Hochgenau ist hocheffizient: Warum besonders genaue Kraftaufnehmer neue Anwendungsgebiete ermöglichen

Der Einsatz hochgenauer Aufnehmer ermöglicht komplett neue Anwendungen in der Kraftmesstechnik. Denn mit Produkten wie z. B. S9M von HBM lassen sich Messketten für sehr hohe Überlasten auslegen, ohne dass die Aussagekraft der Messergebnisse leidet. Ein weiterer Vorteil: Der Kraftaufnehmer kann für viele verschiedene Messaufgaben flexibel eingesetzt werden. Dies zeigt: Hochgenaue Kraftaufnehmer sind nicht nur technologische Meisterwerke, sondern bieten auch handfeste wirtschaftliche Vorteile. Dies wird deutlich, wenn man mögliche Fehlerquellen bei der Kraftmessung genauer betrachtet.

Vorteile beim Einsatz hochgenauer Kraftaufnehmer

Moderne Kraftaufnehmer wie S9M von HBM erreichen höchste Genauigkeiten. Linearitätsfehler, relative Umkehrspanne und Temperatureinflüsse sind kleiner als 0,02 % relativ zum Endwert. Solche Werte machen den Einsatz von Aufnehmern auch bei der Messung kleinerer Kräfte attraktiv:

  • Die Messkette kann für hohe Überlasten ausgelegt werden, z. B. um eine Beschädigung der Kraftaufnehmer zu vermeiden. Selbst wenn der Kraftaufnehmer S9M nur bei 20 % der Nennkraft eingesetzt wird, ist die erreichbare Genauigkeit unter fast allen Umständen hoch genug, um noch aussagekräftige Ergebnisse zu liefern. Sie können mit einer Genauigkeitsklasse von 0,1 % relativ zum fiktiven Endwert rechnen.
  • Aus dem obigen Gedankengang lässt sich das Anwendungsspektrum erweitern: Es ist möglich, ohne den Wechsel des Sensors verschiedene Messaufgaben zu bewältigen, wodurch sich Zeit und Aufwand reduzieren lassen. Schließlich sind Sie in der Lage, einen weiten Kraftbereich von kleinen Teilen der Nennkraft bis zur Nennkraft mit nur einem Aufnehmer abzudecken.

Mögliche Fehlerquellen

Warum ist dies der Fall? Um dies zu verstehen, ist ein Blick auf die möglichen Fehlerquellen bei der Kraftmessung wichtig. Bei Kraftaufnehmern auf Basis von Dehnungsmessstreifen, wie es bei S9M der Fall ist, unterscheidet man zwei mögliche Fehlergruppen:

  • Lastunabhängige Fehler: Fehler, die unabhängig von der anliegenden Kraft ein bestimmtes Ausgangssignal erzeugen
  • Istwertbezogene Fehler: Fehler, deren Größe zu der im Moment der Betrachtung anliegenden Kraft proportional sind.

Der Temperatureinfluss auf den Nullpunkt ist ein Beispiel für einen lastunabhängigen Fehler: Diese Messungenauigkeit weist einen bestimmten Betrag auf, der unabhängig von der gemessenen Kraft ist. Betrachtet man einen solchen Fehler relativ zum Ausgangsignal, so zeigt sich, dass der Einfluss der Temperatur auf den Nullpunkt (TKNull) immer dann besonders groß ist, wenn nur ein kleiner Teil der Nennkraft genutzt wird. Der Betrag ist immer gleich, jedoch steigt aufgrund des kleinen Nutzsignals in dieser Situation der relative Anteil.

Neben dem TKNull ist auch der Linearitätsfehler auf den Endwert bezogen.

Fehler, die relativ zum Istwert sind (Istwertbezogene Fehler) werden relativ zum aktuell anliegenden Signal berechnet. Hierunter fällt zum Beispiel die Temperaturabhängigkeit des Kennwertes (TKC), das Kriechen oder auch die Toleranz einer eventuell durchgeführten Kalibrierung.

