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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum selbsttätigen Kalibrieren von Dehnungs- oder Kraftaufnehmern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie eine Messvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.
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Zur Inbetriebnahme von Messgeräten müssen diese vorab kalibriert werden, um den Ausgangssignalen genaue definierte Messwerte zuordnen zu können. Des Weiteren ist es auch innerhalb der Betriebsdauer zur Überprüfung der Messgenauigkeit oder nach Reparaturmaßnahmen häufig notwendig, diese Messgeräte neu zu kalibrieren. Insbesondere bei Messgeräten zur Dehnungs- und Kraftmessung sind eine genaue Kalibrierung und deren zeitliche Wiederholung notwendig, da bei größeren Messfehlern dies auch leicht zu Schäden an Geräten und Personen führen kann. Derartige Dehnungs- oder Kraftmessvorrichtungen werden häufig zur Überwachung der Kraftbelastung bei Kränen, Behältern, Brücken, Pressen, Walzgerüsten und ähnlichen Konstruktionen eingesetzt. Dabei werden die Dehnungs- oder Kraftaufnehmer vorzugsweise zur direkten Dehnungsmessung an den Behälterfüßen, Hydraulikpressen und dergleichen angebracht, um aufgrund der Belastung den Behälterinhalt oder die Presskraft zu erfassen.
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Derartige Aufnehmer sind schon seit längerem bekannt und wurden bisher hauptsächlich vor der Auslieferung mit vorgegebenen Kalibriergewichten oder speziellen Prüfanlagen kalibriert. Darüber hinaus war auch häufig eine Kalibrierung direkt beim Kunden notwendig, da die Zuordnung vom Dehnungsverhalten des jeweiligen Verformungskörpers abhing, an dem die Dehnungs- oder Kraftaufnehmer direkt befestigt sind.
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Bei einem derartigen Einsatz der Dehnungs- oder Kraftaufnehmer zum Beispiel an einem Behälterfuß wurde eine Kalibrierung zunächst ohne Behälterinhalt vorgenommen, wobei die Aufnehmer dann mit einer externen Auswertevorrichtung verbunden sein müssen, die dann dem Ausgangssignal einen Leerlastzustand zuordnet. Daraufhin wurde der Behälter bis zum Nennfüllstand mit einer definierten Menge von zum Beispiel Wasser vollgefüllt und das Ausgangssignal als Volllast in der externen Auswerte- und Anzeigevorrichtung definiert. Da eine derartige Gewichtsbelastung einen linearen Verlauf aufweist, wurden im Betriebszustand aus den jeweiligen Ausgangssignalen mittels einer linearen Funktion die Belastungs- oder Gewichtswerte in der externen Auswertevorrichtung errechnet und gegebenenfalls angezeigt. Insbesondere bei derartigen Großgeräten sind derartige Kalibrierverfahren mit externen Auswertevorrichtungen sehr aufwendig und müssen zumeist von externem Fachpersonal ausgeführt werden.
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Eine externe Vorrichtung zur Prüfung und Kalibrierung von Behälterwaagen ist aus der
DE 102 37 513 B4 bekannt. Bei dieser Kalibriervorrichtung ist ein biegesteifer Rahmen vorgesehen, in dem eine hydraulische Belastungsvorrichtung angeordnet ist. Unterhalb der Belastungsvorrichtung wird die Waage mit mindestens einer Wägezelle angeordnet, auf der ein modifizierter Behälterfuß abgestellt wird. Zur Kalibrierung wird dann die Waage mit einem Anfangswert und mindestens einem Endwert belastet. Dazu ist insbesondere eine Referenzwägezelle vorgesehen, durch die den Anfangs- und Endwerten feste Gewichts- oder Kraftwerte zugeordnet werden, aus denen in der Waage mit einer extern zugeordneten Auswertevorrichtung nach einer linearen Funktion die Gewichtswerte errechnet werden. Mit einer derartigen Kalibriervorrichtung können nur separate Waagen oder Wägezellen mit definierten Verformungskörpern kalibriert werden. Eine Kalibrierung von Dehnungs- oder Kraftaufnehmern an undefinierten Verformungskörpern ist damit nicht möglich.
