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Modellbasierte Korrektur systematischer Fehler an einer Wägezelle

Hiemstra, Andreas :
Modellbasierte Korrektur systematischer Fehler an einer Wägezelle.
TU Darmstadt, Institut EMK FG MuST , Darmstadt
[Bachelorarbeit], (2013)

Kurzbeschreibung (Abstract)

In der vorliegenden Arbeit wird eine Wägezelle vom Typ WDI 15t/2 der Firma SCHENCK PROCESS GMBH modelliert und daraus ein Korrekturalgorithmus abgeleitet. Die WDI 15t/2 wird zur Verwiegung von Zügen eingesetzt und unmittelbar zwischen Schiene und Schwelle eingebaut. Sie hat eine Nennlast von 15 t, einen Betriebstemperaturbereich von −10 _C bis 40 _C und soll in der Genauigkeitsklasse C1 nach OIML R60 zugelassen werden, welche einen maximalen Fehler (mpe) von 350 ppm bis 700 ppm zulässt. Zudem ist gewünscht den Temperaturbereich auf −30 _C bis 50 _C zu erweitern. Die Ausgangssignale der WDI 15t/2 zeigen einen großen Linearitätsfehler, sowie eine Temperaturabhängigkeit des Übertragungsfaktors. Zudem tritt Hysterese auf. Die Fehler der Wägezellen liegen in der Größenordnung von 1000 ppm. Der Grund für diese Fehler liegt im Material und in der komplizierten Geometrie der WDI 15t/2, welche notwendig ist, um den Anforderungen der Gleiswaage gerecht zu werden. Da die Messfehler mit bekannten Methoden nicht kompensiert werden können, wird ein modellbasierter Korrekturalgorithmus benötigt. Zunächst werden die physikalischen Effekte, die zum Übertragungsverhalten der Wägezelle beitragen, analysiert. Auf deren Basis wird ein mathematisches Modell entwickelt, welches aufgrund der physikalischen Grundlage die Möglichkeit bietet, die Hintergründe und Entstehung der Fehler zu verstehen. Die Analyse zeigt zwei Ursachen für den Linearitätsfehler. Erstens weist die spannungsgespeiste Wheatstone-Brücke nur dann eine lineare Übertragungsfunktion auf, wenn die Widerstandsänderungen in allen Brückenzweigen betragsgleich sind. Dies ist bei der WDI 15t/2 nicht der Fall. Außerdem besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der aufgelegten Last und der Dehnung der Dehnungsmessstreifen. Die Temperaturabhängigkeit des Übertragungsfaktors lässt sich auf verschiedene temperaturabhängige Materialeigenschaften zurückführen. So wird der Stahl mit steigender Temperatur weicher (der Elastizitätsmodul sinkt) und der k-Faktor der DMS nimmt zu. Beides führt zu einem höheren Übertragungsfaktor. Zur analogen Kompensation werden nach dem Stand der Technik Nickelwiderstände in der Speiseleitung eingebaut, deren Widerstand mit der Temperatur zunimmt. Dies führt zu einem niedrigeren Ausgangssignal. Das Zusammenspiel dieser und weiterer ähnlicher Effekte führt zur Temperaturabhängigkeit des Übertragungsfaktors. Zur Modellierung der Hysterese stehen verschiedene phänomenologische Modelle zur Verfügung. Es werden vier Modelle betrachtet: Dipolmodell, Preisach-Modell, Masing-Modell und das Ähnlichkeit-Modell. Nach Vergleich und Bewertung der Modelle wird das modifizierte Preisach-Modell verwendet, um die Hysterese der Wägezelle nachzubilden. Anhand geeigneter Parameter wird das Modell verallgemeinert, um es an das Verhalten einer konkreten Wägezelle anzupassen. Ein Algorithmus, basierend auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, wird entwickelt um die Modellparameter zu identifizieren. Aus dem Modell wird eine Rechenvorschrift abgeleitet, die die Korrektur der fehlerbehafteten Ausgangswerte der Wägezelle ermöglicht. Bislang liefert die Korrektur keine befriedigendes Ergebnisse. Die Messwerte werden überkompensiert. Der erste Ansatz für die Verbesserung liegt in der Optimierung der Parameteridentifikation. Im Diagramm sind die Messwerte vor und nach der Korrektur dargestellt.

