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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit bei Kraftmesseinrichtungen zur ein- oder mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente. Derartige Kraftmesseinrichtungen werden in der Fertigungstechnik, der Robotik und für Mess- und Prüfstände verwendet.
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Hintergrund der Erfindung
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Kraftmesseinrichtungen zur ein- oder mehrachsigen Erfassung einwirkender Kräfte und Momente besitzen häufig einen Aufbau, bei dem ein erster flanschartiger Teil über eine zwischenliegende Verformungszone mit einem zweiten flanschartigen Teil verbunden ist. Die zwischen den beiden flanschartigen Teilen wirkenden Kräfte führen zu Verformungen der Verformungszone. Diese Verformungen werden von Verformungsaufnehmern erfasst, welche im Bereich der Verformungszone angeordnet sind. Mit derartigen Verformungsaufnehmern lassen sich sehr kleine Längenänderungen des Trägermaterials erfassen. Solche Längenänderungen treten aber nicht nur aufgrund der einwirkenden Kräfte auf, sondern auch als Folge von Temperaturänderungen. Es wird deshalb von den Herstellern im Interesse einer geringen Messunsicherheit empfohlen, die Umgebungstemperaturen möglichst konstant auf einem vorgegebenen Niveau von meist 20°C zu halten, wenn die in den technischen Spezifikationen angegebene Messunsicherheit der Kraftmesseinrichtung erreicht werden soll. Diese Vorgaben lassen sich bei vielen technischen Anwendungen jedoch nicht einhalten; weder hinsichtlich des Temperaturniveaus noch der Temperaturkonstanz.
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Im Weiteren ist gelegentlich von axialen und radialen Kraftwirkungen die Rede. Dies hat seine Ursache darin, dass viele der bekannten technischen Kraftmesseinrichtungen einen näherungsweise zylindrischen Aufbau besitzen und die Stirnseiten dieses Zylinders üblicherweise die beiden Anschlussflächen bilden, über die die Kräfte ein- beziehungsweise ausgeleitet werden. Die Rotationsachse dieses Zylinders ist hier die Bezugsachse. Sie wird mit der Z-Richtung gleichgesetzt. Allgemeiner ausgedrückt ist die hier gemeinte Achse die Abstandsrichtung zwischen den zwei üblicherweise parallelen Anschlussflächen einer solchen Kraftmesseinrichtung und steht lotrecht auf denselben.
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Die Verformungszone stellt gewöhnlich innerhalb der Kraftmesseinrichtung den Bereich des größten Wärmewiderstands zwischen den beiden Anschlussflächen der Kraftmesseinrichtung dar, dementsprechend ist in diesem Bereich auch der Temperaturunterschiedswert pro Längeneinheit am höchsten. Der Temperaturgradient verläuft dabei vorzugsweise in axialer Richtung.
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Während sich wärmebedingte Verformungen der Verformungszone in radialer Richtung durch eine zweckmäßige Anordnung von Verformungsaufnehmern meist gut kompensieren lassen, sind wärmebedingte Verformungen in axialer Richtung nicht oder nur unvollständig kompensierbar. Folgende Wärmequellen sind denkbar:
- – Temperaturunterschiede zwischen den Anschlussflächen der Kraftmesseinrichtung, bedingt beispielsweise durch angeschlossene wärmeerzeugende Aggregate, wie z.B. Motoren.
- – Erwärmungen der Verformungszone aufgrund innerer Reibung bei hochdynamischen Anwendungen
- – Einseitig einstrahlende Wärme von einer äußeren Quelle, z.B. aufgrund von Sonneneinstrahlung
- – Erwärmungen der Verformungszone aufgrund der elektrischen Verlustleistung der aufgebrachten Verformungsaufnehmer
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Besonders die zuletzt genannte Erwärmung der Verformungszone aufgrund der elektrischen Verlustleistung aufgebrachter Verformungsaufnehmer ist von besonderer Bedeutung. Einerseits haben alle gängigen Kraftmesseinrichtungen ein thermisches Einschwingverhalten. Dies führt nach dem ersten Einschalten der Kraftmesseinrichtung zu einer Nullpunktdrift in der Z-Achse. Ein thermisch ausreichend stabiler Zustand stellt sich oft erst nach vielen Minuten ein. Ändern sich darüber hinaus während der Nutzungszeit der Kraftmesseinrichtung die Verhältnisse der Wärmeabfuhr, wandert der Nullpunkt in unvorhersehbarerer Weise.