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Aus der
DE 44 33 163 A1 ist eine Vorrichtung zum Kalibrieren von Waagen bekannt, die fest in einem Rollenprüfstand eingebaut sind. Dabei ist um den Rollenprüfstand ein Widerlagerrahmen vorgesehen, auf dem sich eine Belastungsvorrichtung abstützt, die andererseits auf dem Rollenprüfstand steht. In der Belastungsvorrichtung ist eine Referenzwaage angeordnet, deren Bezugswerte der Waage als Anfangs- und Endwerte in einer extern zu den Wägezellen angeordneten Auswertevorrichtung zugeordnet werden. Durch den separaten Widerlagerrahmen und die zusätzliche Belastungsvorrichtung ist ein derartiges Kalibrierverfahren sehr aufwendig und auch nur für zwischengelagerte Wägezellen oder Waagen geeignet.
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Ein hochgenaues Kalibrierverfahren für Kraftmessdosen und Wägezellen ist aus der
DE 199 11 086 C2 bekannt, das mit einer sogenannten Kraft-Normalmessmaschine arbeitet. In dieser Kraft-Normalmessmaschine werden die jeweils zu kalibrierenden Wägezellen mit mehreren Totlastgewichten bis mindestens zur Nennkraft selbsttätig belastet und die Ausgangssignale der Kraftmessdosen oder Wägezellen dem jeweiligen Gewicht der Totlasten zugeordnet. Mit einer derartigen Vorrichtung kann jedoch die Kalibrierung vor Ort im eingebauten Zustand des Dehnungs- oder Kraftaufnehmers meist nicht erfolgen.
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In der
DE 195 48 390 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen von Belastungen in einem Fahrzeug beschrieben. Diese umfasst Dehnungs- und/oder Wegmessfühler und eine lokale elektronische Schnittstelle, die in einem Sensorsubsystem enthalten und mit einer Hauptsteuereinheit in dem Fahrzeug verbindbar sind, dem die Belastungsmessvorrichtung zugeordnet ist. Die Belastungsmessvorrichtung weist eine interne Mikrosteuereinheit in der Schnittstelle auf, die Signale von der Hauptsteuereinheit zu empfangen vermag, durch die sie angewiesen wird, Bauteile der Belastungsmessvorrichtung in die Betriebsart Nullpunkteinstellung oder in die Betriebsart Eichung zu schalten. Die Mikrosteuereinheit umfasst einen elektrisch veränderbaren, nichtflüchtigen Speicher, der die Nullpunkteinstellung und die Eichung betreffende Daten zur späteren Verwendung in einer normalen Betriebsart der Vorrichtung, der Belastungsmessung, zu speichern vermag. Für die Messbereichseichung ist die externe Ansteuerung über die Hauptsteuereinheit notwendig.
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Aus der
DE 43 06 662 A1 ist ein Verfahren zur Kalibrierung der Verstärkervorrichtung eines Dehnungsmessers an einem Kran bekannt. Ein differentielles Ausgangssignal des Dehnungsmessers wird einer separaten Einrichtung zugeführt, welche die Verstärkervorrichtung und eine Steuereinheit enthält und mit einem Steuerpult verbunden ist. Ein Benutzer wird dazu aufgefordert, den Kran zunächst mit einer Nulllast und später mit einer Testlast einer von ihm anzugebenden Größe zu belasten und dies jeweils mittels eines Steuerschalters an dem Steuerpult zu bestätigen. Die Steuereinheit bestimmt bei der Belastung mit der Nulllast ein Korrektursignal zur Einstellung eines gewünschten Nullniveaus, bestimmt bei der Belastung mit der Testlast den Verstärkungsfaktor der Verstärkervorrichtung und speichert das Korrektursignal sowie den Verstärkungsfaktor in einem nichtflüchtigen Speicher der Steuereinheit.
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In der
US 4 674 605 A ist ein Kalibrierungssystem für einen Lastsensor eines Aufzugs beschrieben. Der Aufzug umfasst einen Aufzugsschacht, eine Aufzugskabine und eine Steuereinrichtung. Der an der Aufzugskabine befestigte Lastsensor wie beispielsweise ein Dehnungsmessstreifen führt der separaten Steuereinrichtung Lastsignale zu, welche das Gewicht der Aufzugskabine angeben. Bei der Kalibrierung wird mit leerer Aufzugskabine ein Lastsignal ermittelt und in der Steuereinrichtung gespeichert. Daraufhin wird die leere Aufzugskabine an dem oberen Ende des Aufzugsschachts mit dort an den Seitenwänden des Aufzugsschachts beweglich aufgehängten Kalibrierungsgewichten belastet, ein sich so ergebendes geändertes Lastsignal ermittelt und basierend auf den beiden ermittelten Lastsignalen ein Skalierungsfaktor bestimmt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen unterschiedliche Dehnungs- oder Kraftaufnehmer im eingebauten Betriebszustand selbsttätig, d. h. ohne externe Belastungsgeräte oder Totlasten, auf einfache Weise kalibriert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 8 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass durch die im Aufnehmer integrierte Auswerteschaltung mit selbsttätiger Kalibrierung ohne externe Belastungsvorrichtungen und ohne externe Auswertevorrichtungen auf einfache Weise eine Kalibrierung des Aufnehmers vorgenommen werden kann. Insbesondere sind dazu keine Referenzbelastungsmaschinen oder Referenzaufnehmer erforderlich, sondern die Kalibrierung kann vorteilhafterweise beim jeweiligen Anwendungsfall ausgeführt und auf den vorgesehenen Messbereich eingestellt werden. Dieses Verfahren hat gleichzeitig den Vorteil, dass es im normalen Betriebszustand des Aufnehmers vorgenommen werden kann, ohne dass der Aufnehmer vom Messobjekt demontiert werden müsste, und somit vorteilhafterweise das Kalibrierverfahren auch vor Ort des Messobjektes erfolgen kann.
