Messtechnik bei der Auslegung des Ventiltriebs moderner Verbrennungsmotoren. Seminar Sensoren Thomas Mayer

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2 Inhaltsübersicht Einführung Dehnungsmessstreifen Laservibrometer Druckmessdose Temperatursensor PT100 Beispiel einer Messung

3 Einführung Ziel: Auslegung und Beurteilung des Ventiltriebs (max. Belastungen, Kinematik, Resonanzstellen) Kombination verschiedener Messverfahren

4 Einführung Öldruck- und Öltemperaturmessung im Versorgungskanal der hydr. Ventilspielausgleichselemente DMS-Beklebung am Schlepphebel und am Ventilschaft Laservibrometer auf Ventil

5 Dehnungsmessstreifen (DMS) HBM

6 Dehnungsmessstreifen (DMS) Beklebung von Ventil und Schlepphebel Ziel: Untersuchung der dynamischen Belastung des Ventils und des Schlepphebels

7 Dehnungsmessstreifen (DMS) Wirkungsweise Metallische Dehnungsmessstreifen basieren auf der Änderung des Widerstands durch Längen- und Querschnittsänderung. Da der DMS fest mit dem Messobjekt verbunden ist, wird dessen Formänderung direkt auf den DMS übertragen und ist im Bereich der elastischen Verformung proportional zu der wirkenden Kraft. Bereich der elastischen Verformung (Dehnung ~ Kraft) Spannungs-Dehnungsdiagramm ( bs-wiki.de)

8 Dehnungsmessstreifen (DMS) Widerstand eines unbelasteten DMS: Widerstandsänderung: ρ: spezifischer Widerstand (temp.abhängige Materialkonst.) l: Drahtlänge A: Querschnittsfläche D: Durchmesser des Drahtes Relative Widerstandsänderung: abhängig von Somit folgt: wobei ε: relative Längenänderung εq: relative Querschnittsänderung μ: Querdehnungszahl k: k-faktor Quelle: Wikipedia

9 Dehnungsmessstreifen (DMS) Im elastischen Bereich ist die Längenänderung proportional der wirkenden Kraft: ~ F und somit ~ F Somit liefert die Widerstandsänderung eine Aussage über die wirkende Kraft. Um die Kraft absolut messen zu können muss vorher der k-faktor experimentell ermittelt werden. Dies erfolgt durch die Messung der Widerstandsänderung bei einer vorgegebenen Kraft.

10 Dehnungsmessstreifen (DMS) Messung der Widerstandsänderung Die Widerstandsänderung wird mit Hilfe der Wheatstonesche Messbrücke gemessen

11 Dehnungsmessstreifen (DMS) Messung der Widerstandsänderung Im abgeglichenen Zustand gilt Zwei parallele Spannungsteiler und somit ist U 5 = 0 Jede Veränderung eines Widerstandes führt zu U 5 0 Wikipedia

12 Laservibrometer Zur Messung von Ventilhub und Ventilgeschwindigkeit Entweder Referenzlaser auf Zylinderkopf (zur Kompensation von Schwingungen am Aufbau) oder mit Spiegel Reflexion am Ventilteller Austritt Laserstrahl aus flexiblen Lichtwellenleiter mit Abschlusslinse Polytec

13 Laservibrometer Das Laservibrometer arbeitet nach dem Doppler-Effekt: Bewegt sich ein Körper auf den Beobachter zu, erhöht sich die Frequenz der reflektierten (Licht-)Wellen, bewegt sich der Körper weg, sinkt die Frequenz. Diese Frequenzverschiebung beträgt bei einer Geschwindigkeit v des Objektes und einer ursprünglichen Wellenlänge λ : f D = 2 v / λ Um also die Geschwindigkeit eines Objektes bestimmen zu können, muss bei bekannter Wellenlänge die (Doppler-)Frequenzverschiebung gemessen werden. Dies wird mit Hilfe eines Interferometers erreicht. (a) Schallquelle bewegt sich nicht, (b) bewegt sich nach rechts, bzw. links (c) polytec

