AT526520B1

AT526520B1 - Vorrichtung zum Erfassen der Druckkräfte zwischen zwei Körpern

Info

Publication number: AT526520B1
Application number: ATA50183/2023A
Authority: AT
Original assignee: Net Automation Gmbh
Priority date: 2023-03-10
Filing date: 2023-03-10
Publication date: 2024-04-15
Also published as: JP2026507752A; AT526520A4; EP4677320A1; AU2024234185A1; CN120769977A; WO2024187205A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Erfassen der Druckkräfte zwischen zwei unter Krafteinwirkung aneinander anstellbaren Körpern (1) mit einer in die Stoßfuge zwischen den beiden Körpern (1) einführbaren, mehrschichtigen Messfolie (3) beschrieben, die eine Sensorschicht (4) mit sich druckabhängig ändernden elektrischen Eigenschaften zwischen zwei elektrisch leitenden, an eine Auswerteschaltung (6) angeschlossenen Schichten (5) aufweist. Um das Messergebnis zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass zwei unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Trennschicht (9) übereinander angeordnete Messfolien (3) eine in die Stoßfuge einführbare Messeinlage (2) bilden und dass die beiden Messfolien (3) je für sich an die Auswerteschaltung (6) angeschlossen sind, die eine die Messsignale der beiden Messfolien (3) nach einem vorgegebenen Algorithmus zu einem Messergebnis verknüpfende Signalverarbeitungseinheit (11) umfasst.

Description

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erfassen der Druckkräfte zwischen zwei unter Krafteinwirkung aneinander anstellbaren Körpern mit einer in die Stoßfuge zwischen den beiden Körpern einführbaren, mehrschichtigen Messfolie, die eine Sensorschicht mit sich druckabhängig ändernden elektrischen Eigenschaften zwischen zwei elektrisch leitenden, an eine Auswerteschaltung angeschlossenen Schichten aufweist.

[0002] Zum Erfassen der Zuspannkräfte von Scheiben- oder Trommelbremsen ist es bekannt (AT 524 872 B1), zwischen dem Bremskörper und dem Bremsrotor eine mehrschichtige Messfolie aus einer Sensorschicht mit sich druckabhängig ändernden elektrischen Eigenschaften einzuführen. Mithilfe zweier elektrisch leitender Schichten wird das sich druckabhängig ändernde, elektrische Messsignal der Sensorschicht abgegriffen und einer Auswerteschaltung zugeführt, in der aufgrund der bekannten Druckabhängigkeit des elektrischen Messsignals die auftretenden Zuspannkräfte ermittelt werden. Aufgrund von unvermeidbaren örtlichen Ungleichmäßigkeiten der Sensorschicht hinsichtlich der Druckabhängigkeit ihrer elektrischen Eigenschaften ist mit Messfehlern zu rechnen. Außerdem können Messfehler auftreten, wenn die Messfolie nicht gleichmäBig über ihre Messfläche belastet wird.

[0003] Um Messfehler zu berücksichtigen, ist es bekannt (AT 524 872 B1), die Messfolie zur Zuordnung der ermittelten Zuspannkräfte zu der der jeweiligen Druckbeaufschlagung ausgesetzten Fläche der Sensorschicht mit zwei an die Auswerteschaltung angeschlossenen Elektrodenschichten zur Bestimmung der Folienkapazität zwischen den Elektrodenschichten zu versehen. Wirkt der Bremskörper nicht vollflächig auf den Bremsrotor einer Scheiben- oder Trommelbremse, ergeben sich zwischen dem Bremskörper und dem Bremsrotor unterschiedliche Abstände, die die Kapazität der zwischen Bremskörper und Bremsrotor eingespannten Messfolie beeinflussen, sodass mit einer entsprechenden Kapazitätsmessung zusätzlich die Anpressfläche bestimmt werden kann, um die mithilfe der Sensorschicht erfassten Zuspannkräfte auf diese Anpressfläche beziehen zu können.