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Die Erfindung hat auch den Vorteil, dass dieses Kalibrierverfahren durch programmgesteuerte Rechenvorrichtungen auch vollautomatisch und somit auch in vorgegebenen Zeitabständen ohne jede Fachkraft ausgeführt werden kann. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn ein derartiger Aufnehmer mit integrierter Auswerteschaltung ausgetauscht oder nachträglich eingesetzt wird, da dies keiner externen Vorrichtungen und Verfahren bedarf.
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Dabei hat die erfinderische Vorrichtung den Vorteil, dass diese sehr kompakt ausführbar ist und somit leicht an vielen belastbaren Maschinenteilen zur Überwachung oder als Überlastschutz auf einfache Weise einsetzbar und nachrüstbar ist. Dazu kann ein derartiger Aufnehmer mit integrierter Auswerteschaltung bei einfachster Ausführung einfach in Belastungsrichtung der hochbelastbaren Maschinenteile an diesen befestigt werden.
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Durch die Kalibrierung mittels nur zweier Belastungszustände ist nicht nur eine Null- und Nennlastkalibrierung, sondern auch eine individuelle Kalibrierung anderer Lastzustände vorteilhafterweise möglich. So ist vorteilhafterweise eine Kalibrierung beliebiger Lastzustände als auch eine kalibrierte Überwachung oder Überlastkontrolle an beliebigen Maschinenteile möglich, die kritischen Belastungen unterliegen.
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Bei einem besonderen Kalibrierverfahren, wo die Nulllast einer erhöhten Ausgangsspannung und die Nennlast einer verringerten Ausgangsspannung zugeordnet werden, gibt es den Vorteil, dass auch negative Belastungen und solche oberhalb der Nennlast genau anzeigbar oder signalisierbar sind.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, näher erläutert. Es zeigt:
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1: Ein Blockschaltbild eines Dehnungsaufnehmers mit integrierter Auswerteschaltung.
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In der einzigen Fig. der Zeichnung ist ein Blockschaltbild eines Dehnungs- 1 oder Kraftaufnehmers dargestellt, in dem eine elektronische Auswerteschaltung 13 zum selbsttätigen Kalibrieren des Aufnehmers 1 integriert ist.
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Der Dehnungs- 1 oder Kraftaufnehmer ist als Dehnungsmessstreifenaufnehmer 10 ausgebildet, der vorzugsweise einen plattenförmigen Verformungskörper aus einem federelastischen speziellen Edelstahl oder Aluminium enthält. Auf diesen Verformungskörper 10 sind vorzugsweise vier Dehnungsmessstreifen 11 als Widerstände appliziert, die zu einer Wheatstoneschen Messbrücke 14 verschaltet sind. Der plattenförmige Verformungskörper 10 besitzt noch mindestens zwei Befestigungsbohrungen 12, mit denen er an ein kraftbelastbares Bauteil eines Kranes, eines Behälters oder einer Presse als Messkörper befestigt wird, dessen Kraftbelastung erfasst werden soll. Dabei liefert die Messbrücke 14 ein Ausgangssignal, das der Dehnung des Messkörpers und damit der Kraftbelastung oder Gewichtsbelastung proportional ist. Der Ausgang der Messbrücke 14 ist mit einer im Aufnehmer 1 integrierten elektronischen Auswerteschaltung 13 verbunden, die im Wesentlichen aus einem A/D-Wandler 2, einer Kalibrierschaltung 3, einer Speicherschaltung 4, einer Rechenschaltung 5 und einem D/A-Wandler 6 besteht. Dabei sind die dafür notwendigen elektronischen Bauteile auf einer kleinen nicht dargestellten Schaltungsplatine angebracht, die vorzugsweise in einer Vertiefung 15 des Verformungskörpers 10 angeordnet und mit einer plastischen Vergussmasse kraftnebenschlussfrei in diesem vergossen ist. Dadurch entsteht ein kompakter Dehnungsaufnehmer 1, der in einer vorgesehenen Ausführung quaderförmig ausgebildet ist und vorzugsweise eine Länge von ca. 90 mm, eine Breite von ca. 25 mm und eine Dicke von ca. 10 mm aufweist. Je nach Anwendungszweck sind aber auch andere Formen und Abmessungen denkbar.