Typ des Eintrags: Bachelorarbeit
Erschienen: 2013
Autor(en): Hiemstra, Andreas
Titel: Modellbasierte Korrektur systematischer Fehler an einer Wägezelle
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

In der vorliegenden Arbeit wird eine Wägezelle vom Typ WDI 15t/2 der Firma SCHENCK PROCESS GMBH modelliert und daraus ein Korrekturalgorithmus abgeleitet. Die WDI 15t/2 wird zur Verwiegung von Zügen eingesetzt und unmittelbar zwischen Schiene und Schwelle eingebaut. Sie hat eine Nennlast von 15 t, einen Betriebstemperaturbereich von −10 _C bis 40 _C und soll in der Genauigkeitsklasse C1 nach OIML R60 zugelassen werden, welche einen maximalen Fehler (mpe) von 350 ppm bis 700 ppm zulässt. Zudem ist gewünscht den Temperaturbereich auf −30 _C bis 50 _C zu erweitern. Die Ausgangssignale der WDI 15t/2 zeigen einen großen Linearitätsfehler, sowie eine Temperaturabhängigkeit des Übertragungsfaktors. Zudem tritt Hysterese auf. Die Fehler der Wägezellen liegen in der Größenordnung von 1000 ppm. Der Grund für diese Fehler liegt im Material und in der komplizierten Geometrie der WDI 15t/2, welche notwendig ist, um den Anforderungen der Gleiswaage gerecht zu werden. Da die Messfehler mit bekannten Methoden nicht kompensiert werden können, wird ein modellbasierter Korrekturalgorithmus benötigt. Zunächst werden die physikalischen Effekte, die zum Übertragungsverhalten der Wägezelle beitragen, analysiert. Auf deren Basis wird ein mathematisches Modell entwickelt, welches aufgrund der physikalischen Grundlage die Möglichkeit bietet, die Hintergründe und Entstehung der Fehler zu verstehen. Die Analyse zeigt zwei Ursachen für den Linearitätsfehler. Erstens weist die spannungsgespeiste Wheatstone-Brücke nur dann eine lineare Übertragungsfunktion auf, wenn die Widerstandsänderungen in allen Brückenzweigen betragsgleich sind. Dies ist bei der WDI 15t/2 nicht der Fall. Außerdem besteht ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der aufgelegten Last und der Dehnung der Dehnungsmessstreifen. Die Temperaturabhängigkeit des Übertragungsfaktors lässt sich auf verschiedene temperaturabhängige Materialeigenschaften zurückführen. So wird der Stahl mit steigender Temperatur weicher (der Elastizitätsmodul sinkt) und der k-Faktor der DMS nimmt zu. Beides führt zu einem höheren Übertragungsfaktor. Zur analogen Kompensation werden nach dem Stand der Technik Nickelwiderstände in der Speiseleitung eingebaut, deren Widerstand mit der Temperatur zunimmt. Dies führt zu einem niedrigeren Ausgangssignal. Das Zusammenspiel dieser und weiterer ähnlicher Effekte führt zur Temperaturabhängigkeit des Übertragungsfaktors. Zur Modellierung der Hysterese stehen verschiedene phänomenologische Modelle zur Verfügung. Es werden vier Modelle betrachtet: Dipolmodell, Preisach-Modell, Masing-Modell und das Ähnlichkeit-Modell. Nach Vergleich und Bewertung der Modelle wird das modifizierte Preisach-Modell verwendet, um die Hysterese der Wägezelle nachzubilden. Anhand geeigneter Parameter wird das Modell verallgemeinert, um es an das Verhalten einer konkreten Wägezelle anzupassen. Ein Algorithmus, basierend auf der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, wird entwickelt um die Modellparameter zu identifizieren. Aus dem Modell wird eine Rechenvorschrift abgeleitet, die die Korrektur der fehlerbehafteten Ausgangswerte der Wägezelle ermöglicht. Bislang liefert die Korrektur keine befriedigendes Ergebnisse. Die Messwerte werden überkompensiert. Der erste Ansatz für die Verbesserung liegt in der Optimierung der Parameteridentifikation. Im Diagramm sind die Messwerte vor und nach der Korrektur dargestellt.

Ort: Darmstadt
Freie Schlagworte: Mikro- und Feinwerktechnik Elektromechanische Konstruktionen Fehlerkorrektur DMS Modellbildung Fehler, systematisch Fehleranalyse
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mess- und Sensortechnik
Hinterlegungsdatum: 06 Dez 2013 08:15
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv Institut EMK. Anfrage über Sekretariate

Bibliotheks-Siegel: 17/24 EMKD 1819

Art der Arbeit: Diplomarbeit

Beginn Datum: 30-01-2013

Ende Datum: 31-07-2013

ID-Nummer: 17/24 EMK D1819
Gutachter / Prüfer: Werthschützky, Prof. Dr.- Roland
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