expertlyßl verlag Technische Druck-und Kraftmessung Prof. Dr.-Ing. K. W. Bonfig

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1 Technische Druck-und Kraftmessung Prof. Dr.-Ing. K. W. Bonfig Ing. K. H. Martini Dipl.-Ing. J. Paetow Dr.-Ing. T. Preusser Dr.-Ing. P. Sieber Mit 140 Bildern Kontakt & Studium Band 254 Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Wilfried J. Bartz Technische Akademie Esslingen Weiterbildungszentrum Dipl.-Ing. FH Elmar Wippler, expertverlag expertlyßl verlag

2 Inhaltsverzeichnis Herausgeber-Vorwort Einführung 1 Überblick über wichtige Prinzipien und Wirkungsweisen technischer Druckmeßgeräte K.W. Bonfig Allgemeines, Absolutdruck, Differenzdruck Federelastische Druckmeßgeräte Kolbenmanometer und Druckwaagen Federbalg-Manometer Kapselfeder-Manometer Plattenfeder-Manometer Federrohr-Manometer (Bourdon-Manometer) Flüssigkeitsmanometer U-Rohrmanometer Ringrohrmanometer Druckmeßumformer Druckmeßumformer mit pneumatischem Ausgangssignal Mechanisch-elektrische Kompensations-Meßumformer für Druck und Differenzdruck Druckmeßgeräte nach dem induktiven Prinzip D/uckrneßgeräte nach dem Dehnungsmeßstreifen '1DMS)_ Prinzip Druckmeßgeräte nach dem piezoresistiven Prinzip in Dünnfilmtechnik Druckmeßgeräte nach dem piezoresistiven Prinzip in Dickschichtteehnik Druckmeßgeräte nach dem piezoresistiven Prinzip in Halbleitertechnik Piezoelektrische Druckmeßgeräte Druckmeßgeräte nach dem kapazitiven Prinzip Druckaufnehmer nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzmessung Weitere Druckmeßgeräte Unmittelbare elektrische Druckmeßumformer Manganin-Druckaufnehmer Druckempfindliche Transistoren (Pitrans) Druckempfindliche Dioden 25

3 1.5.4 Druckempfindliche Schwingquarze Druckempfindliche Photowiderstände Druckabhängigkeit des Widerstandes dünner weichmagnetischer Schichten Ausblick und Entwicklungstendenzen 27 2 Druckmeßgeräte nach dem induktiven und dem Dehnungsmeßstreifen-Prinzip J. Paetow Induktive Druckaufnehmer Dehnungsmeßstreifen (DMS) - Druckaufnehmer Technische Daten der induktiven und Dehnungsmeßstreifen- Druckaufnehmer Anwendungshinweise Elektrische Folgegeräte Anwendungsbeispiele 41 3 Piezoelektrische und piezoresistive Druckmeßverfahren K.H. Martini Einleitung Piezoelektrische Aufnehmer, Prinzip und konstruktive Ausführungen Meßprinzip Die piezoelektrischen Effekte in Quarzkristall Die Eigenschaften der piezoelektrischen Meßtechnik, quasistätisches Verhalten ~ emperaturverhalten, Betriebstemperaturbereich Dynamisches Verhalten, Messen von Impulsen Konstruktive Ausführungen von Quarzkristall-Druckaufnehmern Standard-Druckaufnehmer für allgemeine Anwendungen Druckaufnehmer für die Motorenindizierung Beschleunigungskompensierte Druckaufnehmer hoher Eigenfrequenz Hochdruckaufnehmer für Hydraulik und Ballistik Spezialaufnehmer für die Forminnendruckmessung beim Spritzgießen Piezoresistive Aufnehmer, Prinzip und konstruktive Ausführungen Meßprinzip Die piezoresistiven Effekte in Siliziumkristall Die Eigenschaften der piezoresistiven Meßtechnik Temperaturverhalten, Betriebstemperaturbereich 72

4 Statisches und dynamisches Verhalten, Langzeitstabilität Konstruktive Ausführungen von piezoresistiven Druckaufnehmern Standard-Druckaufnehmer für Absolutdruck und Relativdruck Spezialausführung für hohe Drücke Elektronische Folgegeräte, Verstärker und Zusatzgeräte zur Meßwertaufbereitung Ladungsverstärker und Ladungskalibrator Ladungsverstärker Ladungskalibrator Piezoresistiver Verstärker Zusatzgeräte Anwendungsbeispiele aus Forschung, Entwicklung und Industrie 89 4 Druckmeßumformer für industriellen Einsatz P. Sieber Einleitung Funktionsprinzipien verschiedener Baureihen Meßumformer mit induktivem Abgriffsystem Meßumformer mit kapazitivem Abgriffsystem Innenliegendes kapazitives Abgriffsystem Außenliegendes kapazitives Abgriffsystem Druckmessung mit Hilfe des piezoresistiven Effekts eines Siliziumkristalls Druckmessung nach dem Prinzip der Resonanzfrequenzmessung einer schwingenden Saite Allgemeine Hinweise Spezielle Einsatzfälle Füllstandsmessung Druckmittlersysteme Meßumformer für kerntechnische Anlagen Übersicht über Prinzip und Wirkungsweise von Kraftaufnehmern und Wägezellen K.W. Bonfig ' Allgemeines, Definitionen, Einheiten Mechanische Kraftmeßverfahren Hebelwaagen mit Massenvergleich Federwaagen Hydraulische oder pneumatische Kraftmessung Elektromechanische Waagen 110

5 5.3 Kraftmessung über die Messung der Verformung elastischer Körper Elektrische Messung der Längenänderung des Verformungskörpers Induktive Messung der Längenänderung des Verformungskörpers Kapazitive Messung der Längenänderung des Verformungskörpers Weitere Möglichkeiten zur Messung der Längenänderung des Verformungskörpers Kraftaufnehmer mit Dehnungsmeßstreifen Magnetoelastische Kraftaufnehmer Piezoelektrische Kraftaufnehmer Elektrostatische Kraftaufnehmer Schwingsaiten-Kraftaufnehmer Kraftmessung mit Ultraschall Kraftempfindliche Transistoren Ausblick und Entwicklungstendenzen Wägezellen und Kraftaufnehmer nach dem Dehnungsmeßstreifenverfahren J. Paetow Die technische Bedeutung der Dehnungsmeßstreifen- Auf nehmer Unterschied zwischen Kraftaufnehmern und Wägezellen Anwendungsbereich von DMS-Aufnehmern Konstruktionsprinzip der DMS-Aufnehmer Meßeigenschaften allgemein, Definitionen, Normen Wägezellen, spezielle Anforderungen Anwendung in der Kraftmeßtechnik Kraftaufnehmer in Prüfmaschinen Kalibrierdienste Mehrkomponenten-Dynamometer mit QuarzkristalI- Kraftmeßelementen K.H. Martini Einleitung Die piezoelektrischen Effekte in Quarzkristall Funktionsprinzip von Mehrkomponenten-Kraftaufnehmern Der Aufbau von Mehrkomponenten-Dynamometern Komponenten-Kraftmessung Komponenten-Momentmessung 153

6 7.4.3 Messung der Koordinaten des Kraftangriffspunktes und des freien Momentes Haupteigenschaften von Quarzkristall-Dynamometern Verhältnis von Spanne zu Ansprechschwelle und Linearität Temperaturverhalten Übersprechen Frequenzbereich Andere wichtige Eigenschaften von Quarzkristall Vergleich zwischen Quarzkristall und Dehnmeßstreifen Vorteile und Grenzendes Quarzkristall-Systems Vorteile und Grenzen des DMS-Systems Vergleich des dynamischen Verhaltens beider Systeme Anwendungsbeispiele von Quarzkristall-Mehrkomponenten- Dynamometern Schnittkraftmessungen an Werkzeugmaschinen Messungen in Biomechanik und Sport Aerodynamische Kraftmessungen Anwendungen in der Automobilindustrie Diverse Applikationen Präzisionsmessungen in der industriellen Kraftmeßund Wägetechnik T. Preußer Einleitung Anforderungen an Kräftmessung, Wägung und eichpflichtige Wägesysteme Darstellung der mit der SCHENCK-Ringtorsions-Wägezelle erreichbaren Genauigkeiten Einbau-und Lagerprobleme Stand der Entwicklung bei der elektronischen Signalverarbeitung und Auswertung Ausführungsbeispiele Hochpräzise elektromechanische Industriewaagen Kraft-Normalmeßeinrichtungen und Kalibriervorrichtungen Windkanalwaagen Schlußbemerkungen 201 Literaturverzeichnis 203 Stichwortverzeichnis 209 Autorenverzeichnis 211