Méréseim során ütköztem abba a problémába, hogy dinamikus erőket kellett volna nagyon pontosan mérnem. Bár az erőmérés megoldására a méréstechnika régóta ismeri a nyúlásmérő bélyegeket, mint triviális megoldást, azonban ezeknek számtalan, kezdők számára ismeretlen nehézségük ill. hátrányuk van az alábbiak szerint:

     Először is a nyúlásmérő bélyeg nyúlást mér, nem pedig görbülést - ki gondolta volna! Ez csak azért érdekes, mert nem úgy méretezünk nyúlásmérő bélyeghez alaptestet, hogy sacc/kb. veszünk egy acélrudat, hanem egy hasábot kell olyan módon megmunkálni, hogy azon legyen egy adott szakasz, ahol a folyási határ alatti a húzóerő - és tisztán csak húzóerő van! -, továbbá a fellépő nyúlás összhangban van a nyúlásmérő bélyegre meg adott értékkel. Ez jellemzően tizedmilliméteres megmunkálást igényel. (Persze a mindenki által ismert szakítógépen történő tiszta nyúlásmérés esetén nincsen hajlító erő; de a gyakorlatban ez az egyetlen ilyen eset...)

     De miért olyan lényeges a tisztán húzóerő, ha egyszer a hajlítás is húzás? Hiszen minden hajlított testnek van húzott és nyomott oldala... Csakhogy míg a húzó- és nyomóerő állandó a hossz mentén, addig a hajlítónyomaték L-től függ: a támadáspontban M=0, a talppontban M=max., a kettő között meg folyamatosan változik. Ebből adódóan a húzott és nyomott oldal feszültségei is változnak a távolsággal. Az még a kisebbik baj, hogy a bélyeg két vége nem lesz azonos mértékben húzva, és így nem lesz lineáris; a nagyobbik baj, hogy az alaptestek mérete néha alig párszorosa a bélyeg hosszának, így akár 20%-os nyúlás-különbségek is lehetnek a bélyeg két vége között. Ha pedig az alaptest két oldalán nem pontosan egy magasságban vannak a bélyegek, akkor még az is plusz hibát visz be. Pontosan ezért csinálják a speciális megmunkálású alaptesteket, ahol ilyen hiba nem fordulhat elő, mert a bélyeg egyenletesen van húzva teljes hosszon.

     Jellemző hiba továbbá, amikor hajlítással készítik el az alaptestet; ebben az esetben az anyagban maradó feszültség a mechanikai ill. a hőhatásokra, vagy egyszerűen csak az idő elteltével elkezd lassan kiegyenlítődni, és szépen lassan magától elhúzza a bélyegek kimenő jelét, pl. minden egyes mérés után egy kicsivel odébb kerül a nullpont. Ezért kell forgácsolás után hőkezelt anyagból készíteni az alaptestet.

     A nyúlásmérő bélyeg felragasztását is lehet pl. pillanatragasztóval végezni, ami garantált módja a hasznavehetetlenné tételnek! Az alaptest nyúlását ugyanis a ragasztónak át kell tudnia vinnie kúszás és törés nélkül. Egy átlagos pillanatragasztó merev, erőhatásra törik, a többi meg kúszik, azaz állandó F erő hatására mégis csökkenő nyúlást mér a bélyeg. Tehát egyrészt speciális ragasztó kell hozzá, másrészt az alaptest felületét is megfelelően elő kell készíteni ragasztás előtt. A rugalmas, de elektromosan árnyékoló kivezetések megfelelő elkészítése sem a legegyszerűbb.

     Gondolni kell arra is, hogy a nyúlásmérő bélyeg is egy érzékelő, melynek van egy érzékelési határa, ami felett elhangolódik vagy elromlik. A nyúlásmérő bélyeg különösen érzékeny ilyen szempontból: egy ütés, egy nagyobb rántás elég ahhoz, hogy a bélyegben hajszálrepedések alakuljanak ki, és onnantól máris mást mér. Vagy mechanikailag kell határolni a mozgást, hogy ne léphessen fel túlterhelés, vagy pedig rendszeresen ellenőrző mérésekkel kell ellenőrizni az érzékelőt, hogy pontosan mér-e. Ugyancsak védeni kell a karcolódástól, nedvességtől, portól, hőtől és minden egyéb károsító behatástól.

