Ratgeber
Kraftmessdosen sind Kraftaufnehmer, die zur Messung von Zugkraft, Druckkraft und Gewichtskraft zum Einsatz kommen. Sie werden vielfältig in den Bereichen Industrie, Automation und Produktion genutzt und beispielsweise in Prüfsystemen zur Überwachung von Fertigungsprozessen verwendet. Wie Kraftmessdosen aufgebaut sind, wie sie funktionieren und worauf bei der Auswahl zu achten ist, erfahren Sie in unserem Ratgeber.
Kraftmessdosen gehören zu den Kraftaufnehmern. Sie werden zur Messung statischer und dynamischer Zug- und Druckkräfte sowie zur Bestimmung von Lasten (Gewicht) und Drehmomenten eingesetzt. Kraftmessdosen fungieren als Kraftsensoren und werden unter anderem in Wägevorrichtungen verbaut, vorrangig in solchen, die in der Industrie und im Produktionswesen zum Einsatz kommen. Des Weiteren sind sie Bestandteil von Materialprüfmaschinen, Prüfständen, Überlastsicherungen und Prozesssteuerungen.
Als Kraftmessdosen werden zwar verschiedenartige Ausführungen von Kraftaufnehmern bezeichnet, häufig referiert der Begriff jedoch auf solche, die zylindrisch gebaut sind und daher entfernt an Dosen erinnern. Ausstattung und Aufbau von Kraftmessdosen variieren jedoch abhängig davon, welche Arten von Kräften sie konkret messen. Kraftmessdosen zur Bestimmung der Druckkraft gibt es beispielsweise in zwei Bauweisen. So haben manche Modelle einen Lastknopf in der Mitte, um die Kraft einzuleiten, andere eine Durchgangsbohrung. Kraftmessdosen mit Durchgangsbohrung werden wegen ihrer ringförmigen Gestalt auch als Ringkraftaufnehmer oder Kraftmessringe bezeichnet. Aufgrund ihrer extrem robusten Beschaffenheit eignen sie sich besonders gut für die Messung von hohen statischen Kräften und Spannkräften.
Kraftmessdosen für die Messung von Zugkraft haben eine andere Geometrie. Sie haben entweder ein Innen- oder Außengewinde, über das die Kraft eingeleitet wird, oder sind als S-Form-Kraftmessdosen realisiert. Letztere bieten dank ihrer Zylinderform eine größere Auflagefläche als klassische S-förmige Kraftsensoren. Darüber hinaus gibt es kombinierte Zug- und Druck-Kraftmessdosen, bei denen die Kraft bidirektional, also in Druckrichtung und in Zugrichtung, wirken kann.
Wie alle Kraftaufnehmer sind Kraftmessdosen in der Lage, eine mechanische Eingangslast, also eine Druckkraft, eine Zugkraft oder eine Gewichtkraft, in ein elektrisches Ausgangssignal umzuwandeln. Auf welche Weise das geschieht, hängt vom zugrundeliegenden Funktionsprinzip ab. In dem Zusammenhang werden DMS-Kraftmessdosen (DMS = Dehnungsmessstreifen), piezoelektrische und hydraulische Kraftmessdosen unterschieden.
Kraftmessdosen auf Basis von DMS-Technologie sind mit einem elastischen Federkörper ausgestattet, der sich bei Kraftaufnahme verformt. Auf dem Federkörper befinden sich Dehnungsmessstreifen, auf die sich die Bewegung überträgt. Dehnungsmessstreifen sind elektrische Messelemente, die aus leitfähigen Drähten bestehen. Die Drähte sind in vielen Fällen gitterförmig auf einer Folie aufgebracht und fest mit dem Federkörper verklebt. Sie ändern ihren elektrischen Widerstand schon bei geringster elastischer Verformung. Dabei entsteht ein elektrisches Ausgangssignal, das sich proportional zur einwirkenden Kraft verhält. Dadurch ist es möglich, den Kraftwert exakt zu berechnen. Kraftaufnehmer, die mit Dehnungsmessstreifen arbeiten, eignen sich sehr gut für die Messung statischer Kräfte und aufgrund ihrer hohen Präzision für sehr kleine Messwerte.
