Vor- und Nachteile von indirekten Kraftmessungen

Dehnungssensoren werden im Kraftnebenfluss installiert und nehmen die Dehnung mittelbar über Konstruktion aus

Strain sensor with M12 plug and cable outlet

Für die Messungen von kleinsten Dehnungen eignen sich Dehnungssensoren besonders gut. Die Sensoren nehmen Dehnungen im Kraftnebenschluss von starren Konstruktionen auf. Sie bestehen aus einem Stahlträger mit einer dünnen Membrane, auf welchen Dehnmessstreifen aufgeklebt sind. Werden die Dehnungsaufnehmer kraftschlüssig mit dem Rahmen oder einer tragenden Konstruktion verschraubt, übertragen sich die Dehnungen auf den Dehnungsaufnehmer. Über die aufgeklebten Dehnmessstreifen, welche in einer Brückenschaltung installiert sind, können die Dehnungen mit einer hohen Linearität in ein elektrisches 0-10 V, oder 4-20 mA Signal umgewandelt werden.

Kleinste Dehnungen können so direkt in die Prozesskraft umskaliert werden.

Wo werden Dehnungsaufnehmer angewendet ?

  • Überwachung und Steuerung von Kräften

  • Überwachung und Bestimmung von Gewichten

  • Analyse von mechanischen Belastungen in Bauteilen und Maschinen

Dehnungsaufnehmer eignen sich nicht nur für die eigentliche Ermittlung von mechanischen Belastungen, vielmehr sind sie in der Lage über das Messen von Spannungen und Verformungen in Maschinenbauteilen und Bauwerken die auftretenden Kräfte und Gewichte zu bestimmen.

Über die gemessenen Dehnungen lassen sich somit Kräfte und Lasten zuverlässig messen. Im Vergleich zur direkten Last- und Kraftmessung eignen sich Dehnungsaufnehmer ideal wenn eine direkte Kraftmessung über Kraftsensoren aus baulichen Gründen nicht möglich ist oder wenn eine bestehende Anlage nachgerüstet werden soll.

Für folgende Anwendungen eignen sich Dehnungssensoren besonders :

  • KRAFTMESSUNG ÜBER DEHNUNGEN IM RAHMEN VON MASCHINEN UND VORRICHTUNGEN

    Für eine effektive Steuerung von Prozessparameter

  • Grenzüberwachungen und Monitoring

    Für die Vermeidung von mechanischen Belastungen und Überlastungen

  • ÜBERWACHUNG UND DOKUMENTATION VON PROZESSKRÄFTEN

    Für eine erhöhte Prozesssicherheit

Wie sind Dehnungsaufnehmer aufgebaut ?

Dehnungsaufnehmer bestehen aus einem Stahlkörper, welche die Dehnung zwischen den Aufschraubflächen konzentrieren. An dieser Messstelle werden resistive Dehnmessstreifen verklebt, welche die Dehnungen über eine Brückenschaltung in ein elektrisches Signal umwandeln. Je nach Ausführung wird das Signal mittels einem integrierten Brückenverstärker als Spannungs- oder Stromausgangssignal verstärkt um als gängiges Industrie-Einheitssignal von mV/V, 0-10 V oder 4-20 mA auf ein Anzeigegerät oder eine Steuerung übergeben zu werden.

Aufgrund dem robusten Stahlgehäuse und der vergossenen Elektronik sind die Dehnungsaufnehmer auch in rauen Umgebungsbedingungen zuverlässig einsetzbar.

Wie werden Dehnungsaufnehmer eingesetzt ?

Dehnungsaufnehmer werden im Maschinenbau in der Regel im Kraftnebenfluss montiert. Am Beispiel einer Presse bedeutet dies, dass die Kraft nicht im direkten Kraftfluss der Presse selbst, sondern über die winzigen Strukturverformungen am Rahmen der Presse bestimmt wird. Aufgrund der indirekten Kraftmessung muss somit immer eine Kalibrierung der Kraft in der Anwendung erfolgen. Dies bedeutet, dass sowohl der Anfangs- als auch der Endpunkt dem Dehnungsaufnehmer eingelernt werden muss, damit die Messwerte in die entsprechende Einheit umgerechnet werden können.