     Ezek után nem véletlen, hogy egy adott erőtartományra méretezett alaptestet a 4 db nyúlásmérő bélyeggel - ami anyagáron alig párezer forint - úgy 100.000,- Ft-tól kezdik árulni. És ez még csak az érzékelő!

     Aztán ott az elektronika is: cirka 10-30 mV-os jel jön le a hídról, amit persze stabilizált táppal kell táplálni. Csakhogy egy átlagos tápban lévő zaj kb. 1-2 mV, szinte semmi, ugye? De 10 mV mellett már kicsit sok! Ezért sem szokás egy bélyeget használni, de még 4 db hídba kapcsolt bélyegnél is bezavar néha. No meg ki hiszi azt nagy naivan, hogy a 4 db bélyeg hajszálpontosan azonos ellenállású? Elárulom: általában 10 db van egy csomagban, és bár összeválogatottak, mégis keresni kell azonos értékű párocskákat, hogy kis erőknél is jól dolgozhasson.

     Zavarszűrésről már nem is beszélek; általában 4 Hz-nél illik vágni, ha nem EKG-t vagy falba rejtett vezetékek felderítésére alkalmas készüléket akarunk, ugyanis a mérőerősítőnek 333 vagy 1000-szeres a szokásos erősítése, azaz a legkisebb rádióhullámot ill. elektromos zavart is ilyen mértékben erősíti fel. Egy szó, mint száz, én a szintén olyan 80-120 ezer Ft közötti áron adott zavarvédett nyúlásmérő átalakító moduloknál kötöttem ki.

     Természetesen léteznek nagyobb határfrekvenciájú mérőerősítők is; 10 ill. 20 kHz szokott lenni a következő szabványos érték. Azonban ezeket nem tisztán erőmérésre, hanem rezgés- és zajmérésre szokás használni. Ebben az esetben a kapott jelek spektrumát vizsgálják FFT-vel. Itt már nem lényeges az ofszet-kompenzálás, hiszen az alapjel eltolódása egy FFT után úgyis lényegtelenné válik.

     Így azt láthatjuk, hogy 4 Hz felett tulajdonképpen nem tudunk dinamikusan erőket mérni! A nyúlásmérő bélyeget ugyanis főképp mérlegcellákba és rezgésmérésre ajánlják. A mérlegcella és az erőmérés nem ugyanaz; egy test súlya ugyanis nem változik, mert a gravitáció állandó; az erő viszont jellemzően dinamikus dolog. Márpedig nagyon kevés olyan mérőeszköz van, ami ugyanazt méri statikusan, mint dinamikusan. Mérlegcella esetében is jellemzően több tucat mérési pont átlagából számolnak eredményt, a sima RC szűrés ugyanis ugyanúgy alkalmatlan szokott lenni az átlagolásra, ahogy valódi effektív értéket sem lehet mérni egy jelből ilyen módszerrel. Tehát a nyúlásmérő bélyeges mérőrendszerekre megadott pl. 30 mérés/sec nem azt jelenti, hogy 30 erőt mérhetek le másodpercenként, hanem inkább azt, hogy egy erőt 30-szor mérhetek le másodpercenként, hogy abból átlagot számoljak. Ez már valóban megfelelően pontos lesz, ha a bélyeg, a ragasztó, ill. a külső körülmények megfelelőek. Ugyanez az eset, ha tartály/híd/szakítógép/stb. adott pontján lévő, közel állandó erőt kell mérni. Ide tényleg szuper!

     Tengelyek nyomatékának a mérése még problémásabb: a mérendő nyomatékot továbbító tengelybe be kell iktatni egy közdarabot, azaz a két végén valahogy össze kell kapcsolni két tengelyt egy-egy tengelykapcsolóval. Ez lehet persze merev kötés is, de általában rugalmas a kapcsolat, hiszen nagyon nehéz az egytengelyűséget biztosítani, különösen nagyobb súlyú gépek esetében. Ekkor viszont kötelező a két oldalon a csapágyas alátámasztás, megvezetés. Ez rögtön már egy nagy költség, hiszen jelentős átalakításokkal jár.

