Entwicklung und Zukunft der Drehmomentmesstechnik

von Dr. Wilfried Krimmel

1. DMS-Messtechnik

Zugstab gedehnt unter KraftDie geschichtliche Entwicklung der Drehmomentmesstechnik beginnt mit dem Jahr 1678. In diesem Jahr hat Robert Hooke die Proportionalität zwischen der Materialdehnung und der zugehörigen Materialspannung in dem bekannten Hookeschen Gesetz beschrieben.

Hooksches Gesetz

Für den weiteren Entwicklungsgang hat erst das Jahr 1833 wieder eine Bedeu­tung, damals wurde von Hunter Christie die Brückenschaltung beschrieben, mit welcher kleinste Spannungsänderungen gemessen werden können. Trotzdem, dass die Schaltung später den Namen des zweiten Erfinders Wheatstone erhielt, gehört Hunter Christie der eigentliche Ruhm.

Formel der Brückenschaltung von Hunter Christie

Thomson der später Lord Kelvin hieß (nach ihm wurde die Temperaturskala benannt), entdeckte 1856 den Zusammenhang zwischen mechanischer Dehnung ε eines Widerstandsdrahtes und seiner Widerstandsänderung.

Formel über den Zusammenhang zwischen mechanischer Dehnung eines Widerstandsdrahtes und seiner Widerstandsänderung

Graph des Zusammenhangs mechanischen Dehnung eines Widerstandsdrahtes und seiner WiderstandsänderungDanach gab es immer wieder Experimente mit Widerstandsdrähten. z.B. experimentiert Nernst 1917 mit ihnen, um Druckmessungen am Verbrennungsmotor durchzuführen. Bis zum ersten Modell eines frei applizierbaren Dehnungsmessstreifens hat es aber noch bis 1938 gedauert. Damals wurde von Prof. A. C. Ruge der erste Dehnungsmessstreifen entwickelt. Bereits 3 Jahre später waren dann die ersten industriell hergestellten Draht-DMS am Markt verfügbar, welche sich sehr schnell verbreiteten. Für den Durchbruch der industriell gefertigten DMS-Sensoren sorgte der 1952 auf den Markt gekommene Folien-Dehnungsmessstreifen. Er wurde aus mit Widerstandsma­terial beschich­teten Folien geätzt. Auf diese Weise werden auch heutige Dehnungsmesssteifen hergestellt. Noch im gleichen Jahr wurden die ersten Folien-DMS zur Drehmomentmessung angeboten. Damit konnten stationäre DMS-Drehmomentsensoren hergestellt werden. Diese Sensoren halfen viele Probleme in Entwicklung und Versuch mittels Reaktionsmomentmessung zu lösen. Der Wichtigste und auch häufigste Einsatz für Dreh­momentsensoren sind aber Messungen im rotierenden Wellenstrang. Hier dauerte die Entwicklung noch einige Jahre um einsatzfähige DMS-Drehmomentsensoren auf dem Markt anbieten zu können.

Prinzip für winkelmessenden Drehmomentsensor
Prinzip für winkelmessenden Drehmomentsensor

2. Erste rotierende Drehmomentsensoren

Wird eine Welle unter einem axialen Drehmoment belastet, so verdreht sie sich um einen zum Drehmoment propor­tionalen Winkel. Dieser Winkel kann mit einem Winkelmesssystem gemessen werden. Nach diesem Prinzip wurden bereits kurz nach 1945 die ersten rotierenden Drehmomentsensoren mit induktivem Messsystem hergestellt und auf dem Markt angeboten. Zur Speisung des Sensors wurden Trägerfrequenzen von einigen hundert kHz verwendet. Damit waren die notwendigen Spulen­systeme klein. Die Amplitude des Wechselspannung- Messsignals war propor­tional zum Verdrehwinkel des Messsystems und hatte die gleiche Frequenz wie die Speisespannung.

