Mot tillförlitliga mätningar av snabba förlopp

Vad är dynamiska mätningar?

Med en dynamisk mätning avses i detta sammanhang en mätning där mätstorheten varierar märkbart under mätförloppet och där mätförloppet varierar snabbare än mätsystem med datainsamligsenheter hänger med. I de kraft- och tryckmätningar vi studerar är förloppet ofta så pass kort att vi pratar delar av millisekunder.

Figur 1 – Ett mätresultat vid ett relativt kort förlopp

I figur 1 finns ett typiskt exempel på en mätsignal från en dynamisk mätning. Notera att signalen varierar kraftigt i början och sedan förändras gradvis innan den stabiliserar sig runt 8 millisekunder. Det är den här typen av förändringar vi är intresserade av att studera. Även om det inte är direkt angivet i figuren så kan vi anta att det rör sig om en elektrisk mätsignal från en trådtöjningsgivare kopplad till en signalomvandlare.

Vad är en trådtöjningsgivare?

För att förstå dynamiska mätningar är det avgörande att förstå hur mätutrustningen fungerar och vilka begränsningar som finns. Trådtöjningsgivare används i både statiska och dynamiska mätningar tillsammans med mätförstärkare som en del i mätsystem för bland annat kraftmätningar, men även för flera andra typer av mätningar. 

En trådtöjningsgivare använder sig av elektrisk resistans och dess beroende av ledarens geometri. När en elektrisk ledare sträcks blir den smalare och längre, vilket ökar resistansen. Omvänt, när en ledare komprimeras blir den bredare och kortare, vilket minskar resistansen. Genom att mäta den elektriska resistansen får vi en uppfattning om hur mycket och åt vilket håll ledaren töjs. Resistansförändringarna mäts med en så kallad Wheatstonebrygga, som är en elektrisk krets lämplig för detektering av små resistansförändringar.

Figur 2 – Närbild på en trådtöjningsgivare

Att förstå hur givare vid kraft- eller tryckapplikationer beter sig samt hur snabbt dom reagerar på förändringar är avgörande i vår forskning.

Rörelseenergi och värmeförluster

En annan viktig aspekt man måste känna till är mätsystemens fysikaliska egenskaper som gör att resultatet skiljer mellan statiska och dynamiska mätningar. I huvudsak är detta mekaniska effekter som masströghet. Masströghet är en följd av acceleration eller retardation av en massa.

 Masströghet och rörelseenergi är inget problem vid statiska mätningar, men relevant i dynamiska sammanhang. Detta då det oundvikligen kommer uppstå värme, så kallade värmeförluster som oftast är oönskade och påverkar mätningarna. Värmeförlusterna kan utgöra en stor del av energin som krävs för att accelerera eller retardera en massa vid korta förlopp och ofta svåra att eliminera.

Den som haft möjlighet att hålla handen på en deformerad krockbalk kort efter en krock av ett fordon vet att den är väldigt varm.

Liknande utmaningar inom många andra områden

I satsningen fokuserar vi på dynamiska mätningar av kraft, tryck och vridmoment. Men den här typen av dynamiska mätningar förekommer även för många andra mätstorheter, till exempel temperatur, elektrisk spänning, vibration och flödesmätningar. En stor fördel är att riksmätplatserna finns hos RISE i Borås och vi delar lärdomar hur man jobbar med datainsamling och kalibrering. Läs mer om RISE Riksmätplatser här: Nationellt Metrologiskt Institut (NMI)

Exempel på forskningsprojekt inom dynamiska mätningar

Här är två exempel på projekt som handlar om dynamisk mätteknik och som inkluderas i den större satsningen där vi har ett tiotal projekt och studier pågående och nyligen avslutade.

Latens hos tryckgivare vid dynamiska förlopp

Information om latensen (tidsskillnaden mellan ut- och in-signalerna) för tryckmätsystem är avgörande i många industriella tillämpningar. Till exempel i förbränningsmotorn där cylindertrycket mäts och förbränningen ska optimeras kan tryckmätningssystemets latens producera fasförskjutning som resulterar i betydande fel i mätningarna. Detta kan leda till högre bränsleförbrukning och utsläpp.

Figur 3 – Fasförskjutning på grund av fördröjning i mätsystemet

Projektet har utvecklat en metod för att mäta svarstiden för de dynamiska tryckmätningsinstrumenten som karakteriseras med hjälp av ett så kallat stötrör. Stötröret genererar en stötvåg och är utrustat med en optisk sensor som noggrant kan detektera stötvågens inverkan på det mätinstrument som karakteriseras. Detta gör det möjligt för stötröret att ge information om latens hos instrumentet som är viktig för att utveckla tillförlitliga modeller för mätinstrumentets dynamiska respons. 

Resultat: Metoden tillhandhåller spårbar mätning av latensen hos dynamiska tryckmätningssystem. Resultaten från projektet publicerades som en artikel i tidskriften Metrologia, Eynas Amer et al 2022 Metrologia 59 035001. Towards traceable dynamic pressure calibration using a shock tube with an optical probe for accurate phase determination - IOPscience

Impulshammare som framtida referens för dynamisk kraft

Tidigare europeiska projekt har utforskat metoder för dynamiska kraftmätningar. En metod, som mina kollegor Mikolaj Wozniak och Håkan Andersson arbetar med att utveckla, går ut på att använda en så kallad impulshammare med en känd belastningspuls som referens. Impulshammare är vanligt förekommande både inom industri och forskning där den används vid så kallad modalanalys. 

Figur 4: Principskiss av metoden för impulshammare

Metoden har fördelen att mätningen kan utföras på befintlig installation. Då tar man hänsyn till det dynamiska beteendet både hos kraftsensorn och den mekaniska strukturen där sensorn är monterad. Kalibreringen kan också utföras vid en frekvens och kraft som ligger nära den som instrumentet vanligtvis används vid, vilket minskar behovet av komplexa modellerings- eller kompenseringstekniker.

Projektet ska utveckla kompetens och förmåga inom dynamisk karaktärisering av kraftgivare genom att undersöka, analysera och utveckla en impulshammare som referensnormal, utveckla mätmetoder och undersöka källor till mätosäkerhet. 

Projektet gör det möjligt att i framtiden erbjuda svensk industri och näringsliv nya kalibreringstjänster som bättre speglar verkliga användningsområden och förutsättningar. Projektet ska förbättra tillförlitligheten i dynamiska kraftmätningar och på så sätt stärka svensk konkurrenskraft.

Läs mer om projektet här Dynamisk kraftkalibrering med impulshammare | RISE

Hur ser behovet ut?

Mätningar inom kraft, tryck och moment används av företag vid produktutveckling och som en del i kravsättning, verifiering och som input till simuleringar. I mitt förra blogginlägg nämnde jag kalibrering av kraftsensorer vid barriärprov, men det finns en mängd andra mätapplikationer inom olika delar av industrin som är högst dynamiska. I princip är ju samtliga industriella mätningar dynamiska i någon mån och en viktig del av projektet är att kunna avgöra om mätsystemen är snabba nog att ge en korrekt bild av verkligheten.

I vår satsning vill vi öka förståelsen av hela mätkedjan, från sensor till mätvärde, där man inte sällan har fördröjningar och andra signalosäkerheter i databehandlingen som påverkar mätresultatet. Detta är av högsta betydelse vid riktigt snabba förlopp och en aspekt som industrin har svårt att analysera då det saknas kvalitetssäkrade referenser att jämföra mätsystem emot.

Har ni tankar om dynamisk mätteknik eller vill lära er mer så tveka inte att kontakta mig!

Robert Furunger

Projektledare

RISE Mätteknik