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Eine derartige Ausführung kann auf einfache Weise an kraftbelastbaren Teilen vieler Maschinen oder Bauteile angeschraubt werden, deren Belastung erfasst werden soll. Zur Stromversorgung, zur Kalibrierung und zur Messwertanzeige ist der Aufnehmer 1 mit einem nach außen geführten mindestens fünfadrigen nicht dargestellten Anschlusskabel versehen. Dieses enthält mindestens eine Leitung 17 zur Kalibrierung, eine Leitung 18 zur Tarierung, eine Leitung 16 zur Anzeige und zwei Leitungen zur Stromversorgung. Zur Kalibrierung außerhalb der Auswerteschaltung 13 ist noch ein Kalibrierschalter 7 zur Erzeugung eines zweiten Schaltsignals vorgesehen, der elektrisch mit der Kalibrierschaltung 3 verbunden ist. Zur Erzeugung eines ersten Schaltsignals oder zur Tarierung ist noch ein Tarierschalter 8 vorgesehen, der ebenfalls mit der Kalibrierschaltung 3 verbunden ist. Zur Anzeige ist außerhalb des Aufnehmers 1 noch eine Anzeigevorrichtung 9 vorgesehen, die elektrisch über mindestens eine Anzeigeleitung 16 des Anschlusskabels mit dem D/A-Wandler 6 verbunden ist.
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Zur Messung und Kalibrierung arbeitet der vorbeschriebene Aufnehmer 1 nach folgendem Verfahren:
Zunächst wird der Dehnungsaufnehmer 1 an ein belastbares Maschinenteil kraftschlüssig befestigt, das als Messkörper oder Messobjekt dient. Durch die mechanische Belastung des Messkörpers ergibt sich eine Längenänderung am Messkörper, die auf den Dehnungsaufnehmer 1 übertragen wird. Aufgrund der Längenänderung ändert sich der elektrische Widerstand der applizierten Dehnungsmessstreifen 11 proportional zur Dehnung. Diese Widerstandsänderung wird durch einen nicht dargestellten Gleichspannungsverstärker in ein elektrisches Messsignal am Ausgang der Messbrücke 14 umgewandelt. Dabei ist der Dehnungsaufnehmer 1 vorzugsweise für eine Dehnung von 500 μm/m und eine Aufnehmerausgangsspannung von 0 bis 10 V (≙ 100%) ausgelegt.
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Während der Kalibrierung können diese Ausgangsspannungen entsprechend einer linearen Kennlinie bestimmten Anfangs- oder Endwerten zugeordnet werden. In einem unbelasteten ersten Zustand befindet sich der Anfangswert am Kennliniennullpunkt, der eine sogenannte Tara-Funktion darstellt, und in dem meist eine Null-Last-Anzeige erfolgen soll. Dieses unkalibrierte Ausgangssignal wird nun von der Messbrücke 14 erfasst und in dem nachfolgenden Analog-Digital-Wandler 2 in einen Digitalwert umgewandelt. Dieser Kennlinienanfang wird bei der Kalibrierung dieses digitalen Ausgangssignals in der Kalibrierschaltung 3 einem Ausgangsspannungspegel von einem Volt (= +10%) zugeordnet. Dazu wird zur Nullpunkt-Kalibrierung bei diesem ersten vorzugsweise belastungsfreien Zustand zunächst der Tara-Schalter 8 betätigt, durch dessen erstes Schaltsignal in der Kalibrierschaltung 3 diesem Anfangswert eine Ausgangsspannung von einem Volt (≙ 10%) zugeordnet wird, so dass vorzugsweise auch negative Dehnungen anzeigbar sind. Dieser Anfangswert wird nun als Nullpunkt in der Speicherschaltung 4 abgelegt. Der Anfangswert oder Ausgangspunkt kann aber vorzugsweise aus einem Bereich von +0% bis +20% ausgewählt werden.