14 Laservibrometer Funktionsweise eines Interferometers: Eine Lichtwelle wird in zwei Teile aufgeteilt. Diese zwei Wellen durchlaufen dann unterschiedlich lange Strecken. Dadurch ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen den zwei Wellen. Werden diese dann wieder zusammengeführt, kommt es zur Interferenz und einem entsprechenden Interferenzmuster. Dessen Modulationsfrequenz ist wiederum proportional zur Geschwindigkeit des Messobjektes. Interferometer, Polytec Interferenzmuster, Wikipedia

15 Messung von Öldruck und Öltemperatur Zum Ausgleich des Ventilspiels sind hydraulische Ausgleichselemente verbaut. Die Funktion dieser Elemente hängt u. a. von Öldruck und Öltemperatur ab. Um die Dynamik des Ventiltriebs zu untersuchen, muss sichergestellt sein, dass alle Messungen unter den gleichen Randbedingungen durchgeführt wurden, d. h. alle Messungen müssen bei gleichem Öldruck und gleicher Öltemperatur durchgeführt werden. Um dies zu gewährleisten, wird das Öl bei den Messungen extern konditioniert und dessen Druck und Temperatur an einer geeigneten Stelle im Zylinderkopf gemessen. Die Druckmessung erfolgt dabei mit einer Druckaufnehmer, die Temperaturmessung mittels eines Pt100-Temperaturfühlers.

16 Druckaufnehmer Der Druckaufnehmer wird an Verlängerung des zu überwachenden Ölkanals angebracht. Showa Measuring Instruments Co.,LTD

17 Druckaufnehmer - Der Druck steht an einer Membran an. - An der Membran sind DMS angebracht, die zu einer Wheatstoneschen Messbrücke verschaltet sind. - Durch entsprechende Kalibrierung ist die ausgegebene Spannung proportional zum anstehenden Druck. - Temperaturschwankungen werden durch die Messbrücke kompensiert. Showa Measuring Instruments Co.,LTD

18 Pt100-Temperaturfühler - Allgemeines - Pt100 basieren auf der Widerstandsänderung von Platin unter Temperatureinfluss. Diese Widerstandsänderung ist in DIN EN ( ) festgelegt. - Die Zahl 100 in der Bezeichnung des Sensors steht für den Nennwiderstand R 0 bei 0 C, d. h. ein Pt100-Sensor hat bei 0 C einen Nennwiderstand von 100 Ω. Weitere gebräuchliche Typen sind Pt200, Pt500, Pt1000. Vorteil der Standardisierung ist die leichte Austauschbarkeit. omega.de

19 Pt100-Temperaturfühler - Kennlinie

20 Pt100-Temperaturfühler - Messschaltung Die Widerstandsbestimmung erfolgt über eine Spannungsmessung bei konstantem Strom (im ma-bereich). Häufig misst man allerdings nicht diese Spannung, sondern nur ihre Änderung gegenüber einem Anfangswert mittels einer differenzbildenden Schaltung (Wheatstone-Brücke). Zweileiterschaltung: Der R Abgl gleicht die Brücke im Ausgangszustand ab. Ein ΔR Ltg ist nicht unterscheidbar von einem ΔR t. Somit verfälscht jede Temperaturänderung der Leitung das Messergebnis. wikipedia

21 Pt100-Temperaturfühler - Messschaltung Dreileiterschaltung: Bei gleichen Leitungen fällt R Ltg heraus. R Ltg1 wirkt wie ein Quellenwiderstand.. Vierleiterschaltung: mit ist Somit kann der Spannungsverlust in den Messleitungen vernachlässigt werden. Und es folgt: und damit wikipedia

22 Beispiel einer Messung - Ventilhub - Ventilgeschwindigkeit - Schlepphebelkraft - Ventilschaftkraft

23 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Fragen?

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