Piezoelektrische Kraftmessdosen sind dagegen die richtige Wahl für die Messung von dynamischen Zug- und Druckkräften. Sie bestehen aus zwei Kristallscheiben (meist Quarz), zwischen denen sich eine Elektrodenfolie befindet. Bei einwirkender Kraft kommt es zu einer Deformation der Kristallgitter. Die Folge ist eine Verschiebung der Ladungsschwerpunkte, fachsprachlich Polarisation genannt. Die Polarisation bewirkt eine Ladungsverschiebung im Kristallgitter. Die resultierende Spannung verhält sich proportional zur angelegten Kraft. Sie wird von der Elektrodenfolie aufgenommen und weitergeleitet. Piezoelektrische Kraftaufnehmer arbeiten im Gegensatz zu DMS-Kraftaufnehmern nicht driftfrei, das heißt, es kommt mit der Zeit zu Messungenauigkeiten. Aus diesem Grund sind sie weniger gut für Messungen kleiner Kräfte über einen längeren Zeitraum geeignet. Dauermessungen größerer Kräfte sind jedoch problemlos möglich. Piezoelektrische Kraftmessdosen sind außerdem hoch belastbar und können extrem kompakt gebaut werden, wodurch sie sich sehr gut in vorhandene Strukturen integrieren lassen.
Hydraulische Kraftmessdosen nutzen das Prinzip der hydraulischen Kraftübertragung und werden insbesondere zur Bestimmung von Druckkraft verwendet. Im Zylinder befinden sich ein Kolben und eine Hydraulikflüssigkeit. Wird eine Kraft eingeleitet, gerät der Kolben in Bewegung und verdrängt die Flüssigkeit, die sich daraufhin komprimiert. Das geht mit einer Druckänderung einher. Abhängig davon, ob mehr oder weniger Kraft einwirkt, steigt oder fällt der Druck innerhalb des Zylinders. Der Druck kann ohne Hilfsenergie gemessen und in Newton oder Kilonewton angegeben werden. Zu diesem Zweck sind hydraulische Kraftmessdosen mit einer eigenen Skalenanzeige ausgestattet oder mit einem externen Manometer kombinierbar. Hydraulische Kraftmesser eignen sich wie DMS-Sensoren besonders gut zur Messung statischer Kräfte.
Bei der Auswahl von Kraftmessdosen ist zunächst zu definieren, welche Art von Kraft gemessen werden soll. Davon hängt ab, welche Bauweise sich für die Messaufgabe am besten eignet. Des Weiteren ist wichtig zu wissen, wie hoch die Maximalkräfte perspektivisch sein werden. Geht es beispielsweise um die Messung des Gewichts, ist die maximale Nennlast entscheidend. Die maximale Nennlast entspricht dem Gewicht, mit dem die Kraftmessdose zu 100% ausgelastet ist und das sie mit unveränderter Genauigkeit und unter Beibehaltung ihrer Spezifikationen zu messen imstande ist.
Aufschluss über die Genauigkeit eines Kraftaufnehmers gibt die Genauigkeitsklasse. Kraftmessdosen und andere Wägezellen werden im Hinblick auf ihre maximale Abweichung in international gültige Genauigkeitsklassen gemäß OIML R60 eingeteilt. In den Klassifizierungen ist definiert, inwieweit sich der gemessene Wert eines Kraftaufnehmers vom wahren Wert unterscheiden darf. Welcher Grad an Genauigkeit erforderlich ist, hängt von der jeweiligen Anwendung ab. So muss man beispielsweise Sand, Kies, Zement oder andere Baustoffe nicht unbedingt aufs Gramm genau wiegen, beim Abpacken von Lebensmitteln und Dosieren von Medikamenten sieht es allerdings anders aus. Während für Baustoffwaagen also eine niedrigere Genauigkeitsklasse (D1 bis C2) ausreicht, müssen Ladentischwaagen und Dosiersysteme eine deutlich höhere (C3 bis C5), wenn nicht gar die höchste Genauigkeitsklasse (C6) vorweisen können. Kalibrierte Kraftaufnehmer werden auch nach ISO 376 in Genauigkeitsklassen eingeteilt. Hier ist die höchste Klasse 00, gefolgt von Klasse 0,5, Klasse 1 und Klasse 2.
