DE3938034A1

DE3938034A1 - Pruefkoerper mit integrierten temperatursensoren

Info

Publication number: DE3938034A1
Application number: DE19893938034
Authority: DE
Inventors: Eugen Dr Ing Trapet; Volker Dipl Ing Loock
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-11-16
Filing date: 1989-11-16
Publication date: 1991-05-23

Description

In der dimensionellen Meßtechnik stellt die Korrektur der thermisch bedingten Längenänderungen eine der schwierigsten Aufgaben dar. Sie wird insbesondere da kritisch, wo es um den Maßvergleich von Meßsystemen und Referenzobjekten (Prüfkörpern) mit Unsicherheiten von kleiner als 5 _* 10E- geht.

Dies muß in zunehmendem Maße unter nicht meßraummäßigen Um gebungsbedingungen und durch nicht speziell qualifiziertes Personal geschehen können.

Zwei wesentliche Schwachstellen bei der Temperaturkorrektur der Maße von Prüfkörpern sind die Unsicherheit in der Kalibrierung der Thermometer des Kalibrierlabors (dimensionelle Meßtechnik) und der des Anwenders der Prüfkörper, da beide sich i. a. auf unterschiedlichen Wegen an "absolute" Temperaturnormale anschließen müssen, sowie eine oft unsachgemäße Temperaturmeßtechnik (z. B. falsche Anbringung der Sensoren).

Beide Probleme werden erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mehr oder weniger fest mit dem Referenzobjekt verbundene (im allgemeinen in dieses eingebaute) Temperatursensoren mit diesem mitgeliefert werden. Die Sensoren müssen im allgemeinen nicht für sich kalibriert sein. Bei der dimensionellen Maßübertragung auf das Referenzobjekt werden die Temperaturan zeigen dieser integrierten Sensorsysteme, welche nur im üblichen Temperaturintervall von 15°C-35°C hinreichend tem peraturproportional zu sein brauchen, registriert. Ist eine Linearität der Sensorkennlinie, bzw. die Linearität des Tem peraturausdehnungsverhaltens des Referenzobjektes, nicht gewährleistet, müssen Messungen bei mehr als 2 Temperaturen durchgeführt werden, um den funktionalen Zusammenhang zwischen Längenänderung und der Änderung der angezeigten Temperatur zu bestimmen. Der Anwender muß nun weder selbst eine sachgerechte Anbringung der Sensoren vornehmen, noch deren seperate Kalibrierung gewährleisten, sondern hat lediglich aus den oben beschriebenen, durch das Kalibrierlabor ermittelten Korrektur funktionen, welche den Zusammenhang zwischen Objektmaßen und angezeigter Temperatur beschreiben, den für seine Messung gültigen Korrekturfaktor zu entnehmen, mit welchem er die bei Referenztemperatur ermittelten Maße des Referenzobjektes mul tiplizieren muß, um die zum Zeitpunkt seiner Anwendungsmessung gültigen Referenzkörpermaße zu erhalten.

Eine herkömmliche Vorgehensweise beinhaltet folgende sich im allgemeinen statistisch unabhängig überlagernden Meßunsicher heiten, und zwar die für:

- die Kalibrierung der Temperaturfühler des Anwenders,
- die Kalibrierung der Temperaturfühler des Kalibrierlabors,
- die Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten,
- die Bestimmung der tatsächlichen Temperatur bei Messungen durch den Anwender,
- die Bestimmung der tatsächlichen Temperatur bei der Kali brierung des Referenzkörpers.
- Dazu kommen Driften der Sensorik.

Bei Anwendung erfindungsgemäßer Prüfkörper verringert sich die Gesamtunsicherheit um die Unsicherheit für:

- die Kalibrierung der Anwendersensorik,
- die Kalibrierung der Sensorik des Kalibrierlabors,
- eine seperate Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoef fizienten des Referenzobjektes.
- Ferner werden die handhabungsbedingten Unsicherheiten bei der anwenderseitigen Temperaturmessung verringert.

Im allgemeinen sind die thermischen Ausdehnungskoeffizienten hinreichend genau bekannt. Man kann desweiteren annehmen, daß die nominalen Empfindlichkeiten (nicht aber die Nullpunkte) von Temperatursensoren hinreichend genau erreicht werden. Das läßt in vielen Fällen eine Einpunktkalibrierung des Systems "Referenzkörpergeometrie" - "Temperatursensorik" zu. Dies bedeutet, daß jegliche gesonderte temperaturbezogene Kalibrierungen entfallen können. Eine mögliche Empfindlich keitsdrift würde vom Kalibrierlabor bei der regelmäßigen Rekalibrierung des Referenzkörpers anhand der mit an Sicher heit grenzenden Wahrscheinlichkeit dann auch vorliegenden großen Nullpunktdrift erkannt werden.