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Wird eine Kraftmesseinrichtung mit einer besonders hohen Empfindlichkeit benötigt und verwendet man Dehnmessstreifen als Verformungsaufnehmer, ist es vorteilhaft, die Dehnmessstreifen mit einer hohen Speisespannung zu betreiben. Eine hohe Speisespannung erhöht aber auch den Wärmeeintrag in die Verformungszone und somit die Messunsicherheit und die Zeit bis zum Erreichen eines thermisch stabilen Zustands.
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Stand der Technik
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Die Wärmeabfuhr bei bestehenden Kraftmesseinrichtungen ist auf die Verwendung gut wärmeleitfähiger Materialien beschränkt. Der Temperaturgradient unter den Messwertgebern wurde durch die Verkleinerung der Verformungsaufnehmer optimiert, außerdem gibt es einen Trend zur Verringerung der Speisespannung und zur Erhöhung der Widerstandswerte bei Dehnmessstreifen, welche ebenfalls zu einer Verringerung der Verlustleistung führen. Bestehende Kraftmesseinrichtungen weisen jedoch nach dem Kenntnisstand des Anmelders keine vergleichbaren Systeme zur Wärmeübertragung oder aktiven Temperierung auf.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Temperaturempfindlichkeit und die Messunsicherheit derartiger Kraftmesseinrichtungen zu verringern. Dabei liegt ein besonderer Fokus auf der Abfuhr der Verlustleistung aus den Verformungsaufnehmern, um die thermische Einschwingzeit zu verringern und/oder höhere Speisespannungen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kraftmesseinrichtung gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Kraftmesseinrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–10.
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Die Aufgabe wird dabei gelöst, indem eine erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung eine Verformungszone aufweist, welche mindestens teilweise mit einem Fluid in flächigem Kontakt steht. Dabei ist die Kraftmesseinrichtung dazu ausgebildet, über das Fluid Wärme von der Verformungszone abzuführen. Wenigstens von der Verformungszone kann so Wärme abgeführt werden, um die zuvor genannten Nachteile zu vermeiden.
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Bei dem Fluid kann es sich um ein Gas oder eine Flüssigkeit handeln. Vorzugsweise handelt es sich um eine Flüssigkeit. Doch auch zähe oder pastöse Medien wie beispielsweise Wärmeleitpasten können zur Anwendung kommen. Auch fließfähige Granulate oder sonstige Medien aus einer Vielzahl von Einzelpartikeln sind als Fluid im Sinne der Erfindung zu bezeichnen. Der Begriff „Fluid“ ist für die vorliegende Erfindung daher in seinem weitesten Sinn auszulegen.
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Neben der Verformungszone kann das Fluid dabei auch in Kontakt mit mindestens einem flanschartigen Teil der Kraftmesseinrichtung stehen. Vorzugsweise steht das Fluid mit beiden flanschartigen Teilen in Kontakt, um so eine thermische Verbindung zwischen dem ersten flanschartigen Teil und dem zweiten flanschartigen Teil herzustellen.
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Das Fluid steht somit mit mindestens einem, vorzugsweise aber mit beiden flanschartigen Teilen der Kraftmesseinrichtung in thermischen Kontakt. Bei Kontakt des Fluides mit einem flanschartigen Teil kann nicht nur Wärme direkt von der Verformungszone in dieses flanschartige Teil abfließen, sondern Wärme fließt auch auf einem parallelen zweiten Weg von der Verformungszone über das Fluid in diesen flanschartigen Teil. Dies erfolgt durch Konvektion und/oder Wärmeleitung des Fluides. So wird der Wärmewiderstand des direkten Weges zwischen der Verformungszone und dem jeweiligen flanschartigen Teil vorteilhaft verringert gegenüber Lösungen ohne Wärmeabfuhr durch ein Fluid.
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Stehen beide flanschartigen Teile darüber hinaus durch das Fluid miteinander in thermischen Kontakt, wird die Verformungszone von der Aufgabe entlastet, den Wärmetransport zwischen den beiden flanschartigen Teilen allein zu bewältigen. Der Gesamtwärmewiderstand zwischen diesen beiden Elementen wird ebenfalls vorteilhaft herabsetzt gegenüber Lösungen ohne Wärmeabfuhr durch ein Fluid. Dies ist insbesondere dann von Bedeutung, wenn zwischen den flanschartigen Teilen aufgrund äußerer Einflüsse große Temperaturdifferenzen und/oder schnelle Temperaturänderungen zu erwarten sind. Durch diese Maßnahmen verringern sich das Temperaturniveau und der Temperaturunterschiedswert pro Längeneinheit im Bereich der Verformungszone, was zu einer geringeren Messunsicherheit führt. Gleichzeitig verringert sich die erforderliche Zeit für das thermische Einschwingen.
