Drehmomentmessung mit brückenbasierten Sensoren

Was ist Drehmoment? 

Kraft ist das Maß für die Interaktion zwischen Körpern: Für jede Aktion gibt es eine gleiche und entgegengesetzte Reaktion. Kraft wird auch als Druck oder Zug auf einen Gegenstand bezeichnet. Es handelt sich um eine Vektorgröße mit Betrag und Richtung. 

Das Drehmoment ist die Neigung einer Kraft, ein Objekt um eine Achse zu drehen. Ähnlich wie Kraft als Druck oder Zug beschrieben wird, kann Drehmoment als Verdrehung eines Objekts beschrieben werden. Die anerkannte SI-Maßeinheit für Drehmomente ist Newtonmeter (Nm). Nach einer einfachen Definition ist Drehmoment äquivalent zu Kraft mal Entfernung, wobei ein Drehmoment oder eine Verdrehung im Uhrzeigersinn normalerweise positiv und ein Drehmoment gegen den Uhrzeigersinn normalerweise negativ ist. Drehmomentsensoren bestehen aus Dehnungsmessstreifen, die an einer Drehfeder befestigt sind. Beim Drehen des Federkörpers reagieren die Messstreifen auf die zum Drehmoment proportionalen Scherkräfte.

Messen des Drehmoments

Es gibt zwei gängige Methoden zur Drehmomentmessung: Reaktionsdrehmomentsensoren und Rotationsdrehmomentsensoren. Der Hauptunterschied besteht darin, ob der Sensor sich mit dem zu prüfenden Gerät drehen kann.

Reaktionsdrehmomentsensoren

Reaktionsdrehmoment ist die Drehkraft oder das Drehmoment, das vom rotierenden Teil auf den stationären Teil eines Geräts ausgeübt wird, während die Leistung abgegeben oder aufgenommen wird. Wenn die Lastquelle starr gehalten wird, während die Antriebsquelle versucht, sich zu drehen, wird das Drehmoment erkannt. Reaktionsdrehmomentsensoren sind gespannt, sodass sie sich nicht um 360 Grad drehen können, ohne dass das Kabel aufgewickelt wird, da das Gehäuse oder die Abdeckung am Sensorelement befestigt ist. Diese Sensoren werden üblicherweise verwendet, um das Drehmoment einer hin und her bewegten Bewegung zu messen. Da diese Sensoren keine Lager, Schieberinge oder andere rotierende Elemente verwenden, kann ihre Installation und Verwendung sehr kosteneffizient sein.

Rotationsdrehmomentsensoren

Rotationsdrehmomentsensoren ähneln in Design und Anwendung den Reaktionsdrehmomentsensoren mit der Ausnahme, dass der Drehmomentsensor in Übereinstimmung genau am Prüfling installiert wird. Da sich die Welle eines Drehmomentsensors um 360 Grad dreht, müssen diese Sensoren die Signale des rotierenden Elements auf eine ruhende Oberfläche übertragen können.

Dazu kann man eine von drei gängigen Montagemethoden verwenden: Schleifringe, Drehtransformatoren oder Telemetrie.

Schleifringmethode:

 

Bei der Schleifringmethode wird die Dehnungsmessstreifenbrücke mit vier silbernen Schleifringen verbunden, die auf der rotierenden Welle montiert sind. Silbergraphitbürsten reiben an diesen Schleifringen und bilden einen elektrischen Pfad für die ankommende Brückenspeisung und das abgehende Signal. Die Dehnungsmessstreifenbrücke kann entweder mit Wechselstrom oder mit Gleichstrom erregt werden.

Drehtransformatormethode:

Bei der Transformatormethode unterscheiden sich Drehtransformatoren von herkömmlichen Transformatoren nur dadurch, dass entweder die Primär- oder Sekundärwicklung rotiert. Ein Transformator überträgt die Erregerspannung auf die Dehnungsmessstreifenbrücke und ein zweiter Transformator überträgt das Signal auf den nicht rotierenden Teil des Messwertaufnehmers. Somit werden vier Schleifringe durch zwei Transformatoren ersetzt und es ist kein direkter Kontakt zwischen den rotierenden und stationären Elementen des Sensors erforderlich.