     A nyúlásmérő bélyegekhez valahogy oda kell vezetni a hidat gerjesztő feszültséget, ill. a mért jelet el kell onnan vinni. Tekintettel ez utóbbi nagyon alacsony értékére, általában az egész mérő-átalakítót a tengelyre rakják, amely egy induktív csatolótekercsen keresztül kapja a tápláló villamos energiát, és egy másik tekercsen keresztül pedig pl. egy feszültség-frekvencia konverzió után nagyfrekvenciás jelek formájában küldi vissza a mért nyomatékkal arányos jelet.

     Ez bonyolultságban bőven indokolja, hogy egy ilyen forgó nyomatékmérő modul újonnan akár 1-1,5 millió Ft-ba is bele szokott kerülni, de a legolcsóbb példányai is jócskán 300.000,- Ft körül kezdődnek.

     Végezetül nem szabad arról sem elfeledkezni, hogy ez még csak egy analóg jel, amit még digitalizálni kell, hiszen a mérési adatokból az esetek többségében csak további számítások során lehet azokat a keresett eredményeket előállítani, melyek megszerzése érdekében a mérést elvégeztük. A digitalizálás az esetek zömében 12 bites felbontással történik, ami közvetlen megjelenítésre bőségesen elég, azonban pl. egy 12 biten digitalizált jelen már csak különböző simítások után lehet pl. deriváltat számolni; a 2. derivált kiszámítása pedig általában csak elég pontatlanul szokott sikerülni; már csak azért is, mert a digitalizálás során is további zajok ill. kvantálási-linearitási hibák kerülnek bele a mérésbe a digitalizálás elvi működéséből adódóan. Gyakori probléma továbbá, hogy a statikus feszültségek miatt a mért jelet galvanikusan is el kell választani a mérési célra szolgáló számítógéptől, mert a különben kialakuló földhurkok sokszor lehetetlenné teszik a mérést. Márpedig egy analóg jel galvanikus leválasztása nem csak drága, de sajnos sokszor további linearitási/pontossági hibák forrása is szokott lenni.

     Ezek után azt hiszem, mindenki látja és érti, miért is különleges és nehéz feladat a dinamikus erő- és nyomatékmérés. Szerencsére erre a problémára kínál olcsó és pontos megoldást az általam kidolgozott és évek óta sikerrel alkalmazott tisztán digitális alapú dinamikus erőmérés. Ennek működése azonban némi fizikai ismeretet igényel, melyet megpróbálok az alábbiakban röviden levezetni külön a lineáris, és külön a forgómozgásokra. Az erőre és a nyomatékra az alábbi képleteket lehet felírni Newton törvényei alapján:

     A fentiekből látható, hogy míg az erőmérés visszavezethető egy fix tömeg megmérésére, és egy út-idő összefüggés mérésére, addig a nyomatékmérés esetében egy szintén fix, geometria által meghatározott tehetetlenségi tényezőből, és egy szög-idő összefüggés méréséből áll a feladat. (A tehetetlenségi tényező egyrészt jól számolható; több tervezőprogram is képes ezt a pusztán a sűrűségi és a geometriai adatokból kiszámítani; másrészt pedig a későbbiekben majd mutatok egy egyszerű módszert ennek megmérésére.)

     A folyamatos technikai haladásnak köszönhetően az utóbbi években nagyon pontos és olcsó inkrementális jeladókat lehet vásárolni. A legolcsóbb, mérési célra is alkalmas inkrementális forgójeladó már 10.000,- Ft-tól kapható, míg lineáris útmérő eszközöket akár egy beszáradt fúvókájú bontott tintasugaras nyomtatóból is ki lehet termelni. Ezek az inkrementális jeladók tulajdonképpen egyben képesek megvalósítani a teljes érzékelő egységet, hiszen egyszerre adnak ki az útra/szögelfordulásra jellemző adatot, ill. időadatot, amelyek alapján megfelelő mérőeszközzel a korábban ismertetett Newton-képletek 3. verziója alapján azonnal számítható a mérni kívánt erő/nyomaték.