[0004] Eine zusätzliche Kapazitätsmessung hat allerdings keinen Einfluss auf im Bereich der Messfläche der Sensorschicht auftretende Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der druckabhängigen elektrischen Eigenschaften der Sensorschicht.

[0005] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erfassen der Druckkräfte zwischen zwei aneinander anstellbaren Körpern mit einer in die Stoßfuge zwischen den beiden Körpern einführbaren Messfolie so auszugestalten, dass die Messgenauigkeit mit einem vergleichsweise geringen konstruktiven Aufwand verbessert werden kann.

[0006] Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs geschilderten Art löst die Erfindung die gestellte Aufgabe dadurch, dass zwei unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Trennschicht übereinander angeordnete Messfolien eine in die Stoßfuge einführbare Messeinlage bilden und dass die beiden Messfolien je für sich an die Auswerteschaltung angeschlossen sind, die eine die Messsignale der beiden Messfolien nach einem vorgegebenen Algorithmus zu einem Messergebnis verknüpfende Signalverarbeitungseinheit umfasst.

[0007] Da zufolge dieser Maßnahmen die von den zu messenden Druckkräften zwischen den beiden Körpern abhängigen elektrischen Größen durch zwei Messfolien voneinander unabhängig gemessen werden und aufgrund des Umstands, dass sich die Unregelmäßigkeiten hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften der Sensorschichten der beiden Messfolien über die den beiden Messfolien gemeinsame Messfläche unterschiedlich verteilen, können die voneinander unabhängig erfassten elektrischen Messsignale für die zu erfassenden Druckkräfte im Sinne einer Verbesserung des Messergebnisses miteinander verknüpft werden. Zu diesem Zweck werden die Messsignale der beiden Messfolien in einer Signalverarbeitungseinheit der Auswerteschaltung gemäß einem vorgegebenen Algorithmus abgeglichen, und ein gemäß dem Algorithmus bearbeitetes Messergebnis ausgegeben. Im einfachsten Fall kann der Algorithmus zu einer Mittelwertbildung führen, was bereits eine merkliche Verbesserung der Messgenauigkeit mit sich

bringt.

[0008] Das Vorsehen einer Messeinlage mit zwei Messfolien, die voneinander unabhängig erfasste Messsignale zur Verfügung stellen, kann auch vorteilhaft für die Überwachung der Funktionstüchtigkeit der Messeinlage genützt werden. Weichen nämlich die Messsignale der beiden Messfolien über ein bestimmtes Maß voneinander ab, so bedeutet dies, dass zumindest eine der beiden Messfolien fehlerhaft ist. In der Auswerteschaltung können folglich die Messsignale der beiden Messfolien miteinander verglichen und ein Fehlersignal ausgegeben werden, wenn eine vorgegebene Differenz zwischen den beiden Messsignalen überschritten wird.

[0009] Zusätzlich kann zumindest eine der beiden Messfolien zwei an die Auswerteschaltung angeschlossene Elektrodenschichten zur Bestimmung der Folienkapazität zwischen den Elektrodenschichten aufweisen, um in an sich bekannter Weise aus der Folienkapazität auf die jeweilige Anpressfläche zwischen den beiden gegeneinander gedrückten Körpern rückschließen zu können und damit die wirksamen Druckkräfte in Abhängigkeit von der jeweiligen Anpressfläche zu erfassen. Da bei einer deckungsgleichen Anordnung der beiden Messfolien die Anpressflächen für beide Messfolien übereinstimmen, genügt zumindest in diesem Fall die Flächenerfassung für eine der Messfolien.

[0010] In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigen [0011] Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einem schematischen Blockschaltbild und

[0012] Fig. 2 einen schematischen Schichtaufbau einer erfindungsgemäß einsetzbaren, mehrschichtigen Messfolie.