Der Messbereich spielt ebenfalls eine bedeutende Rolle. Da Kraftmessdosen in Industrie und Fertigkeit vielseitig eingesetzt werden, fallen die Messbereiche teils sehr unterschiedlich aus. Zur Orientierung: Hydraulische Kraftmessgeräte können Messbereiche von 0 bis 160 N, aber auch von 0 bis 10.000 kN aufweisen. Generell gilt: Der Messbereich muss immer auf die einwirkenden Kräfte bzw. deren Dimensionen abgestimmt sein. Werden sowohl kleinere als auch größere Kräfte gemessen, muss der Messbereich groß genug sein, um diese abzubilden.
Ebenfalls wichtig ist, dass Kraftmessdosen den jeweiligen Einsatz- und Umgebungsbedingungen standhalten. In dem Zusammenhang ist auf einen geeigneten IP-Schutz zu achten. Gerade im industriellen Kontext, etwa in Produktions- und Fertigungshallen, ist Messtechnik verstärkt Staub, Schmutz und Feuchtigkeit ausgesetzt. Ein Staub- und Spritzwasserschutz nach IP68 ist hier mittlerweile Standard.
Für manche Anwendungen mag es ausreichen, wenn der Messwert eines Kraftsensors in Echtzeit auf einer Anzeige dargestellt wird. Es gibt aber Situationen und Aufgabenbereiche, in denen es erforderlich ist, Messwerte zu speichern, um sie weiter zu verarbeiten und beispielsweise als Grundlage für Berechnungen zu nutzen. Einfache mechanische oder hydraulische Kraftmessdosen sind dazu nicht in der Lage. Sie können lediglich den Maximalwert einer Messreihe über den mitbewegten Schleppzeiger anzeigen, allerdings nur so lange, bis dieser genullt wird. Möchte man Messdaten sichern, um sie später auszuwerten, sind elektronische Sensoren vonnöten. Sie leiten die elektrischen Signale an eine Anzeige- und Auswerteeinheit weiter, so dass sie beispielsweise auf einem PC dargestellt und gesichert werden können. Elektronische Sensoren sind jedoch deutlich empfindlicher im Hinblick auf Umgebungstemperatur, Luftfeuchtigkeit und elektromagnetische Felder. Mechanische und hydraulische Kraftaufnehmer sind daher die bessere Wahl unter raueren Einsatzbedingungen.
Wie kann ich den Einfluss der Drift bei piezoelektrischen Kraftaufnehmern reduzieren?
Als Drift bezeichnet man eine mit der Zeit aufkommende Messungenauigkeit, die bei piezoelektrischen Kraftaufnehmern durch Ladungsverluste entsteht. Die Verluste sind zwar geringfügig und der Einfluss der Drift sehr klein, werden aber kleine Kräfte über längere Zeiträume gemessen, summieren sich die Drifteffekte und beeinträchtigen die Messergebnisse dann doch. Durch Nullsetzen in regelmäßigen Abständen oder den Einsatz von Hochpassfiltern kann man dem entgegenwirken.
Sind Taralasten im Hinblick auf die Nennkraft mitzuberücksichtigen?
Ja. Taralasten, also beispielsweise Gewichte von Anbauteilen, die nach dem Messaufbau genullt werden, müssen berücksichtigt und eingerechnet werden, da sie einen Teil der Nennkraft verbrauchen.
Was ist der Unterschied zwischen Nennkraft, Gebrauchskraft und Grenzkraft?
Die Nennkraft gibt die maximal zulässige Kraft an, bis zu der ein Kraftaufnehmer gemäß seiner Spezifikationen funktioniert. Die Gebrauchskraft bezieht sich auf die Kraft, mit der ein Kraftaufnehmer wenige Male belastet werden darf, ohne Schaden zu nehmen. Das kann beispielsweise nötig sein, wenn zum Zweck der Montage Gewinde vorgespannt werden müssen. Die Grenzkraft ist die Kraft, bei deren Überschreiten ein Kraftaufnehmer mit Sicherheit beschädigt wird und nicht mehr funktionstüchtig ist.