrierung von Kraftaufnehmern

29.09.2014

Für die dynamische Kalibrierung von Kraftaufnehmern wird der Ansatz der modellbasierten Kalibrierung verfolgt. Die für das dynamische Verhalten maßgebenden Modellparameter des Kraftaufnehmers sollen dabei aus dynamischen Messdaten ermittelt werden. Um bei einer Stoßanregung des Kraftaufnehmers die Eigenfrequenzen hinreichend stark anzuregen, wurde an der 20-kN-Kraftstoßkalibriereinrichtung der PTB ein Pendelstoß mit kleineren Stoßmassen experimentell erprobt.

In der 20-kN-Kraftstoßkalibriereinrichtung der PTB werden zwei luftlagergeführte Stoßkörper von je ca. 10 kg Masse mit dem dazwischen befindlichen Kraftaufnehmer zum Stoß gebracht. Die typische Stoßdauer bei hartem metallischem Stoß, d.h. ohne zusätzlich eingebrachte elastische Zwischenlagen, beträgt etwa eine Millisekunde. Die beim Stoßvorgang von erzeugten Inertialkräfte werden mittels Laserinterferometrie gemessen und bilden die Rückführung der dynamischen Kraftkalibrierung.

Bei der modellbasierten Kalibrierung wird das beobachtete dynamische Verhalten mit Hilfe eines Modells erfasst, bei dem der Kraftaufnehmer und die Kalibriereinrichtung als Serienanordnung von Feder-Masse-Dämpfer-Elementen beschrieben werden. Die gesuchten Modellparameter des Kraftaufnehmers, seine Massen, Steifigkeiten und Dämpfungen, sollen dabei aus den Messdaten identifiziert werden.

Experimentelle Untersuchungen von Kraftaufnehmern unterschiedlichen Designs, Größe und mechanischer Ankopplung haben gezeigt, dass Stöße von 1 ms Pulsdauer die Eigenfrequenzen von insbesondere klein bauenden Kraftaufnehmern nur in sehr geringem Maße anregen [1]. Erste Ergebnisse zur Parameteridentifikation bei glatten Stoßpulsen (siehe Bild 1 links) verdeutlichen, dass für die Parameteridentifizierung Stoßantworten mit angeregten Eigenschwingungen benötigt werden, da diese voraussichtlich die entscheidende Information zur eindeutigen Identifizierung der Modellparameter tragen, wenn das betrachtete Modell mehrere Freiheitsgrade aufweist. Um beim Stoßvorgang Eigenschwingungen in stärkerem Maße anregen zu können, wurden zwei verschiedene Verfahren erprobt.

Bild 1: Gemessene Kraftstöße mit unterschiedlich großen Stoßmassen.

Beim ersten Verfahren wurde der ursprüngliche, luftlagergeführte 10-kg-Stoßkörper der Kalibriereinrichtung durch einen sehr viel kleineren, pendelnd aufgehängten Stoßkörper ersetzt. Mit verschiedenen Stoßmassen erzielte Stoßantworten sind in Bild 1 exemplarisch gezeigt. Während die 10-kg-Stoßmasse einen glatten Puls von ca. 1,3 ms ohne Nachschwingen liefert, erzeugen die kleineren Pendelmassen sehr viel kürzer Pulse, bis zu 0,1 ms bei 7 g Pendelmasse, und der gestoßene Kraftaufnehmer reagiert mit einem deutlichen Nachschwingen.

Beim zweiten Verfahren wurden am Kopfteil des Kraftaufnehmers kleine Zusatzmassen montiert, so dass sich die Resonanzfrequenz des Kraftaufnehmers verringert. Verschieden große Massen liefern dann unterschiedliche Stoßantworten, die zur Modellvalidierung und Parameteridentifizierung verwendet werden. Es zeigte sich, dass der untersuchte Kraftaufnehmer zwei dominante Resonanzen besitzt, die das dynamische Messverhalten bestimmen. Die mit verschiedenen Zusatzmassen erzielten Systemantworten (Analyse des Nachschwingens im Frequenzbereich) sind in Bild 2 veranschaulicht.

Bild 2: DFT-Analyse des Nachschwingens im Kraftaufnehmersignal für verschiedene Zusatzmassen.

Die vorgestellten Untersuchungen erfolgten im Rahmen des europäischen Forschungsprojektes EMRP IND09 „Rückführbares dynamisches Messen mechanischer Größen“. Die Arbeiten zur Modellierung, Datenanalyse und Parameteridentifikation wurden in enger Kooperation mit der Arbeitsgruppe 8.42 „Datenanalyse und Messunsicherheit“ der PTB durchgeführt. Weitergehende Informationen sind in [2] zu finden.

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

[2] M. Kobusch, S. Eichstädt, L. Klaus, T. Bruns, “Analysis of shock force measurements for the model-based dynamic calibration”, 8th Workshop on Analysis of Dynamic Measurements, Turin, Italien, 2014, online unter: Opens external link in new windowhttp://www.inrim.it/ADM2014/slides/M.Kobusch.pdf

Ansprechpartner:

Michael Kobusch, FB 1.7, AG 1.73, E-Mail: michael.kobusch@ptb.de
Sascha Eichstädt, FB 8.4, AG 8.42, E-Mail: sascha.eichstaedt@ptb.de