Signalleitungen, die zum Anschluss von Sensoren auf DMS-Basis an ein Verstärkermodul verwendet werden, müssen viele verschiedene Anforderungen erfüllen. Der Erfolg einer Messung hängt, ebenso wie die Zuverlässigkeit kraftgesteuerter Maschinen, auch von der Wahl des passenden Kabels ab. Es lohnt sich daher, sich bei der Planung eines Messaufbaus nicht nur mit der Auswahl der Messdose sondern auch mit der Wahl des Kabels auseinanderzusetzen – auch wenn dieses Thema, verglichen mit der Bestimmung der Messunsicherheit oder der Auswahl der richtigen Schnittstellen, auf den ersten Blick weniger interessant erscheinen mag.
Anschlusskabel für DMS-Sensoren – Was ist zu beachten?
Was unterscheidet Messleitungen von normalen Kabeln?
Um diese Frage zu beantworten, betrachten wir zunächst einmal, in welchen Größenordnungen die Ausgangsspannung von DMS-Sensoren liegt.
Das Ausgangssignal eines DMS-Sensors wird in mV/V angegeben. HBK führt Kraftmessdosen, die bei Belastung mit ihrer Nennkraft, je nach konstruktiver Auslegung, zwischen 0,5 mV/V und mehr als 4 mV/V Ausgangssignal liefern.
Beispiel U10F/250KN: Der Sensor gibt bei 250 000 N Krafteinwirkung ein Ausgangssignal von 2 mV/V aus. Üblich ist, dass Kraftmessdosen mit einer Speisespannung von 5 V versorgt werden. D.h., bei Nennkraft steht eine Ausgangsspannung von 10 mV zur Verfügung, die moderne Verstärker ohne weiteres in mehr als 500.000 Ziffernschritte auflösen. Ein Ziffernschritt entspricht dann einer Spannungsänderung von 0,02 µV oder 0,5 N. Es gilt, diese Änderung verlust- und störungsfrei vom Sensor an den Messverstärker zu übertragen. Signalleitungen müssen deshalb folgende Anforderungen erfüllen:
- Flächige Schirmung, um Sicherheit auch in kritischem EMV-Umfeld zu garantieren
- Geringe Kapazitäten und niedrige Leitungswiderstände. Andernfalls entsteht ein RC-Glied im Kabel, das bei schnellen Messungen Phasenverschiebungen und Amplitudenfehler erzeugen und daher wie ein ungewollter Filter wirken kann.
- Kapazitive Symmetrie der Adern zueinander (gleiche Kapazitäten der einzelnen Aderpaare zueinander), um unerwünschte Einflüsse bei der Nutzung von Trägerfrequenzmessverstärkern zu vermeiden
- Hohe geometrische Symmetrie zur Kompensation elektromagnetischer und kapazitiver Einflüsse
DMS-Signalleitungen bestehen aus vier (oder sechs) separaten Kabeladern in jeder Signalleitung (siehe Abbildungen). Zwischen den Kabeladern entsteht eine Kapazität, die von der Konstruktion und der Länge des Kabels abhängt. Ideal ist es, wenn alle Kapazitäten gleich und möglichst niedrig sind. Die dargestellten Aderfarben entsprechen dem HBK-Standard. Blau und Schwarz versorgen die DMS-Schaltung mit der Speisespannung, an Rot und Weiß liegt das Messsignal an, das verstärkt und ausgewertet wird.
Es ist also grundsätzlich empfehlenswert, Kabel zu verwenden, die für DMS-Messungen ausgelegt sind, um alle oben angesprochenen Anforderungen zu erfüllen.
Warum gibt es verschiedene Kabeltypen?
Die oben genannten Aspekte decken nur einen Teil der Anforderungen an Signalleitungen ab – die rein messtechnischen Voraussetzungen.
In der Praxis wünscht man sich zahlreiche zusätzliche Features wie beispielsweise Tauglichkeit für die Schleppkette, höhere Temperaturfestigkeit oder eine besonders hohe Genauigkeit der Messung. Kein Kabel kann alle Anforderungen gleichzeitig erfüllen.
