Jan Schleichert

Local Lorentz force flowmeter at a continuous caster model using a new generation multicomponent force and torque sensor

Lorentz force velocimetry is a non-invasive velocity measurement technique for electrical conductive liquids like molten steel. In this technique, the metal flow interacts with a static magnetic field generating eddy currents which, in turn, produce flow-braking Lorentz forces within the fluid. These forces are proportional to the electrical conductivity and to the velocity of the melt. Due to Newtons third law, a counter force of the same magnitude acts on the source of the applied static magnetic field which is in our case a permanent magnet. In this paper we will present a new multicomponent sensor for the local Lorentz force flowmeter (L2F2) which is able to measure simultaneously all three components of the force as well as all three components of the torque. Therefore, this new sensor is capable of accessing all three velocity components at the same time in the region near the wall. In order to demonstrate the potential of this new sensor, it is used to identify the 3-dimensional velocity field near the wide face of the mold of a continuous caster model available at the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. As model melt, the eutectic alloy GaInSn is used.

High-precision horizontally directed force measurements for high dead loads based on a differential electromagnetic force compensation system

In this paper, we present an application for realizing high-precision horizontally directed force measurements in the order of several tens of nN in combination with high dead loads of about 10 N. The set-up is developed on the basis of two identical state-of-the-art electromagnetic force compensation (EMFC) high precision balances. The measurement resolution of horizontally directed single-axis quasi-dynamic forces is 20 nN over the working range of ±100 μN. The set-up operates in two different measurement modes: in the open-loop mode the mechanical deflection of the proportional lever is an indication of the acting force, whereas in the closed-loop mode it is the applied electric current to the coil inside the EMFC balance that compensates deflection of the lever to the offset zero position. The estimated loading frequency (cutoff frequency) of the set-up in the open-loop mode is about 0.18 Hz, in the closed-loop mode it is 0.7 Hz. One of the practical applications that the set-up is suitable for is the flow rate measurements of low electrically conducting electrolytes by applying the contactless technique of Lorentz force velocimetry. Based on a previously developed set-up which uses a single EMFC balance, experimental, theoretical and numerical analyses of the thermo-mechanical properties of the supporting structure are presented.

CALIBRATION OF A NOVEL SIX-DEGREE-OF-FREEDOM FORCE/TORQUE MEASUREMENT SYSTEM

Multi-component force/torque transducers are used in a large field of scientific and industrial applications like robotics, biomechanics and even fluid mechanics. These sensors need to be calibrated for traceable measurements. As the calibration procedure determines the measurement uncertainty, it plays an important role in sensor development for reaching the required measurement specifications. For the application in local Lorentz Force Velocimetry (Ref. 1) a six degree of freedom force/torque sensor for measurement ranges of ± 0.2 N and ± 5 mNm was developed. This sensor can also be adapted to other applications that require multi-dimensional force/torque feedback in the μN- and μNm-range such as tactile dimensional measurements and micro-manipulation. This paper discusses the calibration and the evaluation of the properties of the calibration device and the calibration procedure of the sensor system. After a brief introduction of the sensor design and its working principle the calibration setup is described and the uncertainty contributions to the forces and torques are calculated. Then the calibration procedure is presented and the resulting output signals of the sensor are depicted. As a result of the calibration, the calibration matrix is given with a discussion of its major components.

Calibration and uncertainty analysis for multicomponent force/torque measurements

Abstract Many applications in research and industry require accurate measurements of force and torque vectors G. Schicker, R. Wegener. Drehmoment richtig messen. Hottinger-Baldwin-Messtechnik, 2002; R. Schwartz. Teil B: Sensoren, Kraft, Masse, Drehmoment. In H.-J. Gevatter and U. Grünhaupt, editors, Handbuch der Mess- und Automatisierungstechnik in der Produktion, VDI-Buch, pages 55–92. Springer, Dordrecht, 2006. as well as their time dependency. This measurement task can be solved by using multicomponent sensors. Despite of their wide distribution there is a lack of official guides for their calibration D. Schwind and H. Raabe. A new Calibration Procedure for Multicomponent transducers. XX IMEKO World Congress, Metrology for Green Growth, Busan, Republic of Korea, September 9–12, 2012. and methods for evaluation of measurement uncertainty. In many applications statically calibrated mulicomponent sensors are used for measurement of dynamic quantities Y.-K. Park, R. Kumme, and D.-I. Kang. Dynamic investigation of a binocular six-component force-moment sensor. Measurement Science and Technology, 13(8):1311–1318, 2002. which causes severe deviations in measurement when the quantity to be measured has a frequency near or above resonance frequency of the transducer. This paper describes the static calibration and a method for uncertainty analysis using the example of a six-component sensor for force and torque. Subsequently the dynamic calibration of such a sensor is discussed. Based on the results of the dynamic calibration an approach for evaluation of dynamic measurement uncertainty is applied.