Bei einer Fehlerbetrachtung werden die Einzelfehler geometrisch addiert, d. h. eine signifikante Verbesserung der Messgenauigkeit lässt sich nur erreichen, wenn die größten Einzelfehler verbessert werden. In vielen Fällen sind der TKNull und die Linearität von entscheidender Bedeutung. Da diese Fehler auf den Endwert, d. h. auf das Ausgangssignal bei voller Ausnutzung der Nennkraft bezogen werden, ist eine Verbesserung dieser Paramter besonders effektiv und erlaubt einen Einsatz des Kraftaufnehmers auch im so genannten Teillastbereich, d. h. eine Ausnutzung nur eines Teilbereichs der Nennkraft.

S9M von HBM ermöglicht neue Anwendungen in der Kraftmessung

Kraftaufnehmer S9M
Kraftaufnehmer U10

Der Kraftaufnehmer S9M von HBM bietet einen TKNull und eine Linearität von nur 200 ppm relativ zum Endwert. Wird ein solcher Kraftaufnehmer bei 20% der Nennkraft eingesetzt, so liegt der Fehler, den Linearität bzw. der TKNull relativ zur anliegenden Kraft verursachen, nur bei 0,1%. Dies zeigt: Mit der Wahl von Kraftaufnehmern wie S9M können die Messketten auch für hohe Überlasten ausgelegt werden, ohne größere Nachteile bei der Aussagekraft der Ergebnisse hinnehmen zu müssen.

Bei größeren Nennkräften bieten sich die so genannten Pancakes wie z. B. U10 an, die eine relative Umkehrspanne ab 300ppm relativ zur Nennkraft aufweisen, und wegen ihrer außerordentlich günstigen DMS-Anordnung einen TKNull von nur 150 ppm/10K zeigen.

Abbildung 1 zeigt ein weiteres Argument für eine präzise Kraftmessung: Auf der X-Achse ist eine zu messende Kraft aufgetragen, die zu einer Qualitätskontrolle dienen mag. Auf der Y-Achse wird die Anzahl der produzierten Bauteile gezeigt. Die Streuung der produzierten Teile verteilt sich nach den Gesetzmäßigkeiten der Gaußschen Glockenkurve. Auf den Diagrammen sind jeweils grüne Linien eingetragen, die die erlaubten Toleranzen zeigen, rechts und links dieser Grenzen in Rot ist die Messunsicherheit der Kraftmesskette abzulesen.

Zur Beurteilung des Prozesses ist es erforderlich, die Messgenauigkeit des Aufnehmers abzuschätzen. Um eine Gut-/ Schlecht-Beurteilung durchzuführen, dürfen nur die Bauteile als o.k. gewertet werden, die innerhalb des Sollbereiches abzüglich der Messtoleranz liegen (in den Diagrammen durch die blau schraffierte Linie symbolisiert).

Es lässt sich leicht erkennen, dass die Anzahl der tolerierbaren Teile ansteigt, wenn auch die Messgenauigkeit steigt. Anders ausgedrückt ist die Anzahl der zu verwerfenden Teile auch von der Messgenauigkeit der Kraftmesskette abhängig.

Moderne Kraftaufnehmer wie S9M oder U10M von HBM erreichen vor allem bei den endwertbezogenen Einflussgrößen auf die Messunsicherheit hohe Genauigkeiten, weit über den Klassenstandard hinaus. Neben der Möglichkeit, eine Messkette durch Betrieb im Teillastbereich einzusetzen und dadurch die Toleranz gegen Überlasten wesentlich zu erhöhen. Hierdurch kann eine verbesserte Zuverlässigkeit erreicht werden. Vor allem der minimale Einfluss der Temperatur auf den Nullpunkt erlaubt es, ein und denselben Sensor für verschiedenen Messbereiche zu verwenden oder mit der hohen Präzision den Anteil der Gutteile zu erhöhen.

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