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Zweckmäßigerweise ist dabei vorgesehen, dass die Vorrichtung Mittel zur Kühlung des Fluides aufweist, um Wärme abführen zu können. Beispielsweise kann das Fluid hierzu in Berührung mit einem Wärmekoppelelement stehen, über das Wärme von dem Fluid abführbar ist. Dieses Wärmekoppelelement kann beispielsweise ein Wärmerohr sein.
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Alternativ oder ergänzend kann das Fluid von einer externen Temperiereinrichtung temperiert und umgewälzt werden. Das Fluid kann auch von einer Kühlmittelleitung durchzogen sein, und das darin fließende Kühlmittel wird von einer externen Temperiereinrichtung temperiert und umgewälzt.
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In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Verformungszone rohrartig ausgeführt, wobei die innere oder äußere Fläche der rohrartigen Verformungszone als Applikationsfläche für Verformungsaufnehmer dient, und die der äußeren Applikationsfläche gegenüberliegende innere Wand der rohrartigen Verformungszone oder alternativ die der inneren Applikationsfläche gegenüberliegende äußere Wand der rohrartigen Verformungszone ist mit einem Fluid beaufschlagt.
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Die vorliegende Erfindung umfasst ferner den Gedanken, das Temperaturniveau und die Temperaturunterschiedswerte zwischen den beiden flanschartigen Teilen und ggf. auch der Verformungszone kontinuierlich mittels Temperatursensoren in der Kraftmesseinrichtung zu erfassen und das Temperaturniveau, den Temperaturunterschiedswert und den zeitlichen Verlauf der Temperaturänderung aufgrund von Erfahrungswerten für eine Kompensation von Messwertfehlern heranzuziehen. Weiterhin kann die Erfassung dieser Temperaturen für eine gezielte Temperierung des Sensors genutzt werden, mit dem Ziel, ein vorgegebenes Temperaturniveau zu halten und/oder den Unterschiedswert so gering wie möglich zu halten.
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In einer Ausführungsform der Erfindung besitzt die Kraftmesseinrichtung daher in ihrem ersten flanschartigen Teil und in ihrem zweiten flanschartigen Teil jeweils mindestens einen Temperatursensor, und der von einer Auswerteeinheit ermittelte Temperaturunterschiedswert wird für eine Korrektur der ermittelten Kraftwerte und/oder zur Steuerung einer die Kraftmesseinrichtung oder Teile davon temperierenden Vorrichtung herangezogen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Erster flanschartiger Teil
- 2
- Zweiter flanschartiger Teil
- 3
- (Rohrartige) Verformungszone
- 4
- Verformungsaufnehmer (Dehnmessstreifen)
- 5
- Applikationsfläche
- 6
- Messkörper
- 7
- Mittelachse
- 8
- Nutartiger Einstich
- 9
- Fluid
- 10
- Anschlussfläche oben
- 11
- Anschlussfläche unten
- 12
- Temperatursensor oben
- 13
- Temperatursensor unten
- 14
- Flexibler Dichtring oben
- 15
- Dichtring unten
- 16
- Wärmekoppelelement
- 17
- Kühlmittelleitung
- 18
- Kühlmittelzufluss
- 19
- Kühlmittelabfluss
- 20
- Innenwand
- 21
- Wärmerohr
- 22
- Dichtstopfen
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt einen Halbschnitt einer erfindungsgemäßen Kraftmesseinrichtung mit einem Messkörper 6, welcher funktionell in einen ersten flanschartigen Teil 1, einen zweiten flanschartigen Teil 2 und eine zwischenliegende Verformungszone 3 eingeteilt wird. Die Verformungszone 3 ist dabei rohrartig ausgeführt. Die äußere Zylinderfläche dieses Rohres ist nach oben und unten verlängert und bildet die Applikationsfläche 5 für die Verformungsaufnehmer 4. Diese sind im gezeigten Beispiel als Dehnmessstreifen ausgeführt. Der Messkörper 6 bildet hinter der rohrartigen Verformungszone 3 einen Hohlraum aus, welches mit einem vorzugsweise niedrigviskosem Fluid 9 mit einer hohen Wärmekapazität gefüllt ist, zum Beispiel Wasser. Dieses kann zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit und/ oder zur Herabsetzung der Erstarrungstemperatur mit einem Additiv versehen sein. Das Fluid bringt in dieser Darstellung die Innenseite der rohrartigen Verformungszone 3 mit Flächen in thermischen Kontakt, welche sowohl dem ersten flanschartigen Teil 1 als auch dem zweiten flanschartigen Teil 2 zugeordnet sind. Die Wärmeübertragung findet in diesem Beispiel in erster Linie auf der Basis von freier Konvektion statt. Diese Anordnung ermöglicht eine effektive Wärmeabfuhr der von den Verformungsaufnehmern 4 abgegebenen Wärme und ermöglicht so höhere Speisespannungen und ein rascheres thermisches Einschwingen. Das Wasserreservoir dient gleichzeitig als Wärmepuffer, welches die Temperaturänderungsgeschwindigkeit aufgrund einer auf die Anschlussflächen 10 oder 11 einwirkenden Wärmequelle oder Wärmesenke reduziert und so die Messunsicherheit der Kraftmesseinrichtung unter diesen Bedingungen verringert. Gleichzeitig führt die Flüssigkeitsfüllung auch zu einem Ausgleich von Wärmeunterschieden quer zur Mittelachse 7 der Kraftmesseinrichtung. Ein Beispiel für eine solche Wärmequelle könnte ein benachbartes heißes Aggregat sein oder eine einseitige Sonneneinstrahlung.
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In dieser Darstellung ist der Hohlraum mit dem Fluid 9 nach oben dicht abgeschlossen. Um jedoch einen Druckausgleich zwischen der umgebenden Atmosphäre und dem Fluid zu ermöglichen, weist die Hohlraumabdeckung entsprechend einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung an mindestens einer Stelle eine (nicht dargestellte) elastische Membran oder ein vergleichbares Bauelement auf, die einen Flüssigkeitsaustritt verhindert, aber einen Druckausgleich ermöglicht. Könnte ein solcher Druckausgleich nicht erfolgen, würde die Druckdifferenz zu einer erhöhten Messunsicherheit bei variablen Umgebungsdrücken führen.
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2 zeigt eine teilgeschnittene ringförmige Kraftmesseinrichtung. Dabei entspricht der prinzipielle Aufbau der Darstellung in 1 und diese Kraftmesseinrichtung weist ebenfalls einen Messkörper 6 auf, welcher einen ersten flanschartigen Teil 1 über eine rohrartige Verformungszone 3 mit einem zweiten flanschartigen Teil 2 verbindet. Der mit dem Fluid 9 gefüllte Hohlraum wird durch einen nutartigen Einstich 8 von der Innenseite her gebildet. Eine zylindrische Innenwand 20 schließt den Hohlraum nach innen hin ab. Die zylindrische Innenwand 20 ist fest mit dem zweiten flanschartigen Teil 2 des Messkörpers verbunden, während sie im oberen Bereich zum ersten flanschartigen Teil leicht beabstandet ist und so dessen ungehinderte Bewegung zulässt.
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Die Abdichtung des fluidgefüllten Hohlraums erfolgt über einen unteren Dichtring 15 und eine obere flexible Dichtung 14. Der flexible Dichtring 14 setzt der Relativbewegung zwischen dem ersten und zweiten flanschartigen Teil nur einen geringen Widerstand entgegen. Außerdem erlaubt er den Druckausgleich zwischen Fluid 9 und der umgebenden Atmosphäre. Die Innenwand 20 ist dabei vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt und unterstützt so den Wärmetransport zwischen den beiden flanschartigen Teilen 1 und 2.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der fluidgefüllte Hohlraum von einer Kühlmittelleitung 17 durchzogen, welche von einer nicht dargestellten externen Temperiereinrichtung über den Kühlmittelzulauf 18 und den Kühlmittelablauf 19 mit Kühlmittel versorgt wird. Die Aufgabe dieser Kühlmittelleitung 17 ist es, die Verlustleistung der Dehnmessstreifen 4 über das Fluid 9 aufzunehmen und abzuführen und so eine höhere Speisespannung zu ermöglichen und/oder die Temperatur der Kraftmesseinrichtung entgegen äußeren Einflüssen auf einem konstanten, vorgegebenen Niveau zu halten.