Multi-component force measurement in micromachining

Abstract An experimental setup for performing micro-scratching tasks and measuring the forces involved in the process is presented in this paper. The main component of the system is a multi-component force and torque sensor based on the principle of electromagnetic force compensation (EMFC). With this device it is possible to perform the micromachining process itself while simultaneously measuring the interaction forces between the tool tip and the test specimen. Experiments were performed with specimens of polished steel, silicon and glass. Planar micro-structures could be produced and tool point interaction forces in the order of some millinewtons were measured during the process.

Dynamische Kalibrierung eines Mehrkomponentensensors für Kraft und Drehmoment

Zusammenfassung Mehrkomponenten Kraft-/Drehmomentsensoren werden in Anwendungen eingesetzt, in denen die Richtung der Kraft- und Drehmomentvektoren sowie deren Betrag nicht bekannt oder zeitlich veränderlich ist. Beispiele hierfür sind in der Robotik, der Strömungsmessung leitfähiger Fluide nach dem Prinzip der Lorentzkraftanemometrie oder in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung zu finden. Entgegen den Anforderungen der Messung findet oft nur eine statische Kalibrierung dieser Sensoren statt, was zu Abweichungen führt, wenn Messgrößen in der Nähe der Resonanzfrequenz des Sensors und darüber erfasst werden sollen. Anhand einer dynamischen Kalibrierung erhält man den Frequenzgang der Sensormechanik, welcher die Grundlage für das Design eines geeigneten Filters zur Kompensation dynamischer Messabweichungen liefert. Im Folgenden werden die dynamischen Eigenschaften eines Mehrkomponenten Kraft-/Drehmomentsensors untersucht indem verschiedene Testsignale mit Hilfe eines Tauchspulaktors eingeleitet werden. Die Messergebnisse werden mit numerischen Berechnungen und statischen Kalibrierwerten verglichen. Für die Kompensation des dynamischen Verhaltens wird ein inverses Filter bestimmt, welches auch als dynamische Kalibrierfunktion angesehen werden kann.

Dynamische Charakterisierung eines Dreikomponenten Kraftsensors mit Hilfe eines Lorentzkraft-Lastwechslers

Zusammenfassung Kraftsensoren basierend auf Dehnungsmesstreifen werden häufig in statischen oder quasistatische Messaufgaben verwendet. Hierfür sind statisch kalibrierte Aufnehmer gut geeignet. Bei dynamischen Messungen treten ab der ersten Resonanzfrequenz des mechanischen Systems eine starke Messabweichungen auf. Dieser Artikel beschreibt daher die dynamische Charakterisierung eines Mehrkomponenten Kraftsensors, welcher für Messungen in der Lorentzkraft-Wirbelstromprüfung, einem neuartigen Verfahren der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, eingesetzt wird. Dieses Verfahren basiert auf einer dynamischen Kraftmessung. Für die dynamische Kalibrierung wird ein System vorgestellt, welches die Nutzung verschiedener Testsignale zur Bestimmung der Systemparameter des Kraftsensors ermöglicht. Für verschiedene Testsignale werden Messergebnisse gezeigt und die Hauptursachen für Messabweichungen diskutiert. Basierend auf einer Parameterschätzung kann eine Entfaltung der Sensorcharakteristik anhand eines inversen Filters [1]aus den Messsignalen erfolgen.

Mehrkomponenten-Kraft- und -Drehmomentsensor nach dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation

Zusammenfassung In vielen Anwendungen wie beispielsweise der Strömungsmesstechnik, in der Robotik oder der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung werden hochauflösende Mehrkomponentenmessysteme für Kraft und Drehmoment benötigt. Eine Vielzahl der in der Literatur vorgestellten Sensoren basiert auf Messungen der Verformung oder davon abgeleiteter Größen wie Spannung oder Dehnung. Diese Größen können mit verschiedenen Wandlern in elektrische Signale überführt werden. Im Folgenden wird ein neuartiger Sechsachs-Kraft-/Momentensensor vorgestellt, welcher auf dem Prinzip der elektromagnetischen Kompensation von Kraft und Drehmoment beruht. Das dargestellte System ist für ± 7 N und ± 0.35 N m ausgelegt, wobei das Messprinzip auch auf andere Messbereiche übertragbar ist. Durch das hier vorgestellte Messprinzip, welches ohne mechanische Deformationselemente auskommt, können gleichzeitig eine hohe Messauflösung und eine hohe Überlastsicherheit gewährleistet werden. Zusätzlich werden die Kräfte und Drehmomente ohne Verschiebungen und Verdrehungen der Krafteinleitungsstelle gemessen, was in vielen Anwendungen vorteilhaft ist. Nach einer Einführung in das Funktionsprinzip werden die Komponenten des Systems vorgestellt und deren messtechnische Parameter anhand von Messergebnissen diskutiert. Des Weiteren wird die Anwendbarkeit des Systems für statische und dynamische Messaufgaben untersucht.