Im Vergleich zur direkten Kraftmessung im Kraftfluss wird der platzsparende Aufbau ausserhalb des Arbeitsraumes am Rahmen der Presse ersichtlich.

Die folgende Abbildung veranschaulicht die Installation eines Dehnungsaufnehmers zur Messung der Kräfte an einer Presse:

Wie werden Dehnungaufnehmer montiert ?

Dehnungsaufnehmer werden für einen dauerhaften Betrieb fest auf der Messstelle verschraubt.

Dadurch entsteht eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Dehnungsaufnehmer und dem zu messenden Maschinenbauteil. Mittels dieser kraftschlüssigen Verbindung wird die Dehnung welche das Maschinenbauteil erfährt direkt auf den Dehnungssensor übertragen und kann so zuverlässig gemessen werden.

Im Grunde genommen arbeitet ein Dehnungsaufnehmer wie Dehnmessstreifen, welche auf das zu messende Bauteil appliziert werden. Im Vergleich zu verklebten Dehnmessstreifen sind Dehnungsaufnehmer aufgrund Ihrer Bauweise jedoch deutlich robuster und mit Ihrem standardisiertem Spannungs- oder Stromausgangssignal einfach an bestehende Steuerungen anschliessbar. Durch die einfache Verschraubung entfällt für den Anwender zudem das mühsame und fehlerbehaftete Applizieren der Dehnmessstreifen.

Für die Montage sind lediglich die Bohrungen für das Verschrauben der Dehnungsaufnehmer vorzubereiten. Hierbei stehen Varianten mit vier M6-Schrauben und zwei M8-Schrauben zur Verfügung welche passend zu den Platzverhältnissen gewählt werden können.

Welche Auswahlkriterien sind entscheidend ?

  • Messbereich

    Die Messung der Kräfte erfolgt über die Ausdehnung, bzw. der relativen Längenänderung der Trägerstruktur. Da diese Längenänderung sehr klein ist wird diese in Mikrometer pro Meter angegeben. Typische Dehnungsaufnehmer messen zwischen einem Bereich von 250 – 500 µm/m. Unsere sehr empfindlichen Dehnungsaufnehmer, messen bereits kleinste Messbereiche von bis zu 50 µm/m mit einer Auflösung von weniger als 0.1 µm/m.

  • STATISCHE UND ZYKLISCHE MESSUNGEN

    Eine wichtige Unterscheidung gilt es zwischen statischen und zyklischen Messungen vorzunehmen.

    Statische Messungen finden sich beispielsweise bei der Überwachung von Bauwerken oder bei der Gewichtsmessung bei Silos vor, wo die Ausdehnung im Trägermaterial über die Zeit gesehen nur sehr langsam von statten gehen. Hierbei ist es wichtig Dehnungen zu berücksichtigen, welche nicht durch die Beanspruchung selbst, sondern durch externe Einflussfaktoren auftreten. Dies kann zum Beispiel die Ausdehnung aufgrund sich ändernder Temperaturen sein, welche das Ausgangssignal verfälschen würden. Abhilfe würde dabei eine Temperaturkompensation durch eine geeignete Platzierung oder mittels der Verrechnung der Signale von mehreren Dehnungsaufnehmen bringen.

    Unter anderem aus diesem Grund werden bei der Gewichtsbestimmung von Silos in der Regel jeweils zwei Dehnungsaufnehmer in einem 90° Winkel zueinander platziert. Dies ermöglicht die Messung der temperaturbedingten Dehnungen in Querrichtung zum eigentlichen Kraftfluss. Alternativ kann jedoch auch durch die Abstimmung des Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Brückenschaltung und dem Trägermaterial bereits für eine ausreichende, passive Kompensation gesorgt werden.

    Zyklische Anwendungen beschreiben wiederkehrende, schnelle Zyklen.