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Dann wird das Messobjekt oder der Messkörper mechanisch bis zu einem zweiten Zustand, vorzugsweise bis zu dessen Nennwert, belastet. Das dadurch erzeugte Ausgangssignal der Messbrücke 14 wird nun im A/D-Wandler digitalisiert und der Kalibrierschaltung 3 zugeführt. Bei diesem zweiten Betriebszustand bei Nennbelastung wird nun der Kalibrierschalter 7 betätigt, der ein zweites Schaltsignal erzeugt, durch das das Ausgangssignal dem Endpunkt der Kennlinie als Endwert einer Ausgangsspannung von 9 V (≙ 90%) zugeordnet und ebenfalls in der Speicherschaltung 4 abgelegt wird. Durch die Zuordnung des Endwertes bei 9 V wird erreicht, dass die Ausgangswerte bis 10 V (≙ 100%) auch noch oberhalb des Nennwertes genau erfassbar sind. Der Endwert oder Endpunkt kann aber vorzugsweise aus einem Bereich von –0% bis –20% vom Endpunkt ausgewählt werden.
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In der Speicherschaltung 4 sind zusätzlich noch definierte Ausgangsmesswerte gespeichert, die den vorgegebenen Anfangs- und Endwerten zugeordnet werden, und durch die für jedes Ausgangssignal der Messbrücke 14 eine definierte Belastungskraft oder ein relativer prozentualer Belastungswert als Ausgangsmesswert errechenbar ist. Mit diesen Zuordnungen innerhalb der Kalibrierschaltung 3 und der abgelegten Werte in der Speicherschaltung 4 ist der Kalibriervorgang selbsttätig für das jeweilige Messobjekt abgeschlossen.
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Eine derartige Kalibrierung kann auch vollautomatisch vorgenommen werden. Dann ist das Messobjekt von einem ersten Betriebszustand, zum Beispiel dem Tara-Zustand, in einen zweiten Betriebszustand, zum Beispiel den Nennwert-Zustand, mit Hilfe einer nicht dargestellten programmgesteuerten Rechenvorrichtung zu steuern. Dabei kann dann mittels einer weiteren nicht dargestellten programmgesteuerten Schaltvorrichtung ein erstes Schaltsignal erzeugt werden, durch das das Ausgangssignal im Tara-Zustand innerhalb der Kalibrierschaltung 3 einem Anfangswert der Kennlinie zugeordnet wird. Durch diese programmgesteuerte Schaltvorrichtung kann bei Erreichen eines zweiten Betriebszustands zum Beispiel bei der Erreichung der Nennbelastung ein zweites Schaltsignal erfolgen, durch das der Kennlinienendpunkt festgelegt wird. Die programmgesteuerten Rechen- und Schaltvorrichtungen können auch in der Auswerteschaltung 13 integriert sein.
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Solche automatischen Kalibriervorgänge können auch in zeitlichen Abständen selbsttätig erfolgen, so dass zwischenzeitliche Abweichungen dadurch auch korrigiert werden können, was die Messgenauigkeit des Aufnehmers 1 verbessert. Durch ein derartiges Verfahren kann ein Dehnungsaufnehmer 1 auch außerhalb der Nulllast und außerhalb der Nennlast kalibriert werden. So wird durch die Auslösung des ersten Schaltsignals des Tara-Schalters 8 lediglich der jeweilige Ausgangswert des Ausgangssignals der Messbrücke 14 auf den Kennlinienanfang gelegt. Bei einer weiteren Belastung kann dann durch Auslösung des zweiten Schaltsignals mithilfe des Kalibrierschalters 7 dieser Ausgangswert als jeweiliges Ausgangssignal der Messbrücke 14 auf den Kennlinienendpunkt gelegt werden. Insofern sind die Aufnehmer 1 je nach Anwendungsfall auch individuell kalibrierbar.
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Nach dieser integrierten Kalibrierung wird jedes erfasste Ausgangssignal der Messbrücke 1 im Analog-Digital-Wandler 2 digitalisiert und dann der Rechenschaltung 5 zugeführt. In dieser wird dann entsprechend der im Speicher 4 hinterlegten Kalibrierwerte der augenblickliche Belastungsmesswert als Ausgangsmesswert errechnet. Dieser wird dann im Digital-Analog-Wandler 6 in einen analogen Ausgangsmesswert umgewandelt und der Anzeigevorrichtung 9 zur Anzeige oder Weiterverarbeitung zugeführt. Diese Ausgangsmesswerte können dann angezeigt oder zur Signalisierung oder zur Abschaltung des überwachten Messobjektes benutzt werden.