Zur Speisung des auf der rotierenden Welle angeordneten Messsystems und zur Übertragung des amplituden­mo­du­lierten Messsignals wurden Drehübertrager eingesetzt, welche nach dem Prinzip eines Transformators aufgebaut waren. Eine Spule des Transformators ist im Stator befestigt, die zweite ist konzentrisch zur ersten Spule auf dem Rotor angeordnet. Werden amplitudenmodulierte Messsignale über diese Art Drehübertrager übertragen, so geht deren Koppelfaktor direkt in das Messergebnis ein. Durch axiale oder radiale Verschiebungen, unrunden Lauf, Änderungen der magnetischen Materialeigenschaften und durch magnetische Nebenschlüsse können Messfehler auftreten.

Prinzipskizze für Transformatordrehüberträger
Prinzipskizze für Transformatordrehüberträger

Die erste Übertragung der Messsignale einer DMS-Brücke, welche auf einer rotierenden Welle appliziert war, wurde mit Schleif­ringen im Jahre 1952 durchgeführt.

Die Übertragung der Speisespannung und der Ausgangsspannung durch Schleifringe erfordert eine gewisse Sorgfalt. Die Schleifringe müssen sowohl von der Welle, als auch voneinander isoliert werden, schon kleinste Isolationsfehler können be­trächtliche Messfehler verursachen. Der Anpressdruck der Schleifkontakte muss so gewählt werden, dass einerseits ein mög­lichst kleiner Übergangswiderstand, genügende Sicherheit gegen Abheben infolge Erschütterungen und Unrundheit der Schleif­ringe vorhanden ist, aber auch andererseits keine zu starke Erwärmung und zu starker Verschleiß auftritt. Entscheidend ist neben der Materialauswahl auch eine sorgfältige Bearbeitung der Oberflächen.

Besondere Schwierigkeiten sind bei hohen Umfangsgeschwindigkeiten zu erwarten. Manche Aufnehmer sind mit Ab­hebe­vorrichtungen für die Bürsten ausgerüstet, die nur zur Messung aufgesetzt werden. Nachteil dieser Technik ist es, dass sowohl die Schleifringe als auch Kohlebürsten sich nach einiger Zeit abnützen und so­mit erneuert werden müssen.

Schnittbild durch Schleifringaufnehmer
Schnittbild durch Schleifringaufnehmer

Um einen Sensor mit stabilerer und wartungsfreier Signalübertragung zu erhalten, wurde ein Drehmomentsensor ent­wickelt, der eine schleifringlose Übertragung der Messsignale einer DMS-Brücke ermöglicht. Durch eine Wechsel­span­nungsspeisung der Brücke erhält man an ihrem Ausgang eine zum Drehmoment proportionale amplitudenmodu­lierte Wechselspannung. Sowohl die zur Speisung der DMS-Brücke notwendige Wechselspannung, als auch das Messsignal können über Transformatordreh­übertrager übertragen werden.

Damit konnte der Siegeszug der rotierenden Drehmomentsensoren auf DMS-Basis nicht mehr aufgehalten werden.

Blockschaltbild für rotierenden Aufnehmer mit Wechselstromspeisung
Blockschaltbild für rotierenden Aufnehmer mit Wechselstromspeisung

Mit der immer kleiner werdenden Elektronik wurde es dann 1971 möglich, einen Messverstärker auf die rotierende Welle zu integrieren, welche zur Versorgung der DMS-Brücke und zur Aufbereitung des Messsignals diente. Ein Transformator-Dreh­übertrager diente zur Versorgung des Messwertgebers, der zweite zur frequenzmodulierten Übertragung des Messsignals.

Die DMS-Technologie wurde in der Zwischenzeit ebenfalls weiterentwickelt. Heute werden die Sensoren sowohl tem­peratur­kompensiert als auch kriechkompensiert hergestellt. Der große Vorteil der DMS-Technologie besteht darin, dass direkt an der Messstelle die Kompensation der Störgrößen durchgeführt werden kann. Die Temperaturabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der verwendeten Werkstoffe beträgt z.B. bei Stahl ca. 3% pro 100K Temperaturänderung. Da diese Störgröße direkt in den Kennwert des Sensors eingeht, muss sie auch entsprechend kompensiert werden.

Bei winkelmessenden Sensoren wird, wenn überhaupt, erst im Messverstärker eine Kompensation durchgeführt, so dass im­mer mit einem Temperaturverhalten des Kennwertes zu rechnen ist. Winkelmessende Sensoren haben weiter mit dem Problem zu kämpfen, dass sie relativ große Verdrehwinkel zur Messung des Drehmomentes benötigen, was zu torsionsweichen Anord­nungen führt, die nur langsame Messvorgänge erlauben.

Durch die immer kleiner werdenden Elektroniken und die damit immer weiter verbesserten Übertragungsmöglichkeiten der Messsignale hat sich das Bild am Markt der Drehmomentsensoren dahingehend gewandelt, dass viele Drehmomentsensoren heute mit integriertem Messverstärker geliefert werden.

DR-2112 - Moderner Drehmomentsensor mit integrierter Elektronik
Moderner Drehmomentsensor mit integrierter Elektronik

3. Moderne rotierende Drehmomentsensoren

Die ersten Drehmomentsensoren hatten in der Regel analoge Signalausgänge. Bei diesen Schnittstellen sind Stö­run­gen durch benachbarte Leistungsteile und Antriebe, besonders bei langer Zuleitung und hoher Dynamik, nicht aus­zuschließen. In der Vergangenheit wurde aus diesem Grund der Signalpegel des Sensors erhöht, üblich sind Signal­pegel von ±5V bzw. ±10V. Jedoch ist für viele Anwendungen die Störfestigkeit nicht ausreichend. Die Lösung liegt in einer digitalen Sensorelektronik, deren prinzipieller mechanischer Aufbau im folgenden Schnittbild dargestellt ist.

Transformatordrehüberträger mit ElektronikAuf der Welle befindet sich eine im Durchmesser verjüngte Stelle, auf welche die Dehnungsmessstreifenbrücke appliziert ist. Auf der Welle ist auch der rotierende Teil des Transfor­matordrehübertragers und die rotierende Elektronik be­fes­tigt. Im Gehäuse befindet sich der stationäre Teil des Dreh­übertragers und eine weitere Elektronik. Zum Anschluss des Sen­sors ist im Gehäuse noch ein Stecker untergebracht.

Die integrierte Elektronik hat sowohl im Stator als auch im Rotor einen Mikroprozessor mit einem zugehö­rigen Speicher. Die Messwertaufnahme erfolgt auf dem Rotor mittels Dehnmessstreifen, dort wird das Signal sofort verstärkt und digitalisiert. Dieses digitale Signal gelangt anschließend in einen Prozessor, der das Signal zur Übertragung in Form eines seriellen Wortes mit Checksumme auf den Stator vorbereitet. Im Stator wird das Datensignal aufbereitet und anschließend in einem Prozessor für eine serielle RS 485 Schnittstelle umgesetzt.

Durch die Verwendung von Prozessoren können sowohl auf der Welle, als auch im Stator Daten wie Serien­nummer, Kalibrierwerte, Messbereich, Kalibrierdatum usw. abgespeichert werden, die dann auf Anforderung ausgelesen werden können.

Die Speisung des Sensors erfolgt mittels einer vom Prozessor überwachten Versorgungseinheit, welche auch eine Kalibrierkontrolle zur Überprüfung des Sensors aufschalten kann. Durch die Digitalisierung des Messsignals direkt am Entstehungsort und die Abspeicherung und Auslesung von Sensordaten wird eine sehr hohe Betriebssicherheit der Messeinrichtung erreicht.

Blockschaltbild für eine digitale Messsignalübertragung mit integrierten Prozessoren:

Blockschaltbild für eine digitale Messsignalübertragung mit integrierten Prozessoren

4. Einsatzgebiete für Drehmomentsensoren

Drehmomentsensoren sind heute aus vielen Bereichen nicht mehr wegzudenken. Hier eine kleine Auswahl der Einsatzgebiete.

Ausbildung Entwickung, Versuch Produktion, Qualitätssicherung, Produktüberwachung Sonstige Anwendungen

Elektromotor

  • Kennlinien
  • Leistung
  • Drehmoment

Verbrennungsmotor

  • Kennlinien
  • Leistung
  • Drehmoment

Prüfstände

  • Rollenprüfstand
  • Elektromotor
  • Verbrennungsmotor
  • Getriebe
  • Generatoren
  • Gebläse
  • Pumpen

Messeinrichtungen

  • Drehmomentsensor
  • in diversen Messanordnungen
  • Schiebedach
  • Fensterheber