     Nagy előnye a tisztán digitális erő/nyomaték-mérésnek, hogy:

• Semmiféle átalakítást nem kíván a mérendő rendszeren, csak egy inkrementális jeladó - akár ideiglenes - csatlakoztatását igényli egy tengelyvéghez vagy a mozgó test végéhez;
• Nem kell erő- vagy nyomatékmérő közdarabot beiktatni a méréshez, tehát elmaradnak a drága mechanikai előkészítő munkák, a felfüggesztések és tengelykapcsolók elkészítése;
• Az inkrementális jeladók optikai alapú működéséből adódóan a mérés teljességgel érintés nélkül történik; a mért rendszer és a mérőrendszer teljes elkülönülése akár szemmel is jól látható. Ez különösen ott lényeges, ahol pl. 100% feletti hatásfokok bizonyítása a cél;
• A mérendő erő/nyomaték nagyságától függően nem kell különböző érzékenységű mérőfejeket vásárolni, hanem egyetlen inkrementális jeladóval lemérhető minden, amely ráadásul minimum 1 nagyságrenddel olcsóbb, mint a kapható legolcsóbb erőmérő cella;
• A mérőfej - mérő-átalakító - digitalizáló rendszer összárához képest egy digitális erőmérő rendszer érzékelővel és mérő-digitalizáló egységgel akár annak tizedéből-huszadából is kijöhet; ráadásul ezek mindegyike hordozható, nem igényli a mérendő rendszerbe történő fix beépítést;
• A mért eredmények azonnal digitális formába kerülnek; az így elért digitális felbontás sok esetben több nagyságrenddel pontosabb, mint egy szokásos 12 bites digitalizálással nyert érték. A kapott eredmény alkalmas lehet akár a 2.-3. derivált zajmentes kiszámítására is;
• A mérés abszolút értékben mindig pontos, nem kell külön kalibrálni, hiszen olyan alapadatokra támaszkodik, amelyek geometriailag vannak definiálva: a tömeg ill. a tehetlenségi tényező a geometriai méretekből, a megtett út az inkrementális jeladó gyártása során kialakított felbontásból, az idő pedig kvarcvezérelt órajelből származik;
• Túlterhelésből, túlfeszültségből, mechanikai behatásokból adódóan sem a mérőérzékelő, sem a mérő-átalakító nem tud meghibásodni, elállítódni; így nem igényel időszakonkénti ellenőrző-kalibráló méréseket;
• A különféle mérési módszerek között van olyan megoldás is, amely az erő/nyomaték értékét nem csak egy munkapontban, hanem akár egy sor munkapontban képes rögzíteni egyetlenegy mérés adatai alapján; tehát nem kell külön mérés-sorozatokat végezni, hanem elég egyetlen, pár másodperces mérést csinálni;
• A mérési "sebesség" az alkalmazott inkrementális jeladó felbontásától függ; így akár 1-10 kHz-es erő/nyomaték-változási kilengéseket is mérni lehet vele;
• A mérés időtartama általában pár másodperc csupán, nem kell állandósult üzemállapot ill. fordulatszám beállására várni a kellően zajmentes méréshez.

     A mérőrendszer működését az alábbi módon kell elképzelni: a mérés lelke egy XilMER fantázianevet kapott mérőeszköz, melyet az Eladó készülékek link alatt részletesen be fogok mutatni. A XilMER-nek többféle kivitele is van; általában 3 db teljesen független inkrementális jeladót képesek kezelni oly módon, hogy egyszerre tárolják el az inkrementális jeladó által kiadott helyzet-információt a hozzá tartozó pillanatnyi időadattal együtt. A mérés végén ezek az adatok egy - EXCEL-be is beolvasható - szövegfájlba kerülnek, de természetesen külön kiértékelő programokat is lehet hozzá használni. A mérési fájl tartalmazza az inkrementális jeladóktól érkező csatornajeleket és a hozzájuk tartozó abszolút időt. A csatornajelekből nem csak a megtett távolság/szögelfordulás számítható, hanem a mozgás irányának tetszőleges számú megfordulása, megállása, ill. indexjel alkalmazása esetén egy kitüntetett index-pozíción történő áthaladása is. Ebből a mozgás geometriai pályája könnyen rekonstruálható. A jelekhez kapcsolt időadatok alapján pedig az egyes elemi szakaszokon végbemenő mozgás sebessége is kiszámolható; ebből pedig a (szög)gyorsulás már számítható.