[0013] Zum Erfassen der zwischen zwei Körpern 1 wirkenden Druckkräfte wird erfindungsgemäß in die Stoßfuge zwischen den beiden Körpern 1 eine mehrlagige, folienartige Messeinlage 2 eingebracht, die sich aus zwei übereinstimmenden, deckungsgleich übereinander angeordneten Messfolien 3 zusammensetzt. Diese mehrschichtigen Messfolien 3 weisen eine Sensorschicht 4 aus einem Material auf, dessen elektrische Eigenschaften sich mit dem Beaufschlagungsdruck ändern, wie dies insbesondere für piezoresistive Materialien gegeben ist, vorzugsweise entsprechend dotierte Halbleiter, z. B. auf Silicium- oder Germaniumbasis oder IIl-V- Halbleiter.

[0014] Die Sensorschicht 4 der beiden Messfolien 3 ist zwischen zwei elektrisch leitenden Schichten 5 angeordnet, über die eine elektrische Messspannung an die vorzugsweise piezoresistive Sensorschicht 4 angelegt wird. Da sich der spezifische elektrische Widerstand der Sensorschicht 4 mit dem Beaufschlagungsdruck ändert, kann aufgrund der gegebenen Druckabhängigkeit des spezifischen elektrischen Widerstands aus der Größe des durch die Sensorschicht 4 fließenden elektrischen Stroms auf die Druckbelastung der Sensorschicht 4 und damit auf die Größe der einwirkenden Kräfte rückgeschlossen werden. Die Fläche der Sensorschicht 4 ist Ja konstruktiv vorgegeben und daher bekannt.

[0015] Zur Auswertung der Messsignale ist eine Auswerteschaltung 6 vorgesehen, an die die beiden Messfolien 3 je für sich angeschlossen sind, und zwar gemäß Fig. 1 über entsprechende Kupplungen 7 für die mit den leitenden Schichten 5 verbundenen Signalleitungen 8, über die nicht nur die Messsignale zur Auswerteschaltung 6, sondern auch die für den Messbetrieb benötigte Energie von der Auswerteschaltung 6 zu den der Messfolien 3 übertragen werden können. Die Messsignale können aber auch drahtlos an die Auswerteschaltung 6 übertragen werden, was üblicherweise eine gesonderte, der Messeinlage 2 zugeordnete Energieversorgung zur Folge hat.

[0016] Um eine voneinander unabhängige Messung der zwischen den beiden Körpern 1 wirkenden Druckkräfte durch die beiden Messfolien 3 sicherzustellen, müssen die beiden Messfolien 3 durch eine isolierende Trennschicht 9 elektrisch voneinander getrennt werden. Bekannte Messfolien dieser Art weisen zwei elektrisch isolierende Deckschichten 10 auf, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Die beiden beim Einsatz zweier herkömmlicher Messfolien 3 für eine erfindungsgemäße Messeinlage 2 aneinanderliegenden, inneren Deckschichten 10, die in diesem Fall eine zweilagige Trennschicht 9 bilden, können vorteilhaft durch eine gemeinsame, einlagige Trennschicht 9 ersetzt werden.

[0017] Da zufolge dieser Konstruktionsmaßnahmen die zwischen den beiden Körpern 1 herrschenden Druckkräfte von den beiden Messfolien 3 unabhängig voneinander erfasst werden, können die Messsignale dieser Messfolien 3 miteinander verknüpft werden, um ein Messergebnis zu erhalten, das insbesondere Unregelmäßigkeiten im Aufbau der Sensorschichten 4 ausgleicht. Zu diesem Zweck umfasst die Auswerteschaltung 6 eine Signalverarbeitungseinheit 11, in der die von den beiden Messfolien 3 erfassten Messwerte nach einem vorgegebenen Algorithmus verrechnet werden, um ein verbessertes Messergebnis ausgeben und beispielsweise an eine Anzeige 12 weiterleiten zu können.