    Bei zyklischen Applikationen ist es wichtig dass in regelmässigen Abständen der Nullpunkt tariert wird um ein Driften des Messsignals auszuschliessen. Dieser Nullpunktabgleich wird in der Regel von Extern über einen Teach-In Mechanismus durch die Steuerung ausgelöst. Hierzu haben die Sensoren einen sogenannten Reset-Eingang, welche im unbelasteten Zustand der Maschine durch die Steuerung angesteuert wird. Beim Auslösen führt der Dehnungsaufnehmer einen Nullpunktabgleich durch, sodass Nullpunkt-Drifts zuverlässig wegtariert werden können. Für Anwendungen mit sehr schnellen Lastwechseln innerhalb Zykluszeiten von bis zu 220 ms (z.B. Exzenterpresse) bietet wirs zudem eine interne Kompensationsmöglichkeit an, welche auf Basis von einer Integralfunktion automatisch die Nullpunktkorrektur ohne separate Auslösung durch die Steuerung vornimmt.

  • Ausgangssignal

    Bei Dehnungsaufnehmer stehen analog zur Kraftsensorik grob gesagt zwei klassische Arten von Ausgangssignale zur Verfügung. Das unverstärkte mV/V-Signal der Brückenschaltung und die verstärkten Industrie-Einheitssignale.

    Bei unverstärkten mV/V-Signalen besteht die Möglichkeit mehrere Sensoren parallel schalten zu können, bevor das Signal verstärkt wird. So kann eine Messkette mit mehreren Sensoren und nur einem Verstärker ausgelegt werden.Das Signal ist jedoch empfindlicher im Vergleich zu Sensoren mit integrierten Messverstärker.

    Dehnungssensoren mit Verstärker liefern ein robustes Signal in 0-10 V oder 4-20 mA. Die Funktionalität kann von jedem Sensor einzeln überwacht werden und direkt an den Steuerungseingang angeschlossen werden mit dem verstärkten Signal.

  • Platzierung

    Die Platzierung des Dehnungsaufnehmers muss möglichst so erfolgen, sodass die Dehnung im indirekten Kraftfluss zum einem linear zur Kraft ist, sowie möglichst gross sein soll um gut detektiert werden zu können.

    Je nach Platzverhältnisse stehen für die Dehnungsaufnehmer verschiedene Bauformen mit verschiedenen Grössen bereit. Selbst bei sehr engen Platzverhältnissen ist die Montage meist möglich.

  • Genauigkeit

    Die Linearität und Hysterese spezifiziert die Messabweichung im Vergleich zur idealen Kennlinie. Diese maximale Messabweichung wird in der Regel auf den Endwert bezogen angegeben. D.h. zum Beispiel eine Ungenauigkeit von 0.5 % FS entspricht bei einem Dehnungsaufnehmer mit einem Messbereich von 0…250 µm/m einer maximalen Messabweichung von 1.25 µm/m über den gesamten Messbereich.

    Der Kraftschluss zwischen Dehnungsaufnehmer und dem Maschinenbauteil variiert leicht von Montage zu Montage. Dadurch verschieben sich der Nullpunkt und die Spanne von Einbau zu Einbau. Der Nullpunkt kann mittels dem internen und externen Nullpunktabgleich leicht wegtariert werden. Die Spanne kann durch Anfahren des Endwertes ebenfalls ausgemessen werden.

    Bei nicht-verstärkten Dehnungsaufnehmer mit dem Brückenausgangssignal mV/V muss zudem die Abweichung der Empfindlichkeit beachtet werden, da es sich bei diesem Ausgangssignal nicht um ein normiertes Einheitssignal handelt.

Die wichtigsten Eigenschaften sind :

  • grosser Messbereich für eine Vielfalt an Anforderungen

  • Einfache Anbindung in bestehende Steuerungssysteme durch robutse und gängige Ausgangssignale

  • Starke Performance-Eigenschaften der Geschwindigkeit und Genauigkeit

  • Interner und Externer Reset für Nullpunktabgleiche

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