     A mérésnek többféle elvi megoldása is lehet; néhányat példaképpen bemutatok belőle azzal a megjegyzéssel, hogy mint a rendszer kifejlesztője és több éves tapasztalattal rendelkező aktív felhasználója, szinte minden létező méréstechnikai problémára van már kidolgozott és kipróbált mérési elrendezésem. Így nagyon szívesen segítek bárkinek, aki ilyen vagy olyan speciális eset megoldására keres mérési elrendezést. Kérem hívjanak fel vagy keressenek meg személyesen!

     A mérés legegyszerűbb formájában egy lüktető terhelésű tengely nyomatékát kell mérni. Ehhez nem kell mást tenni, mint a tengely egyik végére csatlakoztatni egy inkrementális forgójeladót, majd a mérés kézzel történő elindítása után a meghajtást kikapcsolva, pár fordulat megtétele után leállítani a mérést. Ezt követően az inkrementális jeladó indexjelei alapján ki kell választani egy teljes fordulatot, melyre ezek után már ki lehet számolni a szögsebességet és a szöggyorsulást a szöghelyzet függvényében.

     Már csak egyetlen egy adat hiányzik, ez pedig a rendszer tehetetlenségi tényezője. Ezt az alábbi cseles méréssel lehet kimérni, ha a kiszámolásához nem állnak rendelkezésre a szükséges adatok. (Megjegyzem, általában minden gyárilag készült forgógépre megadják a tehetetlenségi tényező értékét, már csak azért is, mert a berendezés bekapcsolásakor a felpörgés sebességét és annak többlet-energiaigényét csak ez alapján lehet kiszámolni. Az más dolog, hogy ezt az adatot a gépek adattábláján általában nem tüntetik fel, csak a mellékelt dokumentációban.)

     A tehetetlenségi tényező kiméréséhez a berendezést lehetőleg terhelésmentes állapotba kell hozni, ha megoldható, pl. egy kalapácsos darálónál el kell zárni a beömlő nyílást. Várjuk meg, amíg a rendszer közel egyenletes sebességgel megy. Ennek pontos értéke azonban lényegtelen. Indítsunk el egy kalibráló mérést, majd rögtön utána kapcsoljuk ki a meghajtást, mire a rendszer a saját súrlódási együtthatójától függő mértékben elkezd lassulni. Ebből mérjünk le annyit, amennyit tudunk.

     Ezek után a rendszer tengelyére fel kell tenni egy olyan sima ballaszt fémtárcsát, amelynek a tehetetlenségi tényezőjét jól ki tudjuk számolni. Ennek legegyszerűbb esete egy középen lyukas korong, amelynek a számítási képlete a következő:

ahol:
    Q - a keresett tehetetlenségi tényező;
    m - a ballaszt lendkerék tömege;
    r - a belső furat átmérője;
    R - a korong külső átmérője.

     A felfogatás legegyszerűbb helye általában a meghajtó motor végén lévő hűtőventillátor; a védőrács eltávolítása után a hűtőventillátor helyére lehet a legkönnyebben felrakni a ballaszt tárcsát. A rögzítés nem kritikus; az sem probléma, ha a motor bekapcsolásakor netán megcsúszik a tárcsa. A lényeg az, hogy a motor kikapcsolásakor a tárcsa ne csússzon meg a lassan lassuló tengelyvégen.

     A ballaszt-tárcsa felhelyezése után a mérendő rendszert újra bekapcsoljuk egy pár másodperces időre, az üzemi fordulatszám elérésekor a mérőrendszert ismét elindítjuk, majd rögtön utána a meghajtást ismételten kikapcsoljuk. A rendszer a saját súrlódási együtthatójától függő mértékben elkezd lassulni, ez alkalommal azonban a ballasztnyi értékkel megnövelt tehetetlenségi tényezőjéből adódóan lassabban. Ebből is mérjünk le annyit, amennyit tudunk.