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Alternativ zu der hier dargestellten Ausführungsform könnte auch das im Hohlraum befindliche Fluid 9 insgesamt durch eine externe Temperiereinrichtung umgewälzt werden, jedoch würden bereits geringe Druckschwankungen im Fluid 9 das Messergebnis beeinflussen. Aus diesem Grund ist die Kühlmittelleitung 17 in diesem Ausführungsbeispiel separiert und besteht bevorzugt aus einem festen, unnachgiebigen und gut wärmeleitenden Material, zum Beispiel Stahl, Aluminium oder Messing. Wärme von den Dehnmessstreifen 4 wird über das Fluid 9 an die Kühlmittelleitung 17 übertragen.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt außerdem zwei Temperatursensoren 12 und 13, welche die Temperaturen des ersten und zweiten flanschartigen Teils unabhängig voneinander erfassen. Das mit diesen Temperatursensoren ermittelte Temperaturniveau, die Temperaturunterschiedswerte zwischen dem erstem und zweiten flanschartigen Teil 1, 2 sowie der Charakter des zeitlichen Verlaufs der Temperaturänderungen (zum Beispiel abrupt, allmählich oder wellenförmig) können von einer vorzugsweise softwaregesteuerten Auswerteeinheit dazu verwendet werden, die aktuelle Messunsicherheit zu bestimmen, die Temperiereinrichtung zu regeln und ggf. die Messwerte auf der Basis von Erfahrungswerten oder Rechenmodellen automatisch zu korrigieren und so die Messunsicherheit zu verringern. Ist der Temperaturunterschiedswert in der Regel vernachlässigbar gering, kann auch ein einzelner Temperatursensor 12 an der Kraftmesseinrichtung ausreichend sein, um die Messunsicherheit zu beurteilen und/oder zu verringern. Der ermittelte Temperaturwert kann außerdem verwendet werden, um die Temperiereinrichtung zu steuern.
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3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Kraftmesseinrichtung. Diese weist einen sehr ähnlichen Aufbau wie die in 2 beschriebene Kraftmesseinrichtung auf, verzichtet jedoch auf eine aktive Kühlung. Stattdessen ist der durch den nutartigen Einstich 8 gebildete fluidgefüllte Hohlraum weitgehend von einem festen Wärmekoppelelement 16 ausgefüllt. Dieses besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material, zum Beispiel Kupfer. Das Wärmekoppelelement 16 ist in diesem Ausführungsbeispiel fest mit dem zweiten flanschartigen Teil 2 des Messkörpers 6 verbunden. Gegenüber der rohrartigen Verformungszone 3 und dem ersten flanschartigen Teil 1 ist das Wärmekoppelelement 16 jedoch beabstandet, um eine ungehinderte Bewegung dieser Teile des Messkörpers 6 zu ermöglichen. Der sich dadurch zwischen dem Wärmekoppelelement 16 und den Wandungen des Messkörpers 6 ergebende Spalt ist mit dem Fluid 9 gefüllt, welches über freie Konvektion und Wärmeleitung einen Temperaturausgleich zwischen dem Wärmekoppelelement 16 und diesen Teilen des Messkörpers 6 vereinfacht. Dieses passive System kann die Effizienz der Wärmeübertragung zwischen der Verformungszone 3 und den flanschartigen Teilen 1, 2 beziehungsweise zwischen erstem und zweitem flanschartigen Teil deutlich erhöhen.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Funktion des Wärmekoppelelements 16 aus 3 von einem Wärmerohr 21 übernommen wird. Das Wärmerohr 21 ist dabei in eine Bohrung im Bereich des zweiten flanschartigen Teils 2 fest eingepasst und ragt durch den mit einem Fluid 9 gefüllten Hohlraum im Bereich des nutartigen Einstichs 8 in eine ebenfalls fluidgefüllte Bohrung im Bereich des ersten flanschartigen Teils 1 hinein. Diese Bohrung ist etwas größer als der Durchmesser des Wärmerohrs, um eine ungehinderte Bewegung des ersten flanschartigen Teils 1 zu ermöglichen. Die Wärmeübertragung erfolgt über das Fluid 9, welches sich im Spalt zwischen Wärmerohr 21 und Bohrungswandung befindet. Nach oben hin ist die Bohrung über einen Dichtstopfen 22 abgedichtet. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass ein wesentlich schnellerer Temperaturausgleich von der Verformungszone zu den beiden Anschlussflächen und/oder zwischen den beiden Anschlussflächen stattfinden kann.
