Warum besonders genaue Kraftaufnehmer neue Anwendungsgebiete ermöglichen

Der Einsatz präziser Aufnehmer ermöglicht komplett neue und erweiterte Anwendungen in der Kraftmesstechnik. Denn mit Produkten wie z. B. dem Druckkraftsensor C10 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. Somit sind hochgenaue Kraftaufnehmer 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 erreichen höchste Genauigkeiten; Temperatureinflüsse auf das Messergebnis sind äußerst klein: Für den sogenannten TKNULL, also den Einfluss der Temperatur auf den Nullpunkt, erreicht die C10 so z.B. maximal 0,075 %/10K. Linearität und Umkehrspanne liegen ebenfalls – abhängig von der gewählten Nennkraft – bei außerordentlich niedrigen Werten.

  • Die Messkette kann für hohe Überlasten ausgelegt werden, z. B., um eine Beschädigung der Kraftaufnehmer zu vermeiden. Selbst wenn der Kraftaufnehmer C10 bei unter 20 % der Nennkraft eingesetzt wird, ist die erreichbare Genauigkeit unter fast allen Umständen gut genug, um aussagekräftige Ergebnisse zu liefern.
  • Aus dem obigen Gedankengang lässt sich das Anwendungsspektrum erweitern: Es ist möglich, ohne den Wechsel des Sensors verschiedene Messaufgaben zu bewältigen. Der weite nutzbare Messbereich spart Kosten für den sonst anfallenden Umbau von Testständen, und in der Produktion verringert sich die notwendige Typenvielfalt.

Mögliche Fehlerquellen

Bei Kraftaufnehmern auf Basis von Dehnungsmessstreifen, unterscheidet man zwei mögliche Fehlergruppen:

  • Lastunabhängige Fehler: Fehler, die nicht von der anliegenden Kraft bestimmt sind, sondern deren Fehlersignal immer die gleiche Höhe hat, egal wie groß der Messwert ist. Die Berechnung erfolgt in % der Nennkraft des Kraftaufnehmers
  • Istwertbezogene Fehler: Fehler, deren Größe zu der im Moment der Betrachtung anliegenden Kraft proportional sind, die sich also in % des Messwertes berechnen lassen

Der Temperatureinfluss auf den Nullpunkt (TKNull) 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 TKNull immer dann besonders groß ist, wenn nur ein kleiner Teil der Nennkraft genutzt wird. Der Betrag ist immer gleich, dadurch steigt aufgrund des kleinen Nutzsignals in dieser Situation der relative Anteil.

Hierzu ein Beispiel: Ein typischer mit Kraftaufnehmer mit konventioneller Technik soll in unserem Beispiel eine Nennkraft von 100 kN aufweisen, den TKNull nehmen wir mit 0,5 % pro 10 Kelvin an.

Das bedeutet, dass eine Temperaturänderung von 10K einen Messunsicherheitsbeitrag von 0,5 % der Nennkraft erzeugt. Dies entspricht dann einer Unsicherheit von 0,5 kN. Verwenden wir die Messdose nicht bei 100 kN, sondern bei 20 kN, so weist der Messunsicherheitsbetrag weiterhin 500 N auf, aber relativ zur kleineren Kraft ergibt sich nun ein relativer Beitrag von 2,5 %.

Beleuchten wir wie gleiche Situation wenn eine C10 eingesetzt wird. Die Nennkraft von 100 kN ist auch bei der C10 Serie verfügbar, aber der der TKNull ist mit nur 0,075 % pro 10 Kelvin angegeben.

Somit ist der Fehleranteil 75 N und wie im oberen Beispiel auch, bleibt dieser Anteil über den gesamten Messbereich konstant. Wenn nun die moderne C10 bei 20 kN eingesetzt wird, so sinkt der Fehleranteil des TKNull von den mit konventioneller Technik erreichten 2,5 % auf nur 0,375 %.

Neben dem TKNull ist auch der Linearitätsfehler auf den Endwert bezogen, somit lässt sich der Gedankengang oben auch auf diese Fehleranteile übertragen.

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, Linearität und Hysterese von entscheidender Bedeutung. Da diese Fehler – wie oben erklärt- auf den Endwert, d. h. auf das Ausgangssignal bei voller Ausnutzung der Nennkraft bezogen werden, ist eine Verbesserung dieser Parameter besonders effektiv und erlaubt einen Einsatz des Kraftaufnehmers auch im so genannten Teillastbereich, d. h. eine Ausnutzung nur eines Teilbereichs der Nennkraft.

C10 von HBM erweitert die Anwendungsmöglichkeiten

HBM hat die C10 gründlich überarbeitet, und dabei gezielt an den endwertbezogenen Fehlern gearbeitet. Der Temperatureinfluss der Kraftaufnehmer war immer schon sehr klein, aber bei der Linearität und der Hysterese konnten erhebliche Verbesserungen erreichet werden:

Linearitätsfehler (in ppm)

Kapazität

vorher

neu

Verbesserung

2,5 kN30020033%
5 kN30020033%
10 kN30020033%
25 kN40025038%
50 kN40035013%
100 kN40035013%
250 kN40035013%
500 kN40035013%
1 MN60050017%

 

Hysterese (in ppm)

Kapazität

vorher

neu

Verbesserung

2,5 kN30020033%
5 kN30020033%
10 kN30020033%
25 kN40030025%
50 kN4004000%
100 kN50040020%
250 kN50040020%
500 kN50040020%
1 MN60050017%

Kriechen (30 min) in ppm

Kapazität

vorher

neu

Verbesserung

2,5 kN40020050%
5 kN40020050%
10 kN40020050%
25 kN25020020%
50 kN25020020%
100 kN25020020%
250 kN25020020%
500 kN25020020%
1 MN25020020%

Wie wirken sich die Vorteile nun in der Praxis aus?

Das Diagramm zeigt eine typische Messaufgabe:

  • Messzeit: 30 min
  • Temperaturveränderung: 10 °C
  • Sensor: C10/25KN
  • Der Sensor wurde bis zur Nennkraft belastet

Die Grafik zeigt die Messunsicherheit in Abhängigkeit der Messkraft. Deutlich zu sehen ist der Effekt der Überarbeitung - der nutzbare Messbereich ist — bei gleicher willkürlich festgelegter Messunsicherheit  —deutlich vergrößert.

Die Abbildung unten zeigt ein weiteres Argument für eine präzise Kraftmessung: Auf der X-Achse ist eine zu messende Kraft aufgetragen, die einer Qualitätskontrolle dient. 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.


Abb. 2: Überwachung eines Prozesses mit einem Kraftmesssystem mit hoher und niedriger Genauigkeit.

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 die C10, S2M, S9M oder U10M von HBM erreichen vor allem bei den endwertbezogenen Einflussgrößen auf die Messunsicherheit hohe Genauigkeiten, weit über den Klassenstandard hinaus. Das ermöglicht, 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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