     Ezek után értékeljük ki a két kalibráló mérést szögsebességre, majd keressünk egy olyan tetszőleges szögsebesség-értéket, amely mind a két görbén egy nyugodt járású, rezonancia-mentes lassulási állapotban van. Ebben a pontban számoljuk ki a pillanatnyi szöglassulás értékét. Így tehát van egy b ₁ és egy b ₂ értékünk, melyekhez azonos fordulatszám mellett igen pontosan azonos közös, ismeretlen M fékező nyomaték tartozik. Ez úgy lehetséges, hogy az első esetben csak egy Q _rendszer értékű tehetetlenségi tényezőnk volt, míg a második esetben ezt egy Q _ballaszt értékű tehetetlenségi tényező megnövelte. Ezek alapján felírhatjuk, hogy:

,

    átrendezve:

.

     Ezzel már meg is határoztuk a rendszer saját tehetetlenségi tényezőjét, amellyel a legelső mérésben felvett görbe szöggyorsulás értékét megszorozva máris közvetlenül a keresett nyomaték értékét kapjuk a szöghelyzet függvényében. A mérés már kész is! Amennyiben nem csak a terhelés nyomatékára vagyunk kíváncsiak, hanem az egész hajtott rendszer eredő nyomatékára, akkor egy 4. mérést úgy végezzünk el, hogy a meghajtást nem kapcsoljuk ki a mérés közben. Ez esetben a pillanatnyi szöggyorsulást a terhelő ill. hajtó nyomaték különbsége fogja eredményezni. Ha az így kapott egyensúlyi szög szerinti nyomatéki görbéből kivonjuk a meghajtás kikapcsolása pillanatában mért nyomatéki görbét, akkor megkapjuk a rendszernek a hajtómű által a felvett energia hatására produkált szög szerinti nyomatéki görbéjét.

     A rakétát egy olyan megvezető rendszerre szereljük, amit két rugó tart középhelyzetben, és melynek elmozdulását egy lineáris inkrementális érzékelő érzékeli. Indexpozíció alkalmazása nem szükséges, helyette inkább a rakéta elektromos gyújtóberendezésének jelét célszerű bekötni, hogy a rakéta égési idejét pontosan tudjuk mérni. A mérés elején a mérőrendszert elindítva a rakéta állványát egy ismert erővel lassan megterheljük, pl. egy csigán át lelógatott kalibrált súlyra ható erővel. A mérést leállítva, megnézzük, mennyi volt az állandósult kitérés az inkrementális jeladó szerint, azaz felvettük a rugóerő/elmozdulás F/s konstansát.

     Ezek után a rendszert nyugalomban hagyva elindítjuk a mérőrendszert, majd aktiváljuk az elektromos gyújtást. A begyújtott rakéta változó erősségű tolóerőt gerjeszt, ami a megvezetést a rugók erejének ellenében előre-hátra mozgatja, amit az inkrementális jeladó folyamatosan érzékel. A rakéta kiégése után a mérést leállítjuk. Az inkrementális jeladó csatornajelei alapján a megvezető rendszer idő szerinti elmozdulását közvetlenül megkapjuk; ha ezt az elmozdulást megszorozzuk a korábban felvett rugóerő/elmozdulás konstanssal, akkor pedig az égési idő és a tolóerő görbéjét kapjuk meg.

     Természetesen ez esetben figyelmen kívül hagytuk, hogy a megvezető rendszernek ill. a rakétának is van saját tömege, így impulzusa, tehetetlensége is lesz. Ezért ha pontosabb mérési eredményeket szeretnénk, akkor egyrészt le kell mérni a rakéta kezdeti és a kiégett tömegét - hiszen a rakéta tömege, így a tehetetlensége is az égés során folyamatosan csökken -, másrészt le kell mérni a megvezető rendszer mozgó részeinek össztömegét is. A korábbi mérésben mért adatokból ezek után ki kell számítani az erő hatására bekövetkező elmozdulások pillanatnyi sebességét és gyorsulását; ezek után a változó, de ismert tömeg és a mért gyorsulás alapján a korábban kiszámolt statikus erőkhöz egy gyorsulásokból-lassulásokból és változó tömegből adódó plusz dinamikus erő is hozzáadódik ill. levonódik.