Ein erfindungsgemäßer Prüfkörper könnte aus Aluminium beste hen, da der Nachteil des großen thermischen Ausdehnungskoef fizienten gegenüber den Vorteilen eines geringen Gewichtes, einer kostengünstigen Herstellung und der guten Wärmeleitfähigkeit (1. geringe Geometrieverzerrungen, 2. wenige Temperatursensoren genügen; beides wegen der guten Wärmeleitfähigkeit) nun in den Hintergrund treten.

Der verringerte logistische Aufwand beim Anwender (keine Be schaffung und Rekalibrierung der Sensorik) fördert die Akzep tanz solcher Prüfkörper und trägt somit zur Verbesserung und Sicherung der Meßgenauigkeit bei.

Für den Einsatz empfehlen sich insbesondere solche Sensoren, die zeitlich sehr stabil sind und eine unbegrenzte Aus tauschbarkeit gewährleisten ("smart sensors"). Letztere lassen sich ohne Änderung der Kalibrierwerte an andere Auswertegeräte anschließen.

Quarzsensoren mit sensorintegrierter Signalvorverarbeitung sind z. B. gut geeignet.

Schließlich kann zur Bestimmung der thermisch bedingten Aus dehnung des Prüfkörpers der Umweg über die Messung der Tem peratur ganz entfallen, wenn diese Ausdehnung gleich anhand eines Maßvergleichs mit einem thermisch invarianten Referenzkörper geschieht (z. B. Zerodur oder CFK).

Hier genügt ein einfaches Längennormal, z. B. in Form eines Endmaßes aus Zerodur, welches dem eigentlichen Prüfkörper zugeordnet ist. Dieses kalibrierte Längennormal, welches sin nvollerweise mit dem eigentlichen Prüfkörper so verbunden ist, daß keine gegenseitige Beeinflussung durch Verspannung be steht, sollte abbefehlerfrei und unter Ausnutzung des gleichen Teiles des Maßstabsbereiches der relevanten Verfahrachsen des messenden KMG, in seiner Länge mit einem oder mehreren Rastermaßen des Prüfkörpers verglichen werden. Der Maßunterschied zwischen thermisch invariantem Längennormal und eigentlichem Prüfobjekt dient zur Bestimmung des Korrekturfak tors für alle Abmessungen des Referenzkörpers.

Fig. 1 zeigt ein Beispiel für einen solchen Prüfkörper (2D) mit abbefehlerfreier Meßanordnung des thermisch invarianten Längennormals. Die spannungsfreie Verbindung kann durch statisch bestimmte Verbindung oder kostengünstiger durch eine Verbindung aus elastischem Material erfolgen.

Claims

1. Prüfkörper für Längen- und Koordinatenmeßgeräte, Handha bungs- und Fertigungseinrichtungen mit diesem zugeordneten Erfassungssystem für temperaturbedingte Längenänderungen.

2. Prüfkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Temperaturerfassungssystem fest an diesem installiert ist.

3. Prüfkörper nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Prüfkörper fest zugeordnete Teil des Temperaturerfassungssystems nur aus Sensoren besteht, welche über ein nicht fest zugeordnetes Auswertesystem ausgelesen werden.

4. Prüfkörper nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Kalibrierung des Prüfkörpers weder die wahre Temperatur, noch eine universelle Referenztemperatur (z. B. 20°C) als Bezugstemperatur berücksichtigt wird, sondern die vom integrierten Temperaturerfassungssystem angezeigte Temperatur, welche den Bezugszustand beschreibt, berück sichtigt wird, ebenso wie die in diesem Bezugszustand gemessenen dimensionellen Maße als Bezugsmaße dienen; beim Gebrauch des Prüfkörpers werden die Bezugsmaße um die an gezeigte Temperaturdifferenz zum Bezugszustand, multipli ziert mit dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Prüfkörpers korrigiert.

5. Prüfkörper nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die dimensionelle Kalibrierung bei mindestens 2 Tempe raturen geschieht, mit jeweiliger Registrierung der vom Temperaturerfassungssystem angezeigten Temperaturen; beim Gebrauch des Prüfkörpers erfolgt die Maßkorrektur mit der zu diesem Zeitpunkt angezeigten Temperatur über den bei der Kalibrierung festgestellten funktionalen Zusammenhang zwischen Maß und angezeigter Temperatur.

6. Prüfkörper nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die temperaturbedingte und z. T. auch alterungsbedingte Maßänderung unmittelbar durch Maßvergleich über ein an dem komplexen Prüfkörper angebrachtes, weniger komplexes ther misch und zeitlich invariantes Referenzobjekt (z. B. Endmaß aus Zerodur) erfaßt wird.