Digitaltelemetrie-Methode:

Die Methode der digitalen Telemetrie hat keine Kontaktpunkte. Das System besteht aus einem Empfänger-Sender-Modul, einem Koppelmodul und einem Signalverarbeitungsmodul. Das Sendermodul ist in den Drehmomentsensor integriert. Es verstärkt, digitalisiert und moduliert das Sensorsignal auf eine Hochfrequenz-Trägerwelle, die vom Messschieber-Kopplungsmodul (Empfänger) aufgenommen wird. Die digitalen Messdaten werden dann vom Signalverarbeitungsmodul wiederhergestellt.

So wählen Sie den richtigen Drehmomentsensor aus

Die Auswahl des Drehmomentsensors hängt in erster Linie von Ihren Kapazitätsanforderungen und den physikalischen oder Umgebungsanforderungen ab.

Kapazität — Bestimmen Sie das erwartete minimale und maximale Drehmoment, um die richtige Kapazität auszuwählen. Fremddrehmomente können die kombinierte Belastung erhöhen, was die Ermüdung beschleunigt und die Genauigkeit und Leistung des Sensors beeinträchtigt. Jede andere Last als das Drehmoment, wie z. B. axiale, radiale oder Biegebelastung, gilt als Fremdlast und sollte zuvor ermittelt werden. Wenn die Auswirkungen dieser Lasten bei der Installation nicht minimiert werden können, prüfen Sie in der Dokumentation des Sensors, ob die Fremdlasten den Nennwerten des Sensors entsprechen.

Physikalische Anforderungen und Umgebungsbedingungen — Bewerten Sie alle physikalischen Einschränkungen (Länge, Durchmesser usw.) und die Art und Weise, wie der Drehmomentsensor in Ihrem System montiert werden kann. Berücksichtigen Sie, in welcher Umgebung der Sensor betrieben werden soll, um eine ordnungsgemäße Leistung über einen weiten Temperaturbereich, bei Feuchtigkeit oder bei Kontakt mit Verunreinigungen (Öl, Schmutz, Staub) hinweg zu gewährleisten.

Umdrehungen pro Minute (1/min) — Bei Rotationsdrehmomentsensoren müssen Sie wissen, wie lange sich der Drehmomentsensor dreht und mit welcher Drehzahl, um die Drehzahl zu bestimmen.

Signalaufbereitung für Drehmomentsensoren

Drehmomentsensoren können entweder aufbereitet oder nicht aufbereitet sein. Aufbereitete Sensoren können direkt an ein DAQ-Gerät angeschlossen werden, da sie die erforderlichen Komponenten für Filterung, Signalverstärkung und Erregerschaltung sowie die üblichen Schaltkreise für die Messung enthalten. Wenn Sie mit nicht aufbereiteten Sensoren arbeiten, müssen Sie mehrere Elemente zur Signalaufbereitung berücksichtigen, um ein effektives Drehmomentmesssystem in Brückenschaltung zu erstellen. Sie benötigen oft einen oder mehrere der folgenden Artikel:

• Erregung zur Speisung der Schaltkreise für eine Wheatstonesche Messbrücke—mehr dazu in der Ressource zur Dehnungsmessung
• Kontaktlose Messung über das Netzwerk (Remote Sensing) zum Ausgleich von Fehlern in der Erregerspannung aufgrund langer Anschlussdrähte
• Verstärkung zur Erhöhung der Messauflösung und Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses
• Filterung zum Entfernen externer Hochfrequenzrauschen
• Offset-Nullabgleich, um die Brücke so auszugleichen, dass 0 V ausgegeben wird, wenn keine Dehnung angewendet wird
• Shunt-Kalibrierung, um den Ausgang der Brücke auf einen bekannten, erwarteten Wert zu überprüfen

Um zu erfahren, wie diese Fehler ausgeglichen werden und andere Hardware-Überlegungen für Drehmomentmessungen in Brückenschaltung kennenzulernen, laden Sie den Ingenieursleitfaden zu genauen Sensormessungen herunter.

Anschließen von Drehmomentsensoren an Hardware von NI

Nachdem Sie Ihre Sensor- oder Testanforderungen kennen, ist die Entscheidung für die Hardware, mit der diese Daten erfasst werden, der nächste wichtige Schritt. Die Qualität der Erfassungshardware bestimmt die Qualität der erfassten Daten. 

NI bietet verschiedene Hardware für die Kraft- und Brückenmessung an, die für die Erfassung von Drehmomentdaten ausgelegt und mit einer Vielzahl von Drehmomentsensoren in Brückenschaltung kompatibel ist.