Rehologie

  • Rheometer

Drehmomentsensoren im Automobil eingebaut

Steuerung, Regelung

  • Anzugsmoment von Schraubverschlüssen

Abgleich

  • Lagervorspannung
  • Federvorspannung
  • Spiel

Schraubtechnik

  • Anzugsmoment
  • Lösemoment

Funktionsüberprüfung

  • Kurbeldrehmoment
  • Generator
  • Pumpe
  • Verdichter
  • Gebläse
  • Transportband
  • Elektromotoren
  • Verbrennungsmotoren
  • Lagerreibung
  • Schrumpfsitz
  • Dichtungen (Reibung)

Rheologie

  • Rheometer

Prüfstände für Langzeittests

  • Handwerkzeuge
  • Haushaltsgeräte
  • Automobil
  • Verbrennungsmotoren

Windkraftanlagen

  • Leistung
  • Drehmoment

Bohrturm

  • Drehmoment im Bohrgestänge

Stellantriebe

  • Schließverhalten von Ventilen

Landwirtschaft

  • Drehmomentgesteuerte Maschinen

Schiffe

  • Schiffswellen

Wie man sieht, werden Drehmomentsensoren in allen Bereichen von der Ausbildung über die Produktentwicklung, Produktion, Qualitätssicherung bis zur Produkt­überwachung eingesetzt. Selbst in der Landwirtschaft sind Drehmomentsensoren im Maschinenpark zu finden. Für den Rückführbarkeitsnachweis von Messungen werden immer mehr Referenzdrehmomentsensoren eingesetzt, um direkt vor Ort die Produktionsmittel überprüfen zu können.

Grundaufbau für Motorprüfstand
Grundaufbau für Motorprüfstand

4.1 Einsatzfall Motorprüfstand

Bei Motoren und angetriebenen Handwerkzeugen wird zur Überprüfung ein Drehmomentaufnehmer und eine Belastungseinheit benötigt. Dort werden die mittleren Leistungsdaten im kontinuierlichen Betrieb aufgenommen. Diese Daten geben Aufschluss über die richtige Funktion der Einzelteile, zum Beispiel über die ordnungsgemäße Beteiligung der Pole im Elektromotor. Es lassen sich aber auch durch dynamische Be­lastung Informationen über Regeleigenschaften des Antriebes bestimmen.

4.1.1 Einsatzfall Prüfstand für Verbrennungsmotor
Drehmomentsensor mit angekuppelter Gelenkwelle
Drehmomentsensor mit angekuppelter Gelenkwelle

Hier wird der Sensor direkt an die Bremse gekuppelt. Die Ankupplung des Verbrennungsmotors erfolgt über eine Gelenkwelle. Dadurch wird die Ausrichtung des Prüflings wesentlich vereinfacht. Weiter werden die Schwingungen des Motors nicht so stark auf den Sensor übertragen. Wie man erkennen kann, ist aus Sicherheitsgründen um den Sensor und die Gelenkwelle ein Berst- und Berührungsschutz angebracht, der natürlich im Betrieb von oben geschlossen wird.

Prüfstand für Verbrennungsmotor
Prüfstand für Verbrennungsmotor

5. Zukunft der Drehmomentsensoren

Die DMS-Technik wird in Zukunft die tragende Kraft bei den Drehmomentsensoren sein. Durch die immer kleiner und elektrisch stabiler werdenden Elektroniken können die Sensoren auf immer höhere Federkonstanten ausgelegt werden, was zu einer verbesserten Dynamik der Messung führt. Dies wird dadurch erreicht, dass bei gleicher Messgenauigkeit die Messsignale durch die höhere elektrische Stabilität der Messverstärker immer kleiner werden können.

Andererseits kann aber auch die verbesserte Messsignalverarbeitung auch für eine höhere Genauigkeit der Messanordnung verwendet werden.
Die Zukunft gehört ebenfalls dem intelligenten Sensor mit abgespeicherten messtechnischen Daten, wodurch die Messungen immer sicherer werden und die Daten für die Qualitätssicherung direkt aus dem Sensor abrufbar sind.

Verband für Sensorik und Messtechnik AMA

Zugelassener Wirtschaftsbeteiligter AEOF

Kalibrierlaboratorium ILAC und DAkkS

Qualitätsmanagement ISO 9001