[0018] Ist unter Umständen damit zu rechnen, dass sich der Beaufschlagungsdruck nicht gleichmäßig über die Messfläche der Messeinlage 2 verteilt, kann zur Abschätzung der Größe der jeweils einer Druckbeaufschlagung ausgesetzten Fläche der beiden Messfolien 3 zusätzlich eine Kapazitätsmessung vorgenommen werden. Hierfür sind gemäß der Fig. 2 zumindest bei einer der beiden Messfolien 3 zwei Elektrodenschichten 13 vorgesehen, die die elektrisch leitenden Schichten 5 unter Zwischenlage einer Isolierschicht 14 abdecken. Da die Folienkapazität von der jeweiligen Fläche abhängt, über die der Druck zwischen den beiden Körpern 1 übertragen wird, kann anhand einer solchen Kapazitätsmessung auf den Flächenanteil der Sensorschicht 4 rückgeschlossen werden, der dem Beaufschlagungsdruck durch die wirkenden Kräfte ausgesetzt ist, was eine Zuordnung der ermittelten Kräfte zu der der jeweiligen Druckbeaufschlagung ausgesetzten Fläche der Sensorschicht 4 erlaubt.

[0019] Durch die zusätzliche Kapazitätsmessung, für die nicht zwingend zwei gesonderte Elektrodenschichten 13 vorgesehen werden müssen, weil eine der elektrisch leitenden Schichten 5 auch als Elektrodenschicht für die Kapazitätsmessung genützt werden kann, wird der Handhabungsaufwand nicht vergrößert. Auch der zusätzliche, durch die Elektrodenschichten 13 und deren Anschlussleitungen 15 bedingte Konstruktionsaufwand bleibt gering. Es ist lediglich dafür zu sorgen, dass der aufgrund der Kapazitätsmessung erfassbare, druckbelastete Flächenanteil bei der Verrechnung des Messergebnisses entsprechend berücksichtigt wird. Werden beide Messfolien für voneinander getrennte Kapazitätsmessungen mit Elektrodenschichten versehen, so kann auch hinsichtlich der Bestimmung des druckbelasteten Flächenanteils ein Fehlerausgleich ermöglicht werden, was jedoch im Allgemeinen keinen wesentlichen Einfluss auf das Messergebnis hat.

[0020] Obwohl gemäß dem Ausführungsbeispiel zwei übereinstimmende, deckungsgleich übereinander angeordnete Messfolien 3 vorgesehen sind, was einfache Konstruktions- und Messbedingungen mit sich bringt, ist auch eine gegenseitig versetzte Messfolienanordnung denkbar. In diesem Fall ist die den beiden Messfolien gemeinsame Messfläche für den Abgleich der Messergebnisse bestimmend. Mit einer entsprechenden Anpassung des Algorithmus ist es außerdem möglich nicht übereinstimmende Messfolien einzusetzen.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Erfassen der Druckkräfte zwischen zwei unter Krafteinwirkung aneinander anstellbaren Körpern (1) mit einer in die Stoßfuge zwischen den beiden Körpern (1) einführbaren, mehrschichtigen Messfolie (3), die eine Sensorschicht (4) mit sich druckabhängig ändernden elektrischen Eigenschaften zwischen zwei elektrisch leitenden, an eine Auswerteschaltung (6) angeschlossenen Schichten (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zwei unter Zwischenlage einer elektrisch isolierenden Trennschicht (9) übereinander angeordnete Messfolien (3) eine in die Stoßfuge einführbare Messeinlage (2) bilden und dass die beiden Messfolien (3) je für sich an die Auswerteschaltung (6) angeschlossen sind, die eine die Messsignale der beiden Messfolien (3) nach einem vorgegebenen Algorithmus zu einem Messergebnis verknüpfende Signalverarbeitungseinheit (11) umfasst.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Messfolien (3) zwei an die Auswerteschaltung (6) angeschlossene Elektrodenschichten (13) zur Bestimmung der Folienkapazität zwischen den Elektrodenschichten (13) aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen