Zur Messunsicherheit bei der Durchführung von Kraftmessungen

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1 Berechnung der Messunsicherheit - Empfehlungen für die Praxis Zur Messunsicherheit bei der Durchführung von Kraftmessungen Andreas Subaric-Leitis Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung 100 Berlin andreas.subaric-leitis@bam.de

2 Inhalt Kraftmessung, Kraftsensoren Eigenschaften, Spezifizierung von Kraftsensoren Kalibrierung Krafterzeugung in Prüfeinrichtungen Build-up Systeme zur Messung hoher Kräfte Instrumentierte Komponenten

3 Kraftmessung, Kraftsensoren Kraft (hier einkomponentige Messgröße) Vermeidung/Separierung von Störkomponenten wie Biegung, Querkräfte Messprinzip: Messung reversibler Verformungen

4 Kraftmessung, Kraftsensoren Messprinzip: Messung der elastischen Verformung A ε = σ = E ε l l (Hookesches Gesetz) Längsdehnung l l Querdehnung ε q = ν ε - Verformungsmessung mit Dehnungsmessstreifen (DMS) - Nichtlinerarität: Vermeidung von Querdehnungsauswirkungen Besseres Messprinzip: Statt Stauchung - Biegeverformung - Kompensation von Temperaturdehnungen und von Temperatureinflüssen Temperaturdehnung l ε T = = α T l

5 Eigenschaften, Spezifizierung von Kraftsensoren Nichtlinearität Hysterese Nullpunktabweichung (nach Nennlast) Kriechen Drift Temperaturempfindlichkeit / ggf. euchte.

6 Eigenschaften, Spezifizierung von Kraftsensoren Querkraftempfindlichkeit, Biegemomentempfindlichkeit Empfindlichkeit bzgl. nicht optimierter (z. B. nicht zentrischer) Krafteinleitung. Q

7 Eigenschaften, Spezifizierung von Kraftsensoren Kenngrößen für Kraftaufnehmer vgl. VDI/VDE/DKD 638 Kenngrößen relevant für Messunsicherheit: Linearitätsabweichung Kennlinie d lin (max. Abweichung von der Bezugsgeraden bezogen auf Messbereichsendwert) rel. Nullsignalhysterese v W0 (bezogen auf Nennkennwert) rel. Kriechen (Be-/Entlastungskriechen) Temperatureinfluss /10K TK C (bezogen auf Kennwert %/10K) Querkrafteinfluss d Q (AE/N) Biegemomenteinfluss d Mb (AE/Nm) Exzentrizitätseinfluss d E der Krafteinleitung (AE/mm) Resultierende kombinierte Unsicherheit (berechnet aus den Sensorkenngrößen) j = 1 W spec = w j

8 Kalibrierung von Kraftsensoren Kalibrierung vgl. Richtlinie DAkkS-DKD-R 3-3 Kalibrierung und Klassifizierung von Kraftmessgeräten DIN EN ISO 376:011

9 Kalibrierung und Klassifizierung von Kraftsensoren ISO Kenngrößen und Klassifizierung

10 Kalibrierung und Klassifizierung von Kraftsensoren ISO Unsicher- w w 3 w 8 w 6 ( w rec ) w 5 w 1 heitsbeiträge Rel. erweiterte Unsicherheit der Kalibrierwerte der einzelnen Kraftstufen (für zunehmende Werte): 8 i = 1 W C = w i Typ. Werte für Aufnehmer Klasse 1: 0,05 %... 0,15 %

11 Kalibrierung und Klassifizierung von Kraftsensoren ISO Relative erweiterte Unsicherheit der Kalibrierwerte der einzelnen Kraftstufen (für zunehmende Werte): 8 i = 1 W C = w i

12 Kalibrierung und Klassifizierung von Kraftsensoren ISO Relative erweiterte Unsicherheit als unktion der Kraft (Ausgleichskurve vgl. ISO 376) Hier: Wahl Gebrochen- Rationale-unktion mit 3 Anpassungskoeffizienten e j 1 1 W C ( ) = e + e 1 + e 0

13 Einsatz von Kraftsensoren: Unsicherheitsbeiträge Krafteinleitung, Temperatur, ggf. Drift der Empfindlichkeit d C. Biegemomenteinfluss d Mb Querkrafteinfluss d Q Exzentrizitätseinfluss d E Temperatureinfluss /10K TK C. W W ( ) berücksichtigt als Rechteckverteilungen d d ( ) Mb Q TK C T WC = % 3 100% 3 100% 3 ( ) Mb Q + C = ( w ) Kalibrierunsicherheit Kraftsensor d d TK T WC ( ) rev + 100% 3 100% 3 100% 3

14 Einsatz von Kraftsensoren: Prüfeinrichtungen ISO Einachsige Prüfmaschinen Prüfung und Kalibrierung der Kraftmesseinrichtung Erw. Messunsicherheit der relativen Anzeigeabweichung (zunehm. Kraft) W ( q) 1 n j a( ) W = j= 1 ( ) n( n 1) 3 Zugversuch Wiederholpräzision rel. Anzeigeabweichung relative Auflösung Rel. Messunsicherheit des Kraftmessgerätes

15 Systeme zur Messung hoher Kräfte Parallelschaltung von Kraftsensoren Messen von Druckkräften im MN-Bereich Keine Kraftsensoren im hohen MN-Bereich verfügbar bzw. Herstellung von Kraftsensoren sehr aufwendig Parallelschaltung ohne Genauigkeitsverlust gegenüber den verwendeten Einzel-Kraftsensoren Build-Up Systeme bestehend aus 3 Kraftsensoren im Lastbereich von MN bis 0 MN

16 Systeme zur Messung hoher Kräfte Modulares System bestehend aus 3 bis 6 Kraftsensoren im Lastbereich von MN bis 30 MN Lastverteilung durch gekoppelte Hydraulikzylinder

17 Systeme zur Messung hoher Kräfte: Messunsicherheit u 1 u Gesamtkraft S mit = u 3 Messunsicherheit der Gesamtkraft u S ( ) = u + u + u + Korrelationsanteil S 1 3 da auf dasselbe 1 3 Kraftnormal rückgeführt sind Messunsicherheit der Gesamtkraft u S ( ) 3u + 6 r u S (3 Kraftsensoren) u S ( ) nu + n( n 1) r u S (n Kraftsensoren) Rel. Messunsicherheit der Gesamtkraft w s u = Korrelationskoeffizient r ~ 0,1.. 0,5 S ( ) ( 1+ ( n 1) r) S S n w i w = i ui Rel. Messunsicherheit der Einzelkraft i

18 Einsatz von Build-up Systemen: Kalibrierung Kalibrierung einer 5 MN Bauteil- Prüfmaschine nach ISO Kalibrierung von Kraftsensoren für Anwendungen im Hochlastbereich

19 Einsatz von Build-up Systemen: Monitoring x 1 MN = 36 MN Monitoring von Verankerungsspannkräften von Off-Shore Einrichtungen (Verankerungsplattform)

20 Instrumentierte Komponenten zur Kraftmessung Ermittlung von Kräften, die an Anlagen- bzw. Konstruktionsteilen auftreten Instrumentierung der Komponenten mit Dehnungssensorik zur Erfassung der auftretenden Lastverformungen Schluss von den erfassten Dehnungen auf die wirkende Kraft Quelle: PROSE GmbH Quelle: PROSE GmbH

21 Instrumentierte Komponenten zur Kraftmessung Messflansch für Kräfte bis 1,5 MN Verformungsverhalten, Messeigenschaften, Kennlinie? Messunsicherheit?

22 Instrumentierte Komponenten lansch zur Kraftmessung bis 1,5 MN Belastungsversuche Hohe Nichtlinearität Starke Abweichung von der elastischen Abschätzung (50%) Kleine Wiederholpräzision und Hysterese Elast. Abschätzg. weitere Abschätzungen zur Messunsicherheit: Krafteinleitungseinfluss Langzeitkriechen / Drift Temperatureinfluss