HBK bietet im Standardzubehörprogramm für Kraftaufnehmer deshalb drei Kabeltypen an, mit denen sich verschiedene Anforderungen besonders gut abdecken lassen.
Das weniger als 4 mm dicke Kabel des Typs 131 eignet sich sehr gut, wenn es mechanisch rau zugeht, also auch für Schleppketten. Sein geringer Durchmesser ist aus mechanischer Sicht von großem Vorteil, führt jedoch zu höheren Kapazitäten und Leitungswiderständen. Daher ist dieses Kabel für hohe Trägerfrequenzen (4,8 kHz) in Kombination mit großen Leitungslängen nicht zu empfehlen. Auch der Einsatz bei sehr schnellen Messungen ist nur zu empfehlen, wenn das Kabel kurz ist (weniger als 10 m).
Kabel des Typs 131 werden auch gerne genutzt, wenn es darauf ankommt, einen möglichst kleinen Kraftnebenschluss zu gewährleisten.
Das Kabel vom Typ 139B weist einen Außendurchmesser von 7,5 mm auf. Neben der Schirmung, die die Adern aller Messleitungen umhüllt, sind hier auch jeweils die Einzelpaare geschirmt, d.h. die beiden Leitungen, die den Ausgang der Kraftmessdose mit dem Messverstärker verbinden, sind ebenso geschirmt, wie die beiden Adern, die die Speisespannung und die Rückführleitungen führen. Das sorgt dafür, dass die Ströme der Speiseleitungen keinen Einfluss auf Messsignal oder Fühlerleitungen haben.
Das Kabel ist sehr kapazitätsarm und deshalb auch für hohe Trägerfrequenzen und sehr große Leitungslängen (≥ 100 m) geeignet. Für Hochpräzisionsmessungen im Referenzbereich ist es die erste Wahl. Auf der anderen Seite stehen die hohe Steifigkeit und der große Biegeradius. Für dauerhafte Kabelbewegung oder die Schleppkette ist das Kabel vom Typ 139B folglich nicht geeignet. Dieses Kabel ist das ‘spezialisierte Gegenstück’ zum Kabel des Typs 131.
Detaillierte technische Daten zu unseren Kabeln finden Sie hier. Alle Leitungen können in verschiedenen Längen bestellt werden.
Neben den oben beschriebenen Aspekten ist es wichtig, die Temperaturgrenzen zu beachten. Auch chemische Einflüsse können ein Problem darstellen. Da es unmöglich ist, ein Kabel für alle möglichen Chemikalien zu prüfen, kann unter Umständen nur ein Versuch in der Praxis zum am besten geeigneten Kabel führen.
Die hier behandelten Leitungen sind nicht für eine Verlegung im Erdreich geeignet. Für diese – und auch andere Anwendungen, bei denen sich Fragen ergeben – empfiehlt es sich Kontakt mit den Expert*innen aus dem HBK-Vertrieb aufzunehmen, um eine Lösung zu erarbeiten.
Wenn Sie den Stecker selbst an das Kabel anlöten, ist auf eine flächige Schirmauflage zu achten. Bei HBK wird der Kabelschirm mit dem Gehäuse des Kraftsensors und dem Gehäuse des Verstärkers verbunden. Somit ist die gesamte Messkette in einem Faradayschen Käfig eingeschlossen. HBK-Kraftmessketten erreichen dadurch eine sehr hohe Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen. Die Prüfung im EMV-Labor und die Prüfung gemäß des IEC-Standards ist Teil der Typprüfung der HBK-Kraftsensoren.
Wenn nun die Kraftmessdose auf einem anderen elektrischen Potential liegt als der Verstärker, so können Ausgleichsströme über den Kabelschirm fließen, die die Messung erheblich stören können. Verstärkergehäuse und Messdose müssen also niederohmig kurzgeschlossen werden.
Sind in Ihrer Anwendung sehr große Kabellängen gefordert, empfehlen wir die Verwendung von Verlängerungen – insbesondere beim Einsatz von Kraftaufnehmern mit fest angeschlossenem Kabel. Hierzu stehen unsere Leitungen auch als Meterware zur Verfügung, was für Prüfstände, die von Zeit zu Zeit umgebaut werden